항공생리학 (aviation physiology) 항공기를 타고 비행하거나 우주여행에 따르 는 제반 생리학적 과제를 다루는 학문 저산소증 (hypoxia), 기압 변화, 가속도 (acceleration) 고지대의 생활.

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2 항공생리학 (aviation physiology) 항공기를 타고 비행하거나 우주여행에 따르 는 제반 생리학적 과제를 다루는 학문 저산소증 (hypoxia), 기압 변화, 가속도 (acceleration) 고지대의 생활

3 높은 표고 기압은 해발고도가 높을수록 대략 지수곡선상으로 떨어진다. 해발 5,500m 높이의 기압은 760mmHg 의 절반 가량이며, 여기서 수증기 포화 흡식공기 P O2 은 (380-47)x0.2093 =70mmHg

4 순화 (acclimatization)

5 1. 과환기 (hyperventilation) 고산 저산소증에 대해 가장 유익한 반응은 과환기 (hyperventilation) 에베레스트 정상에 오른 등반자의 폐포공기 P O2 : 폐포환기식 [P AO2 =P IO2 -(P ACO2 /R)] 폐포공기 P CO2 이 40mmHg 호흡교환율 =1 이라면 42-(40/1)=2mmHg 환기량을 4 배로 늘리면 P CO2 은 10mmHg 로 떨어지고 폐포 공기 P O2 (P AO2 ) 는은 42-(10/1)=32mmHg 로 오른다. 4,600m 고지에 사는 고산족의 동맥혈 P CO2 은 약 33mmHg 이다. 고산 과환기는 말초 화학감수기에 대한 저산소성 자극으로 일어남

6 호흡의 조절 (Control of Ventilation) How Gas Exchange Is Regulated

7 aortic arch carotid sinus aortic body carotid body peripheral chemoreceptor ( 말초화학수용기 ) 신경성 맥관기관 aortic body ( 대동맥소체 ), X carotid body ( 경동맥소체 ), IX

8 P O2  P CO2  pH 

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10 Need for Acid-Base Balance : pH dependence of metabolism 1) Enzyme activity 2) Ionic states of all substrates which have acidic or basic chemical groups 3) Membrane transport While any one metabolic process may be affected only to a small extent by a change in pH, the whole overall pattern of metabolism can be drastically changed by pH variation.

11 Defence mechanisms against variation in acid base disturbances 1)body's chemical buffering system 2) physiological mechanisms - largely through the functioning of respiratory and kidney system

12 생체 완충제 1. 단백질 완충제 2. 혈색소의 완충작용 3. 인산염의 완충작용 4. HCO 3 - /CO 2 완충제 이 완충제의 pK 는 6.1 이다. 따라서 생리적 pH 7.4 와는 비교적 많이 떨어져 있으나 다음과 같은 장점이 있어 체내의 산 - 염기 평형의 측정에 많이 이용된다. ① 혈장 내에 그 양이 많다 ( 약 25 mM/ℓ), ② 산 형태인 CO 2 는 호흡을 통하여, 염기 형태인 HCO 3 - 은 신장에 의하여 쉽게 조절될 수 있다. ③ CO 2, HCO 3 - 등의 측정이 비교적 용이하다. 체내의 산 - 염기 평형 상태는 여러 완충 시스템 중 한 가지만 측정하여 isohydric principle 에 의해 다른 완충 시스템의 상태도 알아낼 수 있다. HCO 3 - /CO 2 는 측정도 용이하고 또 생체 내에서는 가장 중요한 완충 시스템이므로 산 - 염기 상태의 판정은 이 시스템만을 이용하여 설명된다.

13 HCO 3 - /CO 2 완충제 체액 내 pH 가 7.4 로 유지되기 위해서는 체내 모든 완충계의 [ 염기 ]/[ 산 ] 의 비가 적절히 유지되어야 하는데, 탄산 - 중탄산계의 [HCO 3 - ]/[H 2 CO 3 ] 의 비가 달라지면 이에 준하여 타 완충계의 [ 염기 ]/[ 산 ] 의 비도 달라진다. 따라서 혈장 내 [HCO 3 - ] 농도와 탄산 ( 더 정확히 나타내면 α x P CO2 ) 의 농도 비를 조절함으로써 체액의 pH 를 정상으로 유지할 수 있다. pH = 6.1 + log {[HCO 3 - ] p / α x P CO2 } = 6.1 + log (24/0.03 x 40) = 6.1 + log (20/1) [HCO 3 - ] p / α x P CO2 비가 20:1 이면 pH 는 7.4 * P CO2 는 폐환기를 통하여 조절되지만, HCO 3 - 농도는 신장에서 조절된다.

