スポーツと肺機能

は じ め に 2020 年を席巻した，コミック「鬼滅の刃」1）_は主人公 が「全集中の呼吸」により，自己の中から潜在能力を引 き出し，強力な鬼と戦うというストーリーで，広い年齢 層に，身体能力と呼吸の関係に思いを巡らせる機会を提 供した．呼吸が身体活動に影響を及ぼすことは，呼吸に よって体に取り込まれる酸素が組織を構成する細胞の活 動を維持していることにより容易に理解できる． 鬼と戦うまでもなく，日常的に運動やスポーツを行う ことは健康維持，身体能力の向上のみならず，精神的な 面でも有用である．呼吸とスポーツの関係を知って，個 人の身体能力や，好みにあった運動を継続することで， 心身両面におけるスポーツの効用を高めることができる． ＜運動時の呼吸＞ 体の組織に酸素を供給するシステムは，呼吸と循環に よる．吸気によって酸素を肺胞へ送り込み，血液中に取 り込む．次に心臓のポンプ作用で末梢の呼吸筋内のミト コンドリアに運び，エネルギー利用する．この時に産生 された二酸化炭素を逆のルート（血液中から肺胞へ）で 輸送し，排出している2）_{(Fig. 1)．} 安静時には吸った酸素と吐いた二酸化炭素はほぼ一定 であるが，運動を開始するとエネルギー需要が増大し， より多くの酸素が必要となる．この過程で，呼吸循環能 が運動に即座に対応できないため一時的に酸素需要が酸 素摂取量を上回る「初期酸素負債」状態となる．徐々に 吸気を増やしてより多くの酸素を取り込むと，より多く の二酸化炭素を排出し，定常状態となる．運動量が激し くなければ，定常状態での長時間の運動が可能である． 運動を継続した場合，換気量，酸素摂取量，二酸化炭素 排出量は直線的に増大していく．さらに，運動強度が上 がり，負荷が最大運動能力の50％を超えるとエネルギー としてのATP 産生に見合う酸素の供給ができないレベ ルになる．筋肉内での代謝は好気的解糖から嫌気的解糖 が加わり，血中に乳酸が産出される（乳酸閾値 Lactate thereshold: LT）．筋肉中で増加した乳酸は HCO3−と結び ついてCO2とH2O に分解，CO2は呼吸によって排出さ れる．LT を超えた嫌気性解糖では酸素摂取量の増加に 比べ，CO2排出量がさらに増大し，酸素と二酸化炭素の 比率が変化し，ガス交換比＝CO2排出量／酸素摂取量： R 値が上昇する．呼気から CO2排泄をより促すのため

分時換気量minute ventilation volume (V̇E) の増加をもた らす．換気量は運動強度により最大努力性換気量 (max-imum volume ventilation: MVV) まで増加する．つまり， 呼吸回数を増加させて，酸素負債を軽減させることで，  　「医学とスポーツ」

スポーツと肺機能

伊  藤  玲  子

日本大学医学部内科学系呼吸器内科学分野

Sports and Pulmonary Function

Reiko I

Department of Internal Medicine, Division of Respiratory Medicine, Nihon University School of Medicine

It is expected that knowledge on the relationship between respiration and sports is beneficial for promoting both physical and mental health. With that knowledge, we can learn to exercise effectively every day. We supply oxy-gen to tissues by breathing. During exercise, respiration and circulation work closely together to carry oxyoxy-gen to the mitochondria in muscles to generate energy. Exercise increases oxygen demand and carbon dioxide emissions. We increase the minute ventilation volume (MVV), thereby increasing V̇O2 (oxygen consumption) as the exercise intensity increases. Endurance athletes exhibit higher levels of these parameters. MVV (maximum voluntary ven-tilation), which is a parameter used for evaluating the strength and endurance of inspiratory and expiratory mus-cles, improves after strength training. Strength training is thought to be effective in increasing the strength of the respiratory muscles. The combination of endurance training and strength training can improve lung function. Not only strengthening the respiratory muscles but also increasing the elastic contraction force of the lungs by training can improve respiratory ability. There are diseases in which sports affect lung function. Attention should be paid to exercise-induced asthma, vocal cord dysfunction, and COPD (chronic obstructive disease).

