死腔と呼吸効率シミュレーターDead Space & Breathing Efficiency Simulator

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 「500 mLを1分間に12回」吸う呼吸と、「250 mLを1分間に24回」吸う呼吸では、どちらも1分間に6.0 Lの空気を出し入れします。肺胞に届く新鮮な空気の量は同じだと思いますか。Breathing 500 mL 12 times a minute and breathing 250 mL 24 times a minute both move 6.0 L of air per minute. Do you think the same amount of fresh air reaches the alveoli in both cases?💡 息を吸いはじめたとき、口から肺胞までの通り道（気管・気管支）には、直前にはき出しかけた空気が残っていることを考えましょう。Think about what is still sitting in the airway (trachea and bronchi) between the mouth and the alveoli at the moment you start to breathe in.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態（「安静時」500 mL × 12回）で肺の模式図を観察し、吸気のときにまず灰色の粒子（古い空気）が肺胞に入り、そのあとに青い粒子（新鮮な外気）が入ることを確かめる。吸気が終わったときに、気管の横の「肺胞に入った空気(この呼吸)」に出る古い空気・新鮮な空気の量を読む。In the starting state ("At rest" 500 mL × 12/min), watch the lung diagram: on each inhale the gray particles (old air) enter the alveoli first, followed by the blue particles (fresh air). At the end of an inhale, read the amounts of old air and fresh air under "Air into alveoli (this breath)" next to the trachea.
2. 上部の「分時換気量」と「分時肺胞換気量」の値、および比較グラフの2本の棒と「肺胞に届く割合」を読む。Read the "Minute ventilation" and "Alveolar ventilation" values at the top, along with the two bars in the comparison graph and the "Reaches alveoli" percentage.
3. 「浅く速く」（250 mL × 24回）ボタンを押し、同じ値と、肺の容量の波形で死腔150 mLの線を超える部分（青）の大きさを「安静時」と比べる。Press the "Shallow & fast" (250 mL × 24/min) button and compare the same values, and the size of the part of the lung volume wave above the 150 mL dead-space line (blue), with "At rest".
4. 「1回換気量」スライダーを 150 mL 以下（例：140 mL）まで下げ、分時肺胞換気量の値と画面に出る警告を確かめる。Lower the "Tidal volume" slider to 150 mL or less (for example 140 mL) and check the alveolar ventilation value and the warning that appears.
5. 分時換気量が 6.0 L/分になる別の組み合わせ（例：「1回換気量」750 mL・「呼吸数」8 回/分、300 mL・20 回/分）を作り、分時肺胞換気量を比べる。Make other combinations that give a minute ventilation of 6.0 L/min (for example "Tidal volume" 750 mL with "Breathing rate" 8 /min, or 300 mL with 20 /min) and compare their alveolar ventilation.

3確かめようCheck

1. 「安静時」で1回の吸気が終わったとき、肺胞に入った古い空気と新鮮な空気はそれぞれ何 mL でしたか。In "At rest", how many mL of old air and of fresh air entered the alveoli by the end of one inhale?→ 古い空気（死腔に残っていた空気）が 150 mL、新鮮な空気が 350 mL だった。500 mL のうち 150 mL を超えた分だけが新鮮な空気として肺胞に届く。150 mL of old air (the air left in the dead space) and 350 mL of fresh air. Of the 500 mL, only the part above 150 mL reaches the alveoli as fresh air.
2. 「安静時」と「浅く速く」で、分時換気量と分時肺胞換気量はそれぞれいくつでしたか。What were the minute ventilation and the alveolar ventilation for "At rest" and for "Shallow & fast"?→ 分時換気量はどちらも 6.0 L/分だが、分時肺胞換気量は「安静時」が 4.2 L/分（届く割合 70%）、「浅く速く」が 2.4 L/分（40%）だった。Minute ventilation was 6.0 L/min for both, but alveolar ventilation was 4.2 L/min for "At rest" (70% reaches the alveoli) and only 2.4 L/min for "Shallow & fast" (40%).
3. 「1回換気量」を 140 mL にしたとき、分時肺胞換気量と画面の表示はどうなりましたか。When "Tidal volume" was set to 140 mL, what happened to the alveolar ventilation and the display?→ 分時肺胞換気量は 0.0 L/分（マイナスにはならない）になり、「新鮮な空気が肺胞にほぼ届かず、ガス交換ができません」という警告が表示された。Alveolar ventilation became 0.0 L/min (never negative), and a warning appeared saying that almost no fresh air reaches the alveoli and gas exchange cannot happen.
4. 分時換気量が同じ 6.0 L/分でも、750 mL × 8回と 300 mL × 20回では分時肺胞換気量はいくつでしたか。With the same minute ventilation of 6.0 L/min, what was the alveolar ventilation for 750 mL × 8 and for 300 mL × 20?→ 750 mL × 8回では 4.8 L/分、300 mL × 20回では 3.0 L/分だった。1回の呼吸が深いほど死腔の割合が小さくなり、肺胞に届く空気が多くなる。4.8 L/min for 750 mL × 8 and 3.0 L/min for 300 mL × 20. The deeper each breath, the smaller the share taken up by dead space, and the more air reaches the alveoli.

4考えようThink further

1. 呼吸数を増やすと分時換気量は増えるのに、「浅く速い」呼吸では肺胞に届く空気が少なくなるのはなぜですか。Increasing the breathing rate increases minute ventilation, so why does shallow, fast breathing deliver less air to the alveoli?→ 1回の呼吸ごとに死腔の 150 mL ぶんは必ず肺胞に届かずに無駄になるので、呼吸の回数が多いほど無駄になる量も増える。1回換気量が小さいと、その中で死腔が占める割合が大きくなるため、肺胞に届く空気の割合が下がる。Every breath wastes the 150 mL of dead space, so the more breaths you take, the more air is wasted. When the tidal volume is small, the dead space takes up a larger share of each breath, so a smaller fraction reaches the alveoli.
2. シュノーケルを使って水中で呼吸すると息苦しく感じやすいのはなぜでしょうか。死腔の考え方を使って説明しなさい。Why does breathing through a snorkel tend to make people feel short of breath? Explain using the idea of dead space.→ シュノーケルの管の中の空気も肺胞に届かない死腔となり、死腔が 150 mL より大きくなるので、同じ深さの呼吸でも肺胞に届く新鮮な空気が減るから。いつもより深く呼吸する必要がある（このシミュレーターでは死腔は150 mLで一定なので、計算で考える）。The air inside the snorkel tube also becomes dead space that never reaches the alveoli, so the total dead space is larger than 150 mL and less fresh air reaches the alveoli for the same breath. You must breathe more deeply than usual. (In this simulator dead space is fixed at 150 mL, so work this out with the formula.)

よくある誤解Common misconceptions

• 「吸いこんだ空気はすべて肺胞に届いてガス交換に使われる」という考え。実際には気管・気管支に残る約150 mLは肺胞に届かず、ガス交換に使われない。The idea that all inhaled air reaches the alveoli and is used for gas exchange. In fact about 150 mL left in the trachea and bronchi never reaches the alveoli and is not used for gas exchange.
• 「速く呼吸すればするほど、たくさん酸素を取りこめる」という考え。1回換気量が小さいままだと、回数を増やしても死腔ぶんの無駄が増えるだけで、肺胞に届く空気はあまり増えない。The idea that breathing faster always brings in more oxygen. If each breath stays shallow, extra breaths mostly add wasted dead-space air, and the air reaching the alveoli hardly increases.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)