O2 CO2

VENTILACIÓN PULMONAR Y MECÁNICA RESPIRATORIA

Las funciones del sistema respiratorio son captar O2 y eliminar CO2 en un proceso de intercambio desde el aire a la mitocondria

Organización del sistema respiratorio

1)Una bomba para captar aire

2) Una superficie para intercambiar

gases con la sangre (respiración externa)

3)Un mecanismo para transportar los gases respiratorios

4)Una bomba para distribuir el flujo hacia los tejidos

5)Un área de intercambio con los

tejidos (respiración interna)

6)Un sistema de regulación y control de la función respiratoria

O2

CO2

La respiración es un proceso automático, rítmico, pero regulado central y periféricamente,se puede cuantificar a través de sus dos parámetros fundamentales: frecuencia respiratoria y volumen corriente cuyo producto determina la ventilación pulmonar minuto

Ventilación pulmonar minuto = (frecuencia respiratoria x volumen corriente)

El intercambio periférico en los tejidos se puede medir con ergo espirómetros que tienen sensores para registrar el consumo de O2 y la producción de CO2

O2

CO2

El intercambio de gases también está ocurriendo simultáneamente a nivel de la respiración celular con la trascendencia que en aquellasáreas donde hay déficit en el aportede oxígeno ocurrirá muerte celular

Esto ocurre con las células de la piel en una quemadura que afecte a la circulación del plexo dérmico o en la célula miocárdica por obstrucción del flujo coronario

TRACTO RESPIRATORIO SUPERIOR E INFERIOR

Vía aérea superior ocentral:

nariz, nasofaringe,orofaringe, laringofaringe y laringe; ubicados fuera de la caja torácica

Vía aérea inferior operiférica:

tráquea, bronquios, bronquíolos, alvéolos y parénquima pulmonar, ubicados dentro de la caja torácica

• Calentamiento del aire: Ya que el proceso de intercambio en la superficie alveolar debe realizarse a Tº corporal para evitar el enfriamiento de la sangre del capilar pulmonar ; para ello la mucosa respiratoria está ricamente irrigada, que le permite calentar y humedecer el aire

• Humidificación del aire: previene el desecamiento

de la vía aérea y específicamente del espacio alveolar

• Filtración de partículas: A nivel de las vibrisas

nasales se filtran las partículas mayores a 15 um. La irregularidad del pasaje nasal (cornetes) y la nasofaringe hace que partículas alrededor de 10 um impacten y sedimenten en el mucus que cubre el epitelio nasal

Las partículas entre 5-10 um pueden sedimentar en el mucus al pasar por bronquios y bronquíolos.

Las partículas por debajo de 5 um llegan al alvéolo como aerosol, las que serán fagocitas por macrófagos o drenadas a través del sistema linfático

Funciones de la nariz

Senos Paranasales

Son espacios que contienen aire y que comunican con la cavidad nasal, por lo que hay continuidad de la mucosa respiratoria las secreciones para-nasales son drenadas hacia la cavidad nasal

Los procesos alérgicos, inflamatorios o infecciosos que afectan a la mucosa respiratoria nasal afectarán a los senos paranasales

La percusión directa dolorosa en el área de los senos frontal o maxilar es uno de los signos clínicos de la sinusitis

Funciones de la faringe

Se extiende de la base del cráneo hasta el esófago (12.5 cm.)

Es un enclave fisiológico como vía común para el sistema respiratorio y digestivo y formar parte del sistema de fonación

En la pared posterior de la nasofaringe está la amígdala faringea (adenoides) Que cuando crece obstruye el paso del Aire y lleva a la respiración bucal que se asocia a patología respiratoria frecuente y alteraciones posturales

epiglotis

tráquea

orofaringe

Laringe

Se extiende entre la 3°-6° cervical, entre la base de la lengua y la tráquea, a partir de la laringe se establece la vía final del sistema respiratorio

Protege a la vía aérea del paso de cuerpos extraños líquidos o sólidos durante la deglución; su obstrucción puede llevar a la muerte

