호흡기계

1. 호흡기계 Respiratory system

2. 호흡기계의 구조 • 인체에 산소를 공급하고 이산화탄소를 배출하는 기관 <분류 > • 구조적으로 ① 상부호흡기계 Upper respiratory system ② 하부호흡기계 Lower respiratory system

3. 2. 기능적으로 ① 전도부Conduction part - 공기의 통로로서 공기의 여과, 가온, 가습 기능 ; 비강, 인두, 후두, 기관, 기관지, 세기관지, 종말세기관지 ② 호흡부Respiratory part - 공기와 혈액 사이의 실질적 가스교환장소 ; 호흡세기관지, 폐포관, 폐포

4. <사강(dead space)> • 해부학적 사강(anatomic dead space) 코에서부터 종말세기관지(terminal bronchiole)까지 가스교환에 관여하지 않는 기도 부분의 공간 -150ml. • 생리적 사강(physiologic dead space) 정상인에서는 해부적 사강과 별 차이 없으나 질병 등의 원인으로 가스교환을 못하는 폐포가 있을 수 있으므로 이때 해부적 사강과가스교환을 하지 못하 는 폐포의 용적을 합친 것.

5. ※ 기관벽의 층 • 점막, 점막하층, 외막 • 점막 ; 위중층섬모원주상피(섬모) 점액을 분비하는 배상세포 → 공기 여과 시 걸러진 입자를 인두 쪽으로

6. <호흡의 과정 > 1. 폐환기Pulmonary ventilation - 공기가 폐로 들어가고 나오는 과정 2. 외호흡 External respiration - 혈액과 폐포 사이의 가스교환 과정 3. 운반 - 폐와 조직세포 사이의 가스 운반 ; cardiovascular system 4. 내호흡Internal respiration - 조직과 혈액 사이의 가스교환

9. < 허파꽈리 Alveoli > • 약 3억 개, 표면적 90~100m² • 탄력섬유로 둘러싸여 있음 • 가스교환을 위한 표면적을 넓히는 작용 • 폐포의cell type ⒜ Type I ; 단층편평상피로 이루어진 호흡상피 - 주위를 둘러싸는 모세혈관의 혈액과 가스교환 ⒝ Type II ; 중격세포Septal cell - 계면활성제 Surfactant를 폐포강 내부로 분비 • 호기 시 폐포가 쭈그러져 달라붙는 것을 방지, 흡기 시 폐포의확장을 수월하게 함 ⒞ 진애세포Dust cell - 폐포의 대식세포 Alveolar macrophages → 폐포에 들어온 먼지나 이물질에 대한 식작용

11. ※ 호흡막Respiratory membrane ; 폐포-모세혈관막(0.2~0.6μm) 가스교환이 일어나는 모든 막 • 폐포의호흡상피 • 상피 기저막 • 간질액 • 모세혈관 기저막 • 모세혈관 내피세포 • 혈장 • 적혈구의 세포막

12. <가슴막(늑막, 흉막) Pleura > - 폐를 싸고 있는 2겹의 막 • 장측 흉막 Visceral (pulmonary) pleura • 벽측 흉막 Parietal pleura • 흉막강Pleural cavity ; 흉막액Pleural fluid 이 차 있어숨 쉴 때 마찰을 막기 위한 윤활작용

13. 호흡역학 • 대기(atmosphere)와 폐 사이에서 공기의 이동은 압력차에 의해 이루어짐 • 대기압 : 760mmHg • 안정호흡시 폐포 내압 = 대기압 보다 3mmHg 낮다. • 폐포내 압력(alveolar pressure)은 흡식근(inspiratory muscle)의 수축에 의해 능동적으로 감소 • 흡기(inspiration) : 폐포 내 압력이 감소하여 대기가 폐로 빨려 들어오는 과정 • 호기(expiration) : 폐 내의 공기가 폐모세혈관의 혈액과 가스교환을 끝낸 후 압력차에 의해 피동적으로 대기 중으로 밀려 나가는 과정

15. <흡기> 횡격막(diaphragm)수축 외늑간근(external intercostal muscle)수축 흉곽이 상하로 팽창 흉곽이 전후로 팽창 흉막강 압력 (pleural pressure)낮아짐 • 안정호흡(quiet breathing) - 편안한 상태에서 이루어지는 호흡 흉강에 음압 형성 공기가 폐 내로 빨려 들어감 <호기> 수축되었던 횡격막과 외늑간근의 이완 →흉막강 압력 상승 → 확장되었던 폐가 수동적으로 원상복귀

