ISO 16976-3:2022
(Main)Respiratory protective devices — Human factors — Part 3: Physiological responses and limitations of oxygen and limitations of carbon dioxide in the breathing environment
Respiratory protective devices — Human factors — Part 3: Physiological responses and limitations of oxygen and limitations of carbon dioxide in the breathing environment
This document gives: a description of the composition of the Earth's atmosphere; a description of the physiology of human respiration; a survey of the current biomedical literature on the effects of carbon dioxide and oxygen on human physiology; examples of environmental circumstances where the partial pressure of oxygen or carbon dioxide can vary from that found at sea level. This document identifies oxygen and carbon dioxide concentration limit values and the length of time within which they would not be expected to impose physiological distress. To adequately illustrate the effects on human physiology, this document addresses both high altitude exposures where low partial pressures are encountered and underwater diving, which involves conditions with high partial pressures. The use of respirators and various work rates during which RPD can be worn are also included.
Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains — Partie 3: Réponses physiologiques et limites en oxygène et en dioxyde de carbone dans l’environnement respiratoire
Le présent document présente: une description de la composition de l'atmosphère terrestre; une description de la physiologie de la respiration humaine; une étude de la littérature biomédicale actuellement disponible sur les effets du dioxyde de carbone et de l'oxygène sur la physiologie humaine; des exemples de circonstances environnementales dans lesquelles la pression partielle de l'oxygène ou du dioxyde de carbone peut différer de celle observée au niveau de la mer. Le présent document identifie les valeurs limites de la concentration en oxygène et en dioxyde de carbone et la durée pendant laquelle elles ne devraient pas causer de détresse physiologique. Pour illustrer de manière adéquate les effets sur la physiologie humaine, le présent document traite à la fois des expositions à haute altitude, avec de faibles pressions partielles, et de la plongée sous-marine, qui implique des conditions de pressions partielles élevées. Le présent document aborde également l'utilisation d'appareils de protection respiratoire et les diverses intensités d'activité pouvant donner lieu au port d'un APR.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16976-3
First edition
2022-10
Respiratory protective devices —
Human factors —
Part 3:
Physiological responses and
limitations of oxygen and limitations
of carbon dioxide in the breathing
environment
Appareils de protection respiratoire — Facteurs humains —
Partie 3: Réponses physiologiques et limites en oxygène et en dioxyde
de carbone dans l’environnement respiratoire
Reference number
© ISO 2022
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms.4
5 Oxygen and carbon dioxide in the breathing environment: Physiological responses
and limitations . 4
5.1 General . 4
5.2 Oxygen and carbon dioxide gas exchange in the human lung . 5
5.3 Oxygen and carbon dioxide transport in the blood . 5
5.4 Oxygen and carbon dioxide and the control of respiration . 7
5.5 Hyperoxia: physiological effects . . 8
5.6 Hypoxia: physiological effects . 9
5.7 Hypercarbia: Physiological effects .12
5.8 Relevance to the use of respiratory protective devices (RPD) . 15
5.9 Interpretation of results . 19
5.10 Significance of results . 19
Bibliography .20
iii
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 94, Personal safety — Personal protective
equipment, Subcommittee SC 15, Respiratory protective devices.
This first edition of ISO 16976-3 cancels and replaces ISO/TS 16976-3:2019, which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— the document has been editorially revised.
A list of all parts in the ISO 16976 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
Introduction
Due to the nature of their occupations, millions of workers worldwide wear respiratory protective
devices (RPD). RPD vary considerably, from filtering devices, supplied breathable gas devices, and
underwater breathing apparatus (UBA), to escape respirators used in emergency situations (self-
contained self-rescuer or SCSR). Many of these devices protect against airborne contaminants without
supplying air or other breathing gas mixtures to the user. Therefore, the user might be protected
from particulates or other airborne toxins but still be exposed to an ambient gas mixture that differs
significantly from that which is normally found at sea level. RPD that supply breathing air to the
user, such as an SCBA or UBA, can malfunction or not adequately remove carbon dioxide from the
breathing space, thus exposing the user to an altered breathing gas environment. In special cases, RPD
intentionally expose the wearer to breathing gas mixtures that significantly differ from the normal
atmospheric gas mixture of approximately 79 % nitrogen and 21 % oxygen with additional trace gases.
