호흡기의 구조와 기능

호흡이란?

호흡은 몸 밖으로부터 산소를 체내로 흡입하여 세포로 운반하고 세포가 산소를 소비하여 대사를 한 결과 발생한 이산화탄소를 몸 밖으로 배설하는 과정을 말한다.

호흡의 첫 번째 단계를 '외호흡'이라 하고, 외기와 허파꽈리 사이의 공기가 교환되는 환기, 허파꽈리공기와 허파꽈리모세혈관 사이에서의 산소와 이산화탄소의 확산에 의한 교환, 이렇게 두 가지 과정을 거친다.

호흡의 두 번째 단계를 '내호흡'이라 하고, 모세혈관을 통해서 혈액과 조직 사이의 확산에 의한 산소와 이산화탄소가 교환되는 것을 말한다.

 

 

호흡기계의 구조와 기능

호흡기는 체외에서 허파꽈리까지 외부 공기를 받아들이는 통로인 '기도'와 가스교환이 이루어지는 '허파'로 구분된다.

코안(비강), 인두, 후두를 '상기도'라 하고 기관, 기관지를 '하기도'라 하며, 공기의 출입과 발성에 관여한다. 허파는 세기관지, 종말세기관지, 호흡세기관지, 허파꽈리관(폐포관), 허파꽈리주머니(폐포낭), 허파꽈리(폐포)로 구성되며 가스교환에 관여한다. 

전도영역은 상기도로부터 종말세기관지까지이며, 공기의 통로로서의 역할만 하고, 가스교환이 일어나지 않으므로 해부학적 사강(무효공간, dead space)이라 한다. 호흡영역은 가스교환이 가능한 호흡세기관지 이후의 부위를 말한다.

 

 

코안(비강, Nasal cavity)

코안은 코중격(비중격)에 의해서 좌우로 나누어지고, 코중격은 왼쪽으로 굽은 형태를 이루고 인두에 개구한다. 코안의 가쪽벽(외측벽)으로부터 3쌍의 위·중간·아래콧길(상·중·하비도)이 있다.

코안은 공기를 가온·가습하여 먼지를 제거하고 공명작용(소리를 울리는 작용)이 있으며, 위코선반(상비갑개)의 점막에는 후각의 수용기가 분포되어 있어 냄새를 감지한다.

 

인두(Pharynx)

인두는 코안에 계속되는 기도로 소화기와 호흡기의 교차점으로 코인두(비인두, nasopharynx), 입인두(구인두, oropharynx), 후두인두(laryngopharynx)로 구분된다.

인두 밑에는 후두덮개(후두개, epiglottis)가 있어 음식물이 지나갈 때 후두를 막아 음식물이 후두로 들어가는 것을 막는다. 인두에는 귀인두관(이관, auditory tube)이 있어 가운데귀(중이)와 서로 교통하고 있다.

 

후두(Larynx)

후두는 인두의 후두부에서 시작되어 기관 이행부까지이며, 기도 및 발성기로서 작용한다. 후두연골로서는 후두융기연골인 방패연골(갑상연골), 반지연골(윤상연골), 성대돌기가 있어 발성에 관여하는 모뿔연골(피열연골)이 있다.

 

기관과 기관지(Trachea and bronchus)

분지계통-기관

기관은 여섯째 목뼈(제6경추)에서 시작하여 식도의 앞을 하향하여 다섯째 등뼈(제5흉추)에서 왼·오른 기관지(좌·우 기관지)로 갈라진다. 기관은 길이가 10cm이고, 15~20개의 C자형 기관연골로 구성된다.

기관은 왼·오른 기관지로 나누어지고, 기관에서 허파꽈리까지 도달하는 사이에 기도는 23회나 분지한다.

기관의 거짓중층섬모원주상피는 점액을 후두 쪽으로 밀어내며, 기침과 함께 허파에서 불순물이나 흡입된 먼지 등을 내보내는데 중요한 역할을 한다.

분지계통-기관지

왼·오른 주기관지는 기관길림부(기관분기부)에서 시작되며 왼·오른 허파문(폐문)을 향해서 뻗어있고, 각 폐엽은 기관지로 갈라진다.

오른 기관지(우기관지)는 정중선과 약 20º~30º의 각도를 이루고 있으며, 왼 기관지(좌기관지) 보다 굵고 짧기 때문에 이물질이 들어가기 쉽다.

왼 기관지는 정중선과 약 40º~60º의 각도를 이루고 있으며, 길이는 약 5~6cm 정도이며 길고 가늘다.

분지계통-엽기관지 및 구역기관지

오른 기관지는 오른위엽(우상엽), 중간엽(중엽) 및 아래엽(하엽) 기관지로 분지되고, 왼 기관지는 왼위엽(좌상엽) 및 아래엽(하엽) 기관지로 분지된다. 왼위엽기관지는 다시 상반부와 설상부 기관지로 분지된다. 엽기관지는 다시 구역기관지로 나뉘어진다.

