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산소 중독

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1. 개요

산소 중독은 과도한 산소 노출로 인해 발생하는 질환으로, 중추신경계, 폐, 눈에 다양한 증상을 유발한다. 1774년 산소 발견 이후, 1878년 폴 베르에 의해 중추신경계 산소 중독이, 1899년 제임스 로렌 스미스에 의해 폐 산소 중독이 처음 기술되었다. 산소 중독은 잠수, 고압 산소 치료, 미숙아 산소 공급 등에서 발생하며, 활성 산소종에 의한 산화 스트레스가 주요 원인이다. 증상으로는 발작, 호흡 곤란, 시야 변화, 망막 손상 등이 나타날 수 있으며, 진단은 증상, 검사, 병력 등을 종합하여 이루어진다. 예방을 위해 다이빙 시 최대 허용 수심 준수, 산소 농도 조절, 미숙아 산소 공급 시 모니터링 등이 중요하며, 치료는 증상에 따라 산소 분압 감소, 수술, 약물 치료 등이 시행된다.

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산소 중독
산소 중독
세 남자가 압력 챔버 안에 있다. 한 명은 마스크에서 숨을 쉬고 있고, 다른 두 명은 시간을 재고 메모하고 있다.
1942-43년 영국 정부는 잠수부의 산소 중독에 대한 광범위한 테스트를 수행했다. 챔버는 3.7 바의 공기로 가압되었다. 중앙의 피실험자는 마스크에서 100% 산소를 호흡하고 있다.
개요
다른 이름산소 독성 증후군
산소 중독
산소 중독
관련 분야잠수 의학
고압 의학
신생아학
원인
유발 물질(산소)
병인세포 손상
역사
발견폴 베르
제임스 로레인 스미스
추가 정보
관련 용어호흡 가스
신생아 치료

2. 역사

폴 베르(Paul Bert)는 1878년에 중추신경계 산소 중독을 처음으로 기술하였다. 그는 고압 산소가 모든 생물에게 매우 높은 독성을 가질 수 있음을 보였다. 예를 들어, 15~20기압의 공기에 종다리를 노출시키면 경련으로 사망한다는 것을 실험으로 증명했다.[135] 이러한 업적 때문에 중추신경계 산소 중독을 "폴 베르 효과"라고 부르기도 한다.[135]

폴 베르트(Paul Bert), 최초로 산소 중독을 기술한 프랑스 생리학자. 1878년


제임스 로렌 스미스(James Lorrain Smith)는 1899년에 폐 산소 중독을 처음으로 기술하였다.[135] 그는 쥐와 조류를 이용한 실험에서 0.43bar에서는 영향이 없지만, 0.75bar의 산소는 폐에 자극을 준다는 것을 발견했다. 폐 산소 중독은 "로렌 스미스 효과"라고 불리기도 한다. 최초로 기록된 인간에 대한 노출은 1910년 보른슈타인에 의해 이루어졌으며, 두 명의 남성이 30분 동안 2.8bar의 산소를 호흡했고, 그 자신은 48분까지 증상 없이 지속되었다. 1912년 보른슈타인은 51분 동안 2.8bar의 산소를 호흡하는 동안 손발의 경련을 일으켰다.

1935년, 앨버트 베인케(Albert R. Behnke) 등은 에서 4.1bar 사이의 잠수에서 시야(Visual field)가 좁아지는(시야협착(tunnel vision)) 현상을 처음으로 관찰했다. 제2차 세계 대전 중, 도널드와 야브로우 등은 폐쇄식 산소 리브리더(rebreather)의 초기 사용을 지원하기 위해 2,000회 이상의 산소 독성 실험을 실시했다. 초기 해군 다이버들은 산소 중독 발작을 "피트에게 잡히는 것"이라고 불렀다.

제2차 세계 대전 이후 10년 동안, 크리스티안 J. 람버츠(Christian J. Lambertsen) 등은 고압 산소 호흡의 영향과 중독 예방법에 대한 추가적인 발견을 했다. 그의 연구는 표준작업절차(Standard Operating Procedure) 개발에 중요한 문서가 되었다.

미숙아 망막증은 제2차 세계 대전 이전에는 관찰되지 않았지만, 그 이후 10년 동안 보조 산소가 이용 가능해지면서 선진국에서 유아 실명의 주요 원인 중 하나가 되었다. 1960년에는 산소 사용이 위험 요인으로 규정되었고, 그 투여는 제한되었다. 그 결과 미숙아 망막증은 감소했지만, 유아 사망률과 저산소증 관련 합병증이 증가했다. 그 이후로 더욱 정교해진 모니터링과 진단을 통해 저산소 상태와 미숙아 망막증 문제의 균형을 맞추는 것을 목적으로 한 산소 사용 프로토콜이 확립되었다.

기관지폐이형성증은 1967년 노스웨이에 의해 처음으로 기술되었고, 진단으로 이어지는 조건이 개괄적으로 설명되었다.

1986년과 1995년, 비터만 등은 어둠카페인이 쥐의 뇌파 활동 변화의 발병을 지연시킨다는 것을 보였다. 1988년, 로버트 윌리엄 해밀턴 주니어(Robert William Hamilton Jr.) 등은 해저 주거 시설 운영을 위한 산소 노출 한계를 설정하기 위해 미국 해양대기청(NOAA)을 위한 절차를 작성했다.

3. 분류

산소 중독은 영향을 받는 장기에 따라 크게 세 가지로 분류된다.


