폐: 숨쉬기의 역학

숨은 압력 차이로 들어온다

공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 숨을 들이쉬려면 폐 안의 압력이 바깥 대기보다 조금 낮아져야 하고, 내쉬려면 조금 높아져야 한다. 그 차이는 놀랄 만큼 작다. 조용히 숨 쉴 때 폐 속 압력은 대기압보다 약 1 cmH₂O(물기둥 1 cm, 대기압의 1,000분의 1)만 오르내린다.

폐는 흉막(Pleura)이라는 얇은 두 겹의 막에 싸여 가슴벽 안쪽에 붙어 있다. 두 막 사이의 좁은 틈, 흉막강(Pleural space)에는 몇 mL의 액체만 있다. 폐는 늘 안쪽으로 쪼그라들려 하고 가슴벽은 바깥으로 벌어지려 하므로, 둘 사이의 흉막강은 대기보다 낮은 음압(약 −5 cmH₂O)을 띤다. 이 음압이 폐를 가슴벽에 붙들어 둔다.

숨을 들이쉬는 주인공은 횡격막(Diaphragm)이다. 돔 모양의 근육이 수축해 1~2 cm 내려가면 가슴 속 공간이 넓어지고, 흉막강 압력이 −5에서 −7~−8 cmH₂O로 더 낮아진다. 폐가 따라 늘어나며 폐포 압력이 대기보다 약 1 cmH₂O 낮아지고, 그 작은 차이로 공기가 들어온다. 조용히 내쉬는 것은 근육이 하는 일이 아니다. 횡격막이 풀리면 늘어난 폐가 고무풍선처럼 스스로 오그라들며 공기를 밀어낸다.

아래 시뮬레이터에서 숨 한 번이 흘러가는 동안 흉막강 압력, 폐포 압력, 공기 흐름, 부피를 함께 보자. 폐를 뻣뻣하게 하거나 기도를 좁혀 보면 같은 힘으로 들어오는 공기가 어떻게 달라지는지 보인다.

폐포 압력이 0으로 돌아오는 순간이 흡기와 호기가 바뀌는 순간이다. 이때 흐름이 0이고 부피는 가장 크다. 흉막강 압력은 숨 쉬는 내내 음압이다. 폐가 언제나 조금은 늘어나 있어서 안으로 당기는 힘이 남아 있기 때문이다. 이 음압이 사라지면 어떤 일이 생기는지는 이 장 끝의 기흉에서 본다.

폐 부피: 폐활량계가 그리는 지도

폐에 담긴 공기의 양은 숨을 얼마나 깊이 쉬느냐에 따라 여러 층으로 나뉜다. 조용히 한 번 들이쉬고 내쉬는 양이 1회 호흡량(Tidal volume, VT)으로 약 0.5 L다. 최대한 들이쉰 뒤 최대한 내쉰 양이 폐활량(Vital capacity, VC)이고, 그래도 폐에 남는 공기가 잔기량(Residual volume, RV)이다. 조용히 내쉬고 쉬는 순간 폐에 남은 공기가 기능적 잔기량(Functional residual capacity, FRC)으로, 앞 그림에서 폐와 가슴벽의 힘이 맞서는 지점이다.

폐 부피는 키가 클수록 크고, 나이가 들면 폐활량은 줄고 잔기량은 는다. 아래에서 키·나이·성별을 넣으면 예측식(유럽 호흡기 학회 1993)으로 계산한 부피가 막대로 나타나고, 왼쪽에서는 폐활량계의 펜이 조용한 숨 → 최대 흡기 → 최대 호기를 그린다.

"용량"(capacity)은 두 개 이상의 "부피"(volume)를 더한 것이다. 폐활량 = 들숨 예비량 + 1회 호흡량 + 날숨 예비량, 총폐용량 = 폐활량 + 잔기량. 잔기량이 있다는 것은 다행한 일이다. 폐가 완전히 비지 않으므로 숨을 내쉬는 동안에도 폐포의 공기가 혈액과 가스를 계속 주고받아, 피의 산소가 숨결마다 출렁이지 않는다.

힘껏 내쉬기: 1초 강제 호기량

폐 기능 검사에서 가장 흔히 하는 것은 최대한 들이쉰 뒤 있는 힘껏 빨리 내쉬는 검사다. 이때 내쉰 전체 양이 강제 폐활량(Forced vital capacity, FVC), 처음 1초 동안 내쉰 양이 1초 강제 호기량(Forced expiratory volume in 1 s, FEV1)이다. 건강한 폐는 1초 만에 폐활량의 약 80 %를 내보낸다.

두 숫자의 비율 FEV1/FVC가 장애의 종류를 가른다. 기도가 좁아지는 폐쇄성 장애(Obstructive)(천식, 만성 폐쇄성 폐질환)에서는 공기가 천천히 빠져 FEV1이 크게 줄고 비율이 0.70 아래로 떨어진다. 폐가 뻣뻣해 덜 부푸는 제한성 장애(Restrictive)(폐섬유화, 심한 비만, 흉곽 변형)에서는 FVC 자체가 작아지지만 빠져나가는 속도는 오히려 빨라 비율은 정상이거나 높다.

