동맥혈가스분석

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1. 개요
2. 측정
- 2.1. 검사 방법 및 주의사항
3. 정상치 및 해석
- 3.1. 산-염기 장애 판별
4. 심장 수술 환자의 관리
5. 추가 검사
6. 정맥혈 가스 분석
참조

1. 개요

동맥혈가스분석은 동맥혈을 채취하여 pH, 산소 및 이산화탄소 분압 등을 측정하는 검사이다. 주로 호흡 치료사, 간호사 등이 요골 동맥에서 채취하며, 혈액 응고 방지를 위해 헤파린 처리된 주사기를 사용한다. 검사 결과는 pH, PaO2, PaCO2, 중탄산염 농도 등을 포함하며, 헨더슨-하셀바흐 방정식을 통해 산-염기 불균형을 평가한다. 저체온 심장 수술 시 pH-stat와 alpha-stat 방법을 사용하며, 정맥혈 가스 분석은 산-염기 상태 평가에 활용될 수 있다.

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동맥혈가스분석
검사 정보
이름	동맥혈 가스 검사
영어 이름	Arterial-blood gas test
진료과	진단검사의학과 호흡기내과
목적
목적	동맥혈액 내 특정 용존 가스 양 측정
측정 요소
측정 요소	수소 이온 지수(pH) 중탄산 이온 농도 (HCO3-) 이산화탄소분압(PCO2)
관련 질병
관련 질병	호흡기 질환, 대사성 질환 등
추가 정보
참고 자료	Arterial Blood Gases - Indications and Interpretation
LOINC	24336-0

2. 측정

헨더슨-하셀바흐 방정식에 따르면, pH, $P_{\rm{CO}_2}$ , [HCO₃^-] 세 가지 변수 중 두 가지가 주어지면 나머지 하나도 결정된다. 따라서 동맥혈 가스 분석 장치는 대개 pH와 $P_{\rm{CO}_2}$ 를 직접 측정한 다음 이로부터 [HCO₃^-]를 계산한다.^[56] [HCO₃^-]를 직접 측정한 값에 해당하는 것은 총 CO₂(total CO₂, tCO₂)인데, 시료에 강산을 첨가해 가면서 배출되는 이산화탄소 기체의 양을 재므로 [CO₃^2-], [H₂CO₃] 등을 모두 포함한다. 생리학적인 pH 범위에서 이들은 [HCO₃^-]보다 훨씬 적기 때문에, tCO₂ 값과 계산으로 구한 [HCO₃^-] 값의 차이는 대체로 3mmol/L 이하이다. 차이가 심하다면 시료를 준비하고 측정하는 과정에 문제가 있었다고 의심해 볼 수 있으나, 환자 상태에 따라 차이가 심해지는 경우도 있으므로 주의 깊은 임상적 평가가 필요하다.^[57]

분석에 사용되는 기계는 주사기로부터 혈액을 흡인하여 pH와 산소 및 이산화탄소의 분압을 측정하며, 중탄산 이온 농도도 계산된다. 이러한 결과는 통상 5분 이내에 표시된다.^[37]

2. 1. 검사 방법 및 주의사항

동맥혈 가스 검사를 위한 동맥혈은 일반적으로 호흡 치료사가 채취하며, 때로는 채혈사, 간호사, 응급 구조사 또는 의사가 채취한다.^[4] 혈액은 접근이 용이하고, 출혈을 조절하기 위해 압박할 수 있으며, 혈관 폐쇄의 위험이 적기 때문에 요골 동맥에서 가장 흔하게 채취한다. 채취할 요골 동맥을 선택하는 것은 앨런 검사의 결과에 따라 결정된다. 상완 동맥 (또는 덜 자주, 대퇴 동맥)도 특히 응급 상황이나 어린이에게 사용된다. 혈액은 또한 이미 이러한 동맥 중 하나에 삽입된 동맥 카테터에서 채취할 수 있다.^[5]

