血管抵抗

血管抵抗とは、血液が循環器系を流れる際に克服しなければならない抵抗のことです。体循環によって生じる抵抗は体血管抵抗、あるいは全末梢抵抗とも呼ばれ、肺循環によって生じる抵抗は肺血管抵抗と呼ばれます。血管収縮（動脈や細動脈の直径の減少）は抵抗を増加させ、血管拡張（直径の増加）は抵抗を減少させます。血流と心拍出量は血圧と相関し、血管抵抗とは反比例関係にあります。

測定

血管抵抗の測定は多くの場合困難です。標準的な方法は肺動脈カテーテルを用いることです。これはICUでは一般的ですが、他のほとんどの環境では実用的ではありません。

測定単位

血管抵抗の単位は、dyn ·s·cm ^-5、パスカル秒/立方メートル（Pa·s/m ^{3 ）です。また、血圧（} mmHg単位）と心拍出量（L/分単位）から導出しやすいように、mmHg·min/Lで表すこともできます。これは、小児心臓専門医が頻繁に使用するハイブリッド抵抗単位（HRU）（この分野の先駆者であるポール・ウッドにちなんでウッド単位とも呼ばれます）と数値的に等価です。これらの単位の変換は以下のとおりです。^{[ 1 ]}

${\displaystyle 1\,{\frac {{\text{mmHg}}\cdot {\text{min}}}{\text{ L }}}({\text{HRUs}})=8\,{\frac {{\text{MPa}}\cdot {\text{s}}}{{\text{m}}^{3}}}=80\,{\frac {{\text{dyn}}\cdot {\text{秒}}}{{\text{cm}}^{5}}}}$

測定	基準範囲
	dyn·s/cm ^5	MPa·s/m ^3	mmHg·min/L またはHRU（ウッド単位）
全身血管抵抗	700–1600 [ 2 ]	70～160 [ 3 ]	9～20 [ 3 ]
肺血管抵抗	20～130 [ 2 ]	2～13 [ 3 ]	0.25～1.6 [ 3 ]

計算

オームの法則の水力版（ 流体のオームの法則とも呼ばれる）では、血管抵抗は電気抵抗に、圧力差は電圧差に、体積流量は電流の流れに似ています。^{[ 4 ]}

${\displaystyle R=\Delta P/Q}$

どこ

• Rは抵抗
• ΔPは、循環ループ（全身/肺）の始まり（左心室/右心室を出た直後）から終わり（右心房/左心房に入る）までの圧力差です。
• Qは血管を通る流量です（SVRについて議論する場合、これは心拍出量に等しいです）

全身血管抵抗

^{SVRは、dyn·s·cm −5}の単位で次のように 計算できる。

${\displaystyle {\frac {80\cdot (\mathrm {平均動脈圧} -\mathrm {平均右心房圧} )}{\mathrm {心拍出量} }}}$

ここで、圧力はmmHg単位で測定され、心拍出量はリットル/分（L/min）単位で測定されます。平均動脈圧は血圧の周期平均値であり、一般的には2×拡張期血圧＋収縮期血圧/3（または拡張期血圧＋1/3（収縮期血圧－拡張期血圧））と近似されます。平均右房圧または中心静脈圧は通常非常に低く（通常は約4mmHg）、その結果、しばしば無視されます。^{[ 5 ]}

例: 収縮期血圧 = 120 mmHg、拡張期血圧 = 80 mmHg、右心房平均圧 = 3 mmHg、心拍出量 = 5 L/分の場合、平均血圧 = 2 x 拡張期血圧 + 収縮期血圧/3 = 93.3 mmHg、SVR = (93 - 3) / 5 = 18 Wood 単位、または同等の 1440 dyn·s/cm ^{5 となります}。

ICU外のほとんどの場所では、SVRの測定やモニタリングは困難です。侵襲性カテーテルが必要です。SVR、血圧、COは互いに関連していますが、容易に測定できるのは血圧だけです。ベッドサイドでの典型的な状況では、3つの変数からなる式が用いられます。1つは既知である血圧、もう1つは未知であるCOとSVRです。このため、血圧はショックまたは血流状態の定義として実用的ながらも、やや不十分な定義として頻繁に用いられます。

肺血管抵抗

PVRも同様に計算できます（単位はdyn·s·cm ⁻⁵）。

${\displaystyle {\frac {80\cdot (\mathrm {平均肺動脈圧} -\mathrm {平均肺動脈楔入圧} )}{\mathrm {心拍出量} }}}$

