폐환기메커니즘

호흡은 흉곽의 체적 변화를 일으키는 근육 수축과 이완에 의해 이루어진다. 이 과정에서 가장 핵심적인 역할을 하는 것은 횡격막과 늑간근이다.

횡격막은 가슴과 배를 구분하는 돔 모양의 근육막이다. 이 근육이 수축하면 평평해지면서 아래로 내려가고, 이로 인해 흉강의 세로 길이가 증가한다. 동시에 늑간근의 수축은 갈비뼈를 위쪽과 앞쪽으로 들어 올려 흉곽의 가로 및 앞뒤 직경을 확장시킨다. 흉곽이 이렇게 팽창하면 폐도 함께 늘어나며, 폐 내부의 압력이 대기압보다 낮아져 공기가 유입된다. 이 과정을 흡기라고 한다.

호기는 일반적으로 수동적인 과정이다. 흡기 근육들이 이완하면, 늘어난 폐와 흉벽의 탄성력이 원래 상태로 돌아가려는 복원력을 발생시킨다. 이 힘에 의해 흉곽 체적이 감소하고 폐 내 압력이 상승하여 공기가 밖으로 배출된다. 따라서 평상시 조용한 호흡에서는 근육 수축 에너지가 호기가 아닌 흡기에만 소모된다.

폐의 탄성은 주로 폐실질을 구성하는 탄성섬유와 콜라겐 섬유에 의해 부여됩니다. 이 섬유들은 폐가 팽창될 때 늘어나고, 이완될 때 원래 상태로 돌아가는 복원력을 제공합니다. 이 탄성 복원력은 흡기 시 흉곽과 횡격막이 만들어낸 팽창력을 이겨내고, 호기 시에는 폐가 수동적으로 수축하게 만드는 주요 힘입니다. 폐의 탄성은 폐순응도라는 지표로 측정되며, 순응도가 높을수록 적은 힘으로 폐를 팽창시킬 수 있습니다.

폐포 내벽을 덮고 있는 폐표면활성제는 물 분자 간의 표면장력을 감소시킵니다. 표면장력은 폐포를 수축시키려는 힘으로, 물이 있는 모든 표면에 존재합니다. 표면활성제가 없으면 이 힘이 너무 커져 폐포가 함몰되기 쉽습니다. 특히 호기 말기에 폐포가 작아질수록 표면활성제의 농도는 상대적으로 높아지며, 표면장력을 더욱 효과적으로 낮춰 폐포의 안정성을 유지합니다.

폐의 탄성 복원력과 표면장력은 서로 상반된 작용을 하지만, 호기 과정을 주도하는 공통된 힘으로 작용합니다. 이 두 힘의 합을 탄성반동력이라고 합니다. 탄성반동력은 호기가 수동적으로 일어나게 하는 근본적인 원인입니다. 또한, 표면장력은 폐 전체의 순응도에 기여하는 주요 요소 중 하나로, 전체 탄성 반동력의 약 2/3를 차지한다고 알려져 있습니다[3].

기도 저항은 공기가 기도를 통과할 때 마주치는 저항을 의미한다. 이 저항은 주로 기도의 직경과 길이, 공기의 점성도에 의해 결정된다. 기도 저항은 폐환기에 필요한 근육의 일을 증가시키며, 저항이 높을수록 동일한 환기량을 유지하기 위해 더 큰 호흡 노력이 필요하다.

기도 직경은 저항에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 기도 직경이 작아지면 저항은 크게 증가한다. 이는 기관지 수축, 점액 축적, 점막 부종 등 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 기도의 길이가 길어질수록, 그리고 공기의 점성도가 높을수록 저항도 증가한다. 정상적인 호흡에서 가장 큰 저항은 비교적 큰 기관지에서 발생하며, 작은 세기관지에서는 저항이 매우 낮다.

기도 저항은 자율신경계의 영향을 받는다. 교감신경이 활성화되면 기관지가 확장되어 저항이 감소한다. 반대로 부교감신경이 활성화되면 기관지가 수축하여 저항이 증가한다. 또한, 이산화탄소 농도 증가는 기관지를 확장시키는 경향이 있다. 임상적으로 기도 저항은 폐기능 검사의 일부로 평가되며, 특히 폐쇄성 폐질환의 진단과 관리에서 중요한 지표가 된다.

흉곽벽 주도 환기는 주로 늑간근의 수축과 이완에 의해 흉곽의 전후경과 좌우경이 변화하면서 이루어지는 환기 방식이다. 이 방식은 일반적으로 조용한 호흡 시보다 더 큰 환기량이 필요할 때, 예를 들어 운동 중이나 호흡 곤란 시에 두드러지게 활성화된다. 흉곽벽의 움직임이 주된 동력원이 되어 폐의 팽창과 수축을 유도한다.