혈액 가스 검체에는 플라스틱 및 유리 주사기가 사용된다.^[6] 대부분의 주사기는 미리 포장되어 있으며 응고를 방지하기 위해 소량의 헤파린을 포함하고 있다. 다른 주사기는 액체 헤파린을 소량 채취하여 공기 방울을 제거하기 위해 다시 분사하여 헤파린 처리를 해야 할 수 있다. 샘플이 얻어지면,^[7] 가시적인 기포를 제거하는 데 주의를 기울인다. 이러한 기포는 샘플에 용해되어 부정확한 결과를 초래할 수 있다. 밀봉된 주사기는 '''혈액 가스 분석기'''로 가져간다.^[8] 플라스틱 혈액 가스 주사기를 사용하는 경우 검체를 실온에서 운송하고 30분 이내에 분석해야 한다. 분석 전에 예상되는 지연 시간이 길어지면(즉, 30분 이상) 검체를 유리 주사기에 채취하여 즉시 얼음에 넣어야 한다.^[9] 포도당, 젖산염, 헤모글로빈, 이상헤모글로빈, 빌리루빈 및 전해질 측정과 같은 표준 혈액 검사도 동맥혈로 수행할 수 있다.

파생 변수에는 중탄산염 농도, SaO2 및 염기 과잉이 포함된다. 중탄산염 농도는 헨더슨-하셀바흐 방정식을 사용하여 측정된 pH 및 PCO2로부터 계산된다. SaO2는 측정된 PO2로부터 파생되며 측정된 모든 헤모글로빈이 정상(옥시 또는 디옥시) 헤모글로빈이라는 가정 하에 계산된다.^[10]

측정 전극을 보여주는 최신 혈액 가스 분석기의 측정 챔버 상세. (Cobas b 121 - Roche Diagnostics)

분석에 사용되는 기계는 주사기에서 혈액을 흡입하여 pH와 산소 및 이산화탄소의 분압을 측정한다. 탄산수소염 농도도 계산된다. 이러한 결과는 일반적으로 5분 이내에 해석할 수 있다.

저체온증 환자의 혈액 가스 관리에 의학적으로 두 가지 방법이 사용되었다: pH-stat 방법과 alpha-stat 방법. 최근 연구에 따르면 α-stat 방법이 더 우수하다고 한다.

pH-stat: pH 및 기타 ABG 결과는 환자의 실제 체온에서 측정된다. 목표는 실제 환자 체온에서 pH 7.40 및 동맥 이산화탄소 분압(paCO₂) 5.3kPa (40 mmHg)를 유지하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 산소 공급기에 CO₂를 추가해야 한다.
α-stat (alpha-stat): 환자의 실제 체온에 관계없이 pH 및 기타 ABG 결과는 37°C에서 측정된다. 목표는 37°C에서 측정했을 때 동맥 이산화탄소 분압을 5.3kPa (40mmHg)로 유지하고 pH를 7.40으로 유지하는 것이다.

pH-stat와 alpha-stat 전략 모두 이론적인 단점이 있다. α-stat 방법은 최적의 심근 기능을 위한 선택 방법이다. pH-stat 방법은 뇌의 자가 조절 상실(뇌의 대사율과 뇌 혈류의 결합)을 초래할 수 있다. pH-stat 방법은 대사 요구량 이상으로 뇌 혈류를 증가시켜 뇌 미세 색전증 및 두개 내 고혈압을 유발할 수 있다.

3. 정상치 및 해석

동맥혈가스분석(ABGA)에서 측정하는 주요 수치들의 정상 범위는 다음과 같다. 기관마다 약간씩 다를 수 있다.

