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SEMINARIO Nº 3

GASES I: VENTILACIÓN PULMONAR,

CAPACIDADES Y VOLÚMENES PULMONARES

VENTILACIÓN PULMONAR

Los objetivos de la respiración son suministrar oxígeno a los tejidos y eliminar el dióxido de

carbono. Para alcanzar dichos objetivos, la respiración puede dividirse en cuatro acontecimientos

funcionales principales:

1. Ventilación pulmonar, que significa el flujo del aire, de entrada y de salida, entre la atmósfera y

los alvéolos pulmones;

2. Difusión del oxígeno y del dióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre;

3. Transporte del Oxígeno y del dióxido de carbono en la sangre y los líquidos corporales a las

células y desde ellas.

4. Regulación de la Ventilación y de otras facetas de la respiración.

Nosotros sólo nos centraremos en la ventilación pulmonar.

MECÁNICA DE LA VENTILACIÓN PULMONAR. MÚSCULOS QUE PRODUCEN LA EXPANCIÓN Y CONTRACCIÓN DE LOS PULMONES.

Los pulmones pueden expandirse y contraerse de dos maneras:

1. Por el movimiento hacia abajo y hacia arriba del diafragma para alargar y acortar la cavidad

torácica, y

2. Por elevación y descenso de las costillas para aumentar y disminuir el diámetro anteroposterior

de la cavidad torácica.

La siguiente Figura, muestra estos dos métodos:

En la figura: Contracción y expansión

de la caja toráxica durante la Espiración

y la Inspiración, que muestra

especialmente:

• La contracción diafragmática

(músculo diafragma).

• La función de los músculos

Intercostales

• La elevación de presión de la

parrilla costal.

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La respiración normal tranquila se logra casi totalmente por el primero de ambos sistemas, es

decir, por el movimiento del diafragma. Durante la inspiración, la contracción del músculo

diafragma tira de las superficies inferiores de los pulmones hacia abajo. Después, durante la

espiración, el diafragma simplemente se relaja, y es el retroceso elástico de los pulmones, de la

pared torácica y de las estructuras abdominales el que comprime los pulmones.

Durante la respiración enérgica, sin embargo, las fuerzas elásticas no tienen la potencia suficiente para provocar la espiración rápida necesaria, de forma que la fuerza adicional requerida

se logra principalmente mediante la contracción de los músculos abdominales, que empujan el

contenido abdominal hacia arriba contra la superficie inferior del diafragma.

El segundo método de expansión pulmonar consiste en elevar la caja torácica. Esta

maniobra expande los pulmones debido a que, en la posición natural de reposo, las costillas se

dirigen hacia abajo, como se muestra en la parte izquierda de la Figura, lo que permite que el

esternón caiga hacia atrás, hacia la columna vertebral. Pero cuando la caja torácica se eleva, las

costillas se proyectan casi directamente hacia adelante, de forma que el esternon se dirige hacia

adelante, alejándose de la columna, lo que hace que el espesor anteroposterior del tórax sea

aproximadamente un 20 % mayor durante la inspiración forzada que durante la espiración.

Los músculos más importantes que elevan la caja torácica son los intercostales externos,

pero también contribuyen los siguientes:

1. Los músculos esternocleidomastoideos que tiran del esternon hacia arriba. 2. Los serratos anteriores que elevan muchas costillas.

3. Los Escalenos, que elevan las dos primeras costillas.

Los músculos que tiran de la caja torácica hacia abajo durante la espiración son:

1. Los rectos abdominales, que tienen el efecto poderoso de tirar hacia abajo de las costillas

inferiores a la vez que, junta con los restantes músculos abdominales, comprimen el contenido

abdominal hacia arriba contra el diafragma.

2. Los intercostales internos.

En la parte izquierda, las costillas se angulan hacia abajo durante la espiración y los

intercostales externos se estiran hacia adelante y hacia abajo. Cuando se contraen, tiran de las

costillas superiores hacia delante respecto a las costillas inferiores, y esto hace palanca sobre las