  • 중추신경계: 고압 환경에서 산소 중독이 발생하면 발작을 동반한 의식 상실이 나타날 수 있다.
  • : 장기간 고압 산소에 노출되면 호흡곤란과 가슴 통증이 발생한다.
  • 눈 (망막병증): 장기간 고압 산소에 노출되면 눈에 변화가 생길 수 있다.


고농도 산소를 함유한 공기를 흡입하면 여러 가지 부작용이 발생할 수 있습니다.


산화적 손상은 신체의 모든 세포에서 발생할 수 있지만, 특히 뇌, 폐, 눈의 세 기관이 가장 취약하다. 그 외에도 적혈구 (용혈), , 심장, 내분비샘 (부신, 생식샘, 갑상선), 신장 등의 손상과 일반적인 세포 손상에도 영향을 줄 수 있다.

드물게, 우주 비행 중 고농도 산소가 골 손상에 영향을 줄 수 있다는 연구 결과가 있다. 또한, 만성 폐쇄성 폐질환이나 중추성 호흡 억제 환자의 경우, 고산소증이 간접적으로 이산화탄소 혼수를 유발할 수 있다. 하지만, 해수면 높이 대기압에서 공기를 과호흡하는 것은 산소 중독을 일으키지 않는데, 이는 해수면 공기의 산소 분압이 0.21bar로, 독성이 발생하는 0.3bar보다 낮기 때문이다.

3. 1. 중추신경계 산소 중독

고압 환경에서 발생하는 중추신경계 산소 중독은 경련, 짧은 시간의 경직, 그리고 의식 상실을 유발할 수 있으며, 대기압을 넘는 수압을 경험하는 다이버, 특히 대한민국 해군 특수전전단(UDT/SEAL)과 같은 특수 부대 잠수부에게는 각별한 주의가 필요하다.[23] 이러한 증상은 수중에서 익사로 이어질 수 있어 매우 치명적이다.

중추신경계 산소 중독의 증상은 다음과 같이 나타난다:

  • 시각 변화 (특히 터널 시야)
  • 귓속 울림 (이명)
  • 메스꺼움
  • 경련 (특히 얼굴)
  • 행동 변화 (과민성, 불안, 혼란)
  • 현기증


이러한 증상에 이어 강직간대 발작이 발생할 수 있는데, 이는 두 단계로 구성된다.

1. 몇 초 동안 강한 근육 수축이 발생하는 강직기

2. 근육의 이완과 수축이 번갈아 가며 빠르게 경련을 일으키는 간대기

발작은 의식 상실 (발작 후 상태)로 이어진다.

발작의 시작은 호흡 가스의 산소 분압과 노출 시간에 따라 달라지지만, 발작이 시작되기까지의 노출 시간은 예측하기 어렵다. 실험 결과 개인 간, 그리고 같은 개인에서도 날마다 큰 차이가 있음을 보여준다. 또한, 수중 잠수, 저체온 노출, 운동과 같은 외부 요인들은 중추신경계 증상 발현 시간을 단축시킨다. 내성 감소는 이산화탄소의 체내 유지와 밀접하게 관련되어 있다. 어둠과 카페인과 같은 요인들은 실험 동물에서 내성을 증가시키지만, 사람에게서는 증명되지 않았다.

산소 중독은 스쿠버 다이빙에서 치명적인 위험 요소이며, 발작은 예고 없이 갑자기 발생하여 익사로 인한 사망 위험을 높인다. 이때 다이버는 레귤레이터를 잃고 익사할 수 있다. 전면식 다이빙 마스크는 발작 발생 시 레귤레이터 손실을 방지할 수 있다.

발작의 위험은 산소 부분압과 노출 시간의 누적된 조합의 함수로 보이며, 일부 다이버 훈련 과정에서는 '산소 시계'를 계획하고 모니터링하는 방법을 배운다. '산소 시계'는 가상의 알람 시계로, 산소 압력이 증가함에 따라 더 빨리 움직이며 국립해양대기청 다이빙 매뉴얼에서 권장하는 최대 단일 노출 한계에 도달하면 작동하도록 설정된다.

다음은 산소 부분압에 따른 노출 시간 한계이다. (하지만, 독성 증상이 언제, 어떻게 발생할지 신뢰할 수 있게 예측하는 것은 불가능하다.)

산소 부분압 (bar)최대 노출 시간 (분)
1.645
1.5120
1.4150
1.3180
1.2210



많은 나이트록스 사용 가능 다이브 컴퓨터는 산소 부하를 계산하고 여러 번의 다이빙에 걸쳐 추적할 수 있다. 목표는 호흡 가스의 산소 부분압을 줄이거나 산소 부분압이 더 높은 가스를 흡입하는 시간을 줄임으로써 알람이 작동하지 않도록 하는 것이다.

3. 2. 폐 산소 중독

폐 독성 내성 곡선 그래프. X축은
곡선은 산소 호흡 시 폐활량의 전형적인 감소를 보여준다. 람버트센은 1987년에 0.5bar는 무기한으로 허용될 수 있다고 결론지었다.


폐와 나머지 호흡기는 인체에서 가장 높은 농도의 산소에 노출되므로 만성 독성을 나타내는 첫 번째 기관이다.[20] 폐 독성은 0.5bar를 초과하는 산소 분압에 노출될 때만 발생하며, 이는 정상 대기압에서 50%의 산소 분율에 해당한다.

폐 독성의 초기 징후는 다음과 같다.