El espacio que queda entre las dos cuerdas vocales verdaderas, la glotis, es el punto más estrecho de la laringe

El edema de la mucosa que reviste el espacio de la glotis puede ser letal, por obstrucción y asfixia respiratoria (laringitis aguda)

Es afectada por procesos alérgicos, infecciosos, tumorales que pueden llevar a la afonía total

Funciones de la traquea

Se extiende desde la laringe a los Bronquios principales, (11 x 2,5 cm.)es la generación cero que da inicio al árbol pulmonar

Como toda la vía aérea (hasta las Bronquíolos terminales) está cubierta de epitelio cilíndrico seudo – estratificado ciliado con glándulas mucosas que producen el mucus necesario para Constituir la barrera o escalera mucociliar que traslada las partículas extrañas o nocivas hacia fuera del árbol pulmonar Velocidad 1000 veces/min.

Las sustancias tóxicas del humo del cigarrillo paraliza el movimiento ciliar y aumenta la producción de mucus, incrementando el riesgo de infecciones, (aparte del riesgo cancerígeno)

Funciones de los bronquios, bronquíolos y alvéolos

Los bronquios principales derecho e izquierdo se continúan desde la tráquea hacia los bronquios secundarios o lobares

El derecho tiene mayor diámetro, es más cortoy es más vertical, la aspiración de cuerpos extraños tienden a ir a ese lado

Ya en el pulmón los anillos cartilaginosos de los bronquios son completos y comienza la división que da originen al árbol bronquial, dando origen a los bronquios segmentarios y luego a la generación de bronquíolos

A nivel de bronquiolos respiratorio ya no hay anillos cartilaginosos

A nivel de conductos alveolares y alvéolos soloqueda el epitelio respiratorio que es un epitelio escamoso simple para el intercambio gaseoso

A medida que el nº de generaciones se incrementa, disminuye la cantidad de cilios y el nº de glándulas que secretan mucus,, por lo que disminuye el barrido muco-ciliar que traslada los cuerpos extraños desde el interior de la vía aérea hacia la tráquea

A partir de la 10ª generación hay más posibilidades de colapso de la vía aérea debido a la ausencia de cartílago (bronquíolos) durante la espiración

Entre la generación 0 -16 no ocurre intercambio gaseoso y se le denomina vía aérea de conducción(funcionalmente corresponde al espacio muerto anatómico; en promedio 150 ml en hombre y algo más de 100 en mujer)

A partir de la generación 17 se constituye la zona respiratoria (bronquíolo respiratorio, ducto alveolar, saco alveolar, alvéolos, vasos sanguíneos y linfáticos asociados)

El alvéolo es la unidad de intercambio fundamental, hay 300 millones de alvéolos con un diámetro de 75-300 um

Zona respiratoria: Alveolos

Saco alveolar

Capilares

Bronquiolorespiratorio

Célula tipo II

Célula tipo I

Capilares Fibras elásticas

Macrófago

Funciones de la caja torácica

Protege los órganos torácicos y grandes vasos; permite una mecánica respiratoria normal ya que en ella se insertan todos los músculos de la respiración

Los pulmones están contenidos en la cavidad pleural; cada pulmón está encerrado en una cavidad pleural independiente del otro la pleura parietal tapiza la pared torácica adosada a las costillas y a la cara superior del diafragma; mientras la pleura visceral tapiza la caraexterna de los pulmones El esófago, tráquea, grandes vasos y corazón están contenidos en el mediastino

El líquido pleural es un transudado plasmático de fluido intersticial que ocupa el espacio pleural, con un componente proteico que le da las características mucoides que permite el deslizamiento suave de las pleuras en cada movimiento respiratorio.

