폐기능검사


목차

폐기능검사란?

환자의 폐기능을 정확히 평가하고 호흡기 질환의 진단과 중등도 판정, 그리고 경과 관찰 및 치료를 판정하는 데 사용하는 중요한 검사이다.

 

폐기능 검사는 폐의 Ventilatory function을 보는 것으로 2가지 방법으로 측정한다.

  • Static condition: 특정 상태에서 폐 안에 들어있는 가스의 부피 → 각종 폐용적
  • Dynamic condition: 폐에서 가스를 배출하는 비율/속도 → FEV1 등


폐기능검사의 종류

  • 폐활량측정법 ≒ 폐기능검사 
  • 기관지확장제 가역성검사(bronchodilator reversible test)
  • 폐확산능(dffusion capacity)
  • 폐용적(lung volume)
  • 심폐운동검사(cardiopulmonary exercise test)
  • 기타 등등

 

폐기능검사의 구성

기본 검사

특수 검사

  1. Exhaled volume and flow states: spirometry
  2. lung volumes: plethysmograhpy
  3. Diffusion characteristics: diffusion capacity
  4. Airway reactivity: bronchodilator response or methacholine challenge
  5. Oxygenation/Ventilation: pulse oximetry or arterial blood gas analysis
  1. Respiratory muscle strength: inspiratory and expiratory pressures(MIPs, MEPs)
  2. 6-min walk test
  3. Heart-lung interaction: integrated cardiopulmonary exercise testing
  4. Novel assays of exhaled gas

 



페용적(lung volume)

※ TLC = IC(= IRV + TV) + FRC(= ERV + RV) 

 = VC + RV

 = (ERV + IC) + RV

 

용어

해설

일회호흡량(TV, tidal volume)

  • 각 정상 호흡에서 흡입한 혹은 배출한 공기의 량이다. 

흡기 예비기량(IRV, inspiratory reserve volume)

  • TV 이후 더 흡입할 수 있는 공기의 양

호기 예비기량(ERV, expiratory reserve volume)

  • TV 이후 더 내쉴 수 있는 공기의 양

흡기 용량(IC, Inspiratory capacity)

  • TV에 더해 인위적으로 끝까지 숨을 들이마실 수 있는 용량(TV+IRV)

잔기량(RV, residual volume)

  • 최대 호기 후 폐에 남아있는 공기의 양, 폐활량측정기로 측정할 수 없다. 

기능성 잔기용량(FRC, functional residual capacity)

  • FRC = ERV + RV
  • TV을 내쉰 후 폐에 남아 있는 용적

폐활량(VC, vital capacity) 혹은 노력성폐활량(FVC, forced vital capacity)

  • FVC = 호흡용적(TV, tidal volume) + 흡기예비용적(IRV, inspiratory reserve volume) + 호기예비용적(ERV, expiratory reserve volume)
  • 최대한의 흡기 후 강제로 내뿜을 수 있는 공기의 용적을 의미

전폐용량(TLV, total lung capacity)

  • 최대 흡기시 폐에 있는 모든 공기의 총합인데, 4 가지 폐용적의 총합이 된다. 

1초간 강행성 호기용적(FEV1, forced expiratory volume 1)

  • 강제로 최대한의 속도로 호기할 경우 1초간에 내뿜을 수 있는 공기의 용적을 의미

① TLC, FRC, RV: Spirometry만으로는 측정 불가능   → 헬륨 희석법(helium dilution), 체적변동기록법(body plethysmography)로 측정

 

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폐용적(lung volume) 측정방법

  • 기능적 잔기량(FRC, functional residual capacity)에 의해 결정되는데, 다음 3 가지 다른 방법으로 측정할 수 있다.
  1. 질소 세척법(nitrogen washout)
  2. 헬륨 희석법(helium dilution)
  3. 신체용적 변동기록법(body plethysmography)
  • 질소 및 헬륨은 안정된 기체이므로 폐포의 혈액과 폐 조직에 잘 용해되지 않아서 용적 측정에 방해를 주지 않는다. 
  • 질소 세척법 검사
    • 환자는 순수한 산소를 흡입하면서 모든 호기 질소를 모아 측정한다. 
    • 측정 시작 당시의 질소-함유 기체의 용적은 초기 질소 농도와 폐로부터 세척되어 나온 질소의 총량으로부터 계산될 수 있다. 
  • 헬륨 희석법
    • 원리는 유사하지만, 환자는 평형상태에 도달할 때까지 헬륨이 섞인 공기를 지속적으로 흡입하게 된다. 
    • 헬륨의 용적과 농도를 알고 있으므로, 마지막 평형상태에 도달한 농도를 알면, 측정 초기의 폐에 있던 공기의 용적을 알 수 있다. 