흐름-부피 고리는 검사지 한 장에서 많은 것을 알려 준다. 날숨 쪽(위)은 처음 0.1초 만에 최고 유량에 닿은 뒤 거의 직선으로 내려간다. 흥미롭게도 이 내려가는 부분은 아무리 더 세게 불어도 빨라지지 않는다. 세게 불수록 가슴 속 압력이 기도를 바깥에서 눌러 좁히기 때문이다(동적 기도 압박(Dynamic airway compression)). 그래서 이 곡선은 노력보다 기도와 폐 자체의 성질을 드러낸다.

이 장의 수치와 시뮬레이터는 원리를 보여 주기 위한 교육용 모델입니다. 폐쇄성 장애를 가르는 기준(FEV1/FVC 0.70 고정값 또는 나이별 정상 하한)은 학회와 시기에 따라 다릅니다. 숨가쁨, 오래가는 기침, 쌕쌕거림 같은 증상이 있거나 검사 결과가 걱정되면 의료진과 상담하세요.

폐의 탄성: 압력-부피 곡선

폐를 꺼내 기관에 관을 꽂고 압력을 조금씩 올리며 부피를 재면 S자 곡선이 나온다. 곡선의 기울기, 즉 압력 1 cmH₂O당 늘어나는 부피가 폐 탄성도(Compliance)다. 기울기가 클수록 잘 늘어나는 폐이고, 작을수록 뻣뻣한 폐다.

이 곡선에는 두 가지 수수께끼가 있다. 첫째, 부풀릴 때와 오그라들 때 곡선이 다르다(히스테리시스(Hysteresis)). 같은 압력에서 내쉴 때 부피가 더 크다. 둘째, 폐를 공기 대신 생리식염수로 채우면 훨씬 작은 압력으로 부푼다. 두 현상 모두 폐포 안쪽 벽의 얇은 물층이 만드는 표면장력 때문이다. 아래에서 곡선 위의 점을 끌어 기울기를 재 보자.

공기로 채운 폐가 식염수 폐보다 몇 배 더 뻣뻣하다는 것은, 폐가 안으로 오그라드는 힘의 절반 이상이 조직의 탄성 섬유가 아니라 표면장력에서 나온다는 뜻이다. 폐섬유화처럼 조직이 굳으면 곡선 전체가 눕고(탄성도 감소), 폐기종처럼 탄성 섬유가 부서지면 곡선이 가팔라진다(탄성도 증가). 폐기종의 폐는 잘 부풀지만 스스로 오그라드는 힘이 약해 내쉬기가 어렵다.

표면장력과 표면활성제

폐에는 지름 0.2 mm 남짓한 공기주머니인 폐포(Alveolus)가 약 3~5억 개 있다. 폐포 안쪽은 얇은 물층으로 덮여 있고, 물 분자끼리 당기는 표면장력이 폐포를 오그라뜨리려 한다. 비눗방울이 그렇듯 작은 구 안의 압력은 반지름에 반비례한다. 이것이 라플라스 법칙(Law of Laplace)이다.

문제는 크기가 다른 폐포가 이웃해 있을 때다. 표면장력이 같다면 작은 폐포의 압력이 더 높으므로, 작은 폐포의 공기가 큰 폐포로 빠져나가고 작은 폐포는 결국 찌그러져 버린다. 실제 폐는 그렇게 되지 않는다. 폐포 벽의 2형 세포가 만드는 표면활성제(Surfactant)가 표면장력을 낮추는데, 폐포가 작아질수록 분자가 빽빽해져 더 많이 낮춘다. 아래에서 직접 확인해 보자.

표면활성제는 임신 24~28주 무렵부터 만들어지기 시작해 35주쯤 충분해진다. 그보다 일찍 태어난 아기는 폐포가 숨 쉴 때마다 찌그러지려 해서 숨쉬기가 매우 힘들다. 이것이 신생아 호흡 곤란 증후군(Neonatal respiratory distress syndrome)이고, 인공 표면활성제를 기관에 넣어 주는 치료가 미숙아의 생존율을 크게 높였다. 표면활성제는 또 폐포 벽의 물을 덜 끌어당겨 폐에 물이 차는 것도 막는다.

기도의 저항: 반지름의 네제곱

들이쉰 공기는 기관에서 시작해 둘씩 갈라지기를 약 23번 되풀이한 끝에 폐포에 닿는다. 앞쪽 16세대는 공기를 나르기만 하는 관(전도 구역(Conducting zone))이고, 그 뒤가 가스 교환이 일어나는 호흡 구역(Respiratory zone)이다. 갈라질수록 가지 하나는 가늘어지지만 가지 수가 두 배씩 늘어 전체 단면적은 폭발적으로 커진다.

