계장기술(PROCON)

기획특집 코로나 환자를 살리는 산소요법 속 유량 기술

페이지 정보

작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 103회 작성일 21-01-13 15:38

본문

전 세계 코로나19 누적 확진자 6500만 명, 사망자 150만 명을 넘긴 최근, 미국에서는 코로나19로 인한 사망자가 하루 2천9백 명에 이르렀다고 한다. 이는 9.11 테러 희생자 수에 육박하는 수준으로, 매일이 9.11 테러 상황인 셈이다. 국내 상황도 나빠지고 있어, 하루 확진자 수가 급증하여 600명까지 치솟고, 위·중증 환자수도 늘면서 병상 부족 우려가 커지고 있다. “코로나 중환자도 116명까지 늘어… 남은 병상은 59개뿐”, “인공호흡기나 인공심폐장치(에크모·ECM O), 고유량(high flow) 산소요법 등이 필요한 위·중증 환자가 사용할 수 있는 병상은 이미 89%가 가동 중” 2020년 12월 4일자 보도 내용이다.
 
코로나19 환자가 급증하면서 전 세계적으로 하루에 약 62만㎥의 산소가 필요하다고 한다. 산소 확보에 어려움을 겪는 빈국에서는 산소발생기 부족으로 사망하는 경우도 늘고 있는데, 모 국가에서는 코로나19 사망자 70%가 산소 부족으로 숨진 것으로 알려졌으며, 의료시설이 부족해서 환자 상당수가 집에서 자가 치료를 행하느라 산소가 암거래되는 나라도 있다고 한다. 
 
과연, 코로나19 중증 환자에게 필수라고 하는 산소요법(Oxygen Therapy)이란 무엇인가?

산소요법은 숨쉬는 노력을 줄이고, 심근의 부담을 감소시켜 저산소혈증을 개선시키는 방법으로, 폐 기능 이상으로 산소 흡입 능력이나 산소 운반 능력이 감소했거나 고열과 수술 등으로 대사가 증가하여 산소소비량이 급격히 증가한 경우, 환자 스스로 충분한 산소를 얻을 수 없기 때문에 산소를 직접 투여함으로써 회복을 돕는 것이다. 치료 목적으로 산소를 투여하는 것은, 비단 코로나19뿐 아니라 만성 폐쇄성 폐질환이나 천식, 간질성 폐질환으로 인한 호흡곤란 등의 만성 질환 환자에게도 활용되어 왔으며, 폐렴·심부전·심폐소생술·외상·아나필락시스반응 등의 급성 질환에도 다양하게 사용되어 왔다.

그럼, 산소요법을 위해 필요한 것은 무엇인가? 우선 산소를 공급할 산소 탱크나 산소발생기가 있어야 하는데, 보통 병원 중환자실 병상에는 벽면에 Wall O2가 설치되어 있다. 이 Wall O2로부터 환자에게 산소를 투여하기 위해서는 흡입 기구, 소위 산소전달 체계(Oxygen Delivery Device)라고 불리는 장치가 필요하다. 예를 들어서 비강 캐뉼라(Nasal Cannula), 단순안면마스크(Simple Face Mask), 부분재호흡마스크(Partial Rebreather Mask), 비재호흡마스크(Non -rebreather Mask), 벤츄리마스크(Venturi Mask),  산소 텐트법 등이 해당된다.  
 2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610519729_4721.png
       
하지만, Wall O2와 흡입 기구를 직접 연결하는 것은 아니고, 산소유량계를 거쳐서 연결한다. Wall O2 커넥터에 유량 조절이 가능한 산소유량계를 꽂아 처방된 산소 유량을 설정하여, 환자에게 투여하는 것이다.

예를 들어, 비강 캐뉼라를 통해서 처방 가능한 산소 유량은 1~6L/min이며, 이는 산소 농도로 24~44%에 해당된다. 공기 중에 산소가 약 20% 존재하고, 유량 1L/min 투여 시마다 산소 농도가 4%씩 증가한다는 전제에서 계산하면, 1L/min일 때 24%, 6L/min일 때 44%가 되는 것이다. 이런 식으로 흡입 기구의 구조와 의학적인 측면을 고려해서, 단순안면마스크(Simple Face Mask), 부분재호흡마스크(Partial Rebreather Mask), 비재호흡마스크(Non-rebreather Mask), 벤츄리마스크(Venturi Mask) 등 각각의 흡입 기구 종류에 따라 처방하는 산소 유량과 그에 따른 산소 농도가 계산되어 있다.
 
한 가지 주목할 사실은, 산소요법에도 부작용이나 합병증이 존재한다는 점이다. 예를 들어 비강 캐뉼라 요법 시행 시, 6L/min 이상의 산소를 공급하면 환자가 공기를 삼키거나 비강점막에 자극을 주어 두통을 유발할 수 있다. 경미한 수준의 점막 건조증이나 통상적인 감염의 위험뿐 아니라, 심각한 경우 산소독성(Oxygen Toxicity) 증상까지 나타날 수 있는데, 이 산소독성은 고농도의 산소를 24~48시간 이상 투여했을 때 폐에 치명적인 손상을 줄 수 있는 부작용으로 알려져 있다.