 

두 가지 검사 모두 측정 장비에서의 공기누설에 민감하며 공기의 이동이 나쁜 부분(예: 폐 기포 lung bullae)의 측정이 불가능하다.


직접 측정할 수 있는 지표

직접 측정할 수 없는 지표

  1. 폐활량(Vital capacity : VC)
  2. 1회 호흡량(Tidal volume : TV)
  3. 예비 들숨량(흡기량, Inspiratory reserve volume : IRV)
  4. 예비 날숨량(호기량, Expiratory reserve volume : ERV)
  5. 최대 들숨량(흡기량, Inspiratory capacity : IC)
  1. 잔기량(RV)
  2. 전폐기량(TLC): VC + RV

3. 기능적 잔기량(FRC): ERV + RV

 

직접 측정이 불가능한 지표들의 공통점은 구성성분으로 잔기량을 포함하는 점입니다. 잔기량은 최대한 숨을 내쉬어도, 아직 폐나 기도 속에 남아있는 공기량을 말합니다. 잔기량은 감소하는 것보다는 증가하는 쪽이 문제인데 숨을 내쉬기 힘들어지면 잔기량이 증가하기 때문입니다. 잔기량은 spirometer로 직접 측정은 불가능하지만 가스희석법으로 측정가능합니다.

 



폐활량(spirometry) 검사

얻을 수 있는 정보

Volume time curve(spirogram)

유량-용적 곡선(flow-volume loops)

 이미지

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  • 노력성 호기 곡선(Forced Expiratory Volume-Time Curve)
  • TLC까지 숨을 들이마신 후 RV까지 힘껏 숨을 내쉬는 동안의 airflow를 측정해서 얻은 그래프
  • 폐기능 측정 다양한 호흡 활동 동안의 시간경과에 따른 호기 및 흡기된 공기의 용적을 그래프로 표시한다. 
  • FEV1
  • FVC
  • FEV1/FVC
  • FEF 25-75%
  • PEFR
  • peak flow
  • FVC
  • FEF 25-75%
  • MEF 75, 50, 25
  • inspiratory flow data

 

폐활량측정법(spirometry)

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노력성 호기곡선에서 측정하는 3가지 주요 지표는 FEV1, FVC, FEF 25-75%입니다. FEV1, FVC를 이용해서 추가적으로  중요한 지표인 FEV1/FVC 수치를 산출할 수 있습니다. 

 

주요 폐활량 지표

FVC(Forced Vital Capacity, 노력성 폐활량)

  • 정의: 호기의 총 용적
  • 의미: < 80%이면 제한성 폐질환의 양상

   ※ 제한성 폐질환에서는 폐 용적 자체가 줄어들기 때문에 내쉴 수 있는 공기의 용적이 감소

 

FEV1(Forced Expiratory Volume in 1 sec, 1초간 노력성 호기량)

  • 정의: 호기 시작 후 첫 1초 동안 내쉰 공기의 용적
  • 의미 
    • 환자의 노력 정도에 따라 변화가 심함(effort dependent)
    • Airflow obstruction의 정도를 민감하게 반영 → 폐쇄성 폐질환에서 감소

     ※ 폐쇄성 폐질환에서는 기도가 좁아져 있기 때문에 단위시간당 내쉴 수 있는 공기의 용적이 감소 

  • 폐기능 측정에서 FEV1은 FVC와 함께 가장 유용한 수치가 된다.

