Impact of respiratory mechanics model parameters on gas exchange efficiency

¹ Université Paris-Sud XI, Laboratoire de Mathématiques - CNRS-UMR 8628, Bât. 425, 91405 Orsay Cedex, France
² UPRES EA 2397, Université Paris VI Pierre et Marie Curie, Paris, France

Abstract

In this article, we are interested in the impact of the mechanical characteristics of the bronchial tree and lung parenchyma on the gas exchange capacity of the human lungs.
Objectives. The precise role of the airway smooth muscle (ASM) remains a matter of debate. ASM could have a structural function, to confer transport optimized mechanical properties to the bronchial tree. To test this hypothesis, the present model analysis investigates how ASM-dependent changes in respiratory mechanics can influence the efficiency of the lung as gas exchangers.
Method. To this aim, two models have been elaborated. The first one is a single compartment model of the respiratory system that is accurate enough to predict the behaviour of the system during a complex dynamical situation (the forced inspiratory-expiratory maneuver that is performed during spirometric evaluations). The second one is an oxygen absorption model. The two models are coupled in series. The effects of changes in the parameters of the mechanical model on the performance of the gas exchange model are described.
Results. The model shows that the mechanical response of the bronchial tree to the dilating forces related to inspiration is among the determinants of this efficiency. At one extreme, a fully rigid bronchial tree would be counterproductive by preventing sufficient amounts of gas to flow through it and reach the alveoli. At the other extreme, a fully distensible bronchial tree would allow greater inspiratory volumes to enter the thorax, but would compromise gas exchange efficiency by decreasing the alveolar volume, hence the membrane surface available for oxygen transfer (deadspace effect). This supports the hypothesis that ASM has a transport optimizing structural function.
Conclusions. This is supported by physiological observations compatible with deadspace increases following the administration of ASM-relaxing agents, i. e. bronchodilators.

Résumé

Dans cet article, nous nous intéressons à l'impact des caractéristiques mécaniques de l'arbre bronchique et du parenchyme pulmonaire sur les échanges gazeux dans le poumon humain.
Objectifs. Le rôle du muscle lisse bronchique est imparfaitement compris. Ce rôle pourrait être en partie structurel, pour conférer à l'arbre bronchique des caractéristiques mécaniques compatibles avec un transport optimal de l'air inspiré vers les zones d'échange.
Méthode. Pour tester cette hypothèse, deux modèles ont été élaborés. Le premier est un modèle mono-compartimental du système respiratoire permettant de prévoir le comportement du système durant une situation dynamique complexe (les manoeuvres inspiratoire et expiratoire forcées qui sont réalisées lors d'examens spirométriques). Le second est un modèle d'absorption de l'oxygène. Les deux modèles sont couplés en série. Les effets de modifications des paramètres du modèle mécanique sur le modèle d'absorption sont décrits.
Résultats. Le modèle montre que la réponse mécanique de l'arbre bronchique aux forces de dilatation relatives à l'inspiration joue un rôle déterminant dans l'efficacité respiratoire. A un extrême, un arbre bronchique totalement rigide serait contre-productif en empêchant une quantité suffisante de gaz d'atteindre les alvéoles. A l'autre extrême, un arbre bronchique totalement déformable permettrait à de très grands volumes d'air d'entrer dans le thorax mais compromettrait l'efficacité des échanges gazeux en limitant le volume alvéolaire et donc la surface de membrane disponible pour le transfert d'oxygène (effet “espace mort”). Ces observations sont en faveur d'une hypothèse du rôle structurel du muscle lisse bronchique destiné à optimiser les propriétés convectives de l'arbre bronchique.
Conclusions. Ces observations vont dans le sens de l'augmentation de l'espace mort qui peut suivre l'administration d'agents relaxant le muscle lisse bronchique, i. e. bronchodilatateurs.