生体システム工学入門 (理工学講座)

生体 システムエ 学入 門

橋本 成広 著

東京電機大学出版局

R〈 日本複 写 権 セ ン ター 委 託 出版 物 〉 本 書 の 全 部 ま た は 一 部 を 無 断 で 複 写 複 製(コ 権 法 上 で の 例 外 を 除 き,禁

ピー)す

る こ と は,著

作

じ ら れ て い ます 。 本 書 か ら の 複 写 を希 望 さ

れ る場 合 は,日 本 複 写 権 セ ン タ ー(0-3401-2382)に

ご連絡 くだ さい。

序

文

  本 書 は,学 生 向 け の 入 門 書 と して,書 か れ た もの で あ る.内 容 は,著 者 が 大 学 工 学 部 の4年

生 に 対 して行 って い る生 体 シ ス テ ム 工 学,医

っ て い る人 工 臓 器,大

学 部4年 生 に 対 して 行

学 院理 工 学 研 究科 に お い て 行 っ て い る医 用 電 子 特 論,お

よ

び 医工 学 特 論 の 講 義 で 取 り扱 っ て い る こ とが ら,お よ び工 学 部1年 生 の 計 測工 学 の 講義 で トピ ッ ク ス的 に扱 っ て い る こ とが ら,が   講義1回

分 を章 に対 応 させ,各

中心 とな っ て い る.

章 ご との 内容 の 独 立 性 を 高 め た.し

た が っ て,

そ の ま ま講 義 の 教 科 書 と して使 え る よ うに 配 慮 した つ も りで あ る.各 章 の 内容 が 単 調 に な ら な い よ う に,関 連 す る人 工 臓 器 な ど を取 り上 げ る構 成 に した.ま

た,

章 末 に 問 題 を付 記 し た.各 章 の ポ イ ン トを確 か め るの に 活用 され た い.   本 書 で は,ヒ

トの 血 液 循 環 シ ス テ ム を中 心 に,生 体 を シ ス テ ム工 学 的 に理 解 す

る こ と を 目的 と して い る.た

と えば,近

年 人 工 臓 器 の 分 野 で,生 体 の 一 部 分 を人

工 物 で 置 き換 え て,そ の機 能 を代 行 させ る試 み が な され て い る.こ

う した分 野 で

は,生 体 あ る い は各 器 官 が 有 して い る機 能 を シ ス テ ム 工 学 的 に把 握 して い な け れ ば,人 工 臓 器 な る もの をつ くる こ とは で きな い.逆

に,人 工 臓 器 を生体 と接 続 す

る試 み を通 じて,生 体 の機 能 を従 来 とは 異 な る側 面 か ら究 明 して ゆ くこ と も可 能 に な る.   本 書 は,将 来,医 療 機 器 を開 発 す る人 や,医

工 学 を研 究 す る人 の み を対 象 と し

て い る わ け で は な い.生 体 関 連 の 問 題 は,自 分 自 身 を知 る こ とで もあ り,誰 で も 考 え や す い もの で あ る.   本 書 で は,研 究 結 果 や 解 答 を与 え る とい う形 よ り も,問 題 点 を指 摘 す る形 を と

って い る.本 書 を読 む こ とに よ って,生 体 を工 学 的 に理 解 して ゆ くき っ か け をっ か み,今 後 の 学 習 の視 野 を広 げ て い か れ る こ と を期 待 す る.   なお,読

者 の 中 に は,電 気 ・機 械 ・化 学 ・材 料 ・シ ス テ ム な どの 工 学 をは じめ

と して,医 学 ・看 護 学 な どの さ ま ざ ま な分 野 の 基礎 科 目 を修 了 した 方 が い る と思 う.本 書 で は,説

明 をで き る だ け 基礎 的 な レベ ル か ら始 め る よ うに し た の で,自

己の 得 意 な分 野 の 説 明 は 飛 ば して読 ん で い た だ きた い.広 い 分 野 を,無 理 に縮 め て い るの で,正 確 さ を欠 い て い る とこ ろが あ る と思 う.熱 心 な読 者 は,さ

らに 進

ん で専 門 書 を参 照 さ れ る こ と を希 望 す る.諸 兄 の ご批 判 を賜 れ ば 幸 い で あ る.   1996年 盛 夏

著

者

41

目

1. 医 学

次

と 工 学

 1

 1.1  学 問分 野 の 細 分 化  1.2  医 学

と 工

学

 

2

 1.3  生 体 シ ス テ ム を 扱 う学 問 分 野

2. 生 体 の 特 徴

  6

 2.1  生 体 の 構 成 レ ベ ル

 6

 2.2  生 体 を研 究 す る学 問分 野 の 変 遷  2.3  生 命 現 象 の 特 徴

  9

 2.4  生 体 に お け る 情 報

 10

 2.5  生 体 の 恒 常 性

  11

3. 生 体 と シ ス テ ム

  13   13

 3.1  シ ス テ ム の 基 本 条 件

  3.2  器 官 系 分 類 と人 工 臓 器  3.3  死

4. 生 体

の

判

 8

定

  16

と 制 御

 4.1  制 御 の 基 本 構 成

14

  21   21

 4.2  心 臓 に お け る 流 量 制御

  22

 4.3  人 工 心 臓 に お け る流 量 制 御  4.4  心 臓 弁 の 構 造

  28

 4.5  人 工 の 心 臓 弁

  30

  26

5. 血 液 循 環 系  5.1  血 液 循 環 の シ ス テ ム と し て の 把 握

 5.2  血 液 循 環 シ ス テ ム の 目的

液

循

  33

  34

 5.3  血 液 循 環 の 発 見   5.4  体

  33

環

 

 5.5  血 液 循 環 補 助 装 置

35   39

6. 心 臓 と血 流 量 制 御

  43

の 構

造

  43

周

期

  44

  6.3  心 臓 の パ ワ ー

  47

 6.4  人 工 心 臓 の 歴 史

  48

  6.5  ポ ン プ の 種 類

  48

  6.1  心   6.2 

臓

心

  50

 6.6  人 工 心 臓 の 駆 動 様 式

 6.7  人 工 心 臓 の 接 続 法 と血 管 の 力 学 的 性 質

7. 

血

  55

液

  7.1  血 液

の 成 分

 

55

  7.2  血

の 分 布

 

57

液

 7.3  血 液 の 物 理 的 性 質

  58

  7.4  タ ン パ ク 分 子 の 形 状   7.5  浸   7.6  人

透 工

  52

血

  59

圧

  60

液

  61

 

 70 72  74  79  92

8. 流 れ の 抵

抗

  64

 8.1  流 体 の 力 学 的 特 性

  64

  8.2  せ

ん

断 速

度

 

65

 8.3  管

内

の 流

れ

 

67

 8.4  粘 性 係 数 の 計 測   8.5 

レ イ ノ ル ズ 数

  8.6  血 管 の 抵 抗 と 血 圧

9. 流 路 維 持 シス テ ム  9.1 

血

  76

栓

 

76

 9.2  血栓 形 成 制 御 系   9.3  血 栓 形 成 試 験

10. 赤

血

  84

球

  88

 10.1  赤 血 球 の 形 状

  88

 10.2  赤 血 球 膜 の 構 造

  89

 10.3  赤 血 球 の 寿 命

  89

 10.4 

  90

ヘ モ

グ ロ ビ ン

 10.5  赤 血球 の 形 態 変 化

  91

 10.6  赤 血 球 変 形 の 計 測

11.

血

球

破

 11.1  材 料  11.2 

壊 の 破

溶

95 壊

95

血

97

 11.3  赤 血球 破 壊 の 原 因

  99

 11.4  溶

  100

血

試

験

 11.5  流 れ の 中 で の 力 学 的 破 壊

  102

11.6  赤 血球 破 壊 が もた らす 結 果

  103

 105

12.  定 常 流 と 拍 動 流  105

 12.1  定 常 流 と非 定 常 流  12.2 

動

拍

流

  105   106

 12.3  周 期 的 変 動 の 数 値 解 析  12.4非

拍動 流 型 人 工 心 臓

 12.5拍

動 流 の 効 果

 12.6 

工

人

 108   109

肺

  110

  113

13.  神 経 シ ス テ ム  13.1  細

胞

膜

電 位

 

 13.2 

神 経 ネ ッ トワ ー ク

 13.3 

心

 13.4 

人工 ペ ー ス メー カ ー

電

図

113  115   116  118

問 題 解 答 例

 121

文

 127

献

  131

索

1

 医 学 と 工 学

  生 体 シ ス テ ム 工学 周 辺 の 学 問 分 野 を相 互 に 関 連 づ け,境 界 分 野 に お け る研 究 手 法 に つ い て考 察 す る.

1.1  学 問 分 野 の 細 分 化   学 問 は,研 究 対 象 や 研 究 手 法 に お い て細 分 化 さ れ な が ら発 展 し て きた.今 は,文 学 ・法 学 ・経 済 学 ・理 学 ・工 学 ・農 学 ・医 学 な ど,さ

日で

ま ざ ま な学 問分 野 を

あげ る こ とが で き る.ど の分 野 の研 究 手 法 に お い て も,再 現 性 ・論 理 性 な ど,共 通 に と りあ げ られ る こ とが らが あ る.し か し,細 分 化 した あ との,お の お の の 学 問 分 野 を比 較 す る と,研 究 手 法 が 異 な って み え る.自 然科 学 の 中 で も,数 学 に お け る記 号 の論 理 展 開 と臨 床 医 学 に お け る問 題 解 決 と を比 較 し た場 合,前

者 は客 観

的 ・全 宇 宙 的 に,後 者 は 主 観 的 ・個 別 的 に み え る.  "∼

の 法 則"と

い う と,客 観 性 が あ る よ うに 聞 こ え る が,法 則 の 適 応 範 囲 は,

分 野 を越 え て共 通 とは 限 ら な い.こ の た め,互

い に 異 な る専 門 分 野 の 間 で情 報 を

交 換 す る際 に は,誤 解 が 生 じ る こ とが あ る.   議 論 の 便 宜 を 図 る ため に,用 語(専 門 用 語)を 定 義 ・統 一 して ゆ くの も学 問 の 特 徴 で あ る.し か し,分 野 の 境 界 を越 え る と,そ の 用 語 が 通 用 し なか っ た り,別 の 意 味 を も って い た りす る.た

とえ ば,コ

ン トロー ル とい う用 語 は,工 学 の分 野 で

は,制 御 の こ とを 意 味 す る が,生 体 に 関 連 した分 野 で は,測 定 の 基 準 値 と して の 対 照値 の こ と を さ す こ とが 多 い.ま た,プ

ラ ズ マ とい う用 語 は,原 子 を 扱 う分 野

で は気体 が イ オ ン化 され て電 気 を通 しや す くな っ た 状 態 を さす の に 対 して,血 液 を扱 う分 野 で は 血 漿(7.1節

参 照)を さす.

1.2  医 学 と 工 学   医 学 と工 学 は,実 用 性 を重 視 して い る とい う点 で類 似 して い る.し か し,"人 間 の 疾 患 の 診 断 ・治 療"と"人

工 物 の 生 産 ・補 修"と

で は,異

な る方 法 論 が 発 展 し

た.   医 学 な どの 生 物 を 扱 う学 問 で は,研 個 体(第2章

究 対 象 の 個 体 差 の 存 在 を前 提 条 件 とす る.

参 照)ご とに個 性 が あ っ て 条 件 を統 一 す る こ とは で きな い とい う考 え

方 で あ る.個 体 差 に よ る影 響 を消 す ため に,統 計 処 理 を用 い る.多

くの 個 体 に つ

い て の 値 か ら平 均 値 や 標 準 偏 差 な ど を求 め る.こ の た め,標 本 の 数nを こ とが 重 視 され る.途 中 で 実 験 条件 を変 え ず に,nを

多 くとる

増 や す こ とが 優 先 され る.

  他 方,工 学 で は,研 究 対 象 の 材 料 差 な どの 存 在 を前 提 条 件 とす る と は 限 ら な い. 研 究 対 象 を操 作 し て個 性 の 影 響 を消 す こ と を試 み る.実 験 を く り返 し なが ら,再 現 性 が よ くな る よ うに実 験 条 件 を改 変 して い く.実 験 条 件 を十 分 に 改 良 す る こ と が 重 視 され る.   も ち ろ ん,医 学 に お い て も実 験 条 件 を改 良 す る必 要 は生 じ る し,工 学 で も材 料 の 生 産 ロ ッ トに よ る差 を 前 提 条 件 とす る な どの 事 例 が あ る こ と は い う ま で も な い .

  さて,個 体 差 の 影 響 を 除 く と きの 統 計 処 理 に お い て,注 意 す べ き こ とが あ る.

図1.1  ガ ウス分 布.平 均 値 にお い て確 率 最 大 で左 右 対 称.平 均 値 か ら±∞ 離 れ る と確 率 は ゼ ロ に近づ く.

その うち の 一 つ は,統 計 処 理 し よ う と して い る標 本 の分 布 状 態 で あ る.標 本 の分 布 状 態 に よ っ て,適 用 で き る処 理 方 法 が 異 な って くる.い つ で もガ ウス 分 布(図1. 1)に お い て 導 か れ る方 法 が 適 用 で き るわ け で は な い.   あ る手 法 が も う一 方 の 手 法 に 比 べ て 有 利 で あ る こ と を主 張 す る の に用 い られ る 統 計 処 理 と して,"平 均 値 の 差 の 検 定"が

あ る1).標 本 の数 が 大 き くな れ ば,二 つ

の母 集 団(も との 集 団)の 平 均 値 の 間 に差 が あ る と判 定 さ れ る こ とが 多 くな る(図 1.2).し

か し,よ

く考 え てみ る と,す べ て の標 本(母 集 団 全 体)に つ い て 調 べ る こ

とが で きた場 合,平

均値 が ピ ッタ リ一 致 す る こ との 方 が 珍 しい.ま

た,平 均 値 の

間 に 差 が あ る こ と と,個 々 の 事 象 の予 測 と は別 の 問 題 で あ る.二 つ の 集 団 の お の お の の 標 準 偏 差 が 大 き くて,二 つ の 分 布 の共 通 部 分 が あ る(二 つ の分 布 の 山 に 重 な りが あ る)場 合 を考 えて み て ほ しい.

図1.2 

A群

とB群

い ま,mA-mB＝

の 分 布 と平 均 値 の 差.mA,mBは σA＝σBの と き,各

布 を 適 用 す る と,nA=nB≧9だ

各 群 の 平 均 値,σA,σBは

群 の 標 本 の 大 き さ をnA,nBと

と5%,nA=nB≧16だ

と1%の

各 群 の 標 準 偏 差,

して,両

群 に ガ ウ ス分

危険 率 で 平均 値 の 間 で差 が

あ る と 判 定 さ れ る.

  従 来,学

問 の 実 践 の場 は,医 学 部 で は 付 属 病 院 で あ り,工 学 部 で は付 属 工 場 で

あ っ た.医 学 部 付 属 病 院 は現 在 で も存 在 感 が あ るが,工 学 部 の 付 属 工 場 は 存 在 感 が 薄 くな って い る.医 学 部 の教 育 カ リキ ュ ラ ム で は,付 属 病 院 で の 臨 床 実 習 は1 年 以 上 の期 間 を要 す る必修 科 目 とな って い る.こ れ に対 して,工 学 部 の教 育 カ リ キ ュ ラ ム で は,付 属 工 場 で の教 育 は 大 幅 に縮 小 され て し ま った.工 場 実 習 は お の

お の の 実 験 に細 分 化 さ れ,単 位 の 一 つ に す ぎ な くな っ て い る.現 業 実 習 と称 し て, 実 践 の 場 で の修 練 を課 して い る ケ ー ス もあ るが,少 数 派 で あ る.ま た,医 学 部 で は卒 業 生 の ほ とん ど全員 が 医 学 部 付 属 病 院 で 数 年 間 の研 修 を うけ る の に 対 して, 工 学 部 で は卒 業 生 は 就 職 先 に お い て研 修 を うけ る.

1.3 生体システムを扱う学問分野   生 体 と関 わ りを もつ 学 問分 野 は 数 多 い.そ れ ぞれ が,境

界分 野 を独 自に 発 展 さ

せ て きた.力 学 や 体 育 学 か ら発 展 したバ イ オ メカ ニ ク ス,機 械 力 学 か ら発 展 した バ イ オ メ カ ニズ ム,流 れ 学 か ら発 展 したバ イ オ レオ ロ ジ ー*,材 料 学 か ら発 展 した バ イ オ マ テ リア ル ズ,電 子 工 学 か ら発 展 したバ イ オ エ レク トロニ クス,農

学や生

物 学 か ら発 展 したバ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー な ど をあ げ る こ とが で き る.工 学 と医 学 と の 関 係 に お い て も,医 学(生 体)に ヒ ン トを得 て工 学 に 応 用 す る応 用 生 物 学 的分 野 や,そ

の逆 に,工 学 に ヒ ン トを得 て,医 学(医 療)に 応 用 す る 医 療 機 械 な どの 分 野

が あ げ られ る.   これ らの分 野 を扱 う学 会 も増 え て き て い る.前 述 の各 分 野 を扱 う学 会 を は じめ, 日本ME学

会,日 本 人工 臓 器 学 会,あ

るい は 日本 機 械 学 会,電

気学会 などにおけ

る各 部 門が そ れ に 相 当 す る.   1.1節 や1.2節

で 述 べ た よ うに,あ る学 問分 野 で の 常 識 が,境 界 を越 え た学 問 分

野 で も通 用 す る と は 限 ら な い.ま た,排 他 的 な 方 法 論 に 固 ま っ て し ま う と,ほ か の 学 問分 野 の お も し ろ み を味 わ う機 会 をの が す こ とに な る.他 の分 野 の 方 法 論 を じっ く り味 わ って み る と新 しい発 想 が 生 まれ て く る.学 問 分 野 が 細 分 化 さ れ る以 前 は,自 由 な方 法 論 に基 づ く発 想 の 方 が 自然 で あ っ た.た

と え ば,2本

属 か ら な る電 極 を生 体 組 織 に さ した 実 験 か ら電 池 が発 明 され た.ま

の異種 金

た,血 管 内 の

血液 流 れ か らポ ア ズ イユ 流(8.3節 参 照)の 式 が 導 か れ た.   一 方,研 究 対 象 が 守 備 範 囲 を越 え た か ら と い っ て,そ れ ま で の 方 法 論 をす て て *  流動 を扱 う学 問 を レォロ ジー と呼ぶ.特 (第8章 参 照).

に血 液 の 流動 を 扱 う学 問 を血 液 レォ ロジ ー と呼 ぶ

し ま うの も も っ た い な い.工 学 で の解 析 的 ・定 量 的 な手 法 を性 急 に 捨 て て,生 体 を研 究 す るの が よ い の で あ ろ うか.生 体 ・生 命 を神 秘 化 した り,個 体 差 の 処 理 を 統 計 学 の み に 頼 っ た りす るの が よ い の で あ ろ うか.哲 学 的 問題 は さ て お い て,工 学 の 方 法 論 を適 用 して生 体 を解 析 し,シ ス テ ム 的 に生 命 現 象 を理 解 して い くの が, 生 体 シ ス テ ム 工 学 の研 究 手 法 とい う こ とに な る.

問1.1  境 界分 野 に お け る研 究 手 法 の 特 徴 に つ い て 考 察 せ よ.

2

 生 体 の 特 徴

  生 体 を シ ス テ ム 工 学 的 に研 究 す る上 で 必 要 とな る個 体 情 報 の 保 持 な どの 特 徴 につ い て 述 べ る.

2.1  生 体 の 構 成 レ ベ ル   生 体 を研 究 す る場 合 に,ど の レベ ル を対 象 と し て い るの か に,注 意 をは ら う必 要 が あ る.た

とえ ば,免 疫 を論 じる際 に は,細 胞 膜 の 一 部 の 抗 体 分 子 の レベ ル を

対 象 と して い るの か,免

疫 制 御 細 胞 の レベ ル を対 象 と して い る の か,ま

たは細胞

の 集 合 した組 織 や リンパ 節 の レベ ル を対 象 と して い るの か を明 確 に 意 識 して い る 必 要 が あ る.こ の レベ ル を あ い まい に して い る と,空 間 的 大 き さ に お い て勘 違 い が 生 じる だ け で な く,シ ス テ ム と して 全 体 を把 握 し よ う とす る と きに,サ

ブ シス

テ ム や エ レ メ ン ト(要 素)の 相 互 関 係 に お い て 勘 違 い が 生 じて し ま う(3.1節 参 照).

表2.1 

生 体 の 構 成 レベ ル

  表2.1に

生 体 の 構 成 レ ベ ル を ミ ク ロ か ら マ ク ロ へ と列 挙 す る.

  人 体 を 構 成 す る 元 素 を,質 Ca, Mn,

P,

K,

S,

Si, Alと

Na,

Cl,

量 の 多 い 順 に 元 素 記 号 で 列 挙 す る と,O,C,

Mg,I,

F,

続 く2).以 上 は,原

Feと

な り,さ

H,

ら に 微 量 元 素 と し てCu,

N, Zn,

子 数 の 多 い 順 で は な い.原

子 量 が 大 き い もの は

  分 子 は 複 数 個 の 原 子 が 共 有 結 合 し て 形 成 さ れ て い る.(3)の

分 子 の レ ベ ル に は,

上 位 に あ げ ら れ て い る.

分 子 量 の 小 さ い 低 分 子 か ら,分

子 量 の 大 き い 高 分 子 ま で が 含 ま れ る.た

と え ば,

高 分 子 で あ る タ ン パ ク 質 は,低

分 子 で あ る ア ミ ノ酸 の 集 合 体 で あ る.タ

ンパ ク質

や 核 酸 な ど の 高 分 子 は,生

体 に お け る 情 報 伝 達 に 重 要 な役 割 を 果 た し て い る(2.4

節 参 照).   と こ ろ で こ の 高 分 子 に お い て,生 合 成 高 分 子 で は,合 残 り得 る し,合

体 高 分 子 と合 成 高 分 子 と で は 様 相 が 異 な る.

成 は 確 率 的 に 起 こ っ て お り,合

成 後 に合 成 前 と同 じ単 量 体 も

成 が 進 ん で か な り大 き な 分 子 量 に な る も の も あ る.す

均 値 を 中 心 に し た 分 子 量 分 布 が あ る こ と に な る(図2.1).こ

な わ ち,平

れ に 対 し て,生 体 高 分

子 の 一 つ で あ る タ ン パ ク 質 は,核

酸 の 情 報 を順 次 読 み と り な が ら 合 成 さ れ て い く

の で,分

っ と も,生

子 量 に 特 異 性 が あ る.も

体 高 分 子 で も,デ

キ ス トラ ン の よ う

に 生 成 の 機 構 に よ っ て は 分 子 量 が 広 く分 布 す る も の も あ る.

図2.1  分 子量 分布   (4)の 分 子 集 団 の 例 と し て は,四 つ の ポ リ ぺ プ チ ド鎖 の 集 合 体 で1単 い る ヘ モ グ ロ ビ ン(10.4節

参 照)な ど が あ げ ら れ る .(5)の

位 となって

細 胞 の レ ベ ル に は,マ

ク

ロ フ ァ ー ジ,免 に は,上

疫 制 御 細 胞,神

皮 組 織,支

経 細 胞 な ど が 含 ま れ る.ま

持 ・結 合 組 織,筋

 (7)の 器 官 ・臓 器 に 関 連 し て,五 脾 ・肝 ・腎)と 六腑(大

組 織,神

臓六腑

を さ す3).た 位 置),中

と え ば,耳

組 織 の レベ ル

経 組 織 な どが 含 まれ る.

と い う 言 葉 が あ る.漢

方 の 五 臓(肺

腸 ・小 腸 ・胆 ・胃 ・三 焦 ・膀 胱)に 由 来 す る.こ

洋 医 学 の 解 剖 学 に お け る臓 器 と は 対 応 し て い な い.日 葉 に な っ て い る が,漢

た,(6)の

方 で の 五 臓 六腑 は,形 な れ な い 単 語 の"三

焦(胃 の 中 の 位 置),下

本 語 で は,た

は,上

焦(膀 胱 の 上 の 位 置)か

れ ら は,西 また ま同 じ言

態 的 な 部 分 で は な く,機 焦"と

・心 ・

能 的 な要 素

焦(心 臓 の 下,胃

の上の

ら成 り,排 泄 を つ か さ ど る

も の と さ れ て い る.   (8)の 系 の レベ ル に は,循 環 系(第5章 る.シ

ス テ ム と い う 言 葉 か ら は,マ

え ば,(8)の

参 照),神

経 系(13.2節

参 照)な ど が 含 ま れ

ク ロ な レ ベ ル を 想 像 す る か も し れ な い .た

系 に 対 応 す る 英 語 はsystemで

あ る.歴

史 的 に は,(10)の

(11)の 生 態 系 ・環 境 な ど が シ ス テ ム 工 学 の 研 究 対 象 で あ っ た.し レ ベ ル で も,よ

個 体 集 団 や,

か し,ミ

り ミ ク ロ な レベ ル を エ レ メ ン ト と し て と ら え れ ば

と

,シ

ク ロな

ステム とし

て 取 り 扱 う こ と が で き る.   本 書 で は,(9)の

個 体 レ ベ ル よ り も ミ ク ロ な レベ ル,特

に(7)の

器 官 臓 器,(8)

の 系 と い っ た レ ベ ル を 中 心 に 扱 う.

2.2  生体を研究する学問分野の変遷   生 体 は,古

くか ら学 問研 究 の 対 象 で あ っ た.ほ

とん どす べ て の学 問分 野 が,生

体 と深 く関 連 して い た.そ の 後,生 体 を物 質 的,解 析 的 に 研 究 す る分 野 と して, 生理 学 が 発 展 した.も た.さ 構 造,生

と も と生 理 学 は,広

く生 体 に 関 す る学 問分 野 を 包 括 し て い

らに,各 分 野 間 での 分 業 化 が 進 み,生 理 学 が 物 理 的機 能,解 化 学 が 化 学 的 機 能 を扱 う よ うに な っ た.今

剖 学が形態 ・

日で は,分 子 生 物 学 や 器 官 生

理 学 ・細 胞 生 理 学 の よ うに,分 子 に至 る ま での ミク ロ な レベ ル を シ ス テ ム 的 に 研 究 す る分 野 が 発 展 して きて い る.ま た 計 算 機 の 発 達 に よ り,生 命 特 有 の 現 象 を シ ス テ ム と して実 現 す る こ とに よ っ て生 命 の 本 質 を研 究 しよ う とす る人 工 生 命 の よ

図2.2 

細 胞 増 殖 の シ ミ ュ レー シ ョ ン

う な 分 野 も 発 展 し て き て い る.た レ メ ン トの 集 合 体 を 用 い て,細

と え ば,あ

る約 束 に した が っ て 増 殖 して ゆ くエ

胞 増 殖 の シ ミュ レー シ ョ ンの よ うな 研 究 が行 わ れ

る(図.2.2).

2.3 生命現象の特徴   個 体 に お け る生 命 現 象 に は,単 細 胞 生 物*か ら多 細 胞 生 物 に 至 る ま で,い くつ か の 特 徴 が み られ る.そ の 代 表 的 な もの を,以 下 に あ げ る.  

(1)適 応, 

(2)刺 激 受 容, 

(3)物 質 代 謝, 

(4)形 態 変 化

  (1)の 適 応 は,外 界 の 変 化 に 応 じて 自己 の 内 部 の 平 衡 を維 持 す る こ と を さす.(2) の 刺 激 受 容 は,外 界 か らの 働 きか け を受 け て反 応 す る こ と を さす.単 細 胞 動 物 は, 突 つ く と逃 げ た りす る.多 細 胞 動 物 で は感 覚 器 に お け る刺 激 応 答 作 用 が,こ 相 当す る.(3)の

物 質 代 謝 は,外

泌 す る間 の化 学 変 化 を さす.(4)の

界 か ら物 質 を摂 取 し,消 化 ・吸 収 して,外 形 態 変 化 は,分 裂,増

殖,死

れに

界へ分

滅 な ど を さす.

*  単 細 胞生 物 は,空 間的 大 き さ と して は細 胞 レベ ル と同 じで も,機 能 的 に は個 体 レベ ル とみ な され る.多 細胞 生 物 に お け る細 胞 が,分 業 化 され た一 部 の機 能 の み を発 揮 して い るの と異 な る.

2.4  生 体 に お け る 情 報   生 体 は,一

つ の 種 の 中 で も,個 体 ご とに 少 しず つ 異 な る情 報 を保 持 して い る.

また,一 つ の個 体 の 中 で は,中 心 部 か ら四 肢 の 先 端 の 細 胞 に 至 る ま で共 通 の 情 報 を保 持 で き る よ うに な っ て い る.そ の 上 で,個 体 は,発 生 と と もに 分 化 し,各 細 胞 が 特 殊 化 した 状 態 とな り,個 体 内 の各 部 を形 成 し てい く.自 分 と他人 とは,違 う.自 分 の 中 で も,皮 膚,歯,骨,神

経,筋,な

報 が 違 う.こ

己 ・非 自 己 を区 別 す る に は,大 量 の 情 報 を

う した分 化 を通 して,自

どの 各 部 ご とに,発 現 さ れ た情

保 持 す る こ とに な る.こ の 低 分 子 で は 保 持 で き な い よ うな大 量 情 報 の 保 持 に,生 体 は 高分 子 を使 っ て い る.   高分 子 が 大 量 の 情 報 を保 持 ・発 現 で き るの は,そ の 分 子 の長 さに よ る の み な ら ず,高

次 の 立 体 構 造 に よ る とこ ろ が 大 きい(図2.3).

(a)  1次 構造:塩 基 配列 ・ア ミノ酸 配列 な どの 原 子 集団 の 配列 (b)  2次 構 造:ら

せ ん 構 造.ら

せ ん の 回 転 方 向 に よ り,α

ヘ リ ッ ク ス,β

(c)  3次 構 造:ら せ ん の 軸が さ らに ね じれ て,あ る立 体構 造 を形 成 (d)  4次 構造:3次 構 造 サ ブ ユ ニ ッ トの集 合 状 態 図2.3  生 体 高分 子 の 高次 構 造

ヘ リ ッ ク ス と呼 ぶ

  た とえ ば,遺 伝 情 報 を保 持 して い る と こ ろの ヒ トDNA(デ

オ キ シ リボ 核 酸)分 子

は,ア デ ニ ン ・グア ニ ン ・シ トシ ン ・チ ミ ンの4種 類 の塩 基 の 約30億

個 の 配 列(1

次 構 造)に よ っ て構 成 され て い る4).こ の 配 列 の鎖 は,直 線 形 状 で は な く,ヘ リ ッ ク ス と呼 ば れ る,ら せ ん 形状(2次 構 造)に な って い る.し た が っ て,ら せ ん の 周 期 に合 わせ て,1次

構 造 に お け る隣 同士 以 外 の 塩 基 同士 が,近

距 離 に 配 置 され る こ

とに な る.こ の らせ ん の軸 が ね じれ て,あ る立 体 構 造(3次 構 造)を 形 成 し,全 体 が 糸 ま り状 に な っ た り,棒 状 に な っ た りして い る.こ

う した 高 次 構 造 に よ って,1

次構 造 の 上 で は 離 れ て い る塩 基 同 士 が 近 づ くこ とが で き る.す

な わ ち,1次

に お い て 配 列 の 組 み 替 え が起 こ ら な くて も,高 次 構 造 の 変 化 に よ っ て,い

構造 ろいろ

な 情報 を発 現 す る こ とが 可 能 に な る.   同様 に,タ

ンパ ク質 分 子 は,ア

ミノ酸 の 配 列 に よ って 構 成 され て い る.こ の 配

列 の鎖 は,ら せ ん や ね じれ を伴 っ て,あ ニ ッ ト数 個 が 集 合 して,1個

る立 体 構 造 を形 成 して い る.こ の サ ブユ

の単 位 を形 成(4次 構 造)し て い る場 合 もあ る.立 体 構

造 が変 化 す る と,分 子 全 体 の 中 で 周 囲 と相 互 に影 響 し合 う部 分 の構 造 が 替 わ っ て, 分 子 の 活 性 が 変 わ る こ とに な る.   こ う し た生 体 高 分 子 に お い て,近 年,計

算 機 な ど を利 用 した 構 造 決 定 手 法 が 確

立 して き た.数

多 くの 配列 の 組 み 合 わせ との 比 較 を し なが ら1次 構 造 を決 定 す る

試行 錯 誤 が,短

時 間 の うち に 実 行 で きる よ うに な った.そ

の 恩 恵 に よ り,か な り

長 い 配 列 も決 定 され つ つ あ る.し か し,高 次 構 造 は,周 囲 の 環 境 に よ って も変 化 す るの で,研

究 の 奥 は 深 い.

2.5  生 体 の 恒 常 性  生体 は,生 命 活 動 を 継 続 して ゆ くの に,自

己の 内部 環 境 の恒 常 性 を維 持 しよ う

とす る.す な わ ち,自 律 神 経 に よ る神 経 性 調 節,ホ ル モ ンや オ ー タ コ イ ド*に よ る

*  全 身的 に 作 用 す る調 節 物質 を ホル モ ン と総称 す るの に対 し て,比 較 的 速 く分 解 され て しま う ため に全 身の 一 部 に お い て短期 的 に作 用す る調節 物 質 をオー タ コ イ ドと総 称 す る.神 経伝 達 物 質 (13.2節 参 照)や ホ ル モ ン と違 っ て生 理的 役 割 が十 分 に は解 明 され て い な い もの が 多 い5).

体 液 性 調 節 に よ って,平 衡 が 保 たれ て い る.こ の 平衡 は,か な り広 い 幅 を伴 っ て, 動 的 に行 わ れ て い る.し た が って,生 理(正 常)と 病 理(異 常)の 境 界 に もか な りの 幅 が あ り,区 別 は 明確 で は な い.た

と えば,発

熱 を解 熱 剤 で 抑 え るべ きか?生 体

は恒 常 性 維 持 の ため に,発 熱 して い る の か も しれ な い.発 熱 に よ って 病 的 条 件 を 排 除す る こ と もあ る.癌 細 胞 が 熱 に 弱 い と い う仮 説 に 基づ い て,癌

の 温熱療法 が

研 究 さ れ た.   さ て,恒 常 性 の 維 持 は,こ の よ うな幅 を も っ て行 わ れ て い るの で,閾 値 を超 え る ま で は,影 響 が 外 部 に 現 れ な い.後 章 で 述 べ る人 工 臓 器 の 生体 へ の 適 用 に お い て も,閾 値 を超 え る ま で そ の影 響 が 恒 常 性 の 裏 に 隠 さ れ て し ま う.   この 恒 常 性 の 幅,す

な わ ち,生 体 の 適 応 範 囲 は,老 化 と と もに 狭 ま っ て い くの

か も しれ な い.老 化 に お い て は,恒 常 状 態 そ の もの が 低 下 す るの で は な く,そ の 状 態 を保 つ 範 囲 が 狭 ま る.山 の 高 さで は な く,裾 野 が 狭 ま る とい うこ と に な る. た と えば,聴 覚 に お け る老 化 で は,中 央 部 の 周 波 数 に お い て は よ く聞 こ え て も, 可 聴 周 波 数 域 が 狭 ま る とい う考 え 方 が あ る.

問2.1  生 体 高分 子 の 高 次 構 造 にっ い て 説 明せ よ.

3  生体とシステム

  生 体,あ

る い は そ の 一 部 を,シ

基 礎 的 事 項 を ま と め,個

3.1 

ス テ ム と して扱 う と きの

体 死 に つ い て 考 察 す る.

シ ス テ ム の 基 本 条 件

  2.1節

で 扱 っ た よ う に,生 体 に お い て は,ミ

ク ロ か ら マ ク ロ に 至 る ま で,さ

ま な レベ ル を 考 え る こ と が で き る.し

た が っ て,シ

レ ベ ル を対 象 とす る こ と が で き る .本

章 で は,系

  さ て,あ

る 対 象 を シ ス テ ム と し て 扱 う と き,そ

ス テ ム と し て も,さ

まざ

ま ざまな

と器 官 を 中 心 に と りあ げ る. の 対 象 は,以

下 の よ う な基 本 条

然 な が ら,含

まれ る要 素 が 一 つ

件 を 満 た し て い な け れ ば な ら な い.   (1)要

素 と み な す も の が 二 っ 以 上 あ る こ と.当

で は,シ

ス テ ム に な ら な い.た

と え ば,血

液 循 環 系 が 心 臓 と血 管 か ら成 っ て い る

な ど.  (2)要

素 相 互 間 に 機 能 の 定 め が あ る こ と.各

の で は な く,互 を も ち,そ   (3)目

い の間 に,何

れ に 対 し て,血

要 素 は,ば

ら か の 関 わ り が あ る .た

らば ら に 存 在 し て い る

と え ば,心

管 が 流 れ の 抵 抗 と な っ て い る な ど.

的 を 有 す る こ と.あ

る 対 象 を シ ス テ ム と し て 扱 う た め に は,シ

体 と して 果 た す べ き 目 的 が 設 定 さ れ て い る 必 要 が あ る.た は,所

と え ば,血

望 の 血 流 量 を 循 環 させ る こ と を 目 的 と し て 設 定 で き る .こ

る よ う に,シ

ス テ ム と し て の 循 環 系 は,"心

の 血 流 量 を 循 環 させ る機 能 体 と し て の,あ ル モ ン 分 泌 な ど の 他 の 機 能 も あ る が,シ す る こ と に な る.

臓 が ポ ン プ機 能

臓 ・血 管 系"そ

液循 環系 で

の こ とか ら わか

の も の で は な く,所

る概 念 で あ る ,心 ス テ ム と し て は,あ

ス テ ム全

望

臓 ・血 管 系 に は,ホ る特 定 の機 能 に 注 目

  (4)単 な る状 態 で な く,時 間 的 な 流 れ が あ る こ と.時 間 差 を伴 っ て種 々 の 事 象 が 起 こ るの が 生 体 の 特 徴 で あ り,シ ス テ ム と して扱 うの に ふ さ わ しい.

3.2  器 官 系 分 類 と 人 工 臓 器   系(2.1節 参 照)を シ ス テ ム と して と ら え る と,臓 器 や 器 官 が 要 素 とな る.以 下 に,生 体 内の 系 と,そ の 系 の 一 部 の機 能 を代 行 す る 人工 臓 器 ・人 工 器 官 を例 示 す る.   [1]  支 持 ・運 動 系   骨や 関 節 な どの体 を支 持 す る もの,運 動 機 能 をつ か さ ど る もの が 含 まれ る.こ れ らの機 能 を代 行 す る もの と して は,人 工 骨 ・人 工 関 節(図3.1)な

図3.1 

人 工 関 節.右

ど が あ る.

