臨床工学技士問題表示
臨床工学技士国家試験
解説
一定の灌流圧(圧一定)の条件では、流量は総抵抗に反比例して変化する。関係式は $Q=\frac{\Delta P}{R}$($Q$: 流量、$\Delta P$: 灌流圧、$R$: 回路抵抗+末梢血管抵抗の総和)で表せる。さらにポアズイユの法則より、粘度 $\eta$ が上がるほど、またカニューレ半径 $r$ が小さいほど抵抗は増加し($R\propto \eta\cdot \frac{L}{r^4}$)、流量は低下する。したがって、血液の希釈は粘度低下を介して抵抗を下げ流量を増加させる。一方、低体温は血液粘度上昇や血管収縮により抵抗を増し流量は低下する。末梢血管抵抗の減少は流量を増加させ、小口径カニューレや粘度上昇は抵抗増加により流量を減少させる。よって正しいのは1である。
選択肢別解説
正しい。血液を希釈すると血液粘度が低下し、総抵抗(回路抵抗+末梢血管抵抗)が減少する。圧一定($Q=\frac{\Delta P}{R}$)では抵抗低下により流量が増加する。体外循環では希釈(ヘモディリューション)により同条件での到達流量が上がることが知られている。
誤り。低体温では血液粘度が上昇し、さらに血管収縮傾向で末梢血管抵抗が増えるため、圧一定では流量は低下する。よって『増加する』は不適。
誤り。末梢血管抵抗が減少すると総抵抗 $R$ が下がるため、圧一定では流量 $Q$ は増加する($Q=\frac{\Delta P}{R}$)。『減少する』は逆の記述。
誤り。小さな口径のカニューレでは半径 $r$ が小さく、ポアズイユの法則より $R\propto \frac{1}{r^4}$ と抵抗が大きくなる。圧一定では抵抗増加により流量は減少する。
誤り。血液粘度の上昇は抵抗増加をもたらし、圧一定では流量は低下する。『増加する』は逆の記述である。
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解説
遠心ポンプは非閉塞型・後負荷依存の連続流ポンプで、回転数が同じでも前負荷・後負荷(回路抵抗やカニューレ抵抗)の変化で流量が大きく変わる。そのため流量は回転数だけで精密制御せず、流量計で実測管理する。一方、正圧・陰圧の発生能力はローラポンプ(容積移送型)に比べて限定され、送血側が閉塞しても危険な高圧が生じにくく回路破裂リスクは低い。吸引側でも前負荷が低下すると流量が低下する方向に働くため、過度の陰圧は生じにくい。また停止時には非閉塞構造のため逆流が起こり得るので鉗子や逆流防止の対策が必要。血液への機械的ストレスもローラポンプより小さく、溶血は少ない。以上より、設問では3と4が正しい。
選択肢別解説
誤り。遠心ポンプは前負荷・後負荷依存性が高く、同一回転数でも回路抵抗や貯血槽液面で流量が大きく変動する。回転数だけで容易・正確に流量制御はできず、血流計による監視が必須である。
誤り。遠心ポンプは非閉塞型であり、停止時や低回転時には圧力差・高低差により逆流が生じ得る。運用上は送血・脱血ラインの鉗子や逆流防止弁で対策する。
正しい。遠心ポンプは送血側が閉塞しても高い閉塞圧を発生しにくく、ローラポンプのように危険な高圧で回路破裂に至るリスクは低い(ゼロではないが著しく小さい)。
正しい。入口側(前負荷)が不足・狭窄になると遠心ポンプは流量が低下する方向に働き、ローラポンプのような強い吸引がかかりにくい。したがって過度の陰圧(サクション)は生じにくい。
誤り。遠心ポンプはローラポンプに比べ血液へのせん断・圧迫ストレスが小さく、一般に溶血は少ない。
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解説
生体計測で用いるトランスデューサは、物理量(圧力、温度、光、超音波など)を電気信号へ変換する素子である。超音波診断装置は圧電素子で電気エネルギーと音響エネルギーを相互変換する。熱希釈式心拍出量計は血液温変化を高感度に検出するサーミスタを用いる。カプノメータはCO₂の赤外線吸収特性を利用し、赤外線検出素子で濃度(分圧)を測定する。観血式血圧計は受圧部の変形をストレインゲージの抵抗変化として検出する。一方、パルスオキシメータは赤色光と赤外光の透過・反射の変動をフォトダイオード等の光電変換素子で受光して酸素飽和度を算出するため、磁界検出用のホール素子は用いない。したがって「パルスオキシメータ—ホール素子」の組合せが誤りである。
