background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

1

 

 

RESPIRATORY  PHYSIOLOGY  ………  Proff.Amjad Fawzi 

Respiratory System Functions 

1.  Gas exchanger  
2.  Regulation of blood pH  
3.  Voice production  
4.  Olfaction  
5.  Protection  

Respiration includes 2 processes: 

6.  External respiration: uptake of O2 and removal of CO2 between lungs and 

environment. 

7.  Internal  respiration:  uptake  of  O2  and  removal  of  CO2  between  cells  and 

their fluid medium. 

The  respiratory  system  is  made  up  of  a  gas  exchanging  organ(the  lungs)  and  a 
pump that ventilate the lungs. This pump is made up of: 

1.  Chest wall muscles which increase and decrease the size of thoracic cavity. 
2.  least  resistance  to  air  flow  is  in  the  very  small  bronchiols  and  terminal 

bronchiols  because  of  their  large  cross-sectional  area.Alveoli  are  lined 
mostly by thin layer of squamous epithelium. 

3.  Brain centers which control the respiratory muscles. 
4.  Nerves which connect the brain with respiratory muscles. 

        Respiratory Airways:

 

1.  Anatomical  classification:  nose,  pharynx  (upper  respiratory  tract),larynx, 

trachea,  bronchi,  bronchioles,  terminal  bronchioles,  respiratory  bronchioles, 
alveolar ducts, alveolar sacs, and alveoli(lower respiratory tract). 

2.  Physiological  classification:  nose,  pharynx,  larynx,  trachea,  bronchi, 

bronchioles,  terminal  bronchioles(conducting  zone-divided  16  times)
respiratory  bronchioles,  alveolar  ducts,  alveolar  sacs,  and  alveoli(respiratory 
zone
-divided  7  times).These  23  divisions  greatly  increase  the  total  cross 
sectional area thus much reducing air flow through small airways.  

To keep the trachea from collapsing multiple cartilage rings extend about five sixth 
of the way around the trachea which become less and less extensive and then they 
are  completely  gone  in  the  bronchioles  which  by  now  are  not  prevented  from 
collapsing  by  any  rigidity  of  their  walls.  Instead,  they  are  expanded  by  the  same 
transpulmonary  pressures  that  expand  the  alveoli.  In  all  areas  of  the  trachea  and 
bronchi not occupied by cartilage plates, the walls are composed mainly of smooth 
muscles. The walls of the bronchioles are almost entirely smooth muscles, with the 
exception of the respiratory bronchioles that has only a few smooth muscle fibers. 
The  chief  site  of  airway  resistance  in  the  airway  passages  is  at  the  medium-sized 
segmantal  bronchi,  where  the  radius  of  the  individual  bronchi  is  decreased.  The 
typeI) alveolar cells and few thick (type II) surfactant secreting cells in addition to 
the alveolar macrophages which engulph small particles reaching the alveoli. Mast 
cells  also  present  which  contains  histamine  responsible  for  allergic 
reactions(bronchial asthma). 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

2

 

 

Respiratory functions of the nose: 

[1] Warming the airby the extensive surfaces of the conchae and septum. 
[2] The air is almost completely humidified. 
[3] The air is filtered. 

When a person breathes air through atube directly into the trachea (as through a 

tracheostomy), the cooling and especially the drying effect in the lower lung can lead 
to serious lung crusting and infection. The nasal filtration of air for removing particles 
from air is so effective that almost no particles larger than 4 to 6 microns in diameter 
enter the lung through the nose. Of the remaining particles, many of smaller size settle 
out  in  the  smaller  bronchioles  as  a  result  of  gravitational  precipitation.  Some  of  the 
particles smaller than 1 micron in diameter diffuse against the walls of the alveoli and 
adhere  to  the  alveolar  fluid.  But  many  particles  smaller  that  0.5  micron  in  diameter 
remain suspended in the alveolar air and are later expelled by expiration. For instance, 
the particles of cigarette smoke have a particle size of about 0.3 micron. Almost none 
of these are precipitated in the respiratory passageways before they reach the alveoli. 
However, up to one third of them do precipitate in the alveoli by the diffusion process, 
and  the  remaining  suspended  and  expelled  in  the  expired  air.  Particles  that  become 
entrapped  in  the  alveoli  are  removed  mainly  byalveolar  macrophages.  An  excess  of 
particles  causes  growth  of  fibrous  tissue  in  the  alveolar  septa,  leading  to  permanent 
debility. 

All  the  respiratory  passages  are  kept  moist  by  a  layer  of  mucus  that  coats  the 

entire surface which is secreted by goblet cells in the epithelial lining of the passages 
and  by  small  submucous  glands.  Themucus  also  traps  small  particles  out  of  the 
inspired  air  and  keeps  most  of  these  from  ever  reaching  the  alveoli.  Then  the  mucus 
itself is removed from the passages by the continual beating of the cilia, which cover 
the  entire  surface  of  the  respiratory  passages.  The  cilia  in  the  lower  respiratory 
passages beat upward while those in the nose beat downward. This continual beating 
causes the coat of mucus to flow slowly toward the pharynx. Then the mucus and its 
entrapped particles are either swallowed or coughed to the exterior. 

 

 

 
[A] 

Nervous control of the bronchioles:

The only important nervous control to 

the bronchioles is by way of parasympathetic vagus nerves fibers. These nerves secrete 
acetylcholine  and  when  activated  cause  mild  to  moderate  constriction  of  the 
bronchioles
.  Irritants  entering  the  airways,  such  as  smoke,  dust,  sulfur  dioxide,  and 
some  of  the  acidic  elements  in  smog,  can  all  initiate  local  reactions  that  cause 
obstructive constriction of the bronchioles mediated through a parasympathetic reflex. 
 
[B] 

Humoral  control  of  the  bronchioles:

several  different  humoral  substances 

are often quite active in causing bronchiolar constriction. Two of the most important of 
these  are  histamine  and  the  substance  called  slow  reactive  substance  of  anaphylaxis 
(SRA).  Both  of  these  are  released  in  the  lung  tissues  by  mast  cells  during  allergic 
reactions. Therefore, they play key roles in causing the airway obstruction that occurs 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

3

 

 

in allergic asthma. In addition, the airway smooth muscle is highly responsive to CO

2

high  blood  CO

2

  producing  bronchodilataion  and  low 

CO

2

bronchoconstriction.  In 

contrast to the humoral substances that constrict the bronchioles, two other hormones, 
epinephrine  and norepinephrine, both  of which  are secreted  by  the  adrenal glands in 
response  to  sympathetic  stimulation  relax  the  bronchioles  (by  activation  of 
β

2

receptors). Therefore, activation of the sympathetic nervous system is often valuable 

in relaxing the airways and preventing obstruction.

 

 
 

Factor 

Effect 

Parasympathetic stimulation 

Bronchoconstriction 

Histamine and SRA 

Bronchoconstriction 

Low blood PCO2 

Bronchoconstriction 

High blood PCO2 

Bronchodilatation 

Sympathetic stimulation to the adrenal glands 
(epinephrine and norepinephrine) 

Bronchodilatation 

 
 

The process of respiration can be divided into four major 
events: 

[1]  Pulmonary  ventilation  which  means  the  inflow  and  outflow  of  air  between  the 
atmosphere and the lung alveoli. 
[2] Pulmonary diffusion (gas exchange in the lung). 
[3] Transport of oxygen and carbon dioxide in the blood and body fluids to and from 
the cells. 
[4] Regulation of ventilation. 
 

(I) 

Pulmonary Ventilation

:

Which includes inspiration and expiration. 

 
[A]Inspiration: 
Normal inspiration is an active process. The lungs can expand in two 
ways: 

[1]By  downward  and  upward  movement  of  the  muscles  of  diaphragm  (supplied 
by phrenic nerves). The downward movement of diaphragm accounts for 75% of 
the  change  in  intrathoracic  volume  during  quiet  inspiration.  In  inspiration, 
contraction of the diaphragm pulls the lower surfaces of the lungs downward. 
[2]
By  raising  the  rib  cage.  In  natural  resting  position,  the  ribs  are  extended 
forward  and  downward,  thus  allowing  the  sternum  to  fall  backward  toward  the 
spinal column. But when the rib cage is elevated, the ribs project directly forward 
so  that  the  sternum  now  also  moves  forward  away  from  the  spine,  making  the 
anterioposterior  thickness  of  the  chest  greater  during  maximum  inspiration.  The 
foreword  movement  of sternum  accounts for 25% of  the  change in  intrathoracic 
volume during quiet inspiration. The muscles for raising the rib cage (muscle of 
inspiration) are external intercostals, sternocleidomastoid ,and scalene. At rest, 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

4

 

 

adequate  ventilation  can  be  maintained  by  diaphragm  or  external  intercostals 
muscle alone. 

 
[B]Expiration: 
Normal expiration is a passive process. The lungs can be shrinked or 
contracted by two 

ways: 
[1]Relaxation of diaphragm and the inspiratory muscles which cause compression 
on  the  lungs.  In  contrast,  during  heavy  breathing,  however,  the  compression 
forces  are  not  powerful  enough  to  cause  the  necessary  rapid  expiration,  so  that 
abdominal  muscles  (abdominal  recti)and  the  muscles  that  pull  the  rib  cage 
downward  (internal  intercostals),  i.e.  muscles  of  expiration  are  contracted  and 
added to the force needed for rapid expiration. 
[2]
Elastic recoil tendency of the lung. 

