스크랩 [인체 생리학] Respiratory Mechanics

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Respiratory Mechanics

 1. Pressure gradient in ventilation

[그림 13-13]

-	이들의 pressure gradient에 의해서 air flow의 방향이 결정

1) Atmopheric pressure

-	760 mmHg, constant.

2) Intra-aveolar pressure (intrapulmonary pressure)

-	alveoli 내부의 pressure
-	변화하는 값. 결과적으로 atmospheric pressure와 평형을 이루게 됨

3) Intrapleural pressure (intrathoracic pressure)

-	pleural cavity 내부의 압력, 흉강내에서 폐의 외부에서 가해지는 압력.
-	756 mmHg (at resting) : pleural cavity는 대기 또는 페포내 공기와 직접적인 communication이 없는 완전히 밀폐된 공간이며 이곳의 압력은 일반적으로 대기압보다 낮다.

2. Bulk air flow into & out of the lung

[그림 13-14]

lung 자체는 muscle이 없으므로 thoracic cavity의 volume을 조절하여 간접적으로 cyclical intra-aveolar pressure change를 유발시켜 air bulk flow를 조절

1) Respiratory cycle

[그림 13-15]

   

[그림 13-16]		[그림 13-17]

-	inspiration and expiration

① Inspiration (active process)

 i) Quiet breathing

-	diaphragm (75%) and external intercostal muscle(25%)관여 : 특히 diaphragm의 영향이 훨씬 커서, external intercostal muscle만 마비되었을 때 quiet breathing는 심각하게 영향 받지 않는다.
-	diaphragm (skeletal muscle)은 phrenic nerve(spinal cord의 cervical layer에서 내려옴)의 명령을 전달 받는다.
-	external intercostal muscle (ribs사이에 있는 muscle 중 윗부분에 있는 muscle)은 intercostal nerve의 명령을 받는다.

inspiration mechanism :

contraction of diaphragm → thoracic cavity의 세로 공간을 확장(약 75%정도 확장), contraction of external intercostal muscle → thoracic cavity의 측면과 전후공간 확장thoracic cavity의 확장 → lung wall이 같이 팽창되면서 lung 내부의 pressure가 754mmHg 까지 감소하게 되어 외부 (atmospheric pressure 760mmHg)로 부터 폐로 공기 유입 (= air flow)

ii) Deeper inspiration

-	diaphragm, external intercostal muscle(more forcefully than quiet breathing) and accessory inspiratory muscle 관여
-	accessory muscles (sterncleidomastoid m.) neck에 위치하는데 sternum 및 ribs의 1/2정도를 더 높여서 thoracic cavity를 위쪽으로 더 더욱 확장시킨다.
	⇒ quiet breathing 보다 thoracic cavity의 부피가 더 크게 확장되고 lung의 pressure는 더 작아지므로 더 많은 airflow를 유도한다.

② Expiration

i) Quiet expiration (passive process)

-	expiration mechanism : inspiration 자극이 종결되면 inspiratory muscle들의 relaxation (passive) ⇒  들어올려졌던 rib이나 sternum들은 중력에 의해 아래로 내려가고, chest wall과 lung도 elastic property에 의해 resting 상태로 돌아가면서 lung의 부피 감소로 그 내부 압력이 761mmHg로 atmospheric pressure보다 높아져서 공기가 외부로 유출.

ii) Deeper expiration (active or forced process

-	abdominal muscle, internal intercostal muscle 관여
-	deeper expiration mechanism : abdominal wall muscle이 수축 → intra-abdominal pressure 증가 → diaphragm을 위쪽으로 밀어 올림, internal intercostal muscle이 수축 → ribs을 안쪽 밑으로 당기게 되어 thoracic cavity가 감소. → thoracic cavity & lung의 부피 감소 → intra-alveolar pressure가 761mmHg이상으로 증가. → quiet expiration 때보다 더 많은 airflow가 빠져나간다.
-	forceful respiration 동안, the intrapleural pressure는 atmospheric pressure이상으로 증가한다. 그러나 the lung과 thorax는 여전히 tight apposion을 유지하고 있다. 왜냐하면, intra-alveolar pressure 또한 이에 상응할 정도로 증가해서 transmural pressure gradient를 유지하기 때문이다.

