호흡 부전 - 원인 및 발병 기전

환기 및 실질 호흡 부전의 원인 및 메커니즘

호흡 부전은 폐 실질, 흉벽, 폐 순환, 폐포-모세혈관 막 상태, 호흡의 신경 및 체액 조절 등 호흡기 기능적 구성 요소에 장애가 발생할 때 발생합니다. 혈액 내 기체 조성의 특정 변화 유무에 따라 호흡 부전은 크게 환기성(고탄산혈증) 호흡 부전과 실질성(저산소혈증) 호흡 부전으로 구분되며, 각각 급성 또는 만성일 수 있습니다.

환기성(고탄산혈증) 호흡 부전

환기성(고탄산혈증) 호흡 부전의 형태는 주로 폐포 환기량(폐포 저환기)과 분당 호흡량(MRV)의 완전한 감소, 신체에서 제거되는 CO2의 감소와 그에 따른 고탄산혈증(PaCO2> 50 mm Hg)의 발생, 그리고 저산소증이 특징입니다.

환기성 호흡 부전의 원인과 발생 기전은 체내 이산화탄소 제거 과정의 장애와 밀접한 관련이 있습니다. 알려진 바와 같이, 폐의 기체 교환 과정은 다음과 같은 요인에 의해 결정됩니다.

• 폐포 환기 수준
• _{O 2} 및 CO ₂ 에 대한 폐포-모세혈관 막의 확산 용량
• 관류 크기
• 환기와 관류의 비율(환기-관류 비율).

기능적인 관점에서 볼 때, 폐의 모든 기도는 전도 경로와 기체 교환(또는 확산) 영역으로 나뉩니다. 흡입 중 전도 경로 영역(기관, 기관지, 세기관지, 말단 세기관지)에서는 공기의 점진적인 이동과 다음 흡입 전에 생리학적 사강에 있던 기체와 신선한 대기 공기의 기계적 혼합(대류)이 발생합니다. 따라서 이 영역은 대류 영역이라는 다른 이름을 갖습니다. 대류 영역의 산소 농축 강도와 이산화탄소 농도 감소는 무엇보다도 폐환기 강도와 분당 호흡량(MVR) 값에 의해 결정된다는 것은 분명합니다.

기도의 세대가 작아질수록(1세대부터 16세대까지) 공기 흐름의 전진 속도가 점차 느려지다가 대류권 경계에서 완전히 멈추는 것이 특징입니다. 이는 각 세대의 기관지 전체 단면적이 급격히 증가하고, 그에 따라 소기관지와 세기관지의 총 저항이 크게 증가하기 때문입니다.

이후 세대의 기도(17세기부터 23세기까지)에는 호흡 세기관지, 폐포 통로, 폐포낭, 폐포가 포함되며, 이 세대는 폐포-모세혈관 막을 통한 기체 확산이 일어나는 기체 교환(확산) 영역에 속합니다. 확산 영역에서는 호흡 운동과 기침 시 "거시적인" 청색 기체가 전혀 존재하지 않습니다(V.Yu. Shanin). 이 영역에서 기체 교환은 산소와 이산화탄소의 분자 확산 과정에 의해서만 이루어집니다. 이 경우, 대류 영역에서 전체 확산 영역을 거쳐 폐포와 모세혈관으로 이동하는 CO2 분자 이동 속도와 폐포에서 대류 영역으로 이동하는 CO2 분자 이동 속도는 세 가지 주요 요인에 의해 결정됩니다.

• 대류와 확산 영역의 경계에서 기체의 분압의 기울기
• 주변 온도
• 주어진 기체에 대한 확산 계수.

폐환기 수준과 MOD는 확산 영역에서 CO2와 O2 분자의 이동 과정에 거의 영향을 미치지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

이산화탄소의 확산 계수는 산소보다 약 20배 높은 것으로 알려져 있습니다. 이는 확산 영역이 이산화탄소에 큰 장애를 일으키지 않으며, 이산화탄소 교환은 거의 전적으로 대류 영역의 상태, 즉 호흡 운동 강도와 최대 호흡수(MOD) 값에 의해 결정됨을 의미합니다. 환기량과 분당 호흡량이 완전히 감소하면 대류 영역에서 이산화탄소의 "세척"이 중단되고 분압이 증가합니다. 결과적으로 대류 영역과 확산 영역 경계 _에서 이산화탄소의 압력 기울기가 감소하고, 모세혈관층에서 폐포로의 확산 강도가 급격히 감소하며, 고탄산혈증이 발생합니다.

다른 임상 상황(예: 실질성 호흡 부전)에서는 질병 진행의 특정 단계에서 온전한 폐포의 현저한 보상성 과환기가 나타나면서 대류 영역에서 이산화탄소의 "세척" 속도가 크게 증가하여 대류 영역과 확산 영역의 경계 _에서 이산화탄소 압력 기울기가 증가 하고 체내 이산화탄소 제거량이 증가합니다. 결과적으로 저탄산혈증이 발생합니다.

이산화탄소와 달리 폐의 산소 교환과 동맥혈의 이산화탄소 분압(PaO2 ₎ 은 확산 영역의 기능, 특히 O2의 확산 계수와 모세혈관 혈류(관류) 상태에 주로 의존하는 _반면, 환기 수준과 대류 영역의 상태는 이러한 지표에 미치는 영향이 미미합니다. 따라서 분당 호흡량이 완전히 감소하는 상황에서 환기성 호흡 부전이 발생하면, 먼저 고탄산혈증이 발생하고, 그 후에야(보통 호흡 부전 발생 후기에) 저산소혈증이 발생합니다.

따라서 환기성(고탄산혈증) 호흡 부전은 "호흡 펌프"의 기능 부전을 나타냅니다. 이는 다음과 같은 이유로 발생할 수 있습니다.