 

FEF25~75%(Forced Expiratory Flow between 25 and 75% of VC, 노력성 호기중간유량)

  • 정의: Vital Capacity의 middle 50% 구간(FEF 25%-75%)에서의 평균 호기 flow rate
  • 기도폐쇄를 측정하는 또 다른 측정법
  • 의미 
    • 환자의 노력 정도와 가장 관련이 적음
    • Early airflow obstruction, 특히, 말초 소기도 폐쇄(Small airway obstruction)의 조기 진단에 유용
      (Cf. 담배피는 환자에서 가장 먼저 변하는 값)

 

FEV1/FVC

  • 정의: 노력성 호기 곡선에서 가장 경사가 가파른 부분의 기울기
  • 정상치: 약 0.75~0.8 (나이, 성, 몸무게를 고려하여 해석해야함)
  • 의미

폐쇄성 환기장애: FEV1/FVC ↓

제한성 환기장애: FEV1/FVC ↑ 

  • FEV1이 주로 감소, 수치가 작을수록 중증
  • FVC도 감소할 수 있으나 FEV1의 감소 정도보다는 훨씬 덜함
  • FEV1/FVC ≤ 70%은 폐쇄성 폐질환의 Hall mark
  • FVC가 주로 감소, 수치가 작을수록 중증
  • FEV1은 폐활량의 감소에 따라 2차적으로 감소할 수 있으나 비교적 정상을 유지

 

PEFR(Peak Expiratory Flow Rate)

  • 정의: 노력성 호기 곡선에서 가장 경사가 가파른 부분의 기울기
  • 의미: Central large airway의 폐쇄를 반영
    (Cf. PEFR은 큰 기관지의 변화를 반영하고, FEV1은 작은 기도의 기능을 더욱 잘 반영)
  • 정상인 경우 하루 동안 PEFR 감소가 적지만 천식에서는 변이가 크고 PEFR의 일중 변화가 15% 이상 시 천식을 의심한다. 

 

기관지 유발

  • 반응성 하기도의 천식성 폐쇄는 여러 자극에 의해서 유발되며 메타콜린, adenosine monophosphate, 히스타민 같은 약제에 의해 유발된다. 
  • PC20: 기준선(baseline)으로부터 FEV1이 20% 감소하는데 필요한 자극의 양. 정상인에 비해 천식 환자에서 낮다.

① PC20은 천식을 확정적으로 진단하지는 않는다, 이런 변화는 바이러스성 질환에서도 관찰되기 때문이다, 그러나 이것은 천식의 진단을 지지하는 객관적 자료로는 기여한다.

 

Obstructive/Restrictive 환기장애의 PFT 소견

검사소견

폐쇄성

제한성

Spirometry

FVC(L) 

N or ↓

FEV1(L)

N or ↓

FEV1/FVC(%)

N or ↑

FEV25~75%(L/s)

↓ 

N or ↓

Lung Volume

VC(L)

N or↓

TLC(L)

N or↑

FRC(L)

N or ↓

ERV(L)

N or↓

N or ↓

RV(L)

 ↑

↓,N or ↑

① Mild obstructive(small airways) disease에서는 FEV1/FVC 정상일 수 있음

② RV: parenchymal dz. 에서는 ↓,   extraparenchymal dz. 에서는 ↑

 

유량-용량 곡선 (Flow-volume loop)

  • 최대한의 노력으로 완전한 호흡을 하는 동안에 계속적인 용적과 기류를 기록함으로서 산출

 

Flow-volume   loop(curve)의 세로축은 flow, 가로축은 Volume입니다. 가로축이 시간축이 아님에 주의하셔야 합니다. 노력성 호기 곡선(Forced Expiratory Volume-Time Curve)에서는 가로축이 시간축이었죠.

Time-volume curve 에서는 Flow를 보기위해서 두 점을 연결한 직선의 기울기(FEF25~75%)를 구했지만, Flow-volume curve에서는 세로축이 Flow를 나타내기 때문에 세로축 눈금을 보면 파악됩니다. 가로축의 Volume은 좌측으로 갈수록 증가합니다. 가로축은 호기량이므로 곡선의 가로폭은 폐활량과 일치합니다. 즉, 가로폭이 좁은 곡선은 폐활량이 감소했음을 의미합니다. flow-volume curve 패턴을 통해서 기도협착의 종류를 추정하거나 폐활량의 변화를 알 수 있어 호흡기질환 감별에 매우 유용합니다. 