  • 95% 이상의 산소에 4~22시간 노출된 후 무증상 기간을 거쳐 기관지염 또는 상기도 염증이 나타난다.
  • 일부 연구에서는 이 수준의 산소에서 약 14시간 후에 증상이 시작된다고 보고한다.[37]


2bar에서 3bar 사이의 산소 분압(대기압의 2~3배인 100% 산소)에서는 노출 3시간 만에 증상이 시작될 수 있다. 정상압 조건에서의 산소 독성 폐 증상은 고압 조건에서의 증상과 동일하지 않을 수 있음을 시사하는 연구 결과도 있다.

폐 기능 검사로 측정한 폐 기능 저하는 다음과 같은 특징을 보인다.

  • 100% 산소에 24시간 연속 노출 시 빠르게 나타날 수 있다.[37]
  • 확산성 폐포 손상 및 급성 호흡곤란 증후군은 일반적으로 100% 산소에 48시간 노출 후 발생한다.
  • 100% 산소를 호흡하면 결국 폐포의 허탈(무기폐)이 발생한다.


미숙아는 고농도 산소에 장기간 노출될 경우 기관지폐 이형성증 위험이 더 높다.

다음은 산소 독성 위험이 높은 그룹이다.

  • 50% 이상의 산소에 노출된 인공호흡기 환자[37]
  • 항암제 블레오마이신과 같이 산소 독성 위험을 증가시키는 화학 물질에 노출된 환자[37]
  • 감압병 치료를 받는 잠수부


따라서, 중환자실에서 인공호흡기를 사용하는 환자에 대한 현재 지침은 산소 농도를 60% 미만으로 유지할 것을 권장한다.

3. 3. 눈 산소 중독

장시간 고농도 산소에 노출되면 눈에 변화가 발생하여 망막에 손상이 발생한다. 특히 미숙아의 경우, 미숙아 망막증이 발생할 수 있는데, 이는 망막 혈관계의 발달이 정지되고 비정상적으로 진행되어 망막 박리를 유발할 수 있다. 산소 보충은 미숙아 망막증의 위험 요인이지만, 주된 요인은 아니며, 보조 산소 사용을 제한해도 발병률이 감소하지 않고 오히려 저산소증 관련 합병증 위험을 높일 수 있다.

고산소성 근시는 폐쇄 회로의 Rebreather|리브리더영어를 사용하는 잠수부나 고압산소치료를 반복적으로 받는 경우에 발생할 수 있다. 이는 수정체의 굴절력 증가 때문이며, 시간이 지나면 대개 회복된다.

고압산소치료의 드문 부작용으로 백내장이 발생할 수 있는데, 이는 수정체의 혼탁으로 인해 시력이 저하되고 심하면 실명에 이를 수 있다.[143] 고령은 고농도 산소 노출에 의한 백내장의 중요한 위험 요인이다.[143]

미숙아 망막증은 선별검사를 통해 대부분 예방 가능하며, 재태 기간 32주 미만 또는 출생 시 체중 1.5kg 미만인 모든 아기는 정기적인 검진이 필요하다.[230]

미숙아 망막증은 자연적으로 호전되기도 하지만, 중증의 경우 레이저 수술이나 베바시주맙 주사로 이상 혈관 증식을 억제하고, Scleral buckle|공막 벅클영어이나 vitrectomy|유리체절제술영어 등의 수술로 망막 재접합을 돕는다.[128]

4. 원인



산소 중독은 과산소증, 즉 신체가 정상보다 높은 분압의 산소에 노출되어 발생한다. 주로 수중 잠수, 고압산소요법, 중환자 치료 및 만성 질환의 장기 치료(특히 미숙아에 대한 산소 보충)의 세 가지 상황에서 발생한다.[50][35] 각 경우의 위험 요인은 다르다.[50]

정상 또는 감소된 주변 압력에서는 과산소증의 영향이 처음에는 폐에 국한되지만, 장기간 노출되거나 고압에서는 다른 장기도 위험하다. 정상 분압의 흡입 산소는 대부분 헤모글로빈이 운반하지만, 산소헤모글로빈 포화도가 거의 완료되면 동맥 산소 분압이 100mmHg를 초과하여 용존 산소량이 증가한다. 더 높은 농도에서는 과산소증이 폐를 넘어 신체 조직에 광범위하게 영향을 미친다.[34]

몇 분에서 몇 시간 동안 1.6bar (대기 중 산소 분압의 약 8배) 이상의 산소 분압에 노출되면 중추신경계 산소 중독(급성 산소 중독)이 발생할 수 있으며, 고압산소치료 환자와 잠수부에게 가장 흔하다.[20] 해수면 대기압은 약 1bar이므로, 중추신경계 산소 중독은 고압 환경에서만 발생한다. 잠수부가 60m 이상에서 공기를 호흡하면 산소 중독(발작) 위험이 증가한다. 나이트록스처럼 산소가 풍부한 가스 혼합물 사용 시, 허용되는 최대 작동 수심 아래로 하강하면 더 얕은 수심에서도 발작 위험이 증가한다. 중추신경계 산소 중독은 고이산화탄소 분압, 스트레스, 피로, 추위에 의해 악화되며, 고압 치료보다 잠수에서 더 흔하다.[20]

폐와 호흡기는 인체에서 가장 높은 농도의 산소에 노출되므로 만성 독성을 ആദ്യം 나타낸다.[20] 폐 독성은 0.5bar 초과 산소 분압에서만 발생하며, 이는 정상 대기압에서 50% 산소 분율에 해당한다. 초기 징후는 95% 이상 산소에 4~22시간 노출 후 무증상 기간을 거쳐 기관지염 또는 상기도 염증으로 나타난다. 일부 연구는 이 수준에서 약 14시간 후 증상이 시작됨을 시사한다.[37]

2bar~3bar 산소 분압(대기압의 2~3배인 100% 산소)에서는 노출 3시간 만에 증상이 시작될 수 있다. 쥐 실험은 정상압 조건의 폐 증상이 고압 조건과 다를 수 있음을 시사한다. 폐 기능 검사로 측정한 폐 기능 저하는 100% 산소에 24시간 연속 노출 시 빠르게 나타나며,[37] 확산성 폐포 손상 및 급성 호흡곤란 증후군은 보통 100% 산소에 48시간 노출 후 발생한다. 100% 산소 호흡은 결국 폐포 허탈(무기폐)을 유발하지만, 동일 분압에서 불활성 기체(주로 질소)의 상당한 분압 존재는 이를 방지한다.