端 は ヒ トの 大 腿 骨

  [2]  呼 吸 ・循 環 系   肺,心 臓,血

管 な どの 呼 吸 ・血 液循 環 をつ か さ ど る もの が 含 ま れ る.こ れ らの

機 能 を代 行 す る もの と して は,人 工 心 肺,人 工 肺,人

工 心 臓,人

工 の 心 臓 弁,人

工 血 管,な どが あ る.人 工 心 肺(5.5節 参 照)は,血 液 ポ ンプ とガ ス 交 換 器 を組 み 合 わせ て,心 臓 と肺 の機 能 を代 行 す る もの で,心 臓 手術 の 際 に用 い られ る.心 臓 に は 四 つ の 一 方 通 行 弁 が あ るが,各 弁 の機 能 を代 用 す るの が 人 工 の 心 臓 弁(4.5節 照)で あ る.ほ か に,静 脈 に は,末 梢 静 脈 の 逆 流 止 め 弁 が あ るが,心

参

臓 弁 の 方 が,

全 身 の 血 液 循 環 の 維 持 に とっ て は重 要 で あ る.ま た,心 臓 のペ ー ス メー カ ー の脈 動 リズ ム 発 生 ・伝 達 機 能 を代 行 す る もの と し て,人 工 ペ ー ス メー カ ー(13 .4節 参 照)が あ る.   [3]  消 化 ・代 謝 系   咽 喉,食

道,消 化 器 な どの 消 化 ・代 謝 を つ か さ どる もの が 含 まれ る.こ れ らの

機 能 を代 行 す る もの と して は,人 工 食 道,人 工 肝 臓,人 工 膵 臓 な ど が あ る.人 工 肝 臓 の モ ジ ュ ー ル は[4]の 人 工 腎 臓 に 類 似 して お り,血 漿 か ら毒 物 を取 り除 く機 能 を担 当す る.透 析 ・濾 過*に よ る ほ か,目

的物 を吸 着 させ て取 り除 く場 合 もあ る.

広 い 意 味 で は,歯 の代 用 物 で あ る義 歯 も人 工 器 官 の一 つ で あ る.   [4]  泌 尿 ・排 泄 系   腎臓 な どの 泌 尿 器 が 含 まれ る.老 廃 物 の排 出 機 能 を代 行 す る もの と し て,人 工 腎 臓 が あ る.人 工 腎臓 は 企 業 化 が最 もす す ん だ 人 工 臓 器 の一 つ で あ る.そ

の代 表

例 で あ る人 工透 析 器 は,膜 の 微 小 な 孔 を通 して,血 液 か ら不 要 な分 子 な ど を 濾 し 出 す もの で あ る.   [5]  血 液 ・免 疫 系   酸 素 運 搬 機 能 を もっ 赤 血 球 や,免

疫 機 能 を担 当す る リ ンパ 系 な どが 含 まれ る.

これ らの機 能 を代 行 す る もの と して は,人 工 血 漿,人 工 赤 血球 な どが あ る(7 .6節 参 照).   [6]  感 覚･神 経 系   セ ンサ ー と して の 感 覚 器 と,そ の 情 報 伝 達 経 路 で あ る神 経 系 が 含 まれ る.視 覚 機 能 の 一 部 を補 助 す る もの と して,人 工 眼,コ

ン タ ク トレ ン ズが あ る.す で に 日

常 的 に 用 い られ て い る コン タ ク トレ ン ズ に お い て も,生 体 組 織 との接 触,気 体 の 透 過 能,遠

近 調 節 機 能 な どの 研 究 課 題 が 残 って い る.

  [7]  内 分 泌 系   膵 臓 が 代 表 的 な臓 器 で あ る.血 糖 値 の 調 節機 能 を代 行 す る もの と して 人 工 膵 臓 *  微 小 な孔 の 空 い た膜 を通 して重 力 に よ って 液体 を濾(こ)す こ と を濾 過 とい う.特 に膜 の 両 側 に圧 力 差 を加 え る場 合 を限外 濾 過 とい う.こ れ に対 して,膜 の両 側 の 浸透 圧 差(7.5節 参 照)を 利 用 す る場 合 を透 析 とい う.

が あ る.   以 上 で あ げ た 人 工 臓 器 の う ちの 代 表 例 に つ い て,使 用 状 況 を表3.1に

表3.1 

示 す.

人 工 臓器 の使 用 状 況(1991年 の 日本 に お け る年 間 使 用数)6)

  人工 臓 器 の 多 くは,血 液 な どの体 液 と接 触 した状 態 で用 い られ る.そ の た め, 使 い捨 て で あ る.そ れ で も,年 間使 用 数 は,そ

れ ほ ど 多 くな い.す

なわ ち,市 場

規 模 は 小 さ く,品 質 保 証 な ど と相 まっ て 高 価 格 とな って い る.   こ れ らの 人工 臓 器 は,生 体 内(in vivo)に 埋 め 込 ま れ て 使 用 さ れ る もの で も,各 臓 器 の 存 在 す る元 の 位 置(in

situ)で 使 用 され る とは 限 ら な い.ま た,体 表 に 位 置

させ て,生 体 内 外 交 通(ex vivo)の

状 態 で 使 用 さ れ る もの もあ る.た とえ ば,人 工

腎臓 の透 析 モ ジ ュ ー ル は,体 外 に 置 か れ,生 体 の 血 管 と接 続 して 血 液 を体 外 に導 出 し,透 析 後 に生 体 の 血 管 へ も どす とい う循 環 回路 の 形 式 で用 い られ る.い ず れ に せ よ,生 体 外(in vitro)で

使 用 され る わ け で は な く,生 体 と機 能 的 に接 続 さ れ,

生 体 の 機 能 の 一 部 を代 行 しな け れ ば ら な い.単 純 に 生 体 と接 着 し よ う と して も, 生 体 側 の 免 疫 機 能 な どに よ って,排 除 さ れ た り,隔 離 され た りす る.う

ま く接 着

され て も,機 能 的 な 協 力 関 係 を築 くの は容 易 で は な い.

3.3  死

の

  刑 法 上 は,呼

判

定7)

吸 停 止,心

停 止,脳

機 能 の 停 止 が,死

の3徴

候 と さ れ て い る.

  と こ ろ で,生 体 に 人工 心 臓(第6章

参 照)を 装 着 した 場 合,人

を止 め なけ れ ば,心 停 止 が起 こ ら な い.と い うこ とは,死 るい は,ス

工心 臓の ス イッチ

な な くな るの か? 

あ

イ ッチ を止 め る こ とに よ る,自 殺 ま た は他 殺 しか な くな るの か?  人

工 心 臓 の停 止 が,死 亡 時 刻 を決 定 す るの か?   植 物 人 間 の 論 議 の きっ か け とな っ た 人 工 呼 吸 器 の場 合 に は,人 工 呼 吸 器 を一 時 的 に は ず して,自 発 呼 吸 の有 無 を み る こ とが で き た.同 様 に,人 ー ジ機 で あ れ ば

工 の 心 臓 マ ッサ

,一 時 的 に外 して,自 発 の 心 臓 拍 動 の有 無 をみ る こ とが で き る.

  しか し,生 体 の心 臓 を切 除 し て,人 工 心 臓 に 代 え た場 合 に は,一 時 的 に停 止 し てみ る こ とは で きな い.人 工 心 臓 に 代 え た時 点 で,す で に死 ん だ こ とに な るの か? それ で は,人 工 心 臓 を装 着 す る意 味 が な い.   新 しい 医療 技 術 を 導 入 す る 前 に,死

の判 定 基 準 を見 直 す 必 要 が あ る.近 年 の 医

療 技 術 の 進 歩 に よ り,す で に 今 ま で とは 異 な る方 法 に よ る死 の 判 定 基 準 が 必要 と され て い る.こ

う した議 論 な しに,人 工 心 臓 を装 着 す る わ け に は い か な い.

  人 工 臓 器 を個 体 に装 着 す る こ とは,従 来 とは 異 な る要 素 を,生 体 シス テ ム に 導 入 す る こ とを 意 味 す る.し た が っ て,個 体 を シ ス テ ム 的 に 把 握 し て お く必 要 が あ る.死 の 判 定 も,そ の 一 つ で あ る.人 工 肺 の 導 入 以 前 に 呼 吸 停 止,人 工 心 臓 の 導 入 以 前 に 心 停 止,人 工 脳?の

導 入 以 前 に 脳機 能 の停 止,を

よ く吟 味 して お く必 要

が あ る.   さ て,脳 死 につ い て 考 え る 前 に,脳 死 とは 区別 さ れ て い る植 物 人 間 に つ い て 考 え て お こ う.日 本 脳 神 経 外 科 学 会 に よれ ば,植 物 人 間 とは,   (1)寝 返 り も,う て な い.意 味 の あ る言語 を話せ な い.  (2)命

令 に よ っ て 目 を開 い た り握 手 す る程 度 で,複 雑 な意 志 の 疎 通 が で き な い.

  (3)た

とえ 目標 を 追視 で き て も,そ れ を確 認 で き な い.

  (4)自 力 で 食 物 を摂 取 で き な い.失 禁. と な っ て い る.植 物 人 間 に お い て は,生 命維 持 機 能 は保 存 され て お り,呼 吸 停 止 ・ 心 停 止 ・脳 機 能 の 停 止 に 至 る こ とは な い と され て い る.   これ に対 して,脳 死 に つ い て は,脳 死 に 関 す る研 究 班 の1985年12月 判 定 基 準 」 に よ る と,

の 「脳 死

図3.2 

ヤ ギ の 脳 の 断 面.目

盛 の 間 隔 は5mm

  (1) 深 昏 睡(昏 睡 状 態 も段 階 に わ け て扱 わ れ るが,そ

の うち の 最 も深 い状 態)

  (2) 自発 呼 吸 の 消 失   (3) 左 右 瞳 孔4mm以

上

  (4) 脳 幹 反 射(光 を 眼球 に あ て る と虹 彩 が 収 縮 す る"対 光 反射",接

触 によって

まぶ た が 閉 じる角 膜 反射 な ど)の 消 失   (5) 平 坦 脳 波(計 測 上 の雑 音 に 注 意 す る必 要 が あ る.平 坦 の程 度 も論 議 が 必 要 で あ る)   (6) 6時 間 経 過 後 に(1)∼(5)の 状 態 が 再 度 確 認 され る と な っ て い る.こ こ で,(4)の 脳 幹 反 射 の 消 失 に お い て は,足 底 反射 な ど の脊 髄 反 射 が あ っ て も よ い.脳 幹 は,生 命 維 持 の 最 も本 質 的 な制 御 をつ か さ ど る 中枢 と さ れ て い る.   な お,以 上 の脳 死 判 定 は,深 昏 睡 の 状 態 で あ っ て,原 疾 患 が 回復 不 可 の場 合 に 適 用 さ れ る.脳 死 へ と向 か う原 因 を取 り除 け るの で あ れ ば,当

然治療す るこ とに

な る.   さ らに,以 下 の よ うな場 合 に は,脳 死 判 定 基 準 が 適 用 され な い.   (1)

6歳 未 満 の 小 児

  (2) 急 性 薬 物 中毒

  (3) 低 体 温   (4) 代 謝 ・内分 泌 障 害(尿 毒 症 性 脳 症 な ど)   す な わ ち,成

人 と小 児 とで は,生 理 条 件 が 違 うの で,別 に 考 え な け れ ば な らな

い.臨 死 体 験 な どの 関 連 で 取 り上 げ られ る よ うな 急 性 薬 物 中毒 に お い て も,生 理 状 態 が 異 な る の で,別

に考 え な け れ ば な らな い.ま

た,今 後 の 技 術 の 進 歩 次 第 で

は,人 間 を冷 凍 保 存 後 に解 凍 ・再 生 させ る こ と も行 わ れ る よ うに な るか も しれ な い.そ

うな る と,冷 凍 中 に脳 死 と判 定 さ れ た ら大 変 な こ と に な る.

  こ う した 基 準 の も とで も,あ る瞬 間 の状 態 で 死 を判 定 す る こ とに は,無 理 が あ る.肺 に よ る呼 吸 運 動 は,1分

間 ぐ らい な らば,自 発 的 に 止 め て い られ る.他 方,

心 臓 が停 止 して,血 液 循 環 が 数 分 間 停 止 し,脳 組 織 中 の 酸 素 濃 度 が 低 下 す る と, 脳 組 織 は 非 可 逆 的 に 破 壊 され て しま う.こ の 場 合 で も,数 分 間 の 観 察 期 間 が 必 要 で あ る.ま

して,心 臓 が停 止 して い な い状 況 の も とで は,観 察 期 間 は相 当 長 く必

要 で あ る こ とが,6時   以上,考

間経 過 と い う基 準 の 存在 理 由 で あ る.

え て き た よ うに,個 体 の死 は,個 体 を シ ス テ ム と して 捉 え た と きの シ

ス テ ム機 能 の停 止 で あ る.個 体 よ り もマ ク ロ な個 体 集 団 レベ ル に お い て,社 会 的 に抹 殺 す る な ど と い う話 で は な い.ま た,個 体 よ り も ミ クロ な レベ ル で あ る と こ ろの個 体 の 一 部,四

肢 ・臓 器 ・組 織 ・細 胞 が 非 可 逆 的 に破 壊 され て も,そ の個 体

が 死 ん だ こ とに は な らな い.組 織 や 細 胞 内 の 酸 素 濃 度 を精 密 に 測 定 で き る よ う に な り,酸 素 濃 度 の 閾値 が 明 示 さ れ れ ば,組 織 の 死 は 明確 に な るか も しれ な い.そ の 上 で,脳 組 織 の 死 が 定 義 され れ ば,脳 機 能 の 停 止 が 厳 密 に 判 定 さ れ るか も しれ ない.し か し,脳 と個 体 とは レベ ル(2.1節 参 照)が 違 うこ とに,注 意 が 払 わ れ な け れ ば な ら な い.   す な わ ち,個 体 死 の 条 件 と して の 心停 止 は,心 臓 の停 止 で は な く,血 液 循 環 の 停 止 と考 え るべ き で あ ろ う.人 工 心 臓 を装 着 した だ け で,個 体 が 不 死 身 に な る わ け で は な い.人 工 心 臓 を装 着 して も,血 管 が 詰 ま っ て し ま えば,血

液循 環 は停 止

す る.出 血 で血 液 が 失 わ れ れ ば,血 液 循 環 は 維 持 さ れ な い.静 脈 帰 来 量(5.4節 参 照)が 十 分 で な け れ ば,血 液 循 環 は 維 持 さ れ な い.さ らに,全 身 の 血 液 循 環 の み な らず,重 要 臓 器 な どに お け る 血 液循 環 が 問 題 とな る.

問3.1  よ.

「心 停 止 」を シ ス テ ム と して の個 体 の死 の 判 定 と い う観 点 か ら説 明 せ

4  生 体 と 制 御

 生 体 をシ ス テ ム と して 扱 う た め の 「制 御 の 基 本 的 な 事 項 」 を確 認 し,弁 で の 血 流 制 御 に つ い て 考 察 す る.

4.1  制 御 の 基 本 構 成   制 御 に つ い て の 詳 細 な 説 明 に つ い て は 他 書 に ゆ ず り,本 成 を確 認 す る に と どめ る.第3章 述 べ た.生

体,ま

で,対

章 で は,制

御 の基本構

象 物 を シ ス テ ム と して 扱 う 方 法 に つ い て

た は そ の 一 部 を シ ス テ ム と し て 扱 う と,そ

の シ ス テ ム で は,さ

ま ざ ま な 制 御 が 行 わ れ て い る.   制 御 に は,目 て,コ

標 値 が あ る.目

標 値 と 現 在 値 と を 比 較 し て,そ

の 差(偏 差)に 応 じ

ン トロ ー ラ ー が 制 御 信 号 を 発 生 し,そ の 信 号 が ア ク チ ュ エ ー タ ー に 伝 わ り,

制 御 対 象 に 対 し て 所 定 の 操 作 量 が 作 用 し,そ 値 を と る.こ

の 値 を セ ンサ ー で 検 出 し,目

の 制 御 ル ー プ へ と 移 っ て い く と,フ

図4.1 

の 結 果,制

御 対 象 は 新 た な制 御 量 の

標 値 と 比 較 し て,そ

の 差 に 応 じ て,次

ィ ー ドバ ッ ク 制 御 と な る(図4.1).

フ ィ ー ドバ ッ ク制 御 の 構 成.()内

は 脳 組 織中 の 酸 素 分 圧 の 制 御 の 例

  た とえ ば,血 液 循 環 シ ス テ ム に お い て,脳 組 織 中 の 酸 素 分 圧 を100mmHgの

目

標 値 に 維 持 す る制 御 を考 え よ う.血 液循 環 に お け る基 本 的 な 目的 は,各 組 織 へ 酸

素 を運 搬 す る こ とで あ る.特 に,脳 組 織 中の 酸 素 分 圧 を維 持 す べ く,脳 へ の 血 液 循 環 が保 た れ る必 要 が あ る.心 臓 が 数 分 間 停 止 す る と,脳 死 に 至 るの で あ る(3.3 節 参 照).   大 気 中 の 酸 素 分 圧 は,大 気 中 の酸 素 割 合 を20%,大 と,152mmHg(760×20/100)と 平衡 す る と,152mmHgと

気 圧 を760mmHgと

する

な る.す な わ ち,血 液 中 の 酸 素 が 大 気 中 の 酸 素 と な る.大 気 か ら隔 て られ た状 態 で,酸 素 を消 費 し,二

酸 化 炭 素 を発 生 し て い るの で,体 内の 組 織 中 の 酸 素 分 圧 は,152mmHgよ

りは 低

い値 を とる.   さて,こ の 制 御 系 に お い て,た mmHgを

と えば,酸 素 分 庄 セ ンサ ー が 脳 組 織 に お い て95

検 知 す る.こ の 値 と 目標 値 の100mmHgと

の 差 の5mmHg(偏

差)を,

コ ン トロー ラ ー と して の神 経 系 が 受 け 取 る.神 経 系 は 電 気 的 制 御 信 号 を発 生 して, 拍 動 数 を増 加 させ る よ う に ア クチ ュ エー ター と し ての 心 臓 へ 伝 え る.心 臓 で は 操 作 量 と し て の血 液 拍 出 量 を増 加 させ,制 御 対 象 と して の脳 組 織 へ 酸 素 を運 搬 す る. 脳 組 織 で は酸 素 分 圧 が98mmHgに

な り,こ れ が新 た な制 御 量 と な る とい う具 合

で あ る.   以 上 の よ うに 制 御 を整 理 す る と,考 え よ う と して い る制 御 系 の 骨 組 み を把 握 し や す くな る.

4.2  心臓 における流量 制御   ヒ トに お け る血 液循 環 の概 略 を 図4.2に 右 心 房 に 至 る循 環 を体 循 環,右

示 す.左 心 室 か ら発 し て全 身 を循 環 し

心 室 か ら発 して肺 を循 環 し左 心 房 に至 る循 環 を肺

循 環 と呼 ぶ.心 臓 か ら末 梢 へ と流 出 して い く血 管 を動 脈,末 梢 か ら心 臓 へ 流 入 し て く る血 管 を静 脈 と呼 ぶ.ま

た,肺 で 酸 素 加 さ れ た あ との 血 液 を動 脈 血,組 織 で

酸 素 消 費 され た あ との 血 液 を静 脈 血 と呼 ぶ.   ［1] 安 静 時 か ら運 動 時 に か けて の 制 御   運 動 時 に は,安 静 時 よ り も 多 くの酸 素 量 を運 搬 す る 必要 が あ る た め,心 くの血 液 を拍 出す る 必 要 が あ る.安 静 時 の 心 拍 出 量 は毎 分5.5lで,こ

臓が 多

れは家庭用

図4.2  血 液循 環

上 水 道 の 蛇 口 か ら出 て く る流 量 に 匹敵 す る.   血 流 量 の 測 定 で は,血 管 を切 断 し てみ て 流 出 速 度 を 測 定 す る わ け に は い か な い. 個 体 内 の血腋 体 積 は,体 重70kgの た と して,流

ヒ トで5.5l程

度 に 過 ぎ な い の で,仮 に 切 断 し

出 させ て い る時 間 が 長 い と,血 液 量 の 減 少 に よ っ て 流 量 が 減 少 して

しま う.電 気 回路 に 直 列 に 接 続 す る電 流 計 の 内部 抵 抗 を で き る だ け 小 さ くす る の と同様 に,も

との 測 定 系 に 与 え る影 響 を最 小 限 に 抑 え る工 夫 が 必要 で あ る.

  こ れ まで に 用 い られ て い る測 定 法 と して は,① 上 流 と下 流 の圧 力 を測 定 し て両 者 の 差 か ら算 出す る 方 法,② 温 度 の 異 な る液 体 を 瞬 時 に 注 入 した あ との 温 度 回復 速 度 か ら算 出 す る方 法,③ 超 音 波*な どの 反 射 波 の 波 長 の 変 化,す な わ ち ドッ プ ラ ー 効 果 を利 用 して赤 血球 の 速 度 を計 測 す る方 法 ,④ 血 流 を斜 め に横 切 る超 音 波 の 伝 播 時 間 を流 れ の 順 方 向 と逆 方 向 と で比 較 す る方 法,⑤

イ オ ン を含 む 溶 液 で あ る

と こ ろ の血 液 が 磁 界 と垂 直 の 方 向 に 流 れ て い る とき に発 生 す る起 電 力 を利 用 し た 電磁 流 量 計 を用 い る方 法,な

どが あ る.い ず れ に せ よ,長 時 間 に わ た って 絶 対 値

を精 密 に測 定 し続 け る の は 難 しい. *  MHzの

ヒ トの 耳 で 聞 く こ と が で き な い ほ ど 高 い 周 波 数 を もつ 音 波 を 超 音 波 と呼ぶ.医 周 波 数 の も の が 用 い られ る.

学 で は1∼10

  分 時 拍 出 量 を分 時 拍 動 数 で 除 した商 を,1回 拍 出量 と呼 ぶ.運 動 時 に は,分 時 拍 出 量 が 安 静 時 の4∼5倍 な い.す

に な る.こ の と き,分 時 拍 動 数 は,2∼3倍

な わ ち,運 動 時 に は,分

出 量 が 増 加 す る.ト

ま で しか増 加 し

時 拍動 数 と1回 拍 出量 の 両 方 が 増 加 し,分 時 拍

レー ニ ン グ を積 ん だ ス ポー ツ選 手 で は,安 静 時 に 対 して5倍

よ り も さ ら に 多 くの 流 量 を,運 動 時 に拍 出 で き る.競 争 馬 で は,分 常 時 の20min-1か

ら,最 大200min-1(安

静 時 の10倍)に

時拍動数が平

増 加 して,運 動 時 の 分 時

拍 出 量 を増 加 させ て い る.

分 時 拍 出 量=1回

拍 出 量 ×分 時 拍 動 数

 (4.1)

  [2]  左 右 の 心 室 の 流 量 バ ラ ン ス   生 体 の 心 臓 は,両 生 類 で は,2心 れ らの1心

室 の 場 合 に は,一

房1心 室,魚 類 で は,1心

  これ に対 して,哺 乳 類 ・鳥 類 の心 臓 で は,2心 お い て,二

房1心

室 で あ る.こ

つ の ポ ンプ で血 液 を循 環 させ て い る. 房2心

室 で あ り,血 液 循 環 回 路 に

つ の ポ ン プ(左 右 の 心 室)が 直 列 に接 続 さ れ て い る こ とに な る.し た が

っ て,左 右 の 心 室 の 拍 出 流 量*が 等 し くな け れ ば,回 路 の ど こか に,血 液 が 溜 ま っ て し ま う こ とに な る.   二 つ の ポ ン プ が 必 要 な理 由 は,肺 循 環 抵 抗 や,肺 循 環 に お け る最 適 な 血 管 内圧 の値 が 関 係 し て い る.こ の 左 右 の 心 室 の 拍 出 量 を平 衡 させ る仕 組 と して,入

口圧

力 が 増加 して 心 室 へ の 流 入 量 が増 加 す る と拍 出 流 量 も増 加 す る とい う制 御 機 構 が 役 立 っ て い る.心 室 へ の 流 入 量 が増 加 す る と心 室 容 積 が 拡 張 し,心 室 壁 が 引 っ張 られ,壁

を構 成 す る心 筋 は 伸 ば さ れ る こ とに な る.こ の 心 筋 は 伸 ば され る ほ ど大

き な張 力 を発 生 し,そ れ に 続 い て 心 室 容 積 が 収 縮 す る とき の 収 縮 速 度 も速 くな る. この 制 御 機 構 は,ス

ター リ ン グの 心 臓 の 法 則 と呼 ば れ て い る.

*  詳細 にみ る と,ヒ トの血 液 循環 系 で は,気 管 支 循 環が 左 心室 か ら出 て左 心房 へ もど って くる 経 路 を形 成 して お り,左 心 室 の 方が 右心 室 よ りも拍 出 量 が 多 い.ま た,血 液循 環 回路 は 閉鎖 回路 では な い.血 管 壁 を通 じて の体 液 の 出 入 リが あ る(5 .4節 参 照).

  [3]  ポ ン プ に お け る流 量 制 御 とス ター リン グの 心 臓 の 法 則   人工 心 臓(第6章

参 照)を 設 計 す る と き,ど の よ うな入 口 ・出 口圧 に 対 して,ポ

ン ピ ン グ しな け れ ば な ら な い か が,ま が な け れ ば,ポ

ず 問題 とな る.入

口 と 出 口 との 間 に圧 力 差

ン プ が 流 れ を所 望 の 速 度 まで加 速 す る だ け で,あ

続 け る.あ る い は,入

口圧 の 方 が 出 口圧 よ り も高 け れ ば,ポ

体 は圧 力 差 に したが っ て,入

とは 慣 性 で 流 れ

ンプ が な くて も,流

口か ら 出 口へ と流 れ て ゆ く.入 口か ら出 口へ 汲 み 上

げ るか ら こ そ,持 続 的 な ポ ン ピ ン グが 必 要 に な る.こ の 出 口圧 か ら入 口圧 を減 じ た差 を水 位 差 で表 した値 を揚 程 と呼 ぶ(図4.3).

図4.3 

  次 に,ど

の く ら い の 速 さ で 汲 み 上 げ る の か が 問 題 と な る.単

れ る 流 体 の 体 積 を 流 量 と 呼 ぶ.少   一 般 に,ポ な る と,ポ

図4.4 

ポ ンプ の流 量 と揚程

ン プ で は,入

な い 流 量 で あ れ ば,小

口 圧 が 上 昇 し て,入

ン ピ ン グ は 楽 に な る.す

な わ ち,同

入 口 ・出 口 圧 力 差 と ポ ン プ 吐 出 流 量.(ａ)ピ 動 距 離 お よ び 拍 動 数 が 一 定 の と き)(図4.7(c)参 定 の と き)(図6.3(B)参

照).

位 時 間 あ た りに 流

さ い ポ ン プ で 十 分 で あ る.

口 と 出 口 との 間 の 圧 力 差 が 小 さ く じだ け の パ ワ ー で 運 転 し続 け れ ば,

ス ト ン ・ベ ロー ズ 型 ポ ン プ(ピ ス ト ン往 復 運 照).(b)遠

心 ポ ン プ(羽 根 車 回 転 速 度 が 一

吐 出 流 量 が 増 加 す る(図4.4).し 臓 に 用 い る 場 合,ス

た が っ て,一 般 に 使 用 さ れ て い る ポ ン プ を 人 工 心

タ ー リ ン グ の 心 臓 の 法 則 に 反 す る こ と は な い.入

力 の 変 化 に 関 係 な く,一

口 ・出 口 圧

定 流 量 を吐 出 し 続 け る ポ ン プ(定 量 ポ ン プ)の 方 が,製

作

し に く い.   さ ら に す す ん で,入

口側 の 流 れ(ま た は 入 口圧)の 変 化 に,ど

応 答 す る か が 問 題 と な る.た

と え ば,入

口 圧 が1mmHg上

の く らい の 速 度 で

昇 し た と き,ど

の くら

い 吐 出 量 を増 加 させ れ ば よ いの か が制 御 の 問題 に な る こ とに な る.

4.3  人工心臓における流量制御   生 体 心 臓 に まね て 往 復 動 型 人 工 心 臓 の 流 量 を制 御 し よ う とす る と き,1回

拍出

量 お よ び 分 時 拍 動 数 に 比 例 して,分 時 拍 出 量 を制 御 す るの は,必 ず し も簡 単 で は な い.   た とえ ば,モ

ー ター の 回転 運 動 を カム／ ピ ス トン を介 し て往 復 運 動 に 変 換 す る

よ う な ポ ンプ を作 った と しよ う(図4.5).こ

の 場 合,モ ー ター の 回転 速 度 に 比 例 し

て,分 時 拍 動 数 を調 節 す る こ とが で き る.し か し,1回

拍 出 量 を制 御 す る こ と は,

容 易 で は な い.内 圧 に 関 係 な くピス トンの 位 置 に した が っ て容 積 を維 持 す る 人工 心 室(容 積 室)を 構 成 し,入 口 ・出 口弁 の 開 閉 を人工 心 室 容 積 の 収 縮 ・拡 張 に 同期

図4.5  往 復 動 ポンプ の 基本 構 成 と人工 心 室 容 積変 化

させ,逆

流 が 起 こ ら な い よ うに す れ ば,心 室 容 積 変 化 量 と1回 拍 出 量 が 等 し くな

るは ず で あ る.剛 性 の 高 い 壁 で 人工 心 室 を構 成 し,電 磁 弁 を利 用 す れ ば実 現 で き そ うで あ るが,人 工 心 室 内圧 の 制 御 が 困 難 で あ る.人 工 心 室 の 内圧 が 流 体 の飽 和 蒸気 圧 以 下 に なれ ば,気 泡 が 発 生 し て しま う*.   実 際 的 な構 造 で は,人 工 心 室 壁 の 変 形 性 の た め に 容 積 は 内 圧 に 応 じて 変 化 し, ま た弁 で の 逆 流 や 慣 性 流 も起 こ るの で,1回 な い.し た が って,図

拍 出 量 は心 室 容 積 変 化 量 とは 等 し く

に示 す よ うな ピ ス トン ・ベ ロー ズ 型 の 人 工 心 臓 に お い て,

ピ ス トンの 往 復 運 動 距 離 を一 定 に し て も,分 時 拍 動 数 に比 例 し て,分 時 拍 出量 を 制 御 す る こ とは で き な い.特 に,容 積 室 の 剛性 が た りな い場 合 に は,分 時 拍 動 数 を増 加 させ て も分 時 拍 出 量 が 減 少 して しま うよ うな,分 時 拍 動 数 領 域 が 生 じる(図 4.6).

図4.6  拍 動 流 ポ ンプ の流 量

  人工 心 室 が 単 純 な 形 状 で な い場 合 や,収

縮 ・拡 張 の 形 状 が 複 雑 な 場 合 は,人 工

心 室 の容 積 を算 出 す る こ と 自休 が む ず か しい.複 数 の セ ンサ ー を ゴム ベ ロ ー ズ に 貼 り付 け て 算 出 す る研 究 が 行 わ れ た(図4.7(a)).プ に貼 り付 け て,プ

ッ シ ャ ー プ レー トをベ ロー ズ

ッ シ ャー プ レー トの往 復 運動 か ら簡 便 に 人 工 心 室 の 容 積 を算 出

す る方 法 も考 え 出 さ れ た(図4.7(b)).べ

ロー ズ の 反 り返 りを な くす ため に,金 属

を溶 接 したベ ロー ズ を 利 用 して,人 工 心 室 容 積 変 化 量 を ピス トン の往 復 運 動 に 比 例 して制 御 す る方 法 もあ る(図4.7(c))8). *  その 温度 に お け る飽 和蒸 気圧 以 下 に な る と,液 相 が 気相 に変 態 す る.こ の こ と をキ ャ ビテ ー シ ョン と呼ぶ.温 度 が沸 点 の と きに は,飽 和蒸 気 圧 は1気 圧 であ る.

(a)

(b)

(c)

図4.7 

人 工 心 室 容 積 変 化 の 制 御.(a)セ レ ー ト.(c)金

ン サ ー を ゴ ム ベ ロー ズ に 貼 り付 け る.(b)プ

ッ シャー プ

属 ベ ロー ズ

 一 般 に,流 れ の 方 向 に よ っ て 受 動 的 に 開 閉 す る方 式 の一 方 通行 弁 が 使 わ れ る. こ の 場 合,流 体 の 慣 性 に よ って 入 口 ・出 口両 方 の 弁 が 同 時 に 開 口 した り,閉 鎖 時 に逆 流 が 生 じた りす る.  結 局,吐

出 流 量 を精 密 に制 御 す るた め に は,ポ

ンプ 出 口 に セ ンサ ー を取 り付 け

て 流 量 を測 定 す る必 要 が あ る.し か し,血 流 量 の精 密 測 定 は,必 ず し も簡 単 で は な い(4.2節 参 照).

4.4  心 臓 弁 の 構 造   ヒ ト心 臓 弁(図4.8)は,心 さ れ る(6.1節

参 照).前

室 の 出 口 弁(半 月 弁 〉と入 口弁(房 室 弁)の2種

者 に は 大 動 脈 弁 お よ び 肺 動 脈 弁 が 含 ま れ,3枚

に分 類

の半 月形 の

(a)房 室 弁   (三尖 弁) 図4.8 

(b)半

月 弁

ヒ ト心 臓 弁

弁 尖 で 構 成 され て い る.後 者 に は僧 帽 弁 お よ び三 尖 弁 が 含 まれ,そ

れ ぞれ2枚

お

よ び3枚 の 弁 葉 で構 成 され て い る.   弁 が 開 く と きに は,弁 葉(弁 尖)が 互 い に 離 れ る だ け で な く,弁 葉(弁 尖)の っ け 根 で あ る とこ ろ の弁 輪 内径 も拡 大 す る.す な わ ち,成 人 の房 室 弁 で 内径2.5cmの 弁 輪 が,開

口時 に は 拡 大 す る.こ の こ とに よ っ て,弁 の 開 口部 面 積 が 拡 大 して,

流 路 抵 抗 が小 さ くな る よ うに な って い る.   ま た,入

口弁 で は,弁 が 閉 じる と きに弁 葉 が 上 流側 に 反 り返 ら な い よ うに な っ

て い る.す な わ ち,弁 葉 の 自由 端 の 先 端 が,腱 索 ・乳 頭 筋 を通 じて 心 室 壁 とつ な が って い る.心 室 が 収 縮 して,血 液 を吐 出 す る と きに は,入

口弁 で あ る と こ ろの

房 室 弁 は 閉 じて い る必要 が あ る.こ の と き,乳 頭 筋 も収 縮 し,腱 索 とつ な が って い る弁 葉 の 自由 端 が 上 流側 に 反 り返 ら な い よ うに 引 っ 張 っ て い る.も え れ ば 逆 流 す る し,次 に心 室 が 拡 張 す る と きに,も

し,反

り返

との位 置 に も どれ な くな る.

人工 弁 で は,弁 葉 をい ち い ち乳 頭 筋 とつ な げ た り しな い の で,こ の よ うな機 能 は な い.

4.5  人 工 の 心 臓 弁9)   [1]  構

造

  (1) ボ ー ル 弁  

閉 じ て い る と き に は,円

ー としてのボールがは まって逆流 を防 ぐ

.開

ィ ス か ら 離 れ,流

形 の オ リ フ ィ ス(弁 座)に オ ク ル ー ダ い て い る と き に は,ボ

体 は ボ ー ル の 周 囲 の す き 間 を 流 れ て ゆ く.こ

の と き,ボ

下 流 に 流 れ 去 る こ と の な い よ う に ケ ー ジ(支 柱)を 設 け て あ り,ボ に 留 ま る.こ

の 弁 で は,ボ

を 実 現 す る こ と に よ り,閉

鎖 中 の 逆 流 を 防 ぎ や す い.他

破 壊 な ど の 問 題 が 起 こ る(11.5節

ール よ りも

,デ

ー ル は ケ ー ジ内

方,開

放 中 に は,流

路 の

ー ル 周 囲 の 流 れ の 乱 れ に よ る血 球

参 照).

  ボ ー ル 弁 の ボ ー ル が デ ィ ス クに 代 わ っ た も の で あ る.ボ

ル の 直 径 よ り も デ ィ ス ク の 厚 さ を 薄 く で き る の で,流 くで き る.し

ー ルが

ー ル と オ リフ ィ ス との 間 の 接 触 円 に お い て 線 状 の 接 触

中 央 に 位 置 す る ボ ー ル が 流 れ の 妨 げ と な り,ボ

  (2)  デ ィ ス ク 弁

ー ル が オ リフ

た が っ て,人

れ 方 向 の ケ ー ジの 高 さ を低

工 弁 を 埋 め 込 む た め の 空 間 が 小 さ く て す む.他

ィ ス ク の 方 が 周 囲 の 流 れ の 乱 れ は 大 き い.ま

と の 接 触 状 態 を 面 状 に で き る が,面

ー

積 を と りす ぎ る と,開

た,閉

方,ボ

鎖 時 に,弁

座

放 時 に円滑に接触 部が

図4.9  人工 の 心 臓 弁 の種 類 とそ の摩 耗 部位.血 流 方 向は 上 か ら下 へ

離 れ な か っ た り,流

れ の 淀 み が 血 栓 形 成 の 誘 因 と な っ た りす る(第9章

  (3) 傾 斜 デ ィ ス ク 弁 た 弁.デ

  閉 鎖 時 に 対 し て,開

ィ ス クの 枚 数 が1枚

の も の(1尖)と2枚

傾 き を 大 き く し た ほ う が,開 し,傾

け す ぎ る と,閉

の も の(3尖)も

  [2]  材

の も の(2尖)と

放 時 の 流 路 抵 抗 が 小 さ く,流

が あ る(図4.9). か

鎖 時 に デ ィ ス ク が 元 の 位 置 に も ど っ て こ な か っ た り,も

ど

の 間 の 逆 流 が 増 え る こ と が あ る.生

試 作 さ れ た が,現

体 の 心 臓 弁 を まね

在 で は 使 わ れ て い な い.

質

  ボ ー ル 弁 に お け る ボ ー ル に は,ナ

イ ロ ン や シ リ コ ン な ど の 材 質 が 用 い ら れ た.

デ ィ ス ク 弁 に お け る デ ィ ス ク に は,初 用 い ら れ た が,の

期 に は テ フ ロ ン(ポ リ 四 フ ッ 化 エ チ レ ン)が

ち に 耐 久 性 ・血 液 適 合 性 に お い て す ぐれ て い る 熱 分 解 炭 素 が 多

く用 い ら れ る よ う に な っ た.ケ ス テ ン レ ス 鋼,チ に は,ポ

放 時 の デ ィ ス クを傾 け る よ うに し

れ が 円 滑 に な る.し

る の に 時 間 が か か っ て,そ た3枚

参 照).

