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호흡 생리

호흡기

폐구조

폐 - 폐쪽흉막(visceral pleura) - 흉막공간(pleural cavity) - 벽쪽흉막(parietal pleura) - 흉벽(Chest wall)

• 흉강의 위: 흉쇄유돌근(sternocleidomastoid m.) + 사각근(scalenus)
• 흉강의 아래: 횡경막(diaphragm)
• 흉벽(Chest wall) = 흉골 + 척추골 + 갈비뼈 + 갈비사이근육(intercostal muscle)
• 흉막공간(pleural cavity): 두개의 흉막 사이 공간. 소량의 액체가 마찰을 줄임
  • 수흉(hydrothorax): 흉막공간 액체가 많음
  • 농흉(pyothorax): 흉막공간에 고름
  • 혈흉(hemothorax): 흉막공간에 혈액
  • 기흉(pneumothorax): 흉막공간에 공기

폐포(alveolus), 호흡막(respiratory membrane)

• 6층구조: 폐표표면활성물질측(pulmonary sulfactant layer) - 폐포상피세포층 - 상피세포기저막 - 간질층 - 내피세포기저막 - 모세혈관 내피세포층

• 1형 폐포상피세포: Squamous, 크고, 폐포 면적의 90~95% 차지

• 2형 폐포상피세포: Cuboidal, 1형보다 숫자 많으나(전체 폐포세포의 60%), 작아, 폐포 면적의 5% 이내 차지

  • Pulmonary surfactant

• 기타: macrophage, lymphocyte, plasma cell, mast cell, APUD (amine precursor uptake and decarboxylation) cell

기도

총 23회의 분지

• 전도영역 = 기관 + 기관지 + 세기관지 + 종말세기관지(terminal bronchiole)
• 호흡영역 = 호흡세기관지(respiratory bronchiole) + 폐포관(alveolar duct) + 폐포

기도저항

유체기초

1. Flow = ∆Pressure / Resistance

   • 

2. 유체의 흐름저항 (Khan Academy)

   • (Hagen–Poiseuille equation, 1840)

     • (L: Length | η: viscosity | Q: flow rate | r: radius)
   • 저항의 직렬 합

     • 

   • 저항의 병렬 합

     • 

기도저항

• 비강에서 최고: 전체의 50% (구호흡의 경우 구강+인후두+기관 = 20~30%)
• 그 외 큰 저항: 중등도 크기 기관지(medium-sized bronchus)에서 그 다음 큰 저항 (작은 직경)

• 세기관지: 작은 직경으로 저항이 제일 크지만, 분지가 많아서 저항의 병렬 연결 = R_total이 작음

• 세기관지 이후로 전체 기도 면적의 급격한 증가로 공기속도 급감
• 세기관지 직경이 작을수록(폐 내 잔류공기량이 적을수록) 기도저항 증가
  • 기도저항이 높은 환자는 폐 내 잔기량을 높게 유지하는 식으로 compensation함
  • 강제호식곡선(forced expiratory flow curve), 최대 자발적 환기량(maximum volumetric ventilation; MVV)로 기도저항 측정 가능

기도 내 공기흐름

• 기관, 큰기관지: 와류
• 세기관지: 느린 유속, 층류(laminar flow) 형성
• 중기관지: 와류와 층류의 혼합

기관지 평활근의 조절

• 부신수질 Epi., Norepi. ➔ 기도 adrenergic β2 수용체 ➔ 평활근 이완 ➔ 기도확장
• 미주신경(부교감) ➔ Muscarinic receptor ➔ 기관수축
• 독가스,담배연기,먼지,기도감염 ➔ 부교감신경 ➔ 기도수축
• 알레르기 ➔ 히스타민 ➔ 기도수축 (알레르기 천식)

기도와 이물질 제거

비강에서 종말세기관지까지 점액으로 덮여있다

• 늘 습한 상태: 흡기를 가습
• 술잔세포(goblet cell)과 점막하 분비선에서 분비
• 이물질 제거: 상피세포의 융모운동(16 mm/min)으로 이물질 배출
• 융모운동의 결함: 재발성 폐감염, 기관지확장증, 만성부비강염 등 가능