미숙아는 고농도 산소 장기 노출 시 기관지폐 이형성증 위험이 높다. 산소 독성 위험이 높은 다른 그룹은 50% 이상 산소에 노출된 인공호흡기 환자와 항암제 블레오마이신 등 산소 독성 위험 증가 화학 물질 노출 환자다.[37] 따라서 중환자실 인공호흡기 사용 환자 지침은 산소 농도를 60% 미만으로 유지하도록 권장한다. 감압병 치료 잠수부는 치료 중 고압 및 장시간 산소 호흡, 잠수 중 산소 노출로 인해 산소 독성 위험이 증가한다.

지질 과산화 메커니즘은 단일 라디칼이 연쇄 반응을 시작하여 불포화 지질을 지질 과산화물로 전환하는 것을 보여준다.


산소 독성의 생화학적 기초는 산소가 하나 또는 두 개의 전자에 의해 부분 환원되어 활성산소종을 형성하는 것이다. 활성산소종은 산소의 정상 대사 부산물이며 세포 신호 전달에 중요하지만, 고농도 산소는 활성산소종 수준을 증가시킨다. 신체 생성 슈퍼옥사이드 음이온()은 철 획득에 관여할 수 있다. 산소는 세포 대사에 필요하며 혈액이 신체 각 부분에 공급한다. 고분압 산소 흡입은 과산소 상태를 유발하며, 혈관이 풍부한 조직이 가장 취약하다. 환경 스트레스 시 활성산소종 수준이 급증하여 세포 구조 손상 및 산화 스트레스가 발생한다.

이러한 종들의 체내 반응 메커니즘은 완전히 이해되지 않았지만, 가장 반응성 높은 산화 스트레스 생성물 중 하나는 하이드록실 라디칼()이며, 세포막 내 불포화 지질에서 지질 과산화 연쇄 반응을 시작한다.[13] 고농도 산소는 일산화질소, 과산화질소, 트리옥시단 등 다른 자유 라디칼 형성을 증가시켜 DNA 등에 손상을 준다. 신체는 글루타티온 등 항산화 시스템을 갖지만, 고농도 자유 산소에서는 압도되어 세포 손상 속도가 방지/복구 시스템 용량을 초과한다. 결과적으로 세포 손상 및 사멸이 발생한다.

산소 중독은 스쿠버 다이빙의 치명적 위험 요소로, 발작은 익사 위험을 높인다.[23] 발작은 예고 없이 발생하며, 갑작스런 경련과 의식 상실로 레귤레이터를 잃고 익사할 수 있다. 전면식 다이빙 마스크는 발작 시 레귤레이터 손실을 방지한다. 마우스피스 고정 스트랩은 저렴한 대안이나 효과가 덜하다.[23] 심해/장시간 다이빙, 산소 농후 호흡 가스 사용은 중추신경계 산소 중독 위험을 높여, 다이버는 호흡 가스의 최대 작동 수심 계산법을 배우고, 실린더에 해당 수심을 표시해야 한다.

발작 위험은 부분압, 지속 시간의 누적 조합인 용량의 함수로 보인다. 발작 방지 산소 부분압 한계는 미확립 상태이며, 개인차 등 여러 변수에 따라 달라진다. 개인 위험은 민감도, 운동량, 이산화탄소 정체(호흡 작업 영향)에 따라 크게 좌우된다.[23]

위험 수준 도달 가능 다이빙 방식의 다이버 훈련 과정은 '산소 시계' 계획 및 모니터링을 교육한다. 이는 가상 알람 시계로, 산소압 증가 시 빨라지며 국립해양대기청 권장 최대 단일 노출 한계 도달 시 작동한다. 산소 부분압 한계는 1.6bar 45분, 1.5bar 120분, 1.4bar 150분, 1.3bar 180분, 1.2bar 210분이나, 독성 증상 발생 예측은 불가능하다. 많은 나이트록스 사용 다이브 컴퓨터는 산소 로딩을 계산, 추적한다. 목표는 호흡 가스 산소 부분압 감소, 고부분압 가스 흡입 시간 단축으로 알람 작동 방지다. 산소 비율, 깊이에 따른 산소 부분압 증가로, 얕은 수심, 저산소 가스 흡입, 고산소 가스 노출 시간 단축으로 산소 시계 시간을 확보한다.[4] 일부 테크니컬 다이빙 감압 컴퓨터, 리브리더 제어/모니터링 하드웨어는 이 기능을 제공한다.[56][2]

공기 사용 56m 이하 다이빙은 산소 부분압 1.4bar 초과로 산소 중독 위험이 증가하므로, 21% 미만 산소 함유 혼합물(저산소 혼합물)을 써야 한다. 질소 비율 증가는 마취성 혼합물 생성으로 효과가 없다. 헬륨은 비마취성이므로, 질소를 헬륨으로 완전 대체(헬리옥스)하거나 일부 대체(트리믹스)하여 블렌딩해 사용한다.