Normalmente el espacio pleural es una cavidad virtual y la cantidad total del líquido en cada cavidad pleural es tan solo de unos pocos ml (alrededor de 10 ml); debido a que es permanentemente drenado por el sistema linfático, esto contribuye a mantener la presión negativa de este espacio que es alrededor de – 5 cm H2O (por debajo de la presión atmosférica)

Espacio pleural, líquido pleural

Anatomía macroscópica del pulmón

El pulmón derecho tiene tres lóbulos: superior, medio e inferior y constituye alrededor del 55% del volumen pulmonar total:

El pulmón izquierdo está constituido por dos lóbulos, superior e inferior y debido a la presencia del corazón que interfiere en su espacio, constituyealrededor del 45% del volumen pulmonar total

Pulmón de no

fumador

Pulmón de

fumador

Relación entre área de sección transversal y velocidad del flujo aéreo; en función de las generaciones de la vía aérea

La velocidad del flujo aéreo aumenta hasta la 4ª generación bronquial. A partir de la 4ª generación se incrementa progresivamente el área de sección transversal total que a nivel de la zona respiratoria es exponencial, lo que permite que la velocidad caiga y el flujo se haga laminar para un adecuado intercambio gaseoso por difusión 50 a 100 m2

El pulmón recibe el suministro sanguíneo de:

a)La arteria pulmonar: que se encarga de llevar la sangre des oxigenada al pulmón se ramifica con el árbol pulmonar hasta originar el capilar pulmonar, cada capilar está rodeado de alvéolos (en sándwich)

b)Arteria bronquial: es una rama de la aorta y lleva la sangre oxigenada para la vía aérea de conducción;, parte de la sangre venosa de la circulación bronquial drena directamente a las venas pulmonares (con sangre oxigenada) y contribuye al shunt fisiológico que hace caer la saturación de oxigeno en la sangre arterial

Otras funciones pulmonares:

Filtro de émbolos (partículas de grasas, coágulossanguíneos, burbujas de aire, para evitar que lleguen a tejidos donde causarían gran daño Endotelio pulmonar convierte angiotensina I a angiotensina II, reacción catalizada por la enzima convertidora de angiotensina (ECA)

Espirometría

Volúmenes y Capacidades Pulmonares

VOLÚMENES PULMONARES

• Volumen corriente (VC): Volumen de aire inspirado o espirado en cada respiración normal

• Volumen de reserva inspiratorio (VRI): Es el volumen adicional de aire que se puede inspirar en una inspiración forzada sobre el volumen corriente

• Volumen de reserva espiratorio (VRE): Es el volumen adicional de aire que se puede espirar en una espiración forzada, después de espirar el volumen corriente

• Volumen residual (VR): Es el volumen de aire que queda en los pulmones después de una espiración forzada, evita el colapso alveolar y permite el intercambio gaseoso continuo durante la fase espiratoria

Volumen espiratorio forzado del 1º segundo (VEF1): Es el volumen expulsado

en el 1º segundo en la prueba de capacidad vital forzada (80% CVF)

CAPACIDADES PULMONARES

• Capacidad inspiratoria (CI): Es la cantidad máxima de aire que se puede inspirar a partir de una espiración normal (volumen corriente + volumen de reserva inspiratoria)

• Capacidad residual funcional (CRF): Es la cantidad de aire que queda en el pulmón después de una espiración normal (volumen de reserva espiratorio + volumen residual)

• Capacidad vital forzada (CVF): Es la máxima cantidad de aire que se puede expulsar en una espiración forzada, después de una inspiración máxima (volumen de reserva inspiratorio + volumen corriente + volumen de reserva espiratorio)

• Capacidad pulmonar total (CPT): Es la cantidad total de aire con que se pueden llenar los pulmones en una inspiración máxima (capacidad vital + volumen residual)

Prueba de espiración forzada

Tras una inspiración máxima se pide al paciente que realice una espiración máxima en el menor tiempo posible.

