폐환기(Ventilation)와 폐관류(perfusion)

폐환기(Ventilation)

호흡근육의 수축에 의하여 공기가 체외로부터 가스교환이 이루어지는 허파꽈리로 유입되거나 반대로 공기가 허파꽈리에서 체외로 유출되는 것을 폐환기로 정의한다.

폐환기를 분당 환기량(minute ventilation)과 허파꽈리 환기량(폐포환기량, alveolar ventilation)으로 구분한다. 매 분 날숨되는 환기량인 분당 환기량은 분당 호흡수(f)와 1회 호흡량(TV)의 곱으로부터 구할 수 있다.

공기가 허파를 출입하는 과정에서 두 가지 구획을 통과하게 되는데, 하나는 가스교환과 무관한 사강(dead space)을 지나는 것이고, 다른 하나는 가스교환이 일어나는 허파꽈리를 통과하는 것이다.

사강

• 해부학적 사강 : 기도처럼 단지 공기가 지나가는 통로 역할만을 한다.
• 허파꽈리사강(폐포사강) : 공기가 허파꽈리를 통과하더라도 가스교환이 일어나지 않는 경우 즉, 폐색전증과 같이 허파꽈리의 환기는 일어나지만 가스교환이 이루어지지 않는 부위이다.
• 분 당 환기량 = 사강을 통과하는 공기량(VD) + 허파꽈리환기량(폐포환기량)

사강량이 150ml인 개체에서 1회 호흡량(TV)이 500ml일 때 1분에 12회 호흡을 실시한다고 가정하면 폐환기량(ventilatory rate)은 6L/min이다. 같은 개체에서 1회 호흡량(TV)을 250ml로 줄이고 호흡수를 배(24회/min)로 늘려도 폐환기량은 6L/min이다. 그러나 가스교환에 관여하는 유효 허파꽈리환기량(effective alveolar ventilatory rate)은 호흡 무효공간(사강, dead space)을 환기한 공기에서 제외하여야 하므로, 전자에서는 (500~150) X 12 = 2400ml/min로 저하된다. 이상과 같이 호흡의 능률적인 면을 고려할 때 1회 호흡량(TV)이 증가되면 동일률의 폐환기에서도 허파꽈리환기량(폐포환기량)이 증가되므로 호흡능률이 증가하는 것이다.

심호흡 시에 허파꽈리 환기량은 증가되지만 폐내 기능적 잔기용량(FRC)은 상대적으로 저하되기 때문에 많은 양의 외부 공기가 폐 내로 들어오지만 폐 내의 공기는 소량만이 희석되므로 호흡의 능률은 가속화된다. 한편 1회 호흡량(TV)이 호흡무효공간(사강)에 가까워지면 호흡수가 증가되기 때문에 폐환기량은 증가시킬 수 있으나 허파꽈리환기량은 저하되어 호흡의 능률은 저하된다. 무더운 여름날 그늘에 앉아있는 개의 경우 실제로 필요한 산소 요구량은 낮은 데도 불구하고 숨을 헐떡이는 현상을 볼 수 있다. 이것은 1회 호흡량(TV)을 호흡무효공간 가까이 저하시켜 호흡수를 증가시킴으로써 허파꽈리환기량(폐포환기량)을 극소화시키는 반면, 폐환기량은 극대화시키기 위한 것이다. 개는 땀샘을 가지고 있지 않기 때문에 땀의 기화로 체온을 저하시킬 수 없다.

따라서 날숨(호식) 시기에 배출되는 포화 수증기가 기도에서 기화되도록 폐환기량을 증가시켜서 체열을 발산시키는데 이것도 체열을 소실시키는 방법 중 하나인 것이다. 개와 같은 동물에서는 호흡운동이 가스교환뿐만 아니라 체온 조절작용에도 중요한 역할을 한다.

폐관류(perfusion)

폐환기와 마찬가지로 중력에 따라 폐관류도 영향을 받는데 안정상태의 허파에서는 모세혈관의 약 25% 정도만이 관류되는 특징이 있다. 허파동맥압(폐동맥압) 및 허파정맥압(폐정맥압)은 중력에 따라 정수압의 영향을 받아 바닥(기저) 부위가 가장 높고 허파꼭대기(폐첨) 부위가 가장 낮은데 허파꽈리압(폐포압)은 소혈관 및 모세혈관에 직접 전파되어 혈관의 허탈을 일으킬 수 있다.

따라서 혈류의 폐내 분포는 허파동맥압(폐동맥압), 허파정맥압(폐정맥압), 허파꽈리압(폐포압)의 상관관계에 따라 결정되기 때문에 이들의 관계에 따라 폐관류 부위를 4가지로 구분할 수 있다.

