Respiratory Physiology Notes PDF

RESPIRATORY PHYSIOLOGY TICHANON PROMSRISUK, PhD. DIVISION OF PHYSIOLOGY, SCHOOL OF MEDICAL SCIENCE, UNIVERSITY OF PHAYAO [email protected] ...

RESPIRATORY PHYSIOLOGY TICHANON PROMSRISUK, PhD. DIVISION OF PHYSIOLOGY, SCHOOL OF MEDICAL SCIENCE, UNIVERSITY OF PHAYAO [email protected]  2 วัตถุประสงค์การเรียนรู ้ นิสิตสามารถอธิบาย ;. หน้าทีข? องระบบหายใจได้ E. กล้ามเนืH อทีเ? กีย? วข้องกับการหายใจได้ I. ความดันทีเ? กีย? วข้องกับการหายใจได้ J. ความสามารถในการยืดขยายของปอดได้ K. หน้าทีข? องสารลดแรงตึงผิวได้ O. ปั จจัยทีม? ีผลต่อแรงต้านทานของทางเดินหายใจได้ Q. การระบายอากาศของถุงลมได้ S. ปั จจัยทีม? ีผลต่อภาวะปอดบวมนํHาได้ V. ความสัมพันธ์ระหว่างการระบายอากาศและเลือดทีไ? หลผ่านปอดได้ ;X. ปั จจัยทีม? ีผลต่อการแลกเปลีย? นแก๊สทีป? อดได้ ;;. การขนส่งแก๊สออกซิเจน และคาร์บอนได้ออกไซด์ในเลือดได้ ;E. ปั จจัยทีม? ีผลต่อการเลือ? นของกราฟการจับ-ปล่อยของออกซิเจนกับฮีโมโกลบินได้ ;I. การควบคุมการหายใจได้ ;J. ปั จจัยทีม? ีผลต่อสมดุลกรด-ด่างของร่างกายได้ ;K. ปริมาตรและความจุปอดได้  3 The concentration of gases (%): N2 = 79% O2 = 20.93% (~21%) CO2 = 0.04% Pulmonary ventilation Diffusion External respiration Blood gas transportation Diffusion Internal respiration Cellular respiration Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013. Abbreviations and normal values associated with respiratory physiology 4 Costanzo LS. Physiology. 6th ed. Philadelphia: Elsevier, 2018.  Respiratory tract, Airway, Air passage 5 A C (Bifurcation) B A = alveolus RB = respiratory bronchiole TB = terminal bronchiole A Levitzky MG. Pulmonary Physiology. 9th ed. New York: McGraw-Hill Medical, 2018. B Koeppen BM, Stanton BA. Berne & Levy physiology. 7 ed. Philadelphia: Elsevier, 2018. CWest JB. West's respiratory physiology. 10th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2016. th Respiratory tract, Airway, Air passage (Function) 6 Conducting zone Conducting airway - Trachea-terminal bronchiole - 10% of the lung - Anatomical dead space ~ 150 ml - Air conditioning Respiratory zone Respiratory unit Transitional zone Acinus - Respiratory bronchioles-alveolar sacs - 50-100 m2 surface area > body surface area - 90% of the lung - ~3000 ml - Gas exchange Martini FH, Timmons MJ, Tallitsch RB. Human anatomy. 7th ed. San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2012.  *7 Functions of respiratory system 1. Gas exchange* 2. Acid-base balance 3. Phonation 4. Pulmonary defense mechanisms 4.1 Air conditioning - Moisturizing ทําให้อากาศชื, น (mucus) ป้องกันถุงลมแห้ง - Warming ทําให้อากาศอุ่นขึ, น (nasopharynx & oropharynx) ป้องกันการเกิดฟองอากาศในหลอดเลือดเล็กๆ 4.2 Olfaction  8 4.3 Filtration and removal of inspired particles - Filtration of inspired air Ø 10-15 µm --> Nasal hairs Ø 2-10 µm --> Mucus Ø 0.1-0.5 µm --> Exhaled (80%) - Removal of filtered material Reflexes in the airways Sneeze (nose or nasopharynx) Cough (trachea or bronchi)  9 Tracheobronchial secretions and mucociliary transport: “Mucus escalator or Mucociliary escalator” Chronic bronchitis & pneumonia DeTurk WE, Cahalin LP. Cardiovascular and Pulmonary Physical Therapy: An Evidence-Based Approach. 2nd ed. New York: McGraw-Hill Medical, 2011.  4.4 Alveolar macrophages 10 ใช้ lysozyme --> mucociliary transport & ระบบนํ,าเหลือง 4.5 Immune system Lymphocyte (T cell & B cell) บริเวณ interstitium --> ระบบนํ,าเหลือง 5. Reservoir for the left ventricle 6. The pulmonary circulation as a filter Mixed venous blood (emboli, blood cote, fat, and air bubble) 7. Pulmonary metabolism and the handling of bioactive materials Levitzky MG. Pulmonary Physiology. 9th ed. New York: McGraw-Hill Medical, 2018. Uptake or conversion by the lungs of chemical substrates in mixed venous blood 11 Levitzky MG. Pulmonary Physiology. 9th ed. New York: McGraw-Hill Medical, 2018.  