운동 생리학- 호흡계 (respiratory system) part3

폐 환기(pulmonary Ventilation)

 

공기는 간단하게 말하면 기체의 혼합물인데, 이는 공기가 높은 압력에서 낮은 압력으로 흐르는 것을 알 수 있다.

 

공기가 폐로 흘러들어갈 수 있는 이유는 반드시 외부의 압력보다 폐의 압력이 낮아야 공기가 들어 올 수 있다. 특별히 폐 내부의 폐포의 압력이 낮아야 폐에서 공기 교환이 이루어 질 수 있다. 숨을 들이 쉴 때 폐의 부피를 크게 만들어 압력을 낮추면 외부의 공기가 폐 내부로 들어 올 수 있게 된다.

 

우리가 폐의 크기를 키울 때는 흉곽의 사이즈를 키우면서 가능해진다.

 

흉곽은 넓어지고 횡경막은 아래쪽으로 수축 됨으로써 , 흉곽이 넓어지게 되어 있다. 

 

숨을 들이 마실 때에는

갈비뼈가 바깥쪽과 위쪽으로 움직이게 되고, 이로 인해 흉골뼈가 앞쪽으로 움직이게 된다.

들 숨 시에 횡경막(diaphragm) 은 굉장히 중요한 근육인데,  평상시 호흡을 들이 마실때 75%의 공기를 책임지고 잇다.

돔 모양의 근육으로 흉곽의 아랫부분에 위치해 있고, 복강(abdominal cavity)의 지붕 역할을 하고 있다.

 

횡경막에는 중심힘줄(central tendon)이 붙어 있는데, L1 과 L2 척추의 근막과 연결되어 있다.  이 힘줄 안에 식도, 하강하는 대동막, 하대정맥, 횡경막 신경,미주 신경(vagus nerve)  근육의 구멍들을 통해 지나간다.

 

횡경막이 수축할때는 평평해지고 흉곽의 사이즈를 크게 증가시키고 복강의 사이즈를 감소시킨다.

횡경막은 또한 몸통의 안정성, 그리고 배뇨, 배변정화, 출산, 정맥환류 등에 있어 굉장히 중요한 역할을 담당하고 있다.

 

호흡을 할때 관여하는 근육들을 살펴보면 

들숨 시에는 

바깥쪽 늑간근들이 갈비를 상승하게 하기 때문에, 바깥쪽으로 움직이게 한다.

횡경막은 하강 및 수축을 하고 흉쇄유돌 (Sternocleidomastoid) 은 상승하게 된다.

소흉근(pectoralis minor) 와 거상근(serratus) 갈비뼈를 상승하게 한다. 

 

날숨 시에는

결합조직들이 움추려 들어 횡경막도 이완이 되고 늑간근들도 이완이 되면서 폐의 공간이 줄어들게 된다.

복직근(rectus abdominis), 외복사근( external oblique), 내복사근(internal oblique), 횡복직근(transverse abdominis) 은 갈비뼈들을 하강시키고, 복부를 압박해 횡경막을 위로 상승하게한다.

 

 

폐의 크기와 수용력

 

폐활량 측정(spirometry)는 폐의 크기를 측정하는 과정이다

 

폐의 볼륨

 

일호흡량(Tidal volume)- 한번 호흡할때 남아 있는 공기의 양.

 

예비흡기량(Inspiratory reserve volume;IRV)- 들이마실 수 있는 정상적인 공기의 양보다 더 많이 들이마실 수 있는 공기의 최대량

예비 호기량(Expiratory reserve volume:ERV)-정상적인 호흡을 할 때, 숨을 내쉬고 나서 폐에 남아 있는 공기량. 약 1,000mL 정도이다.

잔기량(Residual volume (RV)-최대한도로 숨을 내쉰 후에도 폐 속에 남아 있는 공기의 양.

 

흡기용량(inspiratory capacity): 일호흡량과 예비 흡기량의 합을 말한다.(VT+IRT)

기능잔기용량(Functional residual capacity: 잔기량과 예비 호기량의 합계를 말한다(RV+ERV)

 

폐활량(Vital capacity): 예비 흡기량과 일호흡량, 예비 호기량의 합계를 나타낸 수치이다(IRV+VT+ERV)

 

총폐용량(Total lung capacity): 모든 용량의 합을 말한다.

 

호흡률(respiratory Rate)은 1분에 호흡하는 수를 나타내고 일반적으로 1분에 12-18회정도 라고 말할 수 있다.

분간환기(Minute ventilation)- 1분간 폐에서 배출되는 가스의 전체량(VT x RR)

전형적으로 12 breath/1min x 500ml = 6L/min

 

호흡

 

호흡은 호흡계의 호흡구역에서 시작된다고 말할 수 있다.