대상	범위	해석
pH	7.35~7.45	pH와 H⁺ 농도는 환자가 산혈증(pH < 7.35, H⁺ >45)인지 알칼리혈증(pH > 7.45; H⁺ < 35)인지 판별하는 데에 사용한다.
H⁺	35~45 nmol/L (nM)
동맥혈 산소 분압 (P_aO₂)	75~100mmHg^[58]	P_aO₂가 낮다면 혈액에 산소 공급이 적절하지 못한 것으로 저산소혈증이라 판단한다. 일반적으로 P_aO₂가 60 mmHg 미만이라면 산소 치료를 고려한다.
동맥혈 이산화탄소 분압 (P_aCO₂)	35~45mmHg^[58]	CO₂의 생산 및 제거를 대표하는 측정값이다. 대사 속도가 일정하다고 가정한다면 이산화탄소 분압은 전적으로 호흡을 통한 제거에 의존해 결정된다.^[59] 저환기 등으로 인해 P_aCO₂가 높아진 호흡성 산증(고이산화탄소혈증), 혹은 과다환기로 인해 P_aCO₂가 낮아지는 호흡성 알칼리증(저이산화탄소혈증)을 확인 가능하다.
탄산수소 이온 농도 ()	22~26 mEq/L	이온은 (케톤산증 같은) 대사성 질환이 있는지 확인 가능한 지표이다. 대개 농도가 낮다면 대사성 산증, 높다면 대사성 알칼리증을 의미한다. 단, 총 CO₂ 농도의 변화와 함께 고려해야 정확한 환자 상태를 판별할 수 있다.
SBC_e (표준 중탄산염 농도)	21~27 mmol/L	CO₂가 5.33 kPa, 산소 포화도 100%, 섭씨 37도 상태를 가정했을 때 혈중 중탄산염 농도.^[60]
염기과잉 (BE)	−2~+2 mmol/L	산-염기 장애의 대사성 이상을 평가하기 위해 사용하며, 환자가 대사성 산증인지 대사성 알칼리증을 뜻한다. 중탄산염 농도와 달리, 염기과잉은 pH 변화에서 호흡 이상이 미치는 영향을 배제하고 관찰할 수 있는 계산값이다.^[61]
총 CO₂ (tCO₂ (P)_c)	23~30 mmol/L^[62] 100~132 mg/dL^[63]	이 값은 CO₂의 총량으로, 와 PCO₂의 합이다.
O₂ 함유량 (C_aO₂, C_vO₂, C_cO₂)	94~100%^[64] (mL O₂/dL blood)	이 값은 혈장에 용해된 산소와 헤모글로빈에 결합한 산소를 합한 것이다.^[65]

pH 정상 범위는 7.35~7.45이다. pH가 감소하면(< 7.35) 산증, pH가 증가하면(> 7.45) 알칼리증을 의미한다. 동맥혈 가스 분석에서 가장 흔하게 발생하는 것은 호흡성 산증이다. 이산화탄소는 약산인 탄산으로 혈액에 용해되는데, 고농도에서는 pH에 큰 영향을 미칠 수 있다. 폐 환기가 제대로 이루어지지 않으면 혈액 내 이산화탄소 수치가 상승하여 pH가 감소하게 된다.

호흡성 알칼리증(''Pa'' CO₂ < 35 mmHg)은 혈액 내 이산화탄소가 너무 적을 때 발생하며, 과다환기나 인공호흡기 사용으로 인해 발생할 수 있다.

정상적인 조건에서 헨더슨-하셀발히 방정식은 혈액 pH를 다음과 같이 나타낸다.

:

\ce{pH} = 6.1 + \log_{10} \left( \frac{[\ce{HCO3-}]}{0.03 \times Pa\ce{CO2}} \right)

6.1은 정상 체온에서 탄산()의 산 해리 상수 (p''K''_a)이다.
[]는 mEq/L 단위의 혈액 내 중탄산염 농도이다.
''Pa''CO₂는 mmHg 단위의 동맥혈 내 이산화탄소 분압이다.

신장과 간은 pH의 대사 항상성을 담당하는 주요 기관이다. 중탄산염은 산혈증이 있을 때 과도한 수소 이온을 받아들이는 데 도움이 되는 염기이다. 그러나 이 메커니즘은 호흡 경로보다 느리다.

3. 1. 산-염기 장애 판별

Acid–base imbalance|산-염기 불균형^영어의 대사성 요소를 평가하기 위해서는 염기과잉을 사용하며, 환자가 대사성 산증인지 대사성 알칼리증인지 알 수 있다. 탄산수소 이온 수치와 달리, 염기과잉은 pH 변화에서 호흡이 미치는 영향을 제외하고 계산된 값이다.^[16] 염기 과잉을 계산하는 방법에는 세포외액 염기과잉(BE(ecf))과 혈중 염기과잉(BE(b)) 두 가지가 있다.

