収縮性を高めれば心拍出量は増えるのか――静脈還流と左右心

目次

左室の収縮性を高めれば、心拍出量（CO）は増えるのか。前負荷と後負荷を固定した単離心室なら、答えはほぼ「増える」である。しかし閉じた循環では、心臓が送り出す量と心臓へ戻る量が一致しなければならず、充満圧も結果として動く。本稿のモデル比較では、左室の張力を上げてもCOの増加は数%にとどまり、より目立ったのは左房圧と左室容積の低下だった。その大きさは総血液量によって異なった。さらに、左室の設定を変えなくても、右室側の条件だけで左室の充満と拍出は変わった。

この二つの結果を、保存則、Guytonの静脈還流、Starlingの心機能曲線の順に説明し、モデルで確かめる。比較するのは、各条件で一拍の状態が繰り返される周期定常状態である。条件を変えた直後にどの区画からどこへ血液が移るかという過程は扱わず、最終的に落ち着いた血液分布、圧、流量の組合せを比べる。

送り出す量と戻る量は一致する

血液をためる区画では、流入量と流出量の差だけ容積が変わる。一拍の長さをT、区画の容積をVとすると、周期定常状態では一拍後に容積が元へ戻るので、次式が成り立つ。

$$V(t+T)-V(t)=\int_t^{t+T}\!\left(Q_{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{out}}\right)\,dt=0$$

したがって、短絡や外部との出入りがない閉ループでは、左右の心室の正味拍出量と静脈還流量は、一拍平均で互いに等しい。この等式は「静脈還流がCOを決める」とも「心臓がCOを決める」とも述べていない。どちらから見ても同じ流量になるという拘束条件であり、問題は、心臓、血管抵抗、血管内に蓄えられた血液が、どの流量と圧で釣り合うかである。^注1

心機能曲線と還流曲線の交点

心機能曲線（Starling曲線）は、心筋の性質、心拍数、血管の条件を定めたときの、充満圧と拍出の関係である。上行部では、充満が増すほど筋節が伸び、長さ依存性活性化によって一拍の拍出が増える。収縮性が異なる心臓は同じ充満圧でも異なる拍出を生むので、収縮性の変化は曲線上の移動ではなく、曲線そのものの移動として表れる。ただし充満圧は筋節長そのものではなく、心室の形、受動的な硬さ、外圧にも左右される代理量である。

Guytonは、心機能曲線と静脈還流曲線を同じ座標に重ね、その交点を循環の作動点とした。典型的な図は横軸が右房圧、縦軸が流量で、静脈還流曲線は、右房圧が低いほど心臓へ戻る流量が増える関係を表す。交点は心臓側と血管側の関係を同時に満たす圧と流量であり、どちらかを先に動かしたときの時間経過を描いたものではない。¹⁾

$$Q=\frac{P_{\mathrm{ms}}-P_{\mathrm{ra}}}{R_{\mathrm{vr}}}$$

直線で近似すると、静脈還流量Qは、平均体循環充満圧Pmsと平均右房圧Praの差を静脈還流抵抗Rvrで割った値になる。Pmsは、同じ体循環血液量と血管トーンのまま流れを止めたときに体循環の血管内で一様になる圧であり、平均動脈圧とも、流れている状態の静脈圧とも異なる。圧をmmHg、流量をL/minとすれば、Rvrの単位はmmHg・min/Lである。この直線は、血液量、血管トーン、容量特性、外圧を固定し、静脈の虚脱や強い非線形性が効かない範囲での近似である。

RvrはSVRと同じ量ではない。SVRは平均動脈圧と右房圧の差を流量で割った値だが、Rvrには抵抗の配置に加えて、血液が動脈側と静脈側にどれだけ蓄えられるかという容量の重みが入る。二つの貯留部をもつ単純な回路で導くと、動脈側の抵抗はコンプライアンスの比で割り引かれてRvrに加わる。そのため体血管抵抗を変える操作は、心臓の後負荷と還流側の条件を同時に変える。^注2

