background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

RESPIRATORY PHYSIOLOGY

The process of respiration is divided into four categories:

1- Pulmonary ventilation.
2- Diffusion of oxygen and CO

2

 between alveoli and tissues.

3- Transport of oxygen and CO

2

 in body fluids to and from cells.

4- Regulation of respiration

Pulmonary Ventilation

Anatomy of the Respiratory System

 

The respiratory system includes 
the lungs, the conducting 
airways that direct air to the gas 
exchange sites (alveoli), certain 
parts of the central nervous 
system, and the muscles of the 
chest wall and the diaphragm 
that are responsible for inflation 
and deflation of the lungs. The 
lungs fill most of the thoracic 
cavity except for the space 
occupied by the heart and major 
blood vessels. 

Tissues of the Lung

 

The normal adult human lung 
weighs about 1000g and 
consists of about 50% blood 
and 50% tissue by weight. 
About 10% of the total lung volume is composed of various types of 
conducting airways and some connective tissue. The remaining 90% is the 
respiratory or gas exchange portion of the lung, composed of alveoli and 
supporting capillaries.

1


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Airway Anatomy

 

The conducting airways consist of a series of rapidly branching tubes 
(conduits) that become narrower, shorter, and more numerous as they 
penetrate deeper into the lung. After about 23 to 25 orders of branching, the 
airways terminate in alveoli. The airway can be classified longitudinally or 
sequentially and anatomically into three distinct types. 

Starting at the trachea, the airways branch in a dichotomous fashion both 
symmetrically and asymmetrically. The fibrous layer is encircled by smooth 
muscle innervated by parasymphathetic nerves that cause contraction of the 
airway smooth muscle. This is termed bronchoconstriction. The extent and 
importance of sympathetic nervous system innervation in the initiation of 
bronchial smooth muscle relaxation is unclear. Each generation of airway 
branching is assigned a number, with the trachea assigned zero (0). 

The gas exchange airway may be reached in as few as 10 levels of branching, 
but around 16th level of branching is more typical. From the trachea, the 
airway diameter decreases with each new generation of branching. However, 
the total cross-sectional area increases with each level of branching. As a 
result, the linear velocity of airflow decreases with each order of branching, an 
important consideration in 
determining the distribution 
of airway resistance.

Gas Exchange Airway: 
Respiratory Bronchioles, 
Alveolar Ducts and Sacs

 

The gas exchange airway is 
the functional unit of the lung. 
It consists of the respiratory 
bronchioles, alveolar ducts, 
and alveolar sacs,
 which 
collectively comprise the 
terminal respiratory unit 
(TRU). The TRU is distal to 
and a direct continuation of 

2


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

the terminal bronchioles. It is the site of gas exchange with the pulmonary 
capillary blood. The gas exchange airway typically begins at about the 19th 
order of branching with the appearance of the respiratory bronchioles. The 
distinguishing feature of TRU is the presence of alveoli. The structural 
support for the TRU arises from the connective tissue framework of the lung. 
Alveoli line the walls of both the respiratory bronchioles and alveolar ducts, 
both of which are perfused with pulmonary capillary blood. Some smooth 
muscle also is present in respiratory bronchioles and alveolar ducts. This 
muscle can be stimulated by vasoactive substances in the pulmonary blood. 
There are usually 2 to 5 orders of branching of both respiratory bronchioles 
and alveolar ducts before the latter empty into an atrium consisting of one to 
three dome-shaped alveolar sacs.

Mechanics of Ventilation

 

Air is delivered to alveoli as a 
consequence of respiratory 
muscle contraction. These 
muscles include the 
diaphragm and the external 
intercostal muscles
 of the rib 
cage and accessory 
inspiratory muscles (scalenes 
and sternocleidomastoids 
which are not active in 
eupnea)
. Contraction of these 
muscles enlarges the thoracic 
cavity, creating a 
subatmospheric pressure in 
the alveoli. Contraction of the 
diaphragm leads to 
downwards displacement of 
the thoracic cavity and contraction of external intercostals muscles leads to 
lifting of the thoracic cage leading to increase in the antero-posterior diameter. 
As alveolar pressure declines, atmospheric air moves into the alveoli by bulk 
flow until the pressure is equalized. The process of inflating the lung is called 
inspirationExpiration is usually passive, resulting from relaxation of the 
inspiratory muscles and powered by elastic recoil of lung tissue that is 
stretched during inspiration. With relaxation of the inspiratory muscles and 
lung deflation, alveolar pressure exceeds atmospheric pressure, so gases flow 
from the alveoli to the atmosphere by bulk flow. Active expiration is due to 
internal intercostals muscles and the abdominal recti muscles
.

3


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Pleural pressure is the pressure of the fluid in the thin space between the lung pleura 
and the chest wall pleura. Pleural pressure [-5cmH2O to -7cmH2O]

Alveolar pressure is the pressure of the air inside the lung alveoli. The alveolar 
Pressure [0 to -1 to 0, then 0 to +1 to 0]

Transpulmonary pressure [pressure difference between the alveolar pressure and the 
pleural pressure].  It is the measure of the elastic forces that leads to collapse of the 
lung and it is called the recoil pressure.

4


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

The Opposing Force of Pulmonary Elastance or Compliance 

The lung is an elastic structure with an anatomical organization that promotes 
its collapse to essentially zero volume, much like an inflated balloon. The term 
elastic means a material deformed by a force tends to return to its initial shape 
or configuration when the force is removed. While the elastic properties of the 
lung are important to bring about expiration, they also oppose lung inflation. 
As a result, lung inflation depends upon contraction of the inspiratory muscles. 
The resistance to deformation (inflation) is termed elastance. However, 
compliance is the preferred term to describe the elastic properties of the lung. 
Compliance, as the recripocal of elastance, is a measure of the ease of 
deformation (inflation).