Key words:  pulmonary function, sports, respiratory muscle, oxygen uptake, gas exchange 肺機能，スポーツ，呼吸筋，酸素摂取量，ガス交換

(J. Nihon Univ. Med. Ass., 2021; 80 (1): 21–25)

酸素摂取量の増大につながっている3）_{．乳酸は筋肉に蓄} 積され，筋肉量が多いほど乳酸蓄積に耐えうるとされて いる． 運動時の肺気量分画の変化をFig. 2 に示す．運動によ り，一回換気量 (tidal volume: TV) は代謝の増大に見合っ て最大2L 程度まで増大する．これに伴って，予備吸気

量 (inspiratory reserve volume: IRV)，予備呼気量 (expiratory reserve volume: ERV) は減少する．VC は VT + IRV + ERV で測定される．高齢者や拘束性呼吸機能障害がある場合 には，VC が低下しているため，TV の予備能が低下し ており，運動時のTV 増加量も減少する．また，肺活量 を決定する因子の一つに肺の弾性収縮力がある．肺の弾 性収縮力は加齢により低下していくため，一回換気量も 低下する． 運動負荷時の換気量は3 つの相で反応する． Ⅰ相  中枢神経調節を受ける．運動開始直後∼30 秒 程度． Ⅱ相  換気量が増大する（組織の酸素需要に応答し て）．2 ∼ 3 分間． Ⅲ相 換気量が一定となる． 負荷中止時には急激に換気量が低下し，その後ゆっく りと運動前の換気量に戻っていく3）_． ＜トレーニングが肺気量に与える変化＞ 正常な安静呼吸では，吸気は主に横隔膜の収縮によっ て行われ，一部外肋間筋も使用される．呼気は筋肉を用 いず，伸展された肺が受動的に元に戻ることにより行わ れる．年齢と身長で規定されるVC は全身トレーニング を行っても変化しない．一方，努力呼吸の際には，吸気 時には胸鎖乳突筋，前，中，後斜角筋が用いられ，呼気 時には呼吸補助筋である内斜角筋，腹直筋，内，外腹斜 筋が用いられている．もともとVC が低下している高齢 者では呼吸筋の収縮力を増大させるとVC が増大する4）_． 特に，肺気腫では肺弾性収縮力の低下により肺は過膨脹 し，胸郭の変形に加え呼吸苦などのストレスにより呼吸 筋の過緊張状態の持続が胸郭の可動制限につながってい る．このことから，トレーニングにより呼吸筋の筋力強 化というより，肺の弾性収縮力が増大することで一回換 気量が増大し，運動時の呼吸能力の増大につながると考 えられる．しばしば外来で患者に問われる「肺活量を鍛 えることはできますか？」の答えは「呼吸リハビリに より胸郭可動性の改善を図ることにより，VC が改善す Fig. 1 The mechanism of breathing during exercise.

V̇O2 oxygen consumption: 酸素摂取量

V̇CO2 carbon dioxide production：二酸化炭素産生量

Q̇O2 骨格筋における酸素消費量

Q̇CO2 骨格筋における二酸化炭素産生量

文献2 をもとに筆者が作図

Fig. 2 Changes in lung volume fraction.

る．」である． 一方，健常者では残気量 (residual volume: RV) は運動 によって変化しない．RV の増加は換気効率の低下から， 運動能力の低下につながる．RV は肺，胸郭の弾性力， 呼吸筋の収縮力，気道閉塞によって変化するが，加齢に よるこれら要素の機能低下はトレーニングによってある 程度回復するが，限度がある5）_． 最大分時換気量 (V̇E max) は運動時の呼吸回数の増加 に影響される．成人男性で20 L/min 程度になる．分時 換気量が増加すると有効換気が減少してガス交換効率は 低下する．最大努力換気量 (MVV) の 50∼80％程度であ り，残りの20∼50％が呼吸予備能である．運動時に分 時換気量が増大するのは，トレーニングによりこの予備 換気能力を運動時に利用できるようになるためと考えら れている． ＜トレーニング中の酸素摂取＞

1 分間に摂取される酸素量 (oxygen consumption: V̇O2)

は成人男性では4.0∼4.5 ml/kg/min，成人女性では 3.5∼ 4.0 ml/kg/min である．運動強度の増大とともに酸素摂 取量も増大するが，運動強度が高まると酸素摂取量が それ以上増大しなくなる．この時の値を最大酸素摂取 量 (V̇O2max) という．持久性トレーニングにより最大酸 素摂取量は10∼20％増加する．トレーニングの効果は 筋肉への血流増加と酸素供給量の増大が関与し，心拍 出量の増大も影響して，酸素解離曲線は右にシフトし て，組織での酸素拡散能が増大する．トレーニングには V̇O2max の 60％以上での運動強度が必要であるが，もと もとのV̇O2max が低い人では強度も低いトレーニングで 効果がある．V̇O2max が大きいほど持久性運動能力に優 れていると言える．トップアスリートの最大酸素摂取量 は一般成人の2 倍程度の 5 L/min となる．長距離陸上選 手や自転車，長距離スキーなど持久力を要する選手ほど 高くなる．長期間の安静では20％程度低下する． ＜運動の種類による肺機能への影響＞ 運動，トレーニングによる肺機能の変化は運動の性質 （タイプ，頻度，強度，持久時間など）に依存している． 持久力アスリートではVC，FVC，1 秒量 (FEV1) がパ ワーアスリートとコントロールのグループと比較して， 大幅に高いことが確認されている6）_． 持久力トレーニングの代表であるマラソンは気道閉塞 の有無にかかわらず，完走後にFVC は低下し，RV は増 加する．これらの変化は時間が経過すると自然に回復す ることから，呼吸筋疲労の影響を受け肺機能の低下を誘 発していると考えられる．1 秒量（9.5％）は最大呼気流 量 (peak expiratory flow: PEF)（13.7％）とともに減少し ていた．一酸化窒素 (NO) 濃度も上昇していることから， 運動により惹起された気道炎症の存在を示している可能