VENTILACIÓN PULMONAR Y VENTILACIÓN ALVEOLA R

Ventilación pulmonar minuto (VT): Volumen total de aire que entra al pulmón cada minuto, se obtiene multiplicando el volumen corriente por la frecuencia respiratoria: (FR x VC)

Espacio Muerto anatómico (VD): Volumen de aire que ocupa las vías aéreas de conducción y que no participa en el intercambio gaseoso (alrededor de 150 ml en cada respiración)

Ventilación Alveolar minuto: Volumen de aire fresco que efectivamente llega al alvéolo cada minuto y se obtiene según la expresión siguiente: FR x [VC - Espacio muerto anatómico]

1) VENTILACIÓN PULMONAR MINUTO FR X VC = 12 x 500 ml = 6.000

ml/min.

2) VENTILACIÓN ALVEOLAR MINUTO FR x [VC - Espacio muerto anatómico] = 12 x (500 – 150) = 4.200 ml/minuto

Volumen corriente(ml)

Frecuencia respiratoria(resp/min.)

Ventilación minuto(litros/min.)

Ventilación espacio muerto(litros/min.)

Ventilación alveolar(litros/min.)

Condición

500 12 6000 1800 4.200 A

1000 6 6000 900 5.100 B

150 40 6000 6000 0 C

HIPOVENTILACIÓN / HIPERVENTILACIÓN ALVEOLAR

A: Ventilación alveolar normalB: Hiperventilación alveolar C: Hipoventilación alveolar

Composición del aire atmosférico

Ley de Dalton

“La presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de cada gas por separado”

La FIO2 es 21%

PO2 = PB x FIO2 = 760 X 0,21 = 159 mmHg

En el aire inspirado

PO2 = ( PB – 47 ) x FIO2 = (760 – 47) X 0,21= 149 mmHg

En el aire

En el alvéolo

PO2 = [ ( PB – 47 ) ] x FIO2 - PCO2 = [ (760 – 47) X 0,21 ] – 40 = 100 mmHg -------- ---- 0.8 (CR) 0,8

Existen dos movimientos respiratorios: inspiración y espiración

- 1 a -2 cm. H20. - 1 a -2 cm. H20.

Presión intrapleural al final de una espiración normal = - 5 cm. H2O Presión intrapleural al final de una inspiración normal = -7 cm. H2O

Intrapleural = - 5 cm. H2O

Intrapleural = - 7 cm. H2O

= 0 cm de H20.

-2 cm de H20. -2 cm de H20.

Intrapleural = - 5 cm. H2O

Intrapleural = - 7 cm. H2O

+2 cmH2O+2 cmH2O

Recobro elásticopulmonar

Presión pleural – Presión alveolar – Presión trans pulmonar

Pre

sión

(cm

H2O

)V

olum

en (

Litr

os)

P transp = P alv – P pl

-5

-7

-5

0

-1

+10

+500 cc

-500 cc

2´´ 3´´

PRESIONES EN EL PULMÓN

Presión pleural: Es la presión en el espaciopleural, habitualmente menor que la presiónatmosféricaPresión en la Vía Aérea: Es la presión que hay dentro de la vía aérea de conducción, que se hace menor que la atmosférica en inspiración y mayor durante la espiración

Presión alveolar: Es la presión que hay dentro de los alvéolos y que se hace menor que la atmosférica en inspiración y mayor durante la espiración

PRESIONES EN EL PULMÓN

Presión transmural: (Pva - P pl) Es el gradiente de presión a través de la pared de la vía aérea, de gran importancia para mantener la vía aérea abierta en una espiración forzada

Presión Transpulmonar: (P alv – P pl) Es el gradiente de presión a través de lapared del pulmón, es siempre positiva eimpide que los pulmones se colapsen en espiración y aumenta para que los pulmones se expandan en la inspiración

Génesis de la Presión Pleural

Al final de la espiración el pulmón y la pared torácica están expandidos con igual fuerza pero en sentido contrario, en ese momento de equilibrio la presión pleural está 5 cm H2O por debajo de la atmósférica

Si se produce un rotura de la pared torácica entra aire que lleva a 0 el gradiente de presión; el pulmón se colapsa y la caja torácica se expande, cuadro que se llama neumotórax

Es la presión que se encuentra en el espacio entre la pleura parietal y visceral.