Relationship of Elastance to Compliance

 

Compliance is measured as the 
change in volume for a given 
change in pressure. Thus, a 
structure with high elastance 
(very stiff) has a low 
compliance. A term used as a 
synonym for compliance is 
distensibility. Accordingly, an 
object with a high elastance 
would exhibit a high resistance 
to deformation and have a low 
compliance or low 
distensibility. On the other hand, an object with a high compliance distends 
readily with little pressure. Thus, in a lung with a high compliance, a small 
pressure change would result in a large volume change and the work 
performed by the respiratory muscles to inflate the lung would be less than 
normal. However, the expiratory force would also be less than normal in a 
lung with high compliance.

Lung compliance

: Which equals to change in volume divided by change in 

pressure (1 cm = 200 ml). That is, every time the transpulmonary pressure increases 1 
centimeter of water, the lung volume, after 10 to 20 seconds, will expand 200 
milliliters.

-

1/3 to overcome pleural pressure

-

2/3 to overcome surface tension

If the lung is removed from the thoracic cage, it closely resembles a collapsed 
balloon. When pressure inside the lung equals outside pressure, or transmural pressure 
is 0, lung volume is close to zero. Compliance of the lung can be obtained by plotting 
lung relaxation or recoil pressure (x axis) as a function of lung volume (y axis). 
Starting from essentially zero lung volume, a measured volume of air is put into the 
lung and the recoil or relaxation pressure associated with the addition of that air 
volume is recorded. When repeated in several steps by the sequential addition of 
measured air volumes and recording of the corresponding recoil or relaxation 

5


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

pressures, a compliance curve for the lung can be constructed. The slope of this plot is 
lung compliance. Normally, lung compliance is measured under static conditions, 
meaning no airflow is present at the time the relaxation (recoil) pressure is measured.

Effect of thoracic cage
Compliance of both lung + cage = 110 ml (instead of 200ml/cm)

Surface tension means the pulling force of fluid (as in rain drops). Surface tension is 
defined as a manifestation of attracting forces between atoms or molecules.

6


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Surfactant: The surface active agent in water and it consists of lipids, protein and ions.

Respiratory Distress Syndrome

 

Problems with high alveolar surface 
tension are common in premature 
infants. The fetal lung does not begin to 
synthesize alveolar surfactant until about 
the fourth month of gestation. Fetal lung 
surfactant also is not fully functional 
until about the seventh month of 
gestation. Respiratory Distress 
Syndrome (RDS) is related to non-
functional alveolar surfactant. RDS is 
characterized by severe alveolar 
instability, high alveolar surface tension, and high alveolar opening pressures. 
The respiratory muscles of premature infants frequently cannot generate 
sufficient pressures to open or inflate alveoli because of their high alveolar 
surface tension. RDS in infants is manifested by a low lung compliance and 
severe hypoxemia. Surfactant deficiency or inactivation can also occur in 
adults who breathe 100% O

2

 for prolonged periods, or who have prolonged 

occlusion of the pulmonary artery, such as associated with heart-lung bypass 
procedures. Constant-volume mechanical ventilation or prolonged hypoxia or 
hypoxemia can also lead to surfactant inactivation.

Work of breathing:

1- Compliance work: against elastic forces of lung + cage
2- Tissue resistance work: against viscosity of both lung and cage
3- Airway resistance work

7


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

During quite breathing, 3-5% of total energy of the body are spent for respiration, 
while in heavy exercise, it increases up to 50 folds.

Lung volumes

Volumes

Capacities

1- Tidal vol. (500ml)

1- Inspiratory cap. (3500ml)

2- Inspiratory reserve vol. (3000ml)

2- Functional residual cap. (2300ml)

3- Expiratory reserve vol. (1100ml)

3- Vital cap. (4600ml)

4- Residual vol. (1200ml)

4- Total lung cap. (5800ml)

Lung Volumes and Capacities

 

Lung volumes measured by spirometry are basically anatomical measurements 
of lung gas volumes. A lung volume refers to a basic volume of the lung, 
whereas lung capacities, also a volume measurement, are the sum of two or 
more basic lung volumes. The following lung volumes can be measured 
directly or indirectly with a spirometer: 
Tidal Volume (VT): volume of gas inspired or expired during a normal 
spontaneous breath. 
Inspiratory Reserve Volume (IRV): volume of gas that can be inspired at the 
end of a spontaneous inspiration. 
Expiratory Reserve Volume (ERV): volume of gas that can be expired at the 
end of a spontaneous VT. 
Residual Volume (RV): volume of air in lungs that cannot be forcefully 
expired or the volume of air in lung at end of a vital capacity. 
Vital Capacity (VC): maximum volume of gas that can be expired after a 
maximal inspiration or IRV + VT + ERV. 

8


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Inspiratory Capacity (IC): the maximal volume of air that can be inspired 
from normal end-expiration or VT + IRV 
Functional Residual Capacity (FRC): total volume of air in the lung at end 
of normal end-expiration or ERV + RV. 
Total Lung Capacity (TLC): total volume of gas in lung at maximal end- 
inspiration or VC + RV or IRV + VT + ERV + RV. 

Note that RV cannot be measured directly with a spirometer because it is not 
possible to expire this lung volume. Thus, any lung capacity that includes the 
RV cannot be measured directly with a spirometer. To measure RV or FRC, 
indirect gas 

dilution

 techniques or whole body plethysmography are used.

The minute respiratory volume: Total amount of new air moved into the respiratory 
passages per minute and is equal to tidal volume (500 ml) multiplied by the 
respiratory rate (12/min) = 6000ml/minute.

The Dead Space: Is the space where no gas exchange occurs. It is either 
anatomically (150 ml) (anatomical dead space  nose, pharynx, larynx, trachea, 
bronchi, bronchioles); or physiological dead space whereby some alveoli are not 
functional because of absent or partial blood supply (normally it should be zero). So 
the total dead space is the sum of anatomical and physiological dead spaces and so 
equals to 150 ml. So the alveolar ventilation per minute equals to pulmonary 
ventilation per minute minus dead space and equals to 500-150 = 350 ml/min X 12 = 
4200 ml/min.