Maximal  expiratory  pressure  is  achieved  by  fully  contracting  the  expiratory  muscles 
with the lungs fully inflated and the glottis- or airway closed. Forced expiration against 
a  closed  airway  is  termed  a  valsalva  maneuverand  is  commonly  performed  when 
lifting  heavy  objects  or  when  defecating.  Normally,  the  maximal  expiratory  pressure 
that  can  be  achieved  is  100-150  cm  H20  greater  than  atmospheric  pressure.  As  lung 
volume decreases, the maximal achievable expiratory pressure decreases as well. 

Elastic recoil tendency of the lungs:

The lungs have a continual elastic tendency 

to  collapse  and  therefore  to  pull  away  from  the  chest  wall.  This  is  called  the  elastic 
recoil tendency of the lungs and it is caused by two different factors: 
[A]The  presence  of  elastic  fibers  
throughout  the  lungs  which  are  stretched  by  lung 
inflation  and  therefore  attempt  to  shorten.  They  account  for  about  one  third  of  the 
recoil tendency. 
[B]The  surface  tension  of  the  fluid  lining  the  alveoli  which  is  more  important, 
accounts  for  about  two  third  of  the  recoil  tendency,and  causes  a  continual  elastic 
tendency  for  the  alveoli  to  collapse.  The  surface  tension  is  caused  by  intermolecular 
attraction  between  the  surface  molecules  of  the  alveolar  fluid  that  is  each  molecule 
pulls on the next one. 

Intrapleural(intrathoracic) pressure

:The negative(subatmospheric) pleural 

pressure in the pleural space required to prevent collapse of the lungs is called the 
pleural pressure (or intrathoracic pressure) which is about – 2.5 mm Hg at the end of 
expiration and -12 to  -18 mm Hg at the end of inspiration. 

Pressure changes during inspiration and expiration: 

A thin layer 

of fluid normally present between visceral and parietal pleurae. This fluid 
helps the lung to slide easily on the chest wall(lubricant) but resist being 
pulled awayfrom it(sealant) in the same way that 2 moist pieces of glass 
slide on each other but resist separation. 
The lungs are stretched when expanded at birth

. At end of quiet expiration,their 

tendency to recoil from the chest wall is just balanced by the tendency of the chest 
wall to recoil in the opposite direction (neutral point).If the chest wall is opened, the 
lungs collapse(pleural pressure becomes atmospheric) and if the lungs lose their 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

5

 

 

elasticity the chest expands and becomes barrel- shaped(eg: emphysema).Inspiration is 
an active process.The contraction of the inspiratory muscles increases the intrathoracic 
volume.During quiet breathing, the intrapleuralpressure ,which is about -2.5 mmHg 
(relative to atmospheric)at the start of inspiration, decreases to about -6mmHgm  and 
lungs become more expanded. The pressure in the airway becomes slightly negative, 
and air flows into the lungs. At the end of inspiration, the lung recoil pulls the chest 
back to the expiratory position, where the recoil pressure of the lungs and chest wall 
balance. The pressure in the airway becomes slightly positive, and air flows out of the 
lungs. Expiration during quiet breathing is passive since it does not involve expiratory 
muscle contraction(depends on lung recoil).Strong inspiratory effort during exercise 
reduces pleural pressure to as low as -30 mmHg and correspondingly graeter lung 
expansion. Adequate deflation is achieved by contraction of 
expiratotymuscles(expiration here is active). 

 

 

The  role  of  surfactant: 

A  substance  known  as  surfactant,  which  is  a 

lipoprotein  secreted  from  type  II  alveolar  epithelial  cells  and  has  many  important 
functions: 
[1]Itreduces  the  surface  tension  of  the  fluid  lining  the  alveoli  by  decreasing  the 
forces between the surface molecules of the alveolar fluid, and therefore, allowing the 
lungs to expand. In the absence of surfactant, -20 to -30 mm Hg intrapleural pressure 
required  to  overcome  the  collapse  tendency  of  the  alveoli  as  it  occur  in  some 
premature  babies  who  do  not  secrete  adequate  quantities  of  surfactant  a  condition 
known as hyaline membrane disease or respiratory distress syndrome. 
[2]Surfactant also plays an important role in stabilizing the sizes of the alveoli. When 
the  alveolus  becomes  smaller  and  the  surfactant  becomes  more  concentrated  at  the 
surface  of  the  alveolar  lining  fluid,  the  surface  tension  becomes  progressively  more 
reduced. On the other hand, as an alveolus becomes larger and the surfactant becomes 
less concentrated at the surface of the alveolar lining fluid, the surface tension becomes 
much greater. Thus, this special characteristic of surfactant helps to stabilize the sizes 
of  the  alveoli,  causing  the  larger  alveoli  to  contract  more  and  the  smaller  ones  to 
contract less. This effect helps to ensure that the alveoli in any one area of the lung all 
remain approximately the same size. 
[3]Surfactant is also playing a role in preventing accumulation of edema fluid in the 
alveoli. 
This can be explained as follow; the surface tension of the fluid in the alveoli 
not  only  tends  to  cause  collapse  of  the  alveoli, but  it  also  tends  to  pull  fluid  into  the 
alveoli from the alveolar wall. In the normal lung, when there is adequate amounts of 
surfactant,  still  the  surface  tension  can  pull  fluid  from  the  wall  with  an  average 
pressure  of  -3  mm  Hg  into  the  alveoli  which  can  reabsorb  to  interstitium  with  an 
average pressure of-9 mm Hg. This is what keeps the alveoli dry. On the other hand, in 
the absence of surfactant, the average surface tension force may becomes as great as -
10 to -20 mm Hg which tends to pull fluid into the alveoli causing massive filtration of 
fluid  out  of  the  capillaries  wall  into  the  alveoli,  thus  filling  the  alveoli  with  fluid 
causing sever pulmonary edema. 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

6

 

 

 

Expansibility of the lungs and thorax( Compliance):

defined  as  the  volume 

increase in the lungs for each unit increase in alveolar pressure.It indicates how easily 
a structure can be stretched or inflated. Compliance = [V2-V1] / [P2-P1]. 
The  compliance  and  elasticity  (elastance)  are  inversely  related,i.e.,  Compliance  = 
1/elastance.
 
The  Compliance  of  the  normal  lungs  and  thorax  combined  (total  pulmonary 
Compliance)  is  120-130  ml  /  cm  H

2

O.  That  is,  every  time  the  alveolar  pressure  is 

increased  or  intrapelural  pressure  decreased  by  1  cm  of  water,  the  lungs  expand  130 
ml.Any condition that restrict expansion of the lungs (restrictive lung diseases') causes 
abnormal low compliance such as: 

[1]fibrotic or edematouslung. 
[2]  Any  abnormality  that  reduces  the  expansibility  of  the  thoracic  cage  like 
neuromuscular  or  musculoskeletal  diseases  such  as  deformities  of  the  chest  cage  (as 
kyphosis, sever scoliosis). 

Increased  compliance  is  produced  by  the  pathological  processes  that  occur  in 

emphysema and also result of the aging process. In both condition, there is a decrease 
in the retractive force in the lungs with consequent increase in compliance. 
 

The  Work  Of  Breathing:

During  normal  quiet  respiration,  respiratory  muscle 

contraction  occurs  only  during  inspiration,  whereas  expiration  is  entirely  a  passive 
process  caused  by  elastic  recoil  of  the  lung  and  chest  cage  structures.  Thus,  the 
respiratory muscles normally perform work only to cause inspiration and not at all to 
cause  expiration.  During  normal  quiet  breathing  most  of  the  work  performed  by  the 
respiratory muscles is used to expand the lungs against its elastic forces (compliance 
work).  
A  small  amount  of  only  few  per  cent  of  the  total  work  is  used  to  overcome 
tissue  resistance  (tissue  resistance  work)  which  is  due  to  the  viscosity  of  the  lungs 
and  chest  wall  structures  and  somewhat  more  is  used  to  overcome  airway  resistance 
(airway resistance work). 

The  work  required  to  expand  the  lungs  is  greater  in  adults  than  in  children 

because greater volumes of gas have to be shifted in adults than in children. 

Compliance work and tissue resistance works are especially increased by diseases 

that cause fibrosis of the lungs. On the other hand, airway resistance work is increased 
in heavy breathing and in obstructive airway diseases in which air must flow through 
the respiratory passageways at a very high velocity and greater proportion of the work 
is then used to overcome airway resistance. During normal quiet respiration (at a basal 
level of total energy production by the body) or even during heavy exercise (at a high 
level  of  total  energy  production  by  the  body),  only  2-3%  of  the  total  energy  (total 
O2consumption)  expended  by  the  body  is  required  to  energize  the  pulmonary 
ventilatory  process.  On  the  other  hand,  pulmonary  diseases  that  decrease  the 
pulmonary  compliance,  or  that  increases  airway  resistance,  or  that  increase  the 
viscosity  of  the  lung  or  chest  wall  can  at  times  increase  the  work  of  breathing  up  to 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

7

 

 

30% or more of the total energy expended by the body is for respiration alone which 
may in certain circumstances lead to death. 