14 ① 동맥혈의 정상 pH 보다 낮은 경우 산증 (acidosis), 높은 경우 알칼리증 (alkalosis) ② P CO2, 40mmHg 등압선 (isobar line) 의 – 대사성 (metabolic) 좌측에 존재하는 혈액의 상태는 호흡성 산증의 요소를 우측에 존재시는 호흡성 알칼리증의 요소를 갖고 있음 ③ 정상완충선 (NBL) 의 – 호흡성 (respiratory) 하방에 있는 혈액의 상태는 대사성 산증의 요소를 상방에 있는 상태는 대사성 알칼리증의 요소를 갖고 있음 NBL(normal buffer line) P CO2 isobar line

15 동맥혈 P CO2 이 낮아지고 알칼리증이 초래되므로 어느 정도 과환기에 제동이 걸림 pH = 6.1 + log {[HCO 3 - ] p / α x P CO2 } Respiratory Alkalosis: due to ↑ in ventilation V˙ A ↑ ⇒ P CO2 ↓ [HCO 3 - ] ↓ [HCO 3 - ] 20 ⇒ ------- > --- ⇒ pH ↑ (alkalosis) P CO2 ↓ ↓ α P CO2 1

16 하루 이틀 지나면 뇌척수액 pH 오름은 뇌척수액 밖으로의 HCO 3 - 이동으로 다소 회복되고, 이삼일 후에는 동맥혈 pH 도 신 HCO 3 - 배설로 거의 정상으로 회복 이리하여 과환기반응 요인은 더욱 줄어듬 pH = 6.1 + log {[HCO 3 - ] p / α x P CO2 } Compensation: [P CO2 ↓ ⇒ HCO 3 - reabsorption ↓ ⇒ [HCO 3 - ] p ↓]

17 고산족은 타고날 적부터 저산소성 과환기 반응이 약한데 이들이 해면 높이에 내려와 살게 되면 약한 과환기 반응은 변함이 없음 이에 대해 보통 사람은 저산소성 과환기 반응이 예민하고 고산지대에 이주하여도 오래 남아있음 그러므로 이 성질은 분명히 출생 초기에 결정되는 듯

18 2. 적혈구증다증 (polycythemia) 또 하나의 유익한 고지순화는 적혈구 수의 증가 (polycythemia) 임 혈색소 농도가 증가하며, 산소운반능력도 커짐 이때에는 비록 동맥혈 P O2, 산소포화도가 낮다하여도 동맥혈 산소함유량은 정상이거나 오히려 더 많을 수 있음 예컨대 4,600m 의 페루 안데스산 고산족의 동맥혈 P O2 은 45mmHg, 이때 동맥혈 산소포화도는 81%. 이 산소포화도로 동맥혈 산소함유량은 상당히 감소될 것이지만 혈색소 농도가 19.8gm/100 ㎖로 증가해 있다면 동맥혈 산소함유량은 오 히려 22.4 ㎖ /100 ㎖로서 해면 높이 정상인보다 높음 적혈구증다증으로 혼합정맥혈 P O2 도 크게 낮아지지는 않으며, 안데스산 고산족 혼합정맥혈 P O2 은 정상치보다 불과 7mmHg 낮을 뿐 이들의 적혈구 생산을 자극하는 것은 저산소혈증임

19 산소 운반 혈중 O 2 는 두가지 형태로 운반된다. (1) 물리적으로 용해된 O 2 (2) 혈색소와 결합한 O 2 용해 O 2, 산소화혈색소 O 2 의 양은 모두 동맥혈 Po 2 에 따라 결정된다. 동맥혈이 조직에 도달하면 이곳 Po 2 이 낮으므로 Po 2 이 떨어진다.

20 물리적으로 용해된 O 2 Henry 의 법칙에 의하면 용해 산소량은 Po 2 에 비례한다. Po 2 1mmHg 에서 100 ㎖혈액에 0.003 ㎖ (0.003 용적 %, Vols%) 의 O 2 가 용해된다. 동맥혈 Po 2 은 100mmHg 이므로 0.3 ㎖ O 2 /100 ㎖가 용해되어 있다. 이로써 혈액은 용해 산소로 O 2 를 운반함이 적합하지 않음을 알 수 있다.

21 혈색소 결합 산소 용해 O 2 는 혈색소와 가역적으로 결합하여 산소화혈색소 (oxygenated hemoglobin) 가 된다. O 2 + Hb ⇌ HbO 2 혈색소와 결합할 수 있는 O 2 의 최대량을 산소함유능 (O 2 capacity of Hb) 이라 한다. 1gm 혈색소는 1.34 ㎖의 산소와 결합할 수 있다. 정상혈액의 혈색소 농도는 약 15gm Hb/100 ㎖이므로 100 ㎖혈액의 산소용량은 20.1 ㎖이다.] 혈색소의 산소포화도는 아래와 같이 표현한다. [% 포화 Hb=HbO 2 /O 2 함유능 (HbO 2 +HHb)×100]

22 100 40 75 50 27 P 50

23 산화혈색소해리곡선 (oxyhemoglobin dissociation curve) ① 편편한 윗부분은 폐포공기 Po 2 이 약간 떨어져도 혈액의 산소부 하에는 큰 영향이 없다는 것과, 적혈구가 폐모세혈관을 지나며 O 2 가 폐포공 기에서 혈액으로 이동하는 동안 Po 2 차가 유지 되며 확산이 계속된다. ② 해리곡선의 가파른 아랫부분은 조직에서는 모세혈관 Po 2 이 조금만 내려가도 많은 산소가 해리되어 조직으로의 산소의 확 산을 돕는다.