16. 노력성 호흡(active breathing) • 폐를 최대한 확장하고 수축하는 행위 • 흡기 시 사용되는 근육 • 횡격막 • 외늑간근 • 흉쇄유돌근(목빗근, sternocleido-mastoid muscle) • 사각근(목갈비근, scalenus muscle) • 호기 시 사용되는 근육 • 흡기근의 이완 • 내늑간근(internal intercostal muscle) 수축 • 복근(abdominal muscle) 수축

17. 기도저항(airway resistance) • 세기관지:저항이 가장 크고, 평활근이 많아 저항을 조절 • 흡기시에 비해 호기시에 더 증가 • 기도저항이 증가하는 질환 - 기관지천식(bronchial asthma) - 만성기관지염(chronic bronchitis) - 만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ․ 기도저항증가 : 부교감신경 자극제, 히스타민 ․ 기도저항감소 : 기도의 평활근 이완, 교감신경 자극제. epinephrine

18. 폐의 유연성 • 폐가 유연하면 흉막강의 압력이 조금만 변하여도 폐가 쉽게 확장되어 공기가 쉽게 유입 • 유연성에 영향을 미치는 요인 - 폐 실질의 유연성 - 표면장력(surface tension) • 관련질환 - 무기폐(atelectasis) - 신생아호흡곤란증후군(infant respiratory distress syndrome, IRDS) : 미숙아(immature baby)의 미성숙한 폐가 표면활성물질을 제대로 분비하지 못하여 발생

19. 폐기능 - 폐활량계(spirometer) : 폐용적을 측정하는 기계 - 폐용량곡선(spirogram) : 폐활량계로 작성한 폐용적 곡선

20. 폐용적(pulmonary volume) • 일회호흡량(tidal volume, TV) - 안정상태에서 흡입하거나 호출하는 공기의 양 - 약 500mL • 예비흡기량(inspiratory reserve volume, IRV) • 안정상태에서 숨을 들이 쉰 후 최대한 노력하여 추가로 더 들이마실 수 있는 공기의 양 • 약 3,000mL • 예비호기량(expiratory reserve volume, ERV) • 안정상태에서 숨을 내쉰 후 최대한 노력하여 추가로 더 내쉴 수 있는 공기량 • 약 1,100mL • 잔기량(residual volume, RV) • 최대한 노력하여 내쉰 후에도 폐 속에 남아 있는 공기량 • 약 1,200mL

21. 3,500mL 3,000mL 4,600mL 5,800mL 500mL 1,100mL 1,200mL 2,300mL COPD환자는 잔기량이 증가

22. 폐용량(pulmonary capacity) 두 가지 또는 그 이상의 폐용적을 통합하여 지칭할 때 • 흡식용량(inspiratory capacity, IC) • IC=TV+IRV • 약 3,500mL • 기능적 잔기용량(functional residual capacity, FRC) • 안정 시 가장 편하게 숨을 내쉰 상태에서 폐 안에 남아 있는 공기의 부피 : 호기말용적(end tidal volume) • ERV+RV • 약 2,300mL • 폐활량(vital capacity, VC) • 폐용적 중에서 잔기량을 제외한 나머지 세 용적의 합 • 최대로 흡입한 후에 최대로 호출할 수 있는 기체부피 • 정상 성인남자 : 약 4,600mL • 총폐용량(total lung capacity, TLC) • 최대한 노력하여 들이마셨을 때 폐 내에 존재하는 공기의 총량 • TLC=VC+RV • 약 5,800mL

23. 폐포환기량 (alveolar ventilation) • 분시호흡량(minute respiratory volume) : 매분 기도를 통해 새롭게 유입되는 공기의 양 frequency(breath/min) × tidal volume(ml) 12회 X 500ml = 6L • 폐포환기량 (alveolar ventilation) : 분시호흡량 중 가스교환에 참여하는 공기의 양 폐포환기량= 호흡수 × (일회호흡량-사강용적) = 12/min × (500mL-150mL) = 4,200mL/min