 

The  dead  space

:

It  is  the  space  in  which  the  gas  exchange  is  not  taking  place

Some of the air that a person breathes never reaches the gas exchange areas but instead 
goes to fill the respiratory passages. The respiratory passages where no gas exchange 
takes  place  is  called  the  anatomical  dead  space  (which  consist  of  nose,  pharynx, 
larynx,  trachea,  bronchi,  bronchioles).  The  normal  anatomical  dead  space  air  in  the 
young adult is about 150 ml. This increases slightly with age. It also increases by more 
than  half  during  a  maximal  inspiration  because  the  trachea  and  bronchi  expand 
markedly  as  the  lungs  expand.  There  is  another  type  of  dead  space  and  is  called 
physiological  dead space.  This  is  due  to  some  alveoli  are  not functional  or  are only 
partially functional because of absent or poor blood flow through adjacent pulmonary 
capillaries.  Therefore,  from  a  functional  point  of  view,  these  alveoli  must  also  be 
considered to be dead space. In the normal person, all the alveoli are functional in the 
normal lung. Therefore, the volume of physiological dead space is equal to zero. 
Total dead space = anatomical D.S. + physiological D.S. 
= 150 + 0 = 150 ml. i.e. equal to anatomical dead space. 

In person with partially functional or nonfunctional alveoli in some part of lungs, 

the  physiologic  dead  space  is  sometimes  as  much  as  ten  times  the  anatomical  dead 
space. If the tidal volume is 500 ml, a normal dead space of 150 ml, and a respiratory 
rate of 12 times per minute, alveolar ventilation equals 12 x (500 - 150) = 4200ml / 
min. 

 

Ventilation — Perfusion Ratio (VA/Q): 

[1]If some areas of the lungs are well ventilated but have no 
or  almost  no  blood  flow,  VA/Q  =  infinity.  Therefore,  the 
alveolar air has the same composition and concentration of 
the  humidified  inspired  air  (pO

2

  =  149  mm  Hg,  PCO

2

  = 

0.3mm 

Hg). In normal person in the upright position, both 

blood  flow  and  alveolarventilation  are  considerably  less in 
the upper part of the lung than in the lower part. However, 
blood flow is decreased considerably more than ventilation 
because the low-pressure pulmonary capillaries at the lung 
apices  are  compressed  by  the  higher-pressure  lung  alveoli. 
Therefore, at the top of the lung, VA/Q is as much as three 
times  as  great  as the ideal value, which  causes  a  moderate 
degree of  physiologic  dead space in this area  of  the  lung. 
VA/Q  equal  to  infinity  does  not  occur  in  the  normal  lung 
but instead occurs only in abnormal conditions such as in some lung diseases, a fall in 
arterial  pressure  (following  haemorrhage)  or  breathing  against  a  high  pressure  as 
occurs  when  a  person  is  blowing  on  a  musical  instrument.  Breathing  against  a  high 
pressure  causes  a  compression  of  the  pulmonary  capillaries  by  the  high  alveolar 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

8

 

 

pressure. In some chronic obstructive lung diseases such as emphysema, some areas of 
the  lungs  exhibit  very  serious  physiologic  shunt  and  other  areas  very  serious 
physiologic dead space. Both of these tremendously decrease the effectiveness of the 
lungs as gas exchange organ. 
 
[2]
If  some  areas  of  the  lung  have  excellent  blood  flow  but  little  or  no  ventilation, 
VA/Q = zero. Therefore, the alveolar air comes to equilibrium with the venous blood 
gases (PO

2

= 40 mm Hg, PCO

2

 = 45 mm Hg) without further gases exchange because 

there  is  no  new  gas  coming  from  the  exterior  air  to  the  alveoli.  Whenever  VA/Q  is 
below normal (i.e. low ventilation and normal perfusion), the ventilation is not enough 
to  provide  the  O

2

needed  to  oxygenate  the  blood  flowing  through  the  alveolar 

capillaries  and  consequently  leads  to  hypoxemia.  Therefore,  a  certain  fraction  of  the 
venous blood passing through the pulmonary capillaries does not become oxygenated. 
This  fraction  is  called  shunted  bloodas  it  occurs  normally  in  the  bottom  of  the  lung 
with  VA/Q  as  low  as  0.6  times  the  ideal  value.  Also,  some  additional  blood  flows 
through  the  bronchial  vessels  rather  than  through  the  alveolar  capillaries,  normally 
about 2% of the cardiac output, this too is unoxygenated, i.e. shunted blood. The total 
quantitative amount of shunted blood per minute is called the physiologic shunt 

At  a  ratio  of  either  zero(shunt)  or  infinity(dead  space),  there  will  be  no  proper 

exchange  of  gases  through  the  respiratory  membranes  of  the  affected  alveoli.When 
alveolar  ventilation  is  normal  for  a  given  alveolus  and  blood  flow  is  also  normal  for 
the  same  alveolus,  the  VA/Q  is  also  said  to  be  normal(0.8).Therefore,  PCO

2

(40  mm 

Hg) and PO

2

(104 mm Hg) in the alveoli lie somewhere between that of the inspired air 

and that of venous blood. 

 
Compensatory Mechanisms For Matching The Ventilation And 
Perfusion:

 

For proper blood oxygenation, the right proportion of air and capillary blood should be 
available to each alveolus, local changes in the tone of smooth muscles of bronchioles 
and pulmonary vessels help to maintain this equilibrium through two mechanisms: 
 

[1] Local blood PCO

2

.if an alveolus is receiving too much air for its blood supply, 

the blood CO

will be washed out and the concentration of CO

2

in the blood and in the 

surrounding  tissue  will  be  low.  Consequently  the  airways  supplying  the  alveolus  are 
exposed  to this low tissue  CO

2

 concentration  and become  constricted  and vice  versa. 

By this local mechanism, ventilation can be matched to blood supply. 

[2] Local blood PO

2

:

if  an  alveolus  is  receiving  too  little  air  for  its  blood  supply, 

the  blood  and  tissue  O2  will  be  decreased.  A  decreased  O

2

concentration  in  the 

pulmonary  vessel  causes  a  constriction  to  these  vessels  and  vice  versa  (the  opposite 
effect that exerted on systemic arteries). By this local mechanism, perfusion can match 
ventilation. 

 

(II) 

Pulmonary Diffusion (Gas Exchange in the Lungs): 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

9

 

 

After the alveoli are ventilated with fresh air, the next step is diffusion of oxygen from 
the  alveoli  into  the  pulmonary  blood  and  diffusion  of  CO

2

  in  the  opposite  direction, 

from  the  pulmonary  blood  into  the  alveoli.At  rest,  during  each  minute,  body  cells 
consume  about  200ml  of  oxygen  and  produce  about  the  same  amount  of  CO

2

.The 

relative  amounts  of  these  two  gases  depend  primarily  upon  what  nutrients  are  being 
used  for  energy;  e.g.,  when  glucose  is  utilized,  one  molecule  of  CO

2

  is  produced  for 

every  molecule  of  oxygen  consumed.  The  ration  of  CO

2

produced  /  O

2

consumed  is 

known  as  the  respiratory  quotient  (RQ);accordingly  for  glucose  RQ  =  1.When  fat  is 
utilized, only molecules of CO

2

are produced for every 10molecules of O

2

consumed, 

and RQ = 0.7.On mixed diet, the RQ is between these values.

 

 

Composition of alveolar air:

Alveolar air does not have the same concentrations 

of gases as atmospheric air and there are several reasons for this difference: 
[1]The alveolar air is only partially replaced by atmospheric air with each breath. This 
is because that the amount of alveolar air replaced by new atmospheric air with each 
breath (tidal volume  - dead space) is only one several of functional residual capacity. 
So  that  many  breaths  are  required  to  exchange  most  of  the  alveolar  air.  This  slow 
replacement of alveolar air is of particular importance in preventing sudden changes in 
gaseous  concentrations  in  the  blood.  This  makes  the  respiratory  control  mechanism 
much  more  stable  and  helps  to  prevent  excessive  increases  and  decreases  in  tissue 
oxygenation, tissue CO

concentration, and tissue  pH  when  respiration  is temporarily 

interrupted. 
[2]O

2

  is  constantly  being  absorbed  from  the  alveolar  air  into  the  blood  of  the  lungs, 

and  new  O

2

  is  continually  entering  the  alveoli  from  the  atmosphere.  Therefore,  O

2

 

concentration in the alveoli, and therefore, its partial pressure as well, is controlled by: 
[a]- the rate of absorption of O

2

 into the blood, [b]-the rate of entry of new O

2

 into the 

lungs by ventilatory process. 
[3]CO

2

  is  constantly  diffusing  from  the  pulmonary  blood  into  the  alveoli.  The  two 

factors that determine alveolar concentration of CO

2

 and also its partial pressure are (a) 

the  rate  of  excretion  of  CO

from  the  blood  into  the  alveoli  and  (b)the  rate  at  which 

CO

2

 are removed from the alveoli out by alveolar ventilation. 

[4]Dry atmospheric air that enters the respiratory passage is humidified even before it 
reaches the alveoli. This water vapor

simply dilutes all the 

other gases in the inspired air as 

shown in the table. 
 
