인공호흡기 유발 폐 손상의 최신 개념
Current concepts of ventilator-induced lung injury
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Trans Abstract
Mechanical ventilation poses a risk of ventilator-induced lung injury (VILI) through mechanisms such as barotrauma, volutrauma, atelectotrauma, and biotrauma. Recent strategies aim to minimize these injuries by employing concepts like low tidal volume, driving pressure, and mechanical power. Driving pressure, which reflects lung strain, provides valuable insights into the pathophysiology of acute respiratory distress syndrome (ARDS). The tidal volume should be tailored to individual lung compliance in ARDS patients. Mechanical power, a measure of the energy delivered to the lungs per unit time, is independently associated with mortality, even after accounting for driving pressure. Emerging evidence suggests that the respiratory rate, alongside driving pressure, may play a critical role in lung injury. These concepts offer a more comprehensive framework for optimizing mechanical ventilation and reducing VILI.
서론
인공호흡기의 사용은 1928년 소아마비(poliomyelitis) 환자들에게 음압(negative pressure) 인공호흡기가 적용되면서 본격적으로 시작되었다. 당시 음압 인공호흡기는 부피가 크고 환자의 온몸을 감싸는 형태였기 때문에, 수술실 등에서는 일부 양압(positive pressure) 인공호흡기가 단기간 적용 목적으로 사용되었다. 그러나 1952년 코펜하겐(Copenhagen)에서 발생한 소아마비 대유행으로 인해 하루 수십 명의 신규 입원이 발생하였다. 이 기간 동안 약 3,000명의 소아마비 환자가 입원하였으며, 이 중 1,250명이 마비 증상을 보였다[1].
당시 제한된 수량의 iron lung (음압 인공호흡기)와 치료 공간으로 인해, 환자들에게 기관절개술을 시행한 후 의대생들이 손으로 양압 bagging을 수행하여 환기를 제공하였다. 이러한 조치로 사망률은 대유행 초기 87%에서 30%로 감소하였으며, 이는 양압 환기 장치의 장기적인 적용 가능성을 보여 주었다. 이후에는 양압 환기 방식이 인공호흡의 표준으로 자리 잡게 되었다[2]. 한편, 인공호흡기 적용이 폐 손상을 유발할 수 있다는 점은 초기부터 제기되었으며, 이를 설명하기 위한 다양한 이론이 제시되었다.
전통적인 인공호흡기 유발 폐 손상의 개념
전통적인 인공호흡기 유발 폐 손상의 기전으로 다음의 네 가지가 알려져 있다.
압력손상(Barotrauma)
압력이 폐 손상의 주요 원인이라는 개념을 말한다[3]. 1970년대에는 급성호흡곤란 환자에게 이산화탄소와 산소 농도를 정상으로 유지하는 것을 중요하게 여겼다. 일회 환기량을 20 mL/kg까지 설정하기도 했으며, 당시 권장 일회 환기량은 12–15 mL/kg 사이였다[4]. 충분한 용적을 유지하기 위해 volume-controlled mode가 적용되었으나, 과도한 압력이 가해지면서 폐포 단위 손상뿐 아니라 기흉(pneumothorax), 기종격(pneumomediastinum), 피하기종(subcutaneous emphysema), 공기색전(gas embolism)과 같은 합병증이 발생하였다[5].
용적손상(Volutrauma)
1988년, volutrauma 이론이 barotrauma에 도전하며 제시되었다. 동물실험에서 쥐의 흉곽을 압박하여 용적 증가를 제한하였을 때, 높은 압력에도 불구하고 폐 손상이 발생하지 않는다는 사실이 관찰되었다. 이를 통해 폐 손상에 영향을 미치는 주요 인자는 압력이 아닌 과도한 용적임을 제시하였다[6]. 그러나 이는 마치 트럼펫 연주자가 연주를 위해 기도에 강한 압력을 주지만 흉곽의 근육을 이용하여 강한 압력을 주어 용적의 과팽창을 막은 것과 유사한 상황이다. 잠수부가 높은 수압 환경에서 호흡기를 통해 높은 압력의 공기를 호흡하더라도 폐 손상이 없는 것도 이와 같은 transpulmonary pressure의 개념으로 설명된다.
무기폐손상(Atelectotrauma)
반복적인 폐의 개폐가 손상을 준다는 개념이다[7]. 1997년 동물실험에서 반복적으로 무기폐와 팽창이 반복될 때 염증성 사이토카인이 급격이 증가함을 확인하였다.
생물학적손상(Biotrauma)
조직 손상에 의한 생물학적 반응이 폐 손상 및 다기관 장기 부전을 유발한다는 기전이다[8].
