[호흡] 폐 공기의 양 (배경지식)

1.     배경 지식

1)     호흡의 세가지 과정

모든 동물은 생명에 필수적인 에너지를 세포에 전달하기 위해서 산소를 필요로 한다. 세포의 신진대사 동안에 단백질, 탄수화물, 지방과 같은 영양분이 산화될 때 산소가 소비되고, 가스화된 노폐물로써 이산화탄소가 생성된다. 총괄하여, 산소가 대기로부터 들어와서 세포에 전달되고 소비되는 과정과 이산화탄소가 생성되고 폐에 전달되어 대기로 방출되는 과정을 호흡이라고 한다.

호흡의 과정은 세가지로 분류된다. 외호흡, 기체 수송, 내호흡. 외호흡은 사람이 외부로부터 산소를 얻고 이산화탄소를 방출하는 메커니즘을 말한다.. 기체 수송은 세포로 산소를 전달하거나 이산화탄소를 제거하는 데 사용되는 메커니즘이다. 내호흡은 산소가 소비되고 이산화탄소가 생성되는 세포 신진대사의 화학 반응을 말한다. 

2)     인간의 호흡계 구조

인간의 호흡계는 상부(upper division)와 하부(lower division)으로 이루어져 있다. 상부는 비강(nasal cavity), 구경(oral cavity), 인두(pharynx), 후두(larynx)로 이루어져있다.

 

하부는 마치 뒤집힌 나무처럼 밑으로 내려갈수록 기도가 더욱 더 가늘어지는 형태로 이루어져 있다. 보통 호흡 나무라고 일컬어지는 데, 기도(trachea), 좌우 주기관지(primary bronchus), 여러 기관지들(bronchioles)(엽기관지, 분절 기관지, 소기관지), 말단 세기관지들(terminal bronchioles), 호흡 기관지들(respiratory bronchioles), 폐포(arveolar sacs)(폐포관, 폐로)로 구성되어 있다.

 

3)     확산에 의한 기체 교환

폐의 공기와 혈액 사이에서 기체의 교환은 단순한 확산에 의해 일어난다. 피는 기체를 몸의 세포에 전달한다. 호흡계는 혈액에 산소를 공급하고 이산화탄소를 제거한다. 대부분의 기체교환은 폐포 수준에서 일어나고, 그 과정은 전적으로 산소와 이산화탄소의 부분 압력 유지에 의해 일어난다. 흡기동안에 폐포는 커져서 신선한 공기를 받아들인다. 호기동안에는 폐포는 더 작아지고 몇몇 기체는 대기 중으로 방출한다. 지속적이고 주기적으로 공기를 호흡 나무에서 안과 밖으로 공기를 이동시키는 과정은 폐환기(pulmonary ventilation)이라고 한다. 이러한 과정은 폐포에 있는 산소와 이산화탄소의 부분압력을 유지하기 위해 일어나기 때문에 혈액에 산소 흡수와 이산화탄소 제거를 가능하게 한다.

 

4)     보일의 법칙에 의한 폐환기 메커니즘

폐환기의 메커니즘은 보일의 법칙을 적용하여 가장 잘 이해될 수 있다. 보일의 법칙은 일정 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 것이다. 수학적으로 일정 온도에서 기체의 압력과 부피의 곱은 상수가 된다. (PV = K)

폐는 가슴우리(thoracic cage)로 이루어져있는 데, 그것은 복장뼈(sternum), 갈비뼈(ribs), 척추(vertebral column), 횡경막(diaphragm)으로 이루어져있다. 가슴우리의 조직들은 흉강(thoracic cavity)를 이루고 있는 데, 흉강은 막(membrane)들에 의해서 여러 작은 공간으로 나누어져 있다. 각 폐는 흉곽을 따라있고, 격막(Diagram)의 일부를 감싸는 폐흉막(visceral pleura)이라고 하는 얇은 막에 의해 덮여있다. 기관지들이 들어가는 각 폐의 뿌리에서, 폐흉막은 벽쪽가슴막(patietal pleura)을 형성하기 위해 폐 주변에 반사된다. 일반적으로 각각의 폐는 폐흉막의 반사에의해 형성된 흉강을 가득 채우고 있다. 옆막은 폐가 호흡 주기동안에 흉강 내부를 자유롭게 움직일 수 있게 해준다. 폐흉막과 흉막 사이의 공간을 늑막공간이라고 하는 데 이것은 potential space이다. 일반적으로 윤활처리유체(lubticating fluid)의 얇은 층이 두 흉막을 나누고 있다. 흉막은 밀폐되어있고 흉강의 일부를 이루고 있다. 그러나 폐의 내부는 기도를 통해 대기에 열려있다. 따라서 흉곽(thoracic cavity)이 커질 때마다 폐와 마찬가지로 흉강 또한 커진다.

흉곽의 부피변화는 총체적으로 호흡근이라고 불리는 골격근의 수축에 의해 만들어진다. 골격근은 두가지 그룹으로 분류된다. 흡기 근육이 수축하면 흉곽의 부피가 증가한다. 횡격막과 외늑간근(external intercostals muscles)가 그 예이다. 호기의 근육이 수축하면 흉곽의 부피는 작아진다. 내늑간근(internal intercostals muscles)와 복근(abdominal muscles)가 그 예이다.