폐 산소 중독은 다이빙 중 완전 회피 가능 사건이다. 다이빙은 지속 시간 제한, 간헐적이므로 다이버에게 드물고 가역적인 합병증이다. 확립 지침으로 폐 독성 위험 시점을 계산할 수 있다. 포화 다이빙은 생활 공간 가스 내 산소 함량을 0.4bar 미만으로 제한해 방지한다.[24]

5. 증상 및 징후

0.5기압을 초과하는 산소 분압에 노출되면 폐 독성 증상이 나타날 수 있으며,[40] 이는 만성 산소 중독으로도 알려져 있다.[20] 폐 독성 증상은 기관지에서 시작하여 폐로 퍼지는 염증 때문에 발생한다. 증상은 흉골 아래쪽 및 기관분기점 부위에서 나타난다. 이는 흡입 시 가벼운 간지럼으로 시작하여 잦은 기침으로 악화된다. 높은 분압의 산소를 계속 호흡하면 흡입 시 가벼운 작열감과 함께 억제할 수 없는 기침 및 때때로 숨가쁨(호흡곤란)이 나타난다. 폐 독성과 관련된 신체적 소견으로는 청진기를 통해 들리는 거품 소리(거품 수포음), 발열, 코 점막의 혈류 증가(비점막의 충혈)가 있다.

미숙아의 경우 눈 손상의 징후(미숙아 망막증(ROP))는 검안경을 통해 관찰되는데, 영아의 망막에서 혈관이 형성된 부위와 혈관이 형성되지 않은 부위 사이의 경계로 나타난다. 이 경계의 정도에 따라 네 단계로 구분한다.


  • (I) 경계가 선으로 나타난다.
  • (II) 경계가 융기로 나타난다.
  • (III) 융기 주변에 새로운 혈관이 자란다.
  • (IV) 망막이 안구 내벽(맥락막)에서 분리되기 시작한다.


몇 분에서 몇 시간 동안 대기 중 산소 분압의 약 8배 이상인 산소 분압에 노출되면 중추신경계 산소 중독(급성 산소 중독)[20]이 발생할 수 있으며, 고압산소치료를 받는 환자와 잠수부에게서 가장 흔하게 발생한다.

중추신경계 산소 중독은 이산화탄소의 높은 분압, 스트레스, 피로 및 추위에 의해 악화되며, 이러한 요인들은 고압 치료보다 잠수에서 훨씬 더 발생하기 쉽다.[20]

고농도의 산소에 장기간 노출되면 망막이 손상된다.

고산소증 근시는 폐쇄 순환 산소 재호흡기 잠수부가 장시간 노출될 때 발생한다. 반복적인 고압 산소 치료를 받는 사람들에게서도 자주 발생한다. 이는 축장과 각막곡률측정 수치가 근시 변화의 각막 또는 길이 기반을 나타내지 않기 때문에 렌즈의 굴절력 증가 때문이다. 일반적으로 시간이 지나면 회복된다.

고압 산소 치료의 부작용으로는 백내장의 초기 발생 또는 추가 발생이 있다.

6. 진단

잠수부의 경우, 발작 전 중추신경계 산소 중독 진단은 어렵다. 시각 장애, 귀 질환, 어지러움, 혼란, 메스꺼움과 같은 증상은 마취, 울혈 및 추위와 같이 수중 환경에서 흔히 발생하는 여러 요인에 기인할 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 증상은 고압산소 치료를 받는 환자에게서 산소 중독 초기 단계를 진단하는 데 도움이 될 수 있다. 어느 경우든, 간질의 과거력이 없거나 검사 결과 저혈당증을 나타내지 않는 한, 1.4bar 이상의 분압으로 산소를 호흡하는 상황에서 발생하는 발작은 산소 중독 진단을 시사한다.

호흡 곤란을 보이는 신생아의 기관지폐 이형성증 진단은 처음 몇 주 동안 어렵다. 그러나 이 기간 동안 신생아의 호흡이 개선되지 않으면, 혈액 검사와 X선 촬영을 통해 기관지폐 이형성증을 확인할 수 있다. 또한, 심장 초음파 검사는 선천성 심장 질환이나 폐동맥 고혈압과 같은 다른 가능한 원인을 배제하는 데 도움이 될 수 있다.

영아의 미숙아 망막증 진단은 일반적으로 임상적 환경에 따라 시사된다. 미숙아, 저체중, 산소 노출 병력이 주요 지표이며, 유전적 요인은 패턴을 나타내는 것으로 밝혀지지 않았다.[120] 동맥혈 산소 분압을 측정하여 임상 진단을 확정할 수 있다.[20]

산소 중독과 혼동될 수 있는 다른 질환들은 다음과 같다:[20]

7. 예방

산소 중독 예방은 환경에 따라 다르다. 수중 및 우주 환경에서는 적절한 예방 조치를 통해 심각한 산소 중독을 막을 수 있다. 미숙아의 경우 조산 합병증 치료를 위해 산소 보충이 필요하며, 기관지폐이형성증과 미숙아 망막증을 예방하면서 생명 유지에 충분한 산소를 공급해야 한다.[51]

스쿠버 다이빙에서 산소 중독은 중추신경계에 영향을 미쳐 경련 발작을 일으키고 익사 위험을 높이는 치명적인 위험 요소이다.[155][23] 발작은 예고 없이 갑자기 발생할 수 있으며, 의식 상실과 함께 레귤레이터를 잃고 익사할 수 있다. 전면식 다이빙 마스크는 발작 시 레귤레이터 손실을 방지하는 장점이 있으며, 마우스피스 고정 스트랩은 저렴한 대안이다.[155]