구체적인 메커니즘은 다음과 같다. 흡기 시, 외측 늑간근이 수축하면 갈비뼈가 상방 및 외측으로 올라가고, 흉골은 전방으로 이동한다. 이로 인해 흉곽의 용적이 증가하고, 폐 내부의 압력이 대기압보다 낮아져 공기가 유입된다. 호기 시에는 내측 늑간근의 수축이 일어나 갈비뼈를 하방 및 내측으로 당기고, 흉곽 용적을 감소시켜 공기를 배출한다. 이 과정에서 폐와 흉벽의 탄성 회복력도 중요한 역할을 한다.

흉곽벽 주도 환기는 횡격막 주도 환기와 대비되는 개념이다. 다음 표는 두 주요 환기 방식을 비교한다.

따라서 흉곽벽 주도 환기는 신체가 추가적인 산소 요구량을 충족시키기 위해 동원하는 효율적인 대체 메커니즘이다. 만성 폐쇄성 폐질환 환자처럼 횡격막 기능이 저하된 경우, 이 메커니즘에 대한 의존도가 현저히 높아진다.

횡격막 주도 환기는 주로 안정 시 또는 휴식 시 호흡에서 나타나는 정상적인 호흡 양식이다. 이 호흡 방식에서 주요한 구동력은 횡격막의 수축과 이완에 의해 제공된다. 횡격막이 수축하면 아래로 내려가면서 복강 내압을 증가시키고 흉강의 수직 직경을 늘린다. 이로 인해 흉강 내압이 낮아지고, 외부 공기가 폐로 유입되어 흡기가 일어난다. 이완 시에는 횡격막이 이완되어 올라가고, 폐와 흉곽의 탄성 반동에 의해 공기가 배출된다.

횡격막 주도 환기는 에너지 효율이 매우 높은 호흡 방식이다. 이는 보조호흡근을 거의 동원하지 않아도 되기 때문이다. 따라서 이 호흡은 신체 활동이 적을 때 선호되는 기본 메커니즘이다. 건강한 성인의 경우, 안정 시 호흡의 약 70-80%는 횡격막의 움직임에 의해 설명된다[4]. 이 호흡은 또한 복부의 전후 방으로의 움직임이 두드러지게 관찰되는 것이 특징이다.

횡격막의 기능 장애는 이 효율적인 호흡 방식을 방해하여 호흡 곤란을 초래할 수 있다. 만성폐쇄성폐질환과 같은 일부 질환에서는 흉곽벽 주도 환기로 호흡 패턴이 변화하기도 한다. 또한 수면 중, 특히 렘수면 단계에서는 거의 전적으로 횡격막에 의존한 호흡이 이루어진다.

보조호흡근은 일상적인 조용한 호흡에는 관여하지 않지만, 운동이나 호흡곤란 시와 같이 환기 요구가 증가할 때 활성화되는 근육군을 말한다. 이 근육들은 주로 흡기 시나 호기 시에 추가적인 힘을 제공하여 환기량을 증가시키는 데 기여한다.

흡기를 보조하는 근육으로는 흉쇄유돌근, 승모근, 전거근 등이 있다. 이 근육들은 목과 어깨 부위에 위치하며, 수축할 때 쇄골과 상부 늑골을 위쪽으로 당겨 흉강의 상하 경계를 확장시킨다. 특히 심한 운동이나 천식 발작 시에 이 근육들의 수축이 두드러지게 관찰된다. 반면, 강제 호기를 보조하는 근육은 주로 복벽의 근육들, 즉 복직근, 내복사근, 외복사근 등이다. 이 근육들은 수축하여 복압을 급격히 높임으로써 횡격막을 더욱 강력하게 상방으로 밀어올려, 폐로부터의 공기 배출을 촉진한다.

보조호흡근의 활성화는 호흡곤란의 중요한 임상 징후이다. 환자가 앉아서 몸을 앞으로 기대거나, 어깨를 들썩이는 동작은 이러한 근육의 과도한 사용을 반영한다. 만성폐쇄성폐질환과 같은 만성 호흡기 질환 환자에서는 보조호흡근이 지속적으로 사용되며, 이는 에너지 소비 증가와 피로로 이어질 수 있다. 따라서 호흡 재활 훈련에서는 주호흡근의 효율성을 높이고 보조호흡근의 부담을 줄이는 데 중점을 둔다.

폐활량은 최대한 깊게 들이마신 공기의 양을 최대한 내쉰 총 공기량을 의미한다. 이는 호흡 기능을 평가하는 가장 기본적인 지표 중 하나이다. 폐활량은 다시 여러 세부 용적으로 나뉘며, 각각은 폐의 다른 기능적 상태를 반영한다.

환기량은 단위 시간당 폐를 통해 이동하는 공기의 양을 가리킨다. 가장 중요한 지표는 분당환기량으로, 조기호흡량에 호흡수를 곱하여 계산한다. 예를 들어 조기호흡량이 0.5리터이고 분당 호흡수가 12회라면 분당환기량은 6리터가 된다. 그러나 실제 가스 교환에 기여하는 공기는 사강에 머무르지 않고 폐포까지 도달하는 부분인데, 이를 폐포환기량이라고 한다. 폐포환기량은 분당환기량에서 사강용량(호흡관을 채우지만 가스 교환에 참여하지 않는 공기량)을 뺀 값이다.

