폐의 가스교환과 호흡 역학

 가스교환

호흡을 통하여 외부공기로부터 섭취한 산소를 세포 내로 흡수하고 세포 내 산화대사 과정에서 유리된 이산화탄소를 외부로 배설하는 가스교환 방법은 다음의 4단계로 구분할 수 있다.

1. 외부공기와 허파 사이의 가스교환
2. 허파와 혈액 사이의 가스교환
3. 혈액과 조직 사이의 가스교환
4. 세포 내의 산소 소비와 이산화탄소의 생성

가스분압

전신의 조직이 1분간에 소비하는 산소 양은 250ml/분이고, 생산되는 이산화탄소 양은 200ml/분이다.
대기는 총 대기압이 760mmHg이고 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함한 몇 가지 가스들의 혼합체로 구성된다. 각 가스들은 혼합된 상태에서 총 압력에 대한 각 가스의 비율에 해당하는 분압을 나타낸다.
흡입된 공기는 허파꽈리 내 가스와 혼합된 후 산소는 허파꽈리에서 허파꽈리 모세혈관의 혈액으로 이동되고, 이산화탄소는 혈액으로부터 허파꽈리 내로 배출된다. 이 과정은 단순한 확산에 의한 것이다. 이와 같이 외호흡에 의해서 매분 약 250ml의 산소가 체내에 흡수되고, 약 200ml의 이산화탄소가 체외로 배출된다. 그러나 심한 운동을 할 때에는 이보다 20배가 넘는 공기가 교환된다. 이렇게 건강한 허파는 폭넓은 가스교환 능력을 가지고 있다.
생체에서는 호흡, 순환, 수분 및 전해질의 평형, 대사, 체온 등은 서로 밀접한 관계가 있기 때문에 어느 한 계통의 변화는 다른 계통을 통한 보상작용에 의하여 항상성(homeostasis)을 유지하게 된다. 따라서 대사정도에 따라 일정한 범위 내에서 산소의 공급 및 이산화탄소의 제거가 이루어지도록 호흡이 조절된다. 이러한 호흡을 위해서는 폐환기, 폐관류, 환기/관류의 배분, 확산, 가스의 운반 그리고 호흡운동에 관여하는 신경, 근육계의 작용 등이 상호보완적으로 균형을 이루어야만 한다.
안정 상태에서의 각종 가스의 분압은 다음과 같다. 가스교환은 외계와 허파꽈리, 허파꽈리와 혈액, 모세혈관 내 혈액과 조직세포 사이 등 3곳에서 확산된다.

 

허파꽈리(폐포)와 혈액 사이의 가스교환

허파꽈리의 가스교환은 가스의 분압차에 의한 확산으로 일어나고 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다.
허파꽈리 내에서의 산소교환은 허파꽈리공기(폐포공기)의 산소분압은 100mmHg이고, 허파꽈리 모세혈관(폐포 모세혈관) 혈액의 산소분압이 40mmHg이므로 60mmHg의 분압차가 생겨 허파꽈리 공기 중의 산소가 모세혈관 혈액 속으로 확산되어 들어간다. 허파꽈리 내에서의 이산화탄소 교환은 허파꽈리 공기의 이산화탄소 분압이 40mmHg이고, 허파꽈리 모세혈관 혈액의 이산화탄소 분압이 46mmHg이므로 6mmHg의 분압차가 생겨 모세혈관 혈액에서 허파꽈리로 확산된다.

 

혈액과 조직세포 사이의 가스교환

말초 모세혈관의 산소 분압은 100mmHg이고, 조직세포에서의 산소분압은 40mmHg이기 때문에 60mmHg의 분압차에 의해 산소가 모세혈관 혈액에서 조직세포 내로 확산된다.

말초 모세혈관의 이산화탄소 분압은 40mmHg이고, 조직세포에서의 이산화탄소 분압은 46mmHg이기 때문에 6mmHg의 분압차에 의해 이산화탄소가 조직세포에서 모세혈관 혈액 내로 확산되어 이동한다.

 

 

호흡역학

보통 우리가 숨을 쉰다(breathing)는 것은 1단계 호흡인 외부공기와 허파꽈리공기(폐포공기) 사이의 가스교환인 허파꽈리 환기(폐포환기, alveolar ventilation)를 의미한다. 허파꽈리 환기의 목적은 허파꽈리공기의 이산화탄소 분압을 낮게 하는 데 있다. 따라서 허파순환 시 확산을 통하여 산소를 혈액으로, 조직의 이산화탄소를 허파꽈리로 확산시킨다.

허파꽈리 환기는 들숨(inspiration)과 날숨(expiration)으로 이루어진다. 안정 시 호흡에서 들숨은 능동적으로 이루어지고 날숨은 수동적으로 이루어진다.

 

들숨(흡식)과 날숨(호식)

들숨은 능동적 과정으로서 들숨근(흡식근)의 능동적 수축에 의하여 가슴우리(흉곽)의 전·후, 좌·우 및 상·하 직경이 증가함에 따라 가슴 안(흉강) 용적이 증가한다. 안정 호흡 시 들숨에 관여하는 들숨근은 가로막 및 바깥갈비사이근(외늑간근)인데 전자의 수축은 가슴 안(흉강)의 상·하 직경을 증대시키고, 후자의 수축은 전·후 직경을 증대시켜 흉강내압의 음압도를 증가시킨다. 이때, 허파는 탄성체이므로 음압에 상응하는 팽창을 하게 되며, 허파의 팽창에 의해서 외부공기와 연결된 허파 내강의 압력은 일시적으로 음압을 형성한다. 따라서 대기의 공기가 허파 내로 대기 압력과 같아질 때까지 유입되는 현상을 들숨이라 한다.