관의 저항은 반지름의 네제곱에 반비례한다(푸아죄유 법칙, 6장). 반지름이 절반이 되면 저항은 16배가 된다. 의외로 기도 저항의 대부분은 가는 세기관지가 아니라 중간 크기 기관지에 있다. 가는 관은 수가 엄청나게 많아 병렬로 합쳐지기 때문이다. 천식 발작에서는 기관지 벽의 민무늬근이 조이고 점막이 붓고 점액이 쌓여 이 중간 기도가 좁아진다. 아래에서 기관지 단면의 안쪽 벽을 끌어 좁혀 보자.

저항이 늘면 같은 공기를 옮기는 데 더 큰 압력이 필요하고, 그 압력을 만드는 것은 호흡 근육이다. 천식 발작이 숨이 막히는 느낌과 함께 몹시 지치게 하는 이유다. 특히 내쉴 때가 더 힘들다. 들이쉴 때는 가슴 속 음압이 기도를 바깥으로 당겨 벌려 주지만, 내쉴 때는 오히려 눌러 좁히기 때문이다. 좁아진 기도를 빠르게 지나는 공기는 소용돌이치며 쌕쌕거리는 소리(천명(Wheeze))를 낸다.

사강: 들이쉰 공기가 다 쓰이지는 않는다

숨을 들이쉬면 맨 먼저 폐포에 닿는 공기는 방금 들이쉰 새 공기가 아니다. 직전 날숨 끝에 기관과 기관지에 남아 있던, 이미 한 번 쓰인 공기다. 새 공기의 마지막 약 150 mL는 반대로 기관과 기관지에 머물다 다음 날숨에 그대로 나간다. 이렇게 가스 교환에 쓰이지 못하는 부피가 사강(Dead space)이다(대략 몸무게 1 kg당 2 mL, 몸무게를 파운드로 나타낸 수와 같은 mL라는 어림셈도 있다).

사강은 숨마다 똑같이 빼야 하는 몫이다. 그러므로 같은 분당 환기량이라도 얕고 빠르게 쉬면 손해가 커진다. 아래에서 분당 환기량을 고정한 채 호흡수만 바꿔 보자. 왼쪽 그림의 관이 사강이고, 들이쉬는 동안 새 공기(빨강)의 앞머리가 관을 지나 폐포에 닿는지 본다.

얕고 빠른 숨은 사강에서 손해를 보고, 깊고 느린 숨은 폐를 크게 늘리느라 탄성에 맞서는 일이 늘어난다. 그래서 쉬는 사람은 1분에 12~16번쯤, 둘 사이의 알맞은 지점에서 숨을 쉰다. 폐가 뻣뻣한 사람(폐섬유화)이 얕고 빠르게, 기도가 좁은 사람(만성 폐쇄성 폐질환)이 깊고 느리게 숨 쉬는 경향이 있는 것도 같은 저울질의 결과다.

흉막의 음압이 사라지면: 기흉

폐는 늘 쪼그라들려 하고 가슴벽은 늘 벌어지려 한다. 두 힘이 맞서는 동안 흉막강은 음압으로 둘을 붙들고 있다. 그런데 사고로 가슴벽에 구멍이 나거나, 폐 표면의 작은 공기주머니가 터져 흉막강에 공기가 들어가면 어떻게 될까. 음압이 사라지고, 두 용수철은 서로를 놓고 각자 쉬는 모양으로 돌아간다. 이것이 기흉(Pneumothorax)이다.

키가 크고 마른 젊은 사람에게 이유 없이 생기는 기흉(자발성 기흉)은 폐 꼭대기의 작은 공기주머니가 터져 생기는 경우가 많다. 더 위험한 것은 구멍이 판막처럼 작동해 숨 쉴 때마다 공기가 들어가기만 하고 나가지 못하는 긴장성 기흉(Tension pneumothorax)이다. 흉막강 압력이 대기보다 높아져 폐를 완전히 누르고 심장으로 돌아오는 정맥까지 눌러, 응급으로 공기를 빼야 한다.

다온의 숨: 쉴 때와 달릴 때

예측식으로 본 다온의 폐는 평범하다. 키 175 cm, 34세 남성의 예측 폐활량은 약 5.07 L, 강제 호기를 그대로 적용하면 FEV1 약 4.07 L, 비율 0.80이다. 쉴 때 다온은 1분에 약 6.8 L를 들이쉰다. 대회 속도(최대 산소 섭취량의 약 79 %)로 달리면 분당 환기량이 약 67 L/min, 열 배 가까이로 는다. 몸은 이 늘어난 환기를 1회 호흡량과 호흡수로 어떻게 나눌까.

아래 시뮬레이터에서 운동 강도를 올려 보자. "자연스럽게"는 사람의 실제 경향(1회 호흡량이 폐활량의 절반쯤까지 먼저 늘고, 그 뒤로는 호흡수가 는다)을 따른 것이다. 같은 분당 환기량을 "얕고 빠르게"나 "깊고 느리게" 나누면 폐포 환기와 호흡 근육의 일이 어떻게 달라지는지 비교한다.