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Lecture-1

                          Respiratory System 

            

We will focus on these main points about respiration: 

1. Pulmonary Ventilation 
2. Pulmonary Circulation, Pulmonary Edema, Pleural Fluid 
3. Physical Principles of Gas Exchange; Diffusion of Oxygen and Carbon Dioxide through the Respiratory 
Membrane 
4. Transport of Oxygen and Carbon Dioxide in Blood and Tissue Fluids 
5. Regulation of Respiration 
6. Respiratory Insufficiency—Pathophysiology, Diagnosis, Oxygen Therapy 
 
Anatomy of the Respiratory System 
The lungs fill most of the thoracic cavity except for the space occupied by the heart and major blood vessels. 
The lung  consist  of two  lungs,  right  lung consist  of three lobs ,right  upper, middle  and lower lobs  (fig  1). 
Left lung consist of two lobs, left upper and lower lobs. 
 
The respiratory air passages consist of 
1-Upper respiratory tract: refers to the   nasal cavity, the pharynx. 
2-Lower  respiratory  tract:  includes  the  larynx,  trachea  which  is  divided  into  2  bronchi,  then  bronchi  is 
divided  into  bronchioles,  then  terminal  bronchioles,  then  respiratory  bronchioles,  then  alveolar  duct  and 
alveoli. These multiple divisions greatly increase the total cross-sectional area of the airways. Consequently, 
the  velocity  of  air  flow  in  the  small  airways  declines  to  very  low  values.  There  are  300  million  alveoli  in 
humans and the total area of the alveolar walls in contact with capillaries in both lungs is about 70 m

2

.

 

 
 

Pulmonary Ventilation 

       The goals of respiration are to provide oxygen to the tissues and to remove carbon dioxide. To achieve 
these goals, respiration can be divided into four major functions: (1) pulmonary ventilation, which means the 
inflow and outflow of air between the atmosphere and the lung alveoli; (2) diffusion of oxygen and carbon 
dioxide between the alveoli and the blood; (3) transport of oxygen and carbon dioxide in the blood and body 
fluids to and from the body’s tissue cells; and (4) regulation of ventilation and other facets of respiration. 
 

Mechanics of Pulmonary Ventilation (fig 2) 

During  inspiration  (during  normal  quiet  breathing),  the  first  method  is  contraction  of  the  diaphragm  to 
lengthen chest cavity and pull the lower surfaces of the lungs downward. The second method for expanding 
the lungs is to raise the rib cage which increases the anteroposterior diameter between sternum and spine. All 
the muscles that elevate the chest cage are classified as muscles of inspiration.  The most important muscles 
of  inspiration  are  the  external  intercostals,  but  others  that  help  (deep  breathing)  are  the  (1) 
sternocleidomastoid muscles, which lift upward on the sternum; (2) anterior serrati, which lift many of the 
ribs; and (3) scaleni, which lift the first two ribs. 
During  expiration,  the  diaphragm  simply  relaxes,  and  the  elastic  recoil  of  the  lungs,  chest  wall,  and 
abdominal structures compresses the lungs and expels the air. During heavy breathing extra force is achieved 
mainly  by  muscles  of  expiration  that  pull  the  rib  cage  downward  during  expiration  are  mainly  the  (1) 
abdominal recti, which have the powerful effect of pulling downward on the lower ribs at the same time that 
they and other abdominal muscles also compress the abdominal contents upward against the diaphragm, and 
(2) internal intercostals. 

 


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Movement of Air In and Out of the Lungs and the Pressures That Cause the Movement 

The  lung  is  an  elastic  structure  that  collapses  like  a  balloon  and  expels  all  its  air  through  the  trachea 
whenever there is no force to keep it inflated.

 

Also, there are no attachments between the lung and the walls 

of the chest cage, except where it is suspended at its hilum from the mediastinum.

  

 
Pleural Pressure and Its Changes during Respiration (fig 3) 
Pleural pressure is the pressure of the fluid in the thin space between the lung visceral pleura and the chest 
wall  parietal  pleura.  Pleural  fluid  lubricates  movement  of  the  lungs  within  the  cavity  and  due  to  continual 
suction  of  excess  fluid  into  lymphatic  channels  maintains  a  slightly  negative  pressure.

 

Normal  pleural 

pressure at the beginning of  inspiration is about  –5 cm of water which hold the lungs open to their resting 
level.

 

Then,  during  normal  inspiration  creates  more  negative  pressure,  to  an  average  of  about  –7.5  cm  of 

water.

 

Then, during expiration, the events are essentially reversed. 

 
Alveolar Pressure (fig 3) 
Alveolar  pressure  is  the  pressure  of  the  air  inside  the  lung  alveoli.