기류-용적 곡선은 폐활량 측정 중에 기록되는 그래프로, 호흡 주기 동안의 기류와 폐용적의 관계를 시각적으로 보여준다. 이 곡선은 폐기능검사의 핵심 요소이며, 환기의 역학과 기도 개방성을 평가하는 데 필수적인 도구이다. 곡선의 모양은 폐와 흉벽의 탄성 특성, 기도 저항, 그리고 호흡근의 기능을 반영한다.

곡선은 일반적으로 최대한 힘껏 들이마신 후, 최대한 빠르고 강하게 내쉬는 강제 호기 동작 동안 기록된다. 그래프의 세로축은 기류(초당 리터, L/s), 가로축은 폐용적(리터, L)을 나타낸다. 정상적인 곡선은 특징적인 모양을 가지며, 주요 지표들은 다음 표와 같이 정리할 수 있다.

기류-용적 곡선은 폐쇄성 폐질환과 제한성 폐질환을 구별하는 데 결정적인 역할을 한다. 폐쇄성 폐질환에서는 기류가 전반적으로 감소하고, 곡선이 중간부터 말기 호기 구간에서 오목하게 휘는 특징적인 모양을 보인다. 이는 천식이나 만성폐쇄성폐질환에서 기도 저항이 증가했음을 나타낸다. 반면, 제한성 폐질환에서는 총 폐용적 자체가 감소하지만, 기류 대 용적의 비율은 상대적으로 정상을 유지하여 곡선의 모양은 정상에 가깝고 크기만 작아진 형태를 보인다.

이 곡선은 단순한 1초간 노력성 호기용적 값만으로는 알 수 없는 기류 제한의 패턴을 보여주므로, 기도 질환의 조기 발견과 중증도 평가에 매우 유용하다. 또한 치료 전후의 반복 측정을 통해 기도 개방성의 변화를 모니터링하는 데도 광범위하게 사용된다.

제한성 폐질환은 폐나 흉벽의 확장이 제한되어 총폐용량이 감소하는 상태를 말한다. 주요 원인은 폐 실질의 섬유화나 흉벽의 기계적 문제, 호흡근의 약화 등으로 구분된다. 이로 인해 폐의 탄성이 증가하거나 흉곽의 확장 능력이 저하되어 호흡 시 필요한 공기의 양이 충분히 들어오지 못한다.

대표적인 질환으로는 폐섬유화증, 흉막 비후, 척추측만증, 비만에 의한 호흡 제한, 그리고 근육병증이나 길랑-바레 증후후군과 같은 신경근 질환이 포함된다. 이들 질환은 폐의 경직도를 높이거나 호흡 운동을 담당하는 구조물의 기능을 방해한다.

임상적으로 환자는 주로 호흡곤란을 호소하며, 특히 운동 시 증상이 악화된다. 폐활량과 폐용적이 현저히 감소하는 반면, 1초간 노력성 호기용적(FEV1) 대 노력성 폐활량(FVC)의 비율은 정상 또는 오히려 증가하는 패턴을 보인다[6]. 진단에는 폐기능 검사와 함께 흉부 X선, 전산화단층촬영(CT) 등 영상의학적 검사가 중요한 역할을 한다.

폐쇄성 폐질환은 기류의 장애가 주요 특징인 폐질환군을 가리킨다. 이는 주로 기도의 폐쇄나 협착으로 인해 공기가 폐 밖으로 내뿜어지는 것이 어려워지는 상태이다. 대표적인 질환으로는 만성폐쇄성폐질환, 천식, 기관지확장증, 낭포성섬유증 등이 포함된다. 이러한 질환들은 공통적으로 호기 시 기류 속도가 감소하고, 폐의 공기가 완전히 배출되기 전에 다음 호흡이 시작되는 공기 가두기가 발생한다.

병리생리학적 기전은 질환에 따라 다르다. 만성폐쇄성폐질환의 경우, 만성기관지염 성분에서는 기도의 염증과 점액 과분비가, 폐기종 성분에서는 폐포 벽의 파괴와 탄성 소실이 주요 원인이다. 천식에서는 기도의 과민반응과 가역적인 기관지 수축이 특징이다. 이러한 변화들은 모두 기류에 대한 저항을 증가시켜 호기를 방해한다.

폐활량측정법은 폐쇄성 장애를 평가하는 핵심 검사이다. 주요 지표는 다음과 같다.

이러한 환기 장애는 호흡 작업량을 크게 증가시킨다. 환자는 숨을 내쉬기 위해 긴 호기 시간과 보조호흡근의 사용이 필요해지며, 전형적으로 숨이 가쁘고 천명음이 들리는 증상을 보인다. 치료는 기관지 확장제와 스테로이드 흡입제를 사용하여 기도 저항을 낮추고 염증을 조절하는 데 중점을 둔다.