폐기능검사란?
- 환자의 폐기능을 정확히 평가하고 호흡기 질환의 진단과 중등도 판정, 그리고 경과 관찰 및 치료를 판정하는 데 사용하는 중요한 검사
폐기능검사는 폐의 Ventilatory function을 보는 것으로 2가지 방법으로 측정 - 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(diffusion capacity)
- 폐용적(lung volume)
- 심폐운동검사(cardiopulmonary exercise test)
- 기타 등등
폐기능검사의 구성
기본 검사 | 특수 검사 |
- Exhaled volume and flow states: spirometry
- lung volumes: plethysmograhpy
- Diffusion characteristics: diffusion capacity
- Airway reactivity: bronchodilator response or methacholine challenge
- Oxygenation/Ventilation: pulse oximetry or arterial blood gas analysis
| - Respiratory muscle strength: inspiratory and expiratory pressures(MIPs, MEPs)
- 6-min walk test
- Heart-lung interaction: integrated cardiopulmonary exercise testing
- Novel assays of exhaled gas
|
폐용적(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 량
|
흡기 예비기량(IRV, inspiratory reserve volume) | |
호기 예비기량(ERV, expiratory reserve volume) | |
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 량, 폐활량측정기로 측정할 수 없음
|
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 흡기 시 폐에 있는 모든 공기의 총합인데, 4가지 폐용적의 총합이 됨
|
1초간 강행성 호기용적(FEV1, forced expiratory volume) | - 강제로 최대한의 속도로 호기할 경우 1초간에 내뿜을 수 있는 공기의 용적을 의미
|
폐용적
폐용적(Lung volume) 측정방법
- 기능적 잔기량(FRC, functional residual capacity)에 의해 결정되는데, 다음 3가지 다른 방법으로 측정할 수 있음
- 질소 세척법(nitrogen washout)
- 헬륨 희석법(helium dilution)
- 신체용적 변동기록법(body plethysmography)
|
- 질소 및 헬륨은 안정된 기체이므로 폐포의 혈액과 폐 조직에 잘 용해되지 않아서 용적 측정에 방해를 주지 않음
- 질소 세척법 검사
- 환자는 순수한 산소를 흡입하면서 모든 호기 질소를 모아 측정
- 측정 시작 당시의 질소-함유 기체의 용적은 초기 질소 농도와 폐로부터 세척되어 나온 질소의 총량으로부터 계산될 수 있음
- 헬륨 희석법
- 원리는 유사하지만, 환자는 평형상태에 도달할 때까지 헬륨이 섞인 공기를 지속적으로 흡입하게 됨
- 헬륨의 용적과 농도를 알고 있으므로, 마지막 평형상태에 도달한 농도를 알면, 측정 초기의 폐에 있던 공기의 용적을 알 수 있음
두 가지 검사 모두 측정 장비에서의 공기누설에 민감하며 공기의 이동이 나쁜 부분(예. 폐 기포 lung bullae)의 측정이 불가능
직접 측정할 수 있는 지표 | 직접 측정할 수 없는 지표 |
- 폐활량(Vital capacity, VC)
- 1회 호흡량(Tidal volume, TV)
- 예비 들숨량(흡기량, Inspiratory reserve volume, IRV)
- 예비 날숨량(호기량, Expiratory reserve volume, ERV)
- 최대 들숨량(흡기량, Inspiratory capacity, IC)
| - 잔기량(RV)
- 전폐기량(TLC): VC + RV
- 기능적 잔기량(FRC): ERV + RV
|
폐활량(Spirometry) 검사
얻을 수 있는 정보
Volume time curve (spirogram) | 유량-용적 곡선(flow-volume loops) |
| |
- 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 표시
|
- FEV1
- FVC
- FEV1/FVC
- FEF25-75%
- PEFR
| - peak flow
- FVC
- FEF 25-75%
- MEF 75, 50, 25
- Inspiratory flow data
|
폐활량측정법(spirometry)
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 됨
FEF 25-75%(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 의심
기관지 유발
- 반응성 하기도의 천식성 폐쇄는 여러 자극에 의해서 유발되며 메타콜린, adenosine monophosphate, 히스타민 같은 약제에 의해 유발
- PC20: 기준선(baseline)으로부터 FEV1이 20% 감소하는데 필요한 자극의 양. 정상인에 비해 천식 환자에서 낮음
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 ↑ |
유량-용량 곡선(Flow-volume loop)
- 최대한의 노력으로 완전한 호흡을 하는 동안에 계속적인 용적과 기류를 기록함으로서 산출
호기 곡선
- 최고 기류(peak flow)에 도달하기까지의 노력-의존적 부분과 본질적인 폐와 흉벽의 특성에 의해 결정되는 노력-비의존적 부분으로 구성됨
흡기 곡선
- 모두 노력-의존적이며 중추/상기도 질환을 진단하는데 유용
기류-곡선 형태
- 폐쇄성/제한성 폐질환(혹은 혼합성 폐질환)을 구별하는데 도움을 줌
- 다양한 폐쇄와 고정된 폐쇄(즉, 양측성 성대 마비)는 서로 다른 기류-용적 곡선을 나타냄
정상, 제한성 환기장애, 폐쇄성 환기장애의 감별
Normal, Obstruction, Restriction에서의 Flow-Volume Curve
|
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
|
관련질환 | - 기관협착
- 양측 성대 마비
- 후두개염(Epiglottitis)
- 갑상선암
| - 크루프
- 후두염
- 기관연화증
- 후두 혹은 기관 외상
- 성대 기능이상(vocal cord dysfunction)
| |
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.