交点の移動を式で追う

まず、還流側の関係が変わらない理想化した系で、収縮性の小さな変化を考える。心機能曲線をQ＝F(P)とし、同じ充満圧Pでの拍出がΔFだけ増えたとする。還流側の傾きを−1/R、作動点での心機能曲線の傾きをSとおく。Rの単位はmmHg/(L/min)、Sは(L/min)/mmHgである。交点の近くでは、心臓側でΔQ＝ΔF＋SΔP、還流側でΔQ＝−ΔP/Rが同時に成り立つ。ΔPを消去すると次式を得る。

$$\Delta Q\approx\frac{\Delta F}{1+R\,S},\qquad \Delta P\approx-R\,\Delta Q$$

上行部でS＞0、R＞0なら、閉ループでのCO増加ΔQは、同じ充満圧での増加ΔFより小さくなる。この近傍では、CO増加と充満圧低下の比がRで結ばれる。Sが大きい領域ほど、わずかな充満圧の低下で心機能曲線の上昇分が打ち消され、COに現れる増加は小さくなる。

抵抗と容量特性が一定の線形近似では、体循環血液量の増加はPmsを上げ、還流曲線を平行に移す。作動点が変われば、その近傍の心機能曲線の傾きや収縮性への応答も変わる。実際のモデルには血管の非線形性と左右心の連成があり、血液量を変えた結果がこの平行移動だけで決まるわけではない。以下の左室の比較では、充満圧として左房圧を読む。

血液量で変わる収縮性の効果

左室自由壁と中隔の能動張力の基準値を70％から100％へ上げた二条件を、まず総血液量4,935 mLで比べる。心拍数、右室の張力、弁、血管の抵抗と容量特性、心膜の条件は共通である。操作したのは心筋張力の尺度であり、Eesを直接設定したわけではない。^注3

インタラクティブ・シミュレーション

血液量を保ち、左室の張力設定を上げる

総血液量4,935 mL。COだけでなく左房圧とPVの位置を読む。

シナリオ 2件・グラフ 1件・出力 4件・操作 0件

• グラフ 1
• 正味CO
• 正味CO
• 平均左房圧
• 平均左房圧

シミュレーションを操作するにはJavaScriptを有効にしてください。

張力の基準値を上げたとき、COの増加と左房圧の低下のどちらが目立つだろうか。

4,935 mLでは、張力の基準値を70％から100％へ上げると、COは5.41から5.61 L/minへ約4％増え、平均左房圧は10.4から8.4 mmHgへ下がった。次に血液量の少ない4,200 mLの組で、同じ操作の効果が保たれるかを確かめる。

インタラクティブ・シミュレーション

血液量が少ないと、同じ張力操作はどう効くか

総血液量4,200 mL。各比較の中では血液量を固定する。

シナリオ 2件・グラフ 1件・出力 4件・操作 0件

• グラフ 1
• 正味CO
• 正味CO
• 平均左房圧
• 平均左房圧

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4,200 mLでは、COの増加は4.14から4.20 L/minの約1.5％、左房圧の低下は4.8から4.5 mmHgと、どちらも小さかった。血液量が違えば、同じ心筋側の操作でも応答の大きさは変わる。

左室PVを見ると、張力を上げたループは全体に左へ移り、4,935 mLでは最大容積が160.6から143.7 mLへ小さくなった。一方、ループの幅に当たる一回拍出量の増加はわずかである。COだけを見て「張力の操作が効かなかった」と読むと、より小さい容積と低い充満圧でほぼ同じ量を送り出せるようになった変化を見落とす。収縮性を高める介入の効果を、COの変化だけで判定しない理由がここにある。^注4

同じ充満圧での拍出の違いは、負荷系列で確かめる。図1左は、総血液量を段階的に変え、各条件の周期定常で測った左房圧と前方拍出量を結んだものである。左房圧約10.4 mmHgでは、低張力で約5.4 L/min、基準張力で約6.1 L/minだった。