-	신경이나 muscle의 이상으로 diaphragm activity에 이상이 있으면 respiratory paralysis가 일어난다.
-	단, 척수의 손상으로 목 아래쪽으로 전신 불수인 사람의 경우 호흡은 유지되는데 그 이유는 phrenic nerve가 흉추 부위가 아닌 cervical spinal cord 부위에서 시작되기 때문이다.

3. Air flow rate

1) Airflow rate (F)

  F = △P/R

-	△P : difference between atmospheric and intra-alveolar pressure (pressure gradient)
-	R : resistance of airway determined by their radii (primary determinant)

R  Lη/r4

L : length of air way

η : viscosity of air

r : radius of air way

2) Regulation of air way diameter

-	trachea 및 bronchi : air way resistance 의 90%를 차지하지만 rigid structure (supported by cartilage & bone)로 기도 확보된 상태
	만약, allergy 나 infection으로 점액이 축적될 경우는 기도 저항이 증가

코감기 (stuffy nose)에 걸렸을 때 코로 숨쉬기가 매우 힘들다 !

-	bronchiole은 그 구경이 매우 작은데도 불구하고 정상적인 경우에는 air way resistance를 야기 하지 않는다. 그 이유는 total cross sectional area가 trachea의 2000배에 해당하기 때문. 그러나 이들은 collapsible tube로 그 직경이 작아지면 air way resistance를 증가시키는 인자로 작용
-	bronchiole은 smooth muscle이 풍부히 존재하며 신경계와 hormone에 의한 reflex regulation을 받는다. 그러나 매분 단위의 즉각적인 조절은 paracrines에 의한다. 그 주요 물질이 CO2 이다. 예를 들면, 호기 공기중의 CO2의 양이 증가하면 bronchiolar smooth muscle을 relaxation 시킨다. 또한 mast cell에서 유래된 histamine은 강력한 기관지 수축작용을 하는 paracrine 물질이다.
-	bronchiole은 주로 부교감신경이 분포하고 있어 유해 공기로 부터 lower respiratory를 보호하기 위해 bronchoconstriction 을 유도.
-	bronchiole에는 교감신경의 분포는 많지 않으나 β2receptor가 풍부히 분포하여 epinephrine의 자극에 의해 bronchodilation을 유도

♣ Clinic :

  COPD (chronic obstructive pulmonary disease : 만성 패색성 폐질환)

i) Chronic bronchitis (만성기관지염)

-	long-term inflammatory condition of the lower respiratory airway
-	cigarette smoke

ii) Asthma (천식)

-	thickening of airway wall : inflammation and histamine-induced edema
-	plugging of the airway : excessive secretion of very thick mucus
-	airway hyper-responsiveness : constriction of smaller airway caused by trigger-induced spasm of the smooth muscle in airway (allergen)

iii) Emphysema (폐기종)

-	collapse of the smaller airway
-	가장 일반적인 mechanism : 만성적인 흡연으로 인해 alveolar macrophage가 trypsin을 과다 분비하게 되고, 과다 분비된 trypsin이 α1-antitrypsin(trypsin으로 부터 lung tissue를 보호하는 물질)을 능가하게 되고 결국 lung tissue를 파괴함으로 발생한다.
-	드물긴 하지만, 선천적으로  α1-antitrypsin 생성이 저해되는 사람도 있다.

4. Lung compliance & Elastance

1) Compliance

-	refer to the ability of the lung to stretch
-	a highly compliant lung stretches easily
-	low compliance lung requires more force to stretch it.

2) Elastic behavior of the lung (pulmonary elasticity)

-	two factors for pulmonary elastic behavior

① Highly elastic connective tissue in the lung

② Alveolar surface tension

-	more import!ant factor
-	각각의 alveolus 벽면을 따라 liquid film(air-water interface)에서 water molecular 들이 서로 강하게 끌어당김으로 인해 장력 (혹은 압력)이 발생

[그림 13-18]

 i) Alveolus stretch에 저항하고

ii) Surface area를 감소시키고

iii) Stretch 후에 recoil 되려는 성질을 나타낸다.