24. 환기-관류비 • 가스교환에 참여하는 공기의 부피 : 폐에 관류하는 혈액의 부피 • 관류＜ 환기 ☞가스교환하지 못하는 공기가 많아짐 관류＞ 환기 ☞ 가스교환에 참여하지 못하는 혈액이 많아져 비효율적 • 환기-관류비(ventilation-perfusion ratio)는 0.8을 유지하는 것이 가장 효율적 • 조절기전 공기 : 세기관지 수축과 이완 혈액 : 세동맥의 수축과 이완

26. 가스교환 (gas exchange) • 가스확산의 원리 • 가스분압(Partial pressure) • 각 가스들의 혼합된 상태에서 총 압력에 대한 각 가스의 부분압력 • 가스교환 :분압 차에 의한 확산(diffusion)

27. 폐에서의 기체교환 • O2 : 폐포 공기의 PO2 100mmHg - 폐포 모세혈관 혈액의 PO2 40mmHg = 60mmHg의 분압차 • CO2: 모세혈관 혈액의 분압46mmHg - 폐포 공기의 이산화탄소 분압40mmHg = 6mmHg의 분압 차

28. 조직에서의기체교환 • O2 : 동맥혈의 산소분압 100mmHg - 조직의 산소분압 30mmHg = 70mmHg의 분압차에 의해 조직쪽으로 • CO2: 조직의 P CO2 평균 50mmHg - 동맥혈의 P CO240mmHg = 10mmHg의 분압차 정맥혈의 P CO2=46mmHg → 조직에서 동맥혈로 CO2 의 확산이 있다

30. 혈액의 산소 및 이산화탄소 운반 • 혈액의 산소 운반 폐를 통해 들어온 O2의 97%는 hemoglobin과 결합한 형태 로 운반, 나머지 3% 혈장에 용해된 상태로 운반

31. 헤모글로빈에 의한 산소운반 • 4O2 + Hb → HbO2 1개의 Hb은 4개의 O2와 결합, 산소와 결합된 Hb → 산화 헤모글로빈 • 포화(Saturation) : Hb내의 모든 Fe이 산소와 결합 Hb분자들의 포화율: 0~100%로 다양 • 산소와 Hb결합에 영향을 미치는 요인 혈중 산소분압(용해된 산소농도),혈중 수소이온 농도 온도, 혈중 PCO2, DPG

32. 1g Hb은 1.34ml/gm 의 산소와 결합 정상성인 혈액 100ml내 Hb의 양 : 15gm • 혈액 100ml 중 혈색소와 결합할 수 있는 최대 산소량 → 약 20.1ml(1.34×15)로 이를 산소 함유능력(O2 capacity)라고 함 • Hb산소포화도 : 산소분압의 변동에 따르는 HbO2의 양 % HbO2 = • 동맥혈 산소 포화도(PO2 100mmHg) : 약 97.5% 혈색소와 결합된 O2의 양은 19.4mL • 정맥혈 산소 포화도(PO2  40mmHg) : 약 75% 혈색소와 결합된 O2는 14.4mL HbO2 O2 capacity 혈액 100mL 속의 혈색소에 의해 폐에서 말초조직으로 운반된 O2는 5mL(19.4-14.4=5)

34. <산소-혈색소 해리곡선 (hemoglobin의 산소해리곡선)> 산소분압과Hb산소포화도의 상관관계 동맥혈의 O2 분압과O2와 결합한 혈색소의 비율과의 관관계를 나타낸 곡선

35. <체액의 조건에 따라 좌우로 이동> 오른쪽으로 이동하는 경우 : O2 가 혈색소에서 쉽게 해리 • H+농도 ↑ (pH 감소) • CO2 분압 ↑ • 혈액 온도 ↑ • 2,3-DPG의 농도↑ 수시간 이상 지속되는 저산소(hypoxic) 상태가 되면 적혈구 내에 존재하는 2,3-DPG가 증가. 2,3-DPG는 O2와 혈색소의 결합력을 낮춘다.