12* Respiration muscles Trapezius Nasalis muscle https://slideplayer.com/slide/8332566/ สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  13 Active process Passive process Vertical diameter Transverse diameter Antero-posterior diameter *Paralyze = paradoxical movement *Hyperinflation = flattening of the diaphragm Martini FH, Timmons MJ, Tallitsch RB. Human anatomy. 7th ed. San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2012.  14* Respiratory pressure 1. Atmospheric or barometric pressure (PB) At sea level, PB = 760 mm Hg As a reference pressure, PB is set as zero PB (PB = 0 mm Hg or 0 cm H2O) 2. Intra-alveolar or intrapulmonary pressure (PA) At rest, PA = 0 mm Hg or 0 cm H2O Inspiration, PA < 0 mm Hg or 0 cm H2O PA Expiration, PA > 0 mm Hg or 0 cm H2O 3. Intrapleural or intrathoracic pressure (PIP) PIP At rest, PIP = -2.5 mm Hg or -5 cm H2O Inspiration, PIP = -6 mm Hg or -7.5 cm H2O Transmural pressure or transpulmonary pressure 15 Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013. Elastic property of the lung 16 Atelectasis Pleuritic chest pain เวลาหายใจเข้า หรือไอ http://lpc1.clpccd.cc.ca.us/lpc/jgallagher/Physio/Chapter%2017%20Mechanics%20of%20Breathing.pdf สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  Lung compliance 17 q Compliance (CL) = การเปลียW นแปลงของปริมาตรปอดต่อ 1 หน่วยของความดันทีW เปลียW น (L/cm H2O) โดยไม่มีการเคลือW นทีขW องทรวงอกและปอด q เป็ นค่าทีบW อกความสามารถในการถูกยืดขยายของปอด (ค่ามาก ปอดขยายง่าย ค่าน้อย ปอดขยายยาก) CL = Compliance ของปอด (L หรือ ml/cm H2O) ∆V ∆V = ปริมาตรของปอดที^เปลี^ยนแปลงไป (L หรือ ml) CL = ∆V ∆P ∆P = ผลต่างของความดันที^ผนังด้ านในและด้ านนอก ∆P ของปอด หรือ transpulmonary pressure (cm H2O) เมือW ปอดถูกยืดขยายออกจะมีความสามารถหดกลับเอง (elasticity) ซึWงขึz นกับแรงตึง (tension) ของปอดและแรงตึงผิว (surface tension) ของผิวสัมผัสระหว่างอากาศในถุง ลมและของไหล Elasticity = 1 CL Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  18* Decrease compliance (ปอดแข็งขยายตัวได้ไม่ดี แรงต้านในการขยายตัวเพิมT ขึV น) Pulmonary fibrosis Pulmonary edema Atelectasis Pulmonary venous pressure Kyphosis Obesity Increase compliance (ปอดขยายตัวได้ง่าย แต่หดกลับไม่ดี) Emphysema Normal aging lung  Pulmonary surfactant 19 Ø Dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) Ø 18-20 weeks 30 weeks Ø Lecithin : Sphingomyelin > 2:1 Ø Infant respiratory distress syndrome (IRDS) Ø Acute respiratory distress syndrome (ARDS) Component %Composition Dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC) 62 Phosphatidylglycerol 5 Other phospholipids 10 Neutral lipids 13 Proteins 8 Carbohydrate 2 http://www2.hawaii.edu/~yzuo/research1-surfactant.html สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  20* Importance of pulmonary surfactant 1. Decrease surface tension in the alveolar: Increase lung compliance Decrease elastic recoil Decrease work to inflate alveoli 2. Alveolar stability O. ป้ องกันไม่ให้ สารนํา` เข้ ามาในถุงลม (Transudate fluid) Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  Airway resistance 21 Total resistance or pulmonary resistance = Tissue resistance 20% + Airway resistance 80% ไหลช้า Viscosity = ความหนืด ไหลเร็ว, ผนังมี secretion Density = ความหนาแน่ น Eddy current ต่อจากส่วนทีu airway ถูกอุด (exudate or tumor) Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  22* Resistance in respiratory passage Segmental bronchus 8ŋl Ra = ¶r4 V = flow rate P = driving pressure r = radius of tube ŋ = viscosity of fluid “Silent zone” l = length of tube Ra = airway resistance https://www.slideshare.net/MikhailKhoretonenko/the-respiratory-system-70424406 สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a Lung volume and airway resistance 23 Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  Dynamic compression of airways 24 Respiratory bronchiole Equal pressure point (EPP) Closing volume: COPD: Wheezing ปริมาตรปอดทีทW างเดิน Barrel chest อากาศถูกกดตีบ Hyperresonance on percussion Prolong expiration Work of breathing Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013. The factors of size of airway 25  Dead space 26 1. Anatomical dead space (VD) = ปาก/จมูก --> terminal bronchiole VD/VT = 150/500 = 0.3 (range 0.25-0.35) 2. Alveolar dead space Physiological dead space = Anatomical dead space + Alveolar dead space In normal lungs: Physiological dead space = Anatomical dead space  27* Ventilation 1. Pulmonary ventilation (Minute ventilation: VE or VT or MV) ปริมาตรอากาศทัzงหมดทีเW ข้าหรือออกจากปอดในหนึงW นาที VE = VT x RR 2. Alveolar ventilation (VA) ปริมาตรอากาศเข้าสู่ถุงลมปอดในหนึงW นาที VA = (VT – VD) x RR VT = Tidal volume (ml/time) VA = VE – (VD x RR) RR = Respiratory rate (/min) VD = Dead space (ml/time) West JB. West's respiratory physiology. 10th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2016. Effect of breathing pattern on alveolar ventilation 28 Subjects Tidal Respiratory Minute Anatomic dead Alveolar volume rate ventilation space (ml/min) ventilation (ml) (time/min) (ml/min) (ml/min) A 150 40 6000 150*40= 6000 0 B 500 12 6000 150*12=1800 4200 C 1000 6 6000 150*6 = 900 5100 คณาจารย์ภาควิชาสรีรวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศริ ิราชพยาบาล. สรีรวิทยา ^. พิมพ์ครัzงทีT _. กรุงเทพฯ: ภาควิชาสรีรวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศริ ิราชพยาบาล มหาวิทยาลัยมหิดล, ^__U.  Alveolar hypoventilation 29 e.g. chronic obstructive pulmonary disease (COPD), respiratory center depression VA PAO2 PaO2 (Hypoxemia; PaO2 < 80 mm Hg) PACO2 PaCO2 pHa (Hypercapnia; PaCO2 > 45 mm Hg) (Acidemia) Respiratory acidosis PAO2 = alveolar partial pressure of O2, PaO2 = arterial partial pressure of O2, PACO2 = alveolar partial pressure of CO2  Alveolar hyperventilation 30 e.g. anxiety, hyperventilation syndrome VA PAO2 PaO2 (Hyperoxemia; PaO2 > 100 mm Hg) PACO2 PaCO2 pHa (Hypocapnia; PaCO2 < 35 mm Hg) (Alkalemia) Respiratory alkalosis PAO2 = alveolar partial pressure of O2, PaO2 = arterial partial pressure of O2, PACO2 = alveolar partial pressure of CO2  Pulmonary perfusion 31 Pressure gradient of pulmonary circulation 15-5 = 10 mmHg Less smooth muscle Deoxygenated blood Oxygenated blood More compliance Less resistance Low pressure Pressure gradient of systemic circulation 100-2 = 98 mmHg https://www.studyblue.com/notes/note/n/physio-pulmonary-circulation/deck/12411992 สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  Pulmonary vascular resistance (PVR) 32 PVR = PPA-PLA PVR = 15-5/6 Q = 10/6 PPA = Pulmonary artery pressure = 1.67 mm Hg/L/min PLA = Left atrium pressure *(blood flow ~ 6 L/min) Q = Blood flow Changes of PVR 1. Passive (no smooth muscle contract): pressure, pulmonary blood flow, and lung volume 2. Active (smooth muscle contract): hypoxia  33 Passive: Pulmonary blood flow, arterial & venous pressure - ลดการทํางานของหัวใจซีกขวา - รักษา pressure ของ pulmonary capillary เพือ? ป้องกันการ เกิด ภาวะนํHาคัง? ในปอด (pulmonary congestion) และปอด บวมนํHา (pulmonary edema) Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013. https://www.studyblue.com/notes/note/n/physio-pulmonary-circulation/deck/12411992 สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  34 Passive: Lung volume Types of pulmonary vessels: 1. Alveolar vessel PVR is lowest near the FRC 2. Extra-alveolar vessel 3. Pulmonary microcirculation (fluid balance) *PVR increases at both high and low lung volume Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  35 Active: Hypoxemia & alveolar hypoxia Precapillary constriction or arteriolar constriction Airway obstruction High altitude, asthma, and emphysema Pulmonary hypertension Cor-pulmonale https://www.studyblue.com/notes/note/n/physio-pulmonary-circulation/deck/12411992 สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  Pulmonary capillary fluid balance 36 Staring force (systemic circulation) 28 28 https://www.studyblue.com/notes/note/n/physio-pulmonary-circulation/deck/12411992 สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  37 (Pi) (pi) Alveolar pressure Surface tension 10 mm Hg 25 mm Hg (Pc) (pc) Staring force (pulmonary circulation) https://www.studyblue.com/notes/note/n/physio-pulmonary-circulation/deck/12411992 สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  38* Increase fluid in interstitial space Filtration > Reabsorption Pulmonary edema Causes: 1. Alveolar surface tension ­ 2. Colloid osmotic pressure ¯ 3. Capillary permeability ­ 4. Hydrostatic pressure ­ (เกิดจาก pulmonary venous pressure ­ โดยเฉพาะใน left heart failure) Distribution of pulmonary blood flow 39 Overperfusion Underperfusion Gravity West JB. West's respiratory physiology. 10th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2016.  40 Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  Shunt 41 Ø Blood enters the arterial system without going through ventilated areas of lung Ø Shunt usually does not result in raised PaCO2 as chemoreceptors sense any elevation of PaCO2  42 A. Anatomic shunt A1. Normal anatomic shunted blood comes from three veins: bronchial, pleural, and thebesian (small cardiac vein) A2. Abnormal: atrial septal defect, patent ductus arteriosus, ventricular septal defect, vascular lung tumor  43 B. Physiologic shunt (perfusion without ventilation) (VA/Q = 0) or venous admixture or wasted blood flow or capillary shunt or true shunt Causes: atelectasis (alveolar collapse), alveolar fluid accumulation (pulmonary edema), alveolar consolidation (pneumonia) The resulting hypoxia cannot be treated by increasing the concentration of FIO2.  44 C. Shunt-like effect (low VA/Q) Causes: Hypoventilation Uneven distribution of ventilation Retained secretions Bronchospasm Alveolar-capillary diffusion defects Pulmonary fibrosis Not enough time for diffusion to occur Readily improved by oxygen therapy.  45* Ventilation perfusion ratio O2 = 150 mm Hg CO2 = 0 mm Hg O2 = 100 CO2 = 40 O2 = 40 O2 = 100 CO2 = 45 CO2 = 40 VA = 0 VA = VA = VA = Q= Q= Q= Q=0 VA/Q = 0 VA/Q = VA/Q normal VA/Q = VA/Q = ∞ Intrapulmonary shunt Shunt-like effect ~1 (0.8) Dead space-like effect Dead space ventilation Ex. Atelectasis, Ex. Bronchoconstriction, Ex. Hypotension Ex. Pulmonary embolism pulmonary edema asthma, emphysema VA/Q mismatch  46 º º º º º º º º Normal VA/Q ~ 0.8 (VA ~ 4 L/min, Q ~ 5 L/min) West JB. West's respiratory physiology. 10th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2016.  47 Regional differences in gas exchange down the normal lung The regional differences in PO2 and PCO2 imply differences in the end- pulmonary capillary concentrations of these gases. West JB. West's respiratory physiology. 10th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2016.  Gas diffusion and gas exchange 48 Gas exchange เกิดขึz นตามทิศทางของความแตกต่างของความดันของ gas แต่ละตัว มาก น้อย (concentration gradient) Dalton’s law: ความดันของแก๊สผสมเท่ากับผลรวมของความดันของแก๊สแต่ละชนิด PT = PO2 + PCO2 + PN2 ความดันของแก๊สแต่ละตัว: ความดันย่อย (Partial pressure; P) เช่น PO2 PCO2 PN2 Px = PT x Fx Px = Partial pressure ของแก๊ส X PT= Total pressure หรือ barometric pressure (760 mm Hg) Fx = Fractional concentration ของแก๊ส X (สัดส่วนของความเข้มข้นของแก๊ส)  49 ทีอT ากาศแห้ง Gas % Fraction Partial pressure (mm Hg) O2 21 0.21 0.21 x 760 = 160 N2 79 0.79 0.79 x 760 = 600 CO2 0.04 0.0004 0.0004 x 760 = 0.304  50 ทางเดินหายใจ อากาศหายใจเข้าถูกทําให้ชื{น ต้องเอาความดันไอนํ{าเข้ามาคิดเพิม‚ ทีV 37 °C มี PH2O 47 mm Hg จึงหาความดันรวมทีVอากาศหายใจเข้ าทีVระดับความดันบรรยากาศ PT = PO2 + PCO2 + PN2 + PH2O ตัวอย่าง ความดันย่อยของ O2 ในทางเดินอากาศ จึงหาได้ จาก PIO2 = (21/100) x (760-47) = 149.73 mm Hg ~ 150 mm Hg  Partial pressure of inspired air 51 Gas % Fraction Partial pressure (mm Hg) Partial pressure of inspired air (mm Hg) O2 21 0.21 0.21 x 760 = 160 0.21 x (760-47) = 149.73 N2 79 0.79 0.79 x 760 = 600 0.79 x (760-47) = 563.27 CO2 0.04 0.0004 0.0004 x 760 = 0.304 0.0004 x (760-47) = 0.2852 0.2852 ความดันไอน้ำจากความชื้นที่ไดจาก ทางเดินหายใจสวนตนจึงเปนความดัน สวนหนึ่งของอากาศที่หายใจ  Partial pressure of O2 and CO2 52 Gas O2 CO2 Inspired air (ambient) 160 0.3 Expired air 116 32 Alveoli (A) 100 40 Arteries (a) 94 40 Veins (V) 40 46 Tissues 46  Diffusion of gases 53 Diffusion: เป็ นกระบวนการแพร่เพือ? แลกเปลีย? นแก๊สระหว่าง 1. Alveoli - pulmonary blood Alveolar-capillary Membrane 2. Systemic blood - cells Structures : Alveolar epithelium Alveolar basement membrane Interstitial space Capillary Basement membrane Capillary endothelium ทีTมา: http://apsubiology.org/anatomy/2020/2020_Exam_Reviews/Exam_3/CH22_Alveoli.htm สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  Pulmonary gas diffusion 54 ปั จจัยทีมT ีผลต่อการแลกเปลียT นแก๊ส 1. Pulmonary capillary blood flow ขึV นอยู่กบั เวลาทีเT ลือดอยู่ใน pulmonary capillary 2. Diffusion property ตัวกลางทีเT ป็ นแก๊ส เช่น ในถุงลม O2 จะแพร่ได้เร็วกว่า CO2 ตัวกลางทีเT ป็ นของเหลว เช่น ในเลือด CO2 แพร่ได้เร็วกว่า O2 3. Pressure gradient 4. ความหนาของ membrane  Fick equation 55 Vgas = อัตราการแพร่ของแก๊ส A = พื„ นทีผu ิวของ alveolar-capillary membrane ทีใu ช้ในการแพร่ D = ค่าความสามารถในการแพร่ P1-P2 = ความแตกต่างของความดันย่อยของแก๊สนั„นระหว่างถุงลมกับหลอดเลือดฝอยของปอด T = ความหนาของ alveolar-capillary membrane  56* Decreased diffusing capacity (Alveolar-capillary block) (Impairment of diffusion)  57* O2 Transport 1. Dissolved oxygen (arterial PO2) - 3% ของเลือดทัVงหมดละลายใน plasma - 0.003 ml/dL/mm Hg - VO2 250 mL/min 2. Oxyhemoglobin (HbO2) - O2 จับกับ hemoglobin - 97% ของเลือดทัVงหมดขณะพักอยู่ในรูปนีV Hb + O2 HbO2 58 ปั จจัยทีมR ีผลต่อ Oxyhemoglobin dissociation curve 59 1. Temperature 2. PCO2 + 3. Concentration of H (pH) 4. 2,3-diphosphoglycerate (2,3-DPG) P50 X P50: ค่าความดันออกซิเจนทีทT ําให้มีการ อิTมตัวของ hemoglobin ด้วยออกซิเจน ‡ˆ% (O2 sat 50%) ปกติ 26-28 mmHg  60* Shift to the left Shift to the right ­ Affinity of Hb for O2 ¯ Affinity of Hb for O2 ¯ Release of O2 from HbO2 to ­ Release of O2 from HbO2 to the tissues the tissues q ¯ Temperature q ­ Temperature q ¯ PCO2 q ­ PCO2 q ­ pH q ¯ pH q ¯ 2,3-DPG q ­ 2,3-DPG q Carbonmonoxide (CO)  61 7% CO2 transport 86-90% Chloride shift 6%  Hypoxemia 62 สาเหตุทVที าํ ให้ เกิด hypoxemia มี { อย่าง ดังนี| 1. Alveolar hypoventilation มักจะเกิดทัtวทั`งปอด แสดงว่า RS center มีปัญหา ซึtงมักพบ RR ตํtา เช่น brain tumor, ยา CNS suppressive, spinal cord, phrenic nerve, MG, neuro toxic 2. Diffusion impairment 3. Intrapulmonary shunt 4. VA/Q mismatch (shunt-like effect, dead space like effect) 5. Low barometric pressure 6. Reduced inspired oxygen pressure หรือ low inspired oxygen concentration  Tissue hypoxia 63 1. Hypoxic hypoxia (anoxic hypoxia) Alveolar hypoventilation e.g. obstructive lung disease Diffusion defect e.g. pulmonary edema 2. Anemic hypoxia Anemia Carbon monoxide poisoning 3. Circulatory hypoxia (stagnant hypoxia) Low blood flow e.g. shock, congestive heart failure 4. Histotoxic hypoxia (cellular hypoxia) Cyanide poisoning (electron transport system)  Control of ventilation 64 1. Neural control 2. Chemical control 3. Reflex control 1. เพือT ลด work of breathing ให้นอ้ ยทีสT ุด. เพือT รักษาระดับ blood gas โดยเฉพาะ PaCO2 ให้คงทีT ‘. เพือT รักษาความเป็ นกรดด่างของสมอง และเลือดให้คงทีT กลไกหลักในการควบคุม คือ การระบายอากาศ 2. Central controller Out In put Pons, medulla & put other parts of brain (cerebral cortex) 1. Sensors 3. Effectors Negative feedback Chemoreceptors & mechanoreceptors Respiratory muscles  65 Medullary respiratory center 1. Dorsal respiratory group (DRG) 2. Ventral respiratory group (VRG) Pontine respiratory center 1. Pneumotaxic center (PC) 2. Apneustic center (AC)  Dorsal respiratory group (DRG) 66 Inspiratory neuron Send nerve firing via phrenic nerve Function: control the basic rhythm for breathing Ramp signal 3 sec 2 sec 2 sec Inspiration time: 2 sec Expiration time: 3 sec Types of inspiratory neuron 1. Ia-cell or Ia-neuron: inhibited by lung inflation 2. Iᵦ-neuron: stimulated by lung inflation Input -> slowly adapting stretch receptor (SARS) Output -> กระตุน้ phrenic motoneuron  Ventral respiratory group (VRG) 67 - Inspiratory neuron & expiratory neuron - Produce forced inspiration & forced expiration (exercise) Vagus Forced motoneuron inspiration DRG VRG Spinal Forced motoneuron expiration VRG consists of 4 groups of neurons 1. BÖtzinger complex (BÖT): Expiratory neuron 2. Nucleus ambiguus (NA): Vagus motoneuron (inspiratory neuron) 3. Nucleus retroambiguus (NRA): Inspiratory neuron (ᵧ-cell และ δ-cell) & expiratory neuron 4. Pre-BÖtzinger complex: Respiratory rhythmogenesis  Pneumotaxic center (PC) or Rostral pontine group (RPG) 68 Inspiratory neuron (I), expiratory neuron (E), Phase-spanning inspiratory-expiratory neuron (I-E) Function: fine tune breathing pattern (stop nerve firing from DRG) Stimulating PRG ® stop inspiration followed by expiration Destruction of PRG ® ­ lung volume threshold of inspiratory cut off ควบคุมการทํางาน ของเซลล์ประสาทใน medulla ทําให้การ หายใจสมําW เสมอ  Apneustic center (AC) 69 ส่งสัญญาณไป inspiratory area (DRG) block “switching off of ramp signal” of inspiratory neurons หายใจเข้านานขึV น ยับยัVงการหายใจออก (เกิด apneusis = หายใจเข้ายาวนาน หรือหายใจค้างอยู่ในท่าหายใจเข้า) Function of AC: promotes inspiration by stimulating the inspiratory neurons in medulla 70  71* Peripheral chemoreceptor 1. PaO2 2. PaCO2 3. H+ Response to oxygen (Hypoxemia: PaO2 < 60 mm Hg) Carotid body chemoreceptors (80%) Central chemoreceptors (20%)  Central chemoreceptor 72 PaCO2 > 70-80 mm Hg กดศูนย์หายใจ (narcotic effect) Response to carbon dioxide (Hypercapnea: PaCO2 > 45 mm Hg) Central chemoreceptors (80%) Carotid body chemoreceptors (20%)  Reflex 73 1. Hering breuer reflex Inflation reflex (ปอดขยายมากเกินไป ป้ องกันปอดแตก) กล้ ามเนืtอเรียบทางเดินอากาศ (หลอดลมใหญ่ – หลอดลมเล็ก) Deflation reflex (หายใจออกลึกมากเกินไป ป้ องกันปอดแฟบ) หลอดลมแยก และหลอดลมเล็ก 2. Juxta pulmonary capillary receptor reflex ใกล้ ผนังหลอดเลือดฝอยที^ปอด นําt ท่วมปอด ความดันเลือดในหลอดเลือดฝอยสูง 3. Reflex ของทางเดินหายใจ ไอ จาม 4. Proprioceptor reflex กล้ ามเนืtอ เอ็น และข้ อต่อที^แขน ขา  Patterns of breathing 74 1. Eupnea: normal spontaneous breathing 2. Apnea: absence or cessation of breathing in the resting expiratory position 3. Dyspnea: sensation of difficult or labored breathing; an uncomfortable awareness of the act of breathing (air hunger) 4. Breath-holding: voluntary apnea, either by continuous contraction of the inspiratory muscles or by relaxation against glottis closure  75 5. Bradypnea: respiratory rate < 12 breaths/min (head injury, metabolic disorder, sleep drugs) 6. Hypopnea: ventilation below the normal level (anxiety, OSA) 7. Hypoventilation: ventilation less than required by metabolic demands, irrespective of the absolute value of ventilation (head injury, sleep drugs)  76 8. Tachypnea: increased rate of breathing (fever, exercise, shock) 9. Hyperpnea: increased pulmonary ventilation (above the normal resting value) (diabetic ketoacidosis, emotional stress) 10. Hyperventilation: increased pulmonary ventilation (VE) (strictly, alveolar ventilation VA) relative to metabolic rate, irrespective of the absolute value of ventilation (anxiety, hyperventilation syndrome)  77 11. Panting: breathing pattern both very rapid and shallow In some conditions, this pattern is adopted to dissipate heat (thermal panting). (exercise) 12. Orthopnea: dyspnea experienced only in the recumbent position, usually supine, and relieved by sitting or standing. It often occurs in patients with left ventricular insufficiency.  