選択肢別解説
超音波診断装置の振動子は圧電現象を利用する圧電素子で、送受信の双方で電気—音響エネルギーを相互変換する。適切な組合せである。
熱希釈式心拍出量計では、冷却液注入後の血液温の時間変化をサーミスタで検出して心拍出量を算出する。温度検出素子としてサーミスタを用いるのは正しい。
パルスオキシメータは赤色光と赤外光の吸光度比を用い、受光にはフォトダイオード等の光電変換素子を用いる。ホール素子は磁界検出用であり本装置には不適切。よってこの組合せは誤り。
カプノメータはCO₂が中赤外域を吸収する性質を利用し、赤外線検出素子で吸収量を測ってCO₂濃度(分圧)を求める。適切な組合せである。
観血式血圧計では受圧膜の変形(圧力)をストレインゲージの抵抗変化として電気信号に変換する。一般的で適切な組合せである。
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解説
経皮的血液ガス分圧測定(transcutaneous monitoring, PtcO2/PtcCO2)は、皮膚上のセンサーを加温して毛細血管血流を増やし、皮膚直下の血液を動脈血に近い状態(動脈血化)にして、皮膚を拡散してくるO2・CO2の分圧を電極で連続測定する方法である。センサー部はおおむね42〜44℃に加温する。CO2は皮膚代謝で産生され拡散もしやすいため、PtcCO2は一般にPaCO2より高めに出る。一方O2は皮膚での消費や角質層などの拡散抵抗の影響を受け、PtcO2はPaO2より低めになりやすい。測定にはO2用のクラーク電極、CO2用のセバリングハウス電極などの電気化学式センサーを用い、脈波信号は不要である。角質が薄く血流反応も得やすい新生児では特に有用で、臨床で広く用いられている。
選択肢別解説
誤り。PtcCO2は皮膚組織の代謝によるCO2産生や拡散特性の影響を受け、PaCO2より高めに測定される傾向があるため、「低くなる」は不正確。
誤り。PtcO2は皮膚での酸素消費や角質層などの拡散抵抗のため、PaO2より低くなる傾向がある。十分な加温で動脈血化しても一般にPaO2を上回ることはない。
正しい。センサー接触部を約42〜44℃に加温し毛細血管を拡張・血流増加させることで、皮膚直下の血液を動脈血に近い状態とし、経皮分圧を動脈血ガスに近づけて測定する。
誤り。経皮的血液ガス分圧測定はクラーク電極(O2)やセバリングハウス電極(CO2)などの電気化学式センサーでガス分圧を測る方式であり、パルスオキシメトリのような脈波信号は必要としない。
誤り。新生児は角質が薄く経皮拡散が得やすいため、PtcO2/PtcCO2測定はむしろ新生児領域で広く用いられている。適切な加温・貼付時間管理・部位ローテーションにより安全に実施可能である。
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解説
本問は血液・血管の流体力学的性質に関する基礎確認である。大動脈の静圧(血圧)は平均約100 mmHg前後であり、流速vに依存する動圧 $P_v=\tfrac{1}{2}\rho v^2$ は典型的流速(0.5〜1 m/s程度)を用いると数mmHg以下で、静圧の方がはるかに大きい。ヘマトクリット(赤血球容積率)の上昇は見かけの粘度増加をもたらす。血管抵抗はハーゲン・ポアズイユの法則 $R=\tfrac{8\mu L}{\pi r^4}$ に従い半径に強く依存し、内径が小さくなるほど増加する。脈波伝播速度(PWV)はモーエンス–コルテウェークの式 $PWV=\sqrt{\tfrac{E h}{\rho D}}$ に示される通り、血管壁特性と幾何に依存し、血管種別や硬化度で異なる。微小循環では赤血球は集軸効果により管中央へ移動し、壁近傍には血漿優位のセルフリー層が形成される。従って、正しいのは選択肢1である。
選択肢別解説
正しい。大動脈の静圧(平均血圧)はおよそ100 mmHg前後であるのに対し、動圧 $P_v=\tfrac{1}{2}\rho v^2$ は血液密度 $\rho\approx1060\,\text{kg/m}^3$、流速 $v\approx0.5\text{--}1\,\text{m/s}$ とすると約1\text{--}4 mmHg程度で、静圧の方が明らかに大きい。したがって記述は妥当。