1. 호흡의 중추 조절 장애:
   • 뇌부종은 뇌줄기 부분과 호흡 중심 부위에 영향을 미칩니다.
   • 뇌졸중;
   • 외상성 뇌 손상
   • 신경감염
   • 호흡 중추에 대한 독성 효과
   • 예를 들어, 심각한 심부전으로 인한 뇌의 저산소증
   • 호흡 중추를 억제하는 약물(마취성 진통제, 진정제, 바르비투르산염 등)을 과다 복용하는 경우.
2. 가슴의 호흡 운동을 보장하는 기관의 손상, 즉 소위 "가슴 벨로즈"(말초 신경계, 호흡 근육, 가슴)의 기능 장애:
   • 흉부 변형(흉부후만증, 척추측만증, 흉추측만증 등)
   • 갈비뼈와 척추의 골절
   • 흉부절개술;
   • 말초신경의 기능 장애(주로 횡격신경 - 길랭-바레 증후군, 소아마비 등)
   • 신경근 전달 장애(중증 근무력증)
   • (장기간 지속되는 심한 기침, 기도 폐쇄, 호흡 제한 장애, 장시간 기계적 환기 등으로 인한 호흡 근육의 피로 또는 위축)
   • 다이어프램의 효율성이 감소합니다(예: 다이어프램이 평평해지는 경우).
3. MV 감소를 동반한 제한성 호흡 장애:
   • 심한 기흉
   • 대량 흉막 삼출액
   • 간질성 폐질환
   • 총 폐렴 및 아총 폐렴 등

따라서 환기성 호흡 부전의 대부분의 원인은 폐외 호흡 기관 및 그 조절(중추신경계, 흉부, 호흡근)의 장애와 관련이 있습니다. 환기성 호흡 부전의 "폐" 기전 중 제한성 호흡 부전이 가장 중요한데, 이는 흡입 시 폐, 흉부 또는 흉막의 신전 능력 감소로 인해 발생합니다. 제한성 호흡 부전은 많은 급성 및 만성 호흡기 질환에서 발생합니다. 이와 관련하여 환기성 호흡 부전의 틀 안에서 특별한 유형의 제한성 호흡 부전이 구분되며, 이는 주로 다음과 같은 원인으로 발생합니다.

• 폐의 움직임을 제한하는 흉막 질환(삼출성 흉막염, 수흉, 기흉, 섬유흉 등)
• 기능하는 폐 실질의 양 감소(폐기종, 폐렴, 폐 절제 등)
• 폐 조직의 염증성 또는 혈역학적 조건 침윤으로 인해 폐 실질의 "경직성"이 증가함(폐렴, 좌심실 심부전으로 인한 간질성 또는 폐포성 폐부종 등)
• 다양한 원인의 폐경화증 등

고탄산혈증 및 환기성 호흡 부전은 폐포 환기 및 분당 호흡량의 완전한 감소를 수반하는 병리학적 과정으로 인해 발생할 수 있다는 점도 고려해야 합니다. 이러한 상황은 예를 들어 심각한 기도 폐쇄(기관지 천식, 만성 폐쇄성 기관지염, 폐기종, 기관막 부분의 운동 이상증 등), 기능하는 폐포의 부피가 크게 감소(무기폐, 간질성 폐 질환 등), 또는 호흡 근육의 심각한 피로 및 위축과 함께 발생할 수 있습니다. 이러한 모든 경우에서 호흡 부전의 발생에는 다른 병태생리학적 메커니즘(가스 확산 장애, 환기-관류 관계, 폐의 모세혈관 혈류 등)이 관여합니다. 이러한 경우 일반적으로 혼합된 환기성 및 실질성 호흡 부전의 형성에 대해 이야기하고 있습니다.

급성 환기성 호흡 부전에서는 PaCO2 증가와 함께 일반적으로 혈액 pH 감소 및 호흡성 산증이 발생하는데, 이는 알려진 바와 같이 pH 값을 결정하는 HCO3/H2CO3 비율의 감소로 인해 발생합니다. 환기성 만성 호흡 부전에서는 혈청 내 탄산염 농도의 보상적 증가로 인해 이러한 현저한 pH 감소가 발생하지 않습니다.

1. 환기성(고탄산혈증) 호흡 부전은 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 총 폐포 저환기 및 분당 호흡량 감소,
2. 고탄산혈증,
3. 저산소증(호흡 부전의 후기 단계)
4. 보상성 또는 비보상성 호흡성 산증의 징후.

2. 호흡 부전의 환기(고탄산혈증) 형태가 발생하는 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.

1. 호흡의 중추 조절 장애
2. 가슴의 호흡 운동을 제공하는 기관(말초 신경, 호흡 근육, 흉벽)의 손상
3. MOD 감소를 동반한 뚜렷한 제한 장애.

실질성 호흡 부전

실질성(저산소증) 형태의 호흡 부전은 폐의 혈액 산소화 과정이 심각하게 중단되어 동맥혈의 PaO2가 현저히 감소하는 저산소증이 특징입니다.

호흡 부전의 실질성 형태에서 저산소증이 발생하는 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.

1. 혈액의 우심-좌심 "분류"(폐포 단락) 형성이나 폐포 사강의 증가로 인한 환기-관류 관계(//0) 위반
2. 폐포-모세혈관 막의 전체 기능 표면 감소
3. 가스 확산 위반.

환기-관류 관계 위반

많은 호흡기 질환에서 저산소성 호흡부전은 환기-관류 관계의 위반으로 인해 발생하는 경우가 가장 흔합니다. 일반적으로 환기-관류 비율은 0.8~1.0입니다. 이러한 관계 위반에는 두 가지 유형이 있으며, 각 유형은 호흡부전으로 이어질 수 있습니다.

폐포의 국소 저환기. 이 유형의 실질성 호흡 부전에서는 환기가 잘 되지 않거나 환기되지 않는 폐포를 통해 충분히 강한 혈류가 지속될 경우 저산소증이 발생합니다. 이 경우 환기-관류 비율이 감소하여(V/Q <0.8), 폐의 이 부위에서 산소가 부족하게 공급된 정맥혈이 좌심실과 체순환계로 배출됩니다(정맥 단락). 이로 인해 동맥혈 _{의 산소 분압이 감소하여 저산소증이 발생합니다.}

혈류가 보존된 이러한 부위에 환기가 이루어지지 않으면 V/Q 비율은 0에 가까워집니다. 이러한 경우 우심방-좌심방 폐포 단락이 형성되어 산소가 공급되지 않은 정맥혈이 심장의 좌측 부분과 대동맥으로 "흘러들어" 동맥혈 _의 PaO2를 감소시킵니다. 이러한 기전으로 인해 폐쇄성 폐질환, 폐렴, 폐부종 및 기타 질환에서 저산소증이 발생하며, 폐포 환기의 불균일한(국소적인) 감소와 혈액의 정맥 단락 형성이 동반됩니다. 이 경우, 환기성 호흡 부전과 달리 분당 총 환기량은 장기간 감소하지 않으며, 심지어 폐의 과호흡 경향까지 나타납니다.

