収縮性を上げると、流量が増えるのか、充満圧が下がるのか――閉じた循環の作動点

CircleHeart公式

公開 2026/09/23

低心拍出の患者に強心薬を始めたとき、心拍出量が期待ほど増えず、肺動脈楔入圧の低下の方が目立ったとしたら、薬は効いていないのだろうか。教科書のPVループでは、拡張末期容積を固定したまま収縮性を上げるとESVが減り、一回拍出量が増える。ところが体の中では拡張末期容積は固定されていない。収縮性を上げた心臓が行き着く先は、一回拍出量が増えた状態なのか、充満圧が下がった状態なのか。

第3回の問いはこれである。答えは「どちらにも振り分けられうるが、その配分は心臓だけでは決まらない」になる。読み終えたときに、定常状態で心拍出量と静脈還流が等しくなる理由を保存則から説明し、Starling曲線とGuytonの還流曲線の交点が何を表すかを述べ、CircleHeartの結果を「ループの左方移動」という言葉で説明できることを目標にする。

心臓は血液を作らない：保存則と周期定常

循環を、左室・大動脈・体静脈・右房・肺循環・左房といった区画のつながりとして考える。ある区画の血液量は、入る流量と出る流量の差の分だけ変わる。出血や輸液がなければ、全区画の血液量の和は一定である。

\frac{dV_{i}}{dt} = \sum Q_{\mathrm{in},i} - \sum Q_{\mathrm{out},i}, \qquad \sum_{i} V_{i} = V_{\mathrm{total}}

拍動する循環が落ち着いた状態は、すべての量が一定になる状態ではなく、一拍ごとに同じ波形を繰り返す周期定常状態である。周期を T として V_i(t+T) = V_i(t) が成り立つので、上の式を一周期にわたって積分すると左辺はゼロになる。

0 = V_{i}(t+T) - V_{i}(t) = \int_{t}^{t+T}\Bigl(\sum Q_{\mathrm{in},i} - \sum Q_{\mathrm{out},i}\Bigr)\,dt \;\Longrightarrow\; \overline{Q}_{\mathrm{in},i} = \overline{Q}_{\mathrm{out},i}

どの区画でも、一拍平均の流入と流出は等しい。直列につながった循環では、左室の平均拍出、右室の平均拍出、静脈還流の平均がすべて同じ値になる（冠循環や気管支循環のような分岐を境界に含めるかどうかで、比べる流量の定義は揃える）。瞬間ごとの流量は一致しなくてよい。

この結果は、よくある説明の落とし穴を示している。定常では心拍出量と静脈還流は定義上等しいので、「心拍出量が増えたのは静脈還流が増えたから」という説明は、それだけでは同じことを二度言っているにすぎない¹⁾。問うべきは、心臓側の性質と血管側の性質を同時に満たす状態がどこにあり、条件を変えるとそれがどこへ移るか、である。

二本の曲線の交点として読む

心臓側の性質は、充満圧を横軸、拍出を縦軸にとったStarling曲線（心機能曲線）で表せる。充満圧が上がるほど拍出は増え、やがて頭打ちになる。Starlingの心肺標本の時代から、どの量を軸にとるか（拡張末期容積か、心房圧か、一回拍出量か一回仕事か）は研究ごとに違う²⁾。一定の収縮性と後負荷のもとでの関係であり、収縮性や後負荷が変われば別の曲線に移る³⁾。

血管側の性質は、心房圧を横軸にとった還流曲線で表せる。Guytonの古典的な形では体循環を一つの容量のある血管床とみなし、右房へ戻る流れを右房圧 P_RA の関数として書く。最も簡単な形は次の式である。

Q_{\mathrm{VR}} \approx \frac{P_{\mathrm{ms}} - P_{\mathrm{RA}}}{R_{\mathrm{VR}}}

P_ms は平均体循環充満圧で、同じ体循環の血液量と血管の容量特性のまま流れを止めたと想定したときに体循環全体が示すはずの圧である。特定の血管で測る圧ではなく、心臓と肺を含む全循環の平均循環充満圧とも別の量である。R_VR は還流の抵抗である。Guytonは心臓側の曲線と還流曲線を同じ平面に重ね、その交点で心拍出量と心房圧が同時に決まると考えた^4,⁵⁾。ただし横軸に心房圧を置いたからといって、心房圧が還流を一方的に決めているわけではない。この点は古典的解釈への批判としても論じられてきた⁶⁾。交点は因果の出発点ではなく、二つの条件が両立する状態として読むのが安全である。