 

호기 곡선

  • 최고 기류(peak flow)에 도달하기까지의 노력-의존적 부분과 본질적인 폐와 흉벽의 특성에 의해 결정되는 노력-비의존적 부분으로 구성된다. 

 

흡기 곡선

  • 모두 노력-의존적이며 중추/상기도 질환을 진단하는 데 유용하다. 

 

기류-곡선 형태

  • 폐쇄성/제한성 폐질환(혹은 혼합성 폐질환)을 구별하는데 도움을 준다.
  • 다양한 폐쇄와 고정된 폐쇄(즉, 양측성 성대 마비)는 서로 다른 기류-용적 곡선을 나타낸다. 

 

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정상, 제한성 환기장애, 폐쇄성 환기장애의 감별

 

Normal, Obstruction, Restriction에서의 Flow-volume curve

정상(Normal)

폐쇄성(Obstructive)

제한성(Restrictive)

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 O: Obstructive pattern

R(P): Restrictive pattern(Parenchymal)

R(E): Restrictive pattern(Extra-parenchymal)

  • Asthma
  • COPD
  • Bronchiectasis
  • Cystic fibrosis
  • Bronchiolitis

 

  • Sarcoidosis
  • Idiopathic pulmonary fibrosis
  • Hypersensitivity pneumonitis
  • Pneuomconiosis
  • Drug or Radiation induced ILD
  • ARDS
  • Neuromuscular dz.
  • Diaphragmatic paralysis
  • Myasthenia gravis
  • Guillain-Barre syn.
  • Muscular dystrophies
  • Cervical spine injury
  • Chest wall dz.
  • Kyphoscoliosis, Obesity
  • Ankylosing spondylitis

 

Flow-Volume Curve의 변화를 통한 중심기도 폐쇄/상기도폐쇄(central and upper airway obstruction)의 감별

 

고정된 폐쇄(fixed)

가변의 흉곽 외 폐쇄(extrathoracic variable)

가변의 흉곽 내 폐쇄(intrathoracic variable)

양상

  • 압력 차이에 영향을 받지 않으므로 호기와 흡기시 모두 기류 제한 
  • 호기: 상기도압 > 대기압 → 기도내경이 확장되어 Flow에 이상이 없음
  • 흡기: 상기도압 < 대기압 → 상기도 내경이 좁아져서 기류 제한
  • 흡기: 흉곽 내압이 음압 → 기도 폐쇄 부위가 확장 → Flow에 이상이 없음
  • 호기: 흉강 내압이 양압 → 기도 폐쇄 부위에 압력 → 기도 폐쇄 → Flow 제한

관련질환z

  • 기관협착
  • 양측 성대 마비
  • 후두개염(Epiglottitis)
  • 갑상선암
  • 크루프
  • 후두염
  • 기관연화증
  • 후두 혹은 기관 외상
  • 성대 기능이상(vocal cord dysfunction)
  • COPD
  • 천식

 

상기도 협착에서는 협착된 부위의 공기 출구가 작아지므로 출구가 좁은 만큼 힘차게 숨을 내쉴 수 없기 때문에 peak flow가 편평한 모양이 됩니다. 폐활량에는 변화가 없으므로 가로폭에는 변화가 없습니다.

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  • 고정된 폐쇄(fixed)에서는 흡기, 호기 모두 동일하므로 흡기, 호기 모두 peak flow는 편평한 모양을 갖습니다.
  • 가변의 흉곽 내 폐쇄(intrathoracic variable)는 호기 시에만 영향을 받으므로 호기 peak flow만 편평합니다.
  • 가변의 흉곽 외 폐쇄(extrathoracic variable)는 흡기 시에만 영향을 받으므로 흡기 peak flow만 편평합니다. 

 

 

 

가변의 흉곽 내 폐쇄(intrathoracic variable)

가변의 흉곽 외 폐쇄(extrathoracic variable)

호기

호기 시에는 공기를 밖으로 내보내야 하기 때문에 흉강 내압(intrathoracic pressure)이 흉강 외압보다 상승합니다. 