36. 보아효과(Bohr effect) 말초모세혈관에서 CO2와 H+의 영향으로 더 많은 O2가 혈색소에서 유리되어 조직으로 확산되는 현상 태아 혈액의 산소-혈색소 해리곡선은 성인에 비해서 좌측 편향 → 태아 혈색소(Hb F)가 성인 혈색소(Hb A)보다 O2 친화력이 큰 결과 → 태아가 모체의 혈액에서 O2를 섭취하는 데 유리

37. B. 용해된 상태로 산소의 운반 • 혈색소에 의한 O2운반량의 약 3% • O2 의 분압이 높은 공기를 흡입하여 폐포의O2 분압 증가하게 되면 용해된 상태로 운반되는 O2 의 양 증가 • 혈색소에 의한 O2운반은 97% → 이미 포화 분압이 높은 공기를 흡입하여도 기여 미미 • 일산화탄소에 중독(CO poisoning)에 이용 고압의 O2 를 흡입하게 하여 혈장에 용해된 상태로 말초조직으로 운반되는 O2 증가시킴

38. 혈액의 이산화탄소 운반 • 혈액에서 CO2의 농도는 산-염기 평형(acid-base balance)에 중요한 역할 • 정상상태 :CO2 는 혈액 100mL에 의해 4mL 정도가 조직에서 폐로 운반 • 운반 과정 - 물리적으로 용해된 상태(7%) - 중탄산염 이온(HCO3-) 형태(70%) - 단백질과 결합한 상태

39. 중탄산염 이온(HCO3-) 형태로 이동하는 CO2 조직모세혈관으로 들어온 CO2 → 적혈구로 확산 CO2 + H2O→ 탄산(H2CO3) ----→ H+ +HCO3- ↓ 물 + CO2 ← 탄산(H2CO3) ←-- H++HCO3- HCO3- - Cl- 운반단백질 탄산탈수효소 (carbonic anhydrase) Cl-과 교환 ↓ 혈장으로 이동 ↓ 정맥혈 : 폐모세혈관 ↓ 다시 적혈구로 유입 ↓ 혈색소와 결합된 H+과 재결합 Hb과 결합 ↓ 폐 호기 가스 PCO2, H2CO3 , H+,HCO3- 의농도는 정상적 환기에 의해 일정하게 유지 혈액의 산-염기 평형 유지에 기여

40. 단백질과 결합한 상태 • Cabamino형태의 CO₂(23%) • 혈장단백질, 헤모글로빈 등 혈액의 각종 단백질의 amino기는 CO₂와 결합해  Cabamino  CO₂를 형성 • 가장 중요한 단백질은 헤모글로빈의 Globin Protein - NH₂ + CO₂→ Protein - NHCOO + H⁺

41. 호흡의 조절 • 신경성 조절(교, 연수) • 연수의 호흡중추 • 등쪽 호흡군 (dorsal respiratory group; DRG) 배쪽 호흡군 (ventral respiratory group; VRG) • 흡식의 빈도, 리듬 조절 • 감각 신경 : 미주신경, 설인신경 • 운동신경 : 횡격막 신경, 척수신경을 통하여 횡격막과 늑간근 수축

42. 교의 호흡중추 • 지속성 흡식중추 • 교 하부 2/3에 위치 • 지속적 흡식 촉진 • 호흡조절중추 (pneumotaxic center) • 교 상부 1/3에 위치 • 지속성 흡식중추의 기능 억제

43. 화학적 조절 • 중추 화학수용기 • 연수의 복측에 위치 • 뇌척수액의 pH변화, 동맥혈의 PCO2 증가 감지

45. 말초 화학수용기

46. 산소와 관련된 문제점 • 저산소증(Hypoxia) : 산소공급이 생리적 요구량 이하로 떨어지게 되 조직에서 산소가 부족하면 발생 • 산소독성(Oxygentoxicity) : 고압, 고농도의산소 공급 시 100% 산소를 8시간 이상 흡입할 경우 비출혈, 인후통, 기침 폐포나 모세혈관 세포 증식,폐탄력성 저하 망막 혈관 경련, 혈전 1기압 이상일 경우 → 단시간 내 경련, 현기증, 이명, 혼수 고압 산소요법은 3기압 이하, 5시간 이내

48. 이상호흡 • 안정 시 성인의 정상 호흡 : 12~20회/min • 빈도의 변화 • 빠른호흡(tachypnea) • 호흡곤란 (dyspnea) • 깊이의변화 • 과호흡(hyperpnea) • 호흡저하(hypopnea) • 규칙성의변화 체인-스토크 호흡(cheyne-stokes respiration)