ここで、測定単位はSVRと同じです。肺動脈楔入圧（肺動脈閉塞圧またはPAOPとも呼ばれる）は、肺動脈の1つを閉塞し、閉塞部から下流の圧力を測定することで左房圧を近似する測定値です。^{[ 6 ]} したがって、上記の式の分子は、肺血液回路（心臓の右心室が肺動脈幹に接続する部分）への入力と回路の出力（心臓の左心房への入力）の間の圧力差です。

規制

血管抵抗に影響を与える要因は数多くあります。血管コンプライアンスは、中膜平滑筋組織の筋緊張と弾性線維の弾力性によって決定されますが、筋緊張は、血圧と血流を基準範囲内に維持するために血管拡張と血管収縮を誘導するホルモンや細胞シグナル伝達分子によって、恒常的に変化します。

最初のアプローチでは、流体力学（流れる物質が連続的で、連続した原子または分子の結合で構成され、内部摩擦が異なる速度の連続した平行層間で発生する）に基づいて、血管抵抗に影響を与える要因がハーゲン・ポアズイユの式の適応形で表されます。

${\displaystyle R={\frac {8L\eta }{\pi r^{4}}}}$

どこ

• R = 血流抵抗
• L = 容器の長さ
• η =血液の粘度
• r = 血管の半径

血管の長さは、通常、体内で変化しません。

ハーゲン・ポアズイユの式では、流れの層は壁から始まり、粘性によって放物線状の速度プロファイルを描いて容器の中心線で互いに到達します。

^{サーストン[ 7 ]}によれば、血流の実験的観察に基づく、より現実的な2つ目のアプローチでは、閉塞流を囲む壁に血漿放出細胞層が存在する。これは距離δにおける流体層であり、粘度ηはδの関数としてη(δ)と表記され、実際の血流ではこれらの周囲層は血管中心で交わらない。代わりに、高濃度の赤血球を含むため高粘性となる閉塞流が存在する。サーストンはこの層を流動抵抗として扱い、粘度η(δ)と壁層からの厚さδを用いて血流を記述した。

血液抵抗の法則は、血流プロファイルに適応したRとして現れます。

${\displaystyle R={\frac {cL\eta (\delta )}{\pi \delta r^{3}}}}$ ^{[ 7 ]}

どこ

• R = 血流抵抗
• c = 一定流量係数
• L = 容器の長さ
• η(δ) =壁血漿の放出細胞層における血液の粘度
• r = 血管の半径
• δ = 血漿放出細胞層における距離

血液抵抗は、血液の粘度やその閉塞流量（または、血管セクション全体で相補的であるためシース流量）のサイズ、および血管のサイズによって異なります。

血液粘度は、血液が濃縮されるほど高くなり、血液が薄まるほど低くなります。血液粘度が高いほど、抵抗が大きくなります。体内では、赤血球濃度が上昇するにつれて血液粘度が上昇するため、血液が薄まった血液は流れやすくなり、血液が濃縮された血液は流れにくくなります。

この効果を打ち消すように、液体の粘度が低下すると、乱流が増加する可能性があります。乱流は閉鎖血管系の外側から見ると抵抗の増加とみなされ、より希釈された血液の流れを阻害します。特に大血管における乱流は、血管床全体の圧力変化の原因となる可能性があります。

体内の血管抵抗の主な調節因子は血管半径の調節である。ヒトでは、血液が大動脈から太い動脈に流れる際に圧力変化はほとんどないが、小動脈と細動脈では約70%の圧力低下が生じ、SVRの主な調節因子となっている。環境変化（運動、水中への浸水など）が起こると、血管平滑筋のα1受容体へのノルエピネフリンとエピネフリンの結合を含む神経シグナルとホルモンシグナルによって、血管収縮または血管拡張が引き起こされる。抵抗は血管半径の4乗に反比例するため、細動脈径の変化は血管抵抗の大幅な増加または減少につながる可能性がある。^{[ 8 ]}

抵抗が血管半径の4乗に反比例する場合、血管壁に作用する力（壁面抗力）は、半径の2乗に反比例します。血流が血管壁に及ぼす力は、ポアズイユの式によれば、壁せん断応力です。この壁せん断応力は圧力降下に比例します。圧力降下は血管の断面に作用し、壁せん断応力は血管の側面に作用します。したがって、壁にかかる力の合計は、圧力降下と半径の2乗に比例します。したがって、血管壁に作用する力は、半径の2乗に反比例します。