Respiratory passages: Nose  trachea  bronchi  terminal bronchioles (all 
contain cilia and mucus), then  respiratory bronchioles  alveolar sacs  alveoli 
(contain mucus).

9


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Nerve stimulation (sympathetic, i.e., adrenalin  dilatation; parasympathetic, i.e., 
Ach.  constriction).
Cough reflex: afferent vagus nerve  medulla  autonomic  inspiration of 2.5 
liters  closure of epiglottis and vocal cords  contraction of abdominal muscles  
sudden opening  expel air at a velocity of 400 miles per hour + narrowing of 
trachea and bronchi.

10


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Sneeze reflex: Similar except to nasal passages instead of lower airways. Afferent is 
fifth cranial  medulla  similar but depression of uvula so that large amounts of air 
pass through the nose.

Pulmonary circulation

Blood supply to the lungs goes to bronchi 
(nutrition) and respiratory units (gaseous 
exchange).

When O2 concentration drops to 70% 
(73mmHg), pulmonary blood vessels 
constricts (opposite to other capillaries) and 
this is important 

 shift the blood to more 

aerated areas.
Right atrial pressure is 25 mmHg systolic 
and 0 mmHg diastolic.
Pulmonary artery pressure is 25mmHg 
systolic and 8mmHg diastolic (mean arterial 
pressure equals 15 mmHg).

Pressures in the Lung 

Various lung intravascular and 
extravascular pressures influence 
pulmonary blood flow and its 
distribution in the lung. Pressure in different vascular segments (arteries, 
capillaries and veins), extravascular pressures (intrathoracic or intrapleural), 
and transmural pressure can vary considerably during both the cardiac and 
respiratory cycles. Because these pressures can influence the distribution of 
blood flow and vascular resistance, they can affect how well blood flow is 
matched to ventilation.

Lung zones (1, no blood flow; 2, intermittent; 3, 
always).

Ventilation-Perfusion Matching

 

The adult lung has about 300 million alveoli. 
Each alveolus is surrounded by a capillary 
mesh. Gas exchange is optimal in alveoli 
where ventilation is closely matched to blood 
flow or perfusion. More specifically, gas 
exchange is optimal in alveoli where the 
fraction of alveolar ventilation ( A) is 
matched to the fraction of cardiac output ( ) 

11


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

perfusing that alveolus. For the whole lung, an ideal ventilation to perfusion 
ratio ( A/ ) is between 0.8 to 1.0. 

However, with 300 million alveoli, it is unlikely that ventilation will be 
precisely matched to perfusion in each alveolus. Some alveoli may be 
overventilated relative to their blood flow and exhibit a  A/  > 1.0. Other 
alveoli may be overperfused relative to their ventilation and have a  A/  of 
less than 0.8. At the extremes, some alveoli may be ventilated put receive no 
perfusion (infinite  A/ ), whereas other alveoli may be perfused but not 
ventilated (very low  A/ ). Normally in the upright lung, the  A/  varies 
slightly from the apex to the base of the lung because of disparities in the 
distribution of ventilation and blood flow to these regions.

In the normal, upright adult, the lowest point in the lungs is about 30 centimeters 
below the highest point. This represents a 23 mm Hg pressure difference, about 15 
mm Hg of which is above the heart and 8 below.

Perfusion across capillaries:

Capillary pressure equals 7mmHg (while it is 17 
in general circulation).
Plasma colloid equals 28 mmHg.
Interstitial colloid 14 mmHg (7 in general 
circulation)
-ve interstitial pressure equals 8 mmHg

Total = 29, so 29-28 = 1mmHg which removed by 
lymphatics and evaporation

The pulmonary circulation receives the entire 
output of the right heart, but vascular pressures 
are considerably lower than in systemic vessels. 
Lung vessels lack high resistance arterioles, which accounts for their low resistance to 
blood flow. However, the lack of arterioles also compromises the ability of the lung to 
readily control the distribution of blood flow. Blood flow in the upright lung is 
distributed preferentially to the lung base because of the influence of gravity. 
However, the base also receives a greater proportion of the ventilation than does the 
apex. This imbalance in ventilation to perfusion in the upright lung can lead to a 
higher 

A

/  at the apex than the base. This is reflected by a higher alveolar PO

2

 and 

lower PCO

2

 in alveoli at the apex than at lung base. Two types of edema, hydrostatic 

and permeability, can occur in the lung. They have different etiologies and 
characteristics and hence, require different therapeutic approaches. Hydrostatic edema 
is related to increases in vascular pressure whereas permeability edema is caused by 
an increased leakiness of lung capillaries to fluid and protein.

The blood volume of the lungs is about 450 milliliters, about 9 per cent of the total 
blood volume of the entire circulatory system. Approximately 70 milliliters of this 
pulmonary blood volume is in the pulmonary capillaries, and the remainder is divided 
about equally between the pulmonary arteries and the veins.

12


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Partial pressure of gases

Ventilatory Factors Affecting Alveolar Gas Composition

 

The composition of alveolar gas depends on the amount and kind of gases 
delivered to the alveoli by ventilation and on the rate of gas diffusion 
between alveoli and pulmonary capillary blood. It also depends upon 
pulmonary blood flow, which continuously delivers CO

2

 and removes O

2

 from 

the alveoli. 

Gases Comprising the Earth's Atmosphere

 

The earth's atmosphere is a mixture of gases consisting of about 78% 
molecular nitrogen (N

2

), 20.9 % molecular oxygen (O

2

) and 1.0 % argon (Ar). 

Other gases, like carbon dioxide (0.03%), are also detectable, but only in trace 
amounts.

