허파 환기: 우리의 호흡 시스템을 이해하다

허파 환기: 우리의 호흡 시스템을 이해하다

호흡은 인간의 생명 유지에 필수적인 과정으로, 들숨과 날숨의 반복적인 주기로 이루어집니다. 호흡 주기는 한 번의 호흡을 통해 공기를 들이마시고 내보내는 과정을 의미하며, 이는 우리 몸의 여러 기능과 깊은 연관이 있습니다. 안정 호흡은 무의식적으로 편안하고 자동적으로 이루어지는 호흡이며, 강제성 호흡은 운동할 때와 같이 깊고 빠르게 이루어지는 호흡을 의미합니다.

 

1. 호흡근의 역할

허파는 스스로 환기할 수 없고, 몸통의 뼈대 근육을 통해 환기가 이루어집니다. 주요 호흡근으로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 가로막: 수축과 이완을 통해 허파의 상하 및 전후 직경을 증가시키며, 허파 환기의 약 2/3를 담당합니다.
• 속 갈비사이근과 바깥갈비사이근: 가슴의 수축과 확장에 기여하여 가슴을 견고하게 유지하며, 가로막이 안쪽으로 들어가는 것을 방지합니다.
• 목의 목갈비근: 제1 갈비뼈를 고정하고 가슴 안의 전후좌우 직경을 확장하는 역할을 합니다.

강제성 호흡 동안에는 척추 세움근(척주기립근), 목빗근(흉쇄유돌근), 큰가슴근(대흉근), 앞톱니근(전방 거근) 등이 활성화됩니다. 날숨은 가슴과 허파의 탄성에 의해 수동적으로 이루어지며, 수축했던 근육들이 천천히 이완하면서 허파의 공기가 외부로 배출됩니다. 강제성 날숨 시에는 배곧은근(복직근)이 복장뼈와 아래 갈비뼈를 아래로 잡아당겨 가슴 용적을 감소시킴으로써 공기를 빠르게 배출하게 됩니다.

2. 호흡의 신경성 조절

호흡은 두 가지 기전, 즉 의식적인 조절과 자동적이거나 무의식적인 조절에 의해 조절됩니다. 호흡의 무의식적인 주기는 숨뇌와 다리뇌의 망상체(그물체)에 위치한 3쌍의 호흡중추에 의해 조절됩니다.

• 배 쪽 호흡군 (VRG): 일차적으로 호흡 리듬을 생성합니다. 들숨 뉴런과 날숨 뉴런의 교대작용으로 호흡 리듬을 생성합니다.
• 등 쪽 호흡군 (DRG): 배 쪽 호흡 군에 흥분을 전달하여 체내의 변화에 적응하기 위해 호흡 리듬을 조절합니다.
• 다리뇌 호흡군 (PRG): 호흡조절중추라고 하며, 상위 중추로부터의 흥분을 받아들여 배 쪽 호흡 군이나 등 쪽 호흡 군으로 흥분을 전달합니다.

호흡 리듬의 변화는 호흡중추가 여러 신경계통으로부터 흥분을 받아들이기 때문에 가능하며, 이는 신체의 다양한 생리적 요구에 반응할 수 있게 합니다.

호흡중추에 정보를 제공하는 감각수용기는 다음과 같습니다:

• 중추 화학수용기: 뇌척수액의 pH 변화에 반응합니다.
• 말초 화학수용기: 혈액 내 O2와 CO2 농도에 반응하며, pH 변화에 가장 먼저 반응합니다.
• 뻗침수용기 (stretch receptor): 들숨 시 반응하며, 흥분 신호는 미주신경에 의해 등 쪽 호흡 군으로 전달됩니다.
• 자극 수용기 (irritant receptor): 담배 연기, 먼지, 꽃가루 등에 반응하여 호흡 조절에 기여합니다.

호흡의 수의적 조절은 노래할 때, 말할 때, 또는 호흡을 멈출 때 같은 상황에서 중요한 역할을 합니다. 이때 대뇌 이마엽(전두엽)의 운동중추에서 조절이 시작됩니다.