誤り。ヘマトクリット値(赤血球容積率)の上昇は血液中の有形成分比を高め、血液の見かけ粘度を上昇させる(低ずり速度条件で顕著)。従って「低下する」は逆。
誤り。ハーゲン・ポアズイユの法則 $R=\tfrac{8\mu L}{\pi r^4}$ より、抵抗Rは半径rの4乗に反比例する。血管内径(半径)が小さくなるほど抵抗は急増し、低下はしない。
誤り。脈波伝播速度は $PWV=\sqrt{\tfrac{E h}{\rho D}}$ に示される通り、血管壁のヤング率E、壁厚h、内径Dなどに依存するため、弾性の強い大動脈と末梢動脈、動脈硬化の有無などで値が異なる。
誤り。細動脈や小血管では赤血球は集軸効果により管中央へ移動し、血管壁近傍には血漿優位のセルフリー層が形成される。壁側に集まるのは血小板などの辺縁化であり、赤血球ではない。
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解説
人工心肺の送血ポンプには、容積型のローラポンプと非容積型の遠心ポンプがある。ローラポンプはチューブ内腔をローラで完全閉塞して一定容積を送り出すため、回転数が流量にほぼ比例し流量制御が容易だが、下流閉塞時には危険な高圧が発生し回路破裂リスクが高い。一方、遠心ポンプは前負荷・後負荷・血液粘度の影響で回転数と流量が一義的に決まらないため、正確な管理には流量計が必要である。血液損傷は一般にローラポンプの方が大きく、遠心ポンプはヘモリシスが少ない傾向にあり、PCPS/ECMO などの長期補助循環に適している。
選択肢別解説
正しい。ローラポンプは容積型で、ローラの回転に伴って一定容積を送るため、回転数と送血流量がほぼ比例し、回転数設定で流量制御が容易である。
正しい。遠心ポンプは非容積型で、前負荷・後負荷・血液粘度により同一回転数でも流量が変動する。したがって実流量を把握するために外部流量計が必要となる。
誤り。血液損傷(溶血・血小板障害など)は一般にローラポンプの方が多く、遠心ポンプの方がせん断応力が低く血液損傷が少ない傾向にある。
誤り。ローラポンプは回路が閉塞しても押し込み続けるため、回路内圧が上昇し破裂の危険が高い。圧監視やリリーフ機構が不可欠である。
正しい。遠心ポンプは血液損傷が少なく耐久性にも優れるため、PCPS/ECMO などの長期補助循環で広く用いられる。
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解説
誤っているのは「5. 大動脈の動圧は静圧より大きい。」である。血管石灰化は血管壁弾性率を高め、モーエンス–コルテウェークの式 $PWV=\sqrt{\frac{E h}{\rho D}}$ から脈波伝搬速度は増加する。赤血球の連銭(ルーロー)形成は低せん断条件で起こり見かけ粘度を上昇させる。動脈圧のピークは反射波やコンプライアンスの差により部位で異なり、一般に末梢で収縮期ピークが高くなる。血管抵抗はハーゲン・ポアズイユの法則 $R=\frac{8\mu L}{\pi r^4}$ により半径の4乗に反比例するため、内径が小さくなると急増する。大動脈の動圧はベルヌーイの式 $P_v=\tfrac{1}{2}\rho v^2$ で評価でき、$v\approx0.5\text{--}1.0\,\text{m/s}$ のとき数mmHg以下で、静圧(約100 mmHg)よりはるかに小さい。
選択肢別解説
正しい。血管石灰化により血管壁のヤング率 $E$ が上昇し、モーエンス–コルテウェークの式 $PWV=\sqrt{\frac{E h}{\rho D}}$ に従って脈波伝搬速度は増加する(壁が硬いほど速い)。
正しい。血流が遅い・低せん断条件で赤血球が連なって連銭(ルーロー)を形成し、赤血球凝集が進むと見かけ粘度が上昇する。
正しい。動脈圧波形は反射波や血管コンプライアンスの違いの影響を受け、体の部位により収縮期ピーク値が異なる。一般に上行大動脈よりも末梢動脈で収縮期ピークが高くなる(脈圧増大)。
正しい。ハーゲン・ポアズイユの法則 $R=\frac{8\mu L}{\pi r^4}$ より、管半径 $r$ が小さくなると血管抵抗は $r^4$ に反比例して急激に上昇する。
