266 理学療法科学第 17 巻 4 号 I. はじめに 呼吸筋力の指標となる最大口腔内圧及び胸腔内圧等の測定は, 臨床的に広く用いられている その呼吸筋力の特性は 1900 年代前半に Roher(1916 年 ),Senner(1921 年 ), Rahn(1946 年 ) などが volume

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1 理学療法科学 17(4): ,2002 講座 呼吸筋力の測定 Measurement of Respiratory Muscle Strength 解良武士 1) TAKESHI KERA, MA, RPT 1) 1) Department of Physical Therapy, Waseda College of Medical Arts and Sciences: Ota, Iwatsuki-city, Saitama , Japan. TEL FAX Rigakuryoho Kagaku 17(4): , Submitted Mar. 11, Accepted May 15, ABSTRACT: Measurement of respiratory muscle strength is one of the examinations of respiratory function, and is useful to the diagnosis of respiratory insufficiency and neuromuscular disease, and to the evaluation of clinical features. The present article described the measurement methods of respiratory muscle strength. Key words: respiratory muscle strength, PImax, PEmax 要旨 : 呼吸筋力測定は呼吸機能検査の1つであり, 呼吸不全, 神経筋疾患等の診断および病態の評価に有用である 本稿では, 呼吸筋力の測定方法について述べる キーワード : 呼吸筋力,PImax,PEmax 1) 早稲田医療技術専門学校理学療法学科 : 埼玉県岩槻市太田字新正寺曲輪 354 番 3( )TEL: FAX: okerasan@mtf.biglobe.ne.jp 受付日 2002 年 3 月 11 日受理日 2002 年 5 月 15 日

2 266 理学療法科学第 17 巻 4 号 I. はじめに 呼吸筋力の指標となる最大口腔内圧及び胸腔内圧等の測定は, 臨床的に広く用いられている その呼吸筋力の特性は 1900 年代前半に Roher(1916 年 ),Senner(1921 年 ), Rahn(1946 年 ) などが volume-pressure diagram として報告している 1,2) 彼らは口腔内圧を肺気量と関係させて測定し, 最大口腔内圧が肺気量に依存することを示した 呼吸筋力に影響する因子はこのほかにも性 3-7), 年齢 3-7), 体格 4,6,7), 姿勢 8,9) 等がある 呼吸筋力の測定は, 呼吸器疾患の病態を把握するためにも重要である 本稿ではその呼吸筋力の測定意義と測定方法について述べる II. 呼吸筋力とは 呼吸筋は吸気筋と呼気筋に大別される 吸気筋の主動作筋は横隔膜で, その面積と運動から計算される吸気量の寄与は全換気量の約 60% にあたる 10) 一方, 健常者においては安静時の呼気が肺と胸郭の弾性収縮力のみで行われるため, 呼気筋には主動作筋と定義されるものはない 努力呼吸を必要とする場合は, 吸気時には呼吸補助筋が動員され, 斜角筋, 胸鎖乳突筋などの活動がみられる 呼気時には腹横筋, 腹斜筋群, 腹直筋などが活動する 11) 呼吸筋力の測定は, 吸気努力あるいは呼気努力時の口腔内圧をある一定肺気量位で測定することで行うことが一般的である 全肺気量位 (TLC) レベルから段階的に肺気量を減じていき, その肺気量位で得られる吸気および呼気圧の最大値をそれぞれの肺気量における最大吸気口腔内圧 (PImax), 最大呼気口腔内圧 (PEmax) と呼ぶ PImax および PEmax は肺気量に依存し, 前者は最大呼気位, 後者は最大吸気位での値が最も高くなる この圧と肺気量との関係を圧量関係と呼び, 特に最大口腔内圧で求めるものを 最大努力時における口腔内圧と肺の圧量関係 と呼ぶ ( 図 1) 1,12) III. 