酸素解離曲線とガス交換をわかりやすく低酸素血症の4つの原因と酸素運搬量を理学療法士向けに解説

呼吸リハビリテーション学習シリーズ No.2｜基礎

酸素解離曲線とガス交換をわかりやすく
低酸素血症の4つの原因と酸素運搬量を理学療法士向けに解説

歩行練習を始めて1分。SpO₂は96%から93%、91%と少しずつ下がり、90%を切ったところで急に85%まで落ちる。こんな場面に出会ったことはないでしょうか。

逆に、SpO₂は98%なのに、患者さんは息苦しそうで顔色も悪い、という場面もあります。

どちらも、「酸素解離曲線」と「酸素運搬量」を理解すると説明がつきます。この記事では、呼吸リハの土台になるガス交換の生理学を、ベッドサイドで使える形に整理します。

この記事の結論

SpO₂ 90%はPaO₂ 約60 Torrに相当し、ここを境に曲線が急峻になるため、少しの悪化でSpO₂が大きく下がります。
低酸素血症の原因は肺胞低換気・換気血流比不均等・拡散障害・シャントの4つで、酸素投与や運動への反応が異なります。
組織に届く酸素量はSpO₂だけでなくHbと心拍出量で決まるため、SpO₂が正常でも安心はできません。

1．酸素の通り道を5つのステップで理解する
2．低酸素血症の4つの原因
3．酸素解離曲線を臨床で使えるようにする
4．酸素運搬量（DO2）：SpO2だけでは判断できない理由
5．理学療法士の臨床への落とし込み
6．よくある質問
まとめ

1．酸素の通り道を5つのステップで理解する

大気中の酸素が筋肉で使われるまでには、5つのステップがあります。どこで滞っても、組織は酸素不足になります。

換気：呼吸筋の働きで空気を肺胞まで運ぶ。

肺胞：肺胞内の酸素分圧（P_AO₂）が保たれる。

拡散：肺胞から薄い膜を通って毛細血管の赤血球へ酸素が移る。換気と血流のバランス（換気血流比）もここで効いてくる。

血液での運搬：酸素の大部分はヘモグロビン（Hb）に結合し、心臓のポンプで全身へ運ばれる。

組織：毛細血管でHbから酸素が離れ、筋肉などで使われる。

SpO₂が教えてくれるのは、主にステップ1〜3の結果（動脈血のHbがどれだけ酸素と結合しているか）です。ステップ4・5の情報は、SpO₂には含まれていません。ここが後半のポイントになります。

2．低酸素血症の4つの原因

わが国では、室内気でPaO₂ 60 Torr以下を呼吸不全とし、PaCO₂ 45 Torr以下をⅠ型、45 Torrを超えるものをⅡ型と分類します。低酸素血症の機序は、次の4つ（＋吸入気の酸素分圧の低下）で説明されます。

機序	代表的な病態	PaCO₂・A-aDO₂	酸素投与への反応	運動時に考えること
肺胞低換気	神経筋疾患、呼吸中枢の抑制、胸郭の異常	PaCO₂上昇（Ⅱ型）／A-aDO₂正常	酸素だけでは換気は改善しない。CO₂の貯留に注意	換気を増やせないため、負荷で悪化しやすい
換気血流比不均等	COPD、喘息、肺炎など最も多い	Ⅰ型／A-aDO₂開大	PaO₂は改善しやすい	換気の増え方や呼吸パターンで変動する
拡散障害	間質性肺炎、肺胞面積の減少	Ⅰ型／A-aDO₂開大	改善しやすい	安静時は軽くても運動で下がりやすい
シャント	無気肺、肺炎で肺胞が満たされた状態、心内右左シャント	Ⅰ型／A-aDO₂開大	酸素を上げても改善しにくい	体位や排痰で換気が戻るかが鍵

拡散障害で運動時に下がる理由は、運動で心拍出量が増えると、赤血球が肺胞の横を通り過ぎる時間が短くなり、酸素を受け取りきれなくなるからです。間質性肺炎の患者さんが「安静時は96%なのに、歩くとすぐ80%台」になるのは、この機序が大きく関わっています。

補足：A-aDO₂（肺胞気－動脈血酸素分圧較差）
肺胞の酸素がどれだけ血液に移れたかの指標です。室内気では10 Torr以下が正常、20 Torr以上が異常とされます。肺胞低換気だけなら開大せず、それ以外の3つでは開大します。詳しくはNo.3 血液ガスの読み方で扱います。

3．酸素解離曲線を臨床で使えるようにする

酸素解離曲線は、横軸に酸素分圧（PaO₂）、縦軸に酸素飽和度（SaO₂）をとったグラフです。下の図は、標準的な条件（pH 7.40、PaCO₂ 40 Torr、体温37℃）の曲線と、右方移動した曲線を模式的に描いたものです。

赤い背景＝急峻部（少しの低下で大きく下がる）、緑の背景＝平坦部（余裕がある）。
図：酸素解離曲線（模式図・筆者作成）。右方移動の曲線は位置関係を示すためのイメージです。

