background image

Lecture-2 
Work of Breathing 

Under  resting  conditions,  the  respiratory  muscles  normally  perform  “work”  to  cause 
inspiration but not to cause expiration. The work of inspiration can be divided into three parts 
that  required:  (1)  to  expand  the  lungs  against  the  lung  and  chest  elastic  forces,  called 
compliance  work  or  elastic  work;  (2)  to  overcome  the  viscosity  of  the  lung  and  chest  wall 
structures, called tissue resistance work; and (3) to overcome airway resistance to movement 
of air into the lungs, called airway resistance work. 
●During quite breathing, 3-5% of total energy of the body is spent for respiration, while in 
heavy exercise; it increases up to 50 folds. 
 

Pulmonary Volumes (fig 5) 

A  lung  volume  refers  to  a  basic  volume  of  the  lung,  the  following  lung  volumes  can  be 
measured directly or indirectly with a spirometer: 
1. The tidal volume (VT) is the volume of air inspired or expired with each normal breath; it 
amounts to about 500 ml in the adult male. 
2.  The  inspiratory  reserve  volume  (IRV)  is  the  extra  volume  of  air  that  can  be  inspired 
over and above the normal tidal volume when the person inspires with full force; it is usually 
equal to about 3000 ml. 
3. The expiratory reserve volume (ERV) is the maximum extra volume of air that can be 
expired  by  forceful  expiration  after  the  end  of  a  normal  tidal  expiration;  this  normally 
amounts to about 1100 ml. 
4.  The  residual  volume  (RV)  is  the  volume  of  air  remaining  in  the  lungs  after  the  most 
forceful expiration; this volume averages about 1200 ml. 
 

Pulmonary Capacities (fig 5) 

Lung capacities are the sum of two or more basic lung volumes. 
1-Inspiratory Capacity (IC): the maximal volume of air that can be inspired from normal 
end-expiration or VT + IRV (about 3500 ml). 
2-The functional residual capacity (FRC): equals the ERV + RV. This is the amount of air 
that remains in the lungs at the end of normal expiration (about 2300 ml). 
3-The  vital  capacity:  equals  the  IRV+  VT+  ERV.  This  is  the  maximum  amount  of  air  a 
person can expel from the lungs after first filling the lungs to their maximum extent (about 
4600 ml). 
4. The total lung capacity is the maximum volume to which the lungs can be expanded with 
the greatest possible effort (about 5800 ml); it is equal to the vital capacity plus the residual 
volume. 
 
●All pulmonary volumes and capacities are about 20 to 25 per cent less in women than in 
men, and they are greater in large and athletic people than in small and asthenic people. 


background image

●  Functional  residual  capacity  cannot  be  determined  by  spirometry  directly  but  can  be 
determined by using helium dilution method. 
The  residual  volume  (RV)  can  be  determined  by  subtracting  expiratory  reserve  volume 
(ERV), as measured by normal spirometry, from the FRC (RV = FRC – ERV). 
The total lung capacity (TLC) can be determined by adding the inspiratory capacity (IC) 
to the FRC  (TLC = FRC + IC). 
The minute respiratory volume is the total amount of new air moved into the respiratory 
passages each minute; this is equal to the tidal volume times the respiratory rate per minute. 
The tidal volume (500 ml) multiplied by the respiratory rate (12/min) = 6000ml/minute. 
 
Alveolar Ventilation 
It  is  the  rate  at  which  new  air  reaches  the  gas  exchange  areas  of  the  lungs  which  are  the 
alveoli, alveolar sacs, alveolar ducts, and respiratory bronchioles. 
 
“Dead Space” and Its Effect on Alveolar Ventilation 
The dead space is the space where no gas exchange occurs and on expiration, the air in the 
dead space is expired first. It is either normal or called anatomically (150 ml) which are 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 
normally equals to 150 ml and this increases slightly with age.  
So the alveolar ventilation per minute is the total volume of new air entering the alveoli and 
adjacent gas exchange areas each minute. 
The  volume  of  alveolar  ventilation  per  minute=  respiration  rate  per  minute*{tidal  volume- 
dead space volume} 
12*{500-150} =12*300= 4200 ml/min. 
 
Functions of the Respiratory passageways (fig 6) 
The air is distributed to the lungs by way of the trachea, bronchi, and bronchioles. 
To keep the trachea from collapsing there are multiple cartilage rings extend about five sixths 
of  the  way  around  the  trachea.  In  the  walls  of  the  bronchi  there  are  less  extensive  curved 
cartilage  plates  also  maintain  a  reasonable  amount  of  rigidity  yet.  These  plates  become 
progressively  less  extensive  in  the  later  generations  of  bronchi  and  are  gone  in  the 
bronchioles, bronchioles kept open as alveoli due to transpulmonary pressure. 
 
●All wall areas of the trachea and bronchi are not occupied by cartilage plates are composed 
mainly of smooth muscle. Also, the walls of the bronchioles consist of smooth muscle except 
the  respiratory  bronchiole,  which  are  mainly  pulmonary  epithelium  and  underlying  fibrous 
tissue plus a few smooth muscle fibers. 


background image

Resistance to airflow in the bronchial tree: In normal quiet breathing, less than 1cm of 
water pressure gradient need to cause enough airflow from the alveoli to the atmosphere. 
The  greatest  airflow  resistance  occurs  in  the  larger  bronchioles  (bronchi  near  the  trachea) 
than in the minute air passages of the terminal bronchioles, this due to that there are few of 
these larger bronchi in comparison with terminal bronchioles through each of which only a 
minute  amount  of  air  must  pass,  but  in  disease  conditions  the  minute  air  passages  play  a 
greater role in determining air way resistance because they are easily occluded. 
 