BE(ecf) = []− 24.8 + 16.2 × (pH − 7.4)
BE(b) = (1 − 0.014 × Hgb) × ([]− 24.8 + (1.43 × Hgb + 7.7) × (pH − 7.4))

PaCO₂와 pH의 관계를 평가해야 한다. 만약 PaCO₂와 pH가 반대 방향으로 움직인다면(pH < 7.4일 때 PaCO₂ 증가, pH > 7.4일 때 PaCO₂ 감소) 일차적인 호흡성 장애이다. PaCO₂와 pH가 같은 방향으로 움직인다면(pH > 7.4일 때 PaCO₂ 증가, pH < 7.4일 때 PaCO₂ 감소) 일차적인 대사성 장애이다.^[12]

PaCO₂가 40 mmHg보다 높거나 낮아져 1 mmHg가 변하면, pH는 반대 방향으로 0.008 단위가 변한다.^[11]
[]가 24 mEq/L 미만으로 1 mEq/L 감소할 때마다 PaCO₂는 약 1 mmHg 감소한다.
[]가 10 mEq/L 변하면 pH는 같은 방향으로 약 0.15 pH 단위 변한다.

분석물	범위	해석
pH	7.34–7.44^[13]	pH 또는 H⁺는 사람이 산성증(pH < 7.35; H⁺ >45)인지 알칼리증(pH > 7.45; H⁺ < 35)인지 나타낸다.
H⁺	35–45 n몰/L (nM)
동맥 산소 분압 (P_aO₂)	75mmHg^[13]	낮은 PaO₂는 혈액의 비정상적인 산소 공급을 나타내며, 사람은 저산소혈증을 겪고 있는 것으로 알려져 있다. (조직이나 기관의 산소 부족인 허혈의 경우와 같이, 동맥혈이 아닌 경우에도 사람이 저산소증을 겪기 위해 낮은 PaO₂가 필요한 것은 아니다.) P_aO₂가 60mmHg 미만일 경우, 보충 산소를 투여해야 한다.
동맥 이산화 탄소 분압 (P_aCO₂)	35mmHg^[13]	이산화 탄소 분압(Pa)은 생성 및 제거의 지표이다. 일정한 대사율의 경우, Pa는 환기를 통해 제거됨으로써 전적으로 결정된다.^[14] 높은 Pa (호흡성 산증, 또는 고탄산혈증)은 환기 부족(또는 더 드물게 악성 고열)을 나타내고, 낮은 Pa (호흡성 알칼리증, 또는 저탄산혈증)은 과도한 환기를 나타낸다.
	22–26 mEq/L	이온은 대사 문제(예: 케톤산증)의 존재 여부를 나타낸다. 낮은 는 대사성 산증을 나타내고, 높은 는 대사성 알칼리증을 나타낸다. 혈액 가스 검사 결과와 함께 제공될 때 이 값은 종종 분석기에 의해 계산되므로, 직접 측정된 총 CO₂ 수치와 상관 관계를 확인해야 한다(아래 참조).
SBC_e	21 to 27 mmol/L	5.33kPa의 CO₂, 완전한 산소 포화도 및 섭씨 37도에서의 혈액 내 중탄산염 농도.^[15]
과잉 염기	−2 to +2 mmol/L	과잉 염기는 산-염기 장애의 대사 구성 요소를 평가하는 데 사용되며, 사람이 대사성 산증 또는 대사성 알칼리증을 겪고 있는지 나타낸다. 중탄산염 수치와 대조적으로, 과잉 염기는 pH 변화의 비호흡 부분을 완전히 분리하기 위한 계산된 값이다.^[16]