실질성 호흡 부전의 초기 단계에서는 고탄산혈증이 발생하지 않는다는 점을 강조해야 합니다. 이는 온전한 폐포의 심한 과환기와 함께 체내 _{에서 CO2가 집중적으로 제거되어 국소적인 CO2 교환 장애를 완전히 보상하기 때문입니다.} 더 나아가, 온전한 폐포의 심한 과환기와 함께 저탄산혈증이 발생하여 그 자체로 호흡기 질환을 악화시킵니다.

이는 주로 저탄산혈증이 신체의 저산소증 적응을 저해하기 때문입니다. 알려진 바와 같이, 혈중 PaCO₂가 감소하면 헤모글로빈 해리 곡선이 왼쪽으로 이동하여 헤모글로빈의 산소 친화도가 증가하고 말초 조직 _에서 산소 방출이 감소합니다. 따라서 실질성 호흡 부전 초기 단계에서 발생하는 저탄산혈증은 말초 장기와 조직의 산소 결핍을 더욱 심화시킵니다.

또한 PaCO2가 감소하면 경동맥동과 연수 수용체에서 나오는 구심성 자극이 _{감소 하고 호흡 중추의 활동이 감소합니다.}

마지막으로 저탄산혈증은 혈액 내 중탄산염과 이산화탄소의 비율을 변화시켜 HCO3/H2CO3와 pH를 증가시키고 호흡성 알칼리증(혈관 경련과 중요 장기로의 혈액 공급 저하)을 유발합니다.

실질성 호흡 부전의 후기 단계에서는 혈액 산소 공급이 손상될 뿐만 아니라 폐 환기(예를 들어, 호흡 근육의 피로 또는 염증성 부종으로 인한 폐의 경직 증가)도 저하되고, 고탄산혈증이 발생하는데, 이는 실질성 호흡 부전과 환기성 호흡 부전의 증상이 결합된 혼합형 호흡 부전이 형성되었음을 나타냅니다.

폐질환에서는 폐포의 국소적(불균형한) 저환기를 동반하는 실질성 호흡 부전과 환기-관류비의 심각한 감소가 가장 흔하게 발생합니다. 이러한 질환은 다음과 같습니다.

• 만성 폐쇄성 폐질환(만성 폐쇄성 기관지염, 세기관지염, 기관지 천식, 낭포성 섬유증 등)
• 중앙 폐암
• 폐렴;
• 폐결핵 등

위에 나열된 모든 질병에는 기관지 점막의 불균일한 염증 침윤과 심한 부종(기관지염, 세기관지염)으로 인한 기도 폐쇄, 기관지 내 점성 분비물(가래)의 양 증가(기관지염, 세기관지염, 기관지확장증, 폐렴 등), 소기관지 평활근 경련(기관지 천식), 소기관지의 조기 호기 폐쇄(붕괴)(폐기종 환자에서 가장 두드러짐), 종양, 이물질 등에 의한 기관지의 변형 및 압박 등이 다양한 정도로 나타납니다. 따라서 대부분의 경우 실질성 호흡 부전의 틀 안에서 고려되는 큰 기도 및/또는 작은 기도를 통한 공기 통과 장애로 인한 특수한 유형의 호흡 부전을 구별하는 것이 좋습니다. 동시에 기도가 심하게 막히면 많은 경우 폐환기와 MV가 현저히 감소하고 환기(더 정확히는 혼합) 호흡 부전이 발생합니다.

폐포 사강 증가. 환기-관류 관계 변화의 또 다른 변이는 폐 혈류의 국소적 장애, 예를 들어 폐동맥 분지의 혈전증이나 색전증과 관련이 있습니다. 이 경우, 폐포의 정상 환기는 유지되지만, 제한된 폐 조직 영역의 관류가 급격히 감소하거나(V/Q > 1.0) 완전히 사라집니다. 기능적 사강이 급격히 증가하는 효과가 발생하며, 사강의 부피가 충분히 커지면 저산소증이 발생합니다. 이 경우, 정상적으로 관류되는 폐포에서 호기되는 공기의 이산화탄소 농도가 보상적으로 증가하여 일반적으로 비관류 폐포의 이산화탄소 교환 장애를 완전히 상쇄합니다. 다시 말해, 이러한 실질성 호흡 부전 변이는 동맥혈 _{의 이산화탄소 분압 증가를 동반하지 않습니다.}

폐포사강과 V/Q값의 증가 기전으로 인한 실질성 호흡부전은 다음과 같은 질환에서 가장 흔히 발생합니다.

1. 폐동맥 가지의 혈전색전증.
2. 성인 호흡곤란증후군.

폐포-모세혈관막의 기능 표면 감소

폐기종, 간질성 폐섬유증, 압박성 무기폐 및 기타 질환에서는 폐포-모세혈관막의 전체 기능 표면 감소로 인해 혈중 산소량이 감소할 수 있습니다. 이러한 경우, 실질성 호흡 부전의 다른 변종과 마찬가지로 혈액 가스 조성의 변화는 주로 동맥 저산소증으로 나타납니다. 질병의 후기 단계, 예를 들어 피로 및 호흡근 위축과 함께 고탄산혈증이 발생할 수 있습니다.