ー ジ ま た は 支 柱 に は,コ

タ ン 合 金 が 用 い ら れ る.人

リエ ス テ ル 繊 維(ダ

バ ル ト ・ニ ッ ケ ル 合 金 や

工 弁 を 血 管 と縫 合 す る た め の リ ン グ

ク ロ ン)が 用 い ら れ る.

  [3]  作 動 環 境   人 工 弁 が 作 動 す る の は 血 液 中 で あ る.し た が っ て,0.9%質 近 い 環 境(7.1節

参 照)で あ り,材

1分 間 に70回,10年 試 験(11.1節

料 が 腐 食 しや す い.ま

間 で は 延 べ4×108回

参 照)は,107∼108回

量 濃 度 の 食塩 水 中 に

た,開

に 達 す る.一

閉 の く り 返 し数 は,

般 の機 械 材 料 の疲 労 破 壊

で 行 わ れ る こ と を 考 え る と,そ

の く り返 し数 が

多 い こ と が わ か る.   [4]  摩

耗

  材 料 が 擦 り 減 る こ と を 摩 耗 と い う.摩 け か ら 離 脱 し,外

耗 に よ っ て傾 斜 デ ィス クの 回転 軸 が 軸 受

れ た 弁 尖 が 下 流 に 流 さ れ て い っ て,血

管 をふ さ い だ 例 も あ る.

摩 耗 に よ っ て 生 じ た 摩 耗 粉 が 悪 影 響 を 及 ぼ し た 例 は 報 告 さ れ て い な い.同 が く り返 し 支 柱 と 擦 れ 合 わ な い よ う に す る 工 夫 と して,デ に し た 弁 が 用 い ら れ て い る.支 を ま い た 例 で は,被 ー ル が 膨潤 し

,弁

じ箇 所

ィス クが 自転 す る よ う

柱 の 摩 耗 を減 らす た め に 金 属 製 の支 柱 の 周 囲 に 布

覆 布 の 摩 耗 が 生 じ た.ま

た,ボ

ー ル 弁 に お い て,血

が う ま く作 動 し な く な っ た 例 も報 告 さ れ て い る.閉

液 中でボ

鎖 時 にデ ィ

ス クの 周 囲 に す き 間 が 残 る よ うに した 弁 に お い て は,血 液 の 逆 流 に よ る洗 い 流 し 効 果 に よ っ て 血栓 形 成 が 抑 制 さ れ る.ま た,デ ィ ス クの 開 閉 に伴 う血 流 の 乱 れ が 血 球 破 壊 の 原 因 に な る.   ほ か に,生 体 組 織 を利 用 して 構 成 した弁 もあ る(図4.9).ブ た もの や,脳 硬 膜 で構 成 した弁 が,そ の 例 で あ る.自

タ の 心 臓 弁 を利 用 し

己以 外 の 生 体 組 織 を利 用 す

る場 合 に は,抗 原 抗 体 反 応 が 起 こ らな い よ うに処 理 す る こ と に な る.形 状 は 置 換 前 の弁 と近 い もの とな るが,材 料 強 度 的 な耐 久 性 の 点 で 問題 が 残 っ て い る.

問4.1  心 臓 に お け る 血 流 量 制 御 に つ いて 説 明せ よ.

5  血 液 循 環 系

  個 体 全 体 の 統 制 ネ ッ トワ ー ク と して の血 液 循 環 に つ い て 概 説 し,循 環 補 助 装 置 を例 示 す る.

5.1  血 液 循 環 の シ ス テ ム と して の 把 握   シス テ ム と して 扱 うに あ た っ て,3.1節 る と,以 下 の よ うに な る(図4.1参   (1) 要 素 ：心 臓,血

で整 理 し た方 法 で 血 液 循 環 を 眺 め て み

照).

管

 (2) 要 素 相 互 間 の機 能 の 定 め ：ポ ン プ と流 れ の 抵 抗   (3) 目的 ：血 流 量 の維 持   (4) 時 間 的 流 れ ：安 静 時 か ら運 動 時   血 液循 環 の 回路 抵 抗 は一 定 で は な い.運 動 時 に は,心 臓 が ポ ン ピ ン グ作 用 を強 め るだ け で な く,血 管 が 開 い て,流 路 断 面 積 が 増 加 し,回 路 抵 抗 が 減 少 して ,流 量 が増 え る.電 気 回路 で い え ば,電 圧 が 増 加 し,抵 抗 が 減 少 して,電

流が増加 す

る.す な わ ち,電 圧 ・抵 抗 ・電 流 の い ず れ も一 定 で は な い 場 合 に相 当す る.

5.2  血 液 循 環 シ ス テ ム の 目 的   [1]  脳 組織 中 酸 素 濃 度 の 維 持   血 流 量 の 維 持 を生 命 維 持 の 基 本(3.3節 参 照)に 帰 っ て考 え る と,脳 組 織 中 の 酸 素 濃度 の維 持 の ため の脳 血 流 量 の 維 持 とい う こ とに な る.  （1)  血流分 布 

血液 循 環 回路 に お い て は,各 臓 器 ・器 官 を循 環 す る 血 液 循 環

回 路 が,直 列 で な く並 列 に 接 続 され て い る.電 気 回路 で い え ば,可

変抵抗 が並列

に接 続 さ れ た 状 態 で あ る.し た が って,全 体 の 血 流 量 だ け で な く,血 流分 布 に 注 目す る必 要 が あ る.体 循 環(4.2節 参 照)に お い て は,た とえ ば,脳 以外 の 循 環 回 路 を絞 っ て,脳

血 液 循 環 を維 持 した 方 が よ い場 合 も あ る.す

な わ ち,全 体 だ け で な

く,部 分 の 循 環(血 流分 布)が 制 御 され る必 要 が あ る.も っ と も,余 剰 物 の 排 出 の た め に 重 要 とな る腎 循 環 の よ うに常 時維 持 され て い るべ き循 環 もあ る.な 循 環(図4.2参

お,肺

照)は 他 の 循 環 と並 列 に な って は い な い.

  (2) 酸 素 濃 度  

同 じ流 量 で も,濃 度 が 薄 い と,単 位 時 間 に 運 搬 で き る酸 素 の

量 が 少 な く な っ て し ま う.血 液 中 の 酸 素 は ヘ モ グ ロ ビ ン(10.4節 参 照)に 集 中 して い る.標 準 的 な ヘ モ グ ロ ビン 濃度 は,15g/dlで 態 を貧 血(11.6節

あ る.ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 が低 い状

参 照)と 呼 び,血 液 中の 酸 素 濃 度 を 高 くで き な い.逆 に 血 液 中の

ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度 を高 め る こ とが で きれ ば 運 搬 で き る酸 素 の 量 が増 加 す る こ とに な り,高 地 トレー ニ ン グ で は この 点 を狙 っ て い る.短 時 間 に ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 を 制 御 す る よ うな 系 は,体

内 に は 存 在 しな い.急 性 の 貧 血 は,出 血 な どの 原 因 に よ

る.こ の 場 合 に は 輸 血 な どの 方 法 に よ り,赤 血 球 を補 給 す る こ とに よ っ て,ヘ

モ

グ ロ ビ ン を補 給 し なけ れ ば な らな い.短 期 的 に は,脳 組 織 中 の 酸 素 濃 度 の 維 持 の た め に は,血 流 量 を制 御 す る こ とに な る.   [2]  その 他 の 物 質 の 運 搬   血 液 循 環 に お い て は,酸 素 以 外 に,組 織 で発 生 した 二 酸 化 炭 素 が 運 搬 さ れ る. そ の他,老

廃 物,栄 養,免

疫 に関 与 す る物 質 な どが 運 搬 され る.ホ ル モ ン は 内分

泌 器 官 で 産 生 され,血 液 中 に分 泌 さ れ る.老 廃 物 は 腎 臓 ま で運 ば れ て 排 泄 され る. 消 化 器 で 吸 収 され た物 質 も血 液 循 環 で運 搬 され る.

5.3  血 液 循 環 の 発 見   血 液 が 循 環 す る こ とは,当 初 か ら知 られ て い た わ け で は な い.人 工 心 臓 を血 液 循 環 系 に接 続 す る実 験 を行 え ば,血 液 循 環 を容 易 に 証 明 で きた で あ ろ う.逆 に, 血 液 循 環 の 発 見 以 前 に は,ポ

ン プ を人 工 心 臓 と して 利 用 す る とい う考 えが 成 り立

た な か っ た とみ る こ と もで き る.

  [1]  動 脈 ・静 脈 問 の 連 続 性 の 主 張   ウ イ リア ム ・ハ ー ベ イ(William

Harvey:1578-1657)10)の

時 代 に は,動 脈 と静

脈 との 間 は連 続 して い な い とい う主 張 が 強 力 で あ っ た.動 脈 は 心 臓 か ら精 気(気 体 と して の 酸 素)を 運 ぶ 通 路,静 脈 は老 廃 物(液 体)を 運 ぶ 通 路 と考 え られ て い た.動 脈 と静 脈 の両 方 に 共 通 の 液 体 が 流 れ て い る とは考 え ら れ て い なか っ た.ポ グ機 能 とガ ス 交 換 機 能 の 両 者 が 混 同 され て い た.こ

ンピン

う した観 念 的 な 主 張 が先 行 し

て い た時 代 に,ハ ー ベ イは 実 験 的 な検 討 を試 み た.腕

の 血 管 の 圧 迫 に よ っ て,静

脈 弁 の 存 在 を証 明 し,圧 迫 の 程 度 に よ っ て,静 脈 だ け をせ き止 め た り,動 脈 を も せ き止 め た りす る こ と を考 え た.こ

う した実 験 か ら,動 脈 ・静 脈 間 の 連 続 性 を主

張 す るに 至 っ た.   [2]  毛 細 血 管 の 発 見   ハ ー ベ イ の 時代 に は,毛 細 血 管 の よ うな 内径5μmの

細 い 流 路 を観 察 で き る 顕

微 鏡 は なか っ た.毛 細 血 管 に よ る動 脈 と静 脈 との連 絡 が 顕 微 鏡 を通 して 観 察 さ れ て は じめ て,形

態 学 的 に 血 液 循 環 が証 明 され た.

  血 液 循 環 とい う考 え 方 が 受 け入 れ られ て か ら,人 工 的 な 血 液 循 環 の 実 験 が は じ ま り,イ ヌの 下 肢 を単 離 して 動 脈 お よび 静 脈 を血 液 ポ ン プ に 接 続 して 下 肢 の 血 液 循 環 を維 持 す る と い っ た 実 験 が 行 わ れ て い る.そ れ 以 降,人 工 臓 器 の 開 発 をす す め な が ら,生 理 学 的 な こ と を研 究 す る 道 が 開 か れ た.

5.4  体

液

循

環

  血 管 内 の体 液 を血 液 と呼 ぶ.血 液 循 環 回 路 は 閉 鎖 循 環 回路 で は な い.血 管 壁 を 通 じて の体 液 の 出 入 りが あ る ため に,血 管 外 の 体 液 も含 め て考 え な い と,全 体 量 が保 存 され る とい う前 提 に 立 つ こ とが で きな い(図5.1).も

ち ろ ん,口 か ら水 を摂

取 し,皮 膚 か ら水 分 が 蒸 発 し,尿 と して も排 泄 され る の で,そ れ ら を含 め な い と, 正 確 に は,体 液 量 の保 存 が 成 り立 た な い.体 液 は体 重 の 約60%を

占め る.体 重 を

一 定 と考 え る と ,体 液 量 をほ ぼ 一 定 とす る こ とが で き る.こ こ で は,血 通 じて の体 液 の 出 入 りを 中 心 に して 考 察 を進 め る.

管の壁 を

図5.1  体 液循 環 流 量 と血管 内圧

表5.1  体 液 の 区分 ( )内 は個 体 の体 重 に 対 す る百分 率

  表5.1に kgの

あ げ た よ う に,血 漿 は 体 重 の4%を

血 漿 が あ る こ と に な る.比

ヘ マ トク リ ッ 卜(7.3節 な る.5.5lの

重 は1に

参 照)が49%だ

体 積 の 血 液 が 毎 分5.5lの

占 め る2).70kgの

近 い の で,血

体 重 に 対 し て2.8

漿 の 体 積 は2 .8lと

とす る と血 液 の 体 積 は5 .5lと 流 量 で 流 れ る と,1分

間 で1循

な る.

い うこ とに 環 す る こ と

に な る.   血 管 壁 に は μmオ ー ダ ー 未 満 の 孔 が 多 数 存 在 す る こ と が 観 察 さ れ て い る.こ

れ

らの孔 で は,体 しな が ら,す

液 が 出 入 りす る だ け で な く,白 血球 も,分 泌 物 で 周 囲 組 織 を溶 解 りぬ け て ゆ く.血 管 外 へ 出 て い っ た体 液 は,浸 透 圧 な どに よ っ て血

管 内へ 回 収 さ れ るが,一 部 は リンパ 管 へ 移 動 して リンパ 液 とな る.血 管 内 の み な らず,血 管 外 で も体 液 が循 環 して い る とい う わ け で あ る.   す な わ ち,血 液 量 は一 定 で は な く,時 々 刻 々 と変 化 す る.リ

ンパ な どの他 の 部

分 に貯 留 され る こ と もあ る.血 管 壁 か ら しみ だ して,血 管 内 に 回 収 され な い体 液 もあ る.こ れ らの体 液 は,時 間 の ず れ を伴 っ て,ゆ

っ く り も ど って く る場 合 と,

時 間 が 経 っ て も も ど って こ な い場 合 が あ る.ま た,静 脈 管 壁 は 変 形 性 が大 き く, 拡 張 す る とか な り多 くの 血 液 を静 脈 血 管 内 に 貯 留 で き る.以上

の 原 因 に よ り,心

臓 か ら送 り出 され る血 流 量(動 脈 送 血 量)と 心 臓 へ 返 っ て く る血 流 量(静

脈 帰来

量)と は 等 し くな る とは 限 らな い.こ の こ とが 人 工 心 臓 に よ る 血 液 流 量 の 制 御 の 際 に 問題 と な る.   重 力場 の 中 で は,伏 が 異 な る.伏

して い る とき と,立 っ て い る と き とで は 静 水 圧 の か か り方

して い る と き で あれ ば,心 臓 は 血 液 循 環 回路 の抵 抗 に 抗 して ポ ン ピ

ン グす れ ば よ い.し か し,立 っ て い る と き に は,心 臓 と末 梢*の 血 管 との 間 に落 差 が あ る の で,重

力 に抗 して 血 液 を循 環 させ なけ れ ば な ら な い.た

の首 を 想像 して も らい た い.キ

とえ ば,キ

リン

リンが 首 を鉛 直 に 立 て て い る と きに は,心 臓 は脳

循 環 の 抵 抗 に 加 え て 脳 と心 臓 との 落 差 に 抗 し た 圧 力 で 血 液 を送 り出 す こ とに な る.他 方,落 差 が 逆 方 向 に か か る場 合 に は,ど

うな る で あ ろ うか.立

って い る と

きに は,下 肢 に 送 り出 され た血 液 は,心 臓 に も ど りに くい.心 臓側 で無 理 に 吸 い 込 も う と し て も,変 形 性 の あ る静 脈 血 管 壁 が 内側 へ 吸 い 込 ま れ て,ま す ます 流 路 が狭 くな っ て し ま う(虚 脱,図6.6参

照).吸

い上 げ る と き に利 用 で き る圧 力 差 は.

1気 圧 以 下 な の で,押 し出 しポ ンプ よ りも吸 い 上 げ ポ ン プ の 方 が 大 変 な の で あ る. も し も,血 管 壁 が ま っ た く変 形 せ ず,壁

を通 じて の 水 分 の 出 入 りが な け れ ば,落

差 に 関 わ らず 動 静 脈 圧 差 に 応 じて血 液 が 流 れ る.し た が っ て,血 管 の 変 形 性 を小 さ く した り,血 管 周 囲 の 筋 組 織 が 収 縮(神 経 系 か ら の制 御 な ど に よ っ て)し た りす *  循 環 系 にお い て は心 臓 が 中枢 であ り,心 臓 に近 い方 を近 位,遠 い末 梢 の 方 を遠 位 と呼ぶ.神 経 系(第13章

参 照)で は脳 が 中枢 で あ り,脳 に近 い方 を近位,遠 い 末 梢 の方 を遠位 と呼 ぶ.

る こ とに よ っ て,血 管 の 拡 張 を押 さ え れ ば,血 液 が 心 臓 へ と も ど っ て くる.フ ミン ゴの 足 な ど を考 え て み る と よ い.さ

ラ

らに,静 脈 に は逆 流 止 め 弁 が あ り,筋 組

織 の 収 縮 と合 わ せ て,ポ ン ピ ン グ効 果 も生 じ る(12.5節 参 照) .長 時 間 立 って い る と きの 失 神 や 脚 の 静 脈 の う っ血,急

に 立 っ た と きの 立 ち く らみ な どは ,こ

う した

循 環 系 の 調 節 が 姿 勢 変 化 に 追 従 で き ない ため に起 こ る.重 力 場 に適 応 した 生 体 が, い き な り宇 宙 船 内 な ど の 無 重 力 場 に 置 か れ た場 合 の 血 液 循 環 の よ うす も,興 味 深 い研 究 テ ー マ で あ る.   体 液 循 環 の 調 節 が う ま くい か な くな っ た疾 患 の 一 つ に水頭症 が あ る.頭 部 は 頭 蓋 骨 に 覆 わ れ て い る の で,外 枠 は 変 形 性 に 乏 しい.し

た が っ て,内 側 の体 液 の 量

が適 切 に 制 御 され て い な い と,内 圧 が 高 くな り過 ぎた り,低 くな り過 ぎた りす る. 水 頭 症 で は,頭

蓋 内 の 水 分 量 が 多 くな りす ぎ て,内 圧 が 高 くな り過 ぎ,意 識 障 害

を生 じる.こ れ に対 して,シ

ャ ン 卜と呼 ば れ る チ ュ ー ブ で,頭

蓋 内 と腹 腔 あ る い

は心 房 と を連 絡 して,体 液 が 頭 蓋 内 か らぬ け る よ うな処 置 が 行 わ れ る.と こ ろが, この シ ャ ン トを装 着 し た状 態 で,頭 部 が 高 くな る姿 勢 を と る と,落 差 が 加 わ っ て シ ャ ン トを通 過 す る流 量 が 増 加 す る(図5.2).こ

の場 合,体 液 が 頭 蓋 内 か らぬ け す

ぎて,頭 蓋 内圧 が低 くな り過 ぎ て し ま う の で,工 夫 が 必 要 で あ る11） .

(a) 図5.2 

(b)

落 差 と シ ャ ン ト流 量.(a)立

位.(b)仰

臥位

5.5  血 液 循 環 補 助 装 置   さ ま ざ ま な 血 液 循 環 を補 助 す る装 置 が 臨 床 に 応 用 さ れ て い る.こ れ ら の装 置 の 目的 は,① 脳 ・腎 臓 な どの 重要 臓 器 の 血 液 循 環 を維 持 す るこ と,② 心 筋 を 回復 さ せ る こ と,で あ る.心 筋 を回復 させ る方 法 と して は,心 臓 の仕 事 量 を軽 減 した 上 で,心 筋 に 血 液 を循 環 させ て い る 冠 循 環(6.1節 参 照)の 血 流 量 を維 持 ・増 加 させ る こ とに な る.す な わ ち,心 臓 の 拍 出 流 量 の 一 部 を代 行 して,単 位 時 間 あ た りの 心 筋 の 酸 素 消 費 量 を減 少 させ る.ま た,IABPの

よ うに 冠 循 環 の 血 流 量 を優 先 的 に 増

加 させ る こ をめ ざす. 表5.2 

血液 補 助 循 環 装 置 の 種 類 と 日本

国 内で の年 間使 用例 数(1991年)6)

  [1]IABP   IABPと

はintra‐aortic

ン グ の こ と で あ る.バ

balloon

pumpingの

略 語 で大 動 脈 内 バ ル ー ン ポ ン ピ

ル ー ン(風 船)を 先 端 に つ け た カ テ ー テ ル*を

(大 腿 動 脈 な ど)か ら胸 部 大 動 脈 内 へ 挿 入 す る.大 期(6.2節

参 照)に は,大

を 上 昇 さ せ,大

末 梢 の動 脈

動 脈 弁 が 閉 鎖 して い る心 室 拡 張

動 脈 内 で バ ル ー ン を 膨 ら ま せ て 血 流 をせ き 止 め て 動 脈 圧

動 脈 基 部 か ら 発 し て い る 冠 動 脈 へ の 血 流 を 増 加 さ せ る.ま

た,バ

ル ー ン よ り も中 枢 側 に お い て 大 動 脈 か ら分 枝 し て い る血 管 へ の 血 流 を 増 加 させ て,重

要 臓 器 で あ る 脳 へ の 循 環 を 優 先 的 に 維 持 す る.心

を 収 縮 さ せ て,血 量(6.3節

液 を 下 流 へ と 引 き 込 み,心

参 照)を 減 少 させ る(図5.3).こ

室 収 縮 期 に は,バ

室 出 口 圧 を 低 下 させ て,心

ルー ン 臓の仕事

の 方 法 で は 開 胸 手 術 が 不 要 な た め,内

科

的 に も使 用 さ れ る.

*  体 内 で 液体 の 出 し入れ や 組 織へ の 操作 な ど を行 うた め に挿 入 す る細 い チ ュー ブ の こ とを カ テー テル と呼 ぶ.

(a)

図5.3 

大 動 脈 内 バ ル ー ン ポ ン ピ ン グ.(a)心 血 流 を 増 加 させ る.(b)心

  [2]  V-Aバ

(b) 室 拡 張 期 に バ ル ー ン を膨 ら ま せ て,心

室 収 縮 期 に バ ル ー ン を 収 縮 させ て ,心

筋 ・脳 へ の

室 出 口圧 を 低 下 させ る.

イパ ス

  静 脈 か ら動 脈 へ の バ イパ ス 経 路 に お い て行 う循 環 補 助 の こ とで あ る.バ

イパ ス

経 路 に 遠 心 ポ ン プや ロー ラー ポ ンプ(6.5節 参 照)な ど を 挿 入 し て ポ ン ピ ン グ 補 助 を行 う.大 静 脈 か ら大 動 脈 へ の バ イパ ス で は,開 胸 下 に チ ュ ー ブ を血 管 に 挿 入 す る.こ れ に 対 して,末

梢 の 血 管 を利 用 して 静 脈 か ら動 脈 へ の バ イパ ス を作 成 す る

場 合 に は,開 胸 ・開 腹 せ ず に 皮 膚 を通 じて 接 続 で き る.こ の よ うに皮 膚 を通 じて 行 う処 置 を経 皮 的処 置 と呼 び,内 科 的処 置 法 と して い ろ い ろ な 方 法 が 考 案 さ れ て い る.   [3]  心 室 補 助 装 置   人 工 心 肺 の 人 工 肺 部 分 を は ず して,血 液 ポ ンプ の み で,ポ

ン ピ ン グ補 助 を続 け

る こ とが あ る.人 工 心 肺 は,心 臓 手 術 をす る際 に 心 臓 内 を 空(血 液 の な い状 態)に す るた め に,大 静 脈 か ら大 動 脈 へ 血 液 をバ イ パ スす る際 に 用 い られ る装 置 で あ る. ガ ス 交 換 装 置 と血 液 ポ ンプ とか らな り,肺 と心 臓 の代 わ りを す る.本 来 は右 心 を バ イ パ ス す る に は 上 ・下 大 静 脈 か ら肺 動 脈 へ ,左 心 をバ イパ ス す る に は 肺 静 脈 か ら大 動 脈 へ バ イパ ス す れ ば よ い.ま た,両 心 をバ イパ ス す る に は,こ

の 両 方 を行

えば よ い は ず で あ る.し か し,肺 静 脈 で は4本 の 血 管 が 左 心 房 に 流 入 して くるの で,バ

イパ ス 回 路 の 接 続 に 手 間 が か か る(図6.5参

照).す

な わ ち,大 静 脈 か ら大

動 脈 へ とバ イ パ ス す る 回 路 の 方 が 接 続 が 簡 便 で あ る.こ の結 果,心

臓 の み な らず

肺 を もバ イパ ス す る こ と と な っ た わ け で あ る.心 臓 手術 が 終 わ っ た あ と に は,と りは ず して,自

己の 肺 と心 臓 を復 活 させ る.こ の とき,た

拍 動 が 十 分 に復 活 せ ず,拍 せ て,肺

とえ ば,自

己の 心 臓 の

出流 量 が 不 足 す る場 合 に は,人 工 心 肺 をそ の ま ま働 か

・心 臓 の 補 助 をす る.こ の よ うな状 態 を 人工 心 肺 離 脱 困難 と い う.し か

し,こ の 人工 心 肺 に 血 液 を長 時 間循 環 させ 続 け るの は,生 体 に とっ て 負 担 が 大 き い.た

とえ ば,人 工 肺 内 で赤 血 球 が 破 壊 され る.そ こ で,人 工 肺 をは ず して,血

液 ポ ン プ の み に して,補 助 を続 け る こ とに な る.人 工 心 肺 の 血 液 ポ ンプ に は,ロ ー ラー 型(6 .5節 参 照)が よ く使 わ れ るが,遠 心 型 に か え て 補 助 を 続 け る こ と も行 われ る.   [4]  補 助 人 工 心臓   さ ら に強 力 に 血 液 ポ ン ピ ン グ を補 助 す る場 合 に 用 い ら れ る装 置 が 補 助 人工 心 臓 で あ る.そ の 多 くは,心

臓 と 同等 の 流 量 拍 出機 能 を長期 間 に わ た っ て 発 揮 す る よ

うに製 作 され た拍 動 流 ポ ン プ で あ る(6.6節 参 照).血 液循 環 に お い て は,肺 動 脈 圧

図5.4  左 心 補 助 人工 心 臓 を装 着 したヤ ギ.空 気 圧 駆動 式 の 人工 心 室 を体 外 に装 着 し,ヤ ギ が体 位 をか え た と きに,周 囲 の支 柱 な ど と引 っか か って 事 故 が起 こ らな い よ うに,腹 帯 で カバ ー して あ る .血 圧 計 測 ・輸 液の ため の チ ュー ブや 電 磁 流 量計 を取 り付 けて あ る,右 端 に は 人工 心 室 駆動 制 御 装 置 が 見 え る.

よ り も大 動 脈 圧 の 方 が 高 い.す な わ ち,右 心 室 よ り も左 心 室 の 方 が 出 口圧 が 高 い の で 仕 事 量 が 多 い(6.3節 参 照).そ

れ ゆ え に,片 方 の 心 室 の み を補 助 す る場 合 に

は,左 心 室 を補 助 した 方 が 仕 事 補 助 効 果 が 大 き く,心 臓 での 酸 素 消 費 量 を 押 さ え る こ とが で き る.こ の 左 心 室 補 助 装 置 の こ と をLVADと

呼 ぶ.

  補 助 人 工 心 臓 は,自 己 の 心 臓 が 再 び 単独 で機 能 す る よ うに なれ ば,と

りは ず す

こ と に な る.他 方,補 助 人工 心 臓 か ら離 脱 で き な い場 合 に は,全 人 工 心 臓 ま た は 心 臓 移 植 が 必 要 に な る.補 助 人 工 心 臓 は,心 臓 移 植 ま で の橋 渡 し(ブ リ ッジ)に も 用 い られ る.心 臓 移 植 で は,提 供 され る心 臓(ド ナ ー の心 臓)を 待 つ 必 要 が あ る. 移 植 を受 け る 人(レ シ ピエ ン ト)が,こ の待 機 期 間 に 自 己の 心 臓 だ け で は 血 液 循 環 を維 持 で き な い場 合 に,こ の 補 助 人 工 心 臓 を装 着 して 待 機 す る とい う わけ で あ る.

問5.1  短 い期 間 に 区切 っ て 測 定 す る と き,心 臓 か ら送 り出 され る血 液 量 と 心 臓 へ 帰 っ て くる 血液 量 とが 等 し くな らな い理 由 を説 明 せ よ.

6  心臓 と血流量制御

  血 流 量 制御 ポ ン プ と して の 心 臓 の 機 能 を概 説 し,人 工 心 臓 に つ い て考 察 す る.

6.1  心 臓 の 構 造   ヒ トの 心 臓 は,左 右 の 心 室 か ら構 成 さ れ,お の お の が 独 立 した ポ ンプ で あ る. 心 室 壁 は 三 重 の 心 筋 組 織 か ら構 成 され て お り,壁 の 厚 さ は 左 心 室 の 方 が 右 心 室 よ り も厚 い.入

口 ・出 口弁 の 弁 輪(4.4節 参 照)に 平 行 な 断 面 を とる と,左 心 室 の 断 面

は 円形,右 心 室 の 断 面 は 左 心 室 の 周 囲 を と りま く三 日月形 で あ る(図6.1) .左 心 室 が 収 縮 ・拡 張 す るの に 引 っ 張 ら れ て,右

心 室 が 付 随 的 に 収 縮 ・拡 張 す る よ うな

(a)

(b) 図6.1 

ヒ トの 心 臓 の 断 面.(a)横

断 面.(b)縦

断面

構 造 とな って い る.   左 心 室 は肺 静 脈 か ら左 心 房 に 流 入 した 血 液 を僧 帽 弁 を経 て 受 け 取 り,大 動 脈 弁 を経 て 大 動 脈 へ と吐 き出 す.右 心 室 は 上 大 静 脈 お よ び 下 大 静 脈 か ら右 心 房 に 流 入 した 血 液 を三 尖 弁 を経 て受 け 取 り,肺 動 脈 弁 を経 て肺 動 脈 へ と吐 き 出す.   大 動 脈 弁 の 直 後 か ら分 枝 し心 筋 の 中 を廻 り右 心 房 に 至 る循 環 は,冠 状 に 心 臓 の 周 囲 を走 行 して お り,冠 循 環 と呼 ば れ る(図5.3参

照).心 臓 の 前 面 の 右 心 室 壁 を

廻 る右 冠 循 環 と背 面 の 左 心 室 壁 を廻 る左 冠 循 環 とに分 枝 して い る.

6.2 

心

周

期12)

  大 気 圧 に対 す る血 管 内 の圧 を 血 圧 と呼 び,慣 用 的 に はmmHgの 表 す(1mmHg=1.3×102 (図5.1参

照).血

Pa).以

流 は脈 流(第12章

単 位 を用 い て

下 に安 静 時 に お け る代 表 的 な血 圧 値 を あ げ る 参 照)な の で,血 圧 も極 大 ・極 小 値 の 間 で 振 動

す る.以 下 で は,血 圧 値 を極 大 ・極 小 値 の 範 囲 と と もに示 す.   左 心 室 の 入 口圧 に 相 当 す る左 心 房 圧 は2∼10mmHg,出 圧 は70∼120mmHgで 2∼125mmHgで

口圧 に相 当す る大 動 脈

あ る.左 心 室 圧 は 入 口圧 と出 口圧 との 間 で変 動 す るの で, あ る.出 口弁 開 口時 の左 心 室 圧 と大 動 脈 圧 との差 は,出 口弁 開 口

部 の 流 れ の 抵 抗 な どに対 応 して い る(第8章 心 房 圧 は3∼7mmHg,出

参 照).右

心 室 の 入 口圧 に 相 当 す る右

口圧 に 相 当 す る肺 動 脈 圧 は12∼25  mmHg.右

入 口圧 と出 口圧 との 間 で変 動 す るの で,3∼28mmHgで

心 室圧 は

あ る.以 上 の 値 は安 静 時

に お け る値 で あ り,同 一 個 体 に お い て も 日変 動 が あ り,運 動 時 に は 血 流 量 の 増 加 に伴 っ て血 圧 も変 動 す る.ま た,入 い る場 合 に は,さ

口 ・出 口弁 付 近 で の 流 路 抵 抗 が 大 き くな っ て

らに上 流 ・下 流 の 間 の圧 力 差 が 生 じ る.日 常 的 に 測 定 され る 血

圧 は 大 動 脈 の 下 流 に 位 置 す る末 梢 の 動 脈 圧 で あ る.   静 脈 の 内圧 は 外 圧 との差 が 小 さい の で,静 脈 の 血 管 壁 が破 れ て も,じ わ じわ と 出 血 す る だ け で あ る.こ れ に 対 して,動 脈 で は 内圧 が 外 圧 よ りもか な り高 い の で, 動 脈 の 血 管 壁 が 破 れ る と,血 液 が 吹 き 出 す こ と に な る.肺 動 脈 圧 が そ れ ほ ど 高 く な い の は,肺 循 環 に含 まれ る血 管網 が 肺 だ け で あ り,体 循 環 よ り も血 液 循 環 回 路

の 抵 抗 が 小 さ い た め で あ る.   心 室 は 拡 張 ・収 縮 を く り返 し て い る.す い る.そ

の1周

間 に,加

速 ・ 減 速 過 程 が 含 ま れ る.す

期 分 を 心 周 期 と 呼 ぶ(図6.2)

速 度 ま で 加 速 し て,心 加 速 し て,心

心 周 期.(1)等 期,(6)急

き 出 して

張期 ・ 収 縮期おの おのの

な わ ち,「 ほ ぼ 静 止 状 態 に あ る 血 液 を,あ 速 し て,静

速 して,静

止 さ せ,再

る

び あ る速 度 ま で

止 さ せ る.」 と い う 過 程 を く り返 す.

流 側 の 圧 力 が 下 流 側 の 圧 力 よ り も低 く な る.入

流 れ の 方 向 に 応 じ て 閉 じ る.一

図6.2 

ら に,拡

く と き に は 圧 力 差 に し た が っ て 開 くが,閉

い へ ん で あ る.吸

液 を 吸 い 込 み,吐

流 側 の 圧 力 が 下 流 側 の 圧 力 よ り も大 き く な け れ ば な ら な い.逆

速 過 程 で は,上

弁 は,開

.さ

室 内 へ 吸 い 込 み,減

室 か ら 吐 き 出 し,減

加 速 過 程 で は,上 に,減

な わ ち,血

般 に ポ ン プ は,吐

い 込 む と き に は,心

容 収 縮 期,(2)最

速 流 入 期,(7)緩

口 ・出 口 の

じ る と き に は圧 力 差 で は な く き 出 す よ り も,吸

い込む方が た

室 圧 は 飽 和 蒸 気 圧 以 下 に は な れ な い(4.3節

大 吐 出 期,(3)減

慢 流 入 期,(8)心

少 吐 出 期,(4)拡

房 収 縮期

張 準 備 期,(5)等

容 弛緩

お よび5.4節

参 照).安 静 時 で は,収 縮 期 よ り も拡 張 期 の 方 が 期 間 が 長 い の は こ の

た め で あ る.こ の こ とに よ り,拡 張 期 に お い て は,平 均 流 速 が 遅 くて す む.加 速 が小 さ くて よ く,上 流 と下 流 との圧 力 差 が小 さ くて よ い.   心 周期 は,等 容 収 縮 期,最

大 吐 出 期,減 少 吐 出期,拡

急 速 流 入期,緩

房 収 縮 期 の 八 っ の相 に 区 分 さ れ る.等 容 収 縮 期 に お

慢 流 入 期,心

い て は,心 筋 は収 縮 しは じめ る が,入

張 準 備 期,等

容 弛 緩 期,

口 ・出 口弁 は 閉 鎖 した状 態 で,心 室 容 積 は

ほ とん ど変 化 せ ず,心 室 内 の圧 力 が 上 昇 す る.最 大 吐 出 期 に お い て は,入

口弁 閉

鎖 ・出 口弁 開 放 の状 態 で,血 液 が 心 室 か ら動 脈 へ と加 速 され な が ら吐 出 さ れ る. 減 少 吐 出期 に お い て は,入

口弁 閉 鎖 ・出 口弁 開 放 の状 態 で,血

へ と減 速 され なが ら吐 出 さ れ る.拡 張 準備 期 に お い て は,出 容 弛 緩 期 に お い て は,心 筋 は 弛緩 し始 め るが,入

液 が 心 室 か ら動 脈

口弁 が 閉 鎖 す る .等

口 ・出 口弁 は 閉 鎖 した状 態 で,

心 室 容 積 は ほ とん ど変 化 せ ず,心 室 内 の 圧 力 が下 降 す る.急 速 流 入 期 に お い て は, 入 口弁 開 放 ・出 口弁 閉鎖 の 状 態 で,血 液 が 心 房 か ら心 室 へ と加 速 され な が ら 流 入 す る.緩 慢 流 入期 に お い て は,入

口弁 開放 ・出 口弁 閉 鎖 の状 態 で,血 液 が 心 房 か

ら心 室 へ と減 速 され な が ら流 入 す る.心 房 収 縮 期 に お い て は,入

口弁 開 放 ・出 口

弁 閉鎖 の 状 態 で,心 房 の収 縮 に よ っ て,血 液 が 心 房 か ら心 室 へ と流 入 す る.   心 周期 に 同期 して 心 臓 か ら発 生 す る電 気 信 号 も周 期 的 に変 動 す る.こ の電 気 信 号 の 時 間 変 化 波 形 を心 電 図(13.3節 参 照)と 呼 ぶ.   心 周期 に 同期 して 心 臓 か ら発 生 す る弾 性 波 を心 音 と呼 ぶ.心 聴 取 さ れ,心 周 期 に合 わせ て 第1∼4音

音 は体 表 に お い て

の 呼 称 が定 め られ て い る.心 音 の 発 生 源 は

血 流 お よび 心 筋 の収 縮 ・拡 張 に 基 づ く心 臓 弁 お よ び壁 の 振 動 で あ る.第1音 容 収 縮 期,第2音

は 拡 張 準 備 期 に 対 応 して い る.第3音

は 急 速 流 入 期,第4音

は等 は

心 房 収 縮 期 に 対 応 して 聴 取 さ れ る こ とが あ る.心 雑 音 は弁 の 開 閉 に異 常 が あ っ た り流 路 が狭 くな っ て い る と きに 発 生 す る.弁 の 閉 鎖 期 に弁 で の逆 流 が あ る と,バ タバ タ音 が 発 生 す る.弁 の 開 放 期 に 弁 の 開 口部(血 流 路)が 狭 くな っ て い る と,ジ ェ ッ ト音 が発 生 した り,乱 流 の発 生 に よ り弁 尖 が 振 動 して 異 常 音 が 発 生 す る.流 路 が 狭 くな って い る状 態 を狭 窄 と呼 ぶ.