 
 

 

Composition 

Atmospheric air 
(mm Hg)
 

Humidified air 
(mm Hg)
 

Alveolar     air 
 (mm Hg)
 

Expired      air  
(mm Hg)
 

N

2

 

567 

563.7 

569 

566 

O

2

 

159     

149 

104 

120 

CO

2

 

0.3 

0.3 

40 

27 

H

2

37 

47 

47 

47 

Total 

760 

760 

760 

760 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

10

 

 

 
 

The  Respiratory  Unit:

It  is  composed  of  a  respiratory  bronchiole,  alveolar 

ducts,  alveolar  sacs,  and  alveoli  (about  300  million  in  the  two  lungs).  Each  alveolus 
having an average diameter of about 0.2 mm. the alveolar gases are in close proximity 
to the blood of the capillaries. The gaseous exchange between the alveolar air and the 
pulmonary  blood  occurs  through  the  membrane  of  all  the  terminal  portions  of  the 
lungs. These membranes are collectively called the respiratory membrane (pulmonary 
membrane)
which consist of the following layers:  
[1] Alayer of fluid lining the alveolus and containingsurfactant.  
[2] The alveolar epithelium.  
[3] The epithelial basement membrane.  
[4] Avery thin interstitial space.  
[5]  Acapillary  basement  membrane  that  in  many  placesfuses  with  the  epithelial 
basement membrane and 
obliterating the interstitial space.  
[6] The capillary endothelial membrane. 

 
The average thickness of these layers is about 0.63 micron. The total surface area 

of the respiratory membrane is estimated to be about 160 square meters, over which a 
quantity  of  blood of about  60-140  ml  only  (the  quantity  of  blood  in the  capillaries  if 
the  lung  at  any  given  instant)  is  spread,  which  explain  the  rapidity  of  respiratory 
exchange  of  gases.  In  addition,  the  diameter  of  the  pulmonary  capillaries  is  about  8 
microns which is about the same diameter of RBC, therefore, RBC as it pass through 
these capillaries are in fact in close contact with the endothelial membrane. This also 
help in making the gas exchange rapid because the gases can pass directly from RBC 
to the alveoli without passing through significant plasma. 

 

Factors  That  Affect  Rate  Of  Gas  Diffusion  Through  The 
Respiratory Membrane: 

[1]

The  thickness  of  the  membrane: 

any  factor  that  increases  the  thickness  to 

more  than  two  or  three  times  the  normal  can  decrease  significantly  the  rate  of  gases 
diffusion.  This  can  occur  in  edema  of  the  interstitial  space  of  the  membrane,  and  in 
some fibrotic diseases of the lung.  
[2] 

The surface area of respiratory membrane: 

when the total surface area is 

decreased  to  about  one  third  to  one  fourth  normal,  exchange  of  gases  through  the 
membrane is impeded to a significant degree even under resting conditions. This can 
occur  in  emphysema  of  the  lung  in  which  many  alveoli  coalesce  with  dissolution  of 
many alveolar walls. 

[3] The diffusion coefficient:

 depends proportionally on the solubility of the gas 

in the membrane and inversely on the square root of its molecular weight. Therefore, 
for  a  given  pressuredifference,  CO

2

diffuse  through  the  membrane  about 

20

times  as 

rapidly as O

2

. Oxygenin turn diffuses about two times as rapidly as nitrogen. 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

11

 

 

[4] The pressure difference 

between the two sides of the membrane, which tends 

to move the gas from area of higher partial pressure to an area of low partial pressure. 

 

 

(III) 

Transport of oxygen and carbon dioxide in the blood 
and body fluids

Blood transports O2 and CO2 between the lungs and other body 
tissues.Gases are transported in different forms: 

1.  Dissolved in plasma 
2.  Chemical combination with Hb 
3.  Converted into different molecule. 

It is important to understand the difference between the partial pressure of a gas 
and the gas content of a liquid. The partial pressure of the gas represents the 
pressure it would exert in the gas phase. The gas content represents the volume of 
the gas per unit volume of liquid that is present. Liquids must be exposed to a gas 
tension for a finite  time for the gases to dissolve in the liquid phase. If the 
exposure time is long enough, the gas tension in the liquid will become equal to 
that of the gas phase and an equilibrium will exist between the gases and the 
liquid phases. Gases can move from one point to another by diffusion, which is 
driven by the pressure difference between the two points. Thus, O

2

 diffuses from 

the alveoli (PO

2

 = 104 mm Hg) into the pulmonary capillary blood (PO

2

 = 40 mm 

Hg) where it combines with Hb. Then from the systemic capillaries (PO

2

 = 95 

mm Hg) O

2

 diffuses to and equilibrate with interstitial fluid of 40 mm Hg and 

then diffuses to the cells (PO

2

 = 23 mm Hg). Therefore, PO

2

 of the blood leaving 

the tissues capillaries and entering the veins is about 40 mm Hg. Conversely, 
when O

2

 is metabolized in the cells, the PCO

2

 rises to a high value (PCO

2

 = 46 

mm Hg), which causes CO

2

 to diffuse into the interstitial fluid with PCO

2

 of 45 

mm Hg and then it diffuses to and equilibrate with CO

2

 of blood in tissue 

capillaries (PCO

2

 = 40 mm Hg) and combines with chemical substances in the 

blood that increase CO

2

 transport. Therefore, PCO

2

 of the blood leaving the tissue 

capillaries and entering the veins is about 45 mm Hg. Similarly, it diffuses out of 
the blood into the alveoli because the PCO

2

in the alveoli (40 mm Hg) is lower 

than that in the pulmonary capillary blood (45 mm Hg). 
About 98% of the blood that enters the left atrium from the lungs passes through 
the alveolar capillaries and becomes fully oxygenated (PO

2

 = 104 mm Hg) and 

2% passes through the bronchial circulation (dead space), which represents the 
shunted blood by passing the gas exchange areas and has a PO

2

about the same of 

the normal venous blood (PO

2

 = 40 mm Hg). This blood combines in the 

pulmonary veins with the oxygenated blood from the alveolar capillaries. This 
mixing of the blood is called venous admixture of blood, and it causes the PO

2

of 

the blood pumped by the left heart into the aorta to fall to about 95 mm Hg. 

The PO

2

 in the interstitial fluids is affected by: 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

12

 

 

1-  The  blood  flow:  As  the  blood  flow  increases,  the  O

2

delivery  to  the  tissues 

increases. 

2- Tissue metabolism; if the cells utilize more O

2

 for metabolism than normally, 

this tends to reduce the interstitial fluid PO

2

3-  Hb  concentration;  because  about  97%  of  the  O

2

  transported  in  the  blood  is 

carried  by  Hb,  a  decrease  in  Hb  concentration  reduces  the  O

2

  delivery  to  the 

interstitial fluid causing a reduction in PO

2

 in the interstitial fluid. 

Since  only  3  mm  Hg  of  O

2

pressure  is  normally  required  for  full  support  of  the 

metabolic processes of the cell, one can see that even this low cellular PO

2

23 mm Hg, 

is more than adequate and actually provides a considerable safety factor.  

The PCO

2

 in the interstitial fluid can be affected by: 

1- the decrease in blood flow which causes an increase in the PCO

2

2- increase in metabolic rate greatly elevates the PCO

2

at all levels of blood flow.

 

 

Oxygen Transport 

Each  RBC  molecule  contains  about  250  million  Hb  molecules.Each  Hb 
molecule consists of:  

1.  globin portion(4 polypeptide chains)  
2.   Four iron containing pigmets(heme groups) 

Each iron atom binds one oxygen molecule thus Hb molecule can bind up 
to  4  oxygen  molecules(100%  saturated)  or  fewer  o2  molecules(partially 
saturated). 

 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

13

 

 

Oxygen  binding  occurs  in  response  to  the  high  PO2  in  the  lungs 
forming oxyhemoglobin. 

Once  O2  binds  to  Hb,other  molecules  binds  more  readily  because  Hb 
affinity for O2 increases as its saturation increases(co-operative binding). 

The  formation  of  oxyHb  is  the  reversable  reaction(Hb  +O2  =  Hb02) 
depending on concentration of reactants and products of reaction. 

In the lungs, when PO2 is high the reaction procedes to the right forming 
HbO2(O2 loading). 

In the tissuess, when PO2 is high the reaction procedes to the left ;0xyHb 
is dissociated releasing O2  (O2 unloading).

 

 

This  is  a  curve  which  correlates between partial  pressure of  oxygen  and 
hemoglobin saturation with oxygen. 

The  degree  of  Hb  saturation  deppends  on  PO2.  In  the  lungs,the  PO2  is 
about 100 mmHg,Hb has high affinity for O2 and it is 98% saturated with 
O2.In the tissues,PO2 is 40 mmHg, Hb has lower affinity for O2 and it is 
75% saturated with O2 when leaving the tissues. 

The  curve  is  "S"  shaped  with  flat  slope  at  higher  PO2s  (80-
100mmHg)and steep slope at lower PO2(10-60 mmHg). 

At see level,PO2 in the lungs=100mmHg and Hb is 98% saturated. 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

14

 

 

At  higher  altitude  or  cardiopulmonary  diseases  PO2  decreases  by  20% 
(PO2=80%) but Hb is still  highly saturated(95%). 

In the tissues where PO2= 40 mmHg, Hb has a lower affinity for O2 and 
it  is  only  75%  saturated.During  vigorus  exercise,PO2  decreases(20 
mmHg) because muscles use more O2 and Hb is 35% saturated.As PO2 
decreases, Hb releases much more O2 to the tissues. This allows the body 
to  math  closely  between  O2  delivery  by  Hb  and  the  O2  utilization  by 
tissues.  

In addition to PO2,Hb saturation is altered by four other factors: 

 

1.  pH 
2.  temperature 
3.  PCO2 
4.  BPG(Biphosphoglycerate)  

Any of these factors or all of them togetherplay a role during exercise. 

During vigorous exercise,contracting muscle produce more metabolic 
acids like lactic acid which lowers pH,more temperature and more 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

15

 

 

CO2..In addition, high temp and lower PO2 increase BPG production by 
RBC which decreases Hb affinity for O2 thus releasing more O2 to active 
cells.When pH decreases, the curve shifts to right(increased O2 
unloading).A similar shift occurs in response to high temp,high 
POC2,high BPG. 

