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Lecture 10 
Effect of low arterial PO2 to stimulate alveolar ventilation when arterial carbon dioxide 
and hydrogen ion concentrations remain normal 
When  there is  a  low arterial  PO2  while PCO2  and the hydrogen ion  concentration are kept 
constant at their normal levels, only the ventilatory drive due to the effect of low oxygen on 
the chemoreceptors is active which is quite strongly and lead to increase alveolar ventilation. 
There is almost no effect on ventilation as long as the arterial PO2 remains greater than 100 
mm  Hg.  But  at  pressures  lower  than  100  mm  Hg,  the  ventilation  start  to  increase  until 
approximately doubles when the arterial PO2 falls to 60 mm Hg and can increase as much as 
fivefold at very low PO2s.  
Effect of carbon dioxide and hydrogen ion concentration on chemoreceptor activity 
The  direct  effect  of  increasing  in  either  carbon  dioxide  concentration  or  hydrogen  ion 
concentration  on  respiratory  centre  is  so  much  more  powerful  than  their  indirect  effects 
through chemoreceptors. The stimulation by way of the peripheral chemoreceptors occurs as 
much  as  five  times  as  rapidly  as  central  stimulation,  so  that  the  peripheral  chemoreceptors 
might be especially important in increasing the rapidity of response to carbon dioxide at the 
onset of exercise. 
 
Acclimatization:  Slowly  mountain  climbers  over  a  period  of  days  rather  than  hours,  they 
breathe  much  more  deeply  and  therefore  can  tolerate  far  lower  atmospheric  oxygen 
concentrations  than  when  they  ascend  rapidly  called  acclimatization.  The  reason  for  that, 
within  2  to  3days,  the  respiratory  center  in  the  brain  stem  loses  about  four  fifths  of  its 
sensitivity to changes in PCO2 and hydrogen ions. Therefore, the excess ventilatory blow-off 
of  carbon  dioxide  that  normally  would  inhibit    an  increase  in  respiration  fails  to  occur  and 
low  oxygen  can  drive  the  respiratory  system  to  a  much  higher  level  of  alveolar  ventilation 
(400 to 500 %) than under acute conditions (70%). This helps greatly in supplying additional 
oxygen to the mountain climber. 
Regulation of respiration during exercise 
In  strenuous  exercise,  in  the  healthy  athlete,  alveolar  ventilation  increases  in  step  with  the 
increased  level  of  oxygen  metabolism  and  to  keep  the  arterial  PO2,  PCO2,  and  pH  remain 
almost  exactly  normal  (so  they  are  not  the  cause  of  increase  ventilation).  (1)  It  is  believed 
that  the  brain,  on  transmitting  motor  impulses  to  the  exercising  muscles,  to  transmit  at  the 
same  time  collateral  impulses  into  the  brain  stem  to  excite  the  respiratory  center.

 

Occasionally,  however,  the  nervous  respiratory  control  signals  are  either  too  strong  or  too 
weak. Then (2) chemical factors play a significant role in bringing about the final adjustment 
of respiration required to keep the oxygen, carbon dioxide, and hydrogen ion concentrations 
of the body fluids as nearly normal as possible. 
At  the  onset  of  exercise,  the  alveolar  ventilation  increases  immediately  (signal  from  brain) 
without  an  initial  increase  in  arterial  PCO2.    This  increase  in  ventilation  is  usually  great 
enough  so  that  at  first  it  actually  decreases  arterial  PCO2  below  normal,  However,  after 
about 30 to 40 seconds, the amount of carbon dioxide released into the blood from the active 


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muscles  approximately  matches  the  increased  rate  of  ventilation,  and  the  arterial  PCO2 
returns  essentially  to  normal  toward  the  end of the  1-minute  period of  exercise  even  as  the 
exercise continues. 
(3)

 

Many experiments suggest that there is a possibility that the neurogenic factor for control 

of ventilation during exercise is a learned response. 
 
Other factors that affect respiration 

1-  Voluntary  control  of  respiration:  we  all  know  that  for  short  periods  of  time, 

respiration  can  be  controlled  voluntarily  and  that  one  can  hyperventilate  or 
hypoventilate to such an extent that serious derangements in PCO2, pH, and PO2 can 
occur in the blood. 