3. 호흡의 물리적 원리

호흡 시 공기 흐름은 혈액관류와 마찬가지로 공기량, 압력, 저항의 법칙에 의해 결정됩니다. 액체의 유량(F)은 두 지점 사이의 압력 차에 비례하고 저항에 반비례합니다. 호흡을 유발하는 압력은 대기압(atmospheric pressure)이며, 기체의 압력은 부피에 반비례합니다. 따라서 허파의 용적이 증가하면 허파 내압이 감소하고, 대기압 이하로 감소하면 공기는 압력 기울기에 의해 허파로 들어오게 됩니다. 반대로 압력이 증가하면 공기는 허파 밖으로 나갑니다.

압력과 저항은 공기 흐름을 결정하는 중요한 요소입니다. 저항에 영향을 미치는 중요한 세 가지 요소는 다음과 같습니다:

1. 세기관지 직경: 세기관지의 작은 직경과 직경을 변화시키는 능력이 저항을 조절하는 주요 수단입니다. 직경의 증가는 기관지 확장(bronchodilation)으로, 감소는 기관지 수축(bronchoconstriction)으로 이어집니다.
2. 폐 순응도 (pulmonary compliance): 주어진 압력 변화에 대한 폐 용적의 변화를 의미하며, 허파가 얼마나 쉽게 확장될 수 있는지를 나타냅니다.
3. 허파꽈리와 먼 쪽 세기관지의 표면장력: 허파꽈리는 얇은 수분 막을 가지고 있어 가스 교환에 필수적이지만, 표면장력을 생성하여 허파꽈리가 서류 탈락하고 재팽창이 이루어지지 않게 합니다. 따라서 표면활성물질을 생성하여 표면장력을 감소시키고 허파꽈리 허탈을 방지합니다.

허파꽈리로 직접 들어가는 공기는 가스 교환에 이용되지만, 공기 전도 영역에 남아 있는 약 150mL의 공기는 가스 교환에 참여하지 않습니다. 이 공기 전도 영역은 해부학적 죽은 공간(anatomical dead space)으로 불리며 환경에 따라 변화할 수 있습니다. 날숨 시에도 허파꽈리는 완전히 공기가 제거되지 않으며, 약 1300mL 정도의 잔기량이 항상 존재합니다.

4. 폐활량 측정법

허파 환기량 측정법(Spirometry)은 폐질환의 심각성을 평가하거나 상태를 파악하기 위해 실시됩니다. 대상자가 폐활량계를 사용해 호흡할 때 호흡률, 호흡 깊이, 날숨 속도, 산소 소모율 등을 측정합니다.

호흡량(respiratory volume)은 다음과 같이 구분됩니다:

• 일회호흡량 (tidal volume, TV): 안정 호흡 시 한 번 들이마신 후 내쉴 때의 공기량, 약 500mL.
• 들숨예비량 (inspiratory reserve volume, IRV): 최대한 노력했을 때 들숨 양, 약 3000mL.
• 날숨예비량 (expiratory reserve volume, ERV): 최대한 노력했을 때 날숨 양, 약 1200mL.
• 잔기량 (residual volume, RV): 최대한 내쉰 후 허파에 남아 있는 공기량입니다.

호흡 용량(respiratory capacity)은 다음과 같이 정의됩니다:

• 폐활량 (vital capacity, VC): ERC + TV + IRV
• 들숨용량 (inspiratory capacity, IC): TV + IRV
• 기능적잔기용량 (functional residual capacity, FRC): ERV + RV
• 총 폐 용량 (total lung capacity, TLC): RV + VC

호흡은 우리 몸의 모든 기능에 필수적이며, 이를 통해 우리는 생명을 유지하고 건강을 지킬 수 있습니다. 호흡의 원리와 메커니즘을 이해하면, 우리의 건강을 지키는 데 도움이 될 것입니다.

이제 허파 환기의 중요성과 작용 원리를 명확히 이해하게 되었기를 바랍니다. 호흡의 중요성을 잊지 말고, 건강한 삶을 위해 꾸준한 관리가 필요합니다

 

 

 

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사진: Unsplash의Robina Weermeijer