Volutraum는 1980년대 컴퓨터단층촬영술(computed tomography [CT])의 도입과 함께 더욱 주목을 받게 되었다. CT 연구에서 급성호흡곤란증후군 환자의 폐는 균질하지 않았으며, 환기가 되는 부위와 허탈 된 부위로 나뉜다는 사실이 밝혀졌다[9]. “Baby lung” 모델은 환기할 수 있는 폐 부피가 줄어들어 5–6세 유아의 폐 크기와 유사한 상태를 가리키며, 이는 폐가 뻣뻣한 것이 아니라 작은 것이라는 개념의 전환이 제시되었다[10]. 임상 연구에서 6 mL/kg의 낮은 일회 환기량이 12 mL/보다 생존율을 향상시킨다는 사실이 밝혀지며, 낮은 일회호흡량 전략은 급성호흡곤란증후군 치료의 표준으로 자리 잡게 되었다[11].
급성호흡곤란증후군에서 추진압(Driving pressure)과 변형(Strain)의 관계
낮은 일회환기용량이 급성호흡곤란증후군 환자의 생존율을 향상시키는 효과는 유순도(compliance)가 낮은 환자군에서 더욱 뚜렷하게 나타났다[11]. 반면, 유순도가 상대적으로 높은 군에서는 생존율 차이가 크지 않았는데, 이는 “driving pressure”라는 개념의 배경이 되는 stress와 strain이라는 물리학 이론으로 잘 설명이 된다. 물리학에서 stress는 단위 면적당 가해지는 힘을 의미하며, strain은 stress에 의해 물체가 그 원형에서 변형되는 비율을 의미한다. Stress와 strain은 일정 범위에서 선형의 관계를 유지하며, 이후 선형성을 잃고, 항복점(yield point)을 넘어가면서 가소성(plasticity)을 잃게 된다[12]. 폐의 strain은 폐가 원래 크기에서 얼마나 변형되었는지를 나타내며, 변형이 크면 영구적인 폐 손상을 초래할 수 있다. 이는 폐의 fibrous skeleton이 항복점을 넘어 구조적으로 손상되는 stress-strain 모델을 통해 설명된다[10].
폐에 가해지는 단위 면적당 힘(stress)은 transpulmonary pressure로 나타낼 수 있으며, strain은 변화 용적을 일회호흡량(tidal volume [Vt])으로 초기 용적을 기능잔기용량(functional residual capacity [FRC])으로 정의하여 아래와 같이 표현된다[13].
급성호흡곤란증후군 환자에서 시행된 CT 연구는 폐의 유순도는 공기가 통하고 있는 정상적인 폐 조직의 양과 밀접히 연관됨을 보여주었다. 이는 유순도가 증가할수록 폐의 FRC도 증가하는 것을 의미한다[9]. 따라서 FRC를 호흡기계의 유순도로 대체할 수 있으며, 아래와 같은 비례 관계를 도출할 수 있다[14].
결론적으로, 급성호흡곤란증후군 환자에서 폐의 변형(strain)은 추진압(driving pressure)에 비례하는데, 추진압은 편평압(plateau pressure [Pplat])에서 호기말양압(positive end expiratory pressure [PEEP])을 뺀 값(ΔP)으로 측정할 수 있다. Amato 등[15]은 2015년 급성호흡곤란증후군 환자에게 driving pressure의 개념을 도입한 연구를 보고하였다. 기존의 자료를 재분석한 이 연구에서, driving pressure는 일회호흡량을 정적 유순도로(static compliance)로 나눈 값으로 정의되었으며, driving pressure가 증가할수록 사망률도 중가한다는 점을 보였다. 반대로 peak airway pressure가 증가해도 driving pressure가 동일하면 사망률 역시 동일함을 보였다. 이와 다르게 일회호흡량을 예측 체중으로 나눈 값은 사망률과 관계성이 없었다. 특히 driving pressure가 15 cm H2O 이상일 때 사망률이 높아지고, 기흉과 같은 barotrauma의 빈도가 증가함을 보였다.
Strain이 높을 수록 영구적 폐 손상 및 사망에 기여한다는 이론은 낮은 일회 환기량(Vt <6 mL/kg)이 생존을 향상시키는 정도가 폐유순도에 따라 차이가 나는 이유를 설명해 준다. 유순도가 높은 폐는 FRC가 크기 때문에 동일한 일회홉량에서도 낮은 strain을 받게된다. 1 cm의 고무줄이 1 cm이 더 늘어나는 것과 100 cm의 고무줄이 1 cm 늘어나는 것은 줄 전체에 미치는 영향이 다를 것이다. 다른 연구에서도 유순도가 높은 경우 낮은 일회호흡량의 생존효과가 없었으나, 유순도가 감소함에 따라 그 효과가 증가하는 것으로 나타났다[16].