測定対象とその意義 呼吸筋力低下は, 呼吸筋弱化と呼吸筋疲労に分類される 13) 呼吸筋弱化または疲労のいずれでも換気量が減少するため, 肺胞低換気を生じ, 高炭酸ガス血症を伴う低酸素血症を起こす 1. 呼吸筋弱化呼吸筋弱化が原因で呼吸障害を呈する代表疾患は神経 図 1 肺気量と呼吸筋力の関係 (Volume-pressure diagram) 文献 12 より引用 肺気量と最大口腔内圧の関係を示す 理想では肺気量 %VC が100% で最大呼気圧,0% で最大吸気圧が測定されるべきであるが, 実際は空気の圧縮と膨張により肺気量が変化する また観測される各肺気量での筋力は肺と胸郭の弾性収縮および拡張圧 (Prs) により影響を受け, 真の呼吸筋力はPmus である 筋疾患である 呼吸筋も骨格筋である以上筋力弱化を免れることはない Black & Hyattは神経筋疾患の確定診断が行えなかった患者の呼吸筋力低下が, 四肢筋力弱化より早期に出現していた症例を報告している 14) 五十嵐らは強直性筋ジストロフィーの経過観察からPImax<30 cmh 2Oを下回ると呼吸管理が必要となると報告している 15) またSahn & Lakshminarayanは100 名の人工呼吸器装着患者から,PImax>30 cmh2oを上回ると人工呼吸器管理から離脱可能となると述べている 16) 慢性閉塞性肺疾患 (COPD) においては横隔膜の平定化によって横隔膜が十分に働かないため 17),PImaxは特に低下する Rochester & BraunはPImaxが55 cmh 2Oを下回るとPaCO 2 が急激に上昇すると報告している 18) 肺気腫などの病的状態では, 吸気筋のみならず呼気筋力の減少についても考慮する必要がある 肺線維症では健常人と比較して, 呼気筋力は低下しないが吸気筋力は減少する 一方 COPDでは吸気筋力低下に続き, 呼気筋力も低下する ( 図 2) COPDの主要な病態の1つは気道閉塞現象であり, 呼気時の抵抗増大に伴う呼吸筋疲労から呼吸筋力低下に至った結果であるとされる ( 大久保 ) 2. 呼吸筋疲労 COPDなどの重症呼吸不全を持つ患者は, 特に急性増悪時には肺不全とともに呼吸仕事量が増加し呼吸筋疲労を起こす その呼吸筋疲労は最大口腔内圧測定, 最大経横隔膜圧測定, 電気刺激, 筋電図などで評価できる 13) そ

3 呼吸筋力の測定 267 図 2 最大努力時における口腔内圧と肺の圧量関係の健常者と FLD( 肺線維症 ; 右 ) および COPD( 慢性閉塞性肺疾患 ; 左 ) との比較 ( 国際医療福祉大学大久保隆男先生の御好意により掲載 ) FLD では吸気筋が主に弱化するが,COPD では吸気筋力 呼気筋力ともに弱化する また各肺気量が上昇するためループは小さく, かつ上方へ変位する の呼吸筋疲労評価の 1 つとして, 呼吸筋力測定は重要である 健常人でも吸気または呼気負荷 ( この場合圧力 ) を連続的に与えると,PImax と PEmax は筋疲労によりそれぞれ減少する 実験的に無負荷時の PImax の 50% に相当する吸気圧閾値負荷を与えた場合, 筋疲労により PImax は経時的に減少する さらにある時点からは PImax は負荷圧を下回り, 換気量が保てなくなる ( 図 3) 19) この負荷の経過中における PImax の低下が呼吸筋疲労であり, 換気量が保てない状態がポンプ不全である 特に COPD の場合は無負荷での PImax が横隔膜の平定化により元々低く 17), 気道抵抗 ( 吸気負荷にあたる ) に打ち勝つ発生圧との差が少ない よって COPD では容易に呼吸筋疲労を起こす 20) 呼吸筋疲労を予測する因子として Time-Tension Index (TTdi) が用いられる TTdi は吸気時間 (TI) を 1 回換気に要する時間 (TTOT) で割った値 (TI/TTOT) と吸気時平均経横隔膜圧 (Pdi) を Pdimax で割った値 (Pdi/Pdimax) との積 (TI/T TOT) (Pdi/Pdimax) で定義される 21) この値が 0.15 までは疲労が起きないが,0.20 を上回ると吸気筋疲労が起きる 呼吸筋, 特に横隔膜筋力の弱化が推察される病態では, 最大横隔膜筋力に対して必要とされる横隔膜筋力が相対的に大きくなる 結果 TTdi は 0.20 を越え, 容易に吸気筋疲労が起こる ただし TTdi を求めるためには侵襲的に経横隔膜圧を測定する必要があり, 被験 図 3 呼吸筋疲労のシェーマ 安静時 PImax50% の圧閾値負荷 (Threshold load) を与えた場合の PImax の変化を示す 19) 負荷開始直後は負荷に対して十分な