가스 확산 장애

산소의 확산 계수는 비교적 낮으며, 간질 조직의 염증성 또는 혈역학적 부종과 폐포 내면과 모세혈관 사이의 거리 증가를 동반하는 여러 폐질환(폐렴, 간질성 폐질환, 폐렴, 좌심실부전으로 인한 혈역학적 폐부종 등)에서 확산 장애가 발생합니다. 대부분의 경우, 폐의 혈중 산소화 장애는 호흡 부전의 다른 병태생리학적 기전(예: 환기-관류 관계 감소)에 의해 발생하며, 산소 확산 속도의 감소는 _이를 악화시킬 뿐입니다.

CO2의 확산 속도는 O2보다 20배 빠르기 _때문에, 폐포-모세혈관막을 통한 이산화탄소의 이동은 막이 상당히 두꺼워지거나 폐 조직에 광범위한 손상이 있는 경우에만 저해될 수 있습니다. 따라서 대부분의 경우 폐의 확산 능력 저하는 저산소증을 증가시킬 뿐입니다.

• 실질성(저산소증) 호흡 부전은 대부분의 경우 다음과 같은 특징이 있습니다.
  • 전체 MV 속도 감소 없이 불균일한 국소 폐포 저환기
  • 심각한 저산소증,
  • 호흡 부전의 초기 단계에서는 손상되지 않은 폐포의 과호흡과 저탄산혈증 및 호흡성 알칼리증이 동반됩니다.
  • 호흡부전이 진행되는 후기 단계에서는 환기 장애가 추가되고, 탄산가스 과다증과 호흡성 또는 대사성 산증이 동반됩니다(혼합 호흡부전 단계).
• 실질성(저산소증) 호흡부전의 발병 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.
  • 폐쇄성 호흡 부전의 환기-관류 관계 위반 또는 폐의 모세혈관 손상,
  • 폐포-모세혈관막의 전체 기능 표면 감소,
  • 가스 확산 위반.

두 가지 형태의 호흡 부전(환기성 및 실질성)을 구분하는 것은 매우 실용적으로 중요합니다. 환기성 호흡 부전의 치료에서는 호흡 보조가 가장 효과적이며, 감소된 분당 호흡량을 회복할 수 있습니다. 반면, 실질성 호흡 부전의 경우, 저산소증은 환기-관류 관계의 위반(예: 혈액의 정맥 "단락" 형성)으로 인해 발생하므로 고농도(높은 FiO2)의 산소 흡입 요법조차도 효과가 없습니다. MV를 인위적으로 증가시키는 것(예: 인공 환기) 또한 거의 효과가 없습니다. 실질성 호흡 부전의 안정적인 호전은 환기-관류 관계의 적절한 교정과 이 형태의 호흡 부전 발생의 다른 기전을 제거해야만 가능합니다.

폐쇄성 및 제한성 호흡 부전 유형에 대한 임상적, 기구적 검증 역시 실질적으로 중요한데, 이는 호흡 부전 환자를 관리하기 위한 최적의 전략을 선택할 수 있게 해주기 때문이다.

임상에서는 혈중 산소 공급 장애(저산소혈증)와 총 폐포 저환기(고탄산혈증 및 저산소혈증)를 동반하는 복합적인 호흡 부전이 흔히 발생합니다. 예를 들어, 중증 폐렴에서는 환기-관류 관계가 교란되어 폐포 단락이 형성되어 PaO₂가 감소하고 저산소혈증이 발생합니다. 폐 조직의 대량 염증성 침윤은 종종 폐 경직의 현저한 증가를 동반하며, 그 결과 폐포 환기와 이산화탄소 "세척" 속도가 감소하고 고탄산혈증이 발생합니다.

흉막 통증이 나타나면서 호흡 근육이 심하게 피로해지고 호흡 운동량이 제한되면서 점진적인 환기 장애와 고탄산혈증이 발생하기 쉽습니다.

반면, 환기성 호흡 부전과 고탄산혈증을 동반한 일부 제한성 질환에서는 조만간 기관지 개통 장애가 발생하고, 환기-관류 비율이 감소하며, 저산소증을 동반한 호흡 부전의 실질적 구성 요소가 합류합니다. 그럼에도 불구하고 어떤 경우든 호흡 부전의 주요 메커니즘을 평가하는 것이 중요합니다.

산-염기 불균형

다양한 형태의 호흡 부전은 산-염기 불균형을 동반할 수 있으며, 이는 급성 호흡 부전 환자에게 더 흔하게 나타나며, 장기간 지속된 만성 호흡 부전의 배경에서 발생하는 경우도 포함됩니다. 이러한 경우 비대상성 호흡성 또는 대사성 산증이나 호흡성 알칼리증이 가장 흔하게 발생하여 호흡 부전을 심각하게 악화시키고 심각한 합병증 발생에 기여합니다.

산-염기 균형 유지를 위한 메커니즘

산-염기 균형은 체내 수소 이온(H ⁺ )과 수산기 이온(OH ^- ) 농도의 비율입니다. 용액의 산성 또는 알칼리성 반응은 용액 내 수소 이온의 함량에 따라 달라지며, 이 함량을 나타내는 지표는 pH 값입니다. pH는 H ⁺ 이온의 몰 농도를 음의 소수 대수로 나타낸 값입니다.

PH = - [H ⁺ ].

예를 들어, 이는 pH = 7.4(환경의 중성 반응)에서 H ⁺ 이온, 즉 [H ^{+ ]의 농도가 10^-7.4} mmol/l 임을 의미 합니다. 생물학적 환경의 산성도가 증가하면 pH는 감소하고, 산성도가 감소하면 pH는 증가합니다.

PH 값은 가장 "단단한" 혈액 지표 중 하나입니다. pH의 변동은 일반적으로 7.35에서 7.45로 매우 미미합니다. 정상 수치에서 pH가 약간만 떨어져도 감소(산증) 또는 증가(알칼리증)하는 경우 산화-환원 과정, 효소 활성, 세포막 투과성, 그리고 기타 신체 기능에 심각한 변화를 초래하여 신체의 생명 활동에 위험한 결과를 초래할 수 있습니다.

수소 이온의 농도는 거의 전적으로 중탄산염과 이산화탄소의 비율에 의해 결정됩니다.