그러나 driving pressure가 폐의 strain을 완전히 대변하지 못하는 몇 가지 제약점이 존재한다. Driving pressure는 (4)의 식과 같이 폐에 가해지는 압력과 흉벽에 가해지는 압력의 합으로 표현된다.
만약 환자의 흉벽의 유순도가 크게 감소하면(즉, 흉벽이 뻣뻣해지면), 흉벽에 가해지는 압력이 증가하고 폐조직에 실제로 가해지는 driving pressure는 감소할 수 있다. 이런 현상은 임상에서 과체중, 흉수, 복압 상승(장팽창, 복수, 혈액복강)에서 흔히 나타난다[17]. 반대로, 2세 이하의 영아에서 흉벽의 유순도는 성인에 비해 3배 이상 높다[18]. 따라서 2세 이하의 영아에서 동일한 driving pressure를 가하였을 때 폐에 가해지는 압력이 높아질 가능성이 있다. 임상적인 연구가 없는 상태에서 성인 연구에서 제시된 15 cm H2O를 이 연령에 적용하는 것은 주의가 필요하다. 또한, 소아에서 많이 사용하는 압력조절 모드의 인공호흡에서는 peak inspiratory pressure (PIP)를 측정하지만, PIP는 동적(dynamic) driving pressure로 기도 저항이 높은 경우 plateau pressure와의 큰 차이가 발생할 수 있다[19]. 또 다른 제한점은 정적 유순도로 측정한 값은 단면적 지표로서, 지속적이고 반복적인 에너지의 전달의 영향을 반영하지 못한다. 동일한 strain을 한 번 받는 경우와 반복적으로 받는 경우 손상의 정도가 다를 수 있다.
기계적 출력(Mechanical power)
폐에 가해지는 기계적 자극은 폐에 직접 손상을 주기도 하지만 세포 내 생화학적 혹은 분자 신호를 자극할 수 있다. Mechanical power는 인공호흡기에서 단위 시간당 전달되는 에너지 혹은 power의 합이라 볼 수 있다. 물리학에서 위치 에너지에 해당하는 것이 호기말양압 같은 정적인 에너지이며, 운동 에너지에 해당하는 것이 유체 저항 혹은 탄성력과 같은 동적인 에너지라 할 수 있다.
급성호흡곤란증후군 연구에서 driving pressure를 보정하였을 때도 mechanical power의 증가가 사망률과 독립적으로 상관이 있음을 보였다[20]. Mechanical power를 구하는 공식은 여러 가지로 제시되었고, 단순화된 공식 또한 제공되었다[21]. 한 연구에서는 복잡한 mechanical power의 공식에서 호흡수와 driving pressure 두 가지가 가장 중요한 변수로 독립적인 사망의 위험임을 보였다. 이에 따라 (5)의 복잡한 mechanical power의 공식을 아래 (6)과 같이 단순하게 바꾸어 사망 연관성을 평가하였을 때, 원래 식의 mechanical power보다 높은 사망 연관성을 보였다. 따라서 정적 에너지에 해당하는 다른 항목에 비해 누적되는 에너지를 반영하는 호흡수의 중요성이 관찰된다. TV는 tidal volume (일회 환기량), Ers는 respiratory system elastance (호흡기계 탄성), Raw는 airway resistance (기도 저항), F는 flow (유량), RR은 respiratory rate (호흡수)로 정의하여 아래와 같이 표현된다.
이 연구에서는 급성호흡곤란증후군 환자의 driving pressure가 15 cm H2O 이상일 때는 driving pressure를 낮추는 것이 우선이며, 15 cm H2O 이하로 충분히 낮은 경우에는 호흡수를 낮추는 것을 권장하고 있다.
결론
인공호흡기는 생존율을 향상시켜주는 기계장치이지만, 그 적용에 따라 폐 손상을 일으킬 수 있으며 사망률을 증가시킬 수 있는 장치이다. 전통적으로 barotrauma, volutrauma, atelectotrauma, biotrauma 등 다양한 이론이 폐 손상의 기전으로 제시되어왔다. 최근 제시된 driving pressure 모델은 급성호흡곤란증후군 환자의 폐 상태에 대한 이해의 폭을 넓히고 있다. 또한 폐에 전달되는 에너지인 mechanical power에 의한 독립적인 폐 손상 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 향후 지속적으로 발전된 폐 손상의 모델이 제시되어 기계환기에 의한 폐 손상을 줄이는데 기여할 것으로 보인다.
Notes
CONFLICT OF INTEREST
Joongbum Cho is an editorial board member of the journal but was not involved in the peer reviewer selection, evaluation, or decision process of this article. No other potential conflict of interest relevant to this article was reported.
AUTHOR CONTRIBUTIONS
All the work was done by Joongbum Cho.