이물질 제거

• 이물질(>4~6µm): 비강(콧물)

• 이물질(1~5µm): 세기관지 흡착 가능 (종말세기관지병)

• 이물질(<1µm): 폐포벽을 통해 확산, 림프관 유입

• 이물질(<0.5µm): 공기속에서 부유, 호식 공기와 함께 배출

폐포 대식세포

폐포벽 존재, 아메바성 운동 단핵구

• 말초기도나 폐포까지 유입된 이물 제거(lysosome에 의한 파괴)

• 규소(silica)는 파괴되지 않고 대식세포에 대해 독으로 작용 (Silicosis)

• 파괴되지 않은 이물을 탐식한 대식세포는 기도를 통해 배출되거나 림프관으로 유입
• 평균 수명은 1~5주. 흡연에 의해 기능 약화

폐환기

흡식근

• 안정시: 횡경막(diaphragm) + 바깥갈비사이근(external intercostal m.)
• 호흡증가시(추가): 사각근 + 흉쇄유돌근

호식: 흡식근의 이완에 의한 수동적 호식 가능

• 추가 호식시: 복직근(rectus abdominis m.) + 배바깥빗근(obliquus externus abdominis m.) + 배속빗근(obliquus internus abdominis m.) + 배가로근(transversus abdominis m.) + 속갈비사이근(internal intercostal m.)

흡식: 흡식근 수축 ➔ 흉강 확장 ➔ 폐내압 = 대기압 - 1mmHg ➔ 흡기

• 호기는 반대로
• 안정상태 정상인의 1회호흡량 = 약 500 mL

흉막공간내압(intrapleural pressure):

• 폐쪽흉막(visceral pleura)과 벽쪽흉막(parietal pleura) 사이 공간의 기압
• 항상 음압(negative pressure)이 유지(-2.5 ~ -6 mmHg)되며 폐를 흉벽쪽으로 확장시키는 역할을 함
• 음압이 깨지면(기흉) 폐가 쪼그라들어(collapse) 무기폐(atelectasis)가 됨
• 흉박공간내압은 식도내압과 거의 같음. 식도내압으로 대신 측정
• 운동 등으로 격렬한 흡식이 일어날 때는 음압이 안정시의 7배까지 늘어남
• Valsalva maneuever 같은 특수한 환경에서는 -100 mmHg까지도 가능

폐유순도(compliance)

• Compliance = ∆Volume / ∆Pressure (Khan Academy)

• 정상 성인의 경우 0.22L / cmH₂O

• 폐수종, 폐울혈, 부분적 무기폐, 폐섬유증 등에서 감소

• 폐공기종(emphysema) 등에서 증가

표면활성물질(pulmonary sulfactant)

• 표면장력
• 크기가 다른 세포가 공존 가능
• 간질액이 폐포로 유입되는 것 차단

폐기능 검사

폐활량, 강제폐활량, 최대 호식 속도, 최대 자발적 환기량

• 폐쇄성 폐질환(천식, 만성 폐쇄성 폐질환)
• 제한성 폐질환(폐섬유증)

폐용적

• 일회호흡량(VT: Tidal Volume)
• 흡기/호기 예비량(IRV/ERV: Inspiratory/Expiratory Reserve Volume)
• 폐활량(VC: Vital Capacity) + 잔기량(RV) = 총폐용량(TLC)

폐환기량 = 호흡수(회수/min) x (일회호흡량 - 사강(Dead Space)) = 대략 4.2 L/min

• 최대자발적환기량(Maximum voluntary ventilation) = 125~170 L/min

폐순환

폐순환 (그림 14-22)

• 체순환계의 혈관보다 두께 얇고, 신전성 크고, 평활근 적다
• 우심실압(수축기/이완기) = 25/0 mmHg
• 폐동맥압(수축기/이완기) = 24/9 mmHg
• 폐모세혈관압 = 10 mmHg
• 좌심방, 폐정맥압 = 평균 8 mmHg