분지계통-소기관지

대개 제 4~9세대 기관지까지를 소기관지라 하며, 직경은 4mm~1mm 정도로 작아진다.

기관지동맥, 림프관 및 신경을 포함한 기관지 주위의 결체조직초에 싸여있다.

분지계통-세기관지

직경이 1mm 이하이고 별도의 결체조직을 갖지 않으면서 기도벽이 허파의 실질과 연합되어 있는 기도를 세기관지라고 부르는데, 이 기관지는 대개 9~23세대까지의 기관지를 지칭한다.

통상 9~19세대 기관지를 종말세기관지(terminal bronchiole)라 하며, 그 이하를 호흡세기관지(respiratory bronchiole)라고 부른다. 실제로 가스교환을 할 수 있는 호흡세기관지는 약 3세대 분지되면 허파꽈리관(폐포관)에 이른다.

기도의 상피조직

기관지벽은 상피층, 고유층, 연골층으로 구성되어 있다. 상피층(epithelium)은 많은 점액샘(점액선)과 장액샘(장액선)이 존재하는 거짓중층 섬모원주상피(위중층 섬모원주상피)로 구성되어 있다. 그러나 말초의 세기관지로 갈수록 상피세포의 크기가 작아지면서 단층 입방상피(cuboidal epithelium) 세포로 바뀐다. 그리고 섬모는 말초세기관지까지만 분포하고 있다.

고유층은 혈 당단관, 림프관, 신경 등을 내포하고 있는 결합조직으로서 탄성섬유와 민무늬근육(평활근) 섬유가 망상으로 존재한다. 여기에는 점막밑샘(점막하선, submucosal gland)이 있어서 하루에 약 100ml 정도의 점액을 분비한다. 점막밑샘층(점막하선층)의 두께는 전체 기관지벽 두께의 1/3 정도이다. 그리고 점막밑층(점막하층) 대 전체 기관지벽의 두께의 비는 만성기관지염의 진단 지표로 사용된다.

점액섬모운동

호흡기는 외부로부터 흡입되는 여러 가지 병인요소에 대한 방어기전을 가지고 있는데, 이것은 점액섬모운동과 허파꽈리의 탐식세포에 의한 방어기존으로 구분된다.

기관지 상피의 점액샘과 점막밑샘에서 분비되는 기관지 점액은 수분(95%), 당단백질(2%), 당질(1%) 외에 소량의 지질, DNA, 세포조직 절편 등으로 구성된다. 이 점액은 전체기도의 내강을 덮고 있으며, 점도 및 탄성도에 따라 상층의 겔(gel) 층과 하층의 졸(sol) 층으로 구분된다.

섬모는 졸(sol)층 내에 있으며, 섬모가 상기도 방향으로 물결치듯이 굴절운동을 할 때에는 겔(gel) 층까지 이동되어 겔층을 전방으로 이동시키는 반면, 반대로 하기도(lower airway) 방향으로 운동할 때에는 졸(sol) 층의 심부까지 밀려들어오기 때문에 겔층만이 점차적으로 상기도(upper airway) 방향으로 이동한다.

이동속도는 평균 2cm/min 정도로서 공기 속의 이물질이나 병원균 등은 점액에 부착된 후, 섬모운동에 의하여 상부의 기관 쪽으로 이동된다. 그 후 이물질과 점액 등의 혼합물은 재채기 반사를 통하여 객담(sputum)의 형태로 배출된다. 이와 같이 점액층과 섬모에 의한 기도의 방어기전을 점액섬모운동(mucociliary blanket)이라고 한다.

 

허파(폐, Lung)

왼·오른 한쌍의 기관으로서, 호흡기의 중심기관으로 외부공기와 혈액 사이의 가스교환을 담당한다. 허파의 무게는 오른 허파(우측폐)가 630g, 왼 허파(좌측폐)가 570g으로 체중의 1/40이다.

허파는 2겹의 가슴막(흉막)으로 싸여 있고, 오른 허파는 위·중간·아래엽(상·중·하엽)의 3엽으로 되어 있고, 왼 허파는 위·아래엽(상·하엽)의 2엽으로 되어 있다. 허파꽈리 표면적은 40~100㎡이고, 허파꽈리벽의 두께가 얇아서 허파꽈리 내의 공기와 모세혈관 내의 혈액 사이에서 가스교환이 용이하다. 허파꽈리 표면활성 물질은 인지질로 되어 있어 허파꽈리의 표면장력을 줄여준다.