At decreased temperatures,the Hb affinity for O2 is higher(less O2 is 
released);the curve shifts to left.Similar shift occurs in response to high 
pH,low PCO2,low BPG. 

The  role  of  2,3  —  PPG: 

It  is  highly  charged  anion  that  binds  to  the  Bchains  of 

deoxygenated  Hb  but  not  to  those  of  oxyHb  as  follow:  HbO

2

  +  2,3-DPG→  Hb-2,3-

DPG + O

2

. In this equilibrium, an increase in the concentration of 2,3-DPG shifts the 

reaction to the right, causing more O

2

to be liberated. 

The normal 2,3-DPG in the RBC keeps the O

2

-Hb dissociation curve shifted slightly to 

the  right  all  the  time.  In  hypoxic  conditions  that  last  longer  than  a  few  hours,  the 
quantity  of  2,3-DPG  in  the  RBC increases  considerably, thus  shifting  the  curve  even 
farther  to  the  right.This  mechanism  might  be  important  for  adaptation  to  hypoxia. 
However,  the  presence  of  the  excess  2,3-DPG  also  makes  it  difficult  for  the  Hb  to 
combine with O

2

in the lungs when the alveolar PO

2

is reduced, thereby often creating 

as  much  harm  as  good.  Thyroid  hormones,  growth  hormone,  and  androgens  increase 
the concentration of 2,3-DPG in the RBC and hence P

50

. 2,3-DPG is very plentiful in 

RBC.  
 
 

The  role  of  Hb-F:

The  greater  affinity  of  Hb-F  than  Hb-A  for  O

2

facilitates  the 

movement of O

2

 from the mother to the fetus. The cause of this greater affinity is the 

poor binding of 2,3-DPG by the y polypeptide chains that replace Bchains in Hb-F. 
 

Transport of O

2

 in the dissolved state

0.17 ml of O

2

 is normally transported in 

the dissolved state to the tissues by each 100 ml of blood (3% of the total transported 
O

2

). If a person breathsO

2

in high concentration  ( very high alveolar PO

2

), the amount 

then transported in the dissolved state can become very high.  
 

Myoglobin:

It  is  an  iron-containing  pigment  found  in  skeletal  muscle.  It  resembles 

Hb  but  binds  one  rather  4  mol  of  O

2

  per  mol.  Its  dissociation  curve  is  a  rectangular  

rather than a sigmoid curve. Because its curve is to the left of the Hb curve, it takes up 
O

2

  from  Hb  in  the  blood.  It  releases  O

2

  only  at  low  PO2  values,  but  the  PO

2

  in 

exercising  muscle  is  close  to  zero.  The  muscle  blood  supply  is  compressed  during 
contractions, and myoglobin may provide O

2

 when blood flow is cut off. 

 

Combination of Hb with CO:

CO has affinity of 230 times to combine with Hb 

than  O

2

  do  and  form  carboxyHb.  A  patient  poisoned  with  CO  can  be  treated  by 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

16

 

 

administration  pure  O

2

,  for  O

2

  at  high  alveolar  pressure  displaces  CO  from  its 

combination with Hb far more rapidly than can O

2

 at the low pressure of atmospheric 

O

2

. The patient can also be benefited by simultaneous administration of a few per cent 

CO

because  this  strongly  stimulates  the  respiratory  center.  This  increases  alveolar 

ventilation  and  reduces  the  alveolar  CO  concentration,  which  allows  increased  CO 
release from the blood. 

 

CO2 Transport:   

7% dissolved in plasma and 93% carried by RBC(23% combined with 
Hb forming carbamino-Hb, 70% converted into bicarbonate ions). 

Carbamino-Hb

:  CO2  combines  reversibly    with  the  globin 

portion of Hb forming carbamino-Hb. 

a.  In the tissues where PCO2 is high, Hb-CO2 is formed. 
b.  In the lungs where PCO2 is low, Hb-CO2 is dissociated and 

CO2 is exhaled. 

Bicarbonate  ions

:  70%  of  CO2  is  converted  into  bicarbonate 

ions (faster than CO2) within the RBC in a sequence of reversible 
reactions then tranported in plasma: 

a.  In  the  tissues(  regions  with  high  PCO2)  CO2  enters  RBC 

combines  with  water  to  form  carbonic  acid.This  reaction  is 
catalyzed  by  carbonic  anhydrase  enzyme.  Similar  reaction  occurs 
in  plasma  but  without  enzyme  it  is  very  slow.Carbonic  acid 
dissociates  into  H+  and  bicarbonate.Hydrogen  ions  is  buffered  by 
Hb  forming(H-HB).To  maintain  electrical  neutrality,bicarbonate 
ions  diffuse  out  of  RBC  in  exchange  with  chloride  ions(chloride 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

17

 

 

shift).Within  the  plasma,bicarbonate  ions  act  as  pHbuffer.  .

 

b.  In  the  lungs,  CO2  diffuses  out  of  the  plasma  into  the 

alveoli.This  lowers  PCO2in  the  blood  causing  the  chemical 
reactions to reverse.Bicarbonate ions diffuse back into RBC and 
chloride ions diffuse out(chloride shift).Hydrogen ions combine 
with  bicarbonate  ions  to  form  carbonic  acid.  Carbonic  acid 
breaksdown  into  CO2  and  H2O.This  reverse  reaction  is  also 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

18

 

 

catalyzed 

by 

carbonic 

anhydrase 

enzyme.

 

 

During  external  respiration,small  amounts  of  O2  remains 
dissolved  in  plasma  with  the  majority  in  combination  with  Hb 
forming  oxy-hemoglobin(Hb-O2).when  Hb  is  saturated  with 
O2,its  affinity  for  CO2  decreases.Any  CO2  combined  with  Hb 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

19

 

 

,dissociates and diffuses out of RBC through plasma and then to 
alveoli.The  H+  ions  released  from  Hb  is  combined  with 
bicarbonate  ions  which  diffuses  into  RBC  from  plasma  in 
exchange  for  chloride(chloride  shift).Then  reaction  between 
H+and  bicarbonate  to  form  carbonic  acid  which  breaks  down 
into CO2 and H2O.This CO2  plus small amounts transported in 
the dissolved form diffuse into alveoli.  

In  other  wards,O2  loading  facilitates  CO2  unloading  from 

Hb.This is called

 Haldane effect

.

 

 

 

 

During  internal  respiration,small  amounts  of  CO2  remains  dissolved  in 
plasma with the majourity within RBC reacting with water to form carbonic 
acid which dissociates into H+ and Bicarbonate ions.within RBC, H+ ions 
are buffered by Hb forming H-Hb.

When Hb is bound to H+ it has lower affinity 

for  O2  thus  O2  dissociates  from  Hb  and  diffuses  out  of  RBC  to  the  tissue.The 
interaction  between  H+  binding  and  Hb  affinity  for  O2  is  called 

Bohr  effect.By 

forming  H+  ions,CO2  loading  facilitates  O2  unloading.Small  amounts  of 
O2 transported in dissolved state also diffuses out into tissue cells.DeoxyHb 
has high affinity to CO2

.

 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

20

 

 

 
The  Response  of    Respiratory  System  to  Exercise  and 
Stress:

During exercise or other stressful conditions, the body  may require as much 

as 

20 

times  of  the  normal  amount of  O

2.

The increased  cardiac output  causes blood to 

stay  half  normal  time  in  the  pulmonary  capillary.  Yet,  the  blood  is  still  almost 
completely  saturated  with  O

2

  when  it  leaves  the  pulmonary  capillaries  due  to  an 

increase in the diffusing capacity of the respiratory  membrane for O

2

about threefolds 

during exercise, the reasons for this are: 

 
[A] 
The average RBC spends approximately 0.75 sec in the pulmonary capillary. 
If  O

2

equilibration  occurs  in  0.25  sec,  then  there  is  normally  no  increase  in  the 

O

2

content  for  the  last  0.50  sec  of  transit  through  the  pulmonary  capillary.  This 

time  provides  a  safety  margin that ensures  an  adequate  O

2

uptake during periods 

of stress. 
[B]  The opening up a  number  of previously  dormant pulmonary  capillaries, and 
dilatation  of  already  functioning  pulmonary  capillaries  thereby  increases  the 
surface area of blood into which the oxygen can diffuse. 
[C] Increased alveolar ventilation. 
[D] More ideal ventilation-perfusion ratio in the upper part of the lungs. 
[E] During exercise, there is a considerable shift of the Hb-O

2

dissociation curve 

to the right (i.e. decrease in the affinity of Hb to combine with O

2

in the muscle 

capillary blood due to the release of large amounts of CO

2

acids, and phosphate 

compounds, in addition to high temperature of the muscles. Then in the lungs, the 
events are reversed, thus, the shift occurs in the opposite direction (i.e. to the left, 
which means an increase in the affinity of Hb to combine with O

2

), thus allowing 

pickup of extra amounts of O

2

from the alveoli.