Arterial Blood Gases (ABG) 78 Normal ranges pH 7.4 + 0.05 (7.35 - 7.45) 7.32 - 7.38 (venous) H+ 35 - 45 nmol/L 42 - 48 (venous) PCO2 35 - 45 mm Hg 45 - 55 (venous) PO2 80 - 100 mm Hg HCO3- 24 + 2 mEq/L (22 - 26) 23 - 33 (venous) PaO2 (mm Hg) = 109 – [0.43 x Age (yrs)] Normal PaO2 value + 8 mm Hg of predicted value Acidemia: [H+] > 45 nmol/L or pHa < 7.35 Alkalemia: [H+] < 35 nmol/L or pHa > 7.45  79* 1. Respiratory acidosis (pH ¯ เนือW งจาก PaCO2 ­) เกิดจาก ¯ alveolar ventilation ทําให้มี CO2 คังW ค้าง (hypercapnia) ซึWงมักเกิดจากการ มี VA/Q mismatch ทําให้มีภาวะกรดเกิน ร่างกายชดเชยโดย ไตพยายามเก็บ HCO3- ไว้ เร่งการขับกรดออกทางปั สสาวะ (compensated respiratory acidosis) สาเหตุ depression of RS center, chronic obstructive pulmonary disease (COPD) 2. Respiratory alkalosis (pH ­ เนือW งจาก PaCO2 ¯) เกิดจาก ­ alveolar ventilation ทําให้ขบั CO2 ออกเยอะเกิน (hypocapnia) ร่างกายชดเชยโดย ไตเร่งการขับ HCO3- (compensated respiratory alkalosis) สาเหตุ hyperventilation syndrome, anxiety, high altitude  80 3. Metabolic acidosis (pH ¯ เนือW งจาก HCO3- ¯ ) เกิดจากการเสีย HCO3- ออกทางปั สสาวะ หรืออุจจาระ ร่างกายชดเชยโดย เพิมW การระบายอากาศ ทําให้ค่า PaCO2 ลดลง (compensated metabolic acidosis) สาเหตุ loss of HCO3- (diarrhea), lactic acidosis, ketoacidosis, renal dysfunction 4. Metabolic alkalosis (pH ­ เนือW งจาก HCO3- ­) เกิดจากการได้รบั ด่างมากเกิน หรือเสียกรดจากทางเดินอาหาร ร่างกายชดเชยโดย ลดการระบายอากาศ ทําให้ค่า PaCO2 เพิมW ขึz น (compensated metabolic alkalosis) สาเหตุ loss of H+ (vomiting), ingestion or intravenous of excess HCO3-  Henderson-Hasselbalch Equation 81 CO2 + H2O « H2CO3 « H+ + HCO3- pH = pK + log [HCO3-]/(0.03 x PCO2) = 6.1 + log (24/0.03 x 40) = 6.1 + log 20 = 6.1 + 1.3 = 7.4  Steps in ABG interpretation 82 Step 1 Assess pH Acidemia (< 7.35) Normal (7.35 - 7.45) Alkalemia (> 7.45) Step 2 Review PCO2 (ventilation function) Normal 35 - 45 mm Hg Respiratory acidosis: pHa < 7.35 & PCO2 > 45 mm Hg Respiratory alkalosis: pHa > 7.45 & PCO2 < 35 mm Hg  83 Step 3 Review plasma [HCO3-] Normal: 22 - 26 mEq/L Metabolic acidosis: pH < 7.35 & HCO3- < 22 mEq/L Metabolic alkalosis: pH > 7.45 & HCO3- > 26 mEq/L The base excess reflects metabolic component of the acid base balance derived from blood pH and PCO2 defined as an amount of acid required to restore a litre of blood to its normal pH at a PCO2 of 40 mm Hg Base excess (B.E.) > +2 = metabolic alkalosis Base excess (B.E.) < -2 = metabolic acidosis David A. Kaufman Interpretation of Arterial Blood Gases (ABGs). (American Thoracic Society https://www.thoracic.org/professionals/clinical-resources/critical-care/clinical-education/abgs.php)  84 Step 4 Assess compensation pH = pK+ log [HCO3-]/0.03 x PCO2 Respiratory alkalosis pH ( N) Disorder pH Primary problem Compensation - Metabolic acidosis ↓ ↓ [HCO3 ] ↓ PaCO2 - Metabolic alkalosis ↑ ↑ [HCO3 ] ↑ PaCO2 - Respiratory acidosis ↓ ↑ PCO2 ↑ [HCO3 ] - Respiratory alkalosis ↑ ↓ PCO2 ↓ [HCO3 ] Assessment of PO2 & SO2 : Oxygenation Mild hypoxaemia 60 - 79 mm Hg Moderate hypoxaemia 40 - 59 mm Hg Severe hypoxaemia < 40 mm Hg  85 v pHa 7.33, PaCO2 33, HCO3- 17, B.E. -7, PaO2 50 Partially compensated metabolic acidosis with moderate hypoxemia v pHa 7.57, PaCO2 47, HCO3- 42, B.E. +20, PaO2 90 Partially compensated metabolic alkalosis with normal oxygenation v pHa 7.28, PaCO2 50, HCO3- 25, B.E. +1, PaO2 38 Uncompensated respiratory acidosis with severe hypoxemia Acute respiratory acidosis with severe hypoxemia v pHa 7.59, PaCO2 52, HCO3- 