background image

36 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

Lecture 6: 

 

Physics of the lung and Breathing 

Objectives: after the end of this lecture, the student must know: 

1-  How blood and lungs interact 

 

2-  Role of surfactant in preventing lung collapse  

           3- Physics of certain lung diseases. 

We breath  6 liters of air per minute (this is also about the volume of blood the 

heart pumps each minute). Men breath 12 times per minute at rest while women 

and infants breath  20 times, 60 times per second respectively. 

The air we inspire about (80 % N2 + 20 % O2), the air we expire (80% N2+16 % 

O2 + 4%CO2) 

The lungs have large convoluted shape with surface area about 80m². It is 

surprising that we do not have more disease of lung. 

The Air Ways 

 

The air passes through windpipe (trachea), each bronchus divide multiple 

times  (about 15 times) until it reach to a sac like structure called alveoli of 

0.2mm diameter and 0.4 μm wall thickness, each alveolus surrounded by blood 

capillary. So O2 can diffuse from alveolus into RBC and CO2 diffuse from blood 

into air in the alveolus. 

1-  Large chunks removed by cough 

 

2-  Small particles carried upward to the mouth by millions of small hairs or cilia 

of  0.1mm long that have wave like motion. 

Each cilia vibrates about  1000 times a minute. The  mucus moves 1-2 

cm/min  (1 mile/week). Cilia as escalator system of trachea. It takes 30 min for 


background image

37 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

particle of dust to be cleared out of the bronchi and trachea into throat where 

it is expelled or swallowed. 

How Blood And Lungs Interact 

 

About  (1 Liter) of blood supply the lungs, but only 70 ml is in the capillaries 

of the lungs getting O2. 

The transfer of O2 and CO2 into and out of blood is controlled by law of 

diffusion. Molecules diffuse from region of higher concentration to lower 

concentration until concentration uniform. 

A molecule of O2 diffuse faster than CO2 because of its smaller mass. The 

lungs are not emptied during expiration, during normal breath the lungs retains 

about 30% of their volume at the end of each expiration. 

Measurement Of Lungs Volumes 

 

During normal breathing we inhale 500 cm³  of air with each breath. If a 

person cough or sneeze hard the velocity of air in the trachea can reach the 

velocity of sound in air. 

This high velocity can cause partial collapse of air ways because of Bernoulli 

effect. 

In coughing to dislodge foreign object, this partial collapse increases air 

velocity and increase the force on foreign object. 

Not all air we inspire adds O2, the volume of trachea and bronchi called 

anatomic dead space, since air in space is not exposed to blood in pulmonary 

capillaries the space about 150 cm

3.

 

 
 
 
 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 
 
Physics Of The Alveoli 

The alveoli like millions of small interconnected bubbles, have tendency to 

get smaller due to surface tension of unique fluid lining. This lining called 

surfactant

. The absence of surfactant in the lungs of some new born infant is 

the cause of respiratory distress syndromes (RDS) called hyaline membrane 

disease which causes death. 

To understand the physics of alveoli we have to understand physics of bubble. 

The pressure inside bubble is inversely proportional to the radius and directly to 

the surface tension. 

P  = 4 γ / R 

 

Where  R radius,  γ surface tension 

 

Figure 6-1 shows P-V curves for human lungs when p needed to then reinflate 

the lungs 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Figure 6-1: 

P-V curve 

 

Two Forces Keep Lungs From Collapsing 

 

1-  surface tension between lungs and chest 

wall  


background image

39 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

2- 2- Air pressure inside the lungs 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

Since each lung is its own sealed compartment, it is possible to collapse one 

lung only. This is done by inserting a hollow needle between ribs and allowing 

air to flow into intrathoracic space, the air trapped in the space is gradually 

absorbed by tissue and lung  expand  to normal over few weeks, sometimes 

lung collapses spontaneously with no known cause. 

The lungs returns to normal as the air is absorbed into surrounding tissues. 

Since both lung and chest are elastic we can represent them with springs. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Figure 6-3: simple model for mechanism of breathing during (A) normal 

conditions, B inspiration, C expiration and D pneumothorax. 

Air Way Resistance 

 

During 

inspiration the forces on airways tend to open them further, during 

expiration the forces tend to close the airways and restrict flow. 

Voltage replaced by pressure difference ∆P 

Current replaced by rate of air flow or V 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

Air way resistance 

 

        Rg  =  ∆ P / V

 

Most of resistance in the upper airway passages. 

 

10% of Rg is in the terminal airways (bronchioles and alveoli) do not affect air 

way resistance until they are far advanced. 

Physics Of Common Lung Diseases 

 

Emphysema 

the division between alveoli break down produces large lung 

spaces, this destruction of lung tissue reduces the springiness of lungs. The 

lungs become more complaint, small change in pressure produces larger than 

normal change in volume. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

         Emphysema 

Produces two changes: 

 

1-  The lungs become flabby and expands 

 

2-  The tissues do not pull very hard on the airways permitting the narrowed 

airways to collapse easily during expiration 

In asthma due to increasing airway resistance, some of resistance is due to 
swelling (edema) and mucus in the smaller airways but much of it is due to 
contraction of smooth muscles round the large air ways. 
Fibrosis of lungs

, the membranes between alveoli thicken. 

This has two effects 
1-  the compliance of the lungs decreases 

 

2-  The diffusion of O2 into capillary decreases 

 

Fibrosis can occur if the lungs have been irradiated e.g. in treatment of 


background image

42 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

          Small group discussion: 

 

Qx/ Can you test the pulmonary function and how? 

 

Qx/ What are the suspected abnormalities that can be seen on a Spirogram of 

asthmatic patient? 

Qx/ In a patient with sever emphysema, which of the following are above the 

normal: 

i. Airway resistance. 

 

ii. Inspiratory reverse volume. 

 

iii. Functional residual capacity. 

 

iv. Vital capacity. 

 

v. Compliance. 




رفعت المحاضرة من قبل: علي الشبري
المشاهدات: لقد قام عضوان و 156 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