Ennek oka lehet szívelégtelenség, veseelégtelenség, kábítószer-mérgezés és emelt koponyaűri nyomás. A Cheyne – Stokes légzés kórélettana összefoglalható apnoe-ként, amely megnövekedett CO2-hoz vezet, amely túlzott kompenzációs hiperventilációt okoz, viszont csökkent CO2-t okoz, ami apnoét okoz, és újraindítja a ciklust.
Szívelégtelenség esetén a az oszcilláció instabil visszacsatolás a légzésszabályozó rendszerben. Normális légzésszabályozás esetén a negatív visszacsatolás lehetővé teszi az alveoláris gázkoncentrációk állandó szintjének fenntartását, és ezáltal a szövetekben az oxigén és a szén-dioxid (CO2) stabil szintjét. Állandó állapotban a CO2 termelődési sebessége megegyezik a testből kilélegzett nettó sebességgel, amely (feltételezve, hogy a környezeti levegőben nincs CO2) az alveoláris szellőzés és az árapály CO2-koncentrációjának szorzata. Ezen összefüggés miatt a lehetséges egyensúlyi állapotok halmaza hiperbolát képez:
Alveoláris szellőzés = test CO2-termelése / vég-árapály CO2-frakció.
Az alábbi ábrán ez a kapcsolat a bal felső saroktól a jobb alsó részig eső görbe. Csak a görbe mentén elhelyezkedő helyek teszik lehetővé a test CO2-termelésének pontos kompenzálását a CO2 kilégzésével. Eközben van egy másik görbe is, amelyet az ábra az egyszerűség kedvéért mutat, mint egyenes vonal balról balra fentről jobbra, ez a test ventilációs reakciója a CO2 különböző szintjeire. Ahol a görbék keresztezik a potenciális egyensúlyi állapotot (S).
A légzésszabályozó reflexek révén a szellőzés (A) bármilyen kis átmeneti esése az alveoláris CO2-koncentráció megfelelő kis emelkedéséhez (A “) vezet, a légzésszabályozó rendszer úgy érzékeli, hogy a szellőzés (B) az egyensúlyi állapot szintje (S) fölé kismértékű kompenzációs emelkedést eredményez, amely segít visszaállítani a CO2-t az egyensúlyi állapotára. Általában átmeneti vagy tartós légzési zavarok, CO2 vagy az oxigénszintet a légzőszervi rendszer ilyen módon ellensúlyozhatja.
Bizonyos kóros állapotokban azonban a visszacsatolás erősebb, mint amennyi szükséges ahhoz, hogy a rendszert egyszerűen visszaállítsák egyensúlyi állapota felé. Ha ez a másodlagos zavar nagyobb, mint az eredeti, akkor a következő válasz még nagyobb lesz, és így tovább, amíg nagyon nagy rezgések nem alakulnak ki, amint az a Az alábbi ábra.
A zavarok megnövekedésének ciklusa akkor ér el határt, amikor az egymást követő zavarok már nem nagyobbak, ami akkor következik be, amikor a fiziológiai válaszok az inger méretéhez képest már nem lineárisan növekednek. A legnyilvánvalóbb példa erre, amikor a szellőzés nullára csökken: nem lehet alacsonyabb. Így a Cheyne – Stokes légzés sok perces vagy órás periódus alatt fenntartható ismétlődő apnoe és hyperpnea mintázat mellett.
A CO2 csökkenése esetén a légzés lineáris csökkenésének vége azonban nem apnoénál. Akkor fordul elő, amikor a szellőzés olyan kicsi, hogy a belélegzett levegő soha nem éri el az alveoláris teret, mert az inspirált árapálytérfogat nem nagyobb, mint a nagy légutak, például a légcső térfogata. Következésképpen a periodikus légzés legalacsonyabb pontján az alveoláris tér szellőzése gyakorlatilag nulla lehet; ennek könnyen megfigyelhető párja az, hogy a dagályos gázkoncentrációk abban az időpontban nem felelnek meg a reális alveoláris koncentrációknak.
Számos potenciálisan járulékos tényezőt azonosítottak a klinikai megfigyelések, de sajnos mind összekapcsolódnak, és együtt változhatnak. Széles körben elfogadott kockázati tényezők a hiperventiláció, az elhúzódó keringési idő és a csökkent vérgáz-pufferképesség.
Fiziológiailag összekapcsolódnak abban, hogy (minden egyes betegnél) a keringési idő csökken a szívteljesítmény növekedésével. Hasonlóképpen, az adott test teljes CO2-termelési sebessége esetén az alveoláris szellőzés fordítottan arányos az árapály CO2-koncentrációjával (mivel kölcsönös terméküknek meg kell egyeznie a test teljes CO2-termelési sebességével). A kemoreflex érzékenység szorosan kapcsolódik az egyensúlyi állapot helyzetéhez, mert ha a kemoreflex érzékenység növekszik (ha más dolgok egyenlőek), akkor az állandó állapotú szellőzés nő és az egyensúlyi állapot CO2 csökken. Mivel a szellőzés és a CO2 könnyen megfigyelhető, és mivel ezek általában mért klinikai változók, amelyek megfigyeléséhez nincs szükség különösebb kísérletre, ezekben a változókban előforduló rendellenességekről nagyobb valószínűséggel számolnak be az irodalomban. Más változókat, például a kemoreflex érzékenységet azonban csak specifikus kísérletekkel lehet mérni, ezért a rutin klinikai adatokban ezekben a rendellenességek nem találhatók. Cheyne – Stokes légzésben szenvedő betegeknél mérve a hiperkapnikus lélegeztetési reakciókészség 100% -kal vagy annál magasabb lehet.Ha nem mérik, annak következményei – például az alacsony átlagos PaCO2 és a megnövekedett átlagos szellőzés – néha a legfőbb jellemzőnek tűnhetnek.