性がある7）_{．このような変化はCrossFit トレーニングで}

も報告されている．

吸気筋と呼気筋の強度と持久力を評価するのに最大 換気量 (maximum voluntary ventilation: MVV) がパラメー

ターとして用いられる．筋力トレーニング後にMVV は

改善することから，筋力トレーニングは呼吸筋の筋力アッ

プに効果があると考えられる8）_{．呼吸筋力に対する筋力}

トレーニングの有効性は，健康な集団で確認されている が，安静時の吸気で作用する呼吸筋である横隔膜筋量 が増加しても．機能的残気量 (functional residual capacity:

FRC) は低下せず，変化はなかった9）_{．一方，持久力トレー}

ニングのみでなく筋力トレーニングと組み合わせることで， VC，FVC， お よ び MVV と FEF25–75% (Forced Expiratory Flow 25%–75%) が大幅に増加した．ピークフローは持 久力トレーニングでのみ有意に増加した (P < 0.05)．筋 力トレーニングと持久力と筋力トレーニングの組み合わ せは．持久力トレーニングのみと比べて，VC，FVC， FEF25–75%，PEF に追加の改善をもたらし，筋力トレーニ ングのみと比較して持久力トレーニングを加えた方がよ り大きなFVC の変化をもたらした10）_{．持久力トレーニ} ングは単独または筋力トレーニングとの組み合わせで， 肺機能を改善させる効果が最も高くなるといえる． では，有酸素運動は呼吸機能に変化をもたらすだろう か．有酸素運動は，心拍数と呼吸換気の増加が，運動時 の筋肉の酸素需要を満たす程度の運動である．喘息患者 における有酸素運動と呼吸機能に関するメタ解析による と少なくとも4 週間にわたって週に 2 ∼ 3 回，少なくと も20 分間の定期的な中程度の強度の水泳やトレッドミ ルトレーニングなどの有酸素運動により，FEV1，PEF， FVC，%FVC，FEF25–75%，およびQOL に改善がみられ た．%FEV1 と 1 秒率の改善はなかったが，忍容性が高 いことが確認されている11）_{．喘息患者の有酸素トレーニ} ング後，気道閉塞の減少とともに吸気力の増加も報告さ れている12）_{．有酸素運動トレーニングだけで腹部の筋肉} 持久力が増加したとの報告もある13）_{．なぜ喘息患者の呼} 吸機能が改善するかについてのメカニズムは不明であ るが，気流閉塞の程度を示す%FEV1 と 1 秒率が改善せ ず，呼吸筋や肺コンプライアンスに影響を受けるFVC と%FVC が改善していることから，有酸素運動が吸気 に関連するパラメータに良い影響与えたのではないだろ うか． ＜スポーツにより肺機能の異常が 引き起こされる疾患＞

声帯機能不全症 (Vocal Cord Dysfunction: VCD) は若い アスリートにしばしばみられる．アスリートがトレーニ ング中に制御できない呼吸困難を訴え，搬送されること もある運動誘発性の呼吸困難である．症状出現時には胸 部で狭窄音が聴取されることから，気管支喘息との鑑別

を要する一方，喘息との合併率も高い疾患である．有症 状時に声帯を観察すると，呼気に声帯が内転し，気流閉 塞をきたしているのが観察できる．呼吸機能検査ではフ ローボリュームカーブの吸気相が平定化するのが特徴で ある (Fig. 3)．症状の出現の要因として，運動だけでな く，心理的，感情的ストレスによる影響が報告されてお り，治療はカウンセリングと薬物療法を組み合わせて行 う14, 15）_． 慢性閉塞性肺疾患 (COPD) では気流閉塞と動的過膨張 が労作時呼吸困難の原因となる病態である．運動時には 呼気時の呼吸器系の力学的な並行点に達する前に吸気が 開始されるため呼気終末肺気量が増加し動的過膨張が生 じる．運動時の一回換気量が増加できなくなるため呼吸 数を増加させて酸素需要に対応しようとするが，さら に呼出時間が短縮することとなり，元々あるair trapping がより顕著になってしまう．気管支拡張薬がこのair trapping を改善して過膨張を軽減することで運動耐容量 を改善する4, 16）_{．また，運動による呼吸困難時には，口} すぼめ呼吸でout PEEP をかけることで末梢気道の虚脱 が軽減され，air trapping が改善する．