この見方に立つと、収縮性を上げることは心臓側の曲線を上へ移すことであり、新しい交点では拍出が増えるか、心房圧が下がるか、その両方が起きる。どちらに多く配分されるかは、二本の曲線の傾きの組み合わせで決まる。還流曲線が固定されているという理想化のもとでは簡単な式でも書ける^注1。しかし閉じた循環では、心臓の変化が血液の分布を変え、還流側の曲線そのものも動きうる。ここから先はモデルで確かめる。

モデルのStarling点と構造的な還流図

CircleHeartでは、左室自由壁と中隔のTref倍率が0.70の条件（以下「張力が低い」）と1.00の条件（「基準」）のそれぞれについて、総血液量を段階的に変えた点を一つずつ周期定常まで整定させ、平均左房圧と前方拍出の組を求めた。ここでの「張力」はTref倍率の設定を指し、実際に発生する張力の時間経過を指定したものではない。これを本コースでは形式的なStarling点と呼ぶ。各点では冠血管のトーンを固定し、心拍数と血管の設定も同じにしているが、血液量に応じて動脈圧も動くので、後負荷を固定した単離心の心機能曲線ではない。還流図は、前節の体循環の式と同じ考え方を左心側に当てはめ、肺毛細血管から左房への還流を、作動点での血管の圧容積関係と流れの損失を凍結して計算し、圧の座標を作動点に合わせた構造的な図である。心房圧を実際に操作して測った系列ではなく、流れがゼロになる圧も P_ms のような実測量ではない^注2図1。

左房圧を横軸、心拍出を縦軸にした図。左房圧約10.4 mmHgで、張力が低い条件の前方拍出は約5.4 L/min、基準の条件は約6.1 L/min。同じ総血液量4,935 mLでは、低張力が左房圧10.4 mmHg・拍出5.40 L/min、基準が左房圧8.4 mmHg・拍出5.61 L/min。二本の破線の還流図は一致していない。 — 横軸は平均左房圧、縦軸は前方拍出（L/min）。点は各総血液量で整定させた周期定常の形式的Starling点で、左室張力が低い条件と基準の条件を示す。破線は各条件の作動点で血管の法則を凍結し、圧座標を作動点に合わせた構造的な肺静脈還流図。後負荷を固定した単離心の曲線でも、左房圧を操作して測った還流の実測でもない。表示は作動点付近に限る。CircleHeart standard-74の正式解析結果から作図。
CircleHeart standard-74。保存済み周期定常captureと一致する正式解析の左心Starling点・構造的肺静脈還流図から作図。 · CircleHeartの保存済み解析から独自作図

図は二通りの比べ方を並べている。左房圧がほぼ同じ約10.4 mmHgの点どうしでは、張力が低い条件の拍出は5.40 L/min、基準の条件は6.07 L/minで、心臓側の曲線が上にあることがわかる。ただしこの二点は総血液量が違う（4,935 mLと5,231 mL）。同じ総血液量4,935 mLの点どうしでは、左房圧が10.4対8.4 mmHg、拍出が5.40対5.61 L/minとなる。同じ血液量のまま張力だけを戻すと、拍出の増加よりも左房圧の低下の方が目立つ。

二本の破線は重ならない。つまりこの比較は、固定された一本の還流曲線の上で心臓側の曲線だけが上へ移った、という教科書の図とは違う。還流図は作動点での血液の配分や血管の状態を凍結して作るので、総血液量が同じでも、左室の張力が違えばその位置は同じにならない。二本の破線が重ならないことがそれを示している。このため、ほぼ同じ左房圧での拍出差（約0.67 L/min）を理想化した図に代入して、「そのうち何割が流量の増加に、何割が圧の低下に回った」と配分することはできない。