6.3  心 臓 の パ ワ ー   心 臓 は 静 脈 か ら 動 脈 へ 圧 力 差 に 抗 し て 血 液 を 拍 出 し て い る.こ 力 学 的 な 仕 事 を 見 積 も っ て み よ う.ポ 揚 程(4.2節

参 照)が 大 き い ほ ど,た

流 量 は 安 静 時 に5.5l/minで り,流

あ る.左 右 の 心 室 は,お の お の が 独 立 し た ポ ン プ で あ

の 拍 動 に 同 期 し て 変 動 し て い る(6.2節

程 は 左 右 異 な る.心 参 照)が,こ

の 差 を 揚 程 と し て み る.左

圧 を3mmHgと

口 圧 を4mmHgと

房圧や 動脈圧 は心臓

れ ら の 平 均 値 か ら 入 口 圧 ・出 口

心 室 で は,出

す る と 入 口 ・出 口 圧 差 は97mmHgと

出 口 圧 を20mmHg,入

量 が 大 き い ほ ど,

く さ ん 仕 事 を し て い る こ と に な る.心 臓 の 拍 出

量 は 左 右 で ほ ぼ 同 じ で あ る が,揚

圧 を 求 め て,そ

ン ピ ン グ に お い て は,流

の ポ ン ピン グ の

口圧 を100mmHg,入口 な る.同 様 に,右

心 室 で は,

す る と入 口 ・出 口 圧 差 は16mmHgと

な る.   流 量 の 次 元 は(長 さ)3/(時 間)で あ り,圧 力 差 の 次 元 は(力)/(長

さ)2で

が っ て 両 者 の 積 は(力)×(長

さ)は 仕 事 の 次 元

と 一 致 し て い る の で,流

さ)/(時

間)の 次 元 を も つ.(力)×(長

量 と 圧 力 差 と の 積 は 単 位 時 間 あ た り の 仕 事,す

あ る.し た

な わ ち仕

事 率 の 次 元 を も つ.   左 心 室 は,97mmHgの て い る と 考 え れ ば,両

圧 力 差 に 抗 し て,毎

分5.5lの

血 液 を送 り出す 仕 事 を し

者 の 積 か ら左 心 室 の 仕 事 率 が1.2Wと

求 め ち れ る(問6.1

参 照).

心 室 の仕 事 率=心

室 の 拍 出流 量 ×動 静 脈 圧 差

  こ う して求 め た 値 は,人 工 心 臓 を 設 計 す る と きに,ど

 (6.1)

の く らい の パ ワ ー の ポ ン

プ を設 計 す れ ば よい の か とい う問 題 に 関係 が あ る.最 終 的 な ポ ン ピ ン グ仕 事 へ の 変 換 効 率 が100%だ

と し て も,左 心 室 に 代 わ る た め に は1.2Wの

る こ とに な る.運 動 時 に は拍 出 流 量 が 安 静 時 の5倍 で,心 室 の 仕 事 率 も5倍 に な る.さ

出力が必要 であ

ま で増 加 す る(4.2節 参 照)の

ら に,拍 動 流 ポ ンプ で は,拍 出 流 量 が 周期 的

に 変 動 す る.こ の 変 動 に 伴 っ て"瞬 時 拍 出 流 量"の 最 大 値 は 平 均 値 の3∼5倍

にな

る の で,心

室 の 仕 事 率 も3∼5倍

を考 慮 す る と,左

に な る(第12章

参 照).す

心 室 に 代 わ る た め に は30W(1.2×5×5)の

な わ ち,運

動時や拍動

出力 が必要で あ るこ

と に な る.

6.4  人 工 心 臓 の 歴 史   人 工 心 臓 の ア イ デ ィア の 源 泉 は19世 紀 ご ろか ら行 わ れ 始 め た 臓 器 灌 流 に み る こ とが で き る.す な わ ち身 体 の一 部 分,も し よ う とす る試 み に お い て,い

し くは 臓 器 の 血 液 循 環 を人 工 的 に 維 持

ろ い ろ な血 液 ポ ンプ が 使 わ れ た.た

とえば,ゴ

ム

の袋 を板 で 押 し た りゆ るめ た りす る こ と で,一 方 通 行 弁 との 組 み 合 わ せ で ポ ン ピ ン グす る もの な ど が工 夫 され た13).   しか し,本 格 的 に全 身 の 血 液 循 環 の 維 持 に使 わ れ た ポ ンプ とな る と,人 工 心 肺 で 用 い られ た ポ ン プ とい うこ とに な ろ うか.そ の 後,5.5節 循 環 を補 助 す る ポ ン プ と して,い

で述 べ た よ うに,血 液

ろ い ろ な ポ ンプ が 臨 床 に使 用 さ れ た.

  他 方,生 体 の 心 臓 の 血 液 拍 出能 力 を全 面 的 に代 行 す る全 人 工 心 臓 の 実 験 が 開 始 され たの は,20世 に お い てKolff,

紀 後 半 に な って か らの こ とで あ る.1957年 Akutsuら

か らア メ リカ合 衆 国

が,電 気 駆 動 式,空 気 圧 駆 動 式,磁 気 駆 動 式 とい っ た

形 式 の 人工 心 臓 を 試作 して い る14).そ れ 以 来,現 在 に い た る ま で,イ ヌ,ウ シ,ヤ ギ,ヒ ツ ジな ど の動 物 に お け る 多 くの 実 験 が,各 研 究 施 設 に お い て 実 施 され て き た.生 存 実 験 で は,1年 床 に も使 用 され,ア

程 度 の長 期 間 ま で実 施 され て い る.ま た,1982年

よ り臨

メ リカ合 衆 国 の フマ ナ 心 臓研 究 所 に お い て,最 長622日

間の

生 存 が 実 現 され て い る.こ れ らの 人工 心 臓 は,心 臓 移 植 まで の ブ リ ッジ と して も 利 用 さ れ て お り,か な りの 成 果 が得 られ て い る15).

6.5  ポ ン プ の 種 類   ポ ン プ は,容 積 ポ ンプ とター ボ ポ ンプ の2種 類 に 大 別 さ れ る(図6.3).容

積 ポン

プ は 容 積 室 に 流 体 を吸 い込 ん で は 押 し出す こ と を く り返 す.容 積 ポ ンプ に は,往

(A)容

積 ポ ンプ

(A-a)往

(B)タ

復ポンプ

(A-b)回

転ポンプ

ーボポンプ

(B-a)遠

心 ポ ンプ 図6.3 

(B-b)斜

流 ポ ンプ

(B-c)軸

流 ポ ンプ

ポ ン プ の分 類

復 ポ ン プや 回転 ポ ンプ が含 まれ る.往 復 ポ ン プ で は,ピ

ス トン な どが 往 復 運 動 し

て容 積 室 の 容 積 を周 期 的 に 変 動 させ る.血 液 ポ ンプ に応 用 す る場 合 に お い て は, ピス トン と容 積 室(シ リン ダ ー)と の 摺 動 部 分 で の 漏 れ 止 め に ピ ス トン ・リン グ の 代 わ りにベ ロー ズ を用 い た り,ダ イ ヤ フ ラ ム を用 い た りす る(図4.7参 性 や 血 液 接 触 部 分 で の 血 栓 形 成(第9章

参 照)・血 球 破 壊(第11章

照).耐

久

参 照)へ の 配 慮 の

結 果 で あ る.生 体 の 心 臓 は 往 復 ポ ンプ に 属 す る.回 転 ポ ン プ で は,歯 車 や ス ク リ ュー の 回転 に よ っ て容 積 室 内 の 流体 を連 続 的 に 送 り出 す .た

と え ば,ス

ク リュー

ポ ン プ で は,雄 ネ ジ と雌 ネ ジの間 の 空 間 内 の 流体 を回 転 軸 方 向 に送 る.雄 ネ ジ と 雌 ネ ジの 間 の接 触 が き っ ち り して い る と,吸 い込 む 力 を大 き くで き る.粘 性 係 数 (第8章 参 照）の 大 き い流 体 を送 る の に 適 し て い る.食 品 の 原 材 料 を 送 る と きに も 用 い られ て い る.血 液 ポ ン プ に 応 用 す る もの と して は,ロ ー ラ ー ポ ン プ も,よ 使 わ れ る.こ の ポ ンプ で は,チ

く

ュー ブ 内 の 流 体 を,ロ ー ラー が 外 側 か ら圧 迫 し な

が ら押 し出 して ゆ く.血 液 接 触 部 分 で あ る と こ ろの 使 い 捨 て 部 分 が チ ュ ー ブ だ け です む の で 有 利 で あ る.   ター ボ ポ ンプ は 流体 を 回転 させ な が ら一 定 の 方 向 へ 送 る.タ ー ボ ポ ンプ で は, 流 体 を吸 い 込 む 方 向 と送 り出 す 方 向 との 間 の角 度 に よ っ て,遠 心 ポ ン プ,斜

流ポ

ン プ,軸 流 ポ ンプ と呼 ば れ る.遠 心 ポ ン プ で は,ケ

ー シ ン グの 中 で羽 根 車 が 回転

して,遠 心 力 に よ っ て流 体 を 中心 か ら吸 い込 ん で 円 周 方 向 へ 送 り出す.流 体 を 吸 い込 む 方 向 と送 り出 す 方 向 との 間 の角 度 は90度 も 同様 の 原 理 に よ って 流 体 を送 り出す.軸 送 り出 す 方 向 との 間 の 角 度 は0度

に 近 い .斜 流 ポ ンプ や 軸 流 ポ ン プ

流 ポ ン プ で は.流 体 を吸 い込 む方 向 と

に近 い.す

あ ま り変 化 させ ず に,そ の ま ま送 り出す.斜

な わ ち,吸

い込 ん だ 流 体 を,方 向 を

流 ポ ン プ は,遠 心 ポ ンプ と軸 流 ポ ン

プ との 中 間 の 特 性 を も って い る.入 口 ・出 口圧 力 差 が 大 きい と きに は 遠 心 ポ ンプ, 流 量 が 大 きい と きに は 軸 流 ポ ン プ が適 して い る.入 口 ・出 口圧 力差 と流 量 を考 え る と,左 心 室 の 代 わ りに は 遠 心 ポ ンプ,右 心 室 の 代 わ りに は 斜 流 ポ ンプ また は軸 流 ポ ンプ が 向 い て い る こ とに な る.

6.6  人工心臓の駆動様式   ター ボ ポ ン プ に お い て も回転 速 度 を周 期 的 に変 動 させ れ ば,拍 動 流 を送 り出 す こ とは 可 能 で あ る.し か し,一 般 的 に は,容 積 ポ ン プ の 内 の往 復 ポ ンプ が 人工 心 臓 に 応 用 され る.容 積 の 周 期 的 変化 を起 こ す 方 法 と して,往 復 方 式,切 式,回 転 方 式 が あ る(図6.4).往

り替 え 方

復 方 式 で は,シ リン ダ ー 内 の ピ ス トン な どの 往 復

運 動 に よ って,容 積 の 周期 的 変 化 を起 こす.切

り替 え 方 式 で は,容 積 室 を高 圧 源

と低 圧 源 とに 交 互 に接 続 して 圧 力 変 動 に よ っ て容 積 変 化 を起 こす.回 転 方 式 で は, 偏 心 し た状 態 で三 角 柱 形状 の 内 筒 を 回転 させ て,外 筒 との 間 の す き間 空 間 を広 げ た り狭 め た りし て容 積 変 化 を起 こす16).他 に,ス

ク リュー ポ ンプ を正 逆 回転 させ

て,容 積 を左 右 交 互 に変 化 させ る方 式 もあ る.こ の容 積 変 化 を直 接 的 で な く間 接 的 に 利 用 して 人 工 心 室 を ポ ン ピ ン グす る 方 式 が あ る.す な わ ち,容 積 室 の容 積 変 化 を 流体 を介 して 人 工 心 室 に伝 達 す る方 式 で あ る.伝 達 流 体 が 空 気 な どの圧 縮 性 流 体 で あ る場 合 に は,圧 力 の制 御 が 楽 で あ るが,圧 縮 性 の た め に 容 積 の 制 御 が 難 し い.ま た,容 積 室 と人 工 心 室 との 間 で容 積 変 化 に 時 間 的 ず れ も生 じる.他 方, 伝 達 流 体 が 水 な どの 非 圧 縮 性 流体 で あ る場 合 に は,容 積 の 制 御 が楽 で あ るが,圧 力 の 制 御 が 難 しい.無 理 な容 積 変 化 を伝 え よ う とす る と,圧 力 が 高 くな り過 ぎた

図6.4 

人 工 心 臓 の 駆 動 様 式.(a)往 源,真

復 方 式.(b)切

り替 え 方 式;コ

ンプ レ ッ サ ー に 接 続 し た 高 圧

空 ポ ン プ に 接 続 し た 低 圧 源 を 用 意 し,電 磁 弁 に よ っ て 人 工 心 室 に 供 給 す る 駆 動 圧 力

を切 り替 え る.(c)回

転方式

り低 くな り過 ぎ た りす る.圧 力 が 高 くな り過 ぎ る と,血 管 と チ ュ ー ブ との接 続 部 が 外 れ た り血 管 が 破 れ た りす る 危 険 が あ る.逆 に低 くな り過 ぎ る と,血 管 壁 を引 き込 ん だ り(6.7節 参 照)キ ャ ビ テー シ ョン(4.3節 参 照)が 生 じ た りす る 危 険 が あ る.容 積 室 と人 工 心 室 と を分 離 した 方 式 で は,駆 動 装 置 を体 外 に お い て,体

内の

人 工 心 室 とチ ュ ー ブ で 接 続 して,遠 隔 駆 動 す る こ と も可 能 で あ る.こ の 方 式 で, 伝 達 流 体 を 空 気(不 活 性 気 体 も利 用 され る)と した 空 気 圧 駆 動 方 式 の 進 歩 が,人

工

心 臓 の 臨 床 応 用 へ の発 展 に 大 き く寄 与 した.   以 上 の 機 械 的 な往 復 運 動 ・回転 運 動 を起 こす 方 法 と して は,電 気 的 なエ ネ ル ギー が 利 用 され る.6.3節

気 的 も し くは 磁

で 述 べ た よ うに,生 体 の 心 臓 に 代 わ っ て 長

期 間 に わ た って ポ ン ピ ン グ を続 け るた め に は,大 きな エ ネ ル ギ ー 源 が 必要 で あ る. この こ とが 体 内 埋 め 込 み 型 人工 心 臓 の 小 型 化 の 制 約 条 件 と な っ て い る.原 子 力 を 利 用 す る場 合 を除 く と,充 電 式 の バ ッ テ リー を体 外 か ら充 電 す る な どの 方 式 が 開 発 され て い る.拍 動 に 伴 う仕 事 率 の 変 動 を振 動 の 弾 性 エ ネ ル ギー で まか な う こ と

を は じめ,い ろ い ろ な工 夫 に よ って エ ネ ル ギ ー 効 率 を 高 くす る こ とが 要 求 され る. 人工 心 室 内 の構 造 の 血 液 適 合 性(第9章,第11章

参 照)や 変 形 を く り返 す 部 分(ダ

イヤ フ ラム ま た は サ ッ ク)の 耐 久 性 ・制 御 性 な ど も研 究 課 題 とな っ て い る.

6.7 人工心臓の接続法 と血管の力学的性質   人 工 心 臓 をin situで 用 い る場 合 に は,生 体 の 心 臓 を心 房 あ た りの位 置 で 切 除 して 人 工 心 臓 と心房 壁 とを縫 合 す る.そ れ 以 外 の場 合 に は,人 工 血 管 ま た は カ ニ ュ ー レ(チ ュ ー ブ)に よ っ て生 体 の 心 臓 ・血 管 と人工 心 臓 と を接 続 す る こ とに な る (図6.5).  血 管 は,硬

い チ ュー ブ とは 異 な り,内 圧 に よ っ て壁 が変 形 す る.力 が 加 わ っ た

図6.5  生 体 の 心 ・血管 系 と人工 心 臓 との接 続 法.心 房 か ら脱 血 し,動 脈 へ 送 血す る場 合 .矢 印 は血 流 方 向

とき に材 料 が 変 形 す る割 合 を コ ンプ ラ イ ア ン ス(変 形 性)と 呼 ぶ.コ

ンプ ラ イ ア ン

ス は弾 性 率(8.1節 参 照)の 逆 数 に な る.内 径0.5cm程

度 の 動 脈 と静 脈 とを 比べ る

と,動 脈 壁(厚 さ1㎜)よ

方 が壁 が 薄 く,コ ン プ ラ イ

りも静 脈 壁(厚 さ0.5mm)の

ア ン ス が 大 き い.静 脈 で は 内側 の圧 力 が 低 くな る と管 壁 が 内側 に 変 形 して 流路 が せ ば ま り,つ い に は 閉 塞 して し ま う.こ の こ と を虚 脱 と呼 ぶ(図6.6).こ 人 工 心 臓 に よ っ て 無理 に 血 管 か ら血 液 を吸 い 込 も う とす れ ば,掃

の ため,

除機 で ビ ニ ー ル

袋 を吸 い 込 ん だ と きの よ うに吸 え な くな って しま うの で あ る.血 管 と人 工 心 臓 と の接 続 に お い て は,こ う し た血 管 の 力 学 的 性 質 を考 慮 す る必 要 が あ る.た と えば,

図6.6  静 脈 血 管 虚脱

図6.7  心 房 壁 が脱 血 カニ ュー レの 入 口端 面 に吸 い 付 い た様 子.矢 印 は血 流 方 向

図6.8 

脱 血 カ ニ ュ ー レ 入 口 形 状.(a)側 で 球 形 カ ゴ を 設 け た.(d)円

面 に も 孔.(b)端

筒 形 カ ゴ.(e)円

面 を斜 め に カ ッ ト.(c)端

筒形 カ ゴに らせ ん をま きつ け た

面 に 線状 材

脱 血 「カ ニ ュ ー レ」(血 液 を 人 工 心 臓 へ と引 い て くる チ ュ ー ブ)の 吸 い 込 み 端 に 心 房 壁 が 吸 い付 い て も流 入 口が 確 保 され る よ うに側 面 孔 を設 け た り(図6.7,図6. 8),人 工 心 室 の拡 張 速 度 を制 御 す るな どの工 夫 が 考 え られ る17).血管 壁 と人 工 血 管 壁 との 力 学 的 特 性 を合 わせ て お か な い と,血 管 内圧 の変 動 に よ る変 形 量 が 異 な る ため に,接 続 部 の 流 路 壁 に段 が で きて 流 れ の 乱 れ を生 じ る.こ の 乱 れ が血 栓 形 成 や 血 球 破 壊 の 原 因 と な る可 能 性 が あ る(第8章,第9章,第11章

問6.1  安 静 時 の 心 臓 の 時 間 平 均 仕 事 率 を 計 算せ よ.

参 照) .

7  血

液

  血 液 を構 成 す る 要 素 に つ い て 基 礎 的 な事 項 を概 説 し,人 工 血 液 に つ い て 考 察 す る.

7.1血

液 の 成 分

  血 液 は 有 形 成 分 と それ 以外 とに 区分 され る.有 形 成分 に は,赤

血球,白

血 球,

血 小 板 が含 まれ る.赤 血 球 は,酸 素 運 搬 機 能 を担 う.そ の,詳 細 につ い て は 第10 章 で扱 う.白 血 球 は,核

な どの 細 胞 と して の 構 造 を備 え,異 物 を取 り込 む 役 割 や

免 疫 機 能 に お け る抗 体 産 生 な どの 役 割 を 担 って い る.血 小 板 は,血 栓 形 成 制 御 系 (第9章 参 照)に お い て 中心 的 な 役 割 を 担 って い る.核 な どの 細 胞 と し て の 構 造 を 備 え て い るわ け で は な い が,大 き さが1μm程

度 と分 子 よ りもず っ と大 き く,細 胞

と同 じ レベ ル で扱 わ れ る.血 小 板 は,球 状 の よ うな定 ま っ た 形 状 をつ ね に と る と い うわけ で は な い.   有 形 成 分 以外 の 区分 を血 漿 と呼 ぶ.血 漿 中 の 各 成 分 の 質 量 百 分 率 を表7.1に

表7.1  血 漿中 の 各成 分 の 百 分 率2）

示 す.

  タ ンパ ク質 は ア ミ ノ酸 の ペ プ チ ド結 合 か ら な る高 分 子 で あ り,分 子 量 や 荷 電 状 態*な ど で 分 類 され る.フ ィ ブ リノー ゲ ン,グ

ロブ リ

ン,ア ル ブ ミン な どが代 表 例 で あ る.血 漿 中 の タ ンパ ク質 の 濃 度 を総 タ ンパ ク 濃

＊  液体 中の分 子 が移 動 で きる よ うな場 に溶 液 を展 開 し,そ の場 に 電 界 を与 えて お く と,分 子 の 移 動 が起 こ る.こ の 移動 後 の 分 子 の偏 り(バン ド状 の縞 模 様)か ら溶 液 中 の分 子 を区分 す る方法 を 電気 泳動 法 と い う.分 子 の荷 電状 態 や 分 子 の大 き さに よ って,移 動 速度 が異 な る こ とを 利 用 して い る.

度 と呼ぶ.標 準 的 な 総 タ ン パ ク濃 度 は7g/dlで 似 す る と1dlの

血 漿 の 質 量 は100gで

あ る.血 漿 の 密 度 を1g/cm3に

あ り,g/dlと

い う単 位 を用 い る と質 量 百 分

率 ％ と同 じ数 値 に な る.血 漿 か ら線 維 素(フ ィ ブ リ ノー ゲ ン:9.2節 た 区分 を血 清 と呼 ぶ.血

近

参 照)を 除 い

液 に 抗 凝 血 剤 を添加 して か ら遠 心 分 離 した場 合 の 上 澄 み

液 は 血 漿 で あ る.血 液 に抗 凝 血 剤 を添 加 せ ず に遠 心 分 離 した 場 合 の上 澄 み 液 は 血 清 で あ る.   脂 質 は水 に 不 溶 で あ り,脂 肪 酸 か ら構 成 され る分 子 の 総 称 で あ る.血 液 中 の 脂 質 の 濃 度 は 変 動 す る.消 化 管 か ら吸 収 され,血 管 を経 て血 液 中 に 入 るた め で あ る. 血 液 中 の脂 質 濃 度 が低 い方 が成 分 の分 析 が 容 易 なの で,食 事 か ら十 分 に時 間 をお い て か ら採 血 して 血 液 検 査 を うけ る こ とに な る.   糖 質 は6個 以 内 の炭 素 原 子 が環 状 な どの 構 成 単 位 を 形 成 し,そ の 単 位 が 単 独 も し くは 重 合 した 分 子 の 総 称 で あ る.6個 炭 糖 と呼 び,ブ

ドウ糖,シ

ョ糖,デ

の 炭 素 原 子 が 単 位 に な っ て い る もの を六

ンプ ン な どが 相 当す る.5個

に な って い る 五 炭 糖 に は リボー ス な どが あ る.ブ

の炭 素 原 子 が 単 位

ドウ糖 は構 成 単 位 が 単 独 で分 子

とな って お り,単 糖 類 と呼 ば れ る.デ ン プ ン,リ ボ ー ス な どは 構 成 単位 が 多数 重 合 して分 子 とな って お り,多 糖 類 と呼 ば れ る.   無 機 塩 類 と して は,Na+,

K+,

Ca2+, Mg2+,

れ て い る.質 量 と し て は 少 な い が,モ

Cl-, HCO3-な

どが血液中に含 ま

ル数(粒 子 数)が 多 い の で 血 液 の 浸透 圧(7.5

節 参 照)に 対 す る影 響 力 が 大 きい.Ca2+は

血 液 凝 固 に お い て も重 要 な 役 割 を も っ

て い る(9.2節 参 照).   そ の他,尿

素 ・ク レ ア チ ニ ン ・尿 酸 な ど の老 廃 物 は,腎 臓 を通 過 す る 前 後 で血

液 中の 濃度 が 変 化 す る.   以 上 は,血 管 の 中 の 液 体 の話 で あ る.体 液 の 中 に は,血 管 の外 や 細 胞 の 中 の 液 体 もあ る.血 管 壁 に は,孔

が 空 い て い て 血 管 の 内 と外 とが 通 じ て い る(5.4節 参

照).し か し,水 以 外 は 自由 に 通 過 で きな い か,あ るい は そ の 通 過 方 向 が 制 限 され て い る.こ の ため,血

管 の 内 と外 とで は 液 体 の 組 成 が 異 な る.特 に,タ

な どの 高 分 子 の 組 成 が 異 な る.表7.1の る.

ンパ ク質

百分 率 は,血 管 の 内側 に つ い て の 値 で あ

7.2 

血 液 の 分 布

  表7.2に,安

静 時 の 標 準 的 な血 液 の分 布 を示 す.運 動 時 に は,筋

組織 中の血管

内 に 多 くの 血 液 が 集 ま る.静 脈 管 は変 形 性 に 富 ん でお り,血 管 が 拡 張 す れ ば,多 量 の血 液 を貯 留 で き る.肺(図7.1),肝

臓,脾 臓 な どの 臓 器 に お い て は毛 細 血 管 が

集 合 して い るの で,包 含 す る血 液 量 が 多 い.

図7.1 

臓 器(ヤ

ギ).(a)右

肺.(b)肝

臓.ス

ケ ー ル の 数 字 はcm.

表7.2  血 液 の分 布

  この分 布 は 時 々刻 々 変 化 す る.生 体 に は 血 液 量 分 布 の制 御 機 能 が あ る.血 管 の 変 形 性,神

経 系 や 種 々 の 物 質 の 分 泌 に よ る血 管 収 縮 ・拡 張,心

臓 か らの 血 液 駆 出

量 の調 節 な どで あ る.血 液 量 分 布 は,血 管 拡 張 剤 な ど の薬 剤 に 反 応 した場 合 に も 変 化 す る.

7.3  血 液 の 物 理 的 性 質   血 液 の 温 度 は皮 膚 の 温 度 よ り も高 く,37∼38℃ 測 定 す るに は,カ

で あ る.血 管 内の 血 液 の 温 度 を

テ ー テ ル と称 す る 細 い チ ュー ブ の 先 端 に サ ー ミス ター や 熱 電 対

の 感 温 部 を埋 め 込 み,そ の チ ュー ブ を末 梢 の 血 管 か ら血 管 内 の 目的 位 置 へ 挿 入 す る方 法 が あ る.   一 般 に,液 体 の密 度 は 温 度 と と もに 変 化 す る が,血 液 の密 度 は,38℃ 1.06g/cm3で

あ る.血 液 のpH(水

素 イ オ ン指 数)は7.44∼7.36で

にお いて

あ る. pHは

水

素 イ オ ン の モ ル濃 度 の常 用 対 数 に 負 号 をつ け た も の で あ る.

pH=-log10[H+

]  (7.1)

  水 素 イ オ ン 濃 度 が 大 き くな る と,pHは

小 さ く な る.水 素 イ オ ン 濃 度 と水 酸 イ オ

ン 濃 度 との 積 を水 の イ オ ン 積 と 呼び,温

度 が 変 化 し な け れ ば 一 定 で あ る.水

オ ン 積 は25℃

に お い て10-14Eq/lで

酸 イ オ ン 濃 度 も10-7Eq/lと   タ ン パ ク分 子 は,血 て い る.pHが

変 化 す る と,タ

た が っ て,pHは

液 中 のpHが 制 御 は,以

性 と な る.こ

の と き,pH=7で

漿 中 で は 糸 ま り状 に な っ て お り,外

立 体 構 造 が 変 化 す る と,所 る.し

な り,中

あ り,水 素 イ オ ン 濃 度 が10-7Eq/lの

のイ と き水

あ る.

側 に陰 イ オ ンの 枝 が 出

ン パ ク 分 子 の 立 体 構 造 が 変 化 す る.タ

ン パ ク分 子 の

望 の反応に必要 な結合部位 が表に 出ていない状態 に な

所 定 の 範 囲(7.44∼7.36)に

制 御 さ れ て い る 必 要 が あ る.血

生 理 的 範 囲 を 逸 脱 し て し ま う と,生 体 は シ ョ ッ ク 状 態 に 陥 る.pHの 下 の 化 学 平 衡 を 通 じ て 行 わ れ て い る.

(7.2)

  代 謝 に よ り発 生 し た水 素 イ オ ンが その ま ま血 漿 中 に 留 ま る と,血 漿 のpHが

酸

性 に 傾 い て しま う.こ の 状 態 を ア シ ドー シ ス(酸 性 血 症)と 呼 ぶ.こ

素

の場 合,水

イオ ン を 腎か ら排 出 す る こ とに よ っ て,pHが

調 節 され る.ま た は,血 漿 中の 炭 酸

水 素 イ オ ン と反 応 す る こ とに よ っ て発 生 した 二 酸 化 炭 素 が,肺 とに よ って,pHが

か ら呼 出 され る こ

調 節 され る.肺 機 能 が 低 下 して 二 酸化 炭 素 の 呼 出 が滞 る と,水

素 イ オ ン の 増 加 に 対 す る調 節 が で きず,肺 性(呼 吸 性)ア シ ドー シ ス とな る.腎 か らの 排 泄 が う ま くい か な い と,や は り水 素 イ オ ンの 増 加 に 対 す る調 節 が で きず, 腎 性 ア シ ドー シ ス とな る.逆 に,血 漿 のpHが ー シ ス(ア ル カ リ性 血 症)と 呼 ぶ

ア ル カ リ性 に傾 い た状 態 を アルカ ロ

.腎 で処 理 で き な い ほ ど に ア ル カ リが 与 え られ た

と きに 生 じる の が 腎性 ア ル カ ロー シ ス で あ る.過 呼 吸 に よ っ て,二 酸 化 炭 素 が 過 剰 に呼 出 され る と,肺 性(呼 吸 性)ア ル カ ロー シ ス とな る.例 え ば,人 工 呼 吸 器 を 用 い た際 に過 呼 吸 と な る こ とが あ る.上 記 の化 学 平 衡 か らわ か る よ うに,炭 酸 水 素 イ オ ン は,水 素 イ オ ン 濃度 の 調 節 に 際 して緩 衝 作 用 を 担 っ て い る.   赤 血 球 が 全 血 液 の 中 で 占め る体 積 割 合 の 百分 率 をヘ マ トク リッ 卜と呼 ぶ.ヘ トク リッ トは 通 常45%ほ

マ

どで あ るが,個 体 差 が あ る.ま た,男 性 の平 均 値 よ り も

女 性 の 平 均 値 の 方 が 低 い.ヘ マ トク リッ トは,血 液 を重 力 加 速 度 の2260倍

で10分

間遠 心 し,沈 降 した 部 分 と上 澄 み 液 との 境 界 か ら算 出 され る.遠 心 力 に よ る加 速 度 は,回 転 半 径 に 比例 し,回 転 角 速 度 の2乗 に 比 例 す る(問7 .1参 照).

遠 心 力 に よ る加 速 度=回 転 半 径 ×回転 角 速 度2

 (7.3)

  遠 心 分 離 に よ っ て沈 降 す る有 形 成 分 の大 部分 が 赤 血 球 で あ る.赤 血 球 は 変 形 性 に 富 む の で,沈 降 部 分 の98%が

赤 血球 で あ り,す き間 は2%程

度 しか な い18).変

形 しな い球 を,面 心 立 方 格 子 また は 六 方 稠 密 格 子 に した が っ て稠 密 に積 み 重 ね た 場 合 に は25%以 トが45%と

上 の す き間 が 残 る こ と との 違 い に 注 目 して ほ し い.ヘ マ トク リッ

い う状 況 は,血 液 の 中が 赤 血 球 だ らけ で あ る こ と を示 して い る.

7.4  タ ン パ ク 分 子 の 形 状  フ ィ ブ リ ノ ー ゲ ン(線 維 素 原)は70nm×5nmの

楕 円 体 で あ り,フ ィ ブ リ ン に な

る と分 子 同 士 の間 で つ な が っ て い く(第9章 の 球 体 で あ る19）.以 上 の 形 はpH=7.4の

参 照).β-リ

の 周 囲 環 境 が 変 化 す る と,タ

下 で の 標 準 的 な 形 状 で あ る. pHそ

ン パ ク 分 子 の 形 状 は 変 化 す る.タ

部 分 を 外 に 向 け て い る か に よ っ て,他 pHな

ポ タ ン パ ク は 直 径20nm の他

ン パ ク分 子 が ど の

の 分 子 と の 反 応 が 決 定 さ れ る.し

ど が 変 化 す る と タ ン パ ク質 の 活 性 が 変 化 す る こ と に な る(2.4節

た が っ て, 参 照).こ

れ

ら の 血 漿 高 分 子 は 無 機 塩 類 イ オ ン な ど に 比 べ れ ば 格 段 に 大 き い が,1μm(=1000 nm)程

度 の 大 き さ を も つ 血 小 板 と は 寸 法 レ ベ ル が 異 な る こ と が わ か る.

7.5 浸   透   圧   あ る溶 液 が,溶

質 を通 さず 溶 媒 の み を通 す よ うな 膜 で仕 切 られ て い る とす る.

こ の よ う な膜 を 半透 膜 と呼 ぶ.こ

の 膜 の 両 側 で 溶質 密 度 が 異 な る と き,溶 質 密 度

が 等 し くな る ま で,溶 媒 が 膜 を通 して移 動 す る こ とに な る(図7.2).こ

の溶媒 の移

動 能 力 を圧 力 で表 示 した もの を浸 透 圧 と呼 ぶ.

図7.2  浸 透 圧.半 透 膜 を通 して溶 媒 が移 動(a)す れ ば,両 側 の粒 子 濃度 が 等 し くな る(b)

  血 漿 の 浸 透 圧 は7.7気

圧 で あ る(問7.2参

照).こ

れ は理 想気 体 の 方程 式 か ら

導 か れ る以 下 の 式 に よ っ て 算 出 さ れ る.

浸 透 圧=(モ

ル/体 積)× 気 体 定 数 ×温 度

 (7.4)

  式(7.4)に 示 す よ うに,浸 透 圧 は粒 子 の モ ル 濃 度 お よび 温 度 に 比例 す る.血 漿 に お い て は,Na+,Cl-な

どの 陽 イ オ ンお よ び 陰 イ オ ン が お の お の0 .151mol/lで

あ

り,両 者 の 和 が 浸透 圧 に寄 与 して い る2）.血管 内 外 の 浸 透 圧 お よ び圧 力 の 差 に よ り,血 管 壁 を通 じて の 水 分 の 出 入 りが 制 御 され て い る.溶 液 の 浸透 圧 を比 較 す る 際 に は,浸 透 圧 の低 い 方 を低 張 液,高

い 方 を高 張 液 と呼 ぶ .

  特 に 血 漿 に は 特 有 の タ ンパ ク分 子 な ど の 高分 子 が 含 まれ て お り,こ の 高 分 子 に よ る浸 透 圧 を膠 質 浸 透 圧 と呼 ぶ.高 分 子 は粒 子(分 子)数 と して は無 機 イ オ ン よ り ず っと少 ない が,水 を吸 い付 ける性 質 が あり水 の 出 入 りの 制 御 に果 たす 役 割 は大 きい .   人工 心 臓 な ど を生 体 の 血 液 循 環 系 に 接 続 す る場 合 に お い て,生 理 食 塩 水 な ど を 循 環 補 充 液 と して使 用 して い る と,血 管 周 囲 組 織 へ 水 分 が 過 剰 に 染 み 出す こ とが あ る.こ の 状 態 を浮 腫 と呼ぶ.血

管 内 の 高 分 子 の 濃度 が 薄 くな っ て 膠 質 浸 透 圧 が

低 下 し,水 が 血 管 内 か ら外 へ 出 て し ま っ た ま ま に な り,血 管 内 に水 分 を 回収 で き な くな る た め に 生 じ る.

7.6  人   工   血   液   血 液 の 代 わ り とな る合 成 液 体 の こ と を人 工 血 液 と呼 ぶ.7.1節

で述 べ た よ うに,

血 液 は 有 形 成 分 と血 漿 か ら な り,人 工 血 漿 も,広 義 の 人工 血 液 に含 まれ る.人 工 血 漿 と して は,生 理 食 塩 水,リ 蒸 留水 を加 え て1000mlと K+やCa2+な

ンゲ ル 液 な どが あ る.生 理 食塩 水 は,NaCl9gに

した もの で あ る.リ

ンゲ ル 液 で は,Na+やCl-以

どが 含 まれ て い る.

  循 環 血 液 量 の 直接 的補 給 が行 わ れ る よ うに な る 以 前 に は,エ 液 浴 や,ロ

外に

ジプ トに お け る血

ー マ 時 代 に お け る剣 闘 の 犠 牲 者 の新 鮮 血 を 口か ら飲 む こ と な どが行 わ

れ た と さ れ る.

  初 期 の 輸 血 に お い て は,ひ つ じか ら ヒ トへ の 輸 血(異 種 輸 血)が17世 た.20世

紀 に行 わ れ

紀 初 頭 に 行 わ れ た ヒ トか ら ヒ トへ の 同種 輸 血 に お い て は,血 液 型 の 知 識

が不 十 分 で あ っ た ため に 失 敗 して い る.   そ の 後ABO式,NM式,Rh式

な どの 血 液 型 が 知 られ る よ うに な り,輸 血 の 際

の 血 液 型 不 適 合 に よ る赤 血 球 の 凝 集 な ど を 防 げ る よ う に な っ た.   また,ク エ ン 酸 ナ ト リウム,ヘ パ リン,EDTA(9.2節

参 照)な どの 利 用 に よ っ て,

血 液 を凝 血 させ る こ とな く保 存 で き る よ うに な っ た.こ れ らの 抗 凝 血 剤 が 利 用 さ れ る よ うに な っ て か ら は,採 取 した 血 液 中 の赤 血球 が,凝

血 塊 の 中 に 閉 じ込 め ら

れ る こ とな く利 用 され る よ うに な った.   赤 血 球 の よ うな 酸 素 運 搬 機 能 を代 行 す る方 法 と して は,物 理 化 学 的 方 法 ・生化 学 的 方 法 ・合 成 化 学 的 方 法 が あ る.   物 理 化 学 的 方 法 と し て は,フ

ッ素 を利 用 した フ ル オ ロ カー ボ ンが あ る.気 体 の

分 圧 に 比例 し た体 積 の 気 体 を液 体 中 に 溶解 させ る とい う限 りに お い て は,フ

ルオ

ロ カー ボ ンで は,血 漿 よ りも 多 くの 酸 素 を溶解 させ る こ とが で き る.し か し,溶 解 能 力 だ け で な く,組 織 との 間 で酸 素 の 受 け 渡 しが 円 滑 に で き な け れ ば な ら な い. ま た,酸 素 の 担 い 手 が,血 管 中 に 長 期 に わ た っ て留 ま らな け れ ば な らな い し,生 体 に とっ て 無 害 で な け れ ば な ら ない な どの課 題 が 残 さ れ て い る.   生 化 学 的 方 法 で は,ヘ モ グ ロ ビ ンが 利 用 さ れ る.ヘ モ グ ロ ビ ン分 子 の 単 体 で は, 長期 間 血 液 循 環 系 に 留 ま る こ とが で きな い.塞 栓 と して ひ とつ と こ ろ に 留 ま っ た り,腎 か ら排 出 さ れ た り,網 内 系 に 取 り込 まれ た りす る.ま た,ヘ タ ンパ ク質 で あ り,抗 原 抗 体 反 応 の 対 象 とな るの で,非

モ グロビンは

自 己の ヘ モ グ ロ ビ ン を そ

の ま ま利 用 す る こ とは で き な い.し た が っ て,免 疫 処 理 し たヘ モ グ ロ ビ ンの 集 合 体 が研 究 さ れ て い る.   合 成 化 学 的 方 法 に お い て は,合 成分 子 や マ イ ク ロ カ プ セ ル が 研 究 さ れ て い る. この 方 法 は,本 来 の 人工 赤 血 球 の イ メー ジに 近 い.Feイ

オ ン 以 外 を用 い れ ば,赤

色 以 外 の 血 液 を作 れ る こ とに な る.   他 方,採 取 した 血 液 を長 期 間 保 存 す る方 法 が 開 発 され て い る.従 来 は4℃ に お い て も3週 間 が 保 存 期 間 の 限 界 とさ れ て きた.そ

の後,ク

エ ン酸 ナ ト リウ ム な ど を

含 め て保 存 液 の 検 討 が進 ん で い る.長 期 に保 存 で きれ ば,自 己 の 血 液 を預 け て お くこ とが で き る.さ

らに は,冷 凍 保 存 が で きれ ば,血 液 銀 行 とい う考 え 方 が 実 現

す る.冷 凍 保 存 に お い て は,血 液 の 凍 結 ・解 凍 の 技 術 が 必 要 で あ る.こ 氷 の 密 度 が 水 よ りも小 さ い こ と(11.3節 参 照),潜 熱 の 発 生,な

こ で は,

どが 研 究 課 題 とな

っ て い る.