총 CO₂ (tCO₂ (P)_c)	23–30 mmol/L^[17] 100–132 mg/dL^[18]	이는 총 CO₂의 양이며, 과 PCO₂의 합으로, tCO₂ = [] + α×PCO₂로 나타낸다. 여기서 α=0.226 mM/kPa이고, 는 밀리몰 농도 (mM)(mmol/L)로 표현되며, PCO₂는 kPa로 표현된다.
O₂ 함량 (C_aO₂, C_vO₂, C_cO₂)	94-100%^[19] (mL O₂/dL 혈액)	이는 혈장 내에 용해된 산소와 헤모글로빈에 화학적으로 결합된 산소의 합으로, C_aO₂ = (PaO₂ × 0.003) + (SaO₂ × 1.34 × Hgb)로 계산하여 결정된다. 여기서 헤모글로빈 농도는 g/dL로 표현된다.^[20]

4. 심장 수술 환자의 관리

저체온 인공 심폐 하에서 실시되는 심장 수술 환자의 혈액 가스 관리는 pH-stat법과 α-stat법, 두 가지 방법이 사용되어 왔다.

pH-stat법: 인간의 혈액은 온도가 1℃ 저하하면 pH가 0.015 상승하여 알칼리증으로 기울어진다^[49]。따라서, 그 온도에서 이것을 보정하기 위해 인공 폐에 이산화탄소를 첨가하여 호흡성 산증으로 보상한다^[49]。예를 들어, 28℃에서 PaCO2를 40mmHg로 보정하면 37℃에서는 PaCO2는 약 60mmHg가 된다.
α-stat법: 이 방법에서는 PaCO₂와 pH에 온도 보정을 하지 않고, 정상 체온, 즉 37℃에서 PaCO₂ 40mmHg와 pH 7.4를 목표로 한다^[50]。

중등도 저체온 체외 순환 하 수술에서는 α-stat, 초저체온 순환 정지 하 수술에서는 pH-stat이 우수하다고 여겨진다^[49]^[50]。

pH-stat법과 α-stat법은 모두 이론적인 결점이 있다. α-stat법은 심근 기능을 최적화하기 위해 선택되는 방법이다. pH-stat법은 뇌의 자기 조절 기능(뇌 혈류와 뇌의 대사 속도의 연관)을 잃게 할 가능성이 있다. 대사에 필요한 것 이상으로 뇌 혈류량을 증가시킴으로써, pH-stat법은 뇌 미세 색전 및 두개 내압 항진을 일으킬 수 있다^[36]。

5. 추가 검사

최근에는 포도당, 젖산, 헤모글로빈, 이상 헤모글로빈, 빌리루빈, 전해질 측정 등, 표준 혈액 검사도 혈액 가스 분석기로 실시할 수 있다^[35]。

파생 변수에는 중탄산염 농도, 동맥혈 산소 포화도(약어: SaO₂), Base excess|염기 과잉^영어 등이 있다. 중탄산염 농도는 측정된 pH와 PCO₂로부터 헨더슨-하셀발히 방정식을 사용하여 산출된다. SaO₂는 측정된 동맥혈 산소 분압(PaO₂)로부터 유도되며, 측정된 헤모글로빈이 모두 정상(옥시 또는 데옥시) 헤모글로빈이라는 가정을 기반으로 계산된다^[36]。

6. 정맥혈 가스 분석

맥박 산소 측정법의 등장으로 피부를 통해 산소 포화도를 비침습적으로 측정하게 되면서, 중환자실 밖에서 산소 공급을 결정하기 위해 동맥혈을 사용하는 경우는 드물어졌다. 산-염기 상태는 대부분의 경우 동맥혈 채취의 고통과 불편함 없이 정맥혈로 결정할 수 있다. 유치 동맥 카테터가 있는 경우, 동맥혈을 쉽게 얻을 수 있으며 여전히 사용된다. 그렇지 않으면 일반적으로 말초 혈관계 정맥, 예를 들어 전완 정맥과 같은 정맥혈을 사용한다.

정맥혈의 pH 및 HCO3 값은 직접 비교할 수 있을 정도로 동맥혈과 가깝다. 정맥혈의 pCO2는 동맥혈과 비교하여 신뢰성이 떨어지지만, 경우에 따라 사용될 수 있다. 정맥혈의 PO2 수치는 항상 동맥혈보다 현저히 낮으며 정맥 PO2로 보고, 라벨을 붙이고 해석해야 한다.

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