基準張力側の点は総血液量5,231 mLで得たもので、同じ血液量での比較ではない。閉じた循環で負荷系列を作っているため、後負荷も点ごとに変わる。一方、右図の大きな点は同じ血液量4,935 mLの作動点で、左房圧が異なる。この二つの比較を分けると、曲線上で同じ圧を選ぶ問いと、循環全体でどの圧に落ち着くかという問いの違いが見える。^注5

図1：ほぼ同じ左房圧での比較と、同じ血液量での比較

右図は、総血液量4,935 mLを出発点とする二つの張力条件を示す。その還流側の破線は、左図のStarling点とは作り方が違う。各条件の血液配分と血管特性から構成した構造的な関係であり、心房圧を独立に操作して測った曲線ではない。したがって、この図は前節の構図を確かめる目安として使い、線の切片や傾きを実測のPmsやRvrとして読まない。^注5

右心が左室の充満を変える

右室と左室は肺循環を挟んで直列につながっている。周期定常では左右の拍出は一拍平均で等しいので、右室の張力や肺血管の負荷が変わると、その流量を保つ血液の配分と心房圧が変わる。左室の心筋設定を変えなくても、閉ループでの充満と負荷の組合せが変わり、左室の作動点は移りうる。

Tedfordらは、全身性強皮症に伴うPAH（SSc-PAH）と特発性PAH（IPAH）を比較した。右室PVを測定した少数例では、SSc-PAHのEesとEes/Eaが低かった。図2は原著Table 2の要約である。EaやPVRの群間差が有意でなかったことは、負荷が同一だったという証明ではない。心筋側と肺血管側の指標を別々に測る必要性を示す比較として読む。^2)注6

図2：右室Ees・Ea・Ees/Eaを分けて読む

次に左室と中隔の張力設定を保ち、右室自由壁の能動張力の基準値だけを75％から100％へ上げる。肺血管抵抗、心拍数、総血液量、その他の血管・弁・心膜の条件は共通である。右室PVと左室PVを切り替え、右心側の変更が左室の充満にも現れるかを見る。^注7

インタラクティブ・シミュレーション

左室の設定を保ち、右室の張力設定を上げる

肺血管抵抗を共通にした二条件。右室が小さくなったときの、左室PVも比べる。

シナリオ 2件・グラフ 2件・出力 4件・操作 0件

• グラフ 1
• グラフ 2
• 正味CO
• 正味CO
• 右室EDV
• 右室EDV

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肺血管抵抗を基準に保ち、右室の張力の基準値を0.75倍から基準へ上げると、右室は小さくなり（EDV 151から141 mL）、COは5.50から5.61 L/minへ増えた。このとき平均右房圧は3.2から3.1 mmHgへわずかに下がり、平均左房圧は8.0から8.4 mmHgへ、左室最大容積は140.8から143.7 mLへ増えた。血液の配分が体静脈・右心側から肺・左心側へ移ったことと整合する。左室の設定は同じでも、左室が受け取る充満条件は同じではない。^注8

この変化には、肺循環を介して左室の充満条件が変わる経路と、中隔・心膜を介して左右心が力学的に影響し合う経路が関わり得る。右室が小さくなったことだけから、心膜による制約がどれだけ減ったかは分からない。今回の比較では両経路の寄与を分けていない。

右房圧が下がり、左房圧と左室容積が上がったこの結果は、右房圧から左室の前負荷を推し量れない場面があることを示す。もう一つ注意したいのは、心腔内圧が壁を押し広げる圧そのものではないことである。心室壁を伸ばすのは、心腔内圧から胸腔圧や心膜圧などの外圧を引いた経壁圧である。^注9

$$P_{\mathrm{tm}}=P_{\mathrm{cavity}}-P_{\mathrm{external}}$$

同じ心腔内圧でも、外圧が高ければ経壁圧は小さい。心腔内圧の高さだけでは、心室がどれだけ広がるかは決まらない。左右の心室は中隔と心膜を共有しているので、一方の圧と容積は、もう一方と組み合わせて読む必要がある。