고심도, 장시간 다이빙, 고농도 호흡 가스 사용 시 중추신경계 산소 중독 위험이 증가하므로, 다이버는 고농도 호흡 가스에 대한 최대 운용 수심을 계산하고, 해당 혼합 가스가 든 잠수용기에 수심을 명확히 표시해야 한다. 발작 위험은 산소 분압과 노출 시간의 누적 조합인 "투여량"의 함수이며,[155] 개인의 민감도, 운동 강도, 이산화탄소 혈중 농도에 따라 위험이 달라질 수 있다.[155]

일부 다이버 훈련 과정에서는 '산소 시계'를 계획하고 감시하는 방법을 가르친다. 이는 산소압 증가에 따라 빠르게 작동하며, NOAA 다이빙 매뉴얼에서 권장하는 최대 단일 노출 한계에 도달하면 작동한다. 하지만 산소 중독 증상 발생 예측은 불가능하다.[122][121] 많은 나이트록스 대응 다이브 컴퓨터는 산소 부하를 계산하고 추적할 수 있다. 목표는 호흡 가스 중 산소 분압을 줄이거나, 고농도 산소 가스 흡입 시간을 단축하는 것이다. 산소 분압은 호흡 가스 중 산소 농도와 잠수 수심에 따라 증가하므로, 얕은 수심, 저농도 산소 가스 흡입, 고농도 산소 가스 노출 시간 단축으로 산소 시계 시간을 연장할 수 있다.[139] 일부 테크니컬 다이빙용 감압 컴퓨터 및 리브리더는 이 기능을 제공한다.[185][137]

공기로 56m 이상 잠수 시 산소 분압이 1.4bar를 초과하여 산소 중독 위험이 증가하므로, 21% 미만 산소를 포함하는 혼합 가스(저산소 혼합물)를 사용해야 한다.[123] 질소 비율 증가는 질소 최면 효과를 유발하므로,[123] 헬륨으로 질소를 대체한 헬리옥스나 트리믹스를 블렌딩하여 사용한다.

대부분의 다이빙은 제한된 시간 동안 간헐적이므로, 폐 산소 중독은 드물고 가역적인 합병증이다. 규정된 지침을 통해 폐 산소 중독 위험을 계산할 수 있으며, 포화 잠수에서는 활동 지역 내 가스의 산소 함량을 0.4bar 이하로 제한하여 예방한다.[156]

산소 저항성 검사를 통한 선별 검사는 저항성이 낮아 산소 경련을 일으키기 쉬운 잠수부를 확인하는 것이 목적이다.[161] 그러나 이 검사의 유효성에 대한 의문이 제기되고 있으며, 일부 해군에서는 사용을 중단했지만, 다른 해군에서는 여전히 요구하고 있다.[161] 1976년부터 1997년까지 6,250건의 산소 저항성 검사 중 산소 중독은 6건(0.1%)이었다.

인도 해군의 산소 저항성 검사는 미국 해군미국 해양대기청 권고에 따라, 100% 산소를 절대압 2.8bar에서 30분간 건조 고압 챔버 내 안정 상태에서 호흡하는 것이다.[161] 감시자는 중추신경계 산소 중독 발작 발생 시 응급 조치 훈련을 받아야 한다.[161]

발열이나 간질 발작 과거력이 있는 경우, 고압산소치료는 상대적 금기이다. 감압병 치료에는 고압산소치료가 시행될 수 있지만, 미국 해군 프로토콜에서는 발작 및 폐 손상 가능성을 줄이기 위해 100% 산소 흡입 중 공기 휴식 기간을 둔다.[124]

비타민 E셀레늄은 폐 산소 중독 보호 방법으로 제안되었으나 기각되었다. 그러나 비타민 E와 셀레늄이 생체 내 지질 과산화와 활성산소 손상 방지에 도움을 주어 반복적인 고압산소 노출 후 망막 변화를 예방한다는 쥐 대상 실험 근거가 있다.

기관지폐이형성증은 초기 단계에서 저분압 산소 중단 시간을 두면 가역적이지만, 진행되면 비가역적 폐 손상을 유발할 수 있다. 이러한 손상은 산소 공급 중단 없이 1~2일 노출이 필요하다.

미숙아 망막증은 선별 검사로 예방 가능하다. 현재 가이드라인에서는 재태 기간 32주 미만 또는 출생 체중 1.5kg 미만인 모든 아기는 2주마다 미숙아 망막증 선별 검사를 받아야 한다.[230] 1954년 "National Cooperative Study"는 보조 산소와 미숙아 망막증의 인과 관계를 밝혔지만, 보조 산소 제한은 유아 사망률 증가를 초래했다. 저산소증과 미숙아 망막증 위험 균형을 위해 현대 프로토콜에서는 산소 공급 미숙아의 혈중 산소 수준 모니터링이 요구된다.