Dalton's Law 

Dalton's Law states that the total pressure (i.e., barometric pressure; P

B

exerted by a mixture of gases, such as the earth's atmosphere, is equal to the 
sum of the separate partial pressures each gas would exert if it occupied the 
entire volume (space) alone. That is, the total pressure exerted by a mixture of 
gases is equal to the sum of the individual partial pressures of the gases 
comprising the mixture. For the earth's atmosphere, the total or barometric 
pressure (P

B

) is the sum of the individual partial pressures of the gases 

13


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

comprising the atmosphere. Thus, at a P

B

 = 1 atmosphere (ATM) = 760, the 

PN

2

 = 594; PO

2

 = 159; PAr = 7.1; and PCO

2

 = 0.23.

Calculation of Partial Pressures for Atmospheric Gases

 

Clinically, it is often necessary to determine the partial pressure of a particular 
gas in a gas mixture. The partial pressure (Pg) of a given gas (g) in a mixture 
of gases is computed by multiplying total gas pressure by the fractional 
concentration of the gas in the gas mixture. To simplify the calculation, the 
fraction of O

2

 present in ambient air is generally taken to be 0.21 or 21%. 

Thus, at sea level, where total pressure or P

B

 = 760 Torr, the partial pressure of 

O

2

 (PO

2

) is computed by multiplying P

B

 by the fraction of O

2

 in the gas 

mixture. The fractional composition of air in Denver, Colorado is the same as 
at sea level. However, the PO

2

 in Denver, Colorado is less because it is 1 mile 

above sea level and the P

B

 of Denver averages about 625 Torr.

The Addition of Water Vapor to Inspired Air

 

Ambient air inhaled into the nasal passages and tracheobronchial tree is 
immediately warmed to body temperature and completely saturated with 
water vapor. The water vapor or water gas added to inspired air exerts a partial 
pressure just like the other gases comprising air. The ability and capacity of air 
to hold water vapor increases as the temperature of the air increases and is 
independent of the total air pressure. At body temperature (37

o

C), air, 

saturated with water vapor has a water vapor pressure (PH

2

O) of 47 Torr, 

provided P

B

 exceeds PH

2

O. In a more practical sense, the PH

2

O in the airway 

of a person at sea level is the same as a person in Denver if their body 
temperatures are the same. Like the other gases present in air, PH

2

O also 

obeys 

Dalton's

 Law. As a consequence, the addition of water vapor to inspired 

air reduces the partial pressure of other gases without changing the total gas 
pressure. For air in the tracheobronchial tree, P

B

 is the sum of the partial 

pressure of atmospheric gases plus water vapor or P

B

 = PN

2

 + PO

2

 +PCO

2

 + 

PAr +PH

2

O + Pother gases.

14


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Composition of gases in air:

Atm.

Atm. + 
humidity

alveolar

Expired

N2

597.0

563.4

569.0

566.0

O2

159.0

149.3

104.0

120.0

CO2

0.3

0.3

40.0

27.0

H2O

3.7

47.0

47.0

47.0

Composition of Alveolar Gases

 

With normal diffusion, the composition of alveolar gases is largely determined 
by two interacting processes. 
1. Ventilation: the periodic partial replacement and dilution of alveolar air 
with fresh ambient air during inspiration and the exhalation of a portion of 
alveolar air during expiration. 

2. Blood flow: blood traversing the pulmonary capillaries continuously 
delivers CO

2

, produced by the tissues, to the alveoli for excretion, while 

concurrently extracting O

2

 from the alveoli for transport to the tissues. 

Only a portion of each tidal volume is delivered to the alveoli. The total air 
volume of all lung alveoli before inspiration (end-expiration) is by definition 
the 

Functional Residual Capacity

. For a normal adult, the FRC is about 2500 

ml. So, if the volume of fresh ambient air reaching the alveoli is 300 ml, it is 
added to an FRC of 2500 ml. As a result, the partial pressures of alveolar 
gases do not fluctuate markedly with each breath since only a portion of the 
FRC is exchanged. 

Factors affecting the diffusion of gasses in air:

Pressure X Area X Temperature

D = ----------------------------------------------,

distance X SQR(Molecular Weight)

diff. coef. = T/SQR(MW) 

(constant)

Factors affecting pressure of gas in fluid: concentration and solubility

Solubility of O2 = 0.024
Solubility of CO2 = 0.57 (20 times of O2)

Diffusion of gases through fluids depends on several factors:
1) solubility, 2) cross section, 3) distance, 4) MW, 5) solubility

Pressure X Area X Solubility

D = ----------------------------------------------,

distance X SQR(Molecular Weight)

diff. coef. = S/SQR(MW) 

(constant)

P X A 

So D = --------- X diff. coef.

    d

15


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

If the diff. coef. of O2 is (1), then the relative coef of CO2 is (20.3), CO is (0.81), N2 
is (0.53)

Diffusion of gases through tissues: all gases concerned are highly soluble in lipids, so 
in tissues, all factors affecting diffusion in water is the same.

Rate of exchange of gases in alveoli: residual capacity = 2300, while only 350 ml 
enters (1/7), so many breaths are needed to fully change the alveolar air, which is 
important to prevent sudden changes in respiratory control center.

Diffusion of Gases through the Respiratory Membrane

The respiratory unit: respiratory bronchioles, alveolar ducts, atria, and alveoli.
Blood flows as a sheet.
Respiratory membrane is 0.2 micrometer thickness and composed of: 1) fluid 
(surfactant), 2) epithelium, 3) epithelial basement membrane, 4) interstitial fluid, 5) 
capillary basement membrane, 6) endothelial cells.

The total surface area is 70 m

2

 and contain 60-140ml blood. The diameter of the 

capillary is 5micrometers (RBC is 7 micrometers), so RBC squeeze inside.

16


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Respiratory membrane diffusion capacity 

volume of gas diffusing 

through membrane / minute for pressure difference of 1 mmHg.

The mean oxygen pressure difference across the respiratory membrane during normal, 
quiet breathing is about 11 mm Hg. Multiplication of this pressure by the diffusing 
capacity (11 × 21) gives a total of about 230 milliliters of oxygen diffusing through 
the respiratory membrane each minute; this is equal to the rate at which the resting 
body uses oxygen. In exercise, diffusion capacity increases to 65 because of (1) 
opening of dormant capillaries and (2) better ventilation perfusion ratio.