Normalmente es una presión ligeramente negativa, alrededor de -5 cm H20 al final de la espiración y antes del comienzo de la inspiración

Mantiene la apertura alveolar en reposo a nivel de capacidadresidual funcional, que es cuando se logra por el equilibrio entre las fuerzas elásticas de la caja torácica que se expande y el tejido pulmonar que es retrae

PRESIÓN INTRAPLEURAL

Inspiración normal:

Habitualmente basta la contracción y descenso del diafragma para aumentar el diámetro longitudinal y transversal del tórax, provocar el cambio en la

presión pleural hacia un valor más negativo que se transmite al espacio alveolar, al caer la presión

alveolar por debajo de la presión atmosférica permite la entrada de aire.

La acción de los intercostales externos horizontalizan y elevan las costillas aumentando el diámetro antero

posterior del tórax

Inspiración durante el esfuerzo:

10 cm.

Contracción de escalenos

Movimiento en asa de balde

Ventilación x min.(FR x VC)

Reposo

Ejercicio

Litros/minuto 6 120 - 200

Durante ejercicio intenso la ventilación pulmonar puede aumentar hasta 150 – 200 litros por minuto, reclutando toda la musculatura accesoria y consumiendo hasta un 15% del consumo máximo de O2

Excursión diafragmática

Espiración: En condiciones normales para la espiración basta con la relajación del diafragma y la retracción elástica de los pulmones para generar una presión positiva en el espacio alveolar

Ejercicio, para la espiración forzada se suma la acción de los intercostales internos que deprimen las costillas y reducen el diámetro del tórax y la musculatura abdominalque aumenta la presión intraabdominal y empujan la base del tórax aumentando la presión pleural y alveolar aumentando la salida del aire

NEUMOTÓRAXSi se produce una rotura de la pared torácica, la entrada de aire lleva a 0 la presión pleural (igual a la presión atmosférica); el pulmón se colapsa hasta un volumen mínimo y la caja torácica se expande, cuadro que se llama neumotórax

ATELECTASIAEl colapso alveolar, condiciona un cuadro que se denomina atelectasia. El colapso alveolar disminuye el volumen del pulmón a un volumen mínimo de alrededor de 500 ml, sin que ocurra un colapso total, pues la vía aérea se colapsa antes y deja aire atrapado a distal)

Adaptabilidad Pulmonar

Depende de:

A) DISTENSIBILIDAD o COMPLIANZA:

B) ELASTANZA (ELASTICIDAD)

Se refiere al cambio de volumen pulmonar por unidad de cambio de presión, es la facilidad con que el pulmón puede ser distendido

La inclinación de la pendiente de la curva presión / volumen refleja la distensibilidad del pulmón; a mayor pendiente mayor distensibilidad

C = ∆V / ∆P

C = 0.5 L / 2.5 cm H2O C = 0.2 L / cm H2O

En el enfisema de los fumadores crónicos se destruye tejido pulmonar, matriz extracelular, elastina, esto genera mayor compliance; esto implica pulmones fáciles de llenar pero con escaso recobro elástico y debido a la pérdida de la estructura del parénquima, la vía aérea se colapsa con mayor facilidad y deja atrapado mucho aire en el pulmón; estos son pulmones hiperinsuflados, pero difíciles de vaciar.

En la fibrosis pulmonar, en que ocurren depósitos de tejido fibroso en el intersticio, hace que un pulmón sea más rígido, con baja compliance, difíciles de insuflar.

COMPLIANCE O DISTENSIBILIDAD PULMONAR

Propiedades elásticas del pulmon.

LA ELASTICIDAD PULMONAR DEPENDE:

ELASTICIDAD TISULAR: 1/3

TENSION SUPERFICIAL: 2/3

Las fuerzas elásticas del propio tejido pulmonar: fibras de elastina y colágeno del parénquima pulmonar.