誤り。大動脈の動圧はベルヌーイの式 $P_v=\tfrac{1}{2}\rho v^2$ で評価でき、$\rho\approx1000\text{ kg/m}^3$、$v\approx0.5\text{--}1.0\,\text{m/s}$ のとき $P_v\approx1\text{--}4\,\text{mmHg}$ 程度と小さく、静圧(約100 mmHg)よりはるかに小さい。したがって「動圧は静圧より大きい」は誤り。
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解説
正答は2と3。立位では血液に重力による水頭圧が加わるため、同一人でも測定部位の高さ差で平均動脈圧は変化する(1は誤り)。動脈圧のピーク(主に収縮期圧)は、脈波の反射とパルス圧増幅の影響で部位により異なり、一般に中心から末梢に向かって収縮期ピークは高くなる傾向がある(2は正しい)。脈波伝搬速度は血管壁の硬さに依存し、Moens–Kortewegの近似式 $\text{PWV} \approx \sqrt{\frac{E\,h}{\rho\,D}}$ より弾性率Eが大きい(硬い)ほどPWVは大きくなる(3は正しい)。四肢静脈の流れは筋ポンプ、呼吸性変動、静脈弁の作用で時間的に変動する非定常流であり(4は誤り)、収縮期血圧は拍出で動脈が最も拡張した時点の最大血圧で、動脈径が最小となる拡張期末の圧ではない(5は誤り)。
選択肢別解説
誤り。安静立位では重力の影響で測定高さが心臓より低ければ水頭圧 $\Delta P=\rho g h$ だけ高く、高ければ低くなる。よって平均動脈圧は測定部位(高さ)に依存して同じにはならない。
正しい。脈波は血管分岐や末梢抵抗で反射し、入射波と干渉して収縮期ピーク(パルス圧)が変化する。一般に末梢(橈骨動脈など)では中心(大動脈)より収縮期ピークが高くなる傾向があり、部位によりピーク値は異なる。
正しい。Moens–Kortewegの式 $\text{PWV} \approx \sqrt{\frac{E\,h}{\rho\,D}}$ より、血管壁の弾性率E(硬さ)が大きいほどPWVは増加する。動脈硬化などで壁が硬くなると脈波は速く伝わる。
誤り。四肢静脈の血流は筋ポンプ、呼吸性変動、静脈弁の開閉による間欠的・位相的変動を受ける非定常流であり、時間的に一定の定常流ではない。
誤り。収縮期血圧は心室収縮で血液が拍出され動脈が最も拡張した時点の最大血圧を指す。動脈径が最小となるのは拡張期末であり、それに対応するのは拡張期血圧である。
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解説
経皮的血液ガス分析(PtcO2/PtcCO2)は皮膚表面に専用電極を貼付し、電極内蔵ヒータで局所を約42〜44℃に加温して皮下微小循環を増加(動脈化)させ、動脈血に近いガス分圧を電気化学的に連続測定する非侵襲的手法である。O2はクラーク電極、CO2はセバリングハウス電極が用いられる。測定は脈動成分や光学吸収を利用せず、赤外線計測は行わない。成人では角質層が厚く拡散が低下しやすいため新生児での有用性が高い。加温に伴う皮膚障害を避けるため、数時間ごとに装着部位のローテーションが推奨される。
選択肢別解説
誤り。動脈穿刺やカテーテルを用いず、皮膚に電極を装着して計測するため非侵襲的である。
誤り。計測のために角質層を除去することは行わない。皮膚は清拭・保護しつつ電極を密着させる。成人では角質層が厚く拡散が低下しやすいため新生児での利用が多いが、除去自体は不要である。
誤り。脈波信号(拍動成分)を必要とするのはパルスオキシメータであり、経皮的血液ガス分析は電極による電気化学的測定で脈波を必要としない。
正しい。電極で皮膚を約42〜44℃に加温し局所血流を増加(動脈化)させることで、皮膚表面で動脈血に近いO2・CO2分圧を得る。加温により低温熱傷のリスクがあるため部位のローテーションが必要となる。
誤り。赤外線の吸収を計測するのはパルスオキシメータである。経皮的血液ガス分析はクラーク電極(O2)やセバリングハウス電極(CO2)による電気化学的測定を用いる。
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