血管内の血流抵抗は、主に血管半径と粘度によって制御されますが、血液粘度も血管半径に応じて変化します。血管内のプラグフローを取り囲むシースフローを示すごく最近の研究結果によると、 ^{[ 9 ]}シースフローのサイズは、血管内の実際の血流速度プロファイルにおいて無視できません。速度プロファイルは、血管内の血流抵抗と直接関係しています。サーストンによると、^{[ 7 ]}粘度の変化も、プラグフローを取り囲むシースフローのサイズによってバランスが取られます。血管半径に次いで血管抵抗を二次的に制御するのは、シースフローのサイズとその粘度です。

サーストン^{[ 7 ]}も、抵抗Rは一定であり、定義された血管半径に対して、シースフローにおけるη(δ)/δの値は一定であることを示しています。

血管抵抗は血流に依存し、血流は2つの隣接する部分に分けられます。プラグフロー（赤血球が高濃度）とシースフロー（より流動性の高い血漿放出と細胞層）です。血管系内では、この2つの部分が共存し、それぞれ異なる粘度、サイズ、速度プロファイルを有します。

サーストンの研究とハーゲン・ポアズイユの式を組み合わせると、血流が血管壁に及ぼす力は、血管半径とシースフローの厚さに反比例することが示されます。また、質量流量と血液粘度にも比例します。

${\displaystyle F={\frac {QcL\eta (\delta )}{\pi \delta r}}}$ ^{[ 7 ]}

どこ

• F = 血流が血管壁に及ぼす力
• Q = 体積流量
• c = 一定流量係数
• L = 容器の長さ
• η(δ) = 血液の動的粘度、壁血漿放出、細胞層
• r = 血管の半径
• δ = 血漿放出細胞層またはシースフローの厚さにおける距離

その他の要因

セロトニンを含む血小板由来物質の多くは、内皮が損傷されていない場合は血管拡張作用があり、内皮が損傷されている場合は血管収縮作用があります。

コリン作動性刺激は、損傷のない内皮から内皮由来弛緩因子（EDRF）（後にEDRFは一酸化窒素であることが発見された）の放出を引き起こし、血管拡張を引き起こす。内皮が損傷している場合、コリン作動性刺激は血管収縮を引き起こす。^{[ 10 ]}

アデノシンは、安静時の血管抵抗の維持には関与していない可能性が高い。しかし、低酸素状態においては血管拡張を引き起こし、血管抵抗を低下させる。アデノシンは、低酸素状態、虚血状態、あるいは激しい運動時に、心筋細胞内で高エネルギーリン酸化合物（例：アデノシン一リン酸、AMP）の分解によって生成される。生成されたアデノシンの大部分は細胞外へ排出され、血管壁に直接的な血管拡張剤として作用する。アデノシンは直接的な血管拡張剤として作用するため、血管拡張を引き起こすために内皮細胞の健全性を必要としない。

アデノシンは、小・中サイズの抵抗細動脈（直径100μm未満）の血管拡張を引き起こす。アデノシンを投与すると、冠動脈スティール現象^{[ 11 ]}を引き起こす可能性があり、これは健常組織の血管が病変血管よりも拡張する現象である。この現象が起こると、虚血の危険性がある組織から血液がシャントされ、虚血性組織となる可能性がある。これがアデノシン負荷試験の原理である。アデノシンは、赤血球と血管壁に存在するアデノシンデアミナーゼによって速やかに分解される。 ^{[ 12 ]}冠動脈スティール現象と負荷試験は、アデノシンの注入を中止することで速やかに終了できる。

全身性

SVRの低下（例えば運動中）は、組織への血流増加と心臓への静脈還流増加をもたらします。一部の薬剤でみられるSVRの上昇は、組織への血流減少と心臓への静脈還流減少をもたらします。血管収縮とSVRの上昇は、特にα(1)アドレナリン受容体を刺激する薬剤で顕著です。^{[ 13 ] [ 14 ]}

肺

血管抵抗の主な決定要因は、小細動脈（抵抗細動脈）の張力です。これらの血管の直径は450μmから100μmです（比較として、毛細血管の直径は約5μmから10μmです）。血管抵抗のもう一つの決定要因は、毛細血管前細動脈です。これらの細動脈の直径は100μm未満です。これらの細動脈は、血流を増減させるために直径を動的に変化させることから、自己調節血管と呼ばれることもあります。