그렇다면, 처방된 산소의 양을 정확하게 투여하도록 유량 제어가 잘 되고 있는 것일까? 이쯤 되면, 산소 흡입 기구와 함께 사용되는 산소유량계에 대해 궁금해질 것이다. 유량계에 앞서 유량이란, 시간당 일정 면적의 단면을 통과하는 유체의 부피 또는 질량을 시간의 비로 표현한 것이다. 부피 유량은 유체의 평균속도와 단면적을 곱하여 얻을 수 있고, 이 부피 유량에 유체의 밀도를 곱하면 질량 유량을 계산할 수 있다. 유량 측정의 역사를 보면, 유동력과 중력의 평형상태로부터 유량을 측정하는 면적식 유량계와 같은 기계식 유량계에서, 가스미터와 같이 일정 부피의 용기를 채우고 비워서 그 빈도로 유량을 구하는 용적식 유량계, 배관 안 조임 기구에서 발생한 차압으로 유량을 계산하는 차압식 유량계, 터빈의 회전각도와 평균속도의 비례관계를 이용한 터빈식 유량계, 초음파의 전파 시간을 이용해 평균유속을 구하는 초음파식 유량계, 패러데이 전자유도 법칙을 이용한 전자기식 유량계, 체적 유량과 함께 밀도도 측정하여 질량 유량을 측정하는 질량식 유량계에 이르기까지 유량을 정확하게 측정하고자 하는 노력은 계속되어 왔고, 그 결과 다양한 계측 장비를 탄생시켜 왔다.

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610519794_8958.png 

산소요법에서 사용하고 있는 산소유량계는 기계식에 해당되는 면적식 유량계에 속한다. 면적식 유량계는 다른 종류의 유량계에 비해서 그 구조가 간단해 보이지만 숨은 측정 원리는 간단하지 않다. 대표적인 면적식 유량계의 구조는 수직으로 세운 테이퍼관 내에 플로트가 들어 있고, 유체가 그 사이를 통과하도록 되어 있다. 유체가 아래에서 위로 흐를 때 틈의 상하에 차압이 생겨 플로트가 밀려 올라가고, 플로트가 올라가면 틈이 켜져서 차압이 감소하게 되면서 밀어올리는 힘도 줄게 되는데, 이 유동력과 중력이 평형을 이루는 높이에서 멈추고, 플로트의 상승 높이에 따라 결정되는 관의 단면적과 유량의 비례 관계를 통해 플로트의 위치를 측정하면 유량을 계산해낼 수 있다. 

면적유량계의 유량 계산식은 다음과 같이 주어진다.
즉, 차압과 밀도의 함수이다.

2144d8319a39bfb78fab9c4f6fa93bdf_1610519820_2074.png 

유량계는 측정 방식마다 장단점이 있다. 모든 경우에 완벽한 유량계란 존재하지 않는다. 따라서, 유량계의 원리와 특징을 알고 용도에 맞게 가장 적합한 유량계를 선택하는 것이 최선이다.
 
면적식 유량계는 유동의 영향을 받지 않아(상류 직관부가 필요 없어) 설치 조건이 까다롭지 않고, 기체·액체·증기 등 대부분의 유체에 사용이 가능하며, 유체 내 노이즈에도 강할 뿐 아니라 상대적으로 가격이 저렴하여 오래전부터 사용해온 유량계이다. 의료용 산소유량계로 면적식 유량계를 선택한 이유도 있을 것이다. 추측컨대, 산소 한 가지 유체에 대해서 안정된 측정 조건에서 사용한다면, 경년변화에도 강하고 내구성도 좋다. 이는 최신식 고급 유량계보다 이점이 더 많아서가 아닐까?

반면, 면적식 유량계를 다룰 때 주의사항이 있다. 중력과 유속에 의한 힘의 평형상태를 이용하기 때문에 반드시 수직 상태에서 사용해야 한다. 또 온도와 압력 조건이 바뀌면 측정 유체의 밀도 변화가 생겨 측정값도 달라지기 때문에 측정 환경에 유의해야 하며, 제품마다 다르지만 대체적으로 유량계 최대 눈금의 약 70~80% 이하 저유량에서는 정확도가 떨어지는 경향이 있음도 참고해야 한다. 

역사적으로 수천 년 전 농사일을 위해 나일강 흐름의 측정을 시도한 것이 유량 측정의 기원이 되었다고 하며, 그 후 고대 도시에 상수도가 발달하면서 물 배급량과 요금 산출을 위해 유량계가 고안되기 시작하여 지금의 수도미터로 발전되었다고 한다, 이처럼 유량 측정의 목적은 유체나 에너지의 상거래나 공장 효율 향상 등 주로 실용적인 측면이 크다고 할 수 있다. 최근의 예를 보아도, 코로나19 환자 급증으로 전 세계적으로 산소 부족이 우려되는 시기일수록 산소 공급량을 증가시키는 생산 기술 개발은 물론, 산소의 효율적인 소비를 위한 유량 측정·제어 기술과 유량계 교정 기술 개선이 절실하다고 할 수 있다.    
  
<참고문헌>
1. 서울대학교 의과대학 내과학교실 “산소 치료의 최신 업데이트”, 2019
2. 기본간호학 Chapter 04. 산소화요구(2) : Nursing Interventions
3. 유량계 측정/교정 이론, 박경암, 자인
4. 네이버 블로그, 네이버백과사전


jinhoemi@hct.co.kr