호흡생리 (Respiratory physiology) < 호흡 > 1) External respiration : lung에의해산소를흡수하고이산화탄소를배출시키는과정. 호흡생리에서다룸. 2) Internal respiration : 주위조직으로부터세포로산소의이동이일어나세포가산소를이용하고 이산화탄소를발생시키면세포로부터주위조직으로배출시키는과정. < Respiratory airway 구성 > 1) conducting zone : nose & mouth ~ terminal bronchiole : 단순히공기가지나는통로 : nose & mouth --> pharynx --> larynx --> trachea --> Rt & Lt bronchus --> 1st generation of bronchiole --> 2nd generation of bronchiole ------> terminal bronchiole (16th generation) 2) respiratory zone ( or respiratory unit) : 17th generation of bronchiole ~ alveoli : alveoli 들이분포, 실제기체교환이일어나호흡에관여하는부위 : respiratory bronchiole --> alveolar duct --> alveoli
< Function of Respiration > 1) pulmonary ventilation 2) alveoli와 blood 사이에서산소와이산화탄소의 diffusion 3) blood와 body fluid에서산소와이산화탄소의운반 4) regulation of ventilation : 이상의 4가지기능이종합되어작용하는것이호흡이다. < Pulmonary ventilation > 1. Mechanics of pulmonary ventilation 1) respiratory muscle : lung의 expansion과 contraction은두가지방법에의해 1 diaphragm의 upward or downward movement : inspiration - diaphragm contraction --> lung의하부가아래로내려옴 --> chest cavity가길어지게됨 --> lung expansion : expiration - diaphragm relaxation --> lung, chest wall, abdominal content의 elastic recoil에의해 lung의하부가위로올라감. --> chest cavity가짧아짐 --> lung contraction * but 강한 expiration 시는이러한 elastic recoil 만으로부족 - abdominal muscle 들을수축 2 rib cage : chest cavity의 anterior-posterior diameter를증가혹은감소시킴으로조절 : inspiration - rib cage elevation --> chest cavity의 AP diameter가 expiration보다약 20% 증가 : inspiratory m. - rib cage elevation 시키는근육 1 ext. intercostal m. 2 sternocleidomastoid m.
3 ant. serrati m. 4 scaleni m. : expiratory m - rib cage depress 시키는근육들 1 abdominal rectus m. 2 int. intercostal m. - 정상적인안정상태에서의호흡은주로 diaphragm에의한방법을이용하며그양은 inspiratory volume의약 75% 를차지. 2) plumonary ventilation에관여하는 pressure 1 pleural pressure - pleural cavity : lung의 visceral pleura와 parietal pleura사이 : pleural cavity 내의 pelural fluid는 lung movement시의 lubrication 제공 : pleural cavity 내의 pressure를 pleural pressure - pleural pressure 는음압 (negative pressure) : 안정시약 -5 cmh 2 O : inspiration 시 -7.5 cmh 2 O 2 Alveolar pressure - lung alveolar 내의 pressure : inspiration 직전 - 0 cmh 2 O : inspiration - -1 cmh 2 O : expiration - +1 cmh 2 O 3 Transpulmonary pressure : alveolar pressure 와 pleural pressure 의차이 : recoil pressure 라고도함. 4 Compliance of the lung : compliance - transpulmonary pressure가증가함에따라서 lung이 expansion되는정도 - 즉, inspiration을시작하여 recoil pressure를증가시켜감에따라서 lung이얼마나잘 expansion 되는가를의미. : 정상성인 - 200ml/cmH 2 O : 실제 recoil pressure는 7.5-5 = 2.5 cmh 2 O이므로실제 lung의 compliane는 200 ml/cmh 2 O 2.5 cmh 2 O = 500 ml 정도. : compliance는두가지힘에의해결정 - lung tissue 자체의 elastic force - alveoli의내벽을덮고있는액체의 surface tension에의해발생되는 elastic force * surfactant : surface activate substance로액체의표면에퍼져서액체의표면장력을감소시키는물질 : type II alveolar epithelial cell (type II pneumocyte) 에서분비