들숨기 말에 팽대되었던 허파는 들숨근의 이완과 흉벽에 의한 허파의 탄성 반동에 의해서 제자리로 되돌아가는 과정(수축)에서 압출되기 때문에 허파 내압은 일시적으로 대기압에 비하여 양압이 되기 때문에 허파 내의 공기가 기도를 통하여 외부로 날숨 된다. 이상과 같이 안정 시 호흡에서 날숨은 날숨근의 관여 없이 수동적으로 이루어진다. 그러나 날숨 초기에도 일부 들숨근은 계속 수축되어 있다. 이것은 급격한 허파의 탄성 반동을 방지하여 호흡운동을 부드럽게 하기 위한 것이다. 

강한 노력성 들숨(노력성 흡식)을 통하여 가슴우리용적(흉곽용적)을 최대로 증가시키면 안정 시 호흡에 비하여 허파를 더욱 확장시킬 수 있다. 폐환기가 항진된 상태에서는 날숨 운동이 날숨근 수축에 의하여 능동적으로 촉진되어 폐용적을 안정 시보다 더 감소시킨다.

노력성 들숨(노력성 흡식)에 관여하는 들숨근(흡식근)으로서는 목갈비근(사각근), 목부위(경부)의 목빗근(흉쇄유돌근) 등이 있는데 이들은 호흡 시 가슴우리의 상승을 돕는다. 노력성 날숨(노력성 호식)에 관여하여 폐용적을 최소로 압축하므로 가슴우리용적을 감소시키는데 관여하는 날숨근(호식근) 중에서 속갈비사이근(내늑간근)이 주작용을 하며 배의 앞쪽벽(전복벽)에 있는 배곧은근(복직근), 배빗근(복사근) 및 배가로근(복횡근) 등이 보조작용을 하여 능동적으로 갈비뼈를 내하방으로 이동시킴과 동시에 복압에 의해 가로막을 밀어 올려 날숨을 촉진시킨다.

 

흉강내압(늑막내압) 및 허파내압(폐내압)의 변화

흉강내압은 호흡의 전체 주기를 통항녀 외부공기에 비하여 음압을 유지하고 있기 때문에 날숨기말에도 허파는 약간 팽대된 상태로 존재한다. 날숨기 말의 흉강내압은 약 -2.5mmHg이며 들숨기에는 가슴우리용적(흉곽용적)이 증가하며 들숨기 말의 내압이 약 -6.0mmHg까지 저하된다. 이때 가슴 안에 있는 허파는 음압에 상응하여 팽대되고 허파내압(폐내압)은 팽대된 만큼 일시적으로 저하되어 공기가 유입된다. 곧 이어서 날숨은 수동적으로 진행되고 가슴우리가 원래 위치로 되돌아갈 때 -6.0mmHg로 저하된 흉강내압은 날숨기에 다시 -2.5mmHg로 증가하여 허파를 압축함으로 허파내압은 일시적으로 대기압보다 증가되어 날숨을 초래하게 된다. 이상과 같이 안정호흡 시 불과 2~4mmHg의 압력차에 의해서 약 500~600mL의 공기가 들숨 및 날숨 때 내외로 이동하게 된다. 폐환기는 추가로 들숨근이 작용하여 최대로 가슴우리용적을 증대시키면 흉강내압을 -30mmHg까지 저하시킬 수 있다. 이때 환기량은 안정 시 환기량의 7배 이상 증가한다.

 흉강내압은 정상적으로는 호흡주기를 통하여 음압을 유지하지만 특수 동작으로 양압이 될 수도 있다. Valsalva maneuver에서와 같이 성문을 닫고 노력성 날숨을 하면 흉강내압은 외부공기보다 100mmHg 이상으로 증가시킬 수 있다. 이러한 동작은 일상생활에서 배변, 배뇨 또는 힘을 쓸 때 흔히 경험하는 동작이다. 흉강내압의 음압은 생리학적으로 정맥혈이 심장으로 환류되는 것을 돕는데 중요한 역할을 한다. 호흡주기에 따른 혈압의 변동도 흉강내압의 변화에 기인된 현상이다.

따라서 Valsalva maneuver와 같은 동작은 흉강내압이 양압이 되어 정맥혈 환류를 억제하므로 오래 지속할 수 없다. 가슴 안(흉강 내) 양압은 기침 또는 재채기 반사와 같은 보호 작용에도 이용된다.

기침동작은 우선 성문을 닫고 노력성 날숨을 통하여 흉강내압을 양압으로 만들어 허파를 압박한 후 갑자기 성문을 열어주면 날숨공기가 큰 압력차에 의해서 폭발적으로 배출되면서 기도 내의 이물질을 기침과 함께 외부로 배출하는 과정이다. 재채기 반사도 같은 기전으로 발생하는 반사작용이지만 기도를 막는 장소가 성문이 아니고 인두 전체가 된다.
만약에 허파가 파열하든가 흉벽에 외상 등으로 구멍이 생길 경우 호흡운동에 의하여 가슴우리를 증대시켜도 가슴 안은 외부공기가 직접 들어오기 때문에 가슴안 음압을 형성하지 못하여 해당 허파가 위축되는 상태를 기흉이라고 부른다.

기흉은 주사기를 사용하여 늑막강에 인위적으로 공기를 주입할 때 발생될 수 있기 때문에 과거에는 폐결핵 환자의 허파를 안정시키기 위한 치료적 목적으로 인위적 기흉을 널리 이용하였다. 인위적 기흉을 이용할 때는 주입된 공기가 혈액으로 서서히 흡수되므로 기흉을 계속 유지하려면 2~3일마다 공기를 보충 주입하여야 한다.