血液粘度の変化（ヘマトクリット値の変化など）も、測定される血管抵抗に影響を与えます。

肺血管抵抗（PVR）も肺気量に依存し、機能的残気量（FRC）でPVRは最低になります。肺循環のコンプライアンスが高いため、肺膨張の程度がPVRに大きな影響を与えます。これは主に、肺胞血管と肺胞外血管への影響によって生じます。吸気時には、肺気量が増加すると肺胞が拡張し、間質性肺胞血管が長手方向に伸張します。これにより血管の長さが増加し、直径が減少するため、肺胞血管抵抗が増加します。一方、呼気時には肺気量が減少するため、隣接組織からの放射状牽引力が低下するため、肺胞外動脈と静脈が狭くなります。これにより、肺胞外血管抵抗が増加します。PVRは、これらの血管が互いに直列に並んでいるため、これらの抵抗の合計として計算されます。肺胞抵抗と肺胞外抵抗はそれぞれ肺容量が大きいときと小さいときに増加するため、総PVRはU字曲線を描きます。PVRが最も低くなる点はFRC付近です。

冠状

冠動脈の緊張の調節は複雑な問題です。冠血管の緊張を調節するメカニズムには、代謝要求（低酸素症など）、神経制御、そして内皮因子（EDRF、エンドセリンなど）など、数多く存在します。

局所的な代謝制御（代謝需要に基づく）は、冠血流を制御する上で最も重要なメカニズムです。組織内の酸素含量の減少とCO₂含量の上昇は_血管拡張剤として作用します。アシドーシスは直接的な冠血管拡張剤として作用し、冠血管系における アデノシンの作用を増強します。

参照

• 動脈抵抗指数
• 血行動態
• 血圧
• アデノシン
• 灌流
• 心拍出量
• 血管収縮
• 血管拡張

参考文献

1. Fuster, V.; Alexander, RW; O'Rourke, RA (2004) Hurst's the heart, book 1 . 第11版, McGraw-Hill Professional, Medical Pub. Division. 513ページ. ISBN 978-0-07-143224-5。
2. 表30-1：Trudie A Goers、ワシントン大学医学部外科、Klingensmith, Mary E、Li Ern Chen、Sean C Glasgow (2008). The Washington manual of surgery . Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-7447-5。
3. dyn·s/cm ^{5の値から導出}
4. レヴィック、J. ロドニー; レヴィック、JR (1991).心血管生理学入門. ロンドン・ボストン: バターワース. ISBN 978-0-7506-1028-5。
5. レヴィック, JR (1991).心血管生理学入門. ロンドン; ボストン: バターワース. ISBN 978-0-7506-1028-5。
6. バージニア大学医療システム「生理学：肺動脈カテーテル」Wayback Machineで2007年5月21日にアーカイブ
7. GB Thurston, 小径チューブ内の血液の粘度と粘弾性, Microvasular Research 11, 133-146, 1976
8. 「心拍出量と血圧」 biosbcc. 2011年8月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年4月7日閲覧。
9. _CO2マイクロバブルを用いたX線PIV技術による実際の脈動血流の測定、Hanwook Park、Eunseop Yeom、Seung-Jun Seo、Jae-Hong Lim ＆ Sang-Joon Lee、NATURE、 Scientific Reports 5、記事番号：8840（2015）、 doi：10.1038/srep08840。
10. Satoskar, RS; Bhandarkar, SD (2020).薬理学と薬物治療学. エルゼビア・ヘルスサイエンス. p. 268. ISBN 978-8131257067。
11. Masugata H, Peters B, Lafitte S, et al. (2003). 「心筋コントラストエコー検査による造影欠損の程度に基づく冠動脈閉塞症におけるアデノシン誘発性冠動脈スティールの評価」. Angiology . 54 ( 4): 443–8 . doi : 10.1177/000331970305400408 . PMID 12934764. S2CID 42646704 .  
12. オピー、ライオネル・H. (2004).心臓生理学：細胞から循環まで. リッピンコット・ウィリアムズ＆ウィルキンス. p. 286. ISBN 0781742781。
13. Thiele, Robert H.; Nemergut, Edward C.; Lynch, Carl (2011-08-01). 「単独α(1)アドレナリン刺激の生理学的影響」 . Anesthesia and Analgesia . 113 (2): 284– 296. doi : 10.1213/ANE.0b013e3182124c0e . ISSN 1526-7598 . PMID 21519050 .  
14. Robert F. Brooker, John F. IV Butterworth, Dalane W. Kitzman, Jeffrey M. Berman, Hillel I. Kashtan, A. Colin McKinley; 高圧テトラカイン脊髄麻酔後の低血圧治療：フェニレフリンとエピネフリンのランダム化二重盲検クロスオーバー比較. Anesthesiology 1997; 86:797–805 doi : 10.1097/00000542-199704000-00009

さらに読む

• Grossman W, Baim D. Grossman著『心臓カテーテル法、血管造影、および介入』第6版、172ページ、表8.1 ISBN 0-683-30741-X

外部リンク

• 心臓情報：全身血管抵抗