Diffusion capacity for CO2 = 400-450 ml/min/mmHg and in exercise increases to 
1200-1300.

Effect of ventilation perfusion ratio on alveolar gas 
concentration:

Ventilation-perfusion ratio (ranges from 0 to infinity):
- Alveolar Oxygen and Carbon Dioxide Partial Pressures when VA/Q Equals Zero, 
that is, without any alveolar ventilation-the air in the alveolus comes to equilibrium 
with the blood oxygen and carbon dioxide because these gases diffuse between the 
blood and the alveolar air. Because the blood that perfuses the capillaries is venous 
blood returning to the lungs from the systemic circulation, it is the gases in this blood 
with which the alveolar gases equilibrate. The normal venous blood has a PO2 of 40 
mm Hg and a PCO2 of 45 mm Hg. Therefore, these are also the normal partial 
pressures of these two gases in alveoli that have blood flow but no ventilation.  
- Alveolar Oxygen and Carbon Dioxide Partial Pressures when VA/Q Equals Infinity, 
there is no capillary blood flow to carry oxygen away or to bring carbon dioxide to the 
alveoli. Therefore, instead of the alveolar gases coming to equilibrium with the 
venous blood, the alveolar air becomes equal to the humidified inspired air. That is, 
the air that is inspired loses no oxygen to the blood and gains no carbon dioxide from 
the blood. And because normal inspired and humidified air has a PO2 of 149 mm Hg 
and a PCO2 of 0 mm Hg, these will be the partial pressures of these two gases in the 
alveoli.  
- Gas Exchange and Alveolar Partial Pressures when VA/Q Is Normal, when there is 
both normal alveolar ventilation and normal alveolar capillary blood flow (normal 
alveolar perfusion), exchange of oxygen and carbon dioxide through the respiratory 
membrane is nearly optimal, and alveolar PO2 is normally at a level of 104 mm Hg, 
which lies between that of the inspired air (149 mm Hg) and that of venous blood (40 
mm Hg). Likewise, alveolar PCO2 lies between two extremes; it is normally 40 mm 
Hg, in contrast to 45 mm Hg in venous blood and 0 mm Hg in inspired air. Thus, 
under normal conditions, the alveolar air Po2 averages 104 mm Hg and the Pco2 
averages 40 mm Hg.

VA/Q = 0  O2 = 40, CO2 = 45mmHg
VA/Q = infinity  O2 = 149, CO2 = 0mmHg
VA/Q = normal  O2 = 104, CO2 = 40mmHg

If less than normal then called physiological shunt
If more than normal then called physiological dead space

17


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Normally at the tip of the lung, VA/Q is (2.5) times normal (phys. dead space), while 
at the base, it is (0.6) times normal (phys. shunt).
Normally, there are abnormal VA/Q ratios in the upper and lower portions of the lung. 
In the upper both ventilation and perfusion are low but VA is more than Q, so there is 
physiological dead space, but in the lower VA is less than Q, so there is physiological 
shunt.
Abnormally, as in smokers, bronchi obstruction  emphysema  (1) low ratio [no 
air] and (2) high ratio because of obstructed alveolar wall.

Transport of O2 and CO2

Blood in capillaries become fully saturated (40  104mmHg) in the first 1/3 of 
capillary passage in alveolus. In exercise, there is 20 fold increase demand for O2 but 
as the diffusion capacity is increased 3 folds, opening of other capillaries leading to 
better VA/Q ratio and the last 2/3 of the capillary length.

18


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

98% of blood become saturated with O2 and the rest (2%) is shunted (bronchial 
circulation), so ending in pulmonary vein O2 saturation of 95mmHg (not 104).

This blood (95mmHg) diffuse to the interstitial space (40mmHg) then to cells 
(23mmHg).

For CO2, intracellular (46mmHg)  interstitial space (45mmHg)  veins (45mmHg) 
 alveoli (40mmHg).

Transport of O2 in blood:

97% of O2 in blood is transported by combining with hemoglobin and only 3% is 
dissolved.

O2 + Hb  HbO2

19


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Partial pressure of blood leaving the lung is 95mmHg = 97% saturation and venous 
blood contains 40mmHg (75% saturation).
Each gram of Hb binds to 1.34ml O2, so 1.34 X 15gm = 20.1ml O2 in 100% 
saturation. So 95mmHg (97%) blood carries 19.4ml O2  tissues (40% saturation)  
veins (70%) carrying 14.4mlO2.
All this is in the resting state, in exercise, PO2 in tissues is low to 15mmHg, where 
more O2 is delivered leaving blood with only 4.4ml O2.

Shape of the Oxy-Hb Dissociation 
Curve

 

The sigmoidal shape of the oxy-Hb 
dissociation curve has physiological 
importance for both the loading of 
O

2

 in the lungs and for unloading O

in the tissue capillaries. The upper 
portion of the curve, between a PO

of 70 to 100 Torr, is nearly flat. This 
portion of the curve is often referred 
to as the association part of the curve 
because it is important in the loading 
of O

2

 (association of O

2

 with Hb) in 

the lung capillary. The association 
part of the curve insures oxygenation 
of most of the Hb even when 
alveolar PO

2

 is decreased due to 

altitude ascension or pulmonary 
disease. The SbO

2

 decreases from 

97.5% at a PO

2

 of 100 Torr to 92% 

at a PO

2

 of 70 Torr with only a change of 1.0 vol% in blood O

2

 content. Thus, 

this flat portion of the oxy-Hb dissociation curve insures nearly normal 
loading of Hb with O

2

 even when the alveolar PO

2

 is reduced from normal. 

