漢方脈診は神秘的？脈診の背後にある物理学

ソース |中国科学院物理研究所 (id: cas-iop)

編集者 |シャオファン

手首、首、胸にそっと手を当てると、かすかだがしっかりとした鼓動を感じることができます。それが人生の鼓動です。心臓の鼓動の合間に、体の新陳代謝が完了し、人の言葉や行動にエネルギーの源が生まれます。

これらはすべてとても自然に起こるので、人々はそれに慣れてしまいます。ある日、編集者は次のような質問を目にしました。「心臓の脈と手首の脈は同時ですか？」私の最初の反応は、もちろん、同時でした。脈の源は心臓ではないでしょうか？

はい、脈拍は心臓から来るので、心臓と脈拍の周波数は同じでなければなりません。しかし、これは脈の鼓動が心臓の鼓動によって伝わるため、常に先着順であり、常に時間の遅れがあることを示しています。小学校2年生で習った波動方程式によれば、物質中を機械的擾乱が伝わる速度の上限は音速であることがわかっています。

それで問題は解決しました。脈は心臓より少し遅れて打っているようで、それは音速で割った距離くらいです。大まかに言うと、心臓から手首までは約1mの血管があり、水中での音速は約1500m/sです。したがって、遅延は約 1/1500 秒、つまり 0.0006 秒になります。

しかし、何かがいつも間違っているように感じます。まだ注意深く勉強する必要があります!慎重に考えたことは問題ではありませんでした。私は自分の見積もりが大きく間違っていたことに気づいただけでなく、本当に目を開かせるような心の側面も発見しました。

あなたはとても賢いので、何が間違っているか気づいたに違いありません！これを音波、人体を水として扱うと、この近似は真空中の球形の鶏と同じくらい大まかになります。その結果、乱れは体液に沿って体全体に均等に伝わるはずです。つまり、人全体が心臓の鼓動に合わせて拡大したり縮小したりするはずです。考えてみるとちょっと怖いですね…これは、体のあらゆる部分で心臓の鼓動を感じることができるはず、ということを意味しますが、もちろんこれは正しくありません。

この脈動は、頸動脈や手首の動脈など、比較的浅い動脈でのみ感じることができます。これは合理的です。心臓の本質的な機能に戻りましょう。心臓の機能は血液を全身に送ることです。鼓動のエネルギーは血液を押し出すことに集中されるべきです。

人間の血管の模式図 |画像出典: インターネット

しかし、それ以上の処理は困難です。心臓の鼓動は具体的にどのように伝わるのでしょうか?これは心臓がどのように機能するかというメカニズムから始まります。

心臓の役割は血液を送り出すことだと信じますか?

時間遅延の問題をより適切に解決するために、次の質問について考えてみましょう。心臓の推進力によって血液はどのようにして全身に流れるのでしょうか?このような疑問に直面したとき、私の頭の中にあるイメージは、心臓が鼓動すると血液を絞り出す役割を果たし、血流に力を与えるというものです。そのため、血液は強くて信頼性の高い血管内を安定して流れます。この見方は、心臓を「血液ポンプ」とも言います。

パイプ内の定常層流の模式図 |画像出典: インターネット

私はこの考えを知るまでは、心臓は血液ポンプというよりも脈波発生器のように機能すると考えていました[1]。ここでいう脈波とは動脈の脈動波のことであり、以下も同様です。

血液が安定して流れているという見方をすれば、当然矛盾が生じます。心臓の鼓動は周期的であるのに、血流はどのようにして一定に保たれるのでしょうか?そうですね、心臓の鼓動は周期的ですので、血流の速度も周期的であると考えても大丈夫です！つまり、血液は時間領域において周期的な速度で血管内を流れます。

心臓の鼓動の模式図 |出典: インターネット

しかし、まだ問題があります!血液は非常に粘性が高く、血管は曲がりくねって複雑になっており、半径は心臓から手足に向かって徐々に小さくなっています。血管内の血液が加速と減速を繰り返すと、血管の抵抗や粘性による消散を克服するのに、多くのエネルギーが必要になるのではないでしょうか。問題はどこにあるのでしょうか?実は、私たちは 1 つの問題を見落としていました。血管は硬い管として扱うことはできず、弾力性があるということです。心臓が鼓動すると、血管もそれに合わせて動きます。

心臓の鼓動に合わせて血管は常に拡張と収縮を繰り返しています。 |画像出典: インターネット

事件は解決した。心臓の鼓動により、血管の拡張と収縮を引き起こす横波と、血液の方向に沿って伝播する縦波が発生します。さらに驚くべき事実があります。鼓動する心臓からのエネルギーのほとんど（ほぼすべて）は、血液を押し出すためではなく、脈動を生み出すために血管に与えられているのです。