運動誘発喘息 (Exercise-induced asthma: EIA)，運動誘 発気管支収縮 (Exercise-induced bronchoconstriction: EIB) は運動終了後の数分から一過性の気道収縮を認め，60 分以内に自然回復する．ほとんどの小児喘息患者と半数 以上の成人喘息患者で起こるとされている．最大酸素摂 取量の70∼80％程度または最大心拍数の 85％以上まで 上昇する運動を3 ∼ 8 分間行い，その後の呼吸機能検査 で1 秒量 10％以上の低下を確認することで診断する． 通常の喘息コントロール治療に加え，短時間作用型気管 支拡張薬の運動前吸入やロイコトリエン受容体拮抗薬の 追加服用が行われている． ＜最　後　に＞ スポーツが心身の健康維持に良い影響をもたらすこと は反論の余地がない，一方，アスリートにおけるパフォー マンスの向上には換気能力だけではなく，酸素需要をど のように満たすかが重要となっている．スポーツの種類 によって，呼吸の方法やトレーニングの方法も異なって いる事にも配慮されるべきであろう．日本古来の武術で は呼吸に注意を払って，体を動かすことが重視されてき た．より効率よく体を動かし，能力を発揮するため，呼 吸と運動の関係を知ることは重要と考える． 利益相反 (conflict of interest) に関する提示 著者は本論文の内容について開示すべき利益相反はあ りません． 文　　　献 1） 吾峠呼世晴著．鬼滅の刃．集英社（ジャンプ・コミック ス）．集英社，東京，2016–.

2） Wasserman K, Hansen JE, Sue DY, et al. Principles of exer-cise testing and interpretation. Journal of Cardiopulmonary Rehabilitation and Prevention 1987; 7: 189.

3） 谷本 普．呼吸器疾患の運動療法と運動負荷テスト．改 訂第2 版 ed: 克誠堂出版，2007, xii, 257pp.

4） 井上　雅，大津　格，冨岡　真，他．呼吸リハビリテー ションを実施して1 年後の肺機能・運動能の変化につい ての検討．日本呼吸器学会雑誌 The journal of the Japanese Respiratory Society 1998; 36: 756−762.

5） De Vries HA. Physiological effects of an exercise training reg-imen upon men aged 52 to 88. Journal of gerontology 1970;

25: 325–336.

6） Durmic T, Lazovic Popovic B, Zlatkovic Svenda M, et al. The training type influence on male elite athletes' ventilatory func-tion. BMJ open sport & exercise medicine 2017; 3: e000240. 7） Tiller NB. Pulmonary and Respiratory Muscle Function in

Re-sponse to Marathon and Ultra-Marathon Running: A Review. Sports Medicine 2019; 49: 1031–1041.

8） ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing. American journal of respiratory and critical care medicine 2002; 166: 518–624.

9） DePalo VA, Parker AL, Al-Bilbeisi F, et al. Respiratory muscle strength training with nonrespiratory maneuvers. Journal of applied physiology (Bethesda, Md: 1985) 2004; 96: 731–734. 10） Khosravi M, Tayebi SM, Safari H. Single and concurrent

effects of endurance and resistance training on pulmonary function. Iranian journal of basic medical sciences 2013; 16: 628–634.

11） Wu X, Gao S, Lian Y. Effects of continuous aerobic exercise on lung function and quality of life with asthma: a systematic review and meta-analysis. J Thorac Dis 2020; 12: 4781–4795. 12） Shaw BS, Shaw I. Pulmonary function and abdominal and

thoracic kinematic changes following aerobic and inspiratory resistive diaphragmatic breathing training in asthmatics. Lung 2011; 189: 131–139.

13） Alberga AS, Prud’homme D, Sigal RJ, et al. Effects of aerobic training, resistance training, or both on cardiorespiratory and musculoskeletal fitness in adolescents with obesity: the HEARTY trial. Applied physiology, nutrition, and metabolism = Physiologie appliquee, nutrition et metabolisme 2016; 41: 255–265.

14） 運動誘発性喉頭閉塞症．Nippon Jibiinkoka Gakkai Kaiho 2020; 123: 460–468.

15） Newsham KR, Klaben BK, Miller VJ, et al. Paradoxical Vocal-Cord Dysfunction: Management in Athletes. Journal of athletic training 2002; 37: 325–328.

16） O’Donnell DE, Flüge T, Gerken F, et al. Effects of tiotropium on lung hyperinflation, dyspnoea and exercise tolerance in COPD. The European respiratory journal 2004; 23: 832–840.