흉곽 내 기도: 흉곽 내 압력 상승으로 기도는 쪼그라들게 된다. 

흉곽 외 기도: 기도는 이완되는 힘을 받는다. 


흉곽 내 폐쇄(intrathoracic obstructione)만 영향을 받는다.

흉강 내압(intrathoracic pressure)이 흉곽 내 기도를 압박하기 때문에 최대호기 시 저항을 보인다. 


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흉곽 외 폐쇄가 있더라도 흉곽 외 기도가 이완되는 힘을 받기 때문에 최대호기 시 기류-용적 곡선은 정상 모양


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흡기

흡기 시 공기를 밖에서 안에서 집어넣어야 하기 때문에 흉강 내압(intrathoracic pressure)이 흉강외압보다 감소합니다. 

흉곽 외 기도: 흉곽외 압력상승으로 기도는 쪼그라들게 된다.

흉강 내 기도: 기도는 이완되는 힘을 받는다.


흉곽 외 폐쇄(extrathoracic obstruction)만 영향을 받는다.

흉곽 내 폐쇄가 있더라도 흉곽내 기도가 이완되는 힘을 받기 때문에 최대흡기시 기류-용적 곡선은 정상 모양


 

 

 

흉곽 외 압력(extrathoracic pressure, atmospheric pressure)이 trachea를 압박하기 때문에 최대흡기 시 저항을 보인다. 


 

 

 

 

 

확산능(Diffusing capacity)

  • 폐 조직보다 혈액에서 더 잘 용해되는 가스를 이용해, 그 가스를 혈액으로 전달하는 폐의 능력을 측정한다. 

① 이러한 성질에 맞는 두 가스가 O2와 CO인데, CO가 확산능 측정에 더 자주 이용된다. 

  • 낮은 농도의 CO를 환자의 흡입공기에 첨가하면, CO입자가 막을 통해 확산해 들어가서 혈장에 용해되고, 산소보다 210배 더 높은 친화력을 가진 헤모글로빈과 결합하여 낮은 CO분압을 유지하게 된다. 
  • 폐확산능은 모세혈관막의 표면적과 두께, 모세혈관내의 혈액 순환량, 혈색소의 양, 흡연, 고도, 시험에 사용되는 가스와 혈색소의 반응률 등에 영향을 받는다. 
  • 폐확산능(DLco)는 다음의 공식에 의해 계산할 수 있다.
    DLco = Vco /Paco
    (DLco: CO에 대한 폐확산능, Vco: CO 의 양, Paco: CO의 폐포내 농도)

폐확산능(DLco) 감소

폐확산능(DLco) 증가

  • 간질성 폐질환(interstitial fibrosis)
  • 폐기종(emphysema)
  • 폐 혈관계의 volume 및 단면적 감소: 일차성 폐고혈압, 폐색전증, 폐혈관질환
  • Membrane change(intraalveolar filling): 폐렴, 폐부종, alveolar proteinosis
  • Alveolar Hb를 감소시키는 질환: Anemia
  • 폐절제술 후
  • Asthma
  • Pulmonary capillary blood volume 증가: CHF(초기), Mitral stenosis, ASD
  • 폐포 출혈(alveolar hemorrhage): Goodpasture’s syn.
  • Polycythemia
  • 운동, 비만, 임신



 

폐 기능검사의 해석: 폐활량 & 폐확산능

폐기능검사를 해석하는 데 필수적인 사항

폐활량측정법 해석

  • 정상 예측식 → 우리나라 식
  • 정상 하한 → GOLD 對 PFT           } 논란
  • 해석 흐름도 → PFT ATS/ERS       } 논란


정상예측식(reference equation) 선정

  • 정상예측식은 인종과 나라마다 차이가 나며정상예측식이 바뀌면 폐기능검사 해석에 유의하게 차이가 생기므로 정상예측식 선정에 주의해야 한다.

