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Medical and biological engineering

, Volume 14, Issue 4, pp 402–407 | Cite as

Breathing pattern effects on pulmonary oxygen uptake

  • Gerald M. Saidel
  • Edward H. Chester
Article

Abstract

Pulmonary oxygen uptake has been analysed to determine the relative importance of breathing pattern parameters. Computer simulations of pulmonary oxygen transport were obtained with a multicompartment model of the lung, assuming an absence of shunts, constant cardiac output, and 21% inspired oxygen. Simulations of oxygen uptake in the lung for various breathing patterns showed that the parameters having the greatest effect on the arterial PO2 are the tidal volume and breathing rate. At a constant tidal volume and breathing rate, that is a constant total ventilation, even extreme variations in the shape of the flow pattern produce relatively small changes in arterial Po2. At a given inspired oxygen concentration, optimal strategies to provide sufficient gas exchange with mechanically aided ventilation in the absence of significant oedema or aetelectasis can be based primarily on changes in tidal volume and breathing rates.

Keywords

Breathing pattern computer simulation Mathematical model Oxygen uptake Pulmonary transport 

Sommaire

La montée d'oxygène pulmonaire a été analysée pour déterminer l'importance relative des paramètres caractérisant le mode de la respiration. On a simulé sur calculateur le transport d'oxygène pulmonaire en exploitant un modèle à compartiments multiples du poumon, en supposant l'absence de dérivations, une sortie cardiaque constante et une respiration d'oxygène de l'ordre de 21%. Des simulations de la montée d'oxygène dans les poumons relatives aux différents modes de respiration indiquent que les paramètres ayant le plus grand effet sur l'oxygène artériel sont le volume d'aspiration et le taux de respiration. Quand le volume de respiration et le ‘schéma’ de la respiration sont constants, c'est-à-dire, quand la ventilation est totale et constante, les variations, même extrêmes, du schéma du débit donnet lieu à des modifications relativement faibles de l'oxygène artériel. Pour une concentration d'oxygène inspiré donnée, des stratagèmes optima destinés à fournir un échange des gaz suffisant à l'aide d'un moyen de ventilation mécanique dans l'absence d'oedèmes ou d'atélectasie, peuvent être basés principalement sur les changements du volume d'aspiration et des taux de respiration.

Zusammenfassung

Die Sauerstoffaufnahme der Lunge wurde analysiert, um die relative Bedeutung von Atmungsparametern festzulegen. Durch ein mehrteiliges Lungenmodell wurden Computersimulationen des Sauerstofftransports der Lunge erzielt. Dabei wurde von der Annahme ausgegangen, daß keine Umgehungen vorlagen, die Herzleistung konstant blieb und 21% Sauerstoff eingeatmet wurden. Eine Simulation der Sauerstoffaufnahme der Lunge durch verschiedenartige Atmung zeigte, daß Atmungsluftvolumen und Geschwindigkeit der Atmung die Parameter sind, die sich am stärksten auf den arteriellen PO2-Gehalt auswirken. Wenn Atmungsluftvolumen und Atmungsgeschwindigkeit konstant sind, d.h. bei konstanter Gesamtbeatmung, ergeben sich selbst bei extremen Schwankungen in der Form der Luftzufuhr relativ geringe Änderungen im arteriellen PO2-Gehalt. Bei einer bestimmten eingeatmeten Sauerstoffkonzentration lassen sich die optimalen Strategien zum Erzielen eines ausreichenden Gasaustausches durch mechanisch unterstützte Beatmung ohne wesentliche Oedeme oder Atelektasen in erster Linie durch eine Änderung des Atmungsluftvolumens und der Atmungsgeschwindigkeit erreichen.

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Copyright information

© International Federation for Medical & Biological Engineering 1976

Authors and Affiliations

  • Gerald M. Saidel
    • 1
    • 2
  • Edward H. Chester
    • 2
    • 3
  1. 1.Departments of Biomedical Engineering and BiometryCase Western Reserve UniversityClevelandUSA
  2. 2.Veterans Administration HospitalClevelandUSA
  3. 3.Department of Medicine and Biomedical EngineeringCase Western Reserve UniversityClevelandUSA

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