心臓は単なる「血液ポンプ」ではなく、動脈の脈動を発生させる装置のようなものだと思われます。

心臓 - 脈波発生器

これまでのところ、心臓の鼓動が血液血管連結システムにどのような影響を与えるかについては、予備的な概要が得られています。物理学を具体的に理解すると、特定の数学的記述を追求することがはるかに容易になります。次に、波の速度を得るために詳細な推定を行います。血管と血液の特性によって波の速度が決まることがわかります。これは医学、生体力学、その他の分野で大きな意義を持ちます。

まず、適切な開始点を選択すると、その後の計算が大幅に簡素化されます。この導出部分については参考文献[6]を参照してください。まず、連続媒体の波動力学によって与えられる媒体内の音波速度の式から始めます。

ここで、は比容積、つまり単位質量あたりの体積であり、密度の逆数です。この式は適用性が高く、音速やその他のパラメータを取得するために使用できます。

材料の体積圧縮係数、つまり相対的な単位体積が圧縮されたときの材料の圧力変化です。素材の特性がここに反映されていることがわかります。鋼鉄の場合、大きな圧力がかかっても材料の体積変化が無視できるため、この量は大きくなります。スポンジの場合、この量は非常に少なく、スポンジをほとんど力を入れずに小さな破片に押し込むことができます。

そして、血管系の容積圧縮係数がわかれば、脈波速度の予備的な推定値を与えることができます。

血液と血管の結合系では、圧力変化に直面した場合、血管の容積変化と血液の容積変化の両方を考慮する必要があります。この圧力は血管と血液でどのように分担されるのでしょうか?血管と血液は放射状に接触しており、考慮する圧力変化は主に放射状方向であることを考慮すると、血液と血管はバネのように直列に接続されていると考えられます。

血管結合の模式図 |画像は[6]より

下付き文字 s (システム)、b (血液)、v (血管) を使用して、それぞれシステム全体、血液部分、血管部分を識別します。

その中で

シンプルで簡単！つまり、血液と血管のそれぞれの体積圧縮係数を求めることで、システムの体積圧縮係数を計算し、波の速度を計算することができます。

血液の場合、体積圧縮率は血液の特性によって異なります。血液の複雑な構成は、より基本的な観点から推測するのが難しく、通常は実験によって決定されます。

しかし、血管の場合、フックの法則に従う体積弾性率を持つ弾性材料として近似することができます。固体材料を説明する場合、一般的には体積圧縮係数ではなく体積弾性係数を使用します。これは、この量が応力とひずみの関係を直接反映し、さまざまな材料のこの量の特定の値を見つけるのも簡単だからです。したがって、変換するにはここで少しプッシュする必要があります。

血管ストレスの模式図 |画像は[6]より

ここで考慮する必要があるのは、一般化されたフックの法則、つまり応力 = ひずみ弾性係数を使用した半径方向の応答です。

幾何学的な関係を考えてみましょう。

血管の太さは次のようになります。

次に、無限小要素を相対的な体積変化の無限小要素に変換します。

血管容積圧縮係数は体積弾性係数で表される。

さらに、血管-血液結合系の体積圧縮係数を取得し、係数を定義します。

それから

ミッション完了！血管を追加した後、システムの波速度の変化が、血液量圧縮係数と血管体弾性係数の比の関数である乗算係数として反映されていることがわかります。

具体的な例をいくつか見てみましょう。

（１）血管が剛体（鋼管）であると仮定すると、したがって、得られる波動速度は血液系の波動速度に等しく、これは生理食塩水中の音速に近く、およそ

（２）血管がプレキシガラス（PMMA）チューブであると想像すると、速度は大幅に低下します。

（３）実際の血管系では、この比はおよそなので、となります。

血管が柔らかくなり弾力性が高まると、脈波の速度は急速に低下します。得られた結果は、実際に測定された波の速度とも一致しています。今では、脈拍は心臓に比べて約 1 度遅れていると、ある程度正確に言うことができます。

さらに推論を続けると、血管の拡張と収縮の内部エネルギーは血液の10,000倍であるという結論に達する[1]！つまり、心拍からのエネルギーのほとんどは、血液ではなく血管に沿って伝達されます。つまり、心臓は「ポンプ」というよりは「脈波発生器」のようなものです。