허파는 전체적으로 반원추형을 이루고 있으며, 윗부분은 비교적 뾰족하기 때문에 허파꼭대기(폐첨)라 하고, 아랫부분은 허파바닥(폐저)이라고 하며, 가로막의 윗면에 접한다. 허파꼭대기는 빗장뼈(쇄골)의 위쪽 2~3cm 위치까지 있으며, 허파바닥은 선 자세에서 제6~7 갈비뼈(늑골)와 유두선 사이에 위치한다. 가슴세로칸(종격) 면의 중앙부에는 허파문(폐문)이 있는데, 이곳에서는 앞으로부터 허파정맥, 허파동맥, 기관지가 출입한다.

오른 허파(우폐)

10개의 허파구역으로 나뉘는데, 오른위엽(우상엽)이 폐첨구, 후상엽구, 전상엽구로 나뉘어진다. 중간엽(중엽)은 외측중엽구와 내측중엽구로 나뉘어져 있다. 아래엽(하엽)은 상하엽구와 4개의 폐저구로 나뉘어져 있다.

왼 허파(좌폐)

8개의 허파구역으로 나뉘는데, 왼위엽(좌상엽)이 폐첨후구와 전상엽구를 합한 상부(upper division)와 상설구와 하설구를 합한 설상부(lingular division)로 이루어져 있다. 아래엽(하엽)은 상하엽구와 3개의 폐저구를 합해 4개의 허파구역으로 구성된다.

 

폐세엽(acimus, terminal respiratory unit)

폐세엽은 종말세기관지 이하의 구조물로써 2~5차 호흡세기관지, 2~5차 허파꽈리관, 1~3개의 허파꽈리주머니(alveolar sac) 그리고 허파꽈리(alveolus)로 구성된다.

허파꽈리는 전체 허파에 약 3억 개 정도 존재하며, 허파꽈리 총면적은 신체의 크기에 따라서 다르지만 약 40~100㎡정도이다. 허파꽈리는 호흡세기관지에서부터 관찰되며, 허파꽈리벽은 허파꽈리상피세포, 모세혈관의 내피세포와 기저막, 그리고 결체조직과 섬유모세포 등으로 구성된 사이질(간질, interstitium)로 이루어져 있다.

허파꽈리상피는 호흡상피세포 또는 제1형 허파꽈리세포(제1형 폐포세포)와 제2형 허파꽈리세포(제2형 폐포세포) 또는 대폐포세포의 두 가지가 있다.

제1형 허파꽈리세포는 전체 허파꽈리벽(폐포벽) 면적의 93~95%를 피복하고 있으나, 숫자적으로는 35% 정도이며, 두께가 0.5㎛ 정도로 얇아 가스교환에 적합하도록 되어 있는 물리적 가스교환의 장벽이다. 제2형 허파꽈리세포는 입방모양 세포로 허파꽈리면적의 5~7%를 차지하지만, 숫자는 65% 정도이며 세포질 내에 많은 분비과립을 함유하는 대사기능이 많은 세포이다. 그리고 dipalmitoyl lecithin을 주성분으로 하는 허파꽈리 표면활성제(계면활성제, surfactant)를 생성하며 사이질(간질)과의 사이에서 Na-K Pump를 조절하고 림프관이 없는 허파꽈리간 사이질(간질)에서의 림프액 관류를 조절하는 중요한 기능을 갖는다. 허파꽈리상피, 모세혈관, 기저막 및 내피세포로 이루어진 층을 공기-혈액장벽, 혹은 허파꽈리-모세혈관막이라고 부른다. 그중 얇은 부분은 호흡상피세포의 세포질, 기저막과 모세혈관 내피세포로 구성되어 있고 가스의 확산이 이루어지는 곳이다.

허파꽈리 모세혈관막 중 두꺼운 부분에는 세포와 기저막 외에 결체조직, 섬유모세포, 망상체 등이 있다. 그중 섬유모세포는 손상에 대해 내성이 강하고 폐실질 손상 시 즉시 증식하여 1형 콜라겐 등과 같은 결체조직 기질을 분비하기 때문에 결과적으로는 섬유화로 손상된 허파를 복구하는 데 있어서 폐기능의 저하를 초래한다. 허파꽈리내와 사이질에는 3형 허파꽈리세포라고도 불리는 탐식세포가 있는데, 이는 대개 골수에서 생성되어 순환성 단핵구와 함께 혈류를 타고 허파로 이동한다. 탐식세포는 폐소엽의 일차적인 폐방어기전에 중요한 역할을 담당한다. 탐식세포에서 유래되는 fibronection과 폐대식세포 등이 섬유모세포의 증식을 초래하므로 만성폐질환의 병태생리에 있어서 중요한 기전의 일부로 생각된다.

 

가슴막(흉막, 늑막)

중배엽에서 유래한 중피세포와 결합조직으로 구성된 얇은 막으로써 폐표면과 엽간질을 감싸고 있는 허파가슴막(장측흉막), 갈비뼈, 가로막(횡격막) 및 종격동을 감싸고 있는 벽쪽가슴막(벽측흉막)과 그 이행부로 구분된다.