2. Pulmonary volumes and capacities : spirometry로 lung을출입하는공기의양을기록하여 pulmonary ventilation을알아보는방법 1) Pulmonary volume 1 tidal volume - 정상적인상태에서매호흡시 lung으로들어오거나나가는공기의양. 정상성인남자 - 500ml 2 inspiratory reserve volume - 정상적인 tidal volume 이상으로 inspiration시 lung내로더들어들어올수있는공기의양, 약 3000ml 3 expiratory reserve volume - 정상적인 tidal expiration의말기에최대로내보낼수있는공기의양, 약 1,100ml 4 residual volume - 최대의 expiration에도불구하고 lung 내에남아있는공기의양. 약 1,200ml 2) Pulmonary capacity : 두개이상의 volume을합해서 capacity가구성된다. 1 inspiratory capacity (IC) - 정상적인 expiratory level에서최대로 inspiration시 lung내로들어올수있는공기의양 (= TV + IRV = 3,500 ml) 2 functional residual capacity - 정상적인 expiration의말기에 lung 내에남아있는공기의양 (= ERV + RV = 2,300 ml) 3 vital capacity - 최대로 lung 내에공기를 inspiration 한후최대로 expiration 했을때배출되는공기의양 (= IRV + TV + ERV = 4,600 ml) 4 total lung capacity - 최대의 inspiration 시에 lung 내에존재하는공기의양 (= VC + RV = IC + FRC = 5,800 ml) 3) functional residual capacity의측정 : FRC는정상적인 tidal respiration 사이에 lung 내에존재하는공기의양 : 약 3초동안의 expiration 동안 gas exchange를일정하게유지 : 직접 spirometry로측정할수없고간접적인방법인 helium dilution method를이용하여측정. 3. Minute respiratory volume : 1분동안호흡에의해서대기로부터폐내로들어가는또는나오는공기의양 (= respiratory rate tidal volume) : respiratory rate 12회 (12-15회/min) tidal volume 500 ml이므로 respiratory volume은약 6 L.
4. Alveolar ventilation : pulmonary ventilatory system의궁극적인중요성은신선한공기를 gas exchange가일어나는부위인 alveoli, alveolar sac, alveolar duct, respiratory bronchiole로들여보내는것이다. 이러한부위로신선한공기가도달하는비율을 alveolar ventilation. : inspiration 시약 500ml의공기가들어오나 terminal bronchiole까지만도달하고이중 350 ml 만 diffusion에의해 gas exchange에참여 * dead space : respiratory airway 중에서 gas exchange가일어나지않는부위 : anatomic dead space - nose, pharynx, larynx, trachea, bronchus, terminal bronchiole - 호흡시기체교환에참여하지못하고존재하다가 expiration 시제일먼저외부로배출 : physiologic dead space - alveoli가기능이저하되거나정지되었을때. : 정상적으로 anatomic dead space 와 physiologic dead space가거의같으나, 어떤질환이발생되면, physiologic dead space가증가 < Physical principles of gaseous exchange > : Diffusion of oxygen and carbon dioxide through the respiratory membrane 1. Phsics of diffusion and gas pressure 1) molecular basis of gas diffusion : gas molecule 자체의운동에너지에의해 random movement 하면서 diffusion 2) partial pressure of individual gases : pressure는 gas molecule의 kinetic motion 시한 surface에부딪칠때그표면에가해지는충격에의해발생. 따라서 pressure는 gas molecule의농도에비례. : gas mixture에서각각의 gas들의 partial pressure는 P O2, P CO2, P N2, P H2O ex) 대기압 760mmHg중질소의 P N2? ( 대기중질소는 79%, 산소는 21% 차지 ) - 760mmHg 0.79 = 약 600 mmhg 2. 각부위별 P O2, P CO2 P O2 P CO2 terminal bronchiole 160 mmhg 0.3 mmhg alveoli 105 mmhg 40 mmhg pul. capillary 40 mmhg 46 mmhg