図の範囲を外れた形式的Starling点にも、臨床的に意味のある形がある。通常の設定範囲に入る点だけを見ると、総血液量5,527 mLでは張力が低い条件が左房圧16.9 mmHgで5.76 L/min、基準の条件が12.8 mmHgで6.44 L/minだった。さらに血液量を増やした点（低張力は6,327 mL、基準は6,208 mLで、総血液量は同じではない）では、低張力が27.8 mmHgで5.79 L/min、基準が21.3 mmHgで6.50 L/minである。張力の低い心臓では、血液量を足しても拍出はほぼ5.8 L/minで頭打ちになり、左房圧だけが上がっていく。逆に総血液量4,442 mLまで減らすと、両者の拍出は4.57と4.63 L/minでほとんど差がなくなる。

同じ張力の変更を、二つの充満条件で比べる

形式的Starling点は、各点で冠血管トーンを固定した解析上の系列である。そこで、通常の条件で計算した周期定常どうしも比べておく。左室自由壁と中隔のTref倍率（0.70／1.00）を、総血液量4,935 mL（基準）と4,200 mL（少ない血液量）の二つで組み合わせた4条件である。各比較の中では総血液量を固定し、Tref倍率だけを変えている。左房圧や容積は固定したのではなく、結果として決まる。少ない血液量の条件では、結果として平均左房圧が約4.5〜4.8 mmHg、平均右房圧が約2.0 mmHgになった^注3。

インタラクティブ・シミュレーション

基準の血液量で、左室張力を低から基準へ

総血液量4,935 mLのまま、左室自由壁と中隔のTref倍率を0.70から1.00へ変えた二つの周期定常（表示名「低張力・基準血液量」と「基準張力・基準血液量」）。左房圧や容積は結果として動く。主グラフは左室の経壁圧PVループ。ループの幅（一回拍出量）が広がるのか、ループ全体が左へずれるのかを見分ける。数値欄は正味心拍出量と平均左房圧。

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。

張力を基準に戻すと、一拍の最小容積（ここではESVの代わりに用いる）は83から64 mLへ、最大容積（EDVの代わり）も161から144 mLへ小さくなり、ループはほぼ幅を保ったまま左へずれた。一回拍出量は77から80 mLへの小さな増加で、正味心拍出量は5.41から5.61 L/min（約4％増）、平均左房圧は10.4から8.4 mmHgへ下がった。平均大動脈圧は90から94 mmHgへ上がった。

インタラクティブ・シミュレーション

少ない血液量で、同じ張力の変更

総血液量4,200 mLのまま、左室自由壁と中隔のTref倍率を0.70から1.00へ変えた二つの周期定常（表示名「低張力・少ない血液量」と「基準張力・少ない血液量」）。前の実験と同じ操作である。ループの左方移動の大きさと、心拍出量・左房圧の差の大きさを前の実験と比べる。数値欄は正味心拍出量と平均左房圧。

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。

血液量の少ない条件でも、ループは左へずれた（最大容積118→105 mL、最小容積59→45 mL）。しかし一回拍出量は59から60 mL、正味心拍出量は4.14から4.20 L/min（約1.5％増）とほとんど変わらず、平均左房圧も4.8から4.5 mmHgへの小さな低下にとどまった。同じ張力の変更が、血液量の少ない循環では流量としても圧としてもわずかにしか現れない。形式的Starling点で、血液量の少ない側で二つの曲線が近づいていたことと向きがそろう。

二つの実験に共通するのは、張力を上げたときに目立った変化が、一回拍出量の増加（基準の血液量で約3 mL）よりも左室容積の縮小（最小容積で約20 mL）だったことである。確認できた観測は、左室の最大・最小容積と平均左房圧の低下、そして平均大動脈圧の上昇である。総血液量は変えていないので、左室で減った容積の分の血液はどこか別の区画に移っているはずだが、左房の容積や肺の血液量はここでは示しておらず、どこへどれだけ移ったかは確かめていない。なお、三尖弁閉鎖時の右室拡張末期容積は、基準の血液量で142対141 mL、少ない血液量で103対103 mLとほとんど変わらなかった。

ここで「心拍出量があまり増えなかったのは、静脈還流が律速したからだ」と言いたくなるが、保存則の節で見たとおり、定常では両者は必ず等しいので、流量が等しいことから律速段階を逆算することはできない。言えるのは、左室張力を上げた状態で心臓と血管の両方の条件を満たす作動点が、充満圧の低い、容積の小さい点へ移り、流量はわずかに増えたということである。流量の増加と圧の低下へ効果を量的に配分したわけではない。

