7장 폐와 호흡의 물리 8장 심혈관계의 물리

일반적인 폐질환의 물리 신생아 호흡부전증후군 (IRDS) 폐기종 (emphysema) 천식 (asthma) 폐 섬유증 (fibrosis), 진폐증

배움과 가르침(敎學相長) 최근에는 강의식 수업의 부적절성을 지적하며 토론식 수업만이 최상의 수업방식이라는 분위기가 형성되고 있는 것 같다. 그러나, 토론을 하기 위해서는 그 주제에 대한 기본적 지식이 필요한데, 이것은 토론으로 얻는 것보다는 강의를 통해 얻는 것이 훨씬 효과적이다.

바닷물 Na+ 공기 Na+ 세포내액 K+ 바닷물에서 사는 단세포 생물 육상생물 세포막

산소, 영양분 심장 혈액 간질액 노폐물

외(적)환경 (ext. environ.) 세포막 내(적)환경 (int. environ.) 항상(정)성 HOMEOSTASIS 모세혈관막 세포막 내(적)환경 (int. environ.) 항상(정)성 HOMEOSTASIS

환기 (ventilation) 폐순환 (perfusion) 확산 (diffusion) 기체운반 (gas transport) 호흡역학 (mechanics) 호흡조절 (control) O2 CO2 폐기체교환 O2 CO2 기체운반 우심실 순환계 좌심실 CO2 O2 조직기체교환 조직 CO2 O2

구조와 기능 (Structure & Function) How the Architecture of the Lung Subserves Its Function

비강 인두 구강 후두 기도 기관지 오른쪽폐 폐 왼쪽폐 심장

Capillary basement memb. Alveolar epithelium Capillary endothelium Interstitial space Capillary basement memb. Alveolar epithelium Capillary endothelium Fluid (surfactant) layer

환기 (VENTILATION) How Gas Gets to the Alveoli

폐순환 (Blood Flow) How Pul Circ Remove Gas from the Lung

환기/관류비 (V/Q relationship) How Matching of Gas & Blood Determines Gas Exchange . . VA / Q

500 ml 6000 ml 150 ml 12 /min 4200 ml 350 ml 4200/5000=0.8 Heart rate 70 bpm

4 LUNG CAP 4 LUNG VOL FRC(ERV+RV) TV IC(TV+IRV) IRV VC(TV+IRV+ERV) ERV TLC 4 LUNG VOL TV IRV ERV RV IC TLC Insp. Reserve Vol VC Tidal Vol Exp. Reserve Vol FRC Residual Vol

VC TLC IC FRC Max. insp. level IRV TV Resting exp. level ERV Max. exp. level RV

기능적 잔기용량(FRC) Dead space RV FRC resting exp. level ERV TV Alveoli IRV

무효공간 (사강, dead space) Anatomic dead space Physiologic dead space (해부학적 무효공간) Physiologic dead space (생리학적 무효공간)

폐포환기 (Alveolar Ventilation) 폐환기의 목적은 폐포공기(alveolar gas) 산소분압(PO2)을 폐모세혈관 혈액보다 높게 하고, 이산화탄소분압(PCO2)을 낮게 하는데 있다. 이렇게 함으로써 조직세포에 갈 O2를 혈액에 실어주고, 조직세포로부터의 CO2를 페포로 확산되게 할 수 있다. O2와 CO2는 폐포공기와 폐모세혈관 혈액 사이에서, 그리고 조직세포와 조직모세혈관 혈액 사이에서 분압경사에 따라 이동한다.

폐포환기 (Alveolar Ventilation) 우리는 약500ml의 공기를(VT) 들이마시고 (VI) 내쉬기 (VE) 를 매분 12번(f) 가량 거듭한다. 그러니까 1분 환기량, 즉 분용적(V; minute volume, VT)은 VT x f =6,000ml이다. 분용적이 6,000㎖이라 하여 이 공기가 모두 폐포영역에 도달하여 폐포공기를 신선하게 해주는 것은 아니다. 500㎖의 들숨(TV= VI) 가운데 150㎖는 해부학적 무효공간(VT)에 남아 호식 때 그냥 호출되며, 나머지 350㎖만 폐포영역(VA) 에 도달하므로 매분 호흡영역에 들어가는 신선한 공기량은 (500-150)x12=4,200㎖이다. 이것을 폐포환기율 (alveolar ventilation rate,VA)이라 한다. 이것이 기체교환에 이바지하는 유효 환기량이다. . .

폐포환기 (Alveolar Ventilation) 따라서 폐포환기량은 호흡량(폐환기량)에서 호흡 무효공간을 머무는 기체량을 빼주어야 한다. 예를들어 설명하면 안정시 분당호흡량이 5ℓ일 때, 만일 피검자가 150㎖씩 33회 호흡했다면 (150x33=5,000) 외부공기는 해부학적 무효공간까지만 들어갔다 다시 나오기 때문에 실제 폐포환기량은 0이 된다. 반면에 피검자의 폐활량이 5ℓ라고 가정하고, 1분에 한번씩 서서히 호흡했다면 폐포를 출입한 공기량은 4,850㎖ (5,000-150=4,850)나 된다. 이상의 경우는 양극단의 경우이지만,여기서 명백히 알 수 있는 것은 같은 호흡량일 경우라도 호흡수가 증가하면 폐포환기량은 감소하고 호흡무효공간 환기량은 증가하게 된다. 즉, 폐포환기량을 증가시키기 위해서는 호흡수를 줄이고 심호흡을 하는 것이 유리한 셈이다. . . 기관절개술(tracheostomy) -사강 줄임: (300-150)x20=3,000 ⇒ (300-100)x20=4,000 VA TV=V E f VT VT

호흡빈도의 변화에 따른 호흡의 일량 그러나 폐포환기량 외의 다른 면을 보면 심호흡을 하는 것은 호흡으로 인한 운동량을 증가시키게 되어 곧 피로해진다. 그런 반면에 호흡수를 너무 증가시키면 기도저항의 증가 및 공기 흐름이 와류로 변해 총운동량이 다시 증가한다. 그러므로 폐포환기량도 증가시키고 운동량도 적당히 감소된 경우가 우리들이 평소 호흡할 때의 경우 즉, VT=500ml, f=16 정도가 된다.