1. I 허탈 : 허파꽈리압이 허파동맥압보다 높아서 혈관의 허탈이 일어나는 부위이다.
2. II 폭포 : 허파꽈리압이 허파동맥압보다 낮지만, 허파정맥압보다 높아서 혈류량은 허파동맥압과 허파꽈리압의 차이에 의해 결정된다.
3. III 확장 : 허파동맥압과 허파정맥압이 모두 허파꽈리압보다 높아서 최대 혈류량을 보이는 곳으로 이러한 압력관계 때문에 혈관의 확장이 일어날 수 있다.
4. IV 협착 : 압력은 III지역과 동일하지만 사이질(간질)에 의한 압박이나 소기도 폐쇄로 인한 허파꽈리 저산소증으로 인해 폐혈관이 협착되기 때문에 혈관의 저항이 증가하고 혈류량은 다소 감소한다.

 

폐환기와 관류의 비

생체가 산소를 섭취하는 1차 관문은 허파꽈리(폐포)이며 환기를 통하여 각 허파꽈리의 산소분압 및 이산화탄소분압을 일정하게 유지하는 것이 호흡의 우선 과제이다. 그러나 3억 개나 되는 허파꽈리에 들숨공기(흡식공기)가 고루 환기되기란 쉬운 일이 아니지만 정상적인 허파에서는 거의 균등환기가 이루어지기 때문에 이상적인 혼합상자의 역할을 하고 있다.

한편, 허파꽈리계면(폐포계면)을 순환하는 혼합 정맥혈도 허파꽈리면적(폐포면적)에 비례하여 균등관류가 되어야만 가스교환이 이상적으로 원활히 이루어질 수 있다. 그러므로 허파꽈리에서의 이상적인 가스 교환은 환기량과 혈류량이 균등한 양적 비율 즉, 환기/관류의 비율이 일정하게 유지되어야만 된다. 정상인의 심박출량은 5L/min이며 허파꽈리환기량(폐포환기량)이 4L/min임을 생각하면 폐 전체의 환기/관류 비율은 0.8이 된다. 즉, 0.8이 환기량/관류량의 가장 적합한 비율인 것이다. 환기/관류 비율이 0.8보다 크다 함은 과잉 환기가 있음을 의미하고 0.8보다 작다 함은 과잉 관류가 있음을 의미한다.

불균등 환기(Uneven ventilation)

만약 허파의 모든 부위에 혈액이 골고루 분포되어 있는 상태에서 오른 기관지(우기관지)가 부분적으로 막혀 좁아졌다고 가정하면 들숨공기는 주로 왼 허파(좌폐)로 들어가서 왼 허파는 과환기, 오른 허파는 저환기 상태가 된다. 이때 과환기를 받은 왼 허파를 관류한 혈액의 산소분압은 증가되고 이산화탄소분압은 저하될 것이다.

한편 저환기를 받은 오른 허파를 관류한 혈액의 산소분압은 저하되고 이산화탄소분압은 증가될 것이다. 과환기를 받은 왼 허파를 관류한 혈액의 산소 함량은 산소분압이 높아져도 혈색소의 산소포화도는 균등환기를 받을 때와 별차이가 없기 때문에 이산화탄소분압만 저하될 뿐이다. 그러나 저환기를 받은 오른 허파에 산소분압이 낮아지면 혈색소의 산소함량은 항상 낮아지고 이산화탄소분압은 증가한다. 왼오른 허파(좌우폐)를 관류한 혈액이 왼심방에서 혼합되면 혈색소의 산소포화도는 항상 정상 값보다 낮아져 저산소증이 되지만, 이산화탄소분압은 높아질 수도 있고 정상이거나 오히려 낮아질 수도 있다.

불균등 관류(Uneven perfusion)

균등환기가 되더라도 모든 허파꽈리에 혈액이 고루 분포되어야만 가스교환이 제대로 이루어질 수 있다. 그러나 건강한 허파에서도 모든 허파꽈리에 혈액의 균등 분포는 기대할 수 없다. 예를 들면, 서있을 때 중력의 영향으로 허파바닥부(폐저부)의 관류량이 폐상부의 관류량보다 많다. 그러나 그런 정도의 불균등 관류로는 정상적인 혈액 내 가스 분압을 변화시키는 요인이 못된다. 그렇지만 여러 폐질환에서 불균등 관류가 심하게 유발되면 혈액 내 가스 함량과 가스분압에 영향을 미친다. 혈전증, 색전증, 폐섬유증, 동정맥단락 등이 불균등 관류의 요인이 된다.