問7.1  血 液 を 重 力 加 速 度 の2260倍 cmの

で 遠 心 した い.回 転 軸 か らの 半 径 が22

場 合 に は 回 転 速 度 をい くつ に 設 定 す れ ば よい か .

問7.2 

血 漿 の 浸 透 圧 を 計 算 せ よ.た だ し,血 漿 中 の 陽 イ オ ン と 陰 イ オ ン の モ

ル 濃 度 を 各 々0 .151mol/l,気 とす る.

体 定 数 を0.082気

圧lK-1mol-1,温

度 を38℃

8  流 れ の 抵 抗

  流 体 の 粘 性 な ど,流 れ の 力 学 の 基 礎 的 な 事 項 を 紹 介 し, 血 液 の流 れ の 抵 抗 に つ い て 考 察 す る.

8.1  流体 の力学的特性   液体 や 気 体 を総 称 して,流 体 と呼 ぶ.流 体 の 力 学 的 特 徴 は 流 動 に あ る.水 は 方 円 の 器 に 随 う.す な わ ち,固 体 とは 違 っ て,流 体 に は変 形 に対 す る抵 抗 が生 じ な い*.流 体 で は 変 形(流 動)し 続 け る と きの,変 形 速 度 に 対 す る抵 抗 が 生 じ る.   形状 を復 元 す る 力 が 生 じる物 体 を弾 性 体 と呼 ぶ.弾 性 体 の 力 学 的 特 性 で あ る弾 性 を量 的 に表 す の が 弾 性 率 で あ る.弾 性 率 は応 力 とひず み と の 比 で あ る.

弾 性 率=応

力/ひ ず み

 (8..1)

  弾 性 率 をヤ ン グ率 と呼ぶ こ と もあ る.弾 性 率 の 逆 数 を コ ン プ ラ イ ア ンス と呼 び, 変 形 しや す さ を 表 わ す.応

力 と ひ ず み とが 比 例 す る(フ ッ クの 法 則)よ うな弾 性 体

図8.1 

フ ッ ク 弾 性 体 とニ ュ ー トン 流 体

＊   実際 の 物体 に お い ては,変 形 と変 形速 度 の 両 方 に対 して抵 抗 が あ る と考 えた 方 が よい.す な わ ち 弾性 と粘性 が合 わ さ った性 質 を考 え,粘 弾性(10.6節 参 照)と 呼ぶ.

を フ ッ ク 弾性 体 と呼 ぶ(図8.1).応 はN/m2で

力 は 単 位 断面 積 あ た りの 力 で,単 位 はPaま

た

あ る.す な わ ち,応 力 は圧 力 と同 じ次 元*を も って い る.ひ ず み は,も

との 長 さ に対 す る の び の 割 合 で 無 次 元 数 〔m/m〕 で あ る.し た が っ て,弾 性 率 の 次 元 は 応 力 の次 元 と同 じで あ る.   流体 の 力 学 的 特 性 で あ る粘 性 を 量 的 に 表 す の が粘 性 係 数 で あ る.粘 性 係 数 は 応 力 とひ ず み 速 度 との 比 で あ り,流 体 の 流 動 しに くさ を表 す.

粘 性 係 数=応

力/ひ ず み 速 度

 (8.2)

  粘 性 係 数 を粘 性 率 ま た は粘 度 と呼 ぶ こ と もあ る.ひ ず み速 度 は,単 位 時 間 あ た りの ひず み の変 化 で単 位 はs-1で あ る.ゆ え に粘 性 係 数 の単 位 はPasと 力 とひ ず み 速 度 が 比 例 す る流 体,す 流体 をニ ュ ー トン流 体(図8.1)と

8.2  せ ん

断 速

な る.応

な わ ち粘 性 係 数 が ひ ず み 速 度 に よ らず 一 定 の

呼ぶ.

度

  流体 内 に,流 れ の 向 き と平 行 な面 を仮 想 す る.こ の 面 と平 行 な 面 との間 で 速 度

図8.2  せ ん 断速 度 とせ ん断 応 力.(a)→(b)→(c)の 順 に,ず れ が進行 して ゆ くよ うす を示 した. ず れ て ゆ く速度 に応 じて,ず れ を 阻止 す るカ が働 く.ず れが 生 じて い る面 の 単位 面積 当 た りの カ をせ ん 断応 力 と呼 ぶ ＊  物理 量は 長 さ,質 量,時 間,電 流 とい った 基本 量 の次 数 の積 で表 され る.こ れ を次 元 と呼ぶ. た とえ ば,面 積 は長 さ の2乗.力 は 時 間 の-2乗 と質 量 と長 さ との積 で表 され る.次 元 が消 去 さ れ た量 を無 次 元数 とい う.た とえば 長 さ を長 さで 除 した よ うな 量.

差 に よ っ て 生 じ るず れ を考 え る.こ の ず れ の 大 き さ を次 式 で 表 し,せ ん 断 速 度 と 呼 ぶ.

せ ん 断 速 度=面

間 の 相 対 速 度/面 間 の 距 離

 (8.3)

  こ の せ ん 断 速 度 は,流 体 内 に仮 想 し た 直 方体 が 平 行 六 面 体 に変 形 して ゆ く速 度 を表 して お り,式(8.2)の   図8.2の

ひ ず み 速 度 に 対 応 す る.

よ う な,せ ん 断速 度 が 流体 内の 位 置 に よ らず一 定 の 流 れ を,ク エ ッ ト

流 と呼 ぶ.2面

間 の速 度 差 が 大 き くな る か,2面間

い く速 度 が 大 き くな る.一 般 に は,流

の 距 離 が 狭 め られ る と,ず れ て

速 分 布 関数(図8.6参

れ ば せ ん 断 速 度 が求 め られ る.速 度m/sを

距 離mで

照)の 接 線 の傾 き を と

除 す の でせ ん 断 速 度 の 単 位

は ひ ず み 速 度 と同 じs-1と な る.流 体 内 の 面 間 で ず れ を生 じさせ る の に 必 要 な 単 位 面 積 あ た りの 力 をせ ん 断 応 力(図8.1参 用 い る と,式(8.2)は

図8.3 

ん 断 応 力/せ ん 断 速 度

度 に よ っ て 変 化 す る(図8.3).液

る と小 さ く な る.た

ん 断 応 力 とせ ん 断速 度 を

式(8.4)に 書 き換 え られ る.

粘 性 係 数=せ

  粘 性 係 数 は,温

照)と 呼ぶ.せ

と え ば,油

温 度 と 粘 性 係 数.上

は,温

 (8.4)

体 の 粘 性 係 数 は,温

度 が 高 くな

度 が 高 く な る とサ ラ サ ラ に な る.他

段 ：液 体.下

段 ：気 体.左

：低 温.右

：高 温

方,気

図8.4 

せ ん 断 速 度 と粘 性 係 数.血 て6×10-3Pas.水

体 の場 合 は,温

液 の 粘 性 係 数 は ヘ マ ト ク リ ット43%,37℃,100s-1に

の 粘 性 係 数 は20℃

おい

で1×10-3Pas

度 が 高 くな る と,粘 性 係 数 が大 き くな る.気 体 で は,も

と も と分

子密 度 が 小 さ く,液 体 よ り も粘 性 係 数 が ず っ と小 さ い.気 体 の 温 度 が 上 昇 す る と, 分 子 同士 の 衝 突や 相 互 作 用 の影 響 が 大 き くな り,粘 性 係 数 が 大 き くな る.   粘 性 係 数 が せ ん 断 速 度 に よ って 変 化 す る 流体 を非 ニ ュ ー トン流 体 と呼 ぶ(図8. 1参照).高

分 子 溶 液 で は,せ ん 断 速 度 が 変 化 す る と高 分 子 の3次

元 形 状 や 向 きが

変 化 す るの で,粘 性 係 数 が変 化 す る.血 液 全 体 の 見 か け の粘 性 係 数 は,せ 度 が 低 下 す る と上 昇 す る(図8.4).こ

ん断速

の 血 液 の 非 ニ ュ ー トン性 は,低 せ ん 断 域 に お

い て,赤 血球 同士 が 連 銭*な どの結 合 を形 成 す る こ と に よ る影 響 が 大 きい.ま た, 血 液 で は,ヘ マ トク リッ トが大 き くな っ た り,温 度 が 低 くな る と,粘 性 係 数 は大 き くな る.

8.3管

内 の 流 れ

 電 気 回 路 に お い て 電 位 差 を 電 流 で 除 し た商 を電 気 抵 抗 と定 義 す る の と対 応 させ

＊  両 凹 円 盤形 の赤 血球 が,コ イン を何枚 も重 ね た よ うに,何 個 も積 み 重 な っ て で きた集 合体 を 連 銭 と呼ぶ.低 せ ん 断 流 れ場 にお い て形 成 され や す い.ス ラ イ ドガ ラス 上 の ヒ ト血 液 中 に おい て 形 成 され た連 銭 が,顕 微 鏡 下 に観 察 され て い る.

て,上 流 と下 流 との 圧 力 差 を流 量 で除 した 商 を流 れ の 抵 抗 と定 義 す る. 電 気 抵 抗=電

位 差/電 流

流 れ の 抵 抗=上

 (8.5)

流 と下 流 との 圧 力 差/流 量 

(8.6)

  流 量 は 単位 時 間 あ た りに 流 れ る流 体 の 体 積 で あ り,単 位 はm3/sで の 単 位 はPaで m-4kgs-1と

あ るか ら,流 れ の 抵 抗 の 単 位 はPasm-3ま

あ る.圧 力 差

た はNsm-5ま

たは

な る.

  管 内 を流 体 が 流 れ る と きの 抵 抗 が ゼ ロの と きに は,管 に 沿 っ て の 圧 力 降 下 が な い.こ の 場 合 に は,圧 力 差 が な くて も流体 が 流 れ る.こ れ は,電

気 回路 に お い て

電 気 抵 抗 が ゼ ロ の場 合 に,電 圧 降 下 が な い こ と と対 応 して い る.流 速 が 一 定 の と き に は,上 流 と下 流 との 圧 力 差 に よ る力 と抵 抗 力 とが つ り合 っ て い る(図8 .5).力 が つ り合 っ て い な い と きに は 加 速 度 が 生 じ,流 速 が 変化 す る こ とに な る(6 .2節 お よび12.2節

参 照).こ

の抵 抗 力 の 原 因 は 流 体 の 内部 摩 擦 で あ る.こ

の内部摩擦 の

分 布 は 流 路 断 面 内 で の 流 速 分 布 に よ っ て 変 化 す る.

図8.5 

流 体 に働 く 力 の つ り合 い

(a)プ ラ グ流

図8.6 

  (b)ポ ア ズ イ ユ 流

円管 内 の 流速 分 布

  流 体 が 運 動 す るの に 対 して管 壁 は 静 止 して い る.流 路 断 面 内 の 流 速 が 均 一 の 場 合 に は,ず れ は壁 面 に 限 定 さ れ る.断 面 内 で の 流 速 が 等 しい流 れ を プ ラ グ流 と呼 ぶ(図8.6(a)).こ   一 方,断

の と きの 抵 抗 は壁 面 で の摩 擦 に よ っ て い る.

面 内 で壁 面 付 近 が 遅 く中 心 軸 付 近 が 速 い よ うな 流 速 分 布 に な る方 が 一

般 的 で あ る.こ の 流 速 分 布 に よ っ て ず れ が 壁 面 に 集 中せ ず,流 体 内 に分 散 され る. す な わ ち壁 面 摩 擦 が 流 体 内 部 摩 擦 と して 分 散 され る こ とに な る.ま っす ぐな 円 管 流 路 断 面 内 に 軸 対 象 の 流 速 分 布 を考 え る と,ニ ュ ー トン 流体 に お い て は,流 速 分 布 の 包 絡 面 は ピ ス トル 玉 型(断 面 が 放 物 線)に な る(図8.6(b)).こ れ をポ ア ズ イ ユ 流 と呼 ぶ.流

速 を 流路 断 面 に お い て 積 分 す る と流 量 に な る.

円 周 率 ×管 内 半 径4× 上 流 と下 流 との 圧 力差 /8× 管 の 長 さ ×粘 性 係 数

流 量=

  式(8.7)を

 (8.7)

変 形 し て,

上流 と下 流 との 圧 力 差

/流量＝   式(8.8)で

の流速分布 の 流

8× 管 の 長 さ ×粘 性 係 数 /円 周 率 ×管 内 半 径4

 (8.8)

左 辺 は 流 れ の 抵 抗 を 表 し て い る.流 れ の 抵 抗 が 半 径 の4乗

に反比例 し

て い る こ と に 注 目 し て ほ しい.管 の 内 半 径 が 半 分 に な る と抵 抗 が16倍

に な るの で

あ る.流

れ の 抵 抗 が 半 径 の4乗

に 反 比 例 す る と い う式 は,血

管 内の 血 流 の 研 究 か

ら 実 験 式 と し て 導 か れ た.し か し,ま っ す ぐな 円 管 内 の 層 流(8.5節 ば,式(8.7)は

成 立 し な い.血

管 は ま っ す ぐな 円 管 で は な く,一 般 に は,血

流 で は な い の で 注 意 を 要 す る.ポ 心 軸 に お い て ゼ ロ,壁

参 照)で な け れ 流は層

ア ズ イ ユ 流 に お け る せ ん 断 速 度 の 大 き さ は,中

面 に お い て 最 大 と な る.こ

の 壁 面 せ ん 断 速 度 は,式(8.9)で

与 え ら れ る.

壁 面 せ ん 断 速 度=

 す な わ ち,流 量 が 増 加 す るか,管

4× 流 量

/円 周 率 ×管 内半 径3

 (8.9)

が 細 くな る と,壁 面 での せ ん 断 速 度 が 大 き く

な る.ヒ

ト血 管 壁 での せ ん 断 速 度 の値 を表8.1に

あ げ る.こ れ ら の値 は,流

量と

血管 内径 の 計 測値 か ら 式(8.9)を 用 い て 算 出 し た.動 脈 で は拍 動 流 な の で 瞬 時 流 量 は心 臓 の 拍 動 と と もに 変 動 し,最 低 値 はゼ ロ で あ り,値 に幅 が あ る.血 管 壁 で の せ ん 断 速 度 は0∼800s-1と きに1m離

算 出 され る.超 特 急列 車 が 時 速360 kmで

れ て 静 止 して い る 人 との 間 の 速 度 差 を 距 離1mで

通過 す る と

除 した値 が100s-1

で あ る こ とか ら,こ の せ ん 断 速 度 の大 き さ を想 像 で き るで あ ろ う.表8.1の

血流

速 度 は,流 量 を 流路 断 面 積 で 除 した商 で あ り,流 路 断 面 内 に お け る平 均 速 度 で あ る. 表8.1 

ヒ ト血 管 内 の 血 流20）.レ イ ノ ル ズ 数 は,式(8.12)に に お い て は 脈 流 の た め,値

よ っ て 算 出.動 脈

に 変動 幅 が あ る

8.4 粘性係数の計測   流体 の 粘 性 係 数(粘 度)を 計 測 す るに は,せ ん 断 速 度 が わ か って い る流 動 を 流体 に 与 え て 流 動 抵 抗 を測 定 す れ ば よ い.流 れ が 層 流(8.5節 参 照)で な い と,せ ん 断 速 度 を算 出 す る こ とが む ず か し い.以 下 に,毛 細 管 型 粘 度 計 と円錐 ・平 板 型 粘 度 計 を例 示 す る.   [1]  毛 細 管 型 粘 度 計   十分 に 長 い毛 細 管 の 両 端 に圧 力 差 を与 え た ときに 流 れ る流 体 の 流 量 を測 定 し, ポア ズ イユ 流 の 式 か ら粘 性 係 数 を算 出す る.式(8.7)を

粘性係 数=

変 形 す る と,

円 周 率 × 管 内 半 径4× 上 流 と下 流 との圧 力 差/ 8× 管 の長 さ ×流 量

 (8.10)

  す な わ ち,円 周 率,管

内半 径,管

の 長 さ,上 流 と下 流 との 圧 力 差,流

粘 性 係 数 を算 出 で き る.こ の 方 法 で は,層 流 を実 現 させ や す い が,流

速 分 布 がポ

ア ズ イユ 流 型 とな り,中 心 で ゼ ロ,壁 面 で 最 大 の せ ん 断 速 度 とな る.す 流 路 断 面 内 でせ ん 断 速 度 の 分 布 が あ り,一 様 せ ん 断 で は な い の で,非

量 か ら,

な わ ち,

ニ ュー トン

流体 に 向 い て い な い.非 ニ ュー トン流 体 の場 合 に は,流 速分 布 がポ ア ズ イユ 流 型 か らず れ て しま う.   [2]  円 錐 ・平 板 型 粘 度 計   回 転 円 錐 と静 止 平 板 との 間 で 流体 に クエ ッ ト流 型 の 流 動 を 与 え,円 錐 を回 転 さ せ 続 け るの に必 要 な トル ク を測 定 す る.た

とえ ば,回 転 円錐 を鋼 線 で つ る し,鋼

線 の ね じれ 角 か ら トル ク を測 定 す る(図8.7).試 られ るの で,非

料 流 体 全 体 に一 様 せ ん 断 を加 え

ニ ュ ー トン流体 の場 合 に 適 して い る.

図8.7 

円錐 ・平板 型粘 度計

  円錐 面 上 の 速 度υ(回 転 角 速 度 と回 転 半 径 との積)は,回 して,大

き くな る.円 錐 面 と平 板 面 との 距 離yも,回

大 き くな る.し た が って,両 者 の 比υ/yは,回

転軸 か らの距離 に比例

転 軸 か らの 距 離 に 比 例 して

転 軸 か らの 距 離 に 関 係 な く一 定 と

な る.こ の 両 者 の 比υ/yが せ ん 断 速 度 に ほ か な ら な い(図8.8).

図8.8  回 転 円錐 ・静 止 平板 間 での 流動.(a)の

よ う な回転 円錐 ・静 止平 板 間 の 血液 に お い ては

(b)の よ う な 流 動 が 生 じ る

8.5 

レ イ ノ ル ズ 数

  流 体 は,粘 性 力 よ り も慣 性 力 が 支 配 的 に な る と,層 間 で〓 離 した り,混

じ り合

っ た りす る よ うに な る.す な わ ち,慣 性 力 と粘 性 力 との 比 は 流 れ の よ うす を区分 す る手 が か り とな る.式(8.11)で 定 義 され る無 次 元 数(8.1節 脚 注,問8.3参

照)を

レイ ノル ズ 数 と呼 ぶ.

レ イ ノ ル ズ 数=

密 度 ×代 表 長 さ ×代 表 速 度   (8.11)

/粘 性係数

  レ イ ノ ル ズ 数 は,相 似 な モ デ ル を用 い て 流 れ を解 析 す る場 合 に利 用 され る.こ の 方 法 は,レ

イ ノ ル ズ数 が 等 しい状 況 に お い て は,流 体 に お け る慣 性 や 粘 性 の 影

響 度 が 類 似 して い る とい う考 え方 に 基づ い て い る.た と え ば,飛 行 機 の 翼 の 設 計, ビ ル の 周 囲 の 空 気 の 流 れ の解 析 な どの よ うに,実 際 の 寸 法 で実 験 す る の が 困 難 で あ る と きに,レ

イ ノル ズ数 を そ ろ え て,ミ ニ チ ュ ア モ デ ル で実 験 す る.

  ま た,層 流 と乱 流 との 区分 の 目安 に も用 い られ る.た

と え ば,細 管 を通 る水 の

流 れ を考 え よ う.上 流 で 目印 と して の イ ン ク を流 して 下 流 へ 流 れ て い くよ うす を 調 べ た とす る.流 れ が 遅 い と き に は イ ン クは 広 が らず に 線 状 に 流 れ て い く(図8. 9).こ

の よ うに 流体 の 各 層 の 間 で混 じ り合 わ な い流 れ を層 流 と呼ぶ.

図8.9 

上 流 か ら イ ン ク な ど の 流 れ の 軌 跡 が わ か る も の を 流 し た と き.(a)層

  流 れ が 速 くな る と,下 広 が っ て ゆ く.こ

流 へ 流 れ て ゆ く に し た が っ て,イ

の よ う に,粘

性 に 慣 性 が 打 ち 勝 っ て,流

た り混 じ り合 っ た りす る よ う に な っ た 流 れ を 乱 流 と 呼 ぶ.こ 式(8.12)で

流.(b)乱

流

ン クが 周 囲へ 分 散 して 体 内 の 層 の 間 で〓 離 し こ で レ イ ノル ズ数 を

算 出 す る こ と に す る.

レ イ ノ ル ズ 数=

流体 の 密 度 ×管 内 半径 ×断 面 内平 均 流 速  (8.12)

/流体 の粘性係数

  十 分 に 長 い ま っす ぐな 細 管 に お い て は,レ っ た 流 れ が,レ イ ノル ズ数 が1160を

イ ノル ズ数 が低 い と きに は 層 流 で あ

超 え る と乱 流 に な る21）.この 層 流 と乱 流 と を

区分 す る レ イ ノ ル ズ数 を 臨 界 レ イ ノ ル ズ数 と呼 ぶ.こ

の数 字 は,典

型 的 な環 境 条

件 の 下 で の もの で あ る.振 動 な どの 外 乱 が あ る と,も っ と低 い レ イ ノル ズ数 に お い て も乱 流 と な る.逆 に 外 乱 の きわ め て小 さい 環 境 条 件 の も と で は,も

っ と高 い

レ イ ノ ル ズ数 に な っ て も層 流 が 維 持 され る.ま た,幾 何 学 的 条 件 が 変 わ れ ば,臨 界 レ イ ノ ル ズ数 も変 わ る.た とえ ば球 の 周 囲 の 流 れ に お い て,流 れ が〓 離 しな い, す な わ ち乱 流 に な ら な い の は,レ

イ ノ ル ズ数 が1よ

り低 い と き で あ る.乱 流 に お

い て は,流 体 の 層 と層 との 間 に お い て混 じ り合 う こ とに と も な っ て,流 れ の 中 心 付 近 で は 流 速 の 均 一 化 が お こ る.こ の ため に,層 間 の ず れ は 壁 面 付 近 に 集 中 し, 壁 面 で のせ ん 断 速 度 が 大 き くな る.

8.6  血 管 の 抵 抗 と 血 圧   心 臓 か ら 出 て も ど って く る ま で の 血 液 循 環 回 路 は 体 循 環 と肺 循 環 とに 分 か れ (4.2節 参 照),そ れ ぞ れ の 抵 抗 は 式(8.6)と 同 様 に 式(8.13)お よび 式(8.14)に よ っ て 定 義 され る.

体 循環抵 抗=

大 動脈圧-大 静脈圧/ 心 拍出量

肺循 環抵抗=

肺動脈圧-肺 静脈圧 /心拍 出量

  (8.13)

 (8.14)

  心 拍 出 量 お よ び 大 静 脈 や 肺 静 脈 の 圧 力 が 一 定 の場 合 に は,動 脈 圧 の 上 昇 は 循 環 抵 抗 の上 昇 に 対 応 す る.一 般 に測 定 さ れ る血 圧 は大 動 脈 圧 に 近 い.平 均 血 圧 の 上 昇 か ら 血 管 が 狭 め られ て い る こ と を推 定 す る根 拠 は こ こ に あ る.ま た,式(8.13) お よ び式(8.14)に 対 応 させ るた め に は,重

力 に 対 して心 臓 と同 じレベ ル で 血 圧 を

測 定 し,落 差 の 影 響(5.4節 参 照)を うけ な い よ うに す る必 要 が あ る.   また,動 脈 圧 は 心 臓 の 拍 動 に 伴 っ て変 動 す る が,血 管 壁 の変 形 性 が 大 きい と き に は,脈 流 が 吸 収 さ れ て 脈 圧 が 小 さ くな る.逆 に,血 管 壁 の 変 形 性 が低 下 す る と, 脈 圧 が 大 き くな っ て 瞬 時 最 大 動 脈 圧 が 上 昇 す る.   心 拍 出 量 が 低 下 した り,心 臓(心 筋)の 圧 力発 生 能 力 が低 下 した場 合 に は,動 脈 圧 が 低 下 す る.ま た,循 環 血 液 量(体 積)が 少 な くな る と血 管 内圧 が低 下 す る .し た が っ て,静 脈 圧 は循 環 血 液 量 の 指 標 と な る.   水 平 面 内 で の 流 れ に お い て,粘 性 に よ るエ ネ ル ギー 損 失 が な い と きに は,圧 場 に お け る圧 力 の もつ エ ネ ル ギ ー と運 動 エ ネ ル ギ ー との 和 が保 存 され る.す

力

なわ

ち,流 れ が 速 い と こ ろ で は,圧 力 が低 い(図8 .10).流 体 圧 力 の 測 定 に お い て は, この 点 に も注 意 す る必 要 が あ る.

図8.10 

流 速 と圧 力

問8.1  体 循 環 の 抵 抗 を計 算 せ よ.

問8.2  温 度 が低 くな る と,血 液 循 環 の抵 抗 は どの よ うに変 化 す るか.

問8.3 

式(8.11)か

ら,レ

イ ノ ル ズ 数 が 無 次 元 で あ る こ と を 示 せ.

9  流路維持システム

  血 液 凝 固,血 小 板 凝 集 な どに つ い て基 礎 的 事 項 を 紹 介 し, 血 栓 形 成 試 験 を例 示 す る.

9.1 

栓

血

  採 取 した血 液 を試 験 管 に入 れ て 放 置 して お く と数 分 後 に 固 ま る.こ

う して 固 ま

ぎ ょう けつ

る こ とを凝 血 と呼ぶ.や

が て 固 ま りは収 縮 して 上 澄 み液 が分 離 す る.こ の 収 縮 を

退 縮 と呼 び,上 澄 み 液 を血 清 と呼 ぶ.   血 管 の 内側 で 血 液 が 固 ま り を形 成 す る と血 液 の 流 れ が せ き止 め られ る.い わ ば 栓 が 形 成 さ れ る.こ の 血 液 で 形 成 され た栓 を血 栓 と呼 び,血 栓 が 形 成 され る疾 患 を 血栓 症 と呼 ぶ.   一 般 に 血 管 をふ さ ぐ栓 を塞 栓 と呼 ぶ.血 栓 以 外 に も,気 泡 に よ っ て 形 成 さ れ た 空気 塞 栓 が あ る.空 気 塞 栓 で は,血 管 内 で形 成 され た気 泡 が 流 れ て い っ て 細 い 血 管 を ふ さ ぎ,血 流 が 遮 断 され,下

流 へ 血 液 が 流 れ な くな っ て し ま う.自 動 車 の ブ

レー キ の油 圧 ラ イ ンが 空気 で 遮 断 さ れ る と圧 力 が伝 わ ら な くな るの と似 て い る. こ の塞 栓 に よ って,下

流 の 組 織 へ 酸 素 が 供 給 さ れ な くな っ て し ま う と,組 織 は壊

死 す る.こ の 状 態 を梗 塞 と呼 ぶ.心

筋 へ 酸 素 を供 給 す る冠 血 管 が ふ さが れ る と心

筋 梗 塞,脳 血 管 が ふ さが れ る と脳 梗 塞,腎 臓 の 血 管 が ふ さ が れ る と腎 梗 塞(図9.1) が 起 こ る.   他 方,こ

の 血 液 が 固 ま る とい う作 用 は,血 管 壁 が破 れ た と きに は止 血 作 用 の 一

部 と し て働 く.血 液 が 固 ま る こ と で,裂 け 目が ふ さ が り,血 管 壁 が 修 復 さ れ る. 止 血 に お い て は,血 管 収 縮 作 用 も有 効 に働 く.   血 液 が 固 ま る とい う作 用 は,接 着 剤 と して も働 く.凝 血 塊 を形 成 す る タ ン パ ク

図9.1  ヤ ギ腎臓 の断 面.左 腎(図 で右 側,切 れ 目の 印が あ る方)の 下部 に扇 形 の梗 塞 部 が み え る. 目盛 の 間隔 は5mm

質 フ ィブ リ ンは 外 科 手 術 に お い て糊 と し て 利 用 され る場 合 もあ る.   人 工 臓 器 は 生体 と接 続 して 用 い られ る こ とに な る.こ の と き,生 体 の 血 管 との 接 続 部 に お い て は,破 れ た 血管 壁 を修 復 す る と き と 同 じ状 況 が発 生 す る.人 工 血 管 を生 体 血 管 とつ な げ る と き に も,血 液 の 凝 固 作 用 が 活 躍 す る.た

とえ ば,網

目

の あ る人 工 血 管 を生 体 血 管 に接 続 す る前 に,数 分 間 血 液 中 に浸 して お く.人 工 血 管 の人 工 材 料 部 分 は 血 管 壁 の 芯(マ ト リ ッ ク ス)と し て機 能 し,人 工 血 管 の 血 液 接 触 面 は 自 己 の 血 液 成 分 お よび 自 己組 織 で 覆 わ れ る.こ の 方 法 は,太 い 血 管 の 移 植 に 向 い て い る.胸 部 ・腹 部 の大 動 脈 瘤(こ ぶ)の 処 置 に お け る人 工 血 管 移 植 の 際 の 代 表 的 な方 法 で あ る.   他 方,細

い血 管 で は,内 壁 を 自 己組 織 で 覆 う方 式 を用 い る と,内 径 が 小 さ くな

りす ぎて 都 合 が 悪 い.こ の 場合 に は 自 己組 織 の 吸 着 が 阻 害 され る よ うな 材 料(ポ リ 四 フ ッ化 エ チ レン な ど)で 構 成 され た 人工 血 管 が 用 い られ る.し か し,生 体 血 管 と の接 続 部 に お い て は 自 己組 織 との接 着 が 要 求 さ れ る.人 工 血 管 の 中央 部 で は 吸 着 を阻 害 し,血 管 との 接 続 部 で は 吸 着 を促 進 す る よ うな 複 合 構 造 の もの が 研 究 され る こ とに な る.さ

らに,組 織 の レベ ル か ら分 子 の レベ ル へ と人 工 血 管 壁 上 で の 吸

着 状 況 の 検 討 レベ ル が ミ クロ化 し,生 体 の 血 栓 形 成 制 御 系 と調 和 す る よ うな安 定

(a)人工 弁 に付 着 した血栓

(b)電 子 顕 微 鏡 写 真.バ  

る.両

ー は10μmの

図9.2 

図9.3 

血 栓.(a)せ

長 さ を示 し て い

凹 円盤 型 の赤 血球 が 多数 引 っか か って い る 血栓

ん 断 速 度 が 低 い と き.(b)せ

ん断 速 度 が 高 い とき

平衡 が 模 索 され て い る.す な わ ち,人 工 血 管 の 開 発 研 究 を通 じて,生 体 の 血 栓 形 成 制 御 系 を動 的 に解 明 す る試 み が 進 行 して い る こ とに な る.系 の 一 部 を 人工 的 な もの と代 え て み る と,も との 系 の性 質 が 顕 在 化 す るの で あ る.   血栓 は 外 観 上,赤

色 あ るい は 白色 の 塊 に見 え る.赤 色 は 塊 中 に 含 まれ る赤 血球

の色 で あ り,赤 色 血 栓 と呼 ば れ る.こ の 血 栓 は血 小 板 ・フ ィ ブ リン網 に赤 血 球 が 絡 ま っ て 形 成 され て い る(図9.2).他

方,赤血

球 が絡 まってい ない塊 は 白色 に見

え,白 色 血 栓 と呼 ば れ る.赤 色 血 栓 は 流 れ の 遅 い とこ ろ(静 脈 内 な ど)に お い て, 白色 血 栓 は 流 れ の 速 い と こ ろ(動 脈 内 な ど)に お い て 形 成 さ れ る こ とが 多 い(図9 . 3).

9.2  血 栓 形 成 制 御 系22)   前 述 の 血 栓 は,血 液 循 環 系 に お け る流 路 の 自 己修 復 シス テム の 中 で重 要 な役 割 を担 っ て い る.こ の シス テ ム は,必 要 に 応 じて,塊

を形 成 した り,溶 解 した りす

る血 栓 形 成 制 御 系 と も呼 ぶ べ き もの で あ る.こ の シ ス テ ム は複 数 の サブ シ ス テ ム か ら な り,多 重 の 安 全 性 が 図 られ て い る(図9.4) .   血 栓 形 成 制 御 系 に お い て は,同

時 に 複 数 の 反 応 が 開 始 して も反 応 速 度 が 異 な る

図9.4  血 栓 形成 制御 系

の で,外 か ら見 る と順 番 に 反 応 が 起 こ っ て い る よ うに み え る.血 液 の 通 り道 で あ る と こ ろ の 血 管 の 壁 が 破 れ る と,そ れ を修 復 す べ く,血 小 板 が 凝 集 し,血 液 凝 固 系 の 働 きに よ り凝 血 塊 が 形 成 され,し

ば ら くし て不 要 に な った凝 血 塊 は 線 維 素 溶

解 系 の 働 きに よ り溶解 さ れ る とい っ た ぐあ い で あ る.他 方,正

・逆 方 向 が 同 時 に

起 こ る と,血 栓 が 形 成 さ れ な が ら溶 か さ れ て い くの で,外 か ら見 れ ば何 も起 こ っ て い な い よ うに 見 え る こ とに な る.   実 際 に は,一 つ の 原 因か ら複 数 の 反 応 が 開 始 し,一 つ の 反 応 が他 の 反 応 を促 進 した り抑 制 した りす る こ とに な る.す な わ ち,複 数 の サ ブ ・シス テ ム は,お の お の が 独 立 して い るわ け で は な く,互 い に 影 響 を及 ぼ し合 っ て い る.た 小 板 の 凝 集 が 起 こ る と,血 小 板 第3因 子 が 放 出 され,血 液凝 固 が 促 進 され て,ト

とえ ば,血

液 凝 固 が促 進 さ れ る.血

ロ ン ビ ン が 生 成 さ れ る と,血 小 板 の 凝 集 が さ らに促 進 さ

れ る.ま た,血 小 板 の凝 集 が 起 こ る と,血 小 板 の 凝 集 自体 も促 進(加 速)さ れ る と い っ た ぐあ い で あ る.   さ らに,お

の お の の 系 に 対 して,阻 止 因子 もあ る.血 液 凝 固系 に 対 して血 液 凝

固 阻 止 因 子 が あ る し,線 維 素 溶 解 系 に 対 して 線維 素 溶 解 阻 止 因子 が あ る.た ば,ア

とえ

ンチ トロ ン ビン*は トロ ン ビ ン を不 活 性 化 す る.

  全 体 と して は,血 栓 形 成 を促 進 す る方 向 と抑 制 す る方 向,さ

らに 血栓 を 溶解 す

る方 向 と い う よ うに 正 ・逆 の 両 方 向 が シ ス テ ム に 含 ま れ て い て,全 ン ス を保 っ て い る.す な わ ち,正

体 と して バ ラ

・逆 方 向 の 複 数 の 系 か ら構 成 され て お り,2次

元 平 面 に 全 体 像 を描 きに くい.   お お まか に は,血 液 凝 固系 ・血 小 板 凝 集 系 ・線 維 素 溶 解 系 に 分 類 され る.そ の 他,キ

ニ ン系 や 補体 系 も血 栓 形 成 制 御 系 に お け る役 割 を分 担 して い る.補 体 は 免

疫 に お け る抗 原 ・抗 体 反 応 の み な ら ず,血 栓 形 成 制 御 系 に お い て も重 要 な役 割 を 担 っ て い る とい うわ け で あ る.ま た,血 栓 形 成 は,血 液 流 れ の 状 態 に よ っ て も左 右 さ れ る.   [1]  血 液 凝 固 系   血 液 凝 固 系 は,タ

ンパ ク分 子 や カル シ ウ ム イ オ ン ・組 織 トロ ン ボプ ラ スチ ン ・

リン脂 質 を含 む15の 因 子 に よ っ て 構 成 され て い る(図9.5).そ

の うちの大部分 の

図9.5  血 液 凝 固系.図 中 の ロー マ 数字 は,各 凝 固 因 子に 名づ け られ た 番 号.そ の右 肩 に＊ が 付 され た もの は,各 因 子 が 活性 化 され た状 態 を示 す

因子 はⅠ∼ⅩⅢ の ロー マ 数 字 で 識別 され て い る.カ ル シ ウ ム は 歯 や 骨 を構 成 す る の み な らず,血 液 凝 固 に お い て も重 要 な働 き を も っ て い る.   反 応 の 開 始 点 に よ って 内 因 系 と外 因 系 とに 区分 され る.   内 因 系 の 反 応 は,負 電 荷 表 面 との 接 触 に よ っ て 開 始 す る.ま ず,ⅩⅡ 因 子 前 駆 体 が 転 換 して,活 性 化ⅩⅡ 因 子 とな る.こ の 活性 化ⅩⅡ 因 子 が,ⅩⅠ 因 子 前 駆 体 を転 換 して 活 性 化ⅩⅠ 因 子 を生 成 す る.こ の 活性 化ⅩⅠ 因 子 が,カ ル シ ウ ム の 助 け に よ り,Ⅸ

因 子 前 駆体 を転 換 して 活性 化Ⅸ

因 子 を生 成 す る.こ の 活性 化Ⅸ

因 子 が,

Ⅷ因 子,血 小 板 第3因 子,カ ル シ ウ ム の助 け に よ り,Ⅹ 因 子 前 駆 体 を転 換 して 活性 化Ⅹ 因 子 を 生 成 す る.こ の 活 性 化Ⅹ 因子 が,Ⅴ 因 子,血 小 板 第3因

子,カ ル

シ ウム の 助 け に よ り,プ ロ トロ ン ビ ン*を 転 換 して トロ ン ビ ン を生 成 す る.こ の ト

*  プ ロ ト ロ ン ビ ン の よ う な プ ロ ∼ と い う名 称 は 前 駆 体 を 表 す .前 駆 体 高 分 子 の 一 部 が 切 断 さ れ る こ と に よ っ て,高

次 の 立 体 構 造 が 変 化 し て,分

血 液 中 に 溶 解 し て い る.ア を不 活 性 化 す る.