PImax があるため, 換気量を保つことができる しかし PImax は疲労により減少し, ついには圧閾値を超えることができずに換気が不能あるいは低換気を呈する 者に大きな負担となる この負担を軽減する方法として, 口腔内圧を利用する方法がある 吸気運動中に突然マウスピースを閉塞し, その閉塞から 0.1 秒後の発生圧 (P0.1 または P 100) を測定する この P 0.1 と TI で適正化された平均吸気口腔内圧 (PI=5P0.1 TI) を最大吸気口腔内圧で除した値 (PI/PImax) が Pdi/Pdimax と良い相関を示す 22) と云われており, 内部抵抗の増大している患者への応用が示唆されている ( 図 4)

4 268 理学療法科学第 17 巻 4 号 図 4 TTdi とその算出方法 ( 文献 20,22 より引用 ) グラフ左上から右下への双曲線 (TTdi=0.15~0.20) が Critical zone となり, それより左下は疲労が起こらない 逆に右上は疲労が起こる 非侵襲的に TTdi を求めるには, 急激な閉塞を行った際の閉塞から 0.1 sec 後の口腔内圧測定 (P 0.1 または P 100) を数回行い, その適正化された平均値 (PI=5P0.1 TI) を Pdi とし Pdimax を PImax に置き換えてればよい (TTmus) IV. 呼吸筋力の測定方法 1. 測定方法の種類呼吸筋力の測定は経鼻にてラテックスバルーンを食道に留置したときに得られる食道内圧 (Pes), 同様の手技で胃にバルーンを留置し得られる胃内圧 (Pg), 更にこの 2 つの差をとった経横隔膜圧 (Pdi) を用いた方法 23), あるいは口腔内の圧力を計測する最大口腔内圧 (PImax, PEmax) 24,25) を用いる方法がある ( 図 5) バルーンを用いる方法は横隔膜の純粋な収縮力が得られる反面, 侵襲的で操作が難しく理学療法分野には適さない 後者は圧力計を接続したマウスピースで口腔内圧を測定する方法であり, 非侵襲的である 更に胸郭 腹部の呼吸筋力を包 括的に評価できるためにスクリーニングとして非常に有用である 以下最大口腔内圧を中心に説明を加える 2. 測定機器のセッティング最大口腔内圧を測定するには, 直径 3 cm 程度のシリンダーにマウスピースとアネロイド型圧力計を連結し, 被験者に測定する肺気量位でマウスピースをくわえさせ, 吸気または呼気努力を行って, その最大値を測定 3) する 測定時に注意すべき点は, 声門閉鎖または頬筋の使用による圧の過大評価である これを防止するために直径 1- 図 5 呼吸筋力の測定方法 Pdimax; 最大経横隔膜圧,Pgmax; 最大胃内圧,Pesmax; 最大食道内圧,PImax; 最大吸気口腔内圧,PEmax; 最大呼気口腔内圧 2 mm 程度 ( または gauge の注射針 ) の小孔 4,14,26,27) をシリンダーに開けて, 測定時に口腔内の空気を外に逃がすようにする この小孔のサイズに関しては統一され

5 呼吸筋力の測定 269 た規格 ( 直径, 深さ ) はない また呼気 ( 吸気 ) 開始から遅れてピーク値が観測された場合, ある程度肺内の空気が出入流した後ということになり, 測定開始時の肺気量の圧を反映しないので注意を要する しかしこの値は一般に小さいため問題にならないことが多い 使用するマウスピースはシリンダー状かフランジ型 ( 翼付き ) のものが望ましい ただしフランジ型は口唇からの息漏れが起こりにくい反面, 不快感により低値をとる可能性もあるので注意を要する 28) ただし筆者の経験では, フランジ型の方が口輪筋の弱い高齢者や, 呼吸筋が極端に強い若年青年には向いていると思われる 測定圧はcmH2O, つまり水柱を何 cm 持ち上げられるかという単位で表現するか, またはPa( パスカル ) を用いる 1 KPa=10.2 cmh 2Oである 一般的にはcmH 2Oの方が直感的に分かりやすく, 日米の研究者は前者を, 欧州系の研究者は後者を用いる 3. 