< Transport of O 2 & CO 2 in the blood and body fluid > 1. Lung, Blood, Tissue에서의 O 2 & CO 2 pressure 의변화와이에따른이동과정 : 기체의확산은 pressure가높은곳에서낮은곳으로이루어짐. 1) alveoli, blood, interstitium, cell에서의 P O2 의변화와이에따른산소의이동과정 : capillary가 alveoli와최초로접촉하는부위에서의 pressure difference - 104-40 = 64 mmhg : capillary가 alveoli와접촉하는면의 1/3만지나면 capillary blood의 P O2 는 104mmHg로 alveoli와같아짐. : Lt atrium's P O2 = 98% of 104 mmhg (full oxygenation)+ 2% of 40 mmhg(bronchial circulation) = 95 mmhg : capillary에서 interstitium으로의 Oxygen diffusion capillary) P O2 95 mmhg interstitium) P O2 40 mmhg ---> interstitium으로충분히 diffusion 됨. : tissue cell로의 oxygen diffusion intracellular P O2 23 mmhg 2) cell, interstitium, blood, alveoli에서의 P CO2 의변화와이에따른 CO 2 의이동과정 : CO 2 의이동과정은산소와반대방향으로진행 : 다만, CO 2 는산소에비해약 20배정도더빠르게확산되므로확산에필요한 pressure difference가작아도됨. : Intracellular P CO2 46 mmhg Interstitium P CO2 45 mmhg ---> 1 mmhg 차이로 cell에서 interstitum으로확산 : arterial blood의 P CO2 40 mmhg ---> 6 mmhg 차이로확산되어나옴. : interstitial space P CO2 46 mmhg : venous end의 P CO2 46 mmhg 가됨. : pul. capillary's P CO2 46 mmhg, alveoli P CO2 40 mmhg
< Regulation of respiration > 호흡의조절의 2 mechanics 1) voluntary mechanism : cerebral cortex or higher center로부터직접 cortico-spinal tract을따라 spinal cord로가서 respiratory muscle을조절하는 neuron에 impulse를줌. : phrenic neuron은 C3 - C5의 ventral horn에위치 2) automatic mechanism : medulla 나 pons에있는 respiratory center가담당 1. Respiratory center : medulla oblongata 와 pons의 bilateral side에위치하는 neuron들이 group을이루어 respiratory center 구성 1) PreBottzenger complex - medulla dorsal center 주위에위치 - basic impulse 2) dorsal respiratory center - medulla의 dorsal portion에위치 - inspiration 담당 3) ventral respiratory center - medulla의 ventrolateral part에위치 - 그 group 중어느 neuron이흥분되느냐에따라 expiration or inspiration을유발 4) pneumotaxic center - Pons의 superior portion에서 dorsal part에위치 - 호흡의 rate, pattern을조절 - inspiratory dulation을제한하고 respiratory rate을증가시키는기능
2. Chemical control of respiration : 호흡의궁극적인목적은 tissue 내의산소, 이산화탄소, hydrogen ion들의농도를적절하게유지. 1) Chemosensitive area of respiratory center (=central chemoreceptor, medullary chemoreceptor) : 이산화탄소, hydrogen ion --> medullary chemoreceptor 에서이를감지 --> respiratory center 자극 --> inspiration과 expiration의강도를증가 2) Peripheral chemoreceptor system (=role of oxygen in respiratory control) : 산소는호흡중추에대해직접작용은없고 carotid & aortic body에위치한 peripheral chemoreceptor를자극해 nervous signal을 respiratory center로보내호흡을조절 : 종류 - carotid body ---> glossopharyngeal n. ---> medulla - aortic bodies ---> vagus n. ---> medulla : chemoreceptor는 type I cell (glomus cell) - hypoxia 시 dopamine 형태로분비되어 nerve ending 흥분 3. regulation of respiration during exercise : 심한운동시산소소모량과이산화탄소배출량이 20 배정도증가 ---> metabolism 증가 ---> 함께 alveolar ventilation 증가 : mechanic factor of increases of ventilation - neurogenic factor 1) brain의 impulse가 collateral impulse를 brain stem으로내서 respiratory center를자극한다. 2) body movement가 joint의 proprioceptor를자극해여기서발생한흥분성 impulse를 respiratory center를자극한다.