PAH患者41例で運動時のCO予備能を調べたCubero Salazarらの研究では、予備能の乏しい群で、右室の負荷、拡張期の硬さ、心室間相互作用に関係する指標が異なり、Eesだけでは群の違いを説明できなかった。本実験は右室の受動特性を固定しているため、この知見の検証にはならない。COの差を収縮性一つに還元しないための、次の課題として挙げておく。³⁾

臨床指標へ戻る

冒頭の問いに戻ろう。閉じた循環で収縮性を高めた効果は、COの増加と充満圧の低下に分かれて現れ、その配分は作動点によって変わる。したがって、COの変化が小さいことは、心臓への効果が小さいことを意味しない。反対に、COや左室の拍出が増えたことは、左室心筋が強くなったことを意味しない。右室や肺循環の条件が変わるだけで、左室の充満と拍出は変わるからである。

臨床の指標を読むときは、流量がどれだけ変わったか、その流量をどの充満圧で得ているか、左右どちらの心室の条件が変わったかの三点を確かめたい。PVループで心室の一拍を、Starling曲線で充満と拍出の関係を、Guytonの交点で還流側の拘束を読むと、どの条件が結果を変えたかを分けて説明できる。

狭い弁の先の血管負荷は拍出を変えるか――ASと低収縮性前の記事 — 収縮性を考えるCircleHeart 心拍数が増えれば心拍出量も増えるのか――収縮予備能と充満次の記事 — 収縮性を考えるCircleHeart

注釈

1. 注1流量の定義↩

   本稿のCOは、弁の順流量から逆流量を引いた正味流量である。体静脈還流は大静脈からの流れに冠静脈還流を合わせたもので、冠循環を除いた体組織への血流量は全COより小さい。保存則で等しくなるのは、冠循環を含む全拍出量と全還流量である。

2. 注2還流抵抗とSVRの違い：二つの貯留部で導く↩

   外圧を0に固定し、線形の動脈・静脈コンプライアンスをCa、Cv、両者の間の抵抗をRa、静脈から右房への抵抗をRvとする。圧はPa、Pv、Pra、すべての経路に共通する定常流量をQとする。これは式の構造を説明するための縮約回路であり、本アプリの多区画モデルそのものではない。

   同じ流量が流れるので、Pv＝Pra＋Q Rv、Pa＝Pv＋Q Raとなる。ゼロ圧時容積を超えて圧を生む血液量VsはCa Pa＋Cv Pvである。無流量の一様圧をPms＝Vs/(Ca＋Cv)とおいて代入すると、Pms＝Pra＋Q{Rv＋Ra Ca/(Ca＋Cv)}を得る。

   したがって、この回路ではRvr＝Rv＋Ra Ca/(Ca＋Cv)となる。一方、PaからPraまでの全抵抗はRa＋Rvである。動脈側の抵抗にはコンプライアンスの重みCa/(Ca＋Cv)がかかり、静脈側のコンプライアンスが動脈側より大きいほど、その寄与は小さくなる。実際の血管は非線形で虚脱も生じるため、この定数一つで全条件を表せるわけではない。

3. 注3張力の操作と血液量の条件↩

   張力の操作は、シリーズ第1回で説明した筋フィラメントモデルの能動応力の基準値（Tref）に倍率を掛けるものである。同じ筋節長と状態での能動応力はこの倍率に比例するが、循環と結合すると長さや活性化の状態も変わるため、心室圧やEesが同じ倍率で変わるわけではない。薬剤の用量やEesの倍率には読み替えない。

   この実験では、左室自由壁と中隔に同じ張力倍率（0.70または1.00）を掛けた。右室自由壁の張力は四条件で共通である。総血液量の4,200 mLと4,935 mLは比較のための代表値である。