HCO3 ^- / H ₂ CO ₃

혈액 내 이러한 물질의 함량은 조직에서 폐로 이산화탄소(CO2 _{) 가 이동하는 과정과 밀접한 관련이 있습니다. 물리적으로 용해된 CO2는조직에서 적혈구로 확산되고, 적혈구에서 탄산탈수효소의 영향으로 분자(CO2)} 가 수화되어 탄산(H2CO3)을 형성하고 _, 이는 즉시 해리되어 중탄산수소(HCO3-) 이온 ⁽ H ⁺ )을 형성합니다.

CO ₂ + H ₂ O ← H ₂ CO ₃ ← NCO ^3- + H ⁺

^{적혈구에 축적된 HCO 3-} 이온의 일부는 농도 구배에 따라 혈장으로 이동합니다. 이 경우, HCO ^{3- 이온 대신 염소(Cl-} )가 적혈구로 유입되어 전하의 평형 분포가 교란됩니다.

이산화탄소의 해리로 형성된 H ⁺ 이온은 미오글로빈 분자에 부착됩니다. 마지막으로, 일부 CO2는 헤모글로빈의 단백질 성분의 아미노기에 직접 부착되어 카르밤산 잔류물(NHCOOH)을 형성할 _수 있습니다. 따라서 조직에서 흘러 나가는 혈액에서 CO2의 27%는 적혈구에서 중탄산염(HCO3- ⁾ 으로 운반되고, CO2의 11%는 헤모글로빈과 카르밤산 화합물(카르보헤모글로빈)을 _{형성하며, CO2의 약 12%는 용해된 형태 또는 해리되지 않은 탄산(H2CO3)의 형태로남아 있으며}, 나머지 CO2 ₍ 약 50%)는 혈장 ^에서 HCO3-로 용해됩니다.

^{일반적으로 혈장 내 중탄산염( HCO3-} ) 농도는 이산화탄소(H2CO3)보다 20배 높습니다. HCO3- ^와 H2CO3의 이 비율에서 정상 pH 7.4가 유지됩니다. 중탄산염이나 이산화탄소의 농도가 변하면 그 비율도 변하고 pH는 산성(산증) 또는 알칼리성(알칼리증) 쪽으로 이동합니다. 이러한 조건에서 pH를 정상화하려면 혈장뿐 아니라 다양한 장기와 조직에서 이전의 산과 염기 비율을 회복하는 여러 보상 조절 기전이 활성화되어야 합니다. 이러한 조절 기전 중 가장 중요한 것은 다음과 같습니다.

1. 혈액과 조직의 완충 시스템.
2. 폐환기의 변화.
3. 산염기 균형에 대한 신장의 조절 메커니즘.

혈액과 조직의 완충 시스템은 산과 짝염기로 구성됩니다.

산과 상호작용할 경우, 산은 완충액의 알칼리성 성분에 의해 중화되고, 염기와 접촉할 경우, 과잉의 염기는 산성 성분과 결합합니다.

중탄산염 완충액은 알칼리성 반응을 일으키며, 약탄산(H₂CO₃)과 그 나트륨염인 중탄산나트륨(NaHCO₃)이 짝염기 역할을 합니다. 중탄산염 완충액(TaHCO₃)이 산과 반응하면, 중탄산염 완충액의 알칼리성 성분(TaHCO₃)이 산을 중화시켜 H₂CO₃를 형성하고, 이는 CO₂ _와 H₂O 로 해리됩니다 _. 과량의 중탄산염은 호기를 통해 제거됩니다. 염기와 반응하면, 완충액의 산성 성분(H₂CO₃)이 과량의 염기와 결합하여 중탄산염(HCO₃- ⁾ 을 형성하고, 이는 신장을 통해 체외로 배출됩니다.

인산염 완충액은 산으로 작용하는 일염기성 인산나트륨(NaH2PO4)과 짝염기로 작용하는 이염기성 아인산나트륨(NaH2PO4)으로 구성됩니다. 이 완충액의 작용 원리는 중탄산염 완충액과 동일하지만, 혈액 내 인산염 함량이 낮기 때문에 완충 용량이 작습니다.

단백질 완충액. 혈장 단백질(알부민 등)과 적혈구 헤모글로빈의 완충 특성은 그 안에 포함된 아미노산이 산성(COOH)기와 염기성(NH2)기를 모두 포함하고 있으며 _, 매질의 반응에 따라 해리되어 수소 이온과 수산화 이온을 형성할 수 있다는 사실과 관련이 있습니다. 헤모글로빈은 단백질 시스템의 완충 용량의 대부분을 차지합니다. 생리적 pH 범위에서 옥시헤모글로빈은 디옥시헤모글로빈(환원된 헤모글로빈)보다 더 강한 산성을 띱니다. 따라서 조직에서 산소를 방출함으로써 환원된 헤모글로빈은 H ⁺ 이온과 결합하는 능력이 더 높아집니다. 폐에서 산소를 흡수하면 헤모글로빈은 산성을 띠게 됩니다.

혈액의 완충 특성은 약산의 모든 음이온성 그룹, 특히 중탄산염과 단백질의 음이온성 그룹("단백질산염")의 복합적인 효과에 의해 결정됩니다. 완충 효과를 갖는 이러한 음이온을 완충염기(BB)라고 합니다.

혈중 완충 염기의 총 농도는 약 18 mmol/l 미만이며 혈중 이산화탄소 압력 변화에 의존하지 않습니다 _{. 실제로혈중} 이산화탄소 압력이 증가하면 H ⁺ 와 HCO3- ^가 같은 양으로 생성됩니다. 단백질은 H ⁺ 이온과 결합하여 완충 성질을 가진 "자유" 단백질의 농도를 감소시킵니다. 동시에 중탄산염 함량도 같은 양만큼 증가하고 완충 염기의 총 농도는 동일하게 유지됩니다. 반대로 혈중 이산화탄소 압력이 감소하면 단백질 함량은 증가하고 중탄산염 농도는 감소합니다.

혈액 내 비휘발성 산(저산소증의 젖산, 당뇨병의 아세토아세트산, 베타-하이드록시뷰티르산 등)의 함량이 변하면 완충염기의 총 농도가 정상과 달라집니다.