子 間 で結 合 し や す く な る.前

駆 体 の 状 態 で は,

ン チ トロ ン ビ ン の よ う な ア ン チ ∼ と い う 名 称 は 抗∼ を 表 す.そ

の因 子

ロ ン ビ ン が,フ

ィ ブ リ ノー ゲ ン(線 維 素 原)を 転 換 して フ ィ ブ リン(線 維 素)を 生 成

す る.階 段 状 に 滝 が 流 れ 落 ち る よ うに次 々 に 進 行 して ゆ くの で,こ れ らの 反 応 群 をカ ス ケ ー ドと呼ぶ.   他 方,外

因 系 の 反 応 は,組 織 損 傷 に よ っ て 開 始 す る.血 管 壁 が 破 れ る と,血 管

壁 を構 成 して い る組 織 か ら,Ⅶ

因子 が 放 出 さ れ,組 織 リン脂 質 の 助 け に よ り,X

因子 前 駆 体 を転 換 して 活 性 化X因

子 を生 成 す る.以 降 は 内 因 系 と同様 の 反 応 に よ

っ て フ ィブ リン が 生 成 され る.外 因 系 は 内 因 系 よ りも反 応 の段 が 少 な く,フ ィ ブ リン を 生 成 す る まで の 時 間 が 短 い.   最 終 的 に は,フ ィブ リン分 子 間 の 結 合 が 進 み,さ らにⅩⅢ

因 子 の 働 きで 凝 固 塊

内 の 結 合 が 強 化 さ れ る.   血 友 病 と呼 ば れ る疾 患 に お い て は,遺 伝 的 な情 報 発 現 作 用 の 欠 落 に よ っ て,Ⅷ 因 子 の 合 成 が で き な い.こ のⅧ

因 子 の 欠 落 に よ っ て,X因

子 活性 化 の 反 応 が 遅

延 す る.し た が っ て,血 液 が 固 ま るの に 時 間 が か か るこ とに な る.   [2]  血 小 板 凝 集 系   血 管 壁 が 傷 害 され る と,す な わ ち組 織 が 損 傷 を受 け る と,血 小 板 が 集 合 す る. こ の初 期 段 階 の 集 合 は 可 逆 的 で あ り,血小 板 は再 びば らば ら に な る こ とが で き る. 血 小 板 の 集 合 体 か ら放 出 さ れ るADP(ア

デ ノシ ン2リ ン酸)とCa2+に

よ っ て,隣

接 す る血 小 板 同士 が 凝 集 す る.こ の 凝 集 は 非 可 逆 的 で あ り,凝 集 した 血 小 板 塊 は も との ば らば らな状 態 に は も どれ な い.血 小 板 凝 集 塊 か ら放 出 され る トロ ン ボ キ サ ンA2,お

よ び 血 液 凝 固 系 か ら 生 成 さ れ た トロ ン ビ ン は,血 小 板 か らのADPの

図9.6 

血 小板 凝集 系

放 出 を促 進 す る(図9.6).こ

の 血 小 板 凝 集 は反 応 が 速 く,血 栓 形 成 の初 期 段 階 で 重

要 な役 割 を担 っ て い る.   [3]  線 維 素 溶 解 系   線 維 素 溶 解 系 で は,負 電 荷 表 面 との 接 触,あ 始 す る(図9.7).す

る い は組 織 損 傷 に よ っ て 反 応 が 開

な わ ち,血 液 凝 固 系 ・ 血 小 板 凝 集 系 と線 維 素 溶解 系 とは,同 時

に反 応 が 開 始 す る こ とに な る.

図9.7  線 維 素 溶解 系.そ の右 肩 に ＊が付 され た もの は,各 因子 が 活性 化 され た状 態 を示 す

  負 電 荷 表 面 と の 接 触 か ら 開 始 す る 反 応 に お い て は,ま

ずⅩⅡ

因 子 が 活 性 化 し,

つ い で プ レ カ リ ク レ イ ン が カ リ ク レ イ ン に 転 換 す る.こ

の カ リク レ イ ン が プ ラ ス

ミ ノ ゲ ン を プ ラ ス ミ ン に 転 換 す る.   組 織 損 傷 か ら 開 始 さ れ る 反 応 に お い て は,プ

ラ ス ミ ノ ゲ ン ・プ ロ ア ク チ ベ ー タ

が プ ラ ス ミ ノ ゲ ン を プ ラ ス ミ ン に 転 換 す る.こ

の 組 織 損 傷 か ら 開 始 す る 反 応 は,

負 電 荷 表 面 と の 接 触 か ら 開 始 す る 反 応 よ り 速 い.   こ う し て 生 成 さ れ た プ ラ ス ミ ン は,フ 分 解 産 物(FDP)を

生 成 す る.ま

た,こ

ィブ リン凝 固 塊 を溶 解 して フ ィブ リ ン体 のFDPは

血 栓 形 成 を 抑 制 す る.

  [4]  抗 凝 血 剤   以 上 の よ う に,生 さ れ る よ う に,血   他 方,生

要 に 応 じ て 血 栓 が 形 成 さ れ,不

要 な 血栓 は 溶 解

栓 形 成 が 制 御 さ れ て い る.

体 外 で 貯 血 し た い と き に は,血

て は 困 る.こ て い る.抗

体 内 で は,必

の よ う な と き に は,血 凝 血 剤 に は,ク

液が貯 血バ ッグの中で 固まって しまっ

液 が 固 ま る の を 阻 止 す る抗 凝 血 剤 が 用 い ら れ

エ ン 酸 ナ ト リ ウ ム ・エ チ レ ン ジ ア ミ ン 四 酢 酸 ・ヘ パ リ

ン な ど が あ る.   ク エ ン酸 ナ トリウ ム は,Na+と

の 交 換 に よ っ て,凝 固 因子Ca2+を

凝 固 反 応 に参

加 で き な くす る こ とに よ っ て抗 凝 血 性 を発 揮 す る.室 温 に お い て水 溶 液 と して用 い られ る.   エ チ レ ン ジ ア ミン 四酢 酸(EDTA)は,室 凝 固 因 子 で あ るCa2+を

温 に お い て 白色 の 結 晶 で あ る.や は り,

ブ ロ ッ クす る こ とに よ っ て 抗 凝 血 性 を発 揮 す る.浸 透 圧

が 変 化 し な い よ うに し て血 液 を採 取 す る と きに 適 して い る.赤 血 球 の 形 状(第10 章 参 照)の 異常 を検 査 す る と きな どに 用 い る.   ヘ パ リ ンは,ウ

シ の 肝 臓 な どか ら抽 出 され る生体 由来 物 質 で あ る.生 体 内 の 血

管 が た く さん 集 合 して い る とこ ろ に 存 在 す る.炭 素 原 子 の6員 環 が 酸 素 原 子 を介 して エ ス テ ル 結 合 して い る 多糖 類 で あ る.ア に よ って,プ

ンチ トロ ン ビ ンⅢ

との 複 合 体 形 成

ロ トロ ン ビ ンが トロ ン ビ ンに な るの を阻 止 す る な ど,血 液 凝 固 系 の

複 数 の 活 性 化 反 応 を阻 止 す る.   ヘ パ リン を持 続 的 に 生 体 の 血 液 循 環 系 に 投 与 す る と,血 栓 が 形 成 され な くな り, 血 管 修 復 作 用 が 失 わ れ て,出

血傾 向 とな る.9.1節

で述 べ た 人 工 血 管 に 抗 血 栓 性

(血栓 形 成 を抑 制 す る性 質)を もた せ る ため に,ヘ パ リン を材 料 表 面 に 導 入 す る研 究 も な さ れ て い る.

9.3  血 栓 形 成 試 験   血 栓 形 成 の 能 力 は個 体 差 が あ り,同 じ個 体 に お い て も時 間 と と も に変 動 す る. した が っ て,一 定 の 試 験 方 法 で 血 栓 形 成 の能 力 を測 定 す れ ば 生 体 の状 況 の 情 報 を 得 る こ とが で き る.ま た,人 工 臓 器 の 開 発 に お い て は,血 液 適 合 性 材 料 の 開 発 の た め に,い

くつ か の 血 栓 形 成 試 験 法 が 工 夫 さ れ て い る.

  [1]  凝 血 時 間 測 定 法   (1) 耳 た ぶ に針 先 で穴 を開 け,穴

か ら出 血 して くる 血 液 を一 定 の 時 間 間 隔 で 濾

紙 に吸 い と る.こ の と き,濾 紙 に 吸 い と られ る血 液 の 量 は,針 穴 が 血 栓 でふ さ が れ る過 程 に お い て 徐 々 に 減 少 して ゆ く.穴 が 速 くふ さが れ るほ ど,濾 紙 に 吸 い と

られ る血 液 の 量 が 速 く減 少 す る.濾 紙 に 吸 い と られ る血 液 の 量 は,血 液 で赤 く染 ま っ た部 分(円 形 状)の 直 径 で 比 較 され る.   (2) 採 取 した 血 液 を 試 験 管 に入 れ,回 転 装 置 に セ ッ トして,試 験 管 の 対 象 軸 を 中 心 に し て,ゆ っ く り と回転 させ 続 け る.こ の 間,試 験 管 内 の 温 度 を37℃ に保 ち, 光 の 透 過 性 を持 続 的 に 測 定 す る.そ

し て,血 液 が 凝 固す る と きの 光 の 透 過 性 の 変

化 を検 出 して凝 血 時 間 を測 定 す る.定 期 的 に 試 験 管 をふ っ て み て 凝 血 時 間 を判 定 す る手 動 方 式 よ り も客 観 的 に 測 定 で き る よ うに工 夫 され た装 置 で あ る.   [2]  トロ ンボ エ ラ ス トグ ラ フ ィ ー23）   内 円 筒 と外 円 筒 との 間 に,採

取 した 血 液 を 入 れ,外 円 筒 を一 定 の 回転 角 度 で 回

転 振 動 させ,内 円 筒 の 回転 振 動 の 振 幅 の 時 間 変 化 を計 測 す る(図9.8).血

液 が凝 固

す る と,流 動 性 が減 少 し,外 円 筒 の 回転 振 動 が 内 円 筒 に 伝 達 さ れ る よ うに な る. した が って,内 後,線

円 筒 が 振 動 し始 め る まで の 時 間 か ら凝 血 時 間 を測 定 で き る.そ

溶 系 の 働 きで,凝

の

血塊 の 流 動 性 が増 加 して くる と,再 び 内 円 筒 の 振 動 は 減

衰 して ゆ く.こ れ らの 内 円 筒 の振 動 の 振 幅 か ら,形 成 され た凝 血 塊 の 流 動 性 や 凝 血 に伴 う流 動 性 の 変 化 を時 間 経 過 と と もに 記録 で き る.す な わ ち,粘 性 や 線 溶 系 の 働 き も測 定 で き る.

図9.8 

トロ ン ボ エ ラ ス ト グ ラ フ

 [3]  円 錐 ・平 板 法24)  円錐 と平 板 との 間 に 採 取 した 血 液 を 入 れ,円 錐 を一 定 速 度 で 回 転 させ 続 け る の

に 必 要 な トル ク(回 転 力)を 測 定 す る.血 栓 が 形 成 さ れ る と,試 料 の 流 動 抵 抗 の 上 昇 に よ っ て トル クが 上 昇 す る.円 錐 の 回 転 速 度,お よび 円 錐 の 頂 角(円 錐 と平 板 と の 間 の す き間 角)の 設 定 を変 え る こ とに よ り,血栓 形 成 前 の 流 動 速 度 条 件 を変 え る こ とが で き る(8.2節 参 照).円 錐 や 平 板 を透 明 に して お け ば,回 転 中 に,血 栓 形 成 の様 子 を観 察 で き る.円 錐 ・平 板 を 凹 円錐 ・凸 円 錐 の 組 み 合 わせ に して も よい(図 9.9).

図9.9 

凹 凸 円 錐(直 径5cm)間 700s-1(c)

に お け る 血 栓 形 成.せ

ん 断 速 度50s-1(a),200s-1(b),

  [4]  フ ロー セ ル 法25）   材 料 の 血 液 適 合性 のex υiυ0試 験 法 の一 つ で あ る.実 験 動 物 の 動 脈 と静 脈 と の 間 にバ イ パ ス流 路 を設 け,そ の バ イパ ス流 路 中 に フ ロー セ ル と呼 ば れ る 円 筒 を接 続 す る(図9.10).こ

の 円 筒 を テ ス ト した い材 料 で 作 成 す る.こ の 円 筒 の 内径 や 長

さ を変 化 させ る こ とに よ り,血液 と の接 触 面積 お よ び流 路 抵 抗 を変 化 させ な が ら, 血 栓 形 成 の 速 度 を 比較 す る こ とが で き る.

図9.10 

フ ロー セ ル法

問9.1  血栓 形 成 制 御 系 に お い て,形 成促 進 と形 成 抑 制 の 例 を あ げ,説 よ.

明せ

10 

赤

血

球

  赤 血 球 の 形 態 ・機 能 につ い て 概 要 を紹 介 し,赤 血 球 変 形 の 計 測 を例 示 す る.

10.1  赤 血 球 の 形 状   ヒ トの 赤 血 球(7.1節 る(図10.1).表

図10.1 

参 照)は,直

径8.5μm,厚

面 積 は 平 均163μm2で,体

ヒ ト赤 血 球 の 形 状.上:立 各 々(平 均 値)±(標

さ2.4μmの

両 凹 円盤 形 状 で あ

積 は 平 均87μm3で

面 図.下:平

面 図.長

あ る26).

さの 単 位 は μmで,

準 偏 差)

  赤 血 球 は 分 子 レベ ル と は 異 な る の で,生

体 高 分 子(2.1節

が 一 律 に 決 定 さ れ て い る わ け で は な く,大

き さ の 分 布 が あ る.血

に 含 ま れ る 赤 血 球 の 数 を 赤 血 球 数 と 呼ぶ .赤 呼 ぶ べ き も の で,ヒ

トに お い て は500万

参 照)の

よ うに 大 き さ

液1mm3あ

た り

血 球 数 は 次 元 と して は 赤 血 球 密 度 と

個/mm3程

度 の 値 を と る2）.

10.2  赤 血 球 膜 の 構 造27)   赤 血球 膜 は厚 さ50Aで,リ ン脂 質2重

ン脂 質2重

層 が そ の構 造 の 基 本 で あ る(図10.2).リ

層 に お い て は,電 気 的 に 中性 の 疎 水 性 基 を中 央 に 挾 ん で2重 層 を形 成

し,正 も し くは 負 の 電 荷 を もつ 親 水 性 基 が 膜 の 表 裏 に 並 ん で い る.し か し,こ れ だ け で は,両

凹 円 盤 の 形 状 を保 て な い.ス ぺ ク トリン,ア

クチ ン(収 縮 タ ンパ ク)

な どの タ ンパ ク分 子 で構 成 され た網 目構 造 に よ っ て裏 打 ち され て い る.膜 を内 か ら外 へ 貫 通 して い る タ ン パ ク分 子 もあ り,イ オ ン な どの物 質 の 運 搬 に 関 与 して い る.膜 表 面 に は糖 質 の 分 子 の 一 部 も突 き出 て お り,赤 血 球 同 士 の凝 集 な どの 性 質 を決 定 して い る.各 部 分 の 空 間 的位 置 は流 動 性 に 富 ん で お り,図10.2に

は時間的

平 均位 置 が 示 さ れ て い る と思 え ば よ い.

図10.2 

ヒ ト赤 血球 膜.図 で手 前 が赤 血球 の 内側.

10.3  赤 血 球 の 寿 命   赤 血 球 は,骨 髄 で産 生 さ れ る.赤 血 球 は成 熟す る過 程 で核 が な くな る.血 液 中 の 赤 血 球 の 形 状 分 布 を調べ て み て,脱 核 前 の 赤 血球 の 比 率 が 大 き い と きに,赤 血 球 の 平 均 年 齢 が 若 い と喜 ん で は い け な い.赤 血球 の 破 壊(第11章

参 照)が 多 い ため

に,生 体 が あ わ て て 赤 血 球 を産 生 して い る こ との 表 れ で あ るか も しれ な い.ヒ

ト

の 赤 血 球 は 平 均120日

間,循 環 し続 け る.こ の 赤 血 球 寿 命 と呼 ば れ る期 間 は,赤

血球 を放 射 性 同 位 元 素 で 標 識 して 半 減 期 を測 定 す る こ とか ら算 出 さ れ て い る .イ ヌ で は種 ご とに 異 な るが,20∼100日 臓 や 脾 臓(図10.3)に

お け る細 い 血 管 に お い て捕 捉 され る.

図10.3 

10.4 

間 と測 定 さ れ て い る28).循環 後 の 赤 血 球 は 肝

ヤ ギの 脾 臓 の 断面.目 盛 の 間 隔 は5mm

ヘ モ グ ロ ビ ン

  ヘ モ グ ロ ビ ン は,赤 ビ ン は,分

血 球 中 に 含 ま れ る 血 色 素 タ ン パ ク で あ る.ヒ

子 量64,500で,574個

トの ヘ モ グ ロ

の ア ミ ノ 酸 か ら な る2）.α と βの2種

図10.4 

ヘ モ グ ロ ビ ン分 子

の ア ミノ

酸 の 鎖 が 各2本 集 ま って 構 成 さ れ て い る(図10.4).す

な わ ち一 つ の 分 子 が 四 つ の

サ ブ チ ェ イ ンの 集 ま り とな っ て い る(2.4節 参 照).各 鎖 が 有 す るFeを

中心 と し た

へ ム 構 造 が ,酸 素 の 担 い 手 とな る.こ の ヘ ム構 造 が分 子 の 外 側 に位 置 して い るの で,酸 素 運 搬 機 能 が 発 揮 され る.

10.5 

赤血 球 の形 態 変化

  赤 血 球 は,浸 透 圧(7.5節 参 照)や 力 に よ っ て変 形 す る(図10.5).

図10.5 

赤 血 球 の 形 態変 化

  低 張 液 中 で は,赤 血 球 の外 側 の 溶 質 の 濃度 が 低 い.こ

の と きに は,浸 透 圧 差 に

よ って 赤 血 球 膜 を通 して 外 側 か ら内 側 へ 水 が 吸 い 込 ま れ る.こ

うし て 膨 れ て 球 形

に な っ た 赤 血 球 を膨 潤 赤 血 球 と呼 ぶ.高 張 液 中 で は,赤 血 球 の 外 側 の 溶質 の 濃 度 が 高 い.こ の と きに は,赤

血球 膜 を通 し て 内 側 か ら外 側 へ 水 が 吸 い 出 さ れ る.こ

う して,し ぼ ん で 周 囲 が 鋸 歯 の よ う な しわ くち ゃ な形 状 に な っ た 赤 血 球 を鋸 歯 状 赤 血 球 と呼ぶ.   末 梢 の毛 細 血 管 は 内径 が5μmで

あ り,赤 血 球 の 直 径 より も小 さ い.こ の狭 い 流

路 を通 りぬ け る と き,赤 血球 は パ ラ シュ ー ト型 に 変 形 し て,す  せ ん 断 流 れ 場 で は,11.5節

りぬ け て い く.

で述 べ る よ うに,ラ グ ビー ボー ル 形状 に 変 形 す る.

 体 積 に対 し て表 面積 が 大 き い と,体 積 お よ び 表 面 積 を変 化 させ ず に 変 形 す る こ とが 可 能 に な る.球 の体 積 お よ び表 面積 と半 径 との 関 係 は,

体積 =4/3× 円 周 率 ×半径3

表 面 積=4×

 (10.1)

円周 率 ×半 径2

 (10.2)

  赤 血 球 では 球 と比 較 して,体 積 に 対 して表 面 積 が か な り大 き い こ とか ら,変 形 しや す さの 点 で有 利 で あ る(問10.3参

照).赤 血 球 の 形 状 は,そ の 興 味 深 い 凹 凸 円

盤 形 状 の ため,幾 何 学 形 状 の 研 究 対 象 とさ れ て きた.

10.6  赤 血 球 変 形 の 計 測   赤 血球 の 変 形 性 を計 測 す る方 法 に は,フ

ィ ル タ ー 法,マ

イ ク ロ ピペ ッ ト法,レ

オ ス コー プ 法 な どが あ る.   フ ィ ル ター 法 は,一 定 の 大 き さの 孔 が 空 い て い る フ ィ ル ター に 一 定 の圧 力 を か け て 血 液 を通 過 させ る と き に要 す る時 間 を計 測 す る方 法 で あ る.赤 血 球 の 変 形 能 が 低 下 す る と,通 過 に要 す る 時 間 が 延 長 す る.   マ イ ク ロ ピペ ッ ト法29)は,赤 血 球 の 直 径 よ りも小 さ い 内径 の 円 筒 形 の ピペ ッ ト の先 端 に 赤 血 球 を吸 い付 け て,赤 血 球 の 変 形 を 計 測 す る方 法 で あ る.吸 い 付 け ら れ た 赤 血 球 の 形 状 が 図10.6の

よ うに大 小 の 球 の 一 部 の 形 状 に なれ ば,吸 い 付 け て

い る と きの 圧 力 と球 の 内 径 か ら,膜 に か か る 張 力 を算 出 で き る.   互 い に 逆 回転 す る2枚 の 円盤 の 間 に被 観 測 物 を挿 入 して,中

図10.6 

マ イ ク ロ ピ ペ ッ ト法

間の静 止面に おい

図10.7 

レ ォ ス コー プ 法

て,流 動 場 に お け る挙 動 を観 測 す る 方 法 を正 逆 回転 レオ ス コ ー プ 法30)と 呼ぶ(図 10.7).2枚

の 円 盤 の 片 方 を 円錐 と して,す き間 距 離 が 回転 軸 か らの 距 離 に 比例 す

る よ うに 設 定 した場 合 に は,一 定 のせ ん 断 速 度 場 が 得 られ る(8.4節 参 照).赤 血球 の 懸濁 液 を挿 入 す れ ば,浮 遊 状 態 の 赤 血 球 がせ ん 断 変 形 す る よ うす を顕 微 鏡 下 に 観 察 で き る.   これ らの 方 法 に よ っ て,赤 血 球 お よ び赤 血 球 膜 に か か る力 と変 形 お よび 変 形 速 度 との 関係 を調 べ る こ とに な る.粘 性(8.1節 参 照)と 弾 性 とが 合 わ さ っ た性 質 を 粘 弾 性 と呼 ぶ.粘 性 要 素 と弾 性 要 素 を直 列 に接 続 し た モ デ ル を マ ッ ク ス ウ ェ ル ・ モ デル,並 列 に接 続 した モ デ ル をケ ル ビ ン･モ デ ル(フ ォー ク 卜 ・モ デ ル）と呼 ぶ (図10.8).マ

ッ ク ス ウ ェ ル ・モ デ ル に お い て,ス テ ップ 状 に ひ ず み を与 え た場 合

を考 え る.始 め は 弾 性 要 素 が 変 形 して,そ の 変 形 に 比例 した 応 力 が 生 じる.時 間 が 経 過 す る と と もに粘 性 要 素 が 変 形 を 吸 収 して,弾 性 要 素 の 変 形 が減 少 し,そ れ に よ って 応 力 が 減 少 し,応 力 は ゼ ロ に漸 近 す る.こ の 応 力 の 減 少 を応 力 緩 和 と呼 ぶ.他

方,ケ ル ビ ン ・モ デ ル に お い て,ス

テ ップ状 に 応 力 を与 え た場 合 を考 え る.

図10.8 

粘 弾 性.(a)マ

ッ ク ス ウ ェ ル ・モ デ ル.(b)ケ

ル ビ ン(フ ォ ー ク ト)・ モ デ ル

まず粘 性 要 素 に お い て,そ の 応 力 に 比例 した速 度 で ひ ず み が 増 加 しは じめ る.そ れ と並 行 して 弾 性 要 素 に お い て もひ ず み が 増 加 す る.時 間 が 経 過 す る と と もに 弾 性 要 素 が 応 力 を吸 収 して,応

問10.1 

あ る 血 液1mm3中

力 に 比例 した ひず み に 漸 近 す る.

に500万

個 の 赤 血 球 が 含 ま れ て い た と き,こ

の

血 液 の ヘ マ ト ク リ ッ トは い く ら か.

問10.2 

ヒ トの ヘ モ グ ロ ビ ン の 分 子 量 は,64,500で

え る と き,ア

問10.3 

の1次

構 造 を考

ミ ノ酸 が い くつ ぐ ら い 連 な っ て い る と考 え れ ば よ い か.

も し も,赤 血 球 の 形 状 が 表 面 積163μm2の

く ら に な る か.

あ る.そ

球 で あ っ た ら,体 積 は い

11 

血 球 破 壊

  破 壊 力学 の 基 礎 的 事 項 を 紹 介 し,赤 血 球 の 破 壊 に つ い て 考 察 す る.

11.1 材 料 の 破 壊   一般 に 材 料 内 の 連 続 性 が 断 た れ る こ と を材 料 の 破 壊 とい う.力 学 的 に は,あ

る

限 界 を超 え るひ ず み,ま た は 応 力(8.1節 参 照)が,材 料 内 に お い て 生 じた と きに破 壊 が起 こ る と考 え る(図11.1).た

とえば,糸 が 限 界 以 上 に伸 ば され た と き,あ る

いは 糸 に 限 界 以上 の 張 力 が か か っ た と きに 切 断 さ れ る とい う ぐあ い で あ る.

図11.1 

  限 界 以 内 の ひ ず み,ま

破 壊 に至 るまで の ひ ずみ と応力

た は 応 力 に お い て も,く

り返 し 負 荷 を 受 け る こ と に よ っ

て破 壊 す る.こ の よ う に し て 生 じ る 破 壊 を 疲 労 破 壊 と呼ぶ.こ

の く り 返 し条 件 は,

図11.3 

図11.2 

応 力 変 動 の パ ター ン.(a)両

(b)片 振(引

っ 張 り).(c)片

く り返 し数 と応 力振 幅

振.

振(圧 縮)

累 積 く り返 し 数 と応 力 振 幅 に よ っ て 整 理 さ れ る.応

力 振 幅 と は,材

料 に加 わ る応

力 の 時 間 変 化 波 形 に お け る 応 力 の 最 大 値 ま た は 最 小 値 と平 均 値 と の 差 で あ る.く り 返 し 応 力 の パ タ ー ン に よ っ て,両 い て は,材

振 と 片 振 と に 分 類 さ れ る(図11.2).両

料 を 引 っ 張 っ た り縮 め た り を く り返 す.他

張 っ た り ゆ る め た り,あ   一 般 に,応

振 に お い て は,引

っ

る い は 縮 め た りゆ る め た り を く り 返 す.

力 振 幅 が 小 さ くな る ほ ど,く

い(図11.3).そ

方,片

振 にお

り返 し数 が 大 き く な ら な い と破 壊 し な

の ま ま の 周 期 で は 何 年 も か か る よ う な く り返 し数 の 場 合 に は,周

期 を 短 く し て 試 験 す る 場 合 が あ る.   赤 血 球 は 変 形 性 が 大 き い(10.5節 な い と1回

参 照)の で,か

の 負 荷 で は 破 壊 さ れ な い.し

か し,く

な り大 き な 変 形 ま た は 力 を 受 け り返 し 負 荷 を 受 け る 場 合 に は,

疲 労 破 壊 が 生 じ る こ とに な る.

11.2 

溶

 血

  赤 血球 の 膜 が 破 断 して,ヘ モ グ ロ ビ ン(10.4節 参 照)が 内 部 か ら外 部 へ と溶 出 す るこ と を溶 血 とい う.   破 壊 され た赤 血 球 はつ ね に 断 片 化 す るわ け で は な い.赤

血球 膜 は破 断 後 に再 修

復 さ れ る こ とが あ る.し た が って,内 部 の ヘ モ グ ロ ビ ンが 赤 血 球 の 外 へ 出 たの ち に,膜 が再 び修 復 され て,も

との 赤 血 球 の よ うな形 状 に も ど る こ と もあ る.こ の

よ うに,内 部 の ヘ モ グ ロ ビ ン が 失 わ れ た赤 血球 を ゴ ー ス トと呼 ぶ .   生 体 は膜(細 胞 膜)で 仕 切 る こ とに よ り,膜 の 両側 の環 境 差 を保 ち なが ら,生 命 活 動 を実 現 して い る.こ の 仕 切 りの研 究 材 料 と して,ゴ ー ス トの 膜 が 用 い られ る. 生体 か ら血 液 を採 取 す る方 が,組 織 を切 り出 す よ り も容 易 な ため で あ る.   赤 血球 の 破 壊 の 程 度 を表 す 方 法 と して,破 壊 され ず に残 って い る 赤 血 球 の 個 数 を数 え て,破 壊 され た赤 血球 の 割 合 を算 出 す る方 法 が考 え られ る.し か し,破 壊 され た 赤 血 球 は 消 滅 して し ま うわ け で は な い.断 片 化 され た り,小 球 化 され た り す る.し た が っ て,破 壊 後 の数 を数 え る場 合 に は,そ の形 状 や 大 き さ を考 慮 して, 度 数分 布 を調 べ る必 要 が あ る.具 体 例 と して,一 定 体 積 の 血 液 を細 管 に通 して 血

図11.4 

溶 血 に 伴 う 血 球 の 変 化.(a)溶 赤 血 球 外 へ 出 た 状 態.(b)3個

血 前 の10個

の 赤 血 球.(b)∼(e)3割

の 赤 血 球 が 消 滅.(c)3個

赤 血 球 の 各 々 の 半 分 の ヘ モ グ ロ ビ ン が 溶 出.(e)3個 トに 変 化

の ヘ モ グ ロ ビ ンが

の 赤 血 球 が ゴ ー ス ト化.(d)6個 の 赤 血 球 が6個

の 小 球 の ゴー ス

球 数 を数 え る方 法 が あ る.細 管 の あ る地 点 に お い て 通過 液 体 の 電 気 抵 抗 を持 続 的 に 測 定 し,そ の 地 点 を 血球 が 通 過 す る瞬 間 の 電 気 抵 抗 の 変 化 パ ル ス を検 出 ・カ ウ ン トす る仕 組 み で あ る.   酸 素 運 搬 能 力 の 観 点 か らは,赤

血球 内部 に 残 っ て い るヘ モ グ ロ ビ ンの 量 が 注 目

され る.破 壊 後 に ゴー ス トに な っ て い る もの も あ る の で,ゴ ー ス トと破 壊 され て い な い 赤 血 球 を 区別 す る必 要 が あ る(図11.4).赤 色 で は 区 別 で きな い.ま

血 球1個

ず つ は,肉 眼 的 に は 赤

た,破 壊 に よ っ て,そ の 赤 血 球 か らす べ て の ヘ モ グ ロ ビ

ン が 赤 血球 の 外 へ 出 て しま う とは 限 ら な い.破 壊 後 に 膜 が修 復 され た 赤 血 球 の 中 に残 っ た ヘ モ グ ロ ビ ンは 酸 素 運 搬 能 力 を維 持 して い る.   こ の 点 に お い て は,血 漿 中 の ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度 を測 定 す る 方 法 が 有 効 で あ る. 血 液 を遠 心分 離 す る と ゴー ス ト も沈 降 す る の で,溶 血 が 少 な い と きに は ヘ マ トク リッ 卜(7.3節 参 照)は あ ま り減 少 し な い.し か し,上 澄 み 液(血 漿)が 赤 色 に な る. 溶 血 に よ っ て 赤 血 球 中 の ヘ モ グ ロ ビ ンが 血 漿 中 に 出 て くる ため で あ る.こ の 血 漿 の 赤 色 の度 合 か ら血 漿 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 を算 出す る.通 常 の 血 漿 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度 は10mg/dl程

度 で あ る.100 mg/dl以

上 に な る と,血 漿 が 赤 色 に 見 え る よ うに

な る.血 液 中 の 全 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 は15g/dl程

度 で あ る2).

溶 質 の 質 量=濃 度 ×溶 液 の 体 積

  式(11.1)を

用 い て,血

 (11.1)

漿 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 お よ び血 液 中 の全 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度

か ら,赤

血 球 外 の ヘ モ グ ロ ビ ン質 量 お よび 血 液 中 の全 ヘ モ グ ロ ビ ン質 量 を算 出 で

き る.両

者 か ら,式(11.2)を

溶 血 率=

用 い て,溶

血 の 程 度 を数 値 化 で き る.

赤 血 球 外 の ヘ モ グ ロ ビン質 量 /血 液 中 の 全 ヘ モ グ ロ ビ ン質 量

 (11.2)

た だ し,血 漿 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 に お い て は,血 液 全 体 の体 積 で は な く遠 心 分 離 後 の 上 澄 み 液 の 体 積 が 溶 液 の 体 積 に相 当す る こ とに 注 意 す る必 要 が あ る.   以 上 の 方 法 はin vitro(3.2節

参 照)で 有 効 で あ る.in vivoで

は,ゴ ー ス トお よ

び血 漿 中 の ヘ モ グ ロ ビ ンは 逐 次,血 流 か ら取 り除 か れ,新

た な 赤 血 球 が血 流 へ 補

給 され る.し た が っ て,赤 血 球 の 断 片 や 血 漿 ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 だ け で は,赤 血球 の破 壊 や 溶 血 を検 出 で き な い.こ の 場 合 に は,放 射 性 同位 元 素 な ど でヘ モ グ ロ ビ ン に 印 をつ け て 追 跡 す る方 法 が 有 効 で あ る.

11.3  赤 血 球 破 壊 の 原 因   赤 血 球 が 破 壊 さ れ る原 因 と して は,肝 臓 や 脾 臓 での 分 解,浸 学 的 変 化,免

透 圧,膜

の物理化

疫 性 因 子,微 生 物,力 学 的 破 壊 な どが あ る.

  変 形 性 が 低 下 した赤 血球 は,肝 臓 や 脾 臓 に お け る毛 細 血 管 に 捕 捉 され て,膜 成 分 が 分 解 され る.こ れ に は,10.3節 合 や,そ

で 述 べ た赤 血 球 の 寿 命 期 間 を ま っ と う した場

れ 以 前 に何 らか の 原 因 に よ っ て 膜 の 一 部 が 変 成 を受 け て 変 形 性 が 低 下 し

た場 合 が あ る.分 解 後 の 赤血 球 の構 成 要 素 は再 利 用 され る.   赤 血 球 は 低 張 液 中 に置 か れ る と,浸 透 圧 に よ っ て,膜 の 外 側 か ら 内側 へ と水 が 吸 い込 まれ,赤 血球 が 両 凹 円盤 形 状 か ら球 形 状 に 膨 れ る(10.5節 参 照).そ

して,

膜 が 支 え られ る限 界 以 上 に膨 れ る と膜 が破 裂 す る.   赤 血 球 は 凍 結 ・融解 を く り返 す と溶 血(11.2節

参 照)す る.水 は 凍 結 す る と き に

体 積 が 膨 張 す るの で,膜 が 破 断 す る の で あ る.中 の水 が 凍 る と きに ビ ン が破 裂 す るの と同 じ原 理 で あ る.こ の こ とは 血 液 の 凍 結 保 存 の妨 げ と な っ て い る(7.6節 参 照).そ

の 他,電

流・ 放 射 線 の作 用 に よ っ て も,膜 の 形状 を維 持 して い る結 合 が 破

壊 され る.   生 体 に は,細 胞 の 膜 表 面 に 出 て い る糖 ・タ ンパ クな どの 標 識 を 自 己以 外 の もの と認 識 す る と,膜

を分 解 す る作 用 が あ る.こ の 免 疫 作 用 は,本 来 は他 か ら侵 入 し

た構 造 体 を壊 す とい う防御 反 応 と して 役 立 っ て い る.と

こ ろが,自

己の 赤 血 球 の

膜 表 面 の標 識 を 自己 以外 の もの と誤 認 識 して,分 解 して し ま うこ とが あ る.こ の よ う な疾 患 を 自 已免 疫 性 疾 患 と呼 ぶ.   そ の 他,マ

ラ リヤ 原 虫 な どの 微 生 物 に よ っ て も,赤 血 球 の 膜 が 破 壊 され る.

  血 液 流 れ の 中 で の 力学 的破 壊 につ い て は,11.5節

で 詳 し く述 べ る.

11.4  溶

血

試

験

  赤 血 球 の破 壊 強 度 に は 個 体 差 が あ り,同 一 の 個 体 に お い て も時 間 と と もに 変 化 す る.破 壊 強 度 を 測 定 す る 方 法 に は,以 下 の よ うなin vitroの 破 壊 の 程 度 を表 す に は11.2節

試 験 方 法 が あ る.

で 述 べ た溶 血 率 な ど を用 いれ ば よ い.