臨床の読み方への含意

モデルの結果は、収縮性の変化が流量よりも充満圧や容積に現れうることを示している。心拍出量だけを追っていると、この変化を見落とす。進行した心不全の入院患者を後から解析した研究では、入院中の最後の肺動脈カテーテル測定（抜去前）での心係数ではなく、同じ時点の肺動脈楔入圧や右房圧の高さが退院後の転帰と関連していた⁷⁾。多変量解析を行っていない観察研究なので、圧を下げれば転帰が良くなるという因果は言えないが、流量と充満を同じ画面で読む必要があることを示す例になる。

張力の低い心臓で、血液量を足しても拍出が頭打ちのまま左房圧だけが上がる形も、臨床の直感に合う。ただしモデルの形式的Starling点は、冠血管トーンを固定して総血液量を変えた整定点の列であり、輸液負荷試験そのものではない。モデルの左房圧は肺動脈楔入圧の測定値そのものではなく、拍平均の値である。神経反射による血管抵抗や心拍数の変化、腎臓による体液量の調節はこの比較に含まれない。

確認

確認問題

閉じた循環で左室張力だけを上げたところ、周期定常の心拍出量はわずかにしか増えなかった。最も正確な解釈はどれか。

静脈還流が増えなかったので、静脈還流が律速していたと結論できる。
定常では心拍出量と静脈還流は常に等しいので、流量から律速段階は逆算できない。心臓と血管の条件を両立する作動点が、充満圧の低い、容積の小さい点へ移った。
張力の操作が心室に届いていない。
収縮性を上げても一回拍出量は必ず変わらない。

答えと解説

正解: 定常では心拍出量と静脈還流は常に等しいので、流量から律速段階は逆算できない。心臓と血管の条件を両立する作動点が、充満圧の低い、容積の小さい点へ移った。

一拍平均の流入と流出は周期定常で必ず等しい。したがって「還流が増えなかったから」は説明にならない。モデルでは左室の最大・最小容積がともに小さくなり、左房圧が下がった。Tref倍率の変更は心室に確かに作用しており、目立った変化は容積と充満圧に現れた。

確認問題

形式的Starling点で、左室張力が低い条件は総血液量を増やしても拍出が約5.8 L/minで頭打ちになり、左房圧だけが上がった。この形について正しいのはどれか。

後負荷を固定した単離心の心機能曲線である。
輸液負荷試験の時間経過を再現している。
各血液量で整定させた周期定常の列で、動脈圧も血液量とともに動いている。容量を足しても流量ではなく充満圧が上がる領域があることを示す。
還流曲線が固定されているので、交点の移動から収縮性の寄与を百分率で配分できる。

答えと解説

正解: 各血液量で整定させた周期定常の列で、動脈圧も血液量とともに動いている。容量を足しても流量ではなく充満圧が上がる領域があることを示す。

形式的Starling点は総血液量を変えた各枝をそれぞれ整定させた点の列で、冠血管トーンは固定、後負荷は固定されていない。時間経過の再現でも、単離心の曲線でもない。還流図は条件ごとに位置が変わるので、百分率の配分には使えない。

注釈

注1理想化した交点の移動：還流曲線が固定されている場合↩
心臓側の曲線を作動点の近くで直線とみなし、その傾きを s、還流曲線の傾きの大きさを k とする（還流は心房圧が上がると減るので傾きは −k）。s と k はいずれも正で単位は流量／圧（L/min/mmHg）、二本の曲線の心房圧は同じ基準で測る。収縮性の変化で心臓側の曲線が同じ心房圧のまま δ（L/min）だけ上へ移り、還流曲線は動かないと仮定すると、新しい交点での変化は次のようになる。

$\Delta P_{\mathrm{atrium}} = -\frac{\delta}{s + k}, \qquad \Delta \mathrm{CO} = \frac{k}{s + k}\,\delta$