완충염기 함량이 정상 수준(48mmol/l)에서 벗어나는 것을 염기 과잉(BE)이라고 하며, 일반적으로 0입니다. 완충염기 수가 병적으로 증가하면 BE는 양성이 되고, 감소하면 음성이 됩니다. 후자의 경우에는 "염기 결핍"이라는 용어를 사용하는 것이 더 정확합니다.

따라서 BE 지표를 사용하면 혈액 내 비휘발성 산의 함량이 변할 때 완충 염기의 "비축량"의 변화를 판단하고 산-염기 균형의 숨겨진(보상된) 변화도 진단할 수 있습니다.

폐환기 변화는 혈장 pH의 일정성을 보장하는 두 번째 조절 기전입니다. 혈액이 폐를 통과할 때 적혈구와 혈장에서는 위에서 설명한 것과 반대되는 반응이 일어납니다.

H ⁺ + HCO ^3- H2CO3 ↔ CO2+ H2O.

즉, 혈액에서 CO2가 제거되면 _거의 동일한 수의 H ⁺ 이온이 사라집니다. 결과적으로 호흡은 산-염기 균형 유지에 매우 중요한 역할을 합니다. 따라서 조직의 대사 장애로 인해 혈액의 산도가 증가하고 중등도의 대사성(비호흡성) 산증 상태가 발생하면 폐환기 강도(과환기)가 반사적으로 증가합니다(호흡 중추). 결과적으로 많은 양의 CO2와 그에 따른 수소 이온(H ⁺ )이 제거되어 pH가 원래 수준으로 돌아갑니다. 반대로 염기 함량이 증가하면(대사성 비호흡성 알칼리증) 환기 강도가 감소(저환기)하고 CO2 압력 _{과 H}⁺ 이온 농도가 증가하며 알칼리성 쪽으로의 pH 변화가 보상됩니다.

신장의 역할. 산-염기 균형의 세 번째 조절 기관은 신장으로, 체내에서 H ⁺ 이온을 제거하고 중탄산나트륨(NaHCO3)을 재흡수합니다. 이러한 중요한 과정들은 주로 신세뇨관에서 이루어집니다. 세 가지 주요 기전이 사용됩니다.

_{수소 이온 과} 나트륨 이온의 교환. 이 과정은 탄산탈수효소에 의해 활성화되는 반응, 즉 CO₂ + H₂O = H₂CO₃에 기반합니다. _생성 된 _{이산화탄소} ( _H₂CO₃ )는 H⁺와 HCO₃₃- 이온으로 해리됩니다 ^. 이 ^{이온들은 세뇨관 내강으로 방출되고, 그 자리에 동일한 양의 나트륨 이온(Na⁺)} 이 세뇨관액에서 유입됩니다. 결과적으로 체내에서 수소 이온이 제거되고, 동시에 신장의 간질 조직으로 재흡수되어 혈액으로 배출되는 중탄산나트륨(NaHCO₃)이 보충됩니다.

산생성. H + 이온과 Na ^{+ 이온의 교환은} 이염기성 인산의 참여와 유사한 방식으로 일어납니다. 세뇨관 내강으로 방출된 수소 이온은 HPO₄ ^2- 음이온과 결합하여 일염기성 인산나트륨(NaH₂PO₄)을 형성합니다. 동시에, 동일한 양의 Na ⁺ 이온이 세뇨관 상피세포로 들어가 HCO₄ 이온과 결합하여 ^중탄산 나트륨(NaHCO₄) 을 형성합니다 ^. 중탄산나트륨(NaHCO₄)은 재흡수되어 혈류로 유입됩니다.

암모니아 생성은 원위 신세뇨관에서 일어나며, 글루타민과 다른 아미노산으로부터 암모니아가 생성됩니다. 이 아미노산은 소변의 염산(HCl)을 중화시키고 수소 이온과 결합하여 Na ⁺ 와 Cl- ^{를 형성합니다. 재흡수된 나트륨은HCO3-} 이온 과 결합하여 중탄산나트륨(NaHCO3)을 형성합니다.

따라서 세뇨관 유체에서 세뇨관 상피에서 나오는 대부분의 H ^{+ 이온은 HCO3 -}, HPO 4 ^{2 -} 이온과 결합하여 소변으로 배출됩니다. 동시에, 동일한 양의 나트륨 이온이 세뇨관 세포로 유입되어 중탄산나트륨(NaHCO 3 )을 형성하고, 이는 세뇨관에서 재흡수되어 중탄산염 완충액의 알칼리성 성분을 보충합니다.

산-염기 균형의 주요 지표

임상에서 다음의 동맥혈액 매개변수는 산염기 균형을 평가하는 데 사용됩니다.

1. ^{혈액 pH는 H +} 이온 의 몰 농도를 음의 소수 대수로 나타낸 값입니다. 37°C에서 동맥혈(혈장) pH는 좁은 범위(7.35~7.45) 내에서 변동합니다. 정상 pH 값은 아직 산-염기 불균형이 없음을 의미하지 않으며, 소위 보상성 산증 및 알칼리증에서 나타날 수 있습니다.
2. PaCO2는 동맥혈 _내 이산화탄소 분압입니다. PaCO2의 정상치는 남성의 경우 _35~ 45mmHg, 여성의 경우 32~43mmHg _입니다.
3. 완충염기(BB)는 완충 특성을 가진 모든 혈액 음이온(주로 중탄산염과 단백질 이온)의 합입니다. 정상 BB 값은 평균 48.6mol/l(43.7~53.5mmol/l)입니다.
4. 표준 중탄산염(SB)은 혈장 중 중탄산염 이온의 함량입니다. 남성의 정상 수치는 22.5~26.9mmol/l, 여성의 정상 수치는 21.8~26.2mmol/l입니다. 이 지표는 단백질의 완충 효과를 반영하지 않습니다.
5. 염기 과잉(BE)은 완충액 염기 함량의 실제 값과 정상 값(정상 값은 -2.5~+2.5mmol/l)의 차이입니다. 모세혈관에서 이 지표의 값은 남성의 경우 -2.7~+2.5, 여성의 경우 -3.4~+1.4입니다.