  [1] 浸 透 圧 抵 抗 試 験   い ろ い ろ な 濃 度 のNaCl水 (図11.5).あ

溶 液 に 赤 血 球 を浸 して 溶 血 の 有 無 を判 定 す る 方 法

る限 界 値 以 下 の 低 張 液 で は,一 部 の 赤 血球 に お い て 溶 血 が起 こ る(溶

血 開 始 点）.さ らに 浸 透 圧 が低 い 溶 液 に お い て は,す べ て の 赤 血 球 が 溶 血 に 至 る(全 溶 血 到達 点).同 時 に 同一 の個 体 か ら採 取 した複 数 の 赤 血 球 に お い て も耐 え られ る

図11.5 

浸透 圧 抵 抗 試験

浸 透 圧 に ば らつ きが あ る.ま た,赤

血 球 膜 を通 して の水 の 出 入 りに よ って 膜 内 外

の 浸 透 圧 差 が 縮 ま り,浸 透 圧 差 が な くな っ た と こ ろ で平 衡 に達 す る.こ の ため, この 試 験 法 で は,溶 液 と赤 血球 との 量 的 な比 率 を一 定 に して お か な い と,定 量 的 な比 較 が で き な い.   [2]  回転フ ラ ス コ 式機 械 的 破 壌 強 度 試 験   ビー ズ 入 りの 回転 フ ラ ス コ に 血 液 を 入 れ て お き,一 定 時 間 後 に 溶 血 の程 度 を 測 定 す る方 法.赤

血 球 は,ビ ー ズ に よ っ て攪拌 され る流 れ の 中 で,機 械 的 な 力 に よ

って破 壊 され る こ とに な る.簡 便 で あ る が,流 れ の定 量化 が な さ れ て い るわ け で は な い の で,強 度 の定 量 的 な評 価 は で き な い.   [3]  ク ウ ェ ッ ト流 れ 試 験   ク ウ ェ ッ ト流(8.2節 参 照)を 応 用 して,一 様 せ ん 断 場 に お い て 一 定 時 間 内 に 生 じる赤 血球 の 破 壊 を調 べ る 方 法.流

れ の 定 量 化 が で きるの で定 量 評 価 に 向 い て い

る.し か し,精 密 な クエ ッ ト流 を血 液 全 体 に わ た って 実 現 で き る よ うに 装 置 を 組 み 立 て る こ とは,容 易 で は な い.二 重 円 筒,円 錐 平板 な どの 装 置 が工 夫 され て い る(図11.6).

図11.6 

ク ウ ェ ッ ト流 試 験 機.(a)2重 底 面 円 錐 ・平 板 の 二 重 円 筒 型.図 が,逆

円 筒 型.(b)円 で は,い

錐 ・平 板 型.(c)凹

円 錐 ・凸 円 錐 型.(d)

ず れ も内 円 筒 ま た は 凸 円 錐 を 回 転 さ せ て い る

に 相 手 方 の 外 円 筒 ・平 板 ま た は 凹 円 錐 を 回 転 さ せ て も よ い

11.5  流 れ の 中 で の 力 学 的 破壊   流 れ の 中 で赤 血球 が 力 学 的 に 疲 労 破 壊 に 至 る過 程 は,以 下 の よ う に考 え られ る.   周 囲 の 流 れ が 一 様 な速 度 で 流 れ て い る と きに は,赤

血球 は 流 れ に 乗 っ て移 動 し

て ゆ くだ け で あ る.し か し,せ ん 断 流 れ 場 の 中 で は 周 囲 の 速 度 の 差 に した が っ て, 赤 血 球 が 回転 す る(図11.7).さ

らに,両 凹 円盤 形状 を支 え き れ な くな る と,ラ グ

ビー ボ ー ル形 状 に 変 形 す る.膜 は ラ グ ビー ボー ル 面 に お い て 流 れ の 方 向 に 沿 っ て 移 動 す る.こ の トレ ッ ド ・ミル の よ うに 全 体 の 形 状 が 変 わ ら な い 状 態 で 表 面 が 回 転 移 動 す る運 動 を タ ン ク トレ ッ ド運 動 と呼ぶ.赤

血球 の 内容 物 も膜 の 運 動 に 引 っ

張 られ て運 動 す る.こ の運 動 の 中 で,膜 は く り返 し伸 長 ・収 縮 変 形 を受 け る.す

図11.7 

流 れ の 中 で の赤 血 球 の変 形 ・ 破 壊.流 度．(b)赤

血 球 の 回 転.(c)ラ

章 レ オ ス コー プ 参 照).(e)(g)膜

図11.8 

れ の 中 で せ ん 断 場 か ら 力 を 受 け る .(a)せ ん断 速 の 夕 ン ク ト レ ッ ド運 動(第10

グ ビ ー ボ ー ル 型 に 変 形.(d)膜 の 破 断,溶

血.(f)ゴ

ー ス ト.(h)断

赤 血 球 か らの ヘ モ グ ロ ビ ン の 溶 出

片化

な わ ち,曲 率 の 大 きい と こ ろ で 引 っ張 られ,曲 率 の 小 さ い とこ ろ で圧 縮 さ れ る. この く り返 し変 形 に お い て 引 っ張 り・圧縮 を受 け る う ち に,膜 は疲 労 破 壊 す る(11. 1節 参 照).膜

に破 断 が 生 じ る と,そ の破 断 部 分 を通 して 赤 血 球 内 部 のヘ モ グ ロ ビ

ンが 外 部 へ 流 出 す る(図11.8).破

断 部分 は 再 び修 復 され る こ と もあ る.さ らに破

壊 が す す む と,膜 が 断 片 化 され た り,全 体 が 複 数 の小 球 に 分 割 され た りす る.    赤血 球 は 円 管 内 を流 れ る と きに 速 度 分 布(8．3節 参 照)の 作 用 を受 け て 中心 軸 付 近 に 集 ま る(図11.9).こ

の 現 象 を軸 集 中 と呼 ぶ.こ の 効 果 に よ って,円 管 の壁 面

付近 に は 赤血 球 の な い 血 漿 だ け の 層 が 形 成 され る.

図11.9 

軸集中

11.6  赤 血 球 破 壊 が も た ら す 結 果   溶 血 に よ って 赤 血 球 の 外 へ 出 た ヘ モ グ ロ ビ ンは,血 管 壁 の 微 小 孔 を 通 過 した り, 血 管 壁 に 吸 着 し た りす る(7.6節 参 照).こ の た め,溶 血 が起 こ る と,血 液 中 の ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 が低 下 す る.ヘ モ グ ロ ビ ン濃 度 が 低 下 した 状 態 を貧 血 と い う(5.2節 参 照).特 に 溶 血 に よ って 生 じた 貧 血 を溶 血性 貧 血 と呼 ぶ.す な わ ち,溶 血 に よ っ て,血 液 の 酸 素 運 搬 能 力 が低 下 す る こ とに な る.   傷 ん だ 赤 血球 は 変 形 性 が 低 下 して い る.こ の た め,赤血

球 が 変 形 し な い とす り

ぬ け られ な い よ う な,狭 い 流 路 を通 る と きに 引 っか か っ て し ま う.す

な わ ち,塞

栓(9.1節 参 照)と な り下 流 へ の 血 液 流 れ の 妨 げ とな る．   赤 血球 の 外 へ 出 た ヘ モ グ ロ ビ ン,破 壊 され た断 片 な どが 血 栓 形 成 の核 に な る と

い う考 え方 が あ る.こ の 場 合 に は赤 血球 破 壊 が 血 栓 形 成 制 御 系(9 .2節 参 照)と 関 連 して 血 栓 形 成 を促 進 す る こ とに な る.

問11.1 

試 験 管 に 採 取 し た1mlの

全 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度 が15g/dl,血 と き,赤

血 液 に お い て,ヘ

マ トク リ ッ トが40%,

漿 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度 が250mg/dlで

血 球 外 に 出 て い る ヘ モ グ ロ ビ ン は,全

体 の ヘ モ グ ロ ビ ン の 何%か

あ る .

12 

定常流と拍動流

  動 脈 内 の拍 動 流 の フー リエ解 析 につ い て概 説 し,人工 肺 に 言 及 す る.

12.1  定常流と非定常流   定 常 流 で は,流

れ の 向 きの み な らず,流 れ の 速 さ も時 間 に対 し て一 定 で あ る.

す な わ ち,時 間 に 対 して,各 位 置 で の 流 速ベ ク トル(速 さ と方 向)が 変 化 しな い. これ に 対 して 非 定 常 流 で は,流 れ の速 さ,ま た は流 れ の 向 きが 時 間 と と もに 変 化 す る.   あ る時 刻 に お い て 流 れ の 方 向 に 沿 って 描 い た線 を流 線 と呼 ぶ.流

線 が描 か れ て

い る と きに は,そ の 接 線 の 方 向 が 流 れ の 方 向 を示 して い る.流 線 は 互 い に 交 わ る こ とは な い.も

しも流 線 が 交 わ っ て い る と,そ の 交 点 で は 流 れ の 向 きが 一 つ に 定

ま らな くな っ て し ま う.時 刻 に よ らず 流 線 が 書 け る とい うこ とは,流

れ の 向 きに

関 して は定 常 で あ る こ とに な る.こ の 流線 は,電 場 に お い て 電 流 方 向 を示 す 電 気 力 線 に対 応 して い る.   血 液 の 流 れ は,一 般 に は,流 速 が 時 間 と と もに 変 化 す る非 定 常 流 で あ る.特 に, 心 臓 か ら拍 出 され る流 れ を受 け 取 る動 脈 で は,12.2節

で述 べ る拍 動 流 で あ る.他

方,末 梢 の 毛 細 血 管 や 静 脈 で は,定 常 流 に近 い.

12.2  拍   動   流   前 節 で述 べ た 定 常 流 は電 流 で い えば 直 流 に対 応 す る.他 方,正

負 が 入 れ替 わ る

流 れ が 交 流 で あ る.交 流 で は,流 れ の 方 向が 時 間 と と も に正 逆 入 れ 替 わ る.こ れ

に対 して,流 れ の 方 向 は 逆 転 せ ず に,速 さ が 周 期 的 に 変 動 す る流 れ を脈 流 と呼 ぶ. 動 脈 の 血 流 は,心 臓 弁(4.4節 参 照)で の 逆 流 が ほ と ん どな い と考 えれ ば,脈 流 で あ る(6.2節 参 照).心 臓 の拍 動 に 伴 っ て 流 量 が 周 期 的 に変 化 す る.こ の 流 れ を拍 動 流 と も呼 ぶ.拍 動 流 で は,各 位 置 で の 流 速 ベ ク トル が,時 間 に対 して 周 期 的 に 変 化 す る.血 流 は毛 細 血 管 を流 れ て 静 脈 に至 る過 程 で,脈 流 成 分 が 減 衰 し て定 常 流 に 近 づ く.   拍 動 流 に お い て は 流 れ の 加 速 ・減 速 過 程 が 交 互 に く り返 され る こ と に な る.流 れ の 上 流 と下 流 との 間 の 圧 力差 は,加 速 過 程 と減 速 過 程 と で増 減 を く り返 す.拍 動 流 ポ ンプ に お い て こ う した 流 速 の 変 化 を制 御 す るた め に は,運 動 方 程 式 に お け る圧 力 差 ・抵 抗 ・加 速 度 の あ い だ の 関 係 を考 慮 しな け れ ば な らな い.す

な わ ち,

慣 性 流 を考 慮 しな け れ ば な らな い(4.3節 参 照).

12.3  周 期 的 変 動 の 数 値 解 析  拍 動 流 に お け る流 量 の よ うに,周 期 的 に変 動 す る量 を解 析 す る方 法 と して,フ ー リエ 解 析 が あ る.フ ー リエ 解 析 で は,周 期 関 数 を三 角 関数 の 級 数(項 の和)で 表 す. 時 間 と と もに 変 動 す る 流 量 の 場 合 は,次

式 の よ うに な る.

(12.1)

図12.1 

イ ヌ肺動 脈 幹 で の 血流 量 波形 の 一例

  式(12.1)で,Qは

流 量 〔m3/s〕,Aは

jは 整 数 で あ る.A0は

係 数 〔m3/s〕,tは

時 間 〔s〕,φは 位 相 〔rad〕,

直 流 成 分 に 相 当 し,時 間 平 均 流 量 で あ る.ω

は 基本 角 周 波

数 〔rads-1〕 で,

ω=2π

  式(12.2)でfは

f  (12..2)

周 波 数 で あ り,周 波 数 が1Hzの

と き 角 周 波 数 ω は2π 〔rads-1〕

と な る.   た と え ば,動

脈 内 の 流 量 の 時 間 変 化 波 形 は,正

が りが 急 で あ る.こ

弦 波 で は な い(図12.1).立

の 急 な 立 ち 上 が り を 表 現 す る に は,高

て い け ば よ い(問12.1参

照).図12．2に,イ

ち上

周 波 成 分(倍 音)を 加 え

ヌ 肺 動 脈 幹 で の 体 表 面 積*あ

た りの 血

流 量 の 波 形 の フ ー リ エ 係 数 を 示 す.

図12.2 

イ ヌ肺 動 脈 幹 での体 表 面 積 〔m2〕あ た りの血 流 量 の 波形 の フー リエ係 数.柱 の 高 さは, 各 フー リエ 係 数の 平 均値.縦 棒 は,そ の標 準 偏 差 の 範 囲 を示 す

*  体 表 面積 は 血 管網 の 発 達 と比 例関 係 に あ る と考 え られ,単 位 時 間 あ た りの 酸 素 消 費 量 と相 関 す る量 と し て利 用 され る.体 表 面積 は 同一 種 で は体 重 との相 関が あ る．体 表面 積 あ た りの血 流 量 は,血 流 量 が 十分 か どうか の判 定 に利 用 され る.

12.4  非 拍 動 流 型 人 工 心 臓   生 体 の 心 臓 は,心 室 容 積 が 収 縮 ・拡 張 を く り返 す とい う構 造 上,拍

動 流 を吐出

す る.こ れ に対 して,人 工 心 臓 で は,そ の構 造 に よ っ て は,定 常 流 に 近 い流 れ を 出 す こ と も可 能 で あ る.そ こ で,「人 工 心 臓 は 拍 動 流 ポ ン プ で 構 成 さ れ なけ れ ば い け な い か?」

とい う問題 が 生 ず る こ とに な る.

  心 臓 か ら吐 出 され る血 流 が 定 常 流 で あ る と ど うな る か.脈 の な い 血 液 循 環 で は, ヒ ト前 で ドキ ドキ しな くな るで あ ろ うか.生 死 の判 定 に 脈 の 有 無 が使 え な く な る の で あ ろ うか.   拍 動 流 は,血 流 量 の 測 定 の 精 度 を よ くす るの に も役 立 つ.大

動 脈 基 部 で は,周

期 的 に 流 量 が ゼ ロに な る こ と を利 用 して,流 量 計 の ゼ ロ点 を逐 次 チ ェ ッ クす る こ とが で き る.こ

う して,ゼ

ロ点 の 移 動 量 を補 正 す るこ とが で き る.

  6.5節 で 分 類 した ポ ン プ の 内 で,回 転 型 容 積 ポ ン プ,タ ー ボ ポ ン プ(図6.3参 な どが 非 拍 動 流 ポ ン プ に 含 ま れ る.こ れ らの ポ ンプ に お い て も,ロ ー ラー,ス

照) ク

リュ ー,羽 根 車 の 回転 振 動 に 同期 し た脈 動 が 流 れ に 伝 わ るの で,定 常 流 を吐 出 さ せ る に は工 夫 が 必 要 で あ る.た

とえ ば,ロ ー ラ ー ポ ンプ に お い て は,ロ

ー ラー に

よ っ て チ ュ ー ブ 内 の 流 体 が 押 し出 され て再 び チ ュ ー ブ が 拡 張 す る と き に 多 少 流 量 が 変 動 す る.工 業 用 ポ ン プ で は,定 常 流 の需 要 が あ り,で き る だ け 脈 流 を な くす 工 夫 が な され て き た.た

と え ば,タ ー ボ ポ ン プ で は 羽 根 車 の 回転 振 動 を 押 さ え る

工 夫 が な され て い る.   他 の 個 体 の 血 液 成 分 と混 ざ る と免 疫 系 をは じめ と して 種 々 の 問 題 が 生 じ る の で,血 液 と接 触 し た部 分 は 使 い 捨 て にす る こ とが 多 い.こ の 点 に お い て,ロ ー ラ ー ポ ンプ で は チ ュー ブ の み を使 い 捨 て にす れ ば よい の で簡 便 で あ る.   6.3節 で 述 べ た よ う に 流 量 と圧 力 差 との積 が 仕 事 率 を決 め て い る の で,拍 動 流 に お い て は 瞬 時 流 量 の 変 動 に と も な っ て仕 事 率 の 瞬 時 値 も変 動 す る.す

な わ ち,

拍 動 流 に お い て は加 速 ・減 速 に 必 要 な エ ネ ル ギー お よび そ れ に と もな って 生 じ る エ ネ ル ギー 損 失 が あ る.固 有 振 動 な どの 共 振 を利 用 して効 率 を上 げ る工 夫 が 必 要 で あ る.他 方,定

常 流 ポ ン プ で は 加 速 ・減 速 の エ ネ ル ギー は不 要 で あ る.し た が

って,人 工 心 臓 が 定 常 流 ポ ンプ で よい こ とに な れ ば,小 型 化 に お い て 有 利 で あ る.  生 体 に お い て は,細 胞 よ り大 き な レベ ル に お い て は,軸

と軸 受 け との 組 み合 せ

に よ る 回転 運 動 は み られ な い.往 復 運 動 に よ る拍 動 流 ポ ンプ しか 成 立 し得 な か っ た の か も しれ な い.

12.5  拍 動 流 の 効 果   血 流 に お け る拍 動 の 効 果 と して は,攪拌

効 果 ・ポ ン ピン グ効 果 が 考 え られ る.

  血 液 循 環 の役 割 は物 質 の 輸 送 で あ る(5.2節 参 照).し た が っ て,血 管 壁 を通 して 物 質 が 運 搬 され なけ れ ば な ら な い.濃 度 差 な ど を駆 動 力 と して 物 質 が 運 搬 され る と き,自 然 拡 散 の み で は,壁 面 付 近 の 物 質 濃 度 が 上 昇 して し まい,拡 散 効 率 が 低 下 す る.す な わ ち,主 流 と分 離 した境 界 層 が 形 成 され て し ま う.こ の と き,壁 面 付 近 の 流 体 を攪拌 す れ ば 物 質 の拡 散 を促 進 で き る.層 流 よ り も乱 流,定 常 流 よ り も非 定 常 流 の 方 が攪拌 効 果 が あ る(8.5節 参 照).拍 動 流 に は,こ の 撹拌 効 果 が 期 待 で き る.ミ ジ ン コ な どの 微 生 物 に お い て は,血 管 網 が 未 発 達 で あ り,体 内 の 中 心 に位 置 して拍 動 す る心 臓 は,こ の攪拌 作 用 を担 っ て い る.   末梢 の 血 管 に お い て は,動 脈 と静 脈 が並 行 して い る(図12.3).ま

た,静 脈 に は

逆 流 防 止 弁 が あ る.動 脈 内 の血 流 の 拍 動 に よ っ て 血 管 壁 が 脈 打 つ と,並 行 して 位 置 して い る静 脈 壁 が 押 され て,静 脈 内腔 は 収 縮 ・拡 張 を く り返 す こ とに な る.こ の収 縮 ・拡 張 と逆 流 防 止 弁 とが 協 調 して ポ ン ピ ン グ作 用 を発 揮 す れ ば,静 脈 還 流

(a)動 脈 圧 下 降期 図12.3 

  (b)動脈 圧 上 昇期

動 脈 と静 脈 との 並行.矢 印 は 血 流方 向 を示 す.

(5.4節 参 照)が 促 進 され る こ とに な る.   その 他,壁

面 付 近 の 流体 の 洗 い流 しに よ って 血 流 の 淀 み が 防 が れ て 血栓 の 不 要

な成 長 を 押 さ え る効 果,血

管 中 央 部 のせ ん 断 速 度 の 低 下(8.2節

お よ び 図11.9参

照)お よ び高 せ ん 断 の 持 続 時 間 の 中 断 に よ る血 球 破 壊 の 抑 制 効 果 な ど も考 え られ る31）.   しか し,こ れ らの効 果 が な い と,個 体 は 生 存 して い け な いの で あ ろ うか.非 拍 動 流 型 人工 心 臓 を装 着 した ウ シが 数 か 月 間 生 存 す る とい う実 験 結 果 が あ り32),こ の 問題 は 議 論 の 的 に な っ て い る.

12.6 

人

工

  ヒ トの 肺 は,肺

肺 胞 と呼 ば れ る球 状 の微 小 構 造 が 多数 集 合 して構 成 さ れ て い る.

そ の形 態 か ら,ガ ス 交 換 膜 面 積 は合 計200m2と

計 算 さ れ て い る.こ れ は,テ ニ ス

コー トの 面 積 に 匹 敵 す る.そ の ガ ス 交 換 膜 の 厚 さ は0.5μmで

あ る.生 体 の肺 の ガ

ス交 換 機 能 に は余 裕 が あ り,安 静 時 に は,数 分 の1の 能 力 で まか な え る.生 体 の 肺 循 環 に お け る血 液 流 れ は 拍 動 流 で あ る こ とが 計 測 さ れ て い る33).   人 工 肺 は,血 液 循 環 系 に 接 続 され,生 体 の肺 に 代 わ って,ガ ス 交 換 機 能 を担 う. 現 在 ま で に,円 盤 型 ・気 泡 型 ・膜 型 な どの 人 工 肺 が 開 発 され て き た(図12.4).   円盤 型 で は,円

盤 上 に 血 液 を展 開 して 周 囲 の 気 体 との 間 で ガ ス交 換 を行 う.気

泡 型 で は,血 液 を溜 め た 円 筒 中 に 気 泡 を吹 き込 ん で ガ ス 交 換 を行 う.膜 型 人 工 肺 で は,膜 で 仕 切 られ た気 体 と血 液 との 間 で 膜 を通 して ガ ス 交 換 を行 う.   膜 型 人工 肺 は,シ ー ト型 ・積 層 型 ・フ ァイ バ ー 型 な どに 分 類 され る.シ ー ト型 で は,シ ー ト状 に な っ て 折 りた た まれ た袋 の 内 側 と外 側 とい う形 で気 体 と血 液 と が 区切 られ て い る.積 層 型 で は,平 行 に積 まれ た 平 板 状 の 仕 切 り膜 に よ って 気 体 層 と血 液 層 とが 区 切 られ て い る.   フ ァ イ バ ー 型 で は,何

本 も束 ね られ た 細 い チ ュー ブ の 内 側 と外 側 とい う形 で気

体 と血 液 とが 区切 られ て い る.束 ね られ た チ ュー ブ は,プ ラ ス チ ッ ク ス製(ポ リカ ー ボ ネ イ ト,ポ リ メチ ル メ タ ク リレー トな ど)の 円 筒 内 に 両 端 で 固定 され る.チ ュ

図12.4 

人 工 肺.(a)円

ー ブ の 内 側 に 血 液 を流 し

,外

泡 型.(c)膜

型

側 に 気 体 を 流 す 方 式 を 内 部 灌 流 型 と 呼 ぶ.逆

ュ ー ブ の 内 側 に 気 体 を 流 し,外 ブ に は,気

盤 型.(b)気

に,チ

側 に 血 液 を 流 す 方 式 を 外 部 灌 流 型 と 呼 ぶ.チ

体 透 過 性 が よ い シ リ コ ン 製 の も の,ま

ュー

た は チ ュ ー ブ の壁 に 多数 の 微 小

な 孔 が 空 い た 状 態 に し て 気 体 透 過性 を よ く し て あ る ポ リプ ロ ピ レ ン 製 の も の な ど が 用 い ら れ る.後者

の よ うに チ ュー ブ の 壁 に 微 小 な孔 が 空 い た もの を ホ ロ ー フ ァ

イ バ ー 型 と 呼 ぶ.現 在 使 用 さ れ て い る も の の ガ ス 交 換 膜 の 面 積 は1∼5m2,膜 さ は 最 も 薄 い も の で25μmで   人 工 肺 で は,流

れ を攪拌

あ る. し て 物 質 拡 散 効 率 を 高 め る た め に,乱

用 す る 工 夫 が な さ れ て い る34）.ECMOは と はextracorporeal こ と で あ る.自

の厚

membrane

流 や 拍 動 流 を利

補 助 人 工 肺 と し て も用 い ら れ る.ECMO

oxgenatorの

略語 で体 外 装 着型 膜 型 人 工 肺 の

己 の 肺 で 十 分 に ガ ス 交 換 で き な い 場 合 に,人

工肺 に血液 を流す こ

と に よ って,補

助 的 に ガ ス 交 換 を行 わせ る． 人工 肺 を末 梢 の 血 管 に接 続 す る場 合

に は,内 科 的 に 処 置 で き る.

問12.1  2ωtの 描 け.た

Qをtの

関 数 と し て,Q=A,Q(t)=Asinωt,Q(t)=(A/2)sin

グ ラ フ を 加 算 し て,Q(t)=A+Asinωt+(A/2)sin2ωtの だ し,A,ω

は定 数

と す る.

グ ラ フ を

13 

神 経 システム

 個 体 全 体 の 電 気 的情 報 統 制 ネ ッ トワー ク と して の神 経 系 に つ い て 概 説 し,人

工 ペ ー ス メ ー カ ー に 言 及 す る.

13.1  細 胞 膜 電 位   個 体 は2.1節,5．4節

で 述 べ た よ うに,多 くの イ オ ン を含 む 水 溶 液 で構 成 され て

い る.仕 切 りが な い と,拡 散 作 用 に よ って 全 体 が 均 一 濃 度 の 溶 液 に な っ て し ま う. 細 胞 膜 は 濃度 不 均 一 を保 つ ため の仕 切 りの 役 目 を果 た して い る.こ の 膜 は 溶媒 と 一 部 の イ オ ン だ け を透 過 させ る よ うな 孔 を も

っ た 構 造 に な っ て い る.赤 血 球 膜

(10.2節 参 照)に お い て 説 明 した よ うに,細 胞 膜 の基 本 構 造 は脂 質 二 重 層 で あ り, そ の 層 を貫 通 す る タ ンパ ク質 が 孔 を構 成 して い る.こ の 孔 は イ オ ンチ ャ ンネ ル と 呼 ば れ,イ

オ ン選 択 性 を もつ.た

とえ ば,Na+だ

け を通 す チ ャ ンネ ル やK+だ

を通 す チ ャ ンネ ル とい う ぐあ い で あ る.他 方,膜

は,エ

ネ ル ギー を消 費 しな が ら

物 質 を一 方 向 に 移 動 させ る役 目 も もって い る.た とえ ば,Na+を K+を 細 胞 外 か ら 内へ とい う ぐあ い で あ る.こ

け

細 胞 内 か ら外 へ,

う して 細 胞 内 外 の イ オ ン 濃 度 差 が

保 た れ て い る.以 上 の膜 を通 した物 質 の移 動 を2種 に 区 別 して 呼 ぶ .す

な わ ち,

電位 勾 配 ・濃 度 勾 配 な どの 電 気 化 学 的 勾 配 に したが っ て順 方 向 に 物 質 を移 動 す る 場 合 を受 動 輸 送,電 気 化 学 的 勾 配 に 逆 ら ってATP(ア

デ ノ シ ン3リ

ン酸)の エ ネ ル

ギー を消 費 し なが ら逆 方 向 に物 質 を移 動 す る場 合 を能 動 輸 送 と呼 ぶ .こ の チ ャ ン ネ ル は 電気 化 学 的 刺 激 に よ っ て,開

い た り閉 じた りす る.チ

イ オ ン の一 時 的 な移 動 を起 こす.こ

の イ オ ンの 移 動 が,隣 接 す る チ ャ ン ネ ルへ の

電気 化 学 的 刺 激 と な る.こ な る.

ャンネルの 開閉は,

う して 電 気 化 学 的 刺 激 が 次 々 に伝 達 さ れ て い くこ とに

  神 経 細 胞 や 筋 細 胞 では,Na+の

濃 度 は 細 胞 内 よ り も外 が 高 く,K+の

外 よ り も 内が 高 い 状 態 に 維 持 され て い る.通 常 は,K+の い て い る.し か し,こ の チ ャ ン ネ ル を通 して,K+が

濃度 は細 胞

み を通 す チ ャ ン ネ ル が 開

濃 度 差 に した が って 細 胞 内 か

ら外 へ 出 て い くと,細 胞 の 外 の 陽 イ オ ンが 増 加 して 電位 が 高 くな って し ま う． す な わ ちK+の

移 動 は,濃 度 差 と電 位 差 との平 衡 で 決 ま っ て い る．細 胞 膜 の 内外 を電

子 の 移 動 が で き る よ うな仮 想 の 導 線 で連 絡 す る と,K+が

チ ャ ン ネ ル を通 して 膜

の 内 か ら外 へ 出 て ゆ くこ とに な る.こ れ を 電荷 輸 送 能 力 に 換 算 す る と,100mV程 度 の 電 池(直 流 電 圧 源)が+極 等 しい(図13.1).い

を外 に 向 け て 細 胞 膜 の チ ャ ンネ ル に つ い て い るの と

い か え る と,膜 は 外 側 が 正,内 側 が 負 に 充 電 さ れ た コン デ ン

サ ー と等 価 で あ る.す な わ ち,細 胞 の外 の 電 位 を ゼ ロ とす る と内 は-90∼-70mV で あ り,こ れ を静 止 電 位 と呼 ぶ35).

図13.1 

  こ の 膜 に お い て,外 と,Na+だ mV程

部 か らの 電 気 的 刺 激 に よ っ て臨 界値 を超 え る電 圧 が か か る

け を 通 す チ ャ ン ネ ル が 短 時 間 だ け 開 く.こ

度 の 電 池(直 流 電 圧 源)が+極

ル が 閉 じ た あ と は,再 間,細

細 胞 膜 の イ オ ン チ ャ ン ネ ル と静 止 電 位

びK+チ

内 に 再 び−90∼

れ ぞ れ を 膜 の 脱 分 極,極 と 呼 ぶ(図13.2).こ

ャ ン ネ ル は100

を 内 に 向 け て い る の と等 し い. Na+チ

ャ ン ネ ル だ け が 開 い て い る 状 態 に も ど る.こ

胞 の 外 を ゼ ロ と し た と き の 内 の 電 位 は,−90∼

な り,数ms以

のNa+チ

−70 mVに

性 逆 転,再

−70mVか

も ど る.こ

分 極 と 呼 び,電

ャ ンネ の期

ら一 時 的 に+に

の 一 連 の 変 化 に 沿 っ て,そ

位 変 化 パ ル ス 全 体 を活 動 電 位

の 膜 の イ オ ン 透 過 性 の 一 時 的 な 変 化 に 伴 っ て 移 動 し たNa+

図13.2 

やK+は,能

活動 電 位

動 輸 送 に よ って 再 び も との 濃 度 に も ど る.も との 状 態 に も ど る まで の

間,新 た な 刺 激 を受 け て も反 応 で き な い期 間 が あ り,不 応 期 と呼ぶ.

13.2 

神 経 ネ ッ トワ ー ク

  細 胞 膜 に お け る 活 動 電 位 は,膜 に 沿 っ て伝 達 され た の ち,そ れ に続 く次 の 細 胞 へ と伝 達 され る.神 経 系 に お い て は,神 経 細 胞 が ネ ッ トワ ー ク を構 成 し,必 要 な 情 報 を個 体 の 各 部 へ 伝 え て い る.   1個 の神 経 細 胞 に お い て,そ の す べ て の 突 起 の 先 端 まで含 め た もの を神 経 系 の1 単位 と考 え,ニ ュ ー ロ ン(神 経 単位)と 呼 ん で い る(図13.3).ニ

ュ ー ロ ンに お い て,

信 号 を受 け 取 っ て核 周 囲 部 へ 伝 え る突起 を樹 状 突起 と呼 ぶ.ま

た,信 号 を核 周 囲

部 か ら突 起 の 先 端 へ 伝 え る突 起 を軸 索 突起 と呼 ぶ.軸 索 突 起 は 長 さが1mに

達す

る もの もあ る.   ニ ュー ロ ン とニ ュー ロ ン,ま た は ニ ュー ロ ン と筋 細 胞 との接 合 部 を シ ナ プ ス と 呼ぶ.シ ナ プ ス で は情 報 の 重 み づ け や 伝 達 方 向 の 制 御 が行 われ て い る.す な わ ち, お の お の の 活 動 電 位 の 集 合 が 閾値 を超 え て は じめ て 情 報 が そ の 先 へ 伝 達 さ れ た り,神 経 伝 達 物 質 を放 出 して 活 動 電 位 の発 生 条 件 を変 化 させ た りし て い る.神 経 系 で は,ニ ュ ー ロ ン の数 が増 え な くて も,ニ ュ ー ロ ン とニ ュ ー ロ ン との 接 合 状 態, 接 合 の 組 み 合 わせ が 変 化 す る こ とに よ って 多様 な情 報処 理 を実 現 で き る こ とに な る.こ の 神 経 ネ ッ トワー クは,感 覚 器(眼,耳,鼻,舌,皮

膚 な ど)・ 中枢 神 経 ・

効 果 器(筋 肉 な ど)・ 内臓 を連 絡 し,シ ス テ ム全 体 の統 制 を担 っ て い る.

図13.3 

神 経単 位.矢 印 は信 号 の 伝達 方 向

  活動 電 位 が 神 経 細 胞 膜 を伝 わ る速 さは,軸 索 突起 な どに お い て 最 大120m/sに も達 す る.ゆ え に物 質 を血 流 に 乗 せ て運ぶ よ り もず っ と速 く情 報 を伝 達 す る こ と が 可 能 で あ る.も っ と も,神 経 細 胞 内 に お い て は 内 容 物 の 流 動(軸索流)も 末 梢 神 経 に お け る流 動 速 度 は最 大 で400mm/day程

13.3 

心

電

あ り,

度 で あ る.

図

  心 臓 に お け る 活動 電 位 の 時 間 変 化 を グ ラ フに 記 録 し た も の を心 電 図 と呼 ぶ.心 臓 の 電 気 生 理 につ い て は,20世

紀 初 期 ま で に,か な り詳 細 に研 究 さ れ て い た.

  心 臓 の 筋 組 織 は心 筋 細 胞 の 集 合 体 で あ る.心 筋 は お の お の が 収 縮 拡 張 の リズ ム を も っ て い る.し か し,お の お の が ば ら ば らに収 縮 拡 張 した の で は,心 ピ ン グ で きな い.こ

室は ポ ン

の状 態 を細 動 と呼 ぶ.収 縮 拡 張 の リズ ム を揃 え る の に,上 位

の リズム を発 生 す る部 位 が あ る.右 心 房 壁 の ペ ー ス メ ー カ ー(洞 房 結 節)と 呼 ば れ る部 位 で あ る.こ の リズ ム の伝 達 は,心 筋 内 で 四方 八 方 に 均 一 に 広 が っ て ゆ くわ け で は な い.伝 達 順 序 の 道 す じが あ り,結 節 とか線 維 と呼 ば れ て い る.す な わ ち,

右 心 房 壁 の 洞房 結 節 に 発 し,房 室 結 節,ヒ

ス 束(房 室 束),左

脚 お よ び右 脚,プ

ル

キ ン エ線 維 を経 て 心 室 筋 へ と電 気 的 信 号 が伝 わ って い く.こ の 道 す じを 刺 激 伝 導 系 と呼 ぶ(図13.4).こ

の伝 導 系 は 伝 達 速 度 の 調 節 の 役 割 も果 た して お り,心 房 収

縮 と心 室 収 縮 との 間 の 時 間差 や 心 室 収 縮 全 体 の 同期 を制 御 して い る.刺 激伝 導 系 の リズ ム 発 生 頻 度 や信 号 の伝 達 速 度 は神 経 系 の 作 用 に よ っ て 変 化 す る.洞 房 結 節 に 発 し刺 激 伝 導 系 に よ っ て伝 え られ る規 則 的 な リズ ム以 外 の リズ ム を不 整 脈 とい う.

図13.4 

心 臓 の刺 激伝 導 系.矢 印は 伝 導 方 向

  通 常 の 心 電 図 計 測 に お い て は,こ

う した 心 臓 の各 部分 で の 電 気 的 信 号 の伝 達 の

よ うす を,体 表 面 に は り付 け た 電 極 を通 して 測 定 す る こ とに な る.す な わ ち,心 電 図 に お い て計 測 され る電 位 変 化 は,生 体 内 の 活 動 電 位 の伝 導 方 向 に応 じた 電 気 信 号 ベ ク トル を 心 臓 全 体 に つ い て 合 成 し た ベ ク トル の 計 測 方 向 成 分 で あ る(問 13.1参 照).

図13.5 

心 電 図.P,Q,R,S,T:各

々 波 形 の ピ ー ク部 分 の 呼 称(6.2節

参 照)

  心 電 図 に は,波 形 の ピー ク部 分 ご とに,PQRSTと Pの 直 後 に心 房 収 縮 が 始 ま る.QRSの の脱 分 極 に 対 応 して い る.QRSは

い う呼 称 が あ る(図13.5).

直 後 に心 室 筋 の 収 縮 が 始 ま る.  Tは 心 室 筋

区別 しや す い 波 形 な の で,心 周 期 の 長 さ を検 出

す る の に 使 わ れ る.ま た,心 室 収 縮 の タ イ ミン グ を検 出 す る の に 使 わ れ る.た えば,補

と

助人 工 心 臓 の 収 縮 の タ イ ミン グ を,生 体 心 臓 の 心 室 収 縮 の タ イ ミン グ と

同期 させ る と き な ど に利 用 され る.心 電 図 波 形 の幅 か ら伝 導 速 度,正

負 か ら伝 導

方 向 を推 定 す る こ とが で き る.

13.4 

人 工 ペ ー ス メ ー カ ー36)

  生 体 心 臓 の ペ ー ス メー カ ー の 機 能 を代 行 す る もの と して,人 工 ペ ー ス メー カ ー が あ る.洞 房 結 節 が 適 切 な リズ ム を発 生 で き な くな っ た場 合,刺

激伝導 系が その

先 へ リズ ム を伝 え られ な くな っ た場 合 な どに 必 要 な部 位 へ リズ ム を伝 え る機 能 を もつ.   初 期 に は,胸 壁 に 電極 を 置 い て,周 期 的 に 電 気 刺 激 を 与 え る形 式 の もの が 用 い られ た.そ の 後,心

室 壁 に 電 極 を縫 着 して,電 気 信 号 を直 接 に伝 え る形 式 の もの

が 用 い られ る よ うに な っ た.そ の 他,カ

図13.6 

人 工 ペ ー ス メー カ ー.E:電

極.P:信

テ ー テ ル と呼 ば れ る細 い チ ュ ー ブ の 先 端

号 発 生 装 置.(a)胸

(b)経 体壁 信 号 伝 達．(d)カ テー テル 式心 内電極

壁 電 極.(b)(c)心

室 壁 電 極.