기관지순환(체순환)

• 기관~종말세기관지까지 동맥혈 공급
• 기관지동맥 ➔ 상기도 ➔ 기관지정맥 ➔ 우심방
• 기관지동맥 ➔ 하기도 ➔ 폐정맥 ➔ 좌심방
  • 폐정맥의 산소분압을 5 mmHg 낮추는 효과 생김(physiologic shunt)

폐순환계 혈액량

• 폐순환계 총혈류량: 450 mL (250~300mL/체표면적m²)

  • 적혈구가 폐순환 통과하는데 4~5초 소요

• 폐모세혈관 총혈류량: 100 mL (60~60mL/체표면적m²)

  • 적혈구가 폐모세혈관 통과하는데 0.75초 소요
  • 심한 운동시 더 짧은 시간 소요

폐혈관 조절기전

• 국소적 조절

  • 高pO₂, 低pCO₂, 低H⁺ ➔ 수축 (혈류 유입 줄임)

  • 低pO₂, 高pCO₂, 高H⁺ ➔ 확장 (혈류 유입 유도)

• 신경성 조절
  • 교감신경 ➔ 폐혈관 수축
  • 부교감신경 ➔ 폐혈관 확장

폐혈류와 중력 (그림 14-24)

• 서 있는 자세에서 중력에 의한 정수압 효과: 대략 23 mmHg
• 폐첨부 = 심장높이 폐동맥압 - 15 mmHg

  • 폐동맥압(P_a) < 폐포내압(P_A) ➔ 혈액이동 차단 ➔ 기체교환 불가능(생리적 사강)

• 폐동맥압(P_a) > 폐포내압(P_A) > 폐정맥압(P_v) ➔ 수축기에만 혈액이동

• 폐기저부 = 심장높이 폐동맥압 + 8 mmHg

  • 폐동맥압(P_a) > 폐정맥압(P_v) > 폐포내압(P_A) ➔ 혈액이동, 기체교환 정상

가스 교환

폐의 가스 교환

• 대기압(ATM) = 760 mmHg

• 폐포내 수증기압@ 37°C = 47 mmHg (Boyle-Charles 법칙)

• 폐포내 pCO₂ = 폐모세혈관내 pCO₂ = 40 mmHg

• Respiratory quotient (RQ) = 0.8

• 폐포내 산소분압 = 21% x (ATM - pH₂O) - pCO₂/RQ = 100 mmHg

용해기체의 농도 = 기체의 분압 x 기체의 용해계수 (헨리의 법칙)

• 기체	O2	CO2	CO	N2	He
  용해계수 (체온, 1기압)	0.024	0.570	0.018	0.012	0.008

폐포->모세혈관 산소이동

• 폐포/모세혈관 산소 분압차에 비례 (픽의 확산법칙)

• 총 폐포 면적에 비례
• 폐포벽의 두께에 반비례

폐 가스확산능의 증가가 필요할 때(운동시):

• 폐환기량 증가, 폐모세혈관 확장 ➔ 폐포벽 가스확산 면적 증가
• 폐포벽 두께 감소 ➔ 가스확산 거리 감소
• 폐포벽 손상(폐공기종, COPD, 환기/혈류량 불균형 등): 폐확산능 감소

혈액의 산소 운반

보어 효과(Bohr effect): O₂Hb ∝ 1/[H⁺]

• 헤모글로빈의 O₂ affinity = 高 H⁺시 감소

• 低 pCO₂ 조직(폐) = 低 H⁺ = 高 O₂Hb

• 대사 부산물이 많은 곳(高H⁺ 조직)에서 O₂ 유리

혈액의 이산화탄소 운반

CO₂ 운반 3가지 방법

• 혈장(물)에 녹아서 (약 7%)

• RBC::Carbonic Anhydrase: CO₂ + H₂O ➔ H⁺ + HCO₃^- (70%)

• RBC::Hemoglobin + CO₂ ➔ Carbaminohemoglobin (Haldane effect)

할데인 효과(Haldane effect): O₂Hb ∝ 1/[CO₂]