These special circumstances occur in aviation, commercial and military diving, and in clinical settings.
Breathing gas mixtures that differ from normal atmospheric can have significant effects on most
physiological systems. Many of the physiological responses to exposure to high or low levels of either
oxygen or carbon dioxide can have a profound effect on the ability to work safely, to escape from a
dangerous situation, and to make clear judgements about the environmental dangers. In addition,
alteration of the breathing gas environment can, if severe enough, be dangerous or even fatal.
Therefore, monitoring and controlling the breathing gas, and limiting user exposure to variations in the
concentration or partial pressure of oxygen and carbon dioxide, is crucial to the safety and health of the
worker.
This document discusses the gas composition of the Earth's atmosphere; the basic physiology of
metabolism as the origin of carbon dioxide in the body, respiratory physiology and the transport of
oxygen to the cells and tissues of the body; and the subsequent transport of carbon dioxide from the
tissues to the lungs for removal from the body. Following the basic physiology of respiration, this
document addresses the physiological responses to altered breathing environments (hyperoxia,
hypoxia) and to the effects of excess carbon dioxide in the blood (hypercarbia). Examples are given
from the relevant biomedical literature.
Finally, it deals with the impact of altered partial pressures/concentrations of oxygen and carbon
dioxide on respirator use. The content of this Document is intended to serve as the basis for advancing
research and development of RPD with the aim of minimizing the changes in the breathing environment,
thus minimizing the physiological impact of RPD use on the wearer. If this can be accomplished, the
health and safety of all workers recommended by their occupation to wear RPD will be enhanced.
v
INTERNATIONAL STANDARD ISO 16976-3:2022(E)
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 3:
Physiological responses and limitations of oxygen and
limitations of carbon dioxide in the breathing environment
1 Scope
This document gives:
— a description of the composition of the Earth's atmosphere;
— a description of the physiology of human respiration;
— a survey of the current biomedical literature on the effects of carbon dioxide and oxygen on human
physiology;
— examples of environmental circumstances where the partial pressure of oxygen or carbon dioxide
can vary from that found at sea level.
This document identifies oxygen and carbon dioxide concentration limit values and the length of time
within which they would not be expected to impose physiological distress. To adequately illustrate
the effects on human physiology, this document addresses both high altitude exposures where low
partial pressures are encountered and underwater diving, which involves conditions with high partial
pressures. The use of respirators and various work rates during which RPD can be worn are also
included.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
alveoli
terminal air sacs of the lungs in which respiratory gas exchange occurs between the alveolar air and
the pulmonary capillary
Note 1 to entry: The alveoli are the anatomical and functional unit of the lungs.
Note 2 to entry: Actual ambient temperature and atmospheric pressure; saturated water pressure.
3.2
body temperature pressure saturated
BTPS
standard condition for the expression of ventilation parameters
EXAMPLE Body temperature (37 °C), atmospheric pressure (1 013,25 hPa) and water vapour pressure
(6,27 kPa) in saturated air.
Note 1 to entry: It is the atmospheric pressure at the test location that should be used whenever BTPS conditions
are specified.
3.3
carbaminohaemoglobin
HbCO
haemoglobin that has bound carbon dioxide at the tissue site for transport to the lungs
3.4
dead space
conducting regions of the pulmonary airways that do not contain alveoli (3.1) and,
therefore, where no gas exchange occurs
Note 1 to entry: These areas include the nose, mouth, trachea, large bronchia, and the lower branching airways.
This volume is typically 150 ml in a male of average size.
3.5
dead space
sum of all anatomical dead spaces (3.4) as well as under-perfused (reduced blood flow)
alveoli (3.1) which are not participating in gas exchange
Note 1 to entry: The volume of the physiological dead space can vary with the degree of ventilation. Thus, the
physiological dead space is the fraction of the tidal volume that does not participate in gas exchange in the lungs.
3.6
dyspnoea
sense of air hunger, difficult or laboured breathing, or a sense of breathlessness
3.7
end-tidal carbon dioxide
volume fraction of carbon dioxide in the breath at the mouth at the end of exhalation
Note 1 to entry: End-tidal carbon dioxide corresponds closely to alveolar carbon dioxide.