임상에서는 일반적으로 산-염기 균형을 나타내는 3가지 지표, 즉 pH, PaCO2 _, BE를 사용합니다.

호흡부전에서의 산염기 균형의 변화

호흡 부전을 포함한 많은 병리적 상태에서는 혈액에 너무 많은 양의 산이나 염기가 축적되어 위에서 설명한 조절 메커니즘(혈액의 완충 시스템, 호흡 및 배설 시스템)이 더 이상 pH를 일정한 수준으로 유지할 수 없게 되고, 산증이나 알칼리증이 발생합니다.

1. 산증은 산-염기 균형이 깨져 혈액에 산이 절대적 또는 상대적으로 과도하게 존재하고 수소 이온 농도가 증가하는(pH < 7.35) 현상입니다.
2. 알칼리증은 염기의 수가 절대적으로 또는 상대적으로 증가하고 수소 이온 농도가 감소하는 현상(pH > 7.45)을 특징으로 합니다.

발생 메커니즘에 따르면 산염기 균형 장애는 4가지 유형으로 나뉘며, 각 유형은 보상되거나 보상되지 않을 수 있습니다.

1. 호흡성 산증
2. 호흡성 알칼리증
3. 비호흡기(대사성) 산증
4. 비호흡성(대사성) 알칼리증.

흡인성 산증

호흡성 산증은 심각한 폐환기 장애(폐포 저환기)와 함께 발생합니다. 이러한 산-염기 균형 변화의 원인은 동맥혈 CO₂분압(PaCO₂ ₎ 의 증가 _입니다.

보상성 호흡성 산증에서는 위에서 설명한 보상 기전의 작용으로 인해 혈액 pH가 변하지 않습니다. 이 중 가장 중요한 것은 6-탄산염 완충액과 단백질(헤모글로빈) 완충액, 그리고 H ⁺ 이온 방출과 중탄산나트륨(NaHCO3) 저류를 담당하는 신장 기전입니다.

고탄산성(환기) 호흡부전의 경우, 폐환기 증가(과환기) 및 호흡성 산증 시 H ⁺ 와 CO2 이온 제거 기전은 실질적인 의의가 없습니다. 이러한 환자는 정의상 심각한 폐 또는 폐외 병리로 인한 원발성 폐환기 저하를 보이기 때문입니다. 혈액 내 CO2 분압의 상당한 증가, 즉 고탄산혈증이 동반됩니다. 완충 시스템의 효과적인 작용, 특히 중탄산나트륨 저류라는 신장 보상 기전의 영향으로 인해 환자는 표준 중탄산염(SB)과 과잉 염기(BE) 함량을 보입니다.

따라서 보상성 호흡성 산증은 다음과 같은 특징을 갖습니다.

1. 정상적인 혈액 pH 값.
2. 혈액 _내 CO2 분압 (PaCO2 ₎ 이 증가합니다.
3. 표준 중탄산염(SB)의 증가.
4. 염기 초과(BE)가 증가합니다.

보상 기전의 고갈 및 불충분은 혈장 pH가 7.35 미만으로 감소하는 비대상성 호흡성 산증으로 이어집니다. 경우에 따라 표준 중탄산염(SB)과 염기 과잉(BE) 수치도 정상 수준으로 감소하여 염기 보유량이 고갈되었음을 나타냅니다.

호흡성 알칼리증

위에서는 일부 사례에서 실질성 호흡 부전이 온전한 폐포의 심한 보상성 과환기로 인한 저탄산혈증을 동반한다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 경우, 과환기형 외호흡 장애로 인한 이산화탄소 제거 증가로 인해 호흡성 알칼리증이 발생합니다. 결과적으로 HCO3 ^- / H2CO3 비율이 증가하고, 이에 따라 혈액 pH가 증가합니다.

호흡성 알칼리증에 대한 보상은 만성 호흡 부전이 있는 경우에만 가능합니다. 주요 기전은 수소 이온 분비 감소와 신세뇨관에서의 중탄산염 재흡수 억제입니다. 이는 표준 중탄산염(SB)의 보상적 감소와 염기 결핍(음의 BE 값)을 초래합니다.

따라서 보상성 호흡성 알칼리증은 다음과 같은 특징을 갖습니다.

1. 정상적인 혈액 pH 값.
2. 혈액 내 pCO2가 크게 감소했습니다.
3. 표준 중탄산염(SB)의 보상적 감소.
4. 보상성 기초 결핍(음의 BE 값).

호흡성 알칼리증의 대상 감소로 인해 혈액 pH가 상승하고, 이전에 낮았던 SB와 BE 값이 정상 값으로 돌아올 수 있습니다.

비호흡기(대사성) 산증

비호흡기성(대사성) 산증은 가장 심각한 형태의 산염기 불균형으로, 매우 심각한 호흡 부전, 심각한 혈액 저산소증, 그리고 장기 및 조직 저산소증이 있는 환자에게서 발생할 수 있습니다. 이 경우 비호흡기성(대사성) 산증 발생 기전은 혈액 내 소위 비휘발성 산(젖산, 베타-하이드록시부티르산, 아세토아세트산 등)의 축적과 관련이 있습니다. 심각한 호흡 부전 외에도 비호흡기성(대사성) 산증은 다음과 같은 원인으로 발생할 수 있습니다.

1. 당뇨병이 악화되어 조직 대사가 심각하게 장애되고, 장기간 기아 상태가 지속되고, 갑상선 중독증이 생기고, 발열이 생기고, 심각한 심부전을 겪으면서 장기가 저산소증에 시달리게 됩니다.
2. 신세뇨관의 심각한 손상으로 인해 수소 이온의 배출과 중탄산나트륨의 재흡수가 저하되는 신장 질환(신세뇨관 산증, 신부전 등)
3. 소화액과 함께 중탄산염 형태로 다량의 염기 손실(설사, 구토, 유문 협착, 수술적 처치). 특정 약물 복용(염화암모늄, 염화칼슘, 살리실산염, 탄산탈수효소 억제제 등).