- 고정된 폐쇄(fixed)에서는 흡기, 호기 모두 동일하므로 흡기, 호기 모두 peak flow는 편평한 모양을 갖음
- 가변의 흉곽 내 폐쇄(intrathoracic variable)는 호기 시에만 영향을 받으므로 호기 peak flow만 편평함
- 가변의 흉곽 외 폐쇄(extrathoracic variable)는 흡기 시에만 영향을 받으므로 흡기 peak flow만 편평함
| | | 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 상승
- 흉곽 내 기도: 흉곽 내 압력 상승으로 기도는 쪼그라들게 됨
- 흉곽 외 기도: 기도는 이완되는 힘을 받음
| - 흉곽 내 폐쇄(intrathoracic obstructione)만 영향을 받음
| - 흉강 내압(intrathoracic pressure)이 흉곽 내 기도를 압박하기 때문에 최대호기 시 저항을 보임
| - 흉곽 외 폐쇄가 있더라도 흉곽 외 기도가 이완되는 힘을 받기 때문에 최대호기 시 기류-용적 곡선은 정상 모양
|
흡기 | - 흡기 시 공기를 밖에서 안에서 집어넣어야 하기 때문에 흉강 내압(intrathoracic pressure)이 흉강외압보다 감소
- 흉곽 외 기도: 흉곽외 압력상승으로 기도는 쪼그라들게 됨
- 흉강 내 기도: 기도는 이완되는 힘을 받음
| - 흉곽 외 폐쇄(extrathoracic obstruction)만 영향을 받음
| - 흉곽 내 폐쇄가 있더라도 흉곽 내 기도가 이완되는 힘을 받기 때문에 최대 흡기 시 기류-용적 곡선은 정상 모양
| - 흉곽 외 압력(extrathoracic pressure, atmospheric pressure)이 trachea를 압박하기 때문에 최대 흡기 시 저항을 보임
|
확산능(Diffusing capacity)
- 폐 조직보다 혈액에서 더 잘 용해되는 가스를 이용해, 그 가스를 혈액으로 전달하는 폐의 능력을 측정
- 낮은 농도의 CO를 환자의 흡입공기에 첨가하면, CO입자가 막을 통해 확산해 들어가서 혈장에 용해되고, 산소보다 210배 더 높은 친화력을 가진 헤모글로빈과 결합하여 낮은 CO분압을 유지하게 됨
- 폐확산능은 모세혈관막의 표면적과 두께, 모세혈관내의 혈액 순환량, 혈색소의 양, 흡연, 고도, 시험에 사용되는 가스와 혈색소의 반응률 등에 영향을 받음
- 폐확산능(DLco)는 다음의 공식에 의해 계산할 수 있음
- DLco = Vco /Paco
- (DLco: CO에 대한 폐확산능, Vco: CO의 양, Paco: CO의 폐포내 농도)
① 이러한 성질에 맞는 두 가스가 O2와 CO인데, CO가 확산능 측정에 더 자주 이용된다.
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
|
폐기능검사의 해석: 폐활량 & 폐확산능
폐기능검사를 해석하는 데 필수적인 사항
정상예측식(reference equation) 선정
- 정상예측식은 인종과 나라마다 차이가 나며 정상예측식이 바뀌면 폐기능검사 해석에 유의하게 차이가 생기므로 정상예측식 선정에 주의해야 함
정상하한치(lower limits of normal) 선정
- 크게 세 가지 방법이 있음
- ‘고정값 방법’
- ‘95% 신뢰구간 방법’
- ‘95백분위수(percentile) 방법’
- 고정값 방법
- GOLD 가이드라인: 만성폐쇄성폐질환(Chronic obstructive pulmonary disease, COPD) 폐쇄성장애 진단에 ‘일초율(FEV1 /FVC) <0.7’로 정상하한치를 고정값인 0.7을 사용하고 있음
- 문제점: 연령이 증가할수록 정상인의 일초율 정상하한치가 감소하는 것으로 알려져 있음
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)
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 제시하였음
과거(American Thoracic Society, ATS) | 최근American Thoracic Society/European Respiratory Society (ATS/ERS) |
| |
- 일초율(FEV1/FVC)이 정상하한치 이상이고 노력성폐활량(FVC)이 정상하한치 미만인 환자를 바로 제한성장애로 해석
| - 일초율(FEV1/FVC)이 정상하한치 이상이고 노력성폐활량(FVC)이 정상하한치 미만인 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 있음
|
- ATS/ERS 새 해석흐름도를 따를 경우 폐용적검사를 시행해야 하는 경우가 과거 해석흐름도를 따를 경우보다 추가로 더 생기게 되며 폐쇄성장애로 해석해야하는 경우도 추가로 더 생기게 됨
- ATS/ERS에서는 폐활량검사 해석에서 FVC 대신 폐활량(Vital capacity, VC)을 사용할 것을 권고. VC는 일반적으로 FVC보다 크게 측정되며 폐기종처럼 기도가 유연할 경우 FVC보다 정확하여 좀 더 확실하게 기도 폐쇄를 진단할 수 있음. 하지만, 폐활량계로는 VC 측정이 불가능하므로 대부분의 다른 지침에서는 VC대신 FVC를 사용하여 해석하는 것을 권함
국내 가이드라인(2016년)
해석흐름도: 폐 확산능 검사
미국흉부학회(American Thoracic Society, ATS)/유럽호흡기학회(European Respiratory Society, ERS)
- 폐활량검사에다 폐 확산능 검사 소견을 종합한 폐기능검사 해석 흐름도는 다음과 같음
국내 가이드라인(2016)
- 폐확산능 값 판정시 경증, 중등증, 중증으로 나누어 구분
- 폐확산능 결과 판독 시, 폐확산능 값만 단독으로 보지 않고, 다른 폐기능 검사 결과와 연관하여 해석하도록 함
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)