3.8
haemoglobin
Hb
specific molecules contained within all red blood cells that bind oxygen or carbon dioxide under normal
physiological states and transport either oxygen or carbon dioxide to or from the tissues of the body
3.9
hypercarbia
hypercapnia
excess amount of carbon dioxide in the blood
3.10
hyperoxia
volume fraction or partial pressure of oxygen in the breathing environment greater than that which is
found in the Earth's atmosph
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 16976-3
Première édition
2022-10
Appareils de protection
respiratoire — Facteurs humains —
Partie 3:
Réponses physiologiques et limites
en oxygène et en dioxyde de carbone
dans l’environnement respiratoire
Respiratory protective devices — Human factors —
Part 3: Physiological responses and limitations of oxygen and
limitations of carbon dioxide in the breathing environment
Numéro de référence
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© ISO 2022
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations .4
5 Oxygène et dioxyde de carbone dans l'environnement respiratoire: réponses
physiologiques et limites . 5
5.1 Généralités . 5
5.2 Échange d'oxygène et de dioxyde de carbone gazeux dans les poumons chez
l'homme. 5
5.3 Transport de l'oxygène et du dioxyde de carbone dans le sang . 6
5.4 Oxygène, dioxyde de carbone et contrôle de la respiration . 8
5.5 Effets physiologiques de l'hyperoxie . 9
5.6 Effets physiologiques de l'hypoxie . 10
5.7 Hypercapnie: Effets physiologiques . 13
5.8 Pertinence pour l'utilisation d'appareils de protection respiratoire (APR) . 16
5.9 Interprétation des résultats . 21
5.10 Importance des résultats .22
Bibliographie .23
iii
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 94, Sécurité individuelle — Équipement
de protection individuelle, sous-comité SC 15, Appareils de protection respiratoire.
Cette première édition de l'ISO 16976-3 annule et remplace l'ISO/TS 16976-3:2019, qui a fait l'objet
d'une révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— le document a fait l'objet d'une révision éditoriale.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 16976 se trouve sur le site Web de l'ISO.
Il convient que l'utilisateur adresse tout retour d'information ou toute question concernant le présent
document à l'organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l'adresse https://www.iso.org/fr/members.html.
iv
Introduction
Des millions de travailleurs à travers le monde portent un appareil de protection respiratoire (APR)
en raison de la nature de leurs activités. Il existe un nombre considérable d'APR différents, allant des
appareils filtrants aux appareils avec alimentation en gaz respirable, en passant par les appareils de
protection respiratoire de plongée ou UBA («underwater breathing apparatus») ainsi que les appareils
de protection respiratoire pour l'évacuation permettant de s'échapper en cas d'urgence (appareil isolant
autonome d'évacuation ou SCSR [«self-contained self-rescuer»]). Beaucoup de ces appareils assurent
une protection contre les contaminants en suspension dans l'air sans fournir d'air ou d'autres mélanges
de gaz respirables à l'utilisateur. Celui-ci est donc potentiellement protégé contre les particules ou
autres toxines en suspension dans l'air, mais reste exposé à un mélange de gaz ambiant très différent
de celui normalement présent au niveau de la mer. Un APR qui fournit de l'air respirable à l'utilisateur,
par exemple un appareil de protection respiratoire isolant autonome (SCBA) ou un UBA, peut ne pas
fonctionner correctement ou mal éliminer le dioxyde de carbone présent dans la zone de respiration,
exposant ainsi l'utilisateur à un environnement de gaz respirable altéré. Dans certains cas particuliers,
l'APR expose intentionnellement le porteur du masque à des mélanges de gaz respiratoires très
différents du mélange de gaz atmosphérique normal contenant environ 79 % d'azote et 21 % d'oxygène
ainsi que des traces d'autres gaz. Ces circonstances particulières concernent l'aviation, la plongée à
titre professionnel ou militaire, et le milieu hospitalier.