-	이 때의 fluid-lined alveolus는 (혹은 압력)은 Law of LaPlace를 따르게 됨

 P = 2 x T/r

T : surface tension

 r : radius of alveolus

3) Pulmonary surfactant

 ① Pulmonary surfactant

-	complex mixture of lipid and proteins secreted by the typeⅡalveolar cell (dipalmitoylphosphatidylcholine)
-	alveoli의 fluid lining에 있는 물분자들 사이에 끼어 들어서 cohesive force를 저하시켜 surface tension을 감소시킨다.
-	lung stability에 기여

② Pulmonary surfactant의 이점

i) pulmonary compliance를 증가시켜 lung이 부풀 때 드는 힘을 줄인다. 

ii) lung's tendency to recoil을 감소시킨다.

♣ Clinic : Deficiency of pulmonary surfactant

NRDS (Newborn Respiration Distress Syndrome) :

pulmonary surfactant 는 임신 25주째에 생성이 시작되어 32주 경에 적정 수준에 이른다. 그런데 이 시기 이전에 태어나는 미숙아의 경우 surfactant가 없어서 alveolar surface tension이 너무 크고, 이 힘을 극복할 만큼 다른 호흡 기능 또한 약해서 호흡곤란을 겪게 되는 증상.

5. Energy expenditure

-	호흡시 폐의 elastic force와 airway resistance를 극복하는데 드는 energy

① Quiet breathing

- only about 3% of the total energy expended by the body

- normally lungs are highly compliant and airway resistance is low

② Strenuous exercise

- 5% of the total energy expended by the body

- 절대 값으로는 quiet breathing energy의 25배. 그런데 total body energy expenditure 자체도 크게 증가하므로 비율은 전체에너지 소모의 5%로 여전히 낮은 편이다.

6. Pulmonary Function Test

[그림 13-19]

-	spirometer : a device that measures the volume of air breathed in and out
-	normally the lung contain about 2~2.5L of air during the respiratory cycle but can hold maximum amount of air 5.7L in males

① TV - tidal volume (500mL)

② IRV - inspiratory reserve volume (3000mL)

③ IC - inspiratory capacity (3500mL)

④ ERV - expiratory resrve volume (1000mL)

⑤ RV - residual volume (1200mL)

⑥ FRC - functional residual capacity (2200mL)

⑦ VC - wital capacity (4500mL)

⑧ TLC - total lung capacity (5700mL)

7. Ventilation

1) Pulmonary or minute ventilation

-	the volume of air breathed in and out in one minute pulmonary ventilation = tidal volume x respiratory rate  (6000 mL/min)          (500 mL/breath) x (12 breath/min)

 2) Anatomical dead space

-	the volume of conduction passages not involved in gas exchange
-	성인의 경우 평균 150mL

3) Alveolar ventilation

-	the volume of air exchanged between the atmosphere and the alveoli per minute
-	more import!ant than pulmonary ventilation
-	alveolar ventilation  = (tidal volume - dead-space volume) x respiratory rate 4200mL/mim         ( 500mL/breath - 150mL/breath )   x  12breath/min

 4) Different breathing patterns on alveolar ventilation

[그림 13-20]

[그림 13-21]

 tidal volume 및 respiratory rate의 변화 :

 → no change in pulmonary ventilation
 (dead space volume의 양은 150mL로 항상 일정)

 → change in alveolar ventillation(dead space를 고려한 실제 gas exchange에 관여하는 호흡량 )

cf) alveolar dead space : 부적절한 관류(perfused)로 인해 실제 blood와의 가스 교환에 참여하지 못하는 ventilated alveoli의 영역. 건강한 사람일 수록 이 영역은 작다.

8. Matching of ventillation and alveolar blood flow

[그림 13-22]

   

-	alveoli의 blood flow와 air flow는 항상 균형을 이루면서 서로 gas를 교환한다. 그런데 어느 한쪽의 flow가 변화되면 alveolus나 혈관내의 gas (CO2, O2)의 균형도 깨어진다. CO2, O2의 이러한 변화에 의해서 airway smooth muscle과 pulmonary arteriolar smooth muscle이 조절되고, blood flow와 airflow가 균형을 이루게 된다.

[그림 13-23]

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출처 : sajudosa님의 인체 해부생리학 통