보상성 비호흡성(대사성) 산증에서는 혈액의 중탄산염 완충액이 보상 과정에 관여하여 체내에 축적되는 산을 결합합니다. 중탄산나트륨 함량이 감소하면 탄산(H₂CO₃) 농도가 상대적으로 증가하고, 이는 H₂O와 CO₂로 해리됩니다. H⁺ ^{이온은 단백질, 특히 헤모글로빈에 결합하며, 이로 인해 Na⁺,} Ca₂ ⁺, K₂ ^가 적혈구에서 빠져나가는 대신 수소 양이온이 적혈구로 유입됩니다.

따라서 보상성 대사성 산증은 다음과 같은 특징을 갖습니다.

1. 정상적인 혈액 pH 수치.
2. 표준 중탄산염(SB)이 감소했습니다.
3. 완충염기 결핍(BE 값 음수).

설명된 보상 메커니즘의 고갈 및 부족은 비보상성 비호흡(대사성) 산증의 발병으로 이어지며, 이는 혈액 pH가 7.35 미만으로 감소하는 현상입니다.

비호흡성(대사성) 알칼리증

비호흡성(대사성) 알칼리증은 호흡부전에서 일반적이지 않습니다.

호흡부전의 기타 합병증

심각한 호흡 부전의 경우 혈액의 기체 구성, 산염기 균형의 변화, 폐 혈역학의 장애로 인해 뇌, 심장, 신장, 위장관, 혈관계 등 다른 장기와 시스템에 심각한 합병증이 발생합니다.

급성 호흡부전은 비교적 빠르게 진행되는 심각한 전신 합병증을 특징으로 하며, 이는 주로 장기와 조직의 심각한 저산소증으로 인해 대사 과정 및 기능 장애를 초래합니다. 급성 호흡부전과 함께 다발성 장기 부전이 발생하면 질병의 악화 위험이 크게 증가합니다. 아래는 호흡부전으로 인한 전신 합병증의 전체 목록과는 다소 차이가 있습니다.

1. 심장 및 혈관 합병증:
   • 심근 허혈
   • 심장 부정맥
   • 감소된 뇌졸중 양과 심장 출력량
   • 동맥 저혈압
   • 심부정맥 혈전증;
   • 텔라.
2. 신경근계 합병증:
   • 혼수상태, 졸음, 혼수상태;
   • 정신병;
   • 섬망 상태;
   • 중증 질환 다발신경병증
   • 수축;
   • 근육 약화.
3. 감염성 합병증:
   • 부패;
   • 농양;
   • 병원내 폐렴
   • 욕창;
   • 기타 감염.
4. 위장관 합병증:
   • 급성 위궤양
   • 위장관 출혈
   • 간 손상
   • 영양 실조;
   • 경장영양 및 비경구영양의 합병증
   • 무결석성 담낭염.
5. 신장 합병증:
   • 급성 신부전증
   • 전해질 장애 등

기관 내강에 삽관 튜브가 있거나 인공호흡기를 사용하는 경우 합병증이 발생할 가능성도 고려해야 합니다.

만성 호흡부전의 경우, 전신적 합병증의 심각성은 급성 호흡부전보다 현저히 낮으며, 1) 폐동맥 고혈압, 2) 만성 폐심장병이 발병하는 경우가 많습니다.

만성 호흡부전 환자의 폐동맥 고혈압은 여러 병인 기전의 작용으로 발생하며, 그중 주요 기전은 만성 폐포 저산소증으로, 저산소성 폐혈관 수축을 유발합니다. 이 기전은 오일러-릴리제스트레이드 반사(Euler-Liljestraid reflex)로 알려져 있습니다. 이 반사의 결과로 국소 폐 혈류는 폐환기 강도에 적응하여 환기-관류 관계가 교란되거나 약화되지 않습니다. 그러나 폐포 저환기가 광범위하게 나타나고 폐 조직의 넓은 영역으로 확산되면 폐세동맥의 긴장도가 전반적으로 증가하여 총 폐혈관 저항이 증가하고 폐동맥 고혈압이 발생합니다.

저산소성 폐혈관 수축은 고탄산혈증, 기관지 개통 장애, 그리고 내피세포 기능 장애에 의해 더욱 촉진됩니다. 폐혈관상의 해부학적 변화는 폐동맥 고혈압 발생에 특별한 역할을 합니다. 폐 조직의 점진적인 섬유화와 폐기종으로 인한 세동맥과 모세혈관의 압박 및 폐색, 중막 근육 세포의 비대증으로 인한 혈관벽의 비후, 만성 혈류 장애 및 혈소판 응집 증가로 인한 미세혈전증 발생, 폐동맥의 작은 분지의 재발성 혈전색전증 등이 그 예입니다.

만성 폐심장 질환은 모든 장기 폐 질환, 만성 호흡부전, 그리고 진행성 폐동맥 고혈압에서 자연적으로 발생합니다. 그러나 현대적 개념에 따르면, 만성 폐심장 질환의 장기적인 형성 과정은 우심방의 여러 구조적 및 기능적 변화 발생을 포함하며, 그중 가장 중요한 것은 우심실과 심방의 심근 비대, 심실 내강 확장, 심장 섬유화, 우심실의 이완기 및 수축기 기능 장애, 상대적 삼첨판 부전 형성, 중심 정맥압 상승, 그리고 체순환 정맥층의 울혈입니다. 이러한 변화는 만성 호흡부전에서 발생하는 폐동맥 고혈압의 형성, 우심실의 지속적 또는 일시적인 후부하 증가, 심근내압 상승, 그리고 조직 신경호르몬계의 활성화, 사이토카인 분비, 그리고 내피세포 기능 장애 발생에 기인합니다.

우심실 심부전 증상이 나타나거나 나타나지 않는지에 따라 보상성 만성 폐심장질환과 비보상성 만성 폐심장질환을 구분합니다.

급성 호흡부전은 전신 합병증(심장, 혈관, 신장, 신경, 위장관 등) 발생을 특징으로 하며, 이는 질병의 악화 위험을 크게 증가시킵니다. 만성 호흡부전은 폐동맥 고혈압과 만성 폐심장병이 점진적으로 진행되는 것을 특징으로 합니다.

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