 

 
 
(IV)Regulation of Respiration 

The  respiratory  centre

:

The  respiratory  cycle  (inspiration  and  expiration)  is 

regulated  by  the  respiratory  center  in  the  brain  which  is  composed  of  three  major 
groups of neurons located bilaterally in the medulla oblongata and pons and these are: 

[1] The dorsal group of neurons:

This group of neurons is located in the medulla 

within the nucleus of the tractussolitorius which is also the sensory termination of both 
the  vagal  and  glossopharyngeal  nerves  transmitting  sensory  signals  into  the 
respiratory  center  from  the  peripheral  chemoreceptors,  baroreceptors  and  several 
different  types  of  receptors  in  the  lung.  They  are  responsible  for  the  basic  rhythm  of 
respiration by autonomous repetitive bursts of inspiratory action potentials. The nerve 
signal that is transmitted to the inspiratory muscles (through contralateral phrenic and 
intercostal  motoneurons  and  to  the  ventral  respiratory  group)  begins  very  weakly  at 
first and increase steadily in a ramp fashion for about 2-sec. Then it abruptly ceases for 
approximately the next 3 sec, and then begins again for still another cycle, and again 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

21

 

 

and again. The advantage of this is that it causes a steady increase in the volume of the 
lungs during inspiration, rather than inspiratory gasps. 

[2] The pneumotaxic group: 

This group of neurons is located within the pons in 

the  nucleus  parabrachialis  and  they  transmit  impulses  continuously  to  the  dorsal 
respiratory  group  of neurons. The  primary  effect  of  these  is to  control  the  switch  off 
point  of  the  inspiratory  ramp, thus  controlling the duration  of  the  filling  phase of the 
lung cycle. 

 

[3]  The  ventral  group: 

These  neurons  are  located  in  the  nucleus  ambiguus  and 

nucleus retroambiguus and is comprised of the upper motor neurons of the vagus and 
the  nerves  to  accessory  muscles  of  respiration.These  neurons  contribute  to  both 
inspiration  and  expiration,  however,  they  are  especially  important  inproviding  the 
powerful expiratory forces during expiration. Thus, this area operates more or less as 
an overdrive mechanism when high levels of pulmonary ventilation are required.  

 

Control  Of    Respiration:

The  respiratory  centers  and  consequently  the 

ventilation can be controlled by the following chemical and neural factors: 

1.  Chemical control: mediated through changes in PCO

2

[H

+

], and PO

2

2.  Neural control: 

a.  Higher brain centers and peripheral proprioceptors control of respiration. 
b.  Motor cortex control ofrespiration. 
c.  Vasomotor center control of respiration. 
d.  Body temperature control of respiration. 

 
1. Chemical control of respiration: 

A: Central chemoreceptors: 

Surplus of CO

2

 or H

+

 affected respiration mainly by 

excitatory effects on the respiratory center itself, causing greatly increased strength of 
both  the  inspiratory  and  expiratory  signals  to  the  respiratory  muscles.  The  resulting 
increase in ventilation (4-fold increase caused by decreasing the blood pH or 11-fold 
increase caused by increasing PCO

2

) increases the elimination of CO

2

 from the blood, 

this also removes H

+

 from the blood because decreased CO

2

 also decreases the blood 

carbonic  acid.  It  is  believed  that  the  blood  CO

2

  and  H

+

  do-not  affect  the  respiratory 

centers  directly.  Instead,  achemosensitive  area  located  bilaterally  only  a  few  microns 
beneath  the  surface  of  themedulla  ventral  to  the  entry  of  the  glossopharyngeal  and 
vagal  nerves  into  the  medulla,  this  area  is  highly  sensitive  to  changes  in  H  ion 
concentration, and it in turn excites the other portions of the respiratory center. It has 
especially potent effects on increasing the degree of activity of the inspiratory center, 
increasing both the rate of rise of the inspiratory ramp signals and also the intensity of 
the signal. However, H

+

do not easily cross either the blood-brain barrier or the blood-

cerebrospinal  fluid  barrier.  For  this  reason,  changes  in  H

+

  concentration  in  the  blood 

actually  have  considerably  less  effect  in stimulating  the  chemosensitive neurons  than 
do changes in CO

2

. This is because CO

2

 passes through blood-brain barrier and blood-

cerebrospinal  fluid  barrier  very  easily.  Consequently,  whenever  the  blood  CO

2

 

concentration increases, the PCO

2

 in both the interstitial fluid of the medulla and in the 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

22

 

 

cerebrospinal  fluid  also  increase.  In  both  of  these  fluids  the  CO

2

  immediately  reacts 

with the water to form carbonic acid which dissociates into H

+

 and bicarbonates. Thus, 

paradoxically,  more  H

+

  are  released  into  the  respiratory  chemosensitive  sensory  area 

when  the  blood  CO

2

  concentration  increases  than  when  the  blood  H

concentration 

increases. For this reason, respiratory center activity is affected considerably more by 
changes in blood CO

2

 than by changes in blood H

+

.

 

 

 

 

The  stimulatory  effect of increased  CO

2

 on respiration  reaches  its  peak  within a 

few  minutes  after  an  increase  in  blood  PCO

2

.  Thereafter,  the  stimulation  gradually 

declines  for  the  next  one  to  two  days  to  as  little  as  one-fifth  the  initial  effect  due  to 
adaptation  of  the  receptors.  Therefore,  A  change  in  blood  CO

2

  concentration  has  a 

very potent acute effect on controlling respiration but only a weak chronic effect after 
a few days' adaptation. 

 

PO

2

Arterial PO

2

 does not have a significant direct effect on the respiratory center of 

the  brain  in  controlling  respiration.  Instead,  it  acts  almost  entirely  on  peripheral 
chemoreceptors  located  in  the  carotid  and  aortic  bodies,  and  these  in  turn  transmit 
appropriate nervous signals to the respiratory center for control of respiration. 

 
B:  Peripheral  chemoreceptors(carotid  and  aortic  bodies):

Carotid 

bodiesare  located  bilaterally  in  the  bifurcations  of  the  common  carotid  arteries,  and 
their afferent never fibers pass to the glossopharyngeal nerves and thence to the dorsal 
respiratory area of the medulla. Aortic bodies  are located along the arch of the aorta, 
and their afferent  fibers pass through the vagito the dorsal respiratory area. 

The blood flow through the carotid and aortic bodies is extremely high. Because 
of  this,  arteriovenousoxygen  difference  is  very  small,  which  means  that  the 
venous  blood  leaving  these  bodies  still  has  a  PO

2     

nearly  equal  to  that  of  the 

arterial  blood.  It  also  means  that  PO

2

of  the  tissues  in  these  bodies  remains  atall 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

23

 

 

times almost equal to that of the arterial blood. Thesebodies are more influenced 
by : 

(a)arterial PO

2:

which is determined by the amount of dissolved O

2

 ratherthan by 

arterial  oxygen  content.Hence,  they  are  not  influenced  by  a  low  Hb  level.When 
the arterial PO

2

 falls below normal (especially PO

2

in the range between 60 and 30 

mm  Hg),  or  when  the  blood  pressure  sufficiently  low  causing  a  low  blood  flow 
(even  though  constituents  of  blood  do  not  change),  the  chemoreceptors  become 
strongly stimulated. 

(b)increase in CO

2

 or H

+

 concentration: also excites the chemoreceptors and in 

this  way  indirectly  increases  respiratory  activity.  However,  the  direct  effects  of  
both these factors in the respiratoiy center itself are so much powerful. 

The cause of the poor effect of  low PO

2

 on respiratory control in comparison to 

those  of  CO

2

and  H

+

  concentration  can  be  explained  as  follow:  The  increase  in 

ventilation that does occur when the PO

2

 falls blows off the respiratory stimulants 

(CO

2

and  consequently  H+).  However,  overseveral  days,  the  respiratory  center 

gradually  becomes  adapted  to  the  diminished  CO

2

  and  alveolar  ventilation  then 

rises to as high as five to seven times normal. This is part of the acclimatization 
that  occurs  as  a  person  slowly  ascends  a  mountain.  Yet,  under  some  abnormal 
conditions,  as  occurs  in  pneumonia,  emphysema    in  which  gas  exchange  is 
impaired,  the  PCO

2

  and  H

+

  concentrations  increase  at  the  same  time  that  the 

arterial  PO

2

  decrease.  Under  these  conditions,  all  three  of  the  feedback 

mechanisms  work  together,  and  the  PO

2

  mechanism  then  exerts  its  full  share  of 

respiratory stimulation, sometimes becoming even more potent as a controller of 
respiration than the PCO

2

 and H

+

 mechanisms. 

 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

24

 

 

 

 
2.Neural control: 

A: Peripheral receptors

:

 

 

Stretch receptors:

in the wall of the bronchi and bronchiole  transmit signals 

through  the  vagi  into  the  dorsal  respiratory  group  of  neurons  when  the  lungs 
become  overstretched(the  tidal  volume  increases  to  greater  than  approximately 
1.5  liters).  Therefore,  when  the  lungs  become  overly  inflated,  the  stretch 
receptors  activate  an  appropriate  feedback  response  that  switches  off  the 
inspiratory  ramp  and  thus  limits  further  inspiration.  This  is  called  the  Hering-
Breuer inflation reflex
,this reflex appears to be mainly a protective mechanism 
for  preventing  excess  lung  inflation  rather  than  important  ingredient  in  the 
normal control of ventilation. 

 

J  receptors:

These  receptors  are  located  in  the  pulmonary  interstitium  at  the 

level  of  the  pulmonary  capillaries  and  are  stimulated  by  distension  of  the 
pulmonary  vessels  (e.g.,  as  caused  by  left  ventricular  failure,  pulmonary 
embolization, and  certain  chemicals  or drugs). These  receptors  initiate  reflexes 
causing rapid, shallow breathing (tachypnea). 