覚えておきたい4つの目安

SaO₂	PaO₂の目安	臨床での意味
98%	100 Torr	健常な若年者の室内気レベル
95%	80 Torr	まだ平坦部。余裕がある
90%	60 Torr	呼吸不全の基準。ここから急峻部
75%	40 Torr	混合静脈血に近い値

※pH 7.40、PaCO₂ 40 Torr、37℃の条件での目安です。条件が変われば対応関係もずれます。

なぜS字になるのか

Hbは酸素を4つまで運べます。1つ目の酸素が結合すると、次の酸素が結合しやすくなる性質（協同性）があるため、ある分圧を超えると一気に飽和し、曲線はS字になります。

平坦部と急峻部の意味

平坦部（PaO₂ 60 Torr以上）

PaO₂が多少下がってもSpO₂はほとんど変わりません。肺で酸素を受け取るには有利ですが、PaO₂の低下に気づきにくいゾーンでもあります。

急峻部（PaO₂ 60 Torr未満）

わずかなPaO₂の低下でSpO₂が大きく下がります。冒頭の「90%を切ったら急に落ちる」現象はこれです。組織で酸素を手放すには有利な領域です。

右方移動・左方移動と運動

水素イオン（pHの低下）、PaCO₂、体温、赤血球の2,3-DPGが上昇すると右方移動、低下すると左方移動します。正常のP50（SaO₂が50%になるPaO₂）は約27 Torrです。

運動中の筋肉ではCO₂と熱が増え、pHが下がるため、曲線は右へずれます。Hbが酸素を手放しやすくなり、働く筋肉に酸素を渡しやすくなる合目的的な変化です。ただし同じPaO₂でもSaO₂は低めに出るため、発熱やアシドーシスがある患者さんでは、SpO₂の数値の意味が変わることを覚えておきましょう。

📘 症例で考えたい方へ

実際の症例で、SpO₂の低下をどう読み、どう判断したかは、noteメンバーシップ「臨床理学Lab」の『ひとり症例検討会』で解説しています。

臨床理学Labをのぞいてみる

4．酸素運搬量（DO2）：SpO2だけでは判断できない理由

組織に届く酸素の量は、次の2つの式で決まります。

動脈血酸素含量（CaO₂）
＝ 1.34 × Hb × SaO₂ ＋ 0.003 × PaO₂

酸素運搬量（DO₂）
＝心拍出量 × CaO₂（× 10で単位をmL/分に換算）

前半の「1.34 × Hb × SaO₂」がHbに結合した酸素、後半の「0.003 × PaO₂」が血漿に溶けている酸素です。溶けている分はごくわずかで、酸素のほとんどはHbが運んでいます。

条件	SaO₂	Hb	CaO₂（mL/dL）
正常	98%	15 g/dL	約20
貧血	98%	7.5 g/dL	約10

SpO₂が同じ98%でも、Hbが半分になれば運べる酸素も約半分です。さらに、心拍出量が落ちていれば、全身に届く量（DO₂）はもっと減ります。

心リハの視点：「肺」と「心臓」はセットで考える

心不全や術後の低心拍出の患者さんでは、SpO₂が保たれていても、組織への酸素供給が足りていないことがあります。顔色、末梢の冷感、意識、尿量、乳酸値、運動時の心拍数や血圧の反応も合わせて評価しましょう。なお、チアノーゼは還元Hbが約5 g/dL以上で現れるため、貧血の患者さんでは低酸素でもチアノーゼが出にくい点にも注意が必要です。

5．理学療法士の臨床への落とし込み

運動中のSpO2の見方

健常者は、ある程度の運動ではSpO₂がほとんど下がりません。下がること自体が、ガス交換や循環の異常のサインです。
数値だけでなく、下がり始めるタイミング・最低値・回復までの時間を記録します。
平坦部（95%前後）での1〜2%の低下は、PaO₂では大きな変化の場合があります。「数%だから大丈夫」と決めつけないことが大切です。
波形が乱れていないか、体動や末梢の冷えで誤差が出ていないかを確認します（詳しくはNo.7 SpO₂の正しい測り方で解説します）。

疾患別の低下パターン

COPD

主な機序は換気血流比不均等です。呼吸パターンの乱れや息こらえで変動しやすく、酸素への反応は比較的良好です。高CO₂血症を伴う患者さんでは、医師が指示した目標SpO₂を超えて酸素を上げないことも重要です。

間質性肺炎

拡散障害と換気血流比不均等が中心です。安静時は保たれていても、歩き始めてすぐに深く下がるのが特徴です。運動時の酸素必要量の評価がとても重要になります。

心不全

肺うっ血によるガス交換障害に加え、心拍出量の低下でDO₂そのものが減ります。SpO₂が保たれていても安心できない代表例で、息切れの原因が肺なのか心臓なのかを分けて考える必要があります。

冒頭の場面を読み解くと

「歩き始めて1分で90%を切り、そこから急に下がる」場面は、①運動で赤血球の通過時間が短くなり拡散が追いつかない（拡散障害）、②PaO₂が60 Torrを下回って急峻部に入った、という2つが重なったと考えられます。この場合、歩行速度を落とす、休憩を挟む、主治医と運動時の酸素流量を相談する、といった対応につながります。