2-  Effect  of  irritant  receptors  in  the  airways:  The  epithelium  of  the  trachea, bronchi, 

and  bronchioles  is  supplied  with  sensory  nerve  endings  called  pulmonary  irritant 
receptors  that are stimulated  by  many  incidents.  These cause  coughing  and sneezing. 
They  may  also  cause  bronchial  constriction  in  such  diseases  as  asthma  and 
emphysema.  

3-  Function of lung “J Receptors.” A few sensory nerve endings have been described in 

the  alveolar  walls  in  juxtaposition  to  the  pulmonary  capillaries—hence  the  name  “J 
receptors.”They  are  stimulated  especially  when  the  pulmonary  capillaries  become 
engorged  with  blood  or  when  pulmonary  edema  occurs  in  such  conditions  as 
congestive  heart  failure.  Although  the  functional  role  of  the  J  receptors  is  not  clear, 
their excitation may give the person a feeling of dyspnea.  

4-  Effect  of  brain  edema.  The  activity  of  the  respiratory  center  may  be  depressed  or 

even  inactivated  by  acute  brain  edema  resulting  from  brain  concussion.  As

 

the 

damaged brain tissues swell, compressing the cerebral arteries against the cranial vault 
and thus partially blocking cerebral blood supply. 

5-  Anesthesia:  Overdosage  with  anesthetics  (morphine)  or  narcotics  cause  respiratory 

depression and respiratory arrest. 

6-  Hormonal  effect:women  hyperventilate  during  luteal  phase  of  menstrual  cycle  and 

pregnancy. 

 

Periodic  breathing:  in  this  case  the  person  breathes  deeply  for  a  short  interval  and  then 
breathes  slightly  or  not  at  all  for  an  additional  interval,  with  the  cycle  repeating  itself  over 
and over as in Cheyne-Stokes breathing, is characterized by slowly increasing and declining 
respiration occurring about every 40 to 60 seconds. 
Basic mechanism of Cheyne-Stokes breathing:  When a person over breathes thus blowing 
off  too  much  carbon  dioxide  from  the  pulmonary  blood  while  at  the  same  time  increasing 
blood  oxygen,  it  takes  several  seconds  before  the  changed  pulmonary  blood  can  be 
transported  to  the  brain  and  inhibits  the  excess  ventilation.  By  this  time,  the  person  has 
already over ventilated for an extra few seconds. Therefore, when the  over ventilated blood 
finally  reaches  the  brain  respiratory  center,  the  center  becomes  depressed  an  excessive 
amount.  Then  the  opposite  cycle  begins.  That  is,  carbon  dioxide  increases  and  oxygen 


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decreases in the alveoli. Again, it takes a few seconds before the brain can respond to these 
new  changes.  When  the  brain  does  respond,  the  person  breathes  hard  once  again,  and  the 
cycle  repeats.  The  basic  cause  of  Cheyne-Stokes  breathing  occurs  in  everyone.  However, 
under normal conditions, this mechanism is highly “damped.”That is, the fluids of the blood 
and  the  respiratory  center  control  areas  have  large  amounts  of  dissolved  and  chemically 
bound  carbon  dioxide  and oxygen  ,  Therefore, normally, the  lungs  cannot build  up  enough 
extra  carbon  dioxide  or  depress  the  oxygen  sufficiently  in  a  few  seconds  to  cause  the  next 
cycle of the periodic breathing. But  in two different conditions, the damping  factors can be 
overridden, and Cheyne-Stokes breathing does occur: 
1- Severe heart failure, where slow blood circulation to the brain. 
2-  Brain  damage  (increased  negative  feedback  gain),  increase  the  fold  of  ventilation  when 
slight increase PCO2 to many times than normal. 
 
Sleep Apnea: The term apnea means absence of spontaneous breathing. Occasional apneas 
occur during normal sleep, but in persons with sleep apnea, the frequency (300 to 500 times 
each night) and duration are greatly increased (with episodes of apnea lasting for 10 seconds 
or longer).  Sleep apneas can be caused by: obstruction of the upper airways, especially the 
pharynx, or by impaired central nervous system respiratory drive. 
 
Clinical respiratory test and investigation 
 

1)  Blood gases & pH test: This important test determines the blood PO2, PCO2, and pH 

which  help  in  determining  appropriate  therapy  for  acute  respiratory  distress  or  acute 
abnormalities  of  acid-base  balance. All these  three  items  measuring  devices  are built 
into the same apparatus, and all these measurements can be made within a minute or so 
using a single, droplet-size sample of blood. 