 

정상하한치(lower limits of normal) 선정

  • 크게 세 가지 방법이 있다.
    1. ‘고정값 방법’
    2. ‘95% 신뢰구간 방법’
    3. ‘95백분위수(percentile) 방법’
  • 고정값 방법
    • GOLD 가이드라인: 만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD) 폐쇄성장애 진단에 ‘일초율(FEV 1 /FVC) < 0.7’로 정상하한치를 고정값인 0.7을 사용하고 있다.
    • 문제점: 연령이 증가할수록 정상인의 일초율 정상하한치가 감소하는 것으로 알려져 있다.
연령에 따른 감소를 감안하여 일초율 정상하한치 선정을 ‘95%신뢰구간 방법’이나 ‘95백분위수 방법’을 사용하는 것이 더 논리적이라고 할 수 있다.

 

정상하한(lower limit of normal)

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해석흐름도: 폐활량검사

미국흉부학회(American Thoracic Society, ATS)/유럽호흡기학회(European Respiratory Society, ERS)

  • 2005년 미국흉부학회(American Thoracic Society, ATS)와 유럽호흡기학회(European Respiratory Society, ERS)가 합의하여 새 폐기능검사 해석흐름도를 제시하였다.

 

과거

(American Thoracic Society(ATS)(1991)

최근

American Thoracic Society/European Respiratory Society(ATS/ERS)(2005)

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  • 일초율(FEV1/FVC)이 정상하한치 이상이고 노력성폐활량(FVC)이 정상하한치미만인 환자를 바로 제한성장애로 해석
  • 일초율(FEV1/FVC)이 정상하한치 이상이고 노력성폐활량(FVC)이 정상하한치미만인 환자를 바로 제한성장애로 해석하지 않음
  • 폐용적검사를 추가로 시행해서 총폐용량(total lungcapacity, TLC)이 정상하한치 미만인 환자만을 제한성장애로 해석하고, 반면 총폐용량이 정상하한치 이상인 환자는 폐쇄성장애로 해석하고 있다. 

 

  • ATS/ERS 새 해석흐름도를 따를 경우 폐용적검사를 시행해야 하는 경우가 과거 해석흐름도를 따를 경우보다 추가로 더 생기게 되며 폐쇄성장애로 해석해야하는 경우도 추가로 더 생기게 된다.
  • ATS/ERS에서는  폐활량검사 해석에서 FVC 대신 폐활량(vital capacity, VC)을 사용할 것을 권고한다. VC는 일반적으로 FVC보다 크게 측정되며 폐기종처럼 기도가 유연할 경우 FVC보다 정확하여 좀 더 확실하게 기도 폐쇄를 진단할 수 있다. 하지만, 폐활량계로는 VC 측정이 불가능하므로 대부분의 다른 지침에서는 VC대신 FVC를 사용하여 해석하는 것을 권한다.

 

국내 가이드라인(2016년)

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젊은 연령에서는 0.75~0.8 정도로 상향가능

△FVC:FVC 변화량, △FEV1:FEV1 변화량


해석흐름도: 폐 확산능 검사

미국흉부학회(American Thoracic Society, ATS)/유럽호흡기학회(European Respiratory Society, ERS)

  • 폐활량검사에다 폐 확산능 검사 소견을 종합한 폐기능검사 해석 흐름도는 다음과 같다.
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국내 가이드라인(2016)

  • 폐확산능 값 판정시 경증, 중등증, 중증으로 나누어 구분한다.
  • 폐확산능 결과 판독 시, 폐확산능 값만 단독으로 보지 않고, 다른 폐기능 검사 결과와 연관하여 해석하도록 한다.

중증도

폐확산능(% of predicted value)

정상

80% 이상

경증

61-79%

중등증

40-60%

중증

40% 미만


참고자료

  • Ra SW, Oh JS, Hong S-B, et al. Effect of the Changing the Lower Limits of Normal and the Interpretative Strategies for Lung Function Tests. Tuberculosis and Respiratory Diseases 2006;61(2):129.
  • Chu MW, Han JK. Introduction to pulmonary function. Otolaryngol Clin North Am 2008;41(2):387–96, viii.
  • Pellegrino R, Viegi G, Brusasco V, Crapo RO, Burgos F, Casaburi R, et al. Interpretative strategies for lung function tests. Eur Respir J 2005;26:948-68.
  • American Thoracic Society. Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. Am Rev Respir Dis 1991;144:1202-18.
  • 대한결핵 및 호흡기학회. 폐기능검사 지침(2016)
PC
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