Les mélanges de gaz respirables différant de l'atmosphère normale peuvent avoir des effets importants
sur la plupart des systèmes physiologiques. De nombreuses réactions physiologiques faisant suite
à une exposition à des niveaux faibles ou élevés d'oxygène ou de dioxyde de carbone peuvent influer
lourdement sur la capacité à travailler en sécurité, à s'échapper d'une situation dangereuse et à
estimer correctement les dangers présents dans un environnement. En outre, si elle est suffisamment
importante, une modification de l'environnement en gaz respirables peut s'avérer dangereuse, voire
mortelle. Il est donc crucial pour la sécurité et la santé du travailleur de surveiller et de contrôler le
gaz respirable, et de limiter l'exposition de l'utilisateur à des variations de la concentration ou de la
pression partielle de l'oxygène et du dioxyde de carbone.
Le présent document traite de la composition gazeuse de l'atmosphère terrestre; de la physiologie
fondamentale du métabolisme à l'origine du dioxyde de carbone dans l'organisme, de la physiologie
respiratoire et du transport de l'oxygène vers les cellules et les tissus de l'organisme; et du transport
subséquent du dioxyde de carbone des tissus jusqu'aux poumons, en vue de son élimination hors du
corps. Après la physiologie fondamentale de la respiration, le présent document aborde les réponses
physiologiques face aux atmosphères respirables altérées (hyperoxie, hypoxie) et aux effets d'un excès
de dioxyde de carbone dans le sang (hypercapnie). Des exemples sont tirés de la littérature biomédicale
correspondante.
Enfin, il traite de l'effet d'une modification des concentrations/pressions partielles de l'oxygène et du
dioxyde de carbone sur l'utilisation des appareils de protection respiratoire. Le contenu du présent
document est destiné à servir de base pour faire progresser la recherche et le développement des APR,
dans le but de réduire au minimum les variations de l'environnement respiratoire, et de minimiser ainsi
l'impact physiologique de leur emploi sur l'utilisateur. Si cela est possible, tous les travailleurs pour
lesquels il est recommandé, en fonction de leur profession, de porter un APR verront leur santé et leur
sécurité améliorées.
v
NORME INTERNATIONALE ISO 16976-3:2022(F)
Appareils de protection respiratoire — Facteurs
humains —
Partie 3:
Réponses physiologiques et limites en oxygène et en
dioxyde de carbone dans l’environnement respiratoire
1 Domaine d'application
Le présent document présente:
— une description de la composition de l'atmosphère terrestre;
— une description de la physiologie de la respiration humaine;
— une étude de la littérature biomédicale actuellement disponible sur les effets du dioxyde de carbone
et de l'oxygène sur la physiologie humaine;
— des exemples de circonstances environnementales dans lesquelles la pression partielle de l'oxygène
ou du dioxyde de carbone peut différer de celle observée au niveau de la mer.
Le présent document identifie les valeurs limites de la concentration en oxygène et en dioxyde de
carbone et la durée pendant laquelle elles ne devraient pas causer de détresse physiologique. Pour
illustrer de manière adéquate les effets sur la physiologie humaine, le présent document traite à la
fois des expositions à haute altitude, avec de faibles pressions partielles, et de la plongée sous-marine,
qui implique des conditions de pressions partielles élevées. Le présent document aborde également
l'utilisation d'appareils de protection respiratoire et les diverses intensités d'activité pouvant donner
lieu au port d'un APR.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
alvéoles
sacs alvéolaires terminaux des poumons dans lesquels a lieu un échange de gaz respirable entre l'air
alvéolaire et le capillaire pulmonaire
Note 1 à l'article: Les alvéoles constituent l'unité anatomique et fonctionnelle des poumons.
Note 2 à l'article: Température ambiante et pression atmosphérique réelles; pression de vapeur saturante.
3.2
température et pression corporelles à saturation
BTPS
condition normale pour l'expression des paramètres de ventilation
EXEMPLE Température corporelle (37 °C), pression atmosphérique (1 013,25 hPa) et pression de vapeur
d'eau (6,27 kPa) dans un air saturé.
Note 1 à l'article: Il s'agit de la pression atmosphérique sur le lieu des essais qu'il convient d'utiliser lorsque des
...
Questions, Comments and Discussion
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