48, B.E. +24, PaO2 58 Partially compensated metabolic alkalosis with moderate hypoxemia Normal: pHa 7.35-7.45, PaCO2 35-45 mm Hg, HCO3- 22-26 mEq/L, B.E. -2 - +2  Lung volumes 86 1. Static lung volumes (ปริมาตรสถิตย์ของปอด) Lung volume (ปริมาตรของปอด) Lung capacity (ความจุของปอด) 2. Dynamic lung volumes (ปริมาตรพลวัต) q Machine: Spirometer q Method: Spirometry q Graph: Spirogram https://en.wikipedia.org/wiki/Lung_volumes สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a  Lung volumes 87 ปริมาตรปอด ค่าเฉลียu ความหมาย (Lung volumes) (ml) Tidal volume ปริมาตรอากาศที^หายใจเข้ าหรือออกแต่ละครัtง 500 (TV หรือ VT) Inspiratory reserve volume ปริมาตรอากาศที^หายใจเข้ าเต็มที^หลังจากหายใจเข้ าปกติ หรือ 3,000 (IRV) ปริมาตรสํารองเพื^อการหายใจเข้ าเต็มที^ Expiratory reserve volume ปริมาตรอากาศที^หายใจออกเต็มที^หลังจากหายใจออกปกติ หรือ 1,100 (ERV) ปริมาตรสํารองเพื^อการหายใจออกเต็มที^ Residual volume ปริมาตรอากาศที^คงค้ างอยู่ในปอดหลังจากหายใจออกเต็มที^ 1,200 (RV)  Lung capacities 88 ความจุปอด ค่าเฉลียu (Lung capacities) ความหมาย การคํานวณ (ml) Total lung capacity ปริมาตรอากาศทัtงหมดในปอดหลังจาก IRV+VT+ERV+RV หรือ 5,800 (TLC) หายใจเข้ าเต็มที^ IC+FRC หรือ VC+RV Inspiratory capacity ปริมาตรอากาศที^หายใจเข้ าเต็มที^ หลังจาก IRV+VT 3,500 (IC) หายใจออกปกติ Functional residual capacity ปริมาตรอากาศที^คงค้ างอยู่ในปอด ERV+RV 2,300 (FRC) หลังจากหายใจออกปกติ Vital capacity ปริมาตรอากาศที^หายใจออกเต็มที^ IRV+VT+ERV 4,600 (VC) หลังจากหายใจเข้ าเต็มที^  89 https://en.wikipedia.org/wiki/Lung_volumes สืบค้ นวันทีT U กุมภาพันธ์ ^_`a Dynamic lung volumes 90 ATS & ERS Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  Dynamic lung volumes 91 Forced vital capacity (FVC) ปริมาตรอากาศสูงสุด (ทัtงหมด) ที^ได้ จากการหายใจออกอย่าง เร็วและแรงเต็มที^ จากตําแหน่งที^หายใจเข้ าเต็มที^ Forced expiratory volume in the first second (FEV1) ปริมาตรอากาศสูงสุด (ทัtงหมด) ใน ‹ วินาทีแรก ที^ได้ จากการ หายใจออกอย่างเร็วและแรงเต็มที^ จากตําแหน่งหายใจเข้ าเต็มที^ FEV1/FVC อัตราส่วนระหว่าง FEV1 และ FVC Forced expiratory flow between 25 and 75% of forced vital ค่าเฉลี^ยของอัตราการไหลของอากาศในช่วงกึ^งกลางของการ capacity (FEF25-75%) หายใจออก (FVC) Maximum mid-expiratory flow (MMEF) Mid-expiratory flow (MEF) Peak expiratory flow (PEF) อัตราการไหลของอากาศหายใจออกสูงสุด Maximal voluntary ventilation (MVV) ความสามารถสูงสุดในการหายใจ Maximal breathing capacity (MBC)  92 กลุ่มโรคปอดจํ ากัดการขยายตัว กลุ่มโรคปอดอุดกั„น Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  93* Dynamic lung volumes in normal and lung diseases กลุ่มโรคปอดอุดกัHน กลุ่มโรคปอดจํ ากัดการขยายตัว ทีTมา: Levitzky MG. Pulmonary physiology. 8th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2013.  94 % of predicted value = Actual value x 100 Predicted value  References 1. Barrett KE, Barman SM, Boitano S, Brooks HL. Ganong's review of medical physiology. 25th ed. New York: McGraw-Hill; 2016. 2. Murray & Nadel’s textbook of respiratory medicine. 6th ed. Philadelphia: Elsevier Saunders; 2016. 3. Hall JE. Guyton and Hall textbook of medical physiology. 13th ed. Philadelphia: Elsevier; 2016. 4. Levitzky MG. Pulmonary physiology. 7th ed. New York: McGraw-Hill Medical; 2007. 5. Raff H, Levitzky M. Medical physiology: a systems approach. New York: McGraw-Hill Medical; 2011. 6. West JB. Respiratory physiology. 9th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins; 2012. 7. คณาจารย์ภาควิชาสรีรวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล. สรีรวิทยา ž. พิมพ์ครั„งทีu Ÿ. กรุงเทพฯ : ภาควิชาสรีรวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล มหาวิทยาลัยมหิดล; 2551. 8. วิไลวรรณ กฤษณะพันธ์, อรทัย ตันกําเนิดไทย. สรีรวิทยาการหายใจ. พิมพ์ครั„งทีu ¤. ขอนแก่น : โรงพิมพ์คลัง นานาวิทยา; 2554. 9. วีระนุ ช นิลนนท์. สรีรวิทยาการหายใจ. พิมพ์ครั„งทีu ¤. สงขลา : ภาควิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์; 2538.