• 헤모글로빈의 CO₂ affinity: 高 pO₂에서 감소

• 高 pO₂ 조직(폐): HbCO₂ -> Hb + CO₂ 분리 (CO₂ 유리)

• 低 pO₂ 조직(근육): Hb + CO₂ -> HbCO₂ 부착

호흡조절

호흡조절중추

위치: 연수와 교뇌의 망상체 부위

• 연수의 신경세포군(dorsal and ventral respiratory group)
• 교뇌 상부 1/3의 호흡조정중추(pneumotaxic center)
• 교뇌 하부의 지속흡입중추(apneustic center)

연수 호흡중추

• 등쪽호흡신경세포군(DRG: dorsal respiratory group)의 신경세포군I(I neuron)
  • 흡식 근육 담당
  • 안정시 흡식 유도
• 배쪽호흡신경세포군(VRG: ventral respiratory group)의 신경세포군E(E neuron)
  • 흡식+호식 담당
  • 과다호흡시 강제 호식 유도

• Pre-Bötzinger complex에 의해 호흡리듬 발생 (심장근 SA node와 유사)

호흡조정중추(pneumotaxic center)

• Subparabrachial nucleus: 흡식신호의 종료(switch off) 결정

• Hering–Breuer reflex

  • 폐가 과도하게 확장시 기관지벽의 stretch receptor가 흥분
  • 미주신경을 통해 중추로 전달, 더 이상의 폐 확장을 억제

체액성 호흡조절

CO₂, O₂, H⁺ 농도가 중요

• 흡기 CO₂ 농도가 10% 라면 폐환기량은 8배 증가

• 동맥 pCO₂가 2~5 mmHg 증가하면 폐환기량은 2배 증가

• 말초화학감수기 + 중추화학감수기

말초화학감수기

• 경동맥소체(carotid body): 내/외 경동맥 분비부위 좌우 1쌍
• 대동맥궁소체(aortic body): 대동맥궁벽에 2개

중추화학감수기

• 연수 호흡중추 근처(그림 14-44)

• 뇌척수액의 高 pCO₂ 高 H⁺ -> 호흡항진

• 뇌척수액의 低 pCO₂ 低 H⁺ -> 호흡억제

기타 호흡조절

폐환기 종류

저산소증

분류:

1. 저산소성 저산소증(Hypoxic hypoxia): 혈액에 도달하는 산소가 부족
   • 환기저하, 폐포의 산소확산능 감소, 선천선 심장중격결손 등
2. 빈혈저산소증(Anemic hypoxia): 혈액의 산소 운반능 감소
   • 혈색소 감소, 일산화탄소혈색소, 메트헤모글로빈 등
3. 울혈저산소증(Stagnant hypoxia): 조직으로의 혈류량 감소
   • 심박출량 감소나 혈관폐쇄 등 혈류의 문제
4. 조직독성 저산소증(Histotoxic hypoxia): 말초세포의 손상으로 산소 이용능력 감소.
   • 시안화물중독 등

호흡기 질환

흡기문제(Restrictive disease)

폐가 부풀지 않는다(dead space 증가) -> 산소 흡입의 제한

• 폐섬유화: Interstitial lung disease, Pulmonary fibrosis, 원인불명 신종 폐질환(질병관리본부 보도자료)

• 자가면역질환: Sarcoidosis

• Chest wall muscle 문제: Scoliosis, ALS 등

호기문제(Obstructive disease)

폐가 부푼채로 수축하지 않는다 -> 이산화탄소 배출의 제한

• 기도의 mucous plug(Chronic Bronchitis)

• 폐조직 탄성 감소(Emphysema)

• 기도폐쇄(Asthma)

• Cyctic Fibrosis(백인 호발 유전병)

가스교환(Ventilation disease) 문제

폐포 조직액 증가 -> 산소 확산 거리 증가, 이산화탄소가 폐포표면활성물질에 용해(배출안됨)

• 감염(Pneumonia)
• Edema: 심부전

혈류(Perfusion) 문제

폐혈전증(Pulmonary embolus)