20


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

On the other hand, the steep 
sloping part of the curve, 
between a PO

2

 of 50 and 20 

Torr is termed the 
dissociation portion of the 
curve. The dissociation 
portion of the curve is 
important in the tissue 
capillaries where a large 
amount of O

2

 can be unloaded 

for a relatively small change 
in the PO

2

. For example, a 

decrease in the PO

2

 from 50 

to 20 Torr reduces the blood 
O

2

 content by over 10 vol% or 

by nearly 50%. Thus, a 
sizable portion of the O

carried by Hb is available for 
use by the tissues for a 
relatively small change in the 
PO

2

. In other words, Hb relinquishes a relatively large amount of O

2

 for a 

small change in the PO

2

. The transition from the association to dissociation 

portion of the curve is normally at a PO

2

 of around 60 Torr. The curve is very 

steep below, and relatively flat above this PO

2

Shifts in the Oxyhemoglobin Dissociation Curve

 

The oxy-Hb dissociation curve is also capable of shifting to the right or to the 
left. An increase in the blood PCO

2

 or hydrogen ion concentration [H

+

(decrease pH) shifts the curve to the right, whereas a decrease in PCO

2

 or [H

+

(increase pH) shifts the curve to the left. Shifts in the oxy-Hb dissociation 
curve due to changes in the blood PCO

2

 or pH are termed the Bohr effect. An 

increase in blood temperature or 2,3-diphosphoglycerate (2,3-DPG) levels in 
the RBC also shift the oxy-Hb dissociation curve to the right, while a decrease 
in temperature or 2,3-DPG shifts the curve to the left. A shift in the oxy-Hb 

21


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

dissociation curve to the right means that more O

2

 is liberated for a given 

decrease in the PO

2

. Stated another way, a shift in the curve to the right 

indicates that the affinity of Hb for O

2

 is reduced, so that for a given plasma 

PO

2

, more O

2

 is freed from Hb. In contrast, a shift in the curve to the left 

means more O

2

 will be attached to Hb (increased affinity) for a given PO

2

Thus, less O

2

 is available to the tissues or is freed from Hb at a given PO

2

.

Bohr effect: in the lungs, removal of CO2 from blood  shift to the left  more O2 
binding, while in tissues, increase CO2 in blood  shift to the right  easy release of 
O2.

Factors Affecting O

 

 

2

  

 Delivery an CO

 

 

2

  

 Removal from the Tissues

 

 

 

Blood flow rate is the primary 
factor that affects O

2

 delivery to 

the tissues. An increase in blood 
flow typically results in an 
equivalent increase in O

delivery. Increasing the number 
of open capillaries is another 
way to increase O

2

 delivery to a 

tissue. An increase in the partial 
pressure gradient between the 
capillary and tissue also 
enhances O

2

 delivery. Shifts in 

the oxy-Hb dissociation curve 
related to changes in the acid-
base characteristics of the blood can also alter O

2

 delivery to tissues. Likewise, 

an increase in the number of RBCs or hematocrit (i.e., [Hb]) also increases the 
amount of O

2

 delivered to the tissues. Many of the above factors that increase 

O

2

 delivery also facilitate CO

2

 removal.

22


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Transport of CO2 in blood

Under normal conditions, 4ml of CO2/100ml blood. 
CO2 leaves the cell  interstitial fluid  blood in dissolved state. Inside the 
capillary, it is either dissolved (7%), or as bicarbonates (depends on carbonic 
anhydrase which increase the reaction to 5000 times, this enzyme is found in RBCs), 
where bicarbonates diffuse outside the RBC and chloride is shifted inside 
(bicarbonate-chloride shift carrier protein) and hydrogen ion is buffered by Hb (70%), 
and the rest is carried as carbaminohemoglobin compound (23%).

Haldane effect: opposite to Bohr effect, when O

2

 binds to Hb  CO

2

 is released, 

which is more important for the transport of CO

2

 than O

2

. In other words, when Hb 

loses O

2

, it becomes a stronger base or weaker acid, making more sites available to 

buffer H

+

. When O

2

 combine with hemoglobin in the lungs  acid Hb  less 

combination with CO

2

 to form carbaminohemoglobin and also acid Hb  release of 

H

+

 which combines with HCO3

-

  H

2

CO

3

  CO

2

 + H

2

O.

23


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Regulation of respiration

1- Dorsal group (inspiration)
2- Ventral group (expiration and inspiration)
3- Pneumotaxic center (rate and pattern)
4- Apneustic center

Dorsal group (located in the medulla) receive from the vagus (peripheral 
chemoreceptors, baroreceptors and lung receptors). They are responsible for the 
rhythm (unknown cause). Normal inspiration.
Ventral group: Located at the medulla, they remain inactive during quite breathing 
but on increase need, signals from the dorsal to ventral  contribution of ventral to 
respiration. They cause inspiration and expiration. Active expiration.
Pneumotaxic center: Located at the upper one-third of the pons, it sends signals to 
the inspiratory center to switch off inspiratory ramp. When the pneumotaxic signal is 
strong, inspiration is terminated in 0.5 seconds, but when weak, then termination 
occurs after 5 seconds. So this center can affect the rate of respiration.
Apneuostic center: Located at the lower two-thirds of the pons, may send signals to 
the dorsal to prevent or retard the switch off of the respiratory ramp  lung filled 
with air.

Lung inflation signals:
The Hering-Breuer Inflation reflex (also called inhibito-inspiratory reflex) is initiated 
by stretch receptors (sensors) located in the smooth muscles surrounding both large 
and small airways. With lung inflation, these stretch receptors are stimulated and send 
neural signals via vagal afferents that appear to be inhibitory to the pontine apneustic 
center. Thus, they function to facilitate termination of inspiration. There is also a 
Hering-Breuer Deflation reflex (or excito-inspiratory reflex). This reflex is initiated 
either by decreased activity in the same airway stretch receptors involved in the 
inflation reflex or by stimulation of other proprioceptors that are activated by lung 
deflation. This information is also conveyed via vagal afferents to the brain stem 
respiratory centers to encourage inspiration. While Hering-Breuer reflexes are readily 
demonstrated in anesthetized animals, they are more difficult to demonstrate in 

24


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

humans, except at large tidal volumes. These reflexes are detectable in infants and are 
probably important in regulating the work of breathing.
In humans, this reflex is activated when the tidal volume is more than 1.5 liters, so it 
is a protective reflex.