還流曲線が急（k が大きい、還流抵抗が小さい）なほど δ の多くが流量の増加になり、還流曲線が平ら（k が小さい）なほど心房圧の低下になる。これは教科書的な図の性質を式にしたもので、二本の曲線が直線で近似でき、還流曲線が固定されていることが前提である。CircleHeartの比較では左室張力を変えると作動点で凍結した還流図の位置自体が変わるため、この式にモデルの値を代入して寄与を配分してはならない。
注2形式的Starling点と構造的還流図の作り方↩
形式的Starling点：保存済みの周期定常から出発し、冠血管トーンを固定したうえで、総血液量だけを変えた枝をそれぞれ完全な一拍の閉合条件が満たされるまで整定させた。張力が低い条件で13点、基準の条件で11点がすべて適格と判定された。流量は大動脈弁の前方拍出から求めた心拍出量である。極端に少ない・多い血液量の点は通常の設定範囲を外れるため、本文では通常範囲の点だけを数値として引用した。

構造的還流図：作動点の拍で、血液量の配分、血管の圧容積関係、外圧、流れの損失を凍結し、肺毛細血管から左房への還流経路について、左房圧を仮想的に変えたときの定常の還流を解いた図である。慣性は省き、圧の座標は完全な一拍の平均の作動点へ平行移動して合わせている。流れがゼロになる圧は平均充満圧の実測値ではない。これは数値解析であり、生理学的・臨床的な検証ではない。
注3二つの血液量条件の中身↩
4条件は同じ保存済みsnapshotに含まれ、心拍数70/分、心臓の受動特性、弁、静脈トーン、体血管・肺血管の抵抗設定は共通である。入力の違いは、左室自由壁と中隔のTref倍率（0.70と1.00）と、総血液量（4,935 mLと4,200 mL）の二つだけである。Readerの表示名は「低張力・基準血液量」「基準張力・基準血液量」「低張力・少ない血液量」「基準張力・少ない血液量」。少ない血液量の条件では、結果として平均左房圧が約4.5〜4.8 mmHg、平均右房圧が約2.0 mmHg、正味心拍出量が約4.1〜4.2 L/minとなった。特定の臨床状態（脱水や出血）を再現したものではない。容積の数値は一拍の最大・最小の左室容積、右室の値は三尖弁閉鎖時の容積である。

基準の血液量・張力低の条件は、形式的Starling点で総血液量4,935 mLの作動点と同じ保存状態であり、図の同じ血液量での比較に対応する。

文献

Levy MN. The cardiac and vascular factors that determine systemic blood flow. Circ Res. 1979;44:739–747. 心臓と血管の要因から全身血流を論じたモデル論。定常と非定常の区別、心拍出量と還流を因果として並べる説明の循環性の指摘を確認。↩
Patterson SW, Starling EH. On the mechanical factors which determine the output of the ventricles. J Physiol. 1914;48:357–379. 心肺標本による古典的原著。書誌と原文の所在を確認。図表の詳細な読解は行っていない。↩
Solaro RJ. Cardiac Function Curves Provide a Compact Graphical Representation of Regulation of CO and SV. In: Regulation of Cardiac Contractility. Morgan & Claypool Life Sciences; 2011. 専門教科書の章。心機能曲線を一定の収縮性・後負荷のもとでの関係として整理し、収縮性と後負荷の変化を別曲線への移動とする。公式公開本文を確認。↩
Guyton AC. Determination of cardiac output by equating venous return curves with cardiac response curves. Physiol Rev. 1955;35:123–129. 還流曲線と心臓応答曲線を重ねて心拍出量を決める古典的な理論統合。書誌と出版社ページを確認、全文はアクセス制限。↩
Guyton AC, Lindsey AW, Abernathy B, Richardson T. Venous return at various right atrial pressures and the normal venous return curve. Am J Physiol. 1957;189:609–615. 犬の実験による還流曲線の原著。書誌を確認。実験条件の詳細は本稿で扱わない。↩
Brengelmann GL. A critical analysis of the view that right atrial pressure determines venous return. J Appl Physiol. 2003;94:849–859. 右房圧が還流を決めるという解釈への批判的なモデル解析を含む総説。抄録を確認。独立した実験的実証としては扱わない。↩
Cooper LB et al. Hemodynamic predictors of heart failure morbidity and mortality: fluid or flow? J Card Fail. 2016;22:182–189. ESCAPE試験の二次解析（進行HFrEF入院151例）。入院中の最終の肺動脈カテーテル測定（抜去前）での心係数と肺動脈楔入圧・右房圧と、退院後転帰の関連。観察研究で、標本数とイベント数の制約から多変量解析は行われていない。著者稿のMethods・Results・Limitationsと図説明を確認。↩