測定方法筋収縮を引き起こす方法としては, 随意的な方法と不随意的な方法の2 種類ある 25) 随意的な方法としては自発的な吸気 呼気努力, あるいは鼻を啜る動作 (sniff) がある この方法は被験者の努力に依存する反面, 侵襲が少ない さらに補助筋を含めたすべての呼吸筋力を包括的に評価できる 不随意的な方法は電気刺激や磁気刺激で横隔膜を単収縮または強縮させる方法である 25) この方法は被験者の努力には依存しない反面, 侵襲的で, 特に電気刺激は横隔神経を経皮的に刺激するためかなりの苦痛を伴う 磁気刺激は電気刺激に比較して苦痛は少ない またこれらの刺激は一般的に横隔膜しか刺激しない呼吸を行わせるため, 包括的な呼吸筋力測定とはいえない さらに吸気しか測定ができない よって包括的な呼吸筋力を捉えるには, 随意的な努力による最大口腔内圧測定がもっとも適している 測定操作としてはPImaxは残気量位 (RV) レベルまで呼出させてから吸気努力を行い測定し,PEmaxはTLCレベルまで吸気を行ってから呼気努力を行い測定すると最大値が得られる ただし実際は気体の圧縮と膨張が起こるので, 例えば下の場合ではボイルの法則により, RV(1.4 l) 大気圧 = 吸気努力時の肺容量 ( 大気圧 -PImax)= 一定吸気努力時の肺容量 =1.7 l TLC(6.0 l) 大気圧 = 呼気努力時の肺容量 ( 大気圧 +PEmax)= 一定呼気努力時の肺容量 =4.8 l PImax=160 cmh 2O=117 mmhg PEmax=240 cmh 2O=176 mmhg 大気圧 =760 mmhg ( 年齢 20 歳, 身長 170 cm, 男性として RV および TLC を算出 ) となり,PImax が TLC の 28%,PEmax が TLC の 80%(%VC でそれぞれ 5%,73% に相当 ) 肺気量位で測定される この肺気量の増減量は最大口腔内圧,TLC,RV, 気圧などによって変化する 最大口腔内圧は図 1 のように, 呼吸筋が発生する圧力に胸郭や肺の弾性収縮圧または拡張圧を加えたものである もし胸郭や肺の弾性収縮力などの影響を少なくしたいのなら, 機能的残気量 (FRC) レベルで最大口腔内圧測定 (PImax,PEmax) を測定すればよい ただし FRC では横隔膜と腹筋群双方とも筋が弛緩している状態であるため, 圧力としては最大にはならない 4. 測定値の算出方法 PImax および PEmax の決定方法には 1 単純に最大値 ( 瞬間値 ) を採用する方法 14,27,29),2 移動平均法 ( 時間幅 1 または 2 秒 ) を用い, その間の最大値を採用する方法 27),3 1 秒間持続できる最大値 29) などがある ( 図 6) 圧の過大評価があるので 1 は推奨できない 2,3 の方法はアネロ 図 6 呼吸筋力の最大値の取り方最大値の取り方には1 単純に最大値 ( ピーク値 ),21 秒ないし2 秒間の平均値で最も高い値,31 秒ないし2 秒間保持できた最大値がある これらの値は1>2>3の関係にある 測定値の決定はアーチファクトの影響が受けにくい2,3が望ましい

6 270 理学療法科学第 17 巻 4 号 イド型圧力計では測定できないので, 電気的圧トランスデューサーを用いて経時的にモニターする必要がある アネロイド型圧力計を用いるときは,1 秒ないし 2 秒間保持努力をさせたときの最大値を採用 3) する方法が一般的である 5. 再現性最大口腔内圧の測定においても なれ や学習効果が存在する Cook ら 2) は短期学習効果はないが, ある患者では長期間の学習効果を認めている Wen ら 26) は 1988 年から 1995 年までの間に施設に入所した 159 名の子供と 19 名の大人から得られた 367 回の呼吸筋力測定値を後方視的に検討した結果, 前半のデータより後半のデータが高く, これは学習効果によるものと報告している 逆に西村ら 30) は 6 回の間欠測定でのデータから, 少なくとも 3 回測定を行えばそれ以降は安定した値が得られるとしている 日内変動については寺本ら 31) が朝, 昼, 夕方の 3 回の最大口腔内圧の変化を若年者と高齢者で検討しているが, いずれも日内変動は 5% 以内であり測定値の評価に影響を与えるような大きな変動はないと結論づけている 最大口腔内圧を測定するためには少なくとも数回の練習が必要である さらに姿勢変化および体位の変化も肺気量に影響を及ぼし 11), このことも最大口腔内圧に影響する 8,9) と考えられる 一般的には坐位で行うことが望ましい V. 