확산 (DIFFUSION) How Gas Gets Across the Blood-Gas Barrier

  . O2 Vgas P2 (A/T) D (P1-P2) CO2 Area(A) (Sol/  MW) D (DCO2/DO2)= [Csco2/Cso2]x [(MW O2)/(MW CO2)] = (0.529/0.024) x (32/44) = 21 P1 Thickness(T)

PO2 100 PO2=60 40 PCO2=6 PCO2 40 46 PA Pv Pa (mmHg) PA Pv Pa P 95

100 50 Exercise

46 40 Exercise

혈액에 의한 기체운반 (Gas Transport by the Blood) How Gases are Moved to the Peripheral Tissues

100 75 50 P50 27 40 100

Temp.  PCO2  P50  DPG  Temp.  PCO2  pH  pH 

호흡의 역학 (Mechanics of Breathing) How the Lung Is Supported & Moved

흡식근 (Inspiratory Muscles) C3-5 (phrenic n.) Resting insp.: 1 cm Deep inspi.: 10 cm

호식근 (Expiratory Muscles) Elastic recoil (탄성반동)

hysteresis volume exp pump insp pressure min.vol. -10 -20 -30 (이력履歷현상) volume exp pump insp pressure min.vol. -10 -20 -30 compliance (유순도柔順度) V/P

VE  Ppl 흡식시 Ppl의 변화는 1) 폐의 탄성반동 및 2) 기도저항을 극복하는데 사용된다.

유순도 (柔順度, compliance) 폐의 압력-용적곡선 기울기 (V/P) 정상 폐는 확장압력 약 -2 - -10 cmH20에서 쉽게 확대되며, 폐유순도가 높다. 폐유순도 감소 폐섬유증 폐울혈 폐부종 폐정맥 고혈압 특히 폐용적이 적을 때 폐유순도 낮음 (무기폐, atelectasis)

lung extract water detergent

T1 = T2 T1 < T2 r1 < r2 r1 < r2 P1 > P2 P1 = P2

표면활성물질(surfactant)의 기능 (1) 폐포 표면장력   폐유순도   호흡시 하는 일  (2) 폐포의 안정성  (폐는 크기가 다른 3억개의 폐포의 집합체이다. 만일 surfactant가 없다면 작은 폐포내의 공기는 큰 폐포쪽으로 이동할 것이다.) (3) 폐포가 건조하도록 도와준다 (표면장력은 모세혈관에서 액체가 폐포쪽으로 빠져나가도록 한다. Surfactant는 표면장력을 줄이므로 액체의 이러한 누출을 방지한다.)

신생아호흡부전증 (IRDS,Infant Respiratory Distress Syndrome) (1) 폐포 표면장력   폐유순도   호흡시 하는 일  폐유순도  (stiff lung), 호흡이 힘듬 (2) 폐포의 안정성  Collapse된 폐포 존재 (기체교환 ) (3) 폐포가 건조하도록 도와준다 액체로 차있는 폐포 존재 (hyaline membrane)

폐포의 상호의존성 (interdependence)

흉벽의 탄성 (기흉)

Factors Determining Airway Resistance 1. Lung Vol. (LV  radial traction  r   R) 2. Bronchial smooth m. sym: braonchodilatation parasym: bronchoconstriction 3. Density & Viscosity of Insp. Gas (deep sea diving: d  R) He-O2: d  R

long time constant

- 5 - 10 = (P x A) x D = P x (A x D) = P x ΔV = ∫P · dV WORK 폐저항을 이기기 위한 작업량 OAECDO에 포함 (호식 때 팽창된 탄성구조 속에 함축된 에너지가 유리되어 절로 일어난다는 뜻) 점성저항 (기도와 조직)을 이기기 위한 작업량 (R , insp. F  Ppl (-) Rt () P=F/A WORK = FORCE X DISTANCE = (P x A) x D = P x (A x D) = P x ΔV = ∫P · dV - 5 - 10

효율 %=[이용된 일/전체에너지소모량(O2소모량)]x100 호흡운동의 효율은 약5～10%로 믿어진다. 안정호흡의 산소소모량은 매우 적으며 신체 산소소모량의 5% 미만이다. 능동적 과호흡을 하면 30%까지 늘어날 수 있다. 폐쇄성 폐질환 환자는 호흡의 산소소모량이 너무 커서 신체적 작업능력에 제한을 줄 수도 있다.

일반적인 폐질환의 물리 신생아 호흡부전증후군 (IRDS) Surfactant  폐기종 (emphysema) 폐포 사이의 구획이 무너짐 천식 (asthma) 기도 평활근 수축 (기도저항 ) 폐 섬유증 (fibrosis), 진폐증 (pneumoconiosis) 폐포막이 두꺼워 짐(기체확산 )