Chemical control of respiration

The chemoreceptors are specialized cells capable of detecting changes in the 
concentration of physically dissolved O

2

, CO

2

, or hydrogen ion (H

+

) in the 

extracellular fluid immediately surrounding them. These chemosensitive cells are 
divided functionally, anatomically and geographically into the peripheral and central 
chemoreceptors
. They function to regulate ventilation so CO

2

 is maintained nearly 

constant and at a level consistent with CO

2

 production and O

2

 consumption by the 

tissues of the body.
In the central chemoreceptors, CO2 and H

effect: H

+

 are the most potent stimulator, 

but they does not cross the blood brain barrier, but when CO

2

 increases, it passes the 

BBB and so it forms H

+

 to stimulate the chemosensitive area in the medulla near the 

respiratory center.

It has a very acute effect (in hours), but after 1-2 days, it decreases because of renal 
HCO

3

-

 formation.

The peripheral chemoreceptors are located in discrete structures known as the carotid 
and aortic bodies.
O

2

 has no direct effect but through peripheral chemoreceptors (aortic and carotid 

bodies). They have little effect compared to CO

2

 and H

+

. The carotid send impulses 

through Hering's nerve  glossopharangeal nerve to dorsal group. Aortic  vagus  
dorsal group.
These receptors (aortic and carotid bodies) are sensitive to O

2

 (30-60mmHg). They 

are also sensitive to CO

2

 and H

+

 but the effect of CO

2

 and H

+

 on the respiratory center 

is stronger than on the chemoreceptors. 

25


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Acclimatization: mountain climbers, after 1-2 days, the CO2 effect will be lost and 
O2 will increase ventilation to 400-500%.

In exercise, increase ventilation is due to (1) motor stimulation of muscles spread to 
respiratory center, (2) joint movement also.

Other factors controlling respiration:

1- Voluntary control
2- Pulmonary irritant receptors
3- Lung j-receptors (at the junction of alveoli to capillaries). The Pulmonary J-

receptors, an abbreviated name for the pulmonary juxtapulmonary-capillary 
receptors, are located in, or near, the walls of pulmonary microvessels. They 
appear to be stimulated by vascular emboli, interstitial edema, and certain 
chemicals (phenyldiguanide or capsaicin). Information from the J-receptors is 
also delivered via vagal afferents to the brain stem. Their stimulation results in 
rapid shallow breathing (tachypnea). These receptors are thought to be 
responsible for the psychological sensation of "air hunger", also known as 
dyspnea. Dyspnea is characterized by the sensation of labored breathing and 
"shortness" of breath.

Periodic breathing: deep and shallow, for example:
Chyne-Stokes breathing: on fast breathing, CO2 is decreased and O2 is increased  
respiratory depression and after few seconds, it recurs. It is found in all normal 
subjects but damped by the fluids of blood, and the brain contains dissolved CO2 and 
O2 to minimize the effect but it can occur in:

1- Severe heart failure, where slow blood circulation to the brain
2- Brain damage  reverse feed-back

Classification of Lung Disorders by Spirometry

 

By comparing recorded values of the resting VC, FVC and FEV

1.0

 obtained 

from the spirogram to the predicted values obtained from nomograms, it is 
possible to group respiratory diseases or disorders into two broad cateogories 
of restrictive or obstructive impairments.

Respiratory Investigations

1- Blood pH
2- Blood CO2
3- Blood O2
4- Maximum expiratory flow (400ml/min) (Peak Expiratory Flow Meter)
5- FVC (forced vital capacity) and FEV1 (forced vital capacity in the first 

second).

26


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

Restrictive Disorders or Diseases

 

Restrictive impairments are 
characterized by limited lung 
expansion, reduced lung volumes, 
and usually decreased expiratory 
flow rates from predicted values. 
Thus, the recorded FVC and 
FEV

1.0

 are below the predicted 

normal. However, with a strictly 
restrictive disorder, airway 
resistance is normal, so the ratio 
of the actual FEV

1.0

 to the FVC of 

the subject is normal (i.e, 
FEV

1.0

/FVC> 80%). The loss of 

lung volume with restrictive 
disorders is reflected by 
reductions in other lung volumes 
(RV, FRC) and a reduced FEF

25-75%

 from predicted values. Some examples of 

restrictive disorders include pregnancy, excessive abdominal fat, or even tight-
fitting undergarments that limit normal descent of the diaphragm. Some 
restrictive diseases include pulmonary fibrosis, sarcoidosis, pleural effusion, 
spinal cord injury that affects innervation to the respiratory muscles, or spinal 
nerve paralysis such as with polio. Injury or disease to the respiratory control 
centers of the brain stem might also be reflected as a restrictive impairment.

Obstructive Disorders or Diseases

 

Obstructive impairments are 
characterized by increased airway 
resistance causing reduced 
expiratory airflow rates. 
Obstructive disorders are always 
associated with airway 
dysfunction. Examples of 
obstructive diseases include 
asthma, chronic bronchitis, and 
emphysema. However, even a 
severe cold with pulmonary 
congestion might be manifested 
as an obstructive disorder. With 
obstructive impairments, the 
actual (recorded) FEV

1.0

/FVC is 

less than 80% and the FEV

1.0

 and 

FEF 

25-75%

 are 75% or less of the 

predicted values. How 
obstructive disorders affect other lung volumes, including the FVC, depends 
upon the severity or stage of the disease. For example, with mild asthma, the 
FVC may be normal but the FEV

1.0

 and FEF

25-75%

 reduced from normal. 