正常値 最大口腔内圧の正常値としては欧米を中心に数多くの予測値が報告されている 特に Enright ら (N=4443) 5), Leech ら (N=924) 4),Bruschi ら (N=625) 32) のデータは, 大標本調査から年齢, 身長や体重などのパラメーターとの相関を求め, それを用いて予測値を導き出している Black & Hyatt(N=120) 3) の成績は比較対照として従来から数多く用いられてきた しかし Enright らの予測式や国内の報告と比較しても明らかに高値で日本人には当てはめにくい 国内では菊池 (N=20) 33) の基準値がよく用いられるが年齢が考慮されていない 西村ら (N=116) 30) や高橋と山下 (N=50) 6) の予測式は年齢を考慮されているが,Enright らのような大標本ではない PImax や PEmax には他の人種間の差 34) があることは明らかで, 欧米人と日本人との格差があると考えられる VI. おわりに 呼吸筋力は, 呼吸器疾患をもつ患者の運動能力を決定する 1 つの因子であると考える よって呼吸筋力測定は急性期, 慢性期のいずれの呼吸器疾患や神経筋疾患等において, その病態把握や理学療法における運動の効果判定の方法として非常に有用である 謝辞 本稿を寄せるにあたって, データの御提供や御助言をいただきました国際医療福祉大学大久保隆男先生に深謝いたします 引用文献 1) Rahn H, Otis AB, Chadwich LE, et al.: The pressure-volume diagram of the thorax and lung. Am J Physiol, 1946, 146: ) Cook CD, Mead J, Orzalesi MM: Static volume-pressure characteristics of the respiratory system during maximal efforts. J Appl Physiol, 1964, 19: ) Black LF, Hyatt RE: Maximal respiratory pressures: Normal values and relationship to age and sex. Am Rev Res Dise, 1968, 99: ) Leech JA, Ghezzo H, Stevens D, et al.: Respiratory pressures and function in young adults. Am Rev Respir Dis, 1983, 128: ) Enright PL, Kronmal RA, Manolio TA, et al.: Respiratory muscle strength in the elderly. Cardiovascular Health Study Research Group. Am J Respir Crit Care Med, 1994, 149: ) 山下弘二, 高橋敏彦 : 呼吸筋力正常値とその予測式. 東北理学療法学,1989, 1: ) Wilson SH, Cooke NT, Edwards RHT, et al.: Predicted normal values for maximal respiratory pressures in caucasian adults and children. Thorax, 1984, 39: ) Kera T, Maruyama H: Study of influence factor on maximal mouth pressure Part I. Influence of posture. J Phys Ther Sci, 2001, 13: ) Kera T, Maruyama H: Study of influence factor on maximal mouth pressure Part II. Influence of trunk flexion. J Phys Ther Sci, 2001, 13: ) 谷本晋一 : 呼吸不全のリハビリテーション改訂第 2 版. 南江堂, 東京,1996, pp13. 11) Campbell EJM: The Respiratory Muscles, LLOYD-LUKE, 1970, pp59, 63, ) Agostoni E, Mead J: Statics of the respiratory system. Handbook of Physiology, Vol. 1. American Physiological Soc, Washington D.C., 1964, pp ) 鈴木俊介 : 呼吸筋疲労の臨床診断. 呼と循, 1993, 41(8): ) Black LF, Hyatt RE: Maximal static respiratory pressures in generalized neuromuscular disease. Am Rev Respir Dis, 1971, 103:

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