 

1. 외 호흡(external respiration): 산소와 이산화탄소의 diffusion 을 통해 호흡막에서 교환이 이루어진다. 주로 폐의 폐포에서 이루어진다.

2. 산소와 이산화탄소가 혈액에서 조직들로의 교환이 이루어진다.

3. 내 호흡(internal respiration):  산소와 이산화탄소가 신체의 조직세포막과 모세혈관들을 통해 교환이 이루어진다.

외호흡, 즉 폐에서 이루어지는 가스교환은 산소가 없는 혈액을 산소가 있는 혈액으로 변환시켜준다.

1atm=760mmHg;  공기 중 산소 함량 21%

760mmHg x 21%: 160mmHg.

 들어온 공기는 수증기와 폐에 남아있던 공기와 섞여서 교환되는데,  폐포관의 산소는 104mmHg로  줄어들게 된다.

 

폐포관에서 폐의 모세혈관으로 이동하는데(passive gradient) 폐모세혈관의 산소 함량은 104mmHg 보다 줄어들게 되어 있다.

 

폐포관에서 폐모세혈관의 혈액으로 산소가 이동하게 되는데, 원래 40mmHg 만 있던 곳으로 이동하게 된다. 이 때 이동은 Diffusion 을 통해 이루어지는데, 폐포관의 산소함유량과 비슷해질때까지 일어나게 된다. 이러한 결과로 인해 교환이 이루어진 다음 혈액의 산소함유량은 100mmHg 가 된다.

 

 

새롭게 산소가 함유된 혈액은 폐에서 나가 심장의 좌심방으로 들어가 좌심실 대동맥을 통해 신체로 가게 된다.

신체로 가는 혈액에는 산소함유량은 아직 100mmHg 인 것이다.

 

신체조직세포에는 훨씬 40mmHg 보다 적은 산소함유량을 가지고 있게 되는데, 이는 계속해서 세포의 산소들을 사용해 에너지를 생산하기 때문이다.

 

이러한 압력의 차이로 인해 산소는 세포의 모세혈관들을 통해 산소가 이동하게 되는 것이다.

 

 

이산화탄소(CO2)

 

마찬가지로 이산화탄소도 신체 조직세포에서 모세혈관으로 이동하게 된다. 

조직세포는 끊임없이 이산화탄소를 생성하기 때문에, 세포의 이산화탄소 함유량은 45mmHg 보통이다. 모세혈관의 함유량 40mmHg 보다 높기 때문에 이동하게 된다.

 

산소가 없은 혈액은 이산화탄소를 운반하게 되는데 이는 우심방으로 들어가 우심실을 거쳐 폐동맥으로 폐로 이동하게 된다.

폐동맥으로 들어간 혈액의 이산화탄소 함유량은 40 mmHg 이기 때문에 폐포로 교환이 이루어진다.

 

산소의 이동

 

산소는 용해가 잘 되지 않는다, 혈액이 액체이기 때문에, 대부분의 산소는 혈액안의 적혈구를 통해 운반된다. 그래도 아주 적은양의 산소가 혈액의 적혈구가 아닌 혈장을 통해 운반된다.

산소는 두가지 방식으로 운반되는데, 하나는 혈장에 용해되어(1.5-3%) 기록 헤모글로빈과 결합하여 (97-98.5%) 이동한다.

 

산소와 헤모글로빈이 결합된 상태를 산화헤모글로빈(oxyhemoglobin)이라고 한다.

 

산소포화도(%SaO2)

평균적인 산소와 헤모글로빈의 포화도를 말한다.

하나의 헤모글로빈 분자가 두개의 산소 분자를 결합하고 있으면 , 이는 부분적으로 포화된 사랑태라고 한다. 4개의 산소분자를 결합하고 있으면 포화되었다고 말한다.

 

-평상시에 건강한 성인에게서 헤모글로빈의 많은 양의 산소와 결합하는데 혈액은 대부분 포화된 상태인 98.5%를 하고 있다.

 

 

호흡의 컨트롤

호흡의 신경 컨트롤은 주로 뇌간(brainstem) 의 뇌교(pons) 와 연수(medulla) 의 그물모양으로 되어 있는 뉴런들을 포함하고 있다.

호흡의 깊이는 얼마나 호흡기관이 운동뉴런을 통해 호흡에 관여하는 근육들을 자극하느냐에 따라 결정된다.

더 큰 자극은 더 많은 숫자의 운동뉴런을 흥분시켜 더 큰 힘을 호흡계 근육의 수축을 일으키게 된다.

 

호흡률은 둘숨중추가 얼마나 오랫동안 활성화되는지에 따라 결정된다.