Nerve stimulation 
“Sympathetic”  Dilation  of  the  Bronchioles:  
Direct  control  of  the  bronchioles  by 
sympathetic nerve fibers is weak. However, the bronchial tree is exposed to norepinephrine 
and  epinephrine  released  into  the  blood  by  sympathetic  stimulation  of  the  adrenal  gland 
medullae. Both these hormones especially epinephrine, because of its greater stimulation of 
beta-adrenergic receptors—cause dilation of the bronchial tree. 
 
Parasympathetic Constriction of the Bronchioles:  
A  few  parasympathetic  nerve  fibers  derived  from  the  vagus  nerves  penetrate  the  lung 
parenchyma  secrete  acetylcholine  which  causes  mild  to  moderate  constriction  of  the 
bronchioles. 
●Sometimes the parasympathetic nerves are also activated by  reflexes that originate in the 
lungs. This initiated by noxious gases, dust, cigarette smoke, or bronchial infection leading to 
irritate the epithelial membrane of the respiratory passageways and constrict them. 
 
Local secretory  factors  often  cause  bronchiolar  constriction:  Several  substances  formed 
in the lungs themselves are causing bronchiolar constriction as histamine and slow reactive 
substance of anaphylaxis. Both of these are released in the lung tissues by mast cells during 
allergic reactions, especially those caused by pollen in the air causing the airway obstruction 
that occurs in allergic asthma. 
 
The role of Mucus and Cilia Lining the Respiratory Passageways 
All the respiratory passages, from the nose to the terminal bronchioles, are kept moist by a 
layer  of  mucus  that  coats  the  entire  surface.  The  mucus  is  secreted  partly  by  individual 
mucous  goblet cells in the  epithelial lining of the passages  and partly  by  small submucosal 
glands. In addition to keeping the surfaces moist, the mucus traps small particles out of the 
inspired air and preventing them reaching the alveoli. 
The mucus itself is removed from the passages in the following manner: The entire surface 
of  the  respiratory  passages,  both  in  the  nose  and  in  the  lower  passages  down  as  far  as  the 
terminal  bronchioles,  is  lined  with  ciliated  epithelium,  and  the  cilia  in  the  lungs  moving 
upward  toward  the  pharynx.    While  the  cilia  in  the  nose  move  downward.  This  continual 
moving cause the mucus and its entrapping particles are either swallowed or coughed to the 
exterior. 
 


background image

Cough Reflex 
The  bronchi  and  trachea  are  so  sensitive  to  light  touch  send  afferent  nerve  impulses  pass 
through  the  vagus  nerves  to  the  medulla  of  the  brain,  then  automatically  causing  the 
following effect. 
First, up to 2.5 L of air are rapidly inspired. 
Second,  the  epiglottis  closes,  and  the  vocal  cords  shut  tightly  to  entrap  the  air  within  the 
lungs. 
Third, the abdominal muscles contract forcefully, pushing against the diaphragm while other 
expiratory  muscles, such as the internal intercostals, also contract forcefully. Consequently, 
the pressure in the lungs rises rapidly to as much as 100 mm Hg or more.  
Fourth, the vocal cords and the epiglottis suddenly open widely, so that airs under this high 
pressure in the lungs blow up outward. 
Indeed,  sometimes  this  air  is  expelled  at  velocities  ranging  from  75  to  100  miles  per  hour. 
The  noncartilaginous  parts  of  bronchi  and  trachea  invaginate  inward  during  cough,  so  that 
the exploding air actually passes through bronchial and tracheal slits. 
 
Sneeze Reflex 
The initiating stimulus of the sneeze reflex is irritation in the nasal passageways, the afferent 
impulses pass in the fifth cranial nerve to the medulla, where the reflex is triggered. A series 
of  reactions  similar  to  those  for  the  cough  reflex  takes  place;  however,  the  uvula  is 
depressed, so that large amounts of air pass rapidly through the nose, thus helping to clear the 
nasal passages of foreign matter. 
 
Normal Respiratory Functions of the Nose 
As air passes through the nose, three normal respiratory functions are performed by the nasal 
cavities: 

(1) The air is warmed by the extensive surfaces of the conchae and septum.  
(2) The air is almost completely humidified even before it passes beyond the nose. 
(3)  The air is partially filtered by the hairs at the entrance to the nostrils.    

 
Vocalization 
Speech involves not only the respiratory system but also (1) specific speech nervous control 
centers  in  the  cerebral  cortex  (2)  respiratory  control  centers  of  the  brain;  and  (3)  the 
articulation and resonance structures of the mouth and nasal cavities. Speech is composed of 
two  mechanical  functions:  (1)  phonation,  which  is  achieved  by  the  larynx,  and  (2) 
articulation, which is achieved by the structures of the mouth. 

 


background image

 

 

 

 

 

 

Fig-5 Diagram showing respiratory excursions during normal breathing and during maximal 

inspiration and maximal expiration 

 


background image

 

 

 

 

 

 

 

Fig -6 Respiratory passages 




رفعت المحاضرة من قبل: Deaa Al-deen El-taee
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 123 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