 

2)  Maximum  expiratory  flow:  When  a  person  first  inhale  as  much  air  as  possible  and 

then  expires  with  maximum  expiratory  effort  until  he  or  she  can  expire at no  greater 
rate  and  it  is  more  than  400  L/min.  The  effect  of  increased  pressure  applied  to  the 
outsides  of  the  alveoli  and  air  passageways  during  forceful  expiration  caused  by 
compressing  the  chest  cage.  The  arrows  in  (Fig.  23)  indicate  that  the  same  pressure 
compresses  the  outsides  of  both  the  alveoli  and  the  bronchioles.  Therefore,  not  only 
does this pressure force air from the alveoli toward the bronchioles, but it also tends to 
collapse the bronchioles  at the  same  time,  which  will oppose movement of  air to the 
exterior.  Once  the  bronchioles  have  almost  completely  collapsed,  further  expiratory 
force can still greatly increase the alveolar pressure, but it also increases the degree of 
bronchiolar collapse and airway resistance by an equal amount, thus preventing further 
increase in flow and reach maximum expiratory flow. 

●As the lung volume becomes smaller; the maximum expiratory flow rate also becomes less. 


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Because in the enlarged lung the bronchi and bronchioles are held open partially by way of 
elastic  pull  on  their  outsides  by  lung  structural  elements;  however,  as  the  lung  becomes 
smaller, these structures are relaxed, so that the bronchi and bronchioles are collapsed more 
easily by external chest pressure. 
 Maximum expiratory flow decreases in:  
(1)  Constricted  lung  diseases:  as  include  fibrotic  diseases  of  the  lung  itself,  such  as 
tuberculosis  and  silicosis,  and  diseases  that  constrict  the  chest  cage,  such  as  kyphosis, 
scoliosis,  and  fibrotic  pleurisy  (because  the  lung  cannot  expand  to  a  normal  maximum 
volume, even with the greatest possible expiratory effort). 
 (2)  Airway  obstruction  disease:  as  in  asthma  &  some  stages  of  emphysema  (it  is  usually 
much more difficult to expire than to inspire because the closing tendency of the airways is 
greatly  increased  by  the  extra  positive  pressure  required  in  the  chest  to  cause  expiration) 
(Fig. 24). 
 

3)  Spirometery: this is useful clinical pulmonary test & simple, it can measure (fig. 25): 

 

1.  The forced expiratory vital capacity (FVC): Its maneuver, the person first inspires 

maximally  to  the  total  lung  capacity,  and  then  exhales  into  the  spirometer  with 
maximum expiratory effort as rapidly and as completely as possible (about 4600 ml). 

 

2.  The forced expiratory volume in first second (FEV1):

 

It is the volume of air expired 

over the first second of forced vital capacity manoeuvre. 

 

3.  FEV1/FVC  ratio:  It  is  the  ratio  of  forced  expiratory  volume  in  first  second  to  force 

vital capacity & is 80%. It decreases with airway obstruction.

 

In restrictive disease this 

ratio show a normal because FEV1 as well as FVC are usually equivalent reduced. 

 

4.  The  maximum  expiratory  flow  over  the  middle  50%  of  the  vital  capacity  (FEF 

25–75%): it is a sensitive index of small airway function, it is important in monitoring 
of asthma patients. 

4)  The  transfer  factor for  carbon monoxide  (TLCO):  It  reflects  the  efficiency  of  the 

lung  in  transferring  oxygen  from  the  alveoli  across  the  alveolar-capillary  membrane 
and  into  haemoglobin  within  the  red  blood  cells.  It  measures  the  uptake  of  inhaled 
carbon  monoxide  instead  of  oxygen  across  the  lung  alveolar  capillary  membrane, 
which is limited by the rate of diffusion from alveolar space into the erythrocyte. 
 


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Figure 23 A, Collapse of the respiratory passageway during maximum expiratory effort, an effect that 
limits expiratory flow rate. B, 
Effect of lung volume on the maximum expiratory air flow, showing 
decreasing maximum expiratory air flow as the lung volume becomes smaller. 

 

 

 

 

Figure 24 Effect of two respiratory abnormalities—constricted lungs and airway obstruction—-on the 
maximum expiratory flow-volume curve. TLC, total lung capacity; RV, residual volume. 

 

 

 


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Figure 25 Recordings during the forced vital capacity maneuver 




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