24 산소 해리곡선의 우방 이동 일정한 P O2 에서 더욱 많은 산소를 유리하도록 산소 해리곡선의 우방 이동이 일어남 이는 저산소혈증으로 인해 2,3-DPG 농도가 증가하기 때문 한편 우방이동은 폐에서의 산소 부하를 다소 방해함 최근의 연구에 의하면 좌방이동이 보다 이롭다는 시사도 있음

25 P 50  Temp.  P CO2  pH  DPG  BOHR effect

26 3. 조직 모세혈관이 발달 및 세포내 산화효소의 농도 변화

27 4. 최대 호흡능력 (MVV) 이 증가 최대 호흡능력 (MVV) 이 증가하는 것은 공기가 희박하여 환기저항이 낮아지기 때문 운동시에는 환기량이 무려 200ℓ/min 에 이르기도 함 그러나 고도 4,600m 이상이 되면 최대산소섭취량 (V˙ O2max ) 이 급히 감소 이는 100% 산소로 호흡시킴으로써 거의 조정할 수 있음

28 최대산소섭취량 (V O2max ): 피검자에게 있는 힘을 다해 운동 ( 최대운동 ) 하게 하여 그 때의 산소섭취량으로 평가하는데, 이는 운동능력의 한도를 표시한 것이다. ‘ 심기능의 좋은 척도 ’

29 5. 저산소성 혈관수축 (hypoxic vasoconstriction) 또 하나의 중요한 반응은 저산소성 혈관수축임 그 결과 폐동맥 혈압이 오르고 우심장 작업량도 늘어남 우심방 작업량은 혈구증다증으로 인한 높은 혈액의 점성으로 더욱 심해질 수 있음 이때 심전도에서 우심장비대의 특징적 소견을 볼 수 있음 폐고혈압은 종종 폐부종을 유발하지만 폐정맥혈압은 정상

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31 hypoxic vasoconstriction ( 저산소성 혈관수축 ) 환기가 되지 않는 폐영역으로 헛되이 혈액을 관류하지 않고, 환기가 잘되는 영역으로 피를 따돌리는데 있음. P AO2   vasoconstriction 생리적 의의 : 출생시 : P AO2  vasodilation (R  ) [Q  ]

32 고산병 (mountain sickness) 높은 산에 처음 오른 사람은 흔히 두통, 피로, 현기증, 심계항진 (palpitation), 오심, 식욕감퇴, 불면증 등을 호소한다. 이것이 급성 고산병 증후임 이들은 저산소증과 알칼리증으로 오는 증상임 만성화하면 피로, 운동능력의 감퇴, 심한 저산소성 혈구증다증 등 다소 분명하지 않는 증후군을 나타냄. 이것이 만성 고산병 증후임 여기에 폐질환이 합병되는 수도 있음

33 ◎ 수술한 환자의 기도가 점액으로 막힌 경우 100% 산 소로 호흡시킬 시 무기폐가 오는 이유

34 산소의 독성 임상에서 충분한 산소공급을 위해 산소호흡을 시킴 그러나 고농도의 산소로 오래 호흡하면 폐손상 등 장해를 줄 수 있음 모르모트를 대기압에서 100% O 2 환경에 48 시간 두면 폐부종이 발생 조직변화는 먼저 폐모세혈관 내피세포에서 일어남 환자를 100% O 2 로 30 시간 호흡시켰더니 기체교환이 저해되었음 정상인을 대기압에서 100% O 2 로 24 시간 호흡하게 하면 흉골아래 부위 에 압박감 (substernal pain) 을 호소하며, 크게 숨쉬면 더욱 심해지고, 폐활량도 500-800 ㎖ 가량 줌, 이는 아마 흡수무기폐에 의함일 것 아폴로 우주비행사는 아무런 산소중독 (O 2 intoxication) 피해가 없었음 이는 인체가 260mmHg Po 2 으로 2 주일 견딜 수 있음을 증명한 것

35 산소의 독성 고농도의 O 2 로 채운 보육기 (incubator) 속 조산아 (premature) 는 눈 렌즈 뒤의 섬유증식증을 볼 수 있음 (retrolental fibroplasia). 그 기전은 높은 P O2 이 국소 혈관수축을 일으키기 때문인 것으로 보임. 이는 동맥혈 P O2 을 140mmHg 이하로 유지하면 예방할 수 있음

36 흡수무기폐 (absorption atelectasis)

37 태아순환 intervillous sinusoid ( 융모간 동양구조 )