산소 중독 위험과 장기 치료 산소량 최소화를 위해, 목표 산소화 수준을 달성하면서 공급 농도를 신중하게 조절해야 한다.[166] 산소 요법 시 일반적인 산소 포화도 목표는 정상 분만아와 조산아 모두 91-95% 범위이다.[180]

고농도 산소 반복 노출은 고압산소요법,[129] 포화 잠수 등 고압 환경에서 발생할 수 있다. 미국 해양대기청(NOAA)의 Robert William Hamilton Jr.|로버트 윌리엄 해밀턴 주니어영어 등은 단회 및 반복 노출 허용 수준을 결정했다.[179] 급성 및 만성 독성 허용 노출은 구분되지만, 실제로는 연속적인 노출 범위의 양극단이다.[179] 일상 노출과 응급 치료 노출을 구분할 수 있으며, 후자의 경우 더 높은 산소 중독 위험이 정당화될 수 있다.[179]

1988년 개발된 Repex(반복 노출) 방법은 대기압에서 100% 산소 1분 흡입에 상당하는 단일 용량 값인 OTU를 이용하여 산소 중독 용량을 계산하고, 수일간 작업 노출로 인한 산소 독성 영향을 피할 수 있다.[179] 일부 잠수 컴퓨터는 수심과 호흡 가스 혼합물에 기반하여 OTU를 자동 기록·추적한다. 최근 노출되지 않은 사람은 더 많은 노출이 허용되고, 연속 노출 일수 증가에 따라 1일 허용 용량이 감소한다.[179] 그러나 이 값들은 현재 데이터로 완전히 뒷받침되지 않을 수 있다.[138]

여러 날의 전신 산소 노출에 대한 NOAA REPEX 한계값[179]
노출 일수1일 평균량 (OTU)총량 (OTU)
1850850
27001400
36201860
45252100
54602300
64202520
73802660
83502800
93302970
103103100
11 - 30300300×일수



다양한 분압 하에서의 분당 산소 중독 단위(Oxygen toxicity units: OTU)[179]
PO2 (atm)OTU per minute
0.00
0.55atm0.15
0.27
0.65atm0.37
0.47
0.75atm0.56
0.65
0.85atm0.74
0.83
0.95atm0.92
1.00
1.05atm1.08
1.16
1.15atm1.24
1.32
1.25atm1.40
1.48
1.35atm1.55
1.63
1.45atm1.70
1.78
1.55atm1.85
1.92
1.65atm2.00
2.07
1.75atm2.14
2.21
1.85atm2.28
2.35
1.95atm2.42
2.49



2019년 연구에서는 아래 식에 의한 중독 지수(Toxicity Index: TI)도 제안되었다.[138]

TI = t2 × PO2c

t: 시간, c: 지수항, PO2: 산소 분압

이는 활성산소 또는 활성질소종을 생성하는 화학 반응에서 도출되었으며, 중추신경계 독성의 경우 c=6.8, 폐 독성의 경우 c=4.57에서 양호한 예측을 제공한다.[138]

폐 독성의 경우, 시간은 시간 단위, PO2는 절대압, TI는 250으로 제한된다.[138] 중추신경계 독성의 경우, 시간은 분 단위, PO2는 절대압으로 대기압이며, TI는 26,108에서 1% 위험을 나타낸다.[138]

8. 치료

고압산소요법 중에는 환자가 약 2.8bar의 압력으로 가압된 고압 챔버 안에서 마스크를 통해 보통 100% 산소를 흡입한다. 치료 중 발작이 발생하면 환자의 마스크를 제거하여 흡입되는 산소의 분압을 0.6bar 이하로 낮춘다.

수중에서 발작이 발생하면 가능한 한 빨리 잠수부를 수면으로 올려야 한다. 동맥 가스색전증(AGE)의 위험 때문에 발작 중에는 잠수부를 올리지 않는 것이 오랫동안 권장되었지만, 성문이 기도를 완전히 막지 않는다는 증거가 있다. 이 때문에 해양 및 고압 의학 학회의 잠수위원회는 조절기가 잠수부의 입에 없을 경우(익사의 위험이 AGE의 위험보다 더 크기 때문에) 발작의 간대성(경련성) 단계에서 잠수부를 들어 올리는 것이 좋다는 현재 권장 사항을 제시했다. 그러나 그렇지 않은 경우에는 간대성 단계가 끝날 때까지 상승을 지연해야 한다. 구조자는 경련성 단계 동안 자신의 안전이 위험에 처하지 않도록 한다. 그런 다음 피해자의 공기 공급이 확립된 경우 유지되도록 하고 제어 부력 상승을 수행한다. 의식을 잃은 사람을 들어 올리는 것은 대부분의 레크리에이션 잠수 훈련 기관에서 고급 기술로 가르치며, 전문 잠수부에게는 기본 기술이며 대기 잠수부의 주요 기능 중 하나이다. 수면에 도달하면 추가적인 합병증으로 인해 의료 처치가 필요할 가능성이 있으므로 항상 응급 서비스에 연락한다.

기관지폐 이형성증 또는 급성 호흡 곤란 증후군의 증상이 발생하면 산소 투여 비율을 낮추고 노출 기간을 단축하며 정상 공기가 공급되는 휴식 기간을 늘려 치료한다. 다른 질병의 치료에 보조 산소가 필요한 경우(특히 유아의 경우) 폐 조직이 팽창된 상태를 유지하기 위해 인공호흡기가 필요할 수 있다. 압력과 노출 시간은 점진적으로 줄이고 기관지 확장제와 폐 계면활성제와 같은 약물을 사용할 수 있다.

미숙아 망막증은 자연적으로 퇴행될 수 있지만, 질병이 임계값을 넘어서면(5시간 연속 또는 8시간 누적 3기 미숙아 망막증으로 정의됨) 냉동 수술과 레이저 수술 모두 실명 위험을 줄이는 것으로 나타났다. 질병이 더 진행된 경우 공막 봉합술 및 유리체 절제술과 같은 기술이 망막 재부착에 도움이 될 수 있다.