に 電 極 を取 リ付 け,そ

の カ テー テル を末 梢 の 血 管 か ら心 室 また は 心 房 へ と挿 入 し

て,心 臓 内 部 か ら電 気 刺 激 を 与 え る形 式 の もの も用 い られ る(図13.6).通

常,2∼3

mVの

電 圧 を1∼2ms加

え る程 度 の 電 気 信 号 を用 い る.信 号 発 生 装 置 に つ い て

は,体

内 に埋 め 込 む 形 式 の もの と,体 内 に埋 め 込 ん だ受 信 部 へ 体 外 か ら体 壁 を隔

て て 電 磁 的 に信 号 を伝 え る形 式 の もの が 用 い られ て い る.信 号 発 生 頻 度 に つ い て は,固 定 周 期 の もの(固 定 レー ト型),所

定 の 周期 以 内に 自己 か らの 信 号 が 発 生 し

た 場 合 に は信 号 を発 生 しな い よ うに す る もの(デ マ ン ド型),生 体 の心 房 のP波

に

同期 し て信 号 を発 生 す る もの(心 房 同 期 型)な どが 用 い られ て い る.固 定 周 期 で は, 生体 の 刺 激 伝 導 系 に お い て発 生 す る リズ ム と人工 ペ ー ス メー カ ー の リズ ム とが 競 合 して 心 拍 数 が 増加 した場 合 に,不 整 脈 や 心 室 細 動 を発 生 す る危 険 が あ る.心 房 と心 室 の 両 方 に電 極 を取 り付 け て,時 間 差 を伴 っ て 人 工 的 にぺ ー シ ン グす る方 法 もあ る.電 気 信 号 発 生 の た め の 電 源 と し て は,初 期 の 水 銀 電 池 で は3か た な か った が,近 年,リ チ ウ ム 電 池 が 用 い られ る よ うに な り,10年 用 で き る よ うに な っ た.そ

月 しか も

間持続 的 に使

の恩 恵 に よ って,電 源 まで 含 め て体 内 に 埋 め 込 ん だ 形

式 の もの が 使 用 可 能 とな っ た.一

方,心 室 壁 に縫 着 し た電 極 は心 臓 拍 動 周 期 に 合

わせ て く リ返 し変 形 を受 け るの で,耐 久 性 ・長 期 に わ た る心 筋 との接 着 性 な どの 研 究 課 題 が あ る.

問13.1 

A地

点 お よびB地

びυBが 生 じた 場 合 に,B地

点 に お い て 図 の よ う な電 位 の 時 間 変 化υAお よ 点 のA地

点 に対 す る電位 の 時間 変 化 を図 示 せ よ.

問 題 解 答 例

問1.1 

研 究 で は 演 習 な ど と違 っ て 答 え が 明 示 さ れ て い な い.そ

こ で,手

法 が重 要 に な

っ て く る.「お の お の の 分 野 に お け る研 究 手 法 に 固 執 せ ず,境 界 を 越 え た分 野 の 手 法 を理 解 で き る ま で 味 わ っ て み る.ま

た,細 分 化 され る 前 の 自由 な 発 想 に も とづ く観 察 を 重視

して み る.そ の 上 で い ま まで の 手 法 を 捨 て ず に,そ

の 適 用 限 界 を 明 確 に し て ゆ く過 程 で

手 法 の 拡 張 の 可 否 を 見極 め る.」な ど,具 体 例 を思 い 浮 か べ な が ら 自 由 に 考 察 し て み る と よ い.

問2.1 

高 分 子 が 大 量 の 情 報 を 保 持 ・発 現 で き る の は,そ

ず,高 次 の 立 体 構 造 に よ る と こ ろ が 大 き い.た の約30億

と えば,ヒ

の分 子 の 長 さ に よ る の み な ら トDNA分

子 は,4種

類 の塩 基

個 の 配 列 に よ っ て 構 成 さ れ て い る.こ の 配 列 を1次 構 造 と 呼 ぶ.こ の 配 列 の鎖

は,直 線 形 状 で は な く,ヘ

リ ッ ク ス と 呼 ば れ る らせ ん 形 状 に な っ て い る.こ

2次 構 造 と呼 び,ら せ ん の 周 期 に 合 わせ て,1次 近 距 離 に 配 置 さ れ る.こ

の らせ ん を

構 造 に お け る隣 同 士 以 外 の 塩 基 同 士 が,

の らせ ん の 軸 が ね じれ て,あ

る 立 体 構 造 を形 成 し,全 体 が 糸 ま

り状 に な っ た り,棒 状 に な っ た り して い る.こ の 立体 構 造 を3次 構 造 と呼 ぶ.さ こ の 立 体 構 造 の ま と ま りが サ ブ ユ ニ ッ トと な る場 合 が あ る.す ユ ニ ッ トが 集 合 して,1個 造 と呼 ぶ.こ

ら に,

くつ か の サ ブ

の ユ ニ ッ トを 形 成 す る生 体 高 分 子 もあ る.こ の 集 合 体 を4次 構

う した 高 次 構 造 に よ っ て,1次

に 近づ く こ とが で き る.す な わ ち,1次 高 次構 造 の 変 化 に よ っ て,い

問3.1 

な わ ち,い

構 造 の 上 で は 離 れ て い る塩 基 同 士 で も,互 い

構 造 に お い て 配 列 の 組 み 替 え が 起 こ ら な く て も,

ろ い ろ な情 報 を発 現 す る こ とが 可 能 に な る.

心 臓 を個 体 全 体 か ら切 り離 し て 独 立 に と らえ て い て は,死

の 判 定 は で き な い.

個 体 全 体 を臓 器 ・器 官 の 集 合 か ら な る シ ス テ ム と して 把 握 す る な らば,心 液 循 環 の 維 持 と い う こ と に な る.す

臓 の機 能 は血

な わ ち,心 臓 の 拍 動 の停 止 とい う部 分 的 な と ら え 方

で は な く,血 液 循 環 の停 止 と い う個 体 レベ ル で の と ら え 方 が 死 の 判 定 条 件 に つ な が る. こ の よ うな と ら え 方 な し に,生

体 心 臓 を 人 工 心 臓 で 置 換 す る と,死 の 判 定 が お か し く な

る.

問4.1 

ヒ トの 心 臓 で は,左

右 二 つ の 心 室 が 直 列 に 血 液 循 環 回 路 に 組 み 込 まれ て い る .

流 入 して くる 流 量 が 増 加 す る と吐 出 流 量 も 増 加 す る こ とに よ っ て,左

右 の流 量が 等 し く

な る よ う に 制 御 さ れ て い る.ま

時 拍 動 数(70∼190

min-1)お

よ び1回

(5.5∼25l/min)を

た,式(4.1)で

拍 出 量(0 .08∼0.13l)を

示 さ れ る よ う に,分

増 減 さ せ る こ と に よ っ て,分

時拍 出流 量

増 減 させ,安 静 時 か ら運 動 時 に か け て,必 要 な 量 の 酸 素 を運 搬 して い

る.

問5.1 

静 脈 管 壁 は 変 形 性 が 大 き く,拡 張 す る とか な り多 くの 血 液 を静 脈 血 管 内 に 貯 留

で き る.リ

ン パ な どの 他 の 部 分 に 貯 留 さ れ る体 液 もあ る.血

に は 血 管 内 に 回 収 さ れ な い 体 液 も あ る.こ

管 壁 か ら しみ だ し て,す

れ ら の体 液 は,時

間 の ず れ を伴 っ て,ゆ

ぐ

っ く

り も ど っ て く る.し た が っ て,心 臓 か ら 送 り出 さ れ た 血 液 量 の分 だ け 直 ち に 心 臓 に も ど る わ け で は な い.

問6.1 

式(6.1)よ

り心 室 の 仕 事 率=心

  拍 出 流 量 を5.5l/minと も 等 し い.ま

た,動

し て,単

静 脈 圧 差 は,左

る と1.3×104Pa.右 Pa.ゆ

問7.1 

室 の 拍 出 流 量 × 動 静 脈 圧 差.

位 を 換 算 す る と9.2×10-5m3/s.こ 心 室 で は(100-3)=97mmHgと

心 室 で は(20-4)=16mmHgと

え に 仕 事 率 は 左 心 室 で は1．2W,右

式(7.3)を

  回 転 角 速 度2=遠

し て,単 心 室 で は0

れ は左右 心室 と し て ,単

位 を換算 す

位 を 換 算 す る と2 .1×103

.19W.

変 形 し て, 心 力 に よ る 加 速 度/回

  重 力 加 速 度 を9.8m/s2と

転 半径

し て,(9.8m/s2)×2260/0.22m=(317rad/s)2

  単 位 を 換 算 す る と,317rad/s=317×60/(2π)rpm=3000rpmす

な わ ち,毎

転 の 速 度 で 回 転 させ る こ と に な る.

問7.2 

式(7.4)よ

  浸 透 圧={モ

り,

ル/体 積}×

気 体 定 数 ×温 度

  陽 イ オ ン と 陰 イ オ ン の 両 者 の 和 が 浸 透 圧 に 寄 与 し て い る か ら,(0.151+0.151)mol/ l,  38℃=(273+38)K,以 38)=7.7気

圧,ま

上 の 値 と 気 体 定 数 を 代 入 し て,(0 た は 単 位 を 換 算 し て,5

.9×103mmHgま

.151+0.151)×0.082×(273+ た は7.6×105Pa

分3000回

問8.1 

式(8.13)よ

り,

  体 循 環 抵 抗={平

均 大 動 脈 圧-大

  平 均 大 動 脈 圧 を95mmHg,大  平 均 大 動 脈 圧-大

静 脈 圧}/心

拍 出量

静 脈 圧 を5mmHg,心

拍 出 量 を5.5l/minと

す る と,

静 脈 圧=95mmHg-5mmHg=90mmHg=90×1.3×102Pa

  心 拍 出 量 を 換 算 す る と,5.5l/min=5.5×10-3/60m3/s   体 循 環 抵 抗=(90×1.3×60/5.5)×105Pasm-3=1.3×108Pasm-3 =1

.3×108Nsm-5=1.3×108m-4kgs-1

  ま た は,1.3×103dynscm-5と

問8.2 

血 液 の 粘 性 係 数 は,温

係 数 に 比 例 して 大 き く な る.ま

い う単 位 も 医 学 で は よ く 用 い ら れ る.

度 が 低 く な る と,大

た,温 度 が 低 くな る と,血

血 管径 も収 縮 す る.血 管 抵 抗 は,血 管 径 の4乗 外 で は2乗

き くな る.血 液 循 環 の 抵 抗 は,粘

管 壁 の 筋 肉 の 収 縮 に よ っ て,

に 反 比 例 す る(厳 密 に はポ ア ズ イ ユ 流 れ 以

と4乗 の 間 の 値 を と る).

  粘 性 係 数 が 大 き くな る と,レ

イ ノル ズ 数 が 減 少 し,乱 流 が 発 生 しに く くな る.ま

た,

温 度 が 低 くな る と,組 織 で の 酸 素 消 費 量 が 減 少 す る.

問8.3 

密 度 ⇒ 質 量/長 さ3

 (1)

 代 表 長 さ⇒ 長 さ

 (2)

 代 表速 度⇒ 長 さ/時間

 (3)

 応 力⇒ 力/面 積

 (4)

 せ ん 断速 度⇒ 速 度/長 さ

 (5)

 力⇒ 質 量 ×加速 度 (4),(5),(6)を  

 (6)

用 い て,

粘 性 係 数 ⇒ 応 力/せ ん 断 速 度  ⇒{力/面 積}/｛ 速 度/長 さ}  ⇒[{質 量 ×加 速 度}/長 さ2]/[{長 さ/時 間}/長 さ]  ⇒[質 量 ×{長 さ/時 間2}/長 さ2]× 時 間   ⇒ 質 量/{時 間 × 長 さ}

(1),(2),(3),(7)を

  (7)

定 義 式 に 代 入 し て,

レ イ ノル ズ 数  

性

⇒{質 量/長 さ3}× 長 さ ×{長 さ/時 間}/[質 量/{時 間× 長 さ}]   ⇒{質 量/長 さ3｝×長 さ×{長 さ/時 間}×[{時  ⇒ 無 次 元

間× 長 さ}/質 量]

問9.1 

血 栓 形 成 促 進 の 例 と して は,血

小 板 の 凝 集 が 起 こ る と,血 小 板 第3因 が 促 進 され て,ト

小 板 凝 集 系 ・血 液 凝 固 系 な どが あ げ ら れ る.血

子 が 放 出 され,血

ロ ン ビ ン が 生 成 さ れ る と,血

液 凝 固 が 促 進 さ れ る.血

小 板 の 凝 集 が さ ら に促 進 さ れ る.ま

血 小 板 の 凝 集 が 起 こ る と,血 小 板 の 凝 集 自体 も促 進 され る.血 の 接 触,あ

  他 方,血

ィ ブ リ ノー ゲ ンが

栓 が 形 成 され る．

栓 形 成 抑 制 の 例 と して は,線

負 電 荷 表 面 との 接 触,あ

維 素 溶 解 系 が あ げ ら れ る.線 維 素 溶 解 系 で も,

る い は 組 織 損 傷 に よ っ て 反 応 が 開 始 す る.反 応 に よ っ て 生 成 さ

れ た プ ラ ス ミン は フ ィ ブ リ ン 凝 固 塊 を 溶 解 して フ ィ ブ リ ン体 分 解 産 物(FDP)を る． ま た,こ

問10.1赤

のFDPは

血 球1個

の 体 積 を体 積87μm3と

=体 =0

問10.2  そ100で

す る と,500万

個 の 体 積 の合 計 は

個

積87×10-9mm3×500×104個 .435mm2

対 す る 百 分 率 を 求 め る と,Ht=43.5%

ヒ トの タ ン パ ク分 子 を構 成 す る ア ミ ノ酸 は20種 あ る.し

生成す

血 栓 形 成 を 抑 制 す る.

体 積87μm3×500万

 この 体 積 の1mm3に

た,

液凝 固系 は負 電荷 表 面 と

るい は 組 織 損 傷 に よ っ て 反 応 が 開 始 す る.最 終 的 に は,フ

転 換 さ れ て フ ィ ブ リン が 生 成 さ れ,血

液凝 固

た が っ て,分

子 量 を100で

あ る が,1個

除 し た数 は,ア

の分 子量 は お よ

ミ ノ酸 が い くつ ぐら い 連 な

っ て い るか の 目安 と な る.  

64,500/100=645

  実 際 に は ヒ トヘ モ グ ロ ビ ン は574個

問10.3 

球 の 表 面 積 の 式(10.2)よ

り4×

の 半 径 に 対 応 す る 体 積 は 式(10.1)よ の 体 積87μm3(10.1節

問11.1 

参 照)よ

の ア ミノ 酸 か らな る.

円 周 率 × 半 径2=163,し

り(4/3)×

円 周 率 ×3.63=195,す

た が っ て 半 径=3.6,こ な わ ち,両

り 大 き い.

採 取 し た 血 液 の 全 体 積 は1ml=0.01dl 血 漿 の 体 積 は0.01dl×(1-40/100)=0.006dl 全 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度 が15ｇ/dl=15000mg/dlで

あ る か ら,

全 血 液 中 の ヘ モ グ ロ ビ ン の 質 量 は0.01dl×15000mg/dl=150mg 血 漿 中 の ヘ モ グ ロ ン の 質 量 は0.006dl×250mg/dl=1.5mg 1.5mg/150mg=0.01

凹円 盤型

  した が っ て,赤

血 球 外 に ほ出 て い る,す

な わ ち 血 漿 中 の ヘ モ グ ロ ビ ン は 全 体 のヘ モ グ ロ

ビ ンの1%

問12.1 

周 期=2π/ω.解

問13.1 υB−υAよ

答 図 に 示 す よ うに,三 角 関 数 の 級 数 で 周 期 関 数 を表 現 で き る.

り,図 の よ う に な る.υAお

図 波 形 の 成 り立 ち が 理 解 で き る.す

な わ ち,タ

よ びυBを 活 動 電 位 に 対 応 させ る と,心 電 イ ミン グ が ず れ て 電 位 変 化 が お こ る と,

2点 間 の 電 位 変 化 が 測 定 さ れ る.脱 分 極 の 順 番 と再 分 極 の 順 番 が 逆 転 して い る と,同 じ符 号 の 方 向 に 二 つ の 山 が 現 れ る.

文

1)  開 原 成 允:マ

献

イ コ ン に よ る 医 療 統 計 処 理,医

用 マ イ コ ン シ リー ズ(3),中

山 書 店,

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全 人 工 心 臓(TAH)開

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Cardiovasc.Surg.,47,

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Verbiski,N.,et.al.:Pulsatile

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the

Wankel

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血 管 壁collapse性

を 考 慮

イ オ レ オ ロ ジ ー,改

pump

based

on

the

principle

し た 拍 動 流 ポ ン プ の 静 脈 カ ニ ュ ー

訂 第4版,132-138,裳

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.J.

索

応 力 緩 和(stress

あ 行 ア ク チ ュ エ ー タ ー(actuator) 

21

ア シ ドー シ ス(acidosis)  ア デ ノ シ ン3リ

オ リ フ ィ ス(orifice) 

58

か 回 転 方 式(Wankel 解 剖 学(anatomy) 

8

ガ ウ ス分 布(Gaussian

distribution)

59

ア ン チ ト ロ ン ビ ン(antithrombin)  イ オ ン 積(ionic

80

product) 

113 閾値(threshold

加 速(acceleration) 

12,115

下 大 静 脈(inferior

移 植(transplantation) 

遺 伝 情 報(genetic

coding) 

bundle

11

branch) 

117

ventricle) 

右 心 房(right atrium) 

43

vena

44

カ ニ ュ ー レ(cannula) 

52 115

organ) 

circulation)  flow) 

器 官(organ) 

気 管 支 循 環(bronchial

エ チ レ ン ジ ア ミン 四 酢 酸

気 体(gas) 

circulation) 

遠 心 ポ ン プ(centrifugal

球 の 膨 潤 化(ball

27

往 復 ポ ン プ(reciprocating 65

Pump) 

50

凝 血(clot)  49

27

variance) 

境 界 層(boundary

59 pump) 

24

64

キ ャ ビ テ ー シ ョ ン(cavitation)  37

遠 心 分 離(centrifugation) 

応 力(stress)  

27

逆 流(regurgitation) 

84

遠 位(distal) 

39,44

8

壊 死(necrosis) 76

acid)

114 39,118

感 覚 器(sense

慣 性 流(inertial

64

  44

cava)

potential) 

冠 循 環(coronary

(ethylenediaminetetraacetic

82

カ テ ー テ ル(catheter) 

24

 3

45

活 動 電 位(action

42 volume) 

50

45

ド(cascade) 

channel) 

value) 

拍 出 量(stroke

pump) 

拡 張(diastole)  カ ス ケ ー

58

イ オ ン チ ャ ン ネ ル(ionic

 

行

82

ア ル カ ロ ー シ ス(alkalosis) 

液 体(liquid) 

30

ン 酸(adenosine

diphosphate) 

右 心 室(right

11

113

ア デ ノ シ ン2リ

右 脚(right

30

オ ー タ コ イ ド(autacoid) 

ン 酸(adenosine

triphosphate) 

1回

relaxation) 93

オ ク ル ー ダ ー(occluder) 

layer) 

31 109

76

狭 窄(stenosis)  鋸 歯 状 赤 血 球(crenated

46 cell) 

91

 

虚 脱(collapse) 

37,53

近 位(proximal) 

37

固 体(solid) 64 個 体 差(individuality) 

空 気 圧 駆 動(pneumatic

drive) 

ク エ ッ ト 流(Couette ク エ ン酸 ナ

51

flow) 

固 定 レ ー

66

ト リ ウ ム(sodium

rate

type) 

コ ン ト ロ ー ラ ー(controller) 

119 21

コ ン ト ロ ー ル(control) 

citrate)

 84

1

コ ン プ ラ イ ア ン ス(compliance) 

系(system) 

8

傾 斜 デ ィ ス ク 弁(tilting

disc

経 皮 的(percutaneous) 

再 修 復(reseal) 

再分

pressure) 

44

血 液 凝 固(coagulation) 

80

55

血 小 板 凝 集(platelet

aggregation) 

device)  82

血 漿 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度(plasma 98

  76 model) 93

限 外 濾 過(ultrafiltration) 

62,83

抗 血 栓 性(antithrombogenicity) 

osmotic 

solution) 

交 流(alternating

61

current) 

ゴ ー ス ト(ghost) 

105

97

viscera

47 56 30

シ ナ プ ス(synapse) 

収 縮(systole) 

45

six

entrails)

transport) 

受 容 者(recipient) 

静 脈(vein) 

113

42

上 大 静 脈(superior 8

115 38

樹 状 突 起(dendrites) 115 受 動 輸 送(passive

and

8

仕 事 率(power) 

シ ャ ン 卜(shunt) 

76

高 張 液(hypertonic

個 体(individual) 

7

117

47,65

支 柱(strut) 

polymer) 

梗 塞(infarction) 

system) 

47

脂 質(lipids) 

61

合 成 高 分 子(synthetic

五 臓 六腑(five

colloid

116 103

76

仕 事(work)  84

pressure,

pressure) 

flow) 

migration) 

次 元(dimension) 

抗 凝 血 剤(anticoagulants) 

29,44 process,axon)

止 血(hemostasis) 

45

膠 質 浸 透 圧(oncotic

44

valve) 

刺 激 伝 導 系(conduction

29

assist

115

軸 集 中(axial

15

tendinea) 

減 速(deceleration) 

atrium) 

軸 索 流(axoplasmic

・モ デ ル(Kelvin

腱 索(chorda

左 心 房(left

ventricular

軸 索 突 起(axis-cylinder

56

血 栓(thrombus)  ケ ル ビ ン

43

42

三 尖 弁(tricuspid

concentration) 

血 清(serum) 

branch) 117

ventricle) 

左 心 室 補 助 装 置(left

血 小 板(platelet) 

hemoglobin

bundle

左 心 室(left

55

114

7

左 脚(1eft 4

116

極(repolarization) 

細 胞(cell) 

血 液 レ オ ロ ジ ー(hemorheology)  血 漿(plasma) 

97

細 動(fibrillation)  50

53,64

さ 行

31

30

ケ ー シ ン グ(casing)  血 圧(blood

valve)  40

ケ ー ジ(cage) 

 

2

ト 型(fixed

22

vena

cava) 

44

静 脈 帰 来 量(venous 静 脈 血(venous

retum) 

blood) 

rheoscope) 

37

静 止 電 位(resting potential) 

22

静 脈 一動 脈 バ イ パ ス(veno-arterial  

静 水 圧(hydrostatic

bypass)

40

心 音(heart

17

sounds) 

神 経 単 位(nerve

blood) 

 14,77

 15

prosthesis)

gas

lung,blood

exchanger) 

全 人 工 心 臓(total

46 device)

40 心 周期(cardiac

cycle) 

心 電 図(electrocardiogram)  浸 透 圧(osmotic 心 拍 出 量(cardiac

116

pressure)  output) 

水 素 イ オ ン 指 数(hydrogen

ion

臓 器 灌 流(organ

perfusion) 

60

層 流(laminar

22

塞 栓(embolus)  組 織(tissue) 

  58

水 頭 症(hydrocephalus)  ス ク リ ュ ー ポ ン プ(screw

pump) 

49 law

24

生 化 学(biochemistry) 

48

protein) 

valve) 

55

29,44

flow) 

79 76

8

体 外 装 着 型 模 型 人 工 肺(extracorporeal

of

membrane 退 縮(retraction) 

8

正 逆 回 転 レ オ ス コ ー プ(counter

1

た 行

38

ス ター リ ン グ の 心 臓 の 法 則(Starling heart) 

term)  8

僧 帽 弁(mitral

exponent)

hemoglobin

臓 器(organ) 

総 タ ン パ ク 濃 度(total

45

48

66

98

専 門 用 語(technical

assist

heart) 

rate) 

 concentration) 

110

心 室 補 助 装 置(ventricular

the

artificial

全 ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度(total

oxygenator,

murmur) 

83 21

せ ん 断 速 度(shear

心 雑 音(heart

 

セ ン サ ー(sensor) 

30

人 工 肺(artificial

59,82

線 維 素 溶 解(fibrinolysin) 

8

valve

cell)

82

線 維 素 原(fibrinogen) 

人 工 生 命(artificial life) 

 

blood

線 維 素(fibrin) 

pancreas)

61

  55,88

40

人 工 の 心 臓 弁(heart

solution) 

赤 血 球(erythrocyte,red 15

人 工 心 肺(heart-lungmachine,

人 工 膵 臓(artificial

8

生 理 食 塩 水(saline

17 kidney) 

oxygenator) 

16

生 理 学(physiology) 

61

prosthesis)

人 工 腎 臓(artificial

16

生 体 内 外 交 通(ex vivo) 

15

人 工 呼 吸 器(respirator) 

engineering)

5

生 体 内(in vivo) 

14

人 工 血 液(artificial 人 工 血 管(vascular

 

115

prosthesis)  liver) 

7

生 体 シ ス テ ム 工 学(bisystems

115

人.工 肝 臓(artificial

11

生 体 高 分 子(biopolymer) 

神 経 伝 達 物 質(neurotransmitter)  人 工 関 節(joint

37

16

生 体 恒 常 性(homeostasis) 

46

unit) 

114

pressure) 

生 体 外(in vitro) 

植 物 人 間(vegetable) 

pump

93

oxygenator) 

111

76

体 循 環(systemic circulation) 

rotating

大 腿 動 脈(femoral

artery) 

22 39

65  

大 動 脈(aorta) 

39,44

動 脈 血(arterial

balloon

pumping) 

大 動 脈 弁(aortic

ドナ ー(donor) 

39

valve) 

23

42 81

トロ ン ボ エ ラ ス トグ ラ フ ィ ー

49 organism) 

脱 分 極(depolarization) 

22 effect) 

トロ ン ビ ン(thrombin) 

28,44

ダ イ ヤ フ ラ ム(diaphragm)  多 細 胞 生 物(multicellular

blood) 

ド ッ プ ラ ー 効 果(Doppler

大 動 脈 内 バ ル ー ン ポ ン ピ ン グ(intra-aortic

9

  85

(thromboelastography)

114

な 行

タ ン ク ト レ ッ ド運 動(tank-treading motion) 

102

乳 頭 筋(papillary

単 細 胞 生 物(unicellular

organism) 

弾 性(elasticity)  弾 性 率(modulus

of

elasticity) 

単 量 体(monomer)  37

nerve) 

current) 

115

脳 死(brain

105

脳 波(brain

16

  18

17

waves,

113

electroencephalogram)

は

行

68 flow,stationary

バ イ オ エ レ ク ト ロ ニ ク ス(bioelectronics)

flow)

  valve) 

低 張 液(hypotonic

4

バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー(biotechnology) 

30

solution) 

4

バ イ オ マ テ リ ア ル ズ(biomaterials) 

61

デ オ キ シ リ ボ 核 酸(deoxyribonucleic

acid)

4

バ イ オ メ カ ニ ク ス(biomechanics) 

4

バ イ オ メ カ ニ ズ ム(biomechanism) 

11

適 応(adaptation) 

type) 

電 気 泳 動(electrophoresis)  電 磁 流 量 計(electromagnetic

肺 循 環(pulmonary

circulation) 

55

肺 静 脈(pulmonary

vein) 

肺 動 脈(pulmonary

artery) 

flowmeter)

肺 動 脈 弁(pulmonary

同 期 型(synchronous

拍 動 数(pulse

type) 119

15

洞 房 結 節(sino-auricular 22

 

116

橋 渡 し(bridge)  白血 球(leukocyte) 

44

  28,44

24

flow) 

拍 動 流 ポ ン プ(pulsatile node) 

22 44

valve)

rate) 

拍 動 流(pulsatile

56

透 析(dialysis) 

 4

119

 23

糖 質(carbohydrate) 

4

バ イ オ レ オ ロ ジ ー(biorheology) 

9

デ マ ン ド 型(demand

動 脈(artery) 

viscosity)

transport) 

42

  105

 

of

death) 

能 動 輸 送(active

使 い 捨 て(disposable) 

デ ィ ス ク 弁(disc

31

65

粘 性 係 数(coefficient

sound) 23

抵 抗(resistance) 

carbon) 

粘性 (viscosity) 

粘 弾 性(viscoelasticity) 93

中 枢 神 経(central

提 供 者(donor) 

29 fluid) 65 115

熱 分 解 炭 素(pyrolytic

7

中 枢(central) 

定 常 流(steady

64

7

超 音 波(ultrasonic

muscle) 

ト ン 流 体(Newtonian

ニ ユ ー ロ ン(neurone) 

64

タ ン パ ク 質(protein) 

直 流(direct

9

ニ ュ ー

106 pump) 

42 55

41

 69

羽 根 車(impeller) 

50,

半 月 弁(semilunar

108

分 時 拍 出 量(cardiac

valve) 28

半 透 膜(semi-permeable

membrane)

分 子 量 分 布(molecular

  60 of

His) 

ひ ず み(strain) 

非 ニ ュ ー

of

7

ぺ ー一ス メ ー カ ー(pacemaker) 

117

ペ ー ハ ー(pH) 

65

ひ ず み 速 度(rate

strain) 

65

ト ン 流 体(non-Newtonian

fluid)

被 覆 布 摩 耗(cloth

ヘ パ

リ ン(heparin) 

ヘ マ

ト ク リ ッ ト(hematocrit) 

wear) 

84 36,59

標 準 偏 差(standard

deviation) 

3

concentration) 

   34

2

ヘ

疲 労(fatigue) 

95

ベ ロ ー ズ(bellows) 

34,103

変 形 性(compliance) 

貧 血(anemia) 

ド バ ッ ク 制 御(feedback

contro

弁 座(valve

フ ィ プ リ ノ ー一ゲ ン(fibrinogen) 

59,82

fibrinogen

27

21

seat) 

30

29

弁 葉(leaflet) 

29

ポ ア ズ イ ユ 流(Poiseuille

and

degradation

11

37,53

弁 尖(cusp) 

77,82

フ ィ ブ リ ン 体 分 解 産 物(fibrin

products)

flow)

房 室 結 節(atrioventricular

83

node) 

房 室 束(auriculoventricular

不 応 期(refractory

period) 

腹 腔(abdominal

model) 

cavity) 

浮 腫(edema) 

 

115

フ ォ ー ク ト ・モ デ ル(Voigt

93

38

フ ッ ク 弾 性(Hookean

elasticity) 

65

27

69

vapor

1 analysis) 

106

42

assist

valve) 

30

10

分 子 生 物 学(molecular

bioloy) 

11

 117 ま

21

分 化(differentiation) 

device)

80

ボ ー ル 弁(ball

ホ ル モ ン(hormone) 

fiber)

39

41

補 体(complement) 

pressure) 

pressure)

assist) 

補 助 人 工 心 臓(ventricular  

フ ー リェ 解 析(Fourier

プ ル キ ン エ 線 維(Purkinje

1

補 助 循 環(circulatory

plate) 

プ ラ ズ マ(plasma) 

28

91

  27

9

プ ッ シ ャ ー プ レ ー ト(pusher プ ラ グ 流(plug flow) 

valve)  cell) 

飽 和 蒸 気 圧(saturated

物 質 代 謝(metabolism) 

ブ リ ッ ジ(bridge) 

117

房 室 弁(atrioventricular

法 則(law)  117

117

bundle)

膨 潤 赤 血 球(swollen

61

不 整 脈(arrhythmia) 

分 圧(partial

リ ッ ク ス(helix) 

偏 差(deviation) 

21

フ ィ ブ リ ン(fibrin) 

62,90

ヘ モ グ ロ ビ ン 濃 度(hemoglobin

31

標 本(sample) 

 

116

58

ヘ モ グ ロ ビ ン(hemoglobin) 

  67

l)  

volume)

weight

distribution) 

ヒ ス 束(bundle

フ ィ ー

minute

 24

マ ッ ク ス ウ ェ ル 8

 93

行

・ モ デ ル(Maxwell

model)

末 梢(peripheral) 

レ シ ピ エ ン ト(recipient) 

14,37

摩 耗(wear) 

31

脈 流(pulsating

flow,pulsating

 

current)

連 銭(rouleaux) 

67

濾 過(filtration) 

15

ロ ー ラ ー ポ ン プ(roller

106

免 疫(immunity) 

6

毛 細 血 管(capillary)  16 や

行

溶 血(hemdysis) 

揚 程(pressure

ADP(adenosine

diphosphate) 

ATP(adenosine

triphosphate) 

DNA(deoxyribonucleic

 49

anemia) 

103

13

  82 113

acid) 

ECMO(extracorporeal

97

溶 血 性 貧 血(hemolytic 要 素(element) 

pump)

英 字

35

元 の 位 置(in situ) 

42

11

membrane

oxygenation) 

111

EDTA(ethylenediaminetetraacetic

head) 

25

acid)

  84 ex vivo   16

ら 落 差(head

drop) 

らせ ん(helix) 

37

flow) 

73

 

fibrinogen

degradation

83 balloon

pumping)

39in situ

105

 16

64

in vitro  

rate) 25

16

in vivo   16

リン ゲ ル 液(Ringer リン パ(lymph) 

and

  products)  lABP(intra-aortic

流 線(streamline) 

流 量(flow

FDP(fibrin

11

乱 流(turbulent

流 体(fluid) 

行

solution) 

61

LVAD(left

37

レ イ ノ ル ズ 数(Reynolds

 

number) 

レ オ ス コ ー プ(rheoscope) 93 レ オ ロ ジ ー(rheology) 

72

V-Aバ  

4

ventricular

assist

device)

42 イ パ ス(veno-arterial

bypass)

40

VAD(ventricular

assist

device) 

40

〈著 者紹 介 〉

橋 本

成 広

学 歴   ベ ル リン 自由大 学 人工 心 臓研 究所 に て 研修(1977) 東 京工 業大 学 工 学部 機 械 物理 工 学 科 卒 業(1979) 東京工業大学大学院理工 学研 究科生産機械 工学専攻修 士課程修 了(198 1)医学 博士 ・工 学博 士 職 歴  北 里 大学 医学 部専 任 講 師(1989) 大 阪 工業 大 学工 学 部 電 子工 学 科 助教 授(1994 )東 京 工業 大 学大 学 院 非常 勤講 師 関 西 医科 大 学非 常 勤 講 師 現 在 に至 る 専 門分 野   生体 医 工学,人 工臓 器

理工学講座 生体 システムエ学入 門 1996年9月30日

  第1版1刷

発行

著

者 橋 本 成 広

発行者  学校 法人 東 京 電 機 大 学 代 表 者 廣 川 利 男

発行所 東 京 電 機大学 出版 局 〒101 東 京 都 千 代 田 区 神 田 錦 町2-2 振 替 口座  00160-5-  71715 電 話(03)5280-3433(営

業)

(03)5280-3422(編

印刷 三立工芸㈱ 製本 ㈱徳住 製本所

〓S higehiro

Hashimoto

Printed in Japan *無 断 で 転 載 す る こ と を 禁 じ ます 。 *落 丁 ・乱 丁 本 は お 取 替 え い た し ま す 。 ISBN 

4-501-31850-3 

C3055

R〈日 本 複 写 権 セ ン タ ー 委 託 出 版 物 〉

1996

集)

デー タ解 析 ・信号 処理 関連 図書 数 理 科 学 セ ミナ ー ウ ェ ー ブ レ ッ

数理 科学 セ ミナー ト入 門

チ ャー ル ズK.チ ュ ウ イ著  桜 井/新 井 共 訳 A5判  306頁 フー リエ解 析の欠点 を補 う強力 な手段 として,ウ ェー ブ レッ ト解析が数学,物 理の基礎研究 か ら信 号処 理, 情報等の工学的 な応用 まで,あ らゆ る分野 で話題で ある。 その基礎的知識 を与える待 望の入 門書。

ウ ェー ヴ レ ッ トビ ギ ナ ー ズ ガ イ ド CD-ROM(Mathematicaプ ログ ラム)付 榊原  進 著 A5判  242頁 理工系大学高学年 の教科 書と して,さ らに信 号処理 やデータ解析エンジニア を対 象に,応 用 を 目標 とし た ウェーブ レッ トの入門書。

情報科学セミナー ス プ ラ イ ン関 数 入 門

数理科学セ ミナー

桜 井   明 編 著 A5判   184頁

遠 藤  靖 著 A5判  218頁

任意 の点を滑 らかに結ぶ 曲線 を描 くスプ ライ ン関数 は,デ ー タ解析や 処理,コ ンピュー タグラフ ィック にと幅広 い分 野で活用 され ている。 基礎理論や 初歩 的 な性質 か ら応 用ま でわ か りや す く解説 した。

ウォル シュ解 析は,PCM信 号等 の離散 デー タの解 析 に最適 であ り,過 渡的 ・衝撃的現象や 脳波等の解 析 に も応用 され ている。 このデ ジクル 時代にふ さわ しい ウォル シュ解析 の基礎理論 を解説 した。

ビギナーズ デジ タル信 号処 理 中村 尚五 著 A5判  192頁 デ ジタル信号処理 を入 門者に も分 かるよ うにていね いに解説 した シ リー ズ三部作の第一 弾。 デジタル信 号処理 の基本概念 にっいて,信 号 を時 間の世界で処 理す ることを中心 に,て いねいに解説 した。

ウ オル シ ュ解 析

情 報 科 学 セ ミナ ー マ ル チ ス プ ラ イ ン チャ ール ズK.チ ュ ウ イ著   桜井/新 井 共 訳 A5判  210頁 80年 代以降,多 変数スプ ライ ン(マ ルチスプライン) の研究が本格化 し,め ざま しい発展 をとげ大 きな分 野 となった。高次元のデータ処理や3次 元CAD.等 の 応用に向けて,最 新の理論 を解説 した。

ビギナーズ

ビギナーズ

デ ジ タ ル フー リエ 変 換

デ ジ タ ル フ ィル タ

中村 尚五 著 A5判  200頁

中 村 尚 五 著 A5判   192頁

フー リエ変換 を用い,周 波数 の世界にお ける信号 処 理 を取 り上げる。DFT,FFTの 原理 を詳 しく説明 し た後,FFTの 応用例 を解説 した。特 に数 式の展開は 工科系の学生に も理解 できるよ うにていね いに した。

デ ジ タル フィル タ の原 理 を理 解 し,読 者 が 必 要 に応 じて 開発 で き る こ とを 目標 に した。 具 体 的 な シ ス テ ム を応 用例 に あ げ,ソ フ トウ ェ ア と ハ ー ドウ ェ ア を

ユーザ ー ズ

ブ ラ ク テ ィス

デ ィ ジ タ ル 信 号 処 理

デ ジ タ ル 信 号 処 理

江 原 義郎 著 AB判  208頁

イブ ・トー マ ス/中 村 尚五 著 A5判  216頁 基本 となってい る例題 を繰 り返 し演習 するこ とに よ り,効率 よくデジタル信 号処 理を学べるよ うに編集。 大学の演習のみ ならず,関 係 技術に携わ るエンジニ アや基礎知職のあ る人向 けの入 門書で ある。

これか らデ ィジタル信号処理 を学 ぼ うとする者,あ るいは現在,特 に この分野の知識 な しに信 号の処理 を行 ってい る信 号処 理シ ステ ムのユー ザー やエ ンジ ニ アを対象 と した入門書であ る。

含 め解 説 した。

*定 価,図 書 目録 のお問い合わせ ・ご要望は出版局までお願い致 します.

 

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