27


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

During the early stages of emphysema, the VC and FVC may be within 
normal limits, but with advanced emphysema the FVC is reduced. With 
advanced emphysema, the lung becomes hypercompliant (more distensible 
with less recoil), leading to air trapping reflected by an increase in the RV and 
FRC, even though TLC is unchanged, or possibly increased from normal. If 
the FEV

1.0

 or FEF

25-75%

 increases after inhalation of a bronchodilator (i.e., 

beta-agonist), a portion of the obstruction is likely due to bronchospasm. The 
potential reversibilty of an obstructive impairment is indicated when the 
FEV

1.0

 is increased by 15% or more after inhalation of a bronchodilator.

Abnormalities:

1- Emphysema: excess air in the lungs. Chronic infection  increase mucus  

chronic obstruction  air remain in alveoli  overstretching of alveoli  
alveolar obstruction. So it leads to obstruction and damage  decrease 
diffusing capacity  very low VA/Q (shunt) and very high VA/Q (dead 
space). At the end, damage to alveolar wall  damage to capillaries  
pulmonary hypertension  right sided heart failure.

28


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

2- Pneumonia: any inflammatory condition of the lung where the alveoli are 

filled with fluid and blood cells. So in infection, the damage to alveoli  
filling with fluid and blood  consolidation  reduction of available surface 
and reduction of VA/Q  hypoxemia and hypercapnia.

3- Atelectasis (airway obstruction or lack of surfactant): leads to collapse of the 

lungs, so in blockage  air entrapment  air absorption  collapse of alveoli 
(pliable lung) or alveoli filled with fluid (rigid lung), so increase resistance to 
blood flow and in addition, hypoxia  vasodilatation, so blood flow to other 
areas and VA/Q is not much suffered.

4- Asthma: spastic contraction of smooth muscles of bronchioles because of 

hypersensitivity.

Hypoxia: decrease O2 to the cells. It is divided into (1) circulatory, (2) histotoxic, (3) 
anemic, (4) hypoxic hypoxia.

Circulatory Hypoxemia

 

Circulatory hypoxemia, also known as stagnant hypoxemia, is characterized 
by, or a result of inadequate blood flow to a particular tissue. The failure to 
deliver adequate O

2

 results from a problem with the cardiovascular system. 

Circulatory arrest could result from heart failure or vasomotor collapse, or 
locally, from vascular disease or emboli that limit blood flow to a particular 
organ. If blood flow to the brain is blocked for about 10 seconds, 
consciousness is lost, mostly as a result of hypoxemia. In the eye, occlusion of 
vessels can lead to vision loss in 6 seconds. With circulatory arrest, products 
of anaerobic metabolisms are not cleared. This can potentially compound the 
damage from the hypoxemia.

Histotoxic Hypoxemia

 

With histotoxic hypoxemia, tissues are unable to use O

2

 properly because the 

enzymes of aerobic metabolism are dysfunctional. Several poisons, such as 
cyanide and mercury, interfere with the oxidative enzymes so that O

2

 can no 

longer serve as the final proton acceptor for the cytochrome enzymes. Arterial 
blood PO

2

 and content are often normal with histotoxic hypoxemia, whereas 

systemic venous and mixed venous blood PO

2

 and content are higher than 

normal, reflecting the inability of oxidative enzymes to use O

2

.

Anemic Hypoxemia

 

Anemic hypoxemia is characterized by a low blood O

2

 content due to either a 

low [Hb] or an inability of Hb to bind and hence transport O

2

. With anemic 

hypoxemia, however, the systemic arterial PO

2

 is usually close to normal. 

Because the arterial chemoreceptors are located in the systemic arterial 
circulation and only detect the physically dissolved O

2

 (PaO

2

) and not the O

attached to Hb (HbO

2

), they can be fooled by this form of hypoxemia. With 

anemic hypoxemia, the arterial PO

2

 is often close to normal. As a result, the 

peripheral chemoreceptors fail to detect any change in blood O

2

 content. Also, 

29


background image

Respiratory Physiology
Prof. Zaid Al-Madfai

the central chemoreceptors are not responsive to hypoxemia, so breathing is 
not markedly stimulated. 

Hypoxic Hypoxemia

 

Hypoxic hypoxemia differs from anemic hypoxemia in that the arterial blood 
PO

2

 is reduced along with the O

2

 content. With hypoxic hypoxemia, breathing 

is stimulated by the hypoxemia. The most common clinical example of 
hypoxic hypoxemia is a right-to-left shunt, where blood travels through the 
lung from the right to left heart without undergoing complete oxygenation. 
This is common in conditions where pulmonary diffusion is impaired, so gas 
exchange between the alveoli and pulmonary capillary blood is diminished. 
Hypoxic hypoxemia can also result from hypoventilation associated with 
injury or disease to the brain stem respiratory control centers, spinal cord, or 
motor nerves innervating the respiratory muscles. Individuals with 
emphysema often exhibit hypoxic hypoxemia characterized by a low arterial 
PO

2

 and blood O

2

 content. However, such individuals may also have an 

elevated arterial PCO

2

. Another example of hypoxic hypoxemia is altitude 

ascension. This causes a decline in blood PO

2

 because 

atmospheric 

PO

2

 is 

reduced with altitude. This decline in the PO

2

 causes the peripheral 

chemoreceptors to stimulate breathing. The increase ventilation typically 
results in a lowering of both blood and CSF PCO

2

 and [H

+

]. Diminished levels 

of these potent stimuli to breathing can act to counter a portion of the hypoxic 
stimulation to ventilation.

Hypercapnia: increase CO2 in body fluids
It is not always associated with hypoxia but only in hypoventilation and circulatory 
failure.

Cyanosis: Blue skin due to increase deoxygenated blood. It appears when 
deoxygenated blood is more than 5gm/100ml, so it does not appear in anemia.

Dyspnea: mental anguish associated with inability to ventilate enough leading to air 
hunger. It is caused by (1) abnormality of respiratory gases in body fluids, specially 
hypercapnia, (2) amount of work by respiratory muscles increases, (3) state of the 
mind.

30




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 15 عضواً و 340 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