 

When  the  glottis  is  open  and  no  air  is 

flowing into or out of the lungs, the pressure in all lungs, all the way to the alveoli is equal to atmospheric 
pressure, which is considered to be 0 cm water pressure. During inspiration, the pressure in the alveoli must 
fall below atmospheric pressure, to about –1 cm of water which is enough to pull 0.5 L of air into the lungs 
in the 2 seconds required for normal quiet inspiration. 
During  expiration,  opposite  pressures  occur:  The  alveolar  pressure  rises  to  about  +1  cm  of  water,  and  this 
force the 0.5 L of inspired air out of the lungs during the 2 to 3 seconds of expiration. 
 
Transpulmonary Pressure (fig 3) 
It  is  the  pressure  difference  between  the  alveolar  pressure  and  the  pleural  pressure.  It  is  a  measure  of  the 
elastic  forces  in  the  lung  that  tend  to  collapse  the  lungs  at  each  instant  of  respiration,  called  the  recoil 
pressure. 
Compliance of the Lungs (fig 4,5) 
It is the extent to which the lungs will expand for each unit increase in transpulmonary pressure (if enough 
time is allowed to reach equilibrium) and it is about 200 ml of air per cm of water transpulmonary pressure 
in normal adult human being. 
The compliance is oppose and determined by the elastic forces of the lungs which tend to collapse the lung. 
These can be divided into two parts: (1) elastic forces of the lung tissue itself. The lung tissue elastic forces 
are determined mainly by elastin and collagen fibers of lung parenchyma (2) elastic forces caused by surface 
tension of the fluid  that lines  the inside walls  of the alveoli  and other lung air spaces.  When the lungs  are 
filled with air, there is an interface between the alveolar fluid and the air in the alveoli. The water molecules 
have  a  strong  attraction  for  one  another  leading  to  that  the  water  surface  is  always  attempting  to  contract 
which lead to  force the  air out  of the alveoli  through the bronchi and  alveoli  collapse. The net  effect  is  to 
cause an elastic contractile force of the entire lungs, which is called the surface tension elastic force 
The tissue elastic forces tending to cause collapse of the air-filled lung represent only about one third of the 
total lung elasticity, whereas the

 

fluid-air surface tension forces in the alveoli represent about two thirds. 

 
Surfactant and Its Effect on Surface Tension: 
Surfactant is a greatly reduces the surface tension of water 
because it is not dissolving uniformly in the fluid lining the alveolar surface. It is secreted by type II alveolar 
epithelial cells, which constitute about 10 per cent of the surface area of the alveoli.

 

Surfactant is a complex 

mixture of several phospholipids, proteins, and ions. 


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When  the  air  passages  leading  from  the  alveoli  are  blocked,  the  surface  tension  in  the  alveoli  tends  to 
collapse the alveoli. This creates positive pressure in the alveoli, attempting to push the air out. The amount 
of pressure generated in this way in an alveolus can be calculated from the following formula: 
 
Pressure=2* Surface tension/ Radius of alveolus 
with normal surfactant, the pressure is about 4 cm of water pressure while  when  alveoli is lined with pure 
water  without  any  surfactant,  the  pressure  is  about  18  cm  of  water  pressure  due  to  increase    the  surface 
tension when there is no surfactant. 
Note from  the preceding formula that the pressure generated as  a result of surface tension  in  the alveoli  is 
inversely affected by the radius  of the alveolus,  which means that  the smaller the  alveolus,  the  greater the 
alveolar pressure caused by the surface tension. 
 
Respiratory distress  syndrome of the newborn:  It  is  the case occurs in small premature babies because: 
firstly many of premature babies have alveoli radius less than one quarter that of an adult person leading to 
increase  the  surface  tension  pressure.  Secondly  surfactant  does  not  normally  begin  to  be  secreted  into  the 
alveoli  until  between  the  sixth  and  seventh  months  of  gestation,  and  in  some  cases,  even  later  than  that. 
Therefore, many premature babies have little or no surfactant in the alveoli when they are born, leading to 
increase surface tension and their lungs have an extreme tendency to collapse leading severe hypoxemia.

 

It is 

fatal if not treated with strong measures, especially properly applied continuous positive pressure breathing. 
 
Compliance of the Thorax and the Lungs Together 
The compliance of the combined lung-thorax system is almost exactly one half that of the lungs alone—110 
ml  of  volume  per  cm  of  water  pressure  for  the  combined  system,  compared  with  200  ml/cm  for  the  lungs 
alone.  

 

Figures 

 

Figure 1: lung anatomy 


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Fig 2: Contraction and expansion of the thoracic cage during expiration and inspiration. 

 

 

 

Fig 3:

 

Changes in lung volume, alveolar pressure, pleural pressure, and transpulmonary          

pressure during normal breathing. 

 


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Fig 4:

 

Compliance diagram in a healthy person. This diagram shows compliance of the lungs    

alone. 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Deaa Al-deen El-taee
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