呼吸とともに吸入されるエアロゾル粒子は、慣性衝突、重力沈降、拡散など様々な沈着機構により、呼吸気道の各部位に粒子の大きさに応じて沈着する。この時の沈着様式をモデル化したものを「呼吸器沈着モデル」という。呼吸気道へのエアロゾル粒子の沈着機構を図1に示す。

呼吸器へのエアロゾル粒子の沈着は、呼吸気道の形態学的な複雑さから、数学的なモデルが必要となり、様々なモデルが提唱されている。以下、その歴史を記述する。

Findeisenの沈着モデル^1）

　吸入によるエアロゾル粒子の気道沈着を数学的にモデルとして記述した最初の沈着モデルである。呼吸気道を一連のコンパートメントのつながりとし、各コンパートメントに分岐次数や気道の直径や長さを与えた（図2参照）。

気道内の流れは一定で、吸気で沈着し、呼気では沈着しないとする。また、取り込まれた粒子は、すべて肺胞まで達すると仮定している。沈着機構は慣性衝突、拡散、沈降の３つとし、呼吸気道の形態、呼吸生理学、空気力学的性状、粒子の動向の４つを組み込んだ計算システムを示している。

Findeisen沈着モデルの改良

Findeisenのモデルをもとに、口、咽頭などを追加する呼吸気道形態の改良や気道内におけるエアロゾル粒子の空気力学的性状、沈着割合などを改良することで^2,3）、より実験値に一致するモデルに発展し、Findeisen-Landahl-Beeckmansのモデルが確立された。

放射線防護における沈着モデル

　国際放射線防護委員会（ICRP：International Commission on Radiological Protection）は、放射性エアロゾルの吸入による被ばく線量を評価するため、気道への沈着モデルを含めた呼吸気道モデル（呼吸気道モデルを参照）を勧告している。現時点で最新のPublication 66⁴⁾の沈着モデルは、コンピュータプログラムも開発されている⁵⁾。Publ. 66における沈着率を求める数式は、実験データを曲線回帰することで求められた経験式である。

　米国放射線防護審議会（NCRP: National Council on Radiation Protection）では、ICRPとは別に呼吸気道モデルを提唱している⁶⁾。このモデルは、Yeh & Schumによる研究⁷⁾を基本としている。

ICRPとNCRPのモデルを比較した結果⁸⁾、頭部呼吸気道部分における粒子の沈着率は、粒径が0.001〜010 m範囲ではほぼ一致した。しかし、0.1 µmより小さな粒径では、気管・細気管支領域ではNCRPモデルの方が沈着率は高く、肺領域ではICRPモデルの方が沈着率は高いという結果になった。

参考書

Wang, C.S. A brief history of respiratory deposition modeling. Aerosol Science and Technology: History and Reviews, Ed. By D.S.Ensor, RTI International

Hinds, W.C. (1982) Aerosol Technology. John Wiley & Sons

References

1） Findeisen, W., Über das Absetzen kleiner, in der Luft suspendierter Teilchen in der menschlichen Lunge bei der Atmung. Pflügers Archiv für gesamte Physiologie desMenschen und der Tiere. 236:367-379, 1935.

2） Landahl, H.D., On the removal of airborne droplets by the human respiratory: I. The lung. Bulletin of Mathematical Biophysics, 12:43-56, 1950.

3） Beeckmans, J.M., The deposition of aerosols in the respiratory tract-I. Mathematical analysis and comparison with experimental data. Canadian J. physiol. &Pharmacology, 43:157-172, 1965.

4） International Commission on Radiological Protection, Human respiratory tract model for radiological protection. Annals of the ICRP, 24:1-482, 1994.

5） Javis, N.S., Birchall, A., James, A.C., Bailey, M.R. & Dorrian, M.D., LUDEP 2.07: Personal computer program for calculating internal doses using the ICRP publication 66 respiratory tract model., 2000.

6） National Council on Radiation Protection, Deposition, Retention and Dosimetry ofInhaled Radioactive Substances (NCRP Report 125), National Council on Radiation Protection and Measurements, 1997.

7） Yeh, H.C. & Schum, G.M. , Models of human lung airways and their application to inhaled particle deposition. Bulletin of Mathematical Biology,42:461-480, 1980.

8） Yeh, H.C., Cuddihy, R.G., Phalen, R.F. & Chang, I.Y., Comparisons of calculated respiratory tract deposition of particles base on the proposed NCRP model and the new ICRP 66 model. Aerosol Science & Technology, 25:134-140, 1996.

（放射線医学総合研究所・福津久美子） 2016年5月2日　　★