9. 역학

제2차 세계 대전 이후 잠수부들 사이에서 중추 신경계 산소 중독 발생률은 감소했다. 이는 산소 노출과 분압을 제한하는 프로토콜이 개발되었기 때문이다. 1947년 도널드(Donald)는 순수 산소를 호흡할 수 있는 깊이를 7.6m로 제한할 것을 권장했는데, 이는 1.8bar의 산소 분압에 해당한다.[115] 시간이 지남에 따라 이 한계는 줄어들어 오늘날 레크리에이션 다이빙 중에는 1.4bar, 얕은 감압 정지 중에는 1.6bar의 한계가 일반적으로 권장된다.[131] 그러나 산소 재호흡기를 사용하는 군사 잠수부는 제한된 기간 동안 더 깊은 곳에서 더 큰 위험을 감수하고 작업할 수 있다.[243] 장비 고장과 인적 오류로 인한 경우를 제외하고는 산소 중독은 이제 드물게 발생한다. 역사적으로 미국 해군은 산소 중독 사고를 줄이기 위해 해군 잠수 매뉴얼 공기 및 혼합 가스 표를 개선해 왔다. 1995년부터 1999년 사이에 헬륨-산소 표를 사용하는 405회의 표면 지원 잠수 중 6회의 잠수(1.5%)에서 산소 중독 증상이 관찰되었다. 결과적으로 미국 해군은 2000년 일정을 수정하고 150회의 잠수에 대한 현장 시험을 실시했는데, 그중 어느 것도 산소 중독 증상을 나타내지 않았다. 개정된 표는 2001년에 발표되었다.

내성의 변동성과 작업량과 같은 다른 변동 요인으로 인해 미국 해군은 산소 내성 검사를 중단했다. 1976년부터 1997년까지 실시된 6,250건의 산소 내성 검사 중 산소 중독이 발생한 경우는 단 6건(0.1%)에 불과했다.

고압 산소 치료를 받는 환자의 중추 신경계 산소 중독은 드물며 개인의 민감도, 치료 프로토콜, 그리고 치료 적응증 및 사용된 장비 등 여러 요인의 영향을 받는다. 1996년 Welslau의 연구에 따르면 107,264명의 환자 중 16건(0.015%)의 사례가 보고되었으며, Hampson과 Atik은 2003년 0.03%의 비율을 발견했다. Yildiz, Ay 및 Qyrdedi는 1996년부터 2003년까지 36,500명의 환자 치료를 요약하여 산소 중독 사례가 3건(0.008%)에 불과하다고 보고했다. 8만 명이 넘는 환자 치료에 대한 후속 검토 결과 더 낮은 비율인 0.0024%가 나타났다. 발생률 감소는 산소를 전달하기 위해 후드가 아닌 마스크를 사용했기 때문일 수 있는데, 마스크에는 사강이 덜하기 때문이다.

고압 산소 요법에서 중추 신경계 독성의 전반적인 위험은 2,000~3,000회의 치료 중 1회 정도일 수 있지만, 압력에 따라 다르다. 2.8~3.0 절대압(ATA)보다 고압의 치료 일정에서는 200회에 1회 정도로 높아질 수 있고, 2 ATA 이하의 일정에서는 10,000회에 1회 정도로 낮아질 수 있다.[119]

기관지폐 이형성증은 미숙아에서 가장 흔한 합병증 중 하나이며, 매우 미숙아의 생존율이 증가함에 따라 발생률도 증가했다. 그러나 보충 산소의 관리가 개선됨에 따라 중증도는 감소했으며, 이 질병은 이제 고산소증 이외의 다른 요인과 주로 관련이 있다.

1997년 선진국의 신생아 집중 치료실 연구 요약에 따르면, 저체중아의 최대 60%가 미숙아 망막증을 발생시켰으며, 출생 시 체중이 1kg 미만인 극도로 저체중아의 경우 72%까지 증가했다. 그러나 심각한 결과는 훨씬 덜 빈번하다. 출생 시 체중이 1.5kg 미만인 매우 저체중아의 경우 실명 발생률은 8%를 넘지 않는 것으로 나타났다.

10. 사회와 문화

레크리에이션 스쿠버 다이버는 일반적으로 산소 함량이 40% 이하인 나이트록스를 호흡하며, 테크니컬 다이버는 감압을 가속화하기 위해 순수 산소 또는 산소 함량이 80% 이하인 나이트록스를 사용한다. 공기(21%)보다 높은 산소 농도를 호흡하는 다이버는 산소 중독의 위험성과 그 위험 관리 방법에 대한 교육을 받아야 한다.[151] 나이트록스를 구입하려면 다이버는 관련 자격 증명을 제시해야 할 수 있다.

1990년대 후반 이후로 산소 바에서 산소의 오락적 사용을 홍보해 왔으며, 고객들은 비강 캐뉼라를 통해 산소를 흡입한다. 이것이 스트레스를 완화하고 활력을 증가시키며, 숙취두통의 영향을 줄인다는 주장이 있지만, 이를 뒷받침하는 과학적 증거는 부족하다.[149] 또한 "산소 마사지"나 "산소 디톡스"를 제공하여 체내 독소를 제거하고 체지방을 감소시킨다는 장치도 판매되고 있다.[181] 미국폐협회는 "바에서 사용되는 저유량의 산소가 정상적인 사람의 건강에 위험하다는 증거는 없다"고 말하지만, 미국의 의약품평가연구센터는 심장이나 폐 질환이 있는 사람은 보조 산소를 신중하게 조절해야 하며 산소 바를 사용해서는 안 된다고 경고한다.[149]

쥘 베른이 1872년에 쓴 단편 소설 옥스 박사의 환상에서는 주인공인 옥스(Ox) 박사와 조수 이그네(Ygène)가 순수 산소를 키켄도네 마을 전체에 펌프로 보내 평소 온순한 주민들을 공격적으로 만든다는 내용이 있다.

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