Las fuerzas elásticas causadas por la tensión superficial del líquido que reviste las paredes interiores de los alvéolos y otros espacios aéreos pulmonares. Es diferente según los pulmones estén llenos o no de aire. Si no están llenos de aire las únicas fuerzas que influyen son las elásticas del tejido mientras que si están llenos se crean fuerzas de cohesión en el líquido que producen una fuerza de contracción.

Agente tensioactivo o surfactante,

Tensión superficial: En una interface aire-líquido entre las moléculas de H2O de la superficie ocurren fuerzas intermoleculares que las empujan hacia el medio acuoso (estado de menor energía) y fuerzas opuestas entre sí paralelas a la superficie (un estado de mayor energía) denominada tensión superficial, que se opone al “estiramiento de la superficie”

En una burbuja de aire las fuerzas no balanceadasdel H2O tienden a formar una menor área de superficie, generando tensión en la interface aire-agua; la tensión superficial actúa “como un cinturón” que reduce el volumen de una burbuja de aire, incrementando su presión interna

El balance entre la presión interna para expandir y la tensión superficial para colapsar se expresa en la ecuación de Laplace

P = 2T / r Mientras más pequeño es el r mayor es la presión que hay que hacer para mantener expandida la burbuja

En una burbuja de jabón las moléculas de detergente disminuyen la tensión superficial de la película líquida y permite hacer burbujas de mayor tamaño y mayor duración

En este caso el jabón es un surfactante sintético y mientras más moléculas de detergente hay menor la tensión superficial, mayor es la burbuja que se puede formar (vuela por más tiempo)

Hipotéticamente si la ley de Laplace ocurriera en el pulmón, los alvéolos más pequeños se vaciarían en los más grandes

Este fenómeno es reducido por dos factores:

1) La interdependencia alveolar desde el punto de vista estructural, de tal manera que cada alvéolo está “anclado” a las paredes de los vecinos y soporta las variaciones de volumen sin colapso, permitiendo la co existencia y estabilidad entre alvéolos de distinto tamaño

2) Al surfactante pulmonar que reduce la tensión superficial

Ley de LAPLACEP=2T/r para una esfera con una interfase líquido/gas, como en el alveolo: P=presión, T=tensión superficial, y r=radio

Secretado por células epitelialesalveolares de tipo II

Los componentes mas importantesson el fosfolípido dipalmitoilfosfa-tidilcolina (DPPC), las apoproteinas

y los iones de calcio

DPPC forma superficie hidrófobaexpuesta al aire que tiene una

tensión superficial

tensión superficial del agua pura

Surfactante pulmonar

Localizado en la superficie alveolar en la interface aire-agua, tiene una región hidrofílica fuertemente atraída por el agua y una región hidrófoba que seorienta hacia el aire

agua/aire Superficie alveolarsin/ surfactante

Superficie alveolarcon/ surfactante

Tensión superficialdinas/cm.

70 50 5 - 30

VENTAJAS FISIOLÓGICAS DEL SURFACTANTE PULMONAR

Reduce el trabajo muscular para expandir los pulmones

Disminuye la fuerza de retracción elástica al final de la espiración, previniendo el colapso alveolar Estabiliza los alvéolos más pequeños, generando una más baja tensión superficial , contribuyendo a la coexistencia alveolar

El trabajo de respirarEn condiciones normales se usa solo para inspirar ya que la espiración es un proceso pasivo.Tiene varios componentes:

Trabajo de distensibilidad o trabajo elástico, requerido para expandir los pulmones en contra de las fuerzas elásticas de los pulmones

Trabajo de resistencia tisular, para vencer la viscosidad de los pulmones

Trabajo de resistencia de las vías respiratorias, para vencer la resistencia de las vías respiratorias al flujo del aire.

En los cuadros obstructivos aumenta el trabajo para vencer la resistencia de la vía aérea; en cuadros restrictivos el trabajo para vencer las fuerzas elásticas (baja compliance) que se oponen al inflado del pulmón

(Kinesiterapia respiratoria, una técnica que optimiza

el trabajo respiratorio)

Unidad de Quemados Hospital del Trabajador, Santiago 1987