多くのインスピレーション

式を覚えていなくても問題ありません。重要なのは、次の 2 つの事実を発見したことです。

1. 鼓動する心臓のエネルギーは、流体と固体の結合による複雑な波である脈波の形で伝達されます。

2. 脈波の速度と波形は血管と血液の性質によって影響を受けます。血管の生理的状態は多くの問題を反映する可能性があります。

これにより、多くの問題に対する新たな理解が得られます。

栄養素の輸送に関して言えば、栄養素は血液から組織に入り、血流だけでは十分ではありません。実際、心臓の鼓動の下では脈波は次の波形になります。

脈波周期中の圧力変化の模式図。縦軸は圧力振幅を表します。 AB は上昇ブランチに対応し、後者はアンロードブランチに対応します |図は[4]より

心臓の鼓動によってもたらされる脈波面が到達する場所には、圧力の上昇枝があり、その後に下降枝が続きます。上昇と下降により血液の流れと栄養素の伝達が完了します。

酸素を例にとると、酸素に結合するヘモグロビンの割合は、血液中の酸素分圧に依存し、これは血圧の全圧に比例します。つまり、脈波によってもたらされる圧力によって酸素濃度が変化し、それに応じてさまざまな組織に酸素が届けられるのです。これは、酸素が血液の安定した流れによって運ばれるという直感的な見方とは大きく異なります。これは、人体が血液粒子の流速 (10-1m/s) よりもはるかに速い脈波速度 (10¹m/s) で酸素を輸送できることも意味します。

人工心臓に対する人々の努力は、心臓の実際の役割を深く反映するものでもあります。

人工心臓の特徴 |画像は[3]より

心臓がその機能を果たせなくなった場合、その機能を代替するために人工心臓が必要になることがあります。人工心臓を設計する際、人々は当初、心臓の鼓動を模倣して第一世代の脈動ポンプを作成しましたが、このようにして作成された装置はサイズが大きく、非常に摩耗しやすいものでした。その後、血流促進の観点から第二世代の軸流ポンプが開発されました。しかし、本来の血流効果を得るためには、非常に高い回転速度が必要となり、人工心臓内の血液の有効成分に大きなダメージを与えやすくなっていました。最終的に、第 3 世代の磁気浮上遠心ポンプが血液成分の破壊の問題を解決しました。

しかし、人々は、単に血流を押し出すために必要な力は、心臓自体の働きよりもはるかに大きいことを発見しました。定常流プッシュ法では、さまざまな組織や臓器に栄養素を効果的に送達できないだけでなく、脈波が消失するため心血管組織の弾力性が徐々に失われ、最終的には深刻な心血管疾患を引き起こします。現在の人工心臓の設計では、心臓本来の効果を実現するために、周期的な変化を通じて脈動する血流を生み出す必要もあります。

先ほど、脈波の速度や波形などの情報は血管や血液の機械的特性に依存すると述べました。脈波の性質が人体の健康状態をよく反映していると考えるのは自然なことです。それでおしまい！心臓血管疾患と脳血管疾患は、人間の死因の第1位（がんをはるかに上回る）であり、人間の健康に大きな脅威をもたらします。脈波は血管の健康情報をある程度反映することができる[2]。例えば、

正常者と動脈硬化患者の脈波の比較 |画像は[7]より

さまざまな場所での脈波圧力の変化を測定することで、血管の健康状態を反映することができます。 |画像は[8]より

また、このことと言えば、何か思い当たることはありますか？そうです、中医学の脈診です！脈圧波形チャートは、28の伝統的な脈拍条件にリンクできます。

フラットパルス、ストリングパルス、スリッパリーパルスは、異なる圧力パルス図に対応します |画像は[5]より

（編集者は、長い間脈を触っていたのに何も感じなかったことにため息をつく。人間は本当にこのような波形の違いを感じることができるのだろうか？鍵は本当にある。中医学を学ぶ学生は脈シミュレーターの前で長時間練習しなければならないと聞いた。どの職業にも得意分野があるのだなとため息をつくしかない。）

ここでは詳しく紹介しません。興味のある学生はもっと詳しく知ることができます〜

変動は、実は私たちの身近なところにあるようです。心臓の鼓動は、超柔軟な血管に沿って脈波となって伝わり、栄養素を効率よく届け、生命の偉大さに驚嘆させる美しい生命の旋律を奏でます。将来的には、脈波に関する詳細な研究が人類の健康にさらなる貢献をもたらすことを期待しています。

注: この記事には医学的なアドバイスは含まれておらず、バイオメカニクスに関する説明のみです。健康上の問題については医師のアドバイスに従ってください。

表紙は[8]より

参考文献:

[1] Wang Hui、Wang Lili、Miao Fuxing、他心臓機能の「ポンプ理論」と「波動理論」について[J]爆発と衝撃波、2020、40(11):4-13。

[2] 張静、孫立娟。メタボリックシンドローム患者の動脈硬化に対する超高速パルス波技術の応用価値[J]。安徽医学、2023、27(10):2081-2085+2125。