 

Chest wall receptors:

which can detect the force generated by the respiratory 

muscle  during  breathing.  If  the  force  required  to  distend  the  lungs  becomes 
excessive  (either  as  a  result  of  high  airway  resistance  or  low  compliance),  the 
information  from  these  receptors  gives  rise  to  the  sensation  of  dyspnea 
(difficulty in breathing).  

  Irritant  receptors:located  in  the  large  airways  and  are  stimulated  by  smoke, 

noxious  gases,  and  particulates  in  the  inspired  air.  These  receptors  initiate 
reflexes  that  cause  coughing,  bronchconstriction,  mucus  secretion,  and  breath 
holding (i.e., apnea). 

  Joint  proprioceptors  During  exercise,  the  body  movements,  especially  of  the 

limbs,  are  believed  to  increase  pulmonary  ventilation  by  exciting  that  then 
transmit excitatory impulses to the respiratory center. 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

25

 

 

B.

Motor  cortex: 

Respiration  can  be  controlled  voluntarily,  and  that  one  can 

hyperventilated  or  hyporventilated  to  such  an  extent  that  serious  derangements  in 
PCO

, pH and PO

2

can occur in the blood. This is mediated by the nervous pathway for 

voluntary  control  passes  directly  from  the  motor  cortex  and  other  higher  centers 
downward  through  the  corticospinal  tract  to  the  spinal  neurons  that  drive  the 
respiratory muscles. 

C.

Vasomotor  center: 

The 

vasomotor 

center 

that 

control 

peripheral 

vasoconstriction  and  heart  activity  is  closely  related  to  respiratory  center  in  the 
medulla.  A  moderate  degree  of  spillover  of  nerve  signals  occurs  between  the  two 
centers. Therefore, almost any factor that increase the activity of the vasomotor center 
also has at least a moderate effect on increasing respiration. 

D.

Body  temperature: 

An  increase  in  body  temperature  increases  the  rate  of 

respiration  directly  by  increasing  respiratory  center  activity  and  indirectly  by 
increasing  the  cellular  metabolism  and  eventually  enhances  the  chemical  stimuli  for 
increased respiration.

 

 
In strenuous exercise
, O

2

 utilization and CO

2

formation can increase as much as 

twentyfold  associated  with  increase  in  alveolar  ventilation.  This  increase  in  alveolar 
ventilation  is  not  mainly  due  to  change  in  blood  PO

2

,  PCO

2

,and  H

+

  concentration 

which all remain almost exactly normal, There are at least two different effects seem to 
be predominantly concerned :

 

[A] The brain, on transmitting impulses to the contracting muscles, is believed to 

transmit  collateral  impulses  into  the  brain  stem  to  excite  the  respiratory  center  .But, 
occasionally, the nervous signals are either too strong or two weak in their stimulation 
of  the  respiratory  center,  then  the  chemical  factors  play  a  very  significant  role  in 
bringing  about  the  final  adjustment  in  respiration  required  to  keep  the  CO

2

and  H

+

 

concentrations of the body fluids as nearly normal as possible. 

[B]Joint proporioceptors transmit excitatory impulses to the respiratory center. 
 
 

Pulmonary Blood Flow: 

The pulmonary circulation is basically low-pressure, 

low-resistance, highly compliant system. Pressure in the pulmonary artery is about 25 
mmHg systolic and 8 mmHg diastolic (a mean of about 14 mmHg). Pressure in the left 
atrium is about 5 mmHg, resulting in pressure drop across the pulmonary circulation of 
about  9  mmHg.  Pulmonary  vascular  resistance  is  1.8  mmHg/L/min  which  is  about 
10% of the systemic vascular rersistance(18 mmHg/L/min). 

 
Abnormalities Of Respiratory Control: 

1.Respiratory center  depression:the activity  of  respiratory  center  may  be  depressed 
or  even  totally  inactivated  by  cerebrovascular  disease,  acute  brain  edema,  anesthesia 
and overdose of narcotics. 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

26

 

 

2.Periodic breathing:The most common type of periodic breathing is called  cheyne- 
stokes  breathing  
which  is  characterized  by  slowly  waxing  and  waning  respiration 
separated by periods of apnea and can seen in heart failure or brain stem lesions.  
3.Kussmaul's  respiration
which  is  a  rapid,  deep  breathing  often  seen  in  patients 
suffering  from  diabetic  ketoacidosis.  It  occurs  as  the  body  tries  to  compensate  for 
metabolic acidosis by increasing the rate of CO

2

excretion. 

 

 

Hypoxia:

Hypoxia is cellular deficiency of 

O

2

. Traditionally hypoxia has been 

divided into types: 

 

[1]  Hypoxic  hypoxia: 

In  which  the  PO

2

of  the  arterial  blood  is  reduced  due  to  low 

atmospheric  O2,  inadequate  ventilation  of  the  alveoli  or  insufficient  diffusion  of  O

2

 

through the respiratory membrane. 

[2]  Anaemic  hypoxia: 

In  which  the  arterial  PO

2

is  normal  but  the  amount  of  Hb 

available to carry O

2

is reduced. 

[3] Ischaemic hypoxia: 

In which the blood flow to a tissue is so low that adequate 

O

2

is not delivered to it despite a normal PO

2

and Hb concentration. 

[4]  Histotoxic  hypoxia: 

  because  of  the  action  of  certain  toxic  agents,  the  tissue 

cells  cannot  make  use  of  the  O

2

supplied  to  them  such  as  in  cyanide  poisoning,  in 

which the action of cytochrome oxidase(respiratory chain enzyme in the mitochondria) 
is  completely  blocked.Also,  deficiency  of  oxidative  enzymes  such  as  vitamin  B 
deficiency (Beriberi). 
 

 
 
 
Cyanosis:

It  is  a  dusky  bluish  discoloration  of  the  tissues  and  appears  when  the 

reduced  Hb  concentration  of  the  blood  in  the  capillaries  is  more  than  5  gm/dl. 
Cyanosis is easily seen in mucus membrane and  thin skin areas like lips, fingers, ear 
lobes, also nail bed.  In polycythaemia, cyanosis is very common because of the large 
amount of Hb in the blood whereas in anaemia, cyanosis is rare because it is difficult 
for  there  to  be  enough  deoxygenated  Hb  to  produce  the  cyanotic  color.  Cyanosis 
divided into 2 types: 

 
[1] 

Central  cyanosis:  In  which  there  is  Hb-undersaturation  or  an  abnormal  Hb 

derivative, and the mucous membranes and skin are both affected. 

[2] 

Peripheral cyanosis: Which is due to a slowing of blood flow to an area and 

abnormally great extraction of O

2

from normally saturated arterial blood. It result 

from  vasoconstriction  and  diminished  peripheral  blood  flow,  such  as  occurs  in 
moderate  cold  exposure,  shock,  heart  failure,  and  peripheral  vascular  disease. 
Often,  in  these  conditions,  the  mucous  membranes  of  the  oral  cavity  may  be 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

27

 

 

spared.  In  very  cold  weather  cyanosis  does  not  developed,  because  the  drop  in 
skin  temperature  inhibits  the  dissociation  of  oxy  Hb  and  the  O

2

consumption  of 

the  cold  tissues  is  decreased.  Cyanosis  does  not  occur  in  anaemic  or  histotoxic 
hypoxia. In CO poisoning, the color of reduced Hb is obscured by the cherry red 
color of carboxyHb. A discoloration of the skin and mucous membranes similar 
to cyanosis is produced by high circulating levels of met Hb. 

 

Hypercapnia:

It means excess CO

2

in the body fluids. Hypercapnia is association 

with hypoxia when hypoxia is caused by hypoventilation or by circulatory deficiency. 
Hypoxia  resulting  from  poor  diffusion  through  pulmonary  membrane,  serious 
hypercapnia usually does not occur because CO

2

 diffuses 20 times as rapidly as O

2

.  

O

2

Therapy

: In hypoxia, O

2

 therapy is of great value, especially in certain types of 

hypoxia (such as law atmospheric O2, hypoventilation hypoxia, diffusional hypoxia") 
and of slight value in hypoxia due to other causes. inchronic hypoxia,O

2

lack becomes 

a  far  more  powerful  stimulus  to  respiration  than  usual,  sometimes  increasing  the 
ventilation  as  much  5-7  times.  Therefore,  during  O

2

therapy,  relief  of  the  hypoxia 

occasionally  causes  the  level  of  pulmonary  ventilation  to  decrease  so  low  that  lethal 
levels  of  hypercapnia  develop.  For  this  reason,  O

2

therapy  in  hypoxia  is  sometimes 

contraindicated. 

O

2

  Toxicity:

Administration  of  100%  O

2

has  been  demonstrated  to  exert  toxic 

effects.  The  toxicity  seems  to  be  due  to  the  production  of  the  superoxide  anion  (O

2-

and  H

2

O

2

.  When  80-100%  O

administered  for  periods  of  8  hours  or  more  the 

respiratory  passages  become  irritated,  causing  substernal  distress,  nasal  congestion, 
sore throat and coughing. Exposure for 24-48 hours causes lung damage as well. The 
reason  O

2

  produce  the  irritation  is  probably  due  to  inhibition  the  ability  of  lung 

macrophages to kill bacteria, and surfactant production is reduced.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

28

 

 

 
 
Lung Volumes And Capacities 

Pulmonary ventilation can be recorded by using the spirometer and the process called 
spirometry  by  which  volume  of  air  that  is  moved  in  and  out  of  the  lung  can  be 
recorded. The volumes and capacities of lungs are: 
[1] The tidal volume (TV):Is the volume of air inspired or expired with each normal 
breath and it is about 500 

ml

in average young adult man.