4. 注4容積の定義↩

   左室の数値は一拍内の最大容積（LVmax）であり、僧帽弁閉鎖時のEDVとは測定定義が異なる。右室EDVは三尖弁閉鎖時の容積である。

5. 注5Starling点と還流図の作り方↩1↩2↩3

   Starling点は、出発状態を整定してその冠血管トーンを固定し、総血液量の異なる条件をそれぞれ整定して得た。縦軸は半月弁を順方向に通過した流量で、逆流を差し引いた正味COとは定義が異なる。後負荷も点ごとに変わるため、この系列上の差を、還流関係不変と仮定した前節のΔFへ代入して効果を定量分解することはできない。

   還流側の線は、保存状態の血管容積、圧容積関係、外圧、損失則を固定して構成し、平均作動点に合わせて圧軸を調整した構造的な関係である。圧軸を調整しているため、横軸切片はPmsの測定値にならない。曲線の端は解析の探索範囲であり、治療上安全な血液量や最大心拍出量を示すものではない。

6. 注6Tedfordらの研究と本実験の範囲↩

   TedfordらのPV解析の対象は、IPAH 5例、SSc-PAH 7例である。原著Fig. 5の定常右室PVは比較の着眼点になるが、本稿の肺血管負荷は限られた範囲の設定変更であり、この患者群に合わせて較正したものではない。病態に伴う形状、肥大、線維化も再現していない。原著でEesを求めたValsalva中の連続PVは、負荷が拍ごとに変わる過程であり、本稿の対象外である。

7. 注7右心の実験の設定↩

   右室自由壁の張力倍率は0.75と1.00、肺血管抵抗の設定は0.625と0.800である。張力倍率の意味は、左室の実験と同じく能動応力の基準値への倍率である。

   肺血管抵抗の設定はモデル内部の係数であり、その値をWood単位のPVRとは読まない。設定を約1.28倍にしたとき、モデルが出力する実効肺血管抵抗の増加は約1.12倍にとどまった。入力した設定と、結果として観測される抵抗は別の量である。

8. 注8肺血管抵抗も変えた補助比較↩

   右室の張力を基準に保ち、肺血管抵抗の設定を約1.3倍にすると、平均肺動脈圧は17.9から18.5 mmHgへ、右室EDVは140.7から142.3 mLへ増え、COは5.61から5.58 L/minへわずかに低下した。今回の負荷の変化は軽度であり、PAH患者の病態を再現した比較ではない。肺血管抵抗の高い条件でも、右室の張力の基準値を0.75倍から基準へ上げるとCOは5.47から5.58 L/minへ増え、その幅は基準の肺血管抵抗での増加とほぼ同じだった。

9. 注9圧の基準↩

   原著の右室PVはカテーテルで測った心腔内圧、アプリのPVは経壁圧を用いる。圧の基準をそろえずに、曲線の高さを定量比較しない。臨床研究で左室経壁圧の代理とされるPCWP−RVEDPも、モデル内部の心膜圧・胸腔圧から計算する経壁圧とは別の量である。

文献

1. Guyton AC. Determination of Cardiac Output By Equating Venous Return Curves With Cardiac Response Curves. Physiol Rev. 1955;35:123–129. 心機能曲線と静脈還流曲線を用いて作動点を考える原典。↩
2. Tedford RJ, et al. Right ventricular dysfunction in systemic sclerosis-associated pulmonary arterial hypertension. Circ Heart Fail. 2013;6:953–963. 肺血管負荷と右室収縮性を分けた比較。Fig. 5は定常の右室PV。PV部分はIPAH 5例、SSc-PAH 7例。↩1↩2
3. Cubero Salazar IM, et al. Poor cardiac output reserve in pulmonary arterial hypertension is associated with right ventricular stiffness and impaired interventricular dependence. Eur Respir J. 2024;64:2400420. PAH 41例。Fig. 2–4に運動時の負荷・収縮性、拡張特性、左右室相互作用の指標。運動開始後の時間経過を再現する資料としては用いない。↩