흡기의 시작에서, 흉강은 횡격막(diaphragm)과 외늑간근(external intercostal)의 수축에의해 커진다. 일반적으로 돔 모양의 횡격막이 그것의 근섬유들이 수축될 때 평평해지는 데, 그로 인해 가슴의 부피가 증가한다. 외늑간근은 갈비뼈를 들어올려서 흉곽의 부피를 증가시킨다. 가슴의 부피가 증가하면서 폐 내의 부피가 증가하게 되고, 따라서 보일의 법칙에 의해 폐 내의 압력이 줄어든다. 폐 내의 압력이 대기압보다 낮아지자마자, 공기는 대기에서 기도를 통해 폐의 확장된 공기 공간으로 흘러 들어간다. 그리고 폐 내의 압력이 대기압과 같아질 때까지 계속 흐른다. 흡기의 끝에서, 폐 내의 입력이 대기압과 같아지면 폐 내의 부피가 흡기 시작보다 더 커지더라도 공기의 흐름은 멈춘다.

호기는 흡기 근육이 이완될 때 시작한다. 횡격막은 휴식상태의 돔 형태로 돌아가고, 가슴과 폐 내의 부피는 줄어든다. 외늑간근의 이완은 갈비뼈를 휴식상태의 위치로 낮추고, 따라서 직경이 작아져서 가슴과 폐의 부피가 줄어든다. 폐 내의 부피감소는 폐 내의 압력을 증가시킨다. 폐 내의 압력이 대기압보다 증가하자마자, 공기는 대기 중으로 나가고, 이는 폐 내의 압력이 대기압과 같아질 때까지 계속된다.

 

5)     폐활량계

인간이 숨을 쉬고 내 뱉는 공기의 부피는 폐활량계(spirometer)로 측정될 수 있다. 종 폐활량계(bell spirometer)은 두 개의 벽으로 둘러싸인 실린더로 이루어져 있는 데, 거기에서 산소로 농축된 공기가 가득 채워진 뒤집어진 종이 물 속에 가라앉은 채로 있는 구조이다. 도르래는 종을 기록 펜에 연결하는 데, 그 펜은 일정한 속도로 회전하는 드럼 위에 기록한다. 숨을 들이쉬는 동안, 공기는 종에서 제거되고 펜은 올라간다. 내쉰 숨이 종에 들어갈 때, 펜은 내려가고 내쉰 부피가 기록된다. 시간에 대한 부피변화의 결과 기록을 호흡곡선(spirogram)이라고 한다.

이번 실험에서, 공기흐름 변환계를 사용할 것이고, 소프트웨어는 공기의 흐름은 부피로 변환해 줄 것이며, 이로부터 폐활량계를 이용해 읽혀지는 부피를 대강 측정 할 수 있다. 이것은 폐 용량 데이터를 얻어내는 훨씬 쉬운 방법이지만, 단점은 공기흐름을 부피로 정확하게 변환하기 위해서는 기록 절차가 정확해야 한다는 것이다.

 

6)     폐활량의 주요 요소

총 폐활량에는 겹치지 않는 네 개의 주요 요소들이 있다.

-       Tidal volume ( 1회 환기 호흡량)

-       Inspiratory reserve volume(흡기 예비량)

-       Expiratory reserve volume (호기 예비량)

-       Residual volume (잔기 용량) 

Ø  Tidal Volume (1회 환기 호흡량, TV) : 한 번의 호흡에서 들이쉬거나 내뱉는 공기의 부피. 쉬고 있는 사람이 보통 호흡을 할 때, 1회 환기 호흡량은 대략 500ml이다. 운동 중에는 3리터보다 더 부피가 크다.

 

2.     실험 목표

1)     폐의 부피와 용량을 계산해보고 또, 실험적으로 관찰, 기록한다.

2)     부피와 용량에 대한 관측 값과 평균값을 비교한다.

3)     피실험자의 성별, 나이, 몸무게, 키에 따라 다른 폐의 부피와 용량의 일반적인 값을 비교한다.

 

3.     실험 부품 및 장비

Ø  BIOPAC Airflow Transducer w/ removable, cleanable head. (SS11LA)

Ø  BIOPAC Bacteriological Filter (AFT1): 1x/subject, plus syringe if using

Ø  calibration syringe.

Ø  BIOPAC Disposable Mouthpiece (AFT2)

Ø  BIOPAC Nose Clip (AFT3)

Ø  BIOPAC Calibration Syringe: 0.6L (AFT6) or 2L (AFT26)

Ø  Optional – BIOPAC Autoclavable Mouthpiece (AFT8)

Ø  Biopac Student Lab System

Ø  Computer System

 

4.     실험 방법

1)     장비에 공기흐름 변환기를 연결한다.

2)     조정 주사기/필터 조립을 공기흐름 변환기에 집어넣는다.

3)     공기흐름 변환기를 위로 잡고 그 상태를 유지한다. Calibration을 한다.

4)     입 부분의 필터 변환기를 조립한다. 피실험자는 자신의 코를 클립으로 집는다. 피실험자는 기록을 시작하기 전에 공기 흐름변환기를 통해 20초동안 평상시처럼 숨을 쉰다.

5)     기록을 시작한다. 평상시대로 5번 숨을 쉰다. -> 가능한 깊게 숨을 들이마신다. -> 가능한 깊게 순을 내쉰다. -> 평상시대로 5번 숨을 쉰다.