 

[2]

The  inspiratory reserve volume  (IRV): 

Is  the  extra  volume  of  air  that  can  be  inspired 

over and beyond tidal volume and it is about 3000 ml. 

[3]

The expiratory reserve volume (ERV): 

Is the amount of air that can be expired after the 

normal tidal expiration, which is about 1100 ml. 

[4]

The residual volume (RV): 

Is the volume of air still remaining in the lungs after the most 

forceful expiration, which is about 1200 ml.This is important because it provides air in the alveoli to 
aerate  the  blood  even  between  breaths  which  otherwise  the  concentration  of  oxygen  and  carbon 
dioxide  in  the  blood  would  rise  and  fall  markedly  with  each  respiration,  which  would  certainly  be 
disadvantageous to the respiratory process. 

This volume cannot be measured directly by spirometer. Therefore, an indirect method must be 

used  usually  the  helium  dilution  method.  Once  the  functional  residual  capacity  (FRC)  has  been 
determined, the residual volume can then be determined by subtracting the expiratory reserve volume 
from the functional residual capacity, i.e. RV = FRC - ERV. 

The other way for determination of lung RV is by using body plethysmogrph. 

[5]The inspiratory capacity (IC) 

= TV +IRV = 500 +3000 = 3500 

ml. 

This is the amount of 

air that a person cans breath beginning at the normal expiratory level and distending the lungs to the 
maximum amount.

 

[6] The functional residual capacity (FRC)

=

ERV + RV = 1100 + 1200 = 2300 

ml. 

This is the amount of air remaining in the lungs at the end of normal expiration. 
[7]  The  vital  capacity  (VC)=  IRV  +  TV  +  ERV  =  3000  +  500  +  1100  =  4600 

ml. 

This is the maximum amount of air that a person can expel from the lungs after filling 
the lungs first to their maximum extent, and then expiring to the maximum extent. 

Vital capacity can be decreased markedly in restrictive lung diseases (paralysis of 

the  respiratory  muscles,  tuberculosis,  lung  cancer,  fibrotic  pleurisy,  pulmonary 
vascular  congestion  and  edema  as  in  left  sided  heart  failure)  and  may  be  normal  in 
obstructive  lung  diseases  (asthma,  chronic  bronchitis,  emphysema).  When  the  vital 
capacity is reduced to about 40% of normal, the patient can no longer perform even the 
simplest movements without becoming breathless. 
[8] The total lung capacity (TLC)= VC + RV = 4600 + 1200 = 5800 ml

This is the 

maximum  volume  to  which  the  lungs  can  be  expanded  with  the  greatest  possible 
inspiratory effort. 

All  pulmonary  volumes  and  capacities  are  about  20-25%  less  in  women  than 

men, and they are greater in large athletic persons than in small and asthenic persons. 
Pulmonary volumes and capacities change with the position of the body, most of them 
decreasing  when  the  person  lies  down  and  increasing  on  standing,  this  change  with 
position is caused by two factors: 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

29

 

 

[A] - a tendency for the abdominal contents to press upward against the diaphragm in 
the lying position. 
[B]-an  increases  in  the  pulmonary  blood  volume  in  the  lying  position,  which 
correspondingly 
decreases 

the 

space  available 
for 

pulmonary 

air. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Lung Function Tests 

1.Forced  vital  capacity  (FVC):  It  is  the  maximum  volume  of  air 
expired  forcefully  following  maximum  inspiration,  a  normal 
subject this is accomplished in 3-4 sec. 
2.Timed vital capacity (forced expiratory volume-1 sec, FEV1): 
It  is  the  volume  of  air  expired  during  the  first  second  of  forceful 
expiration. 
3.Percent vital capacity (FEV1%): [FEV1/VC] x 100. In normal 
subject, the FEV1% is at least  80%. However, in  obstructive  lung 
diseases like asthma, FEV1% is markedly reduced while normal in 
restrictive lung diseases. 

 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

30

 

 

4.Peak expiratory flow (PEF):It is the maximum airflow obtained 
during  maximum  expiratory  effort  after  maximum  inspiration. 
When  a  person expires  with  great  force  through  Wright  peak  flow 
meter,  
the  expiratory  airflow  reaches  a  maximum  flow  beyond 
which  the  flow  cannot  be  increased  even  with  greatly  increased 
additional  force.  This  is  because  the  pressure  that  force  the  air 
outside also tends to collapse the bronchioles at the same time, thus 
greatly  increasing  the  airway  resistance  and  opposing  the 
movement of the air to the exterior. The maximum expiratory flow 
is much greater when the lungs are filled with a large volume of air 
than  when  they  are  almost  empty.  The  curve  recorded  for 
maximum expiratory flow was achieved by asking the subject first 
to  inhale  as  much  air  as  possible  and  then  expires  with  maximum 
expiratory  effort  until  he  can  expire  no  more.  A  normal  subject 
cans  quickly  reaches  a  maximum  expiratory  airflow  over  400 
liters/min.
Maximum  expiratory  flow  is  reduced  in  cases  of 
restrictive  (constrictive)  lung  diseases  like  fibrotic  diseases  of 
lungs, kyphosis, scoliosis, fibrotic pleurisy, and in obstructive lung 
diseases  like  asthma,  and  emphysema.  In  restrictive  lung  diseases 
there  is  a  reduction  in  the  compliance  of  the  lungs  and 
consequently there is a reduction in total lung capacity. Therefore, 
the maximal expiratory flow cannot rise to equal that of the normal 
curve. 

In  obstructive  lung  diseases,  there  is  much  more  difficulty  in 
expiration than on inspiration, because the closing tendency of the 
airways is greatly increased by positive pressure in the chest during 
expiration,  while  negative  pleural  pressure  of  inspiration  actually 
pulls the airway open at the same time that it expands the alveoli. 
Therefore,  because  of  the  obstruction  of  the  airways  and  its 
tendency  to  collapse  easily  during  expiration,  the  maximum 
expiratory flow is greatly reduced. 

 

5.TheForced Expiratory Flow

25%–75% 

(FEF

25%–75%

): The FEF

25%–

75% 

is the average flow rate that occurs during the middle 50 percent 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

31

 

 

of  an  FVC  measurement.  This  average  measurement  reflects  the 
condition of medium- to small-sized airways. The average FEF

25%–

75% 

for normal healthy men aged 20 to 30 years is about 4.5 L/sec 

(270 L/min), and for women of the same age, about 3.5 L/sec (210 
L/min). The FEF

25%–75% 

decreases with age and in obstructive lung 

disease. In obstructive lung disease, flow rates as low as 0.3 L/sec 
18 L/min) have been reported. The FEF

25%–75% 

is also decreased in 

patients  with  restrictive  lung  disorders,  primarily  because  of  the 
low  vital  capacity  associated  with  restrictive  lung  disorders. 
Although  the  FEF

25%–75% 

has  no  value  in  distinguishing  between 

obstructive  and  restrictive  disease,  it  is  helpful  in  further 
confirming—or  ruling  out—an  obstructive  pulmonary  disease  in 
patients with borderline low FEV1%.  
6.The  minute  respiratory  volume  (the  minute  ventilation):
The 
minute  respiratory  volume  is  the  total  amount  of  new  air  moved 
into  the  respiratory  passages  each  minute  
and  this  is  equal  to  TV 
(500  ml)  x  respiratory  rate  (about  12  breaths  /  min)  =  6000  ml. 
Respiratory rate is between 14-34 breaths / min between 2-4 years 
of  age,  20-25  breaths/min  between  5-14  years  of  life,  and  10-18 
breaths/min in adult subject. 
 
7.Test  For  Lung  Diffusing  Capacity:
  The  ability  of  the 
respiratory  membrane  to  exchange  a  gas  between  the  alveoli  and 
the pulmonary blood  can be  expressed  in  quantitative terms by its 
diffusing  capacity  ,which  defined  as  the  volume  of  a  gas  that 
diffuses  through  the  membrane  each  minute  for  a  pressure 
difference of 1 mm Hg.
 

Gas  dilution  method  (  Helium  and  CO  mixture  in  low 

concentrations)  is  used  to  test  lung  diffusing  capacity(DLCO-
single  breath  test
).  In  average  young  male  adult,  the  diffusing 
capacity  for  oxygen  under  resting  conditions  average  21-25 
ml/min/mm Hg. 
Since the diffusion coefficient of CO

2

is 20 times 

that  of  O

2

,  one  would  expect  a  diffusing  capacity  for  CO

2

under 

resting  conditions  of  about  400-450  ml/min/mm  Hg  and  during 


background image

R

ESPIRATORY 

S

YSTEM

 

 

 

 

 

32

 

 

exercise  of  about  1200-1300  ml/min/mm  Hg.  The  importance  of 
this  high  diffusing  capacity  for  CO

2

is  that:  when  the  respiratory 

membrane  becomes  progressively  damaged,  its  capacity  for 
transmitting  O

2

into  the  blood  is  often  impaired  enough  to  cause 

death of the person while CO

2

 diffusion can still occur in adequate 

amounts. However, the patient's life can be maintained by intensive 
O

2

 therapy that overcomes the reduction in O

2

diffusing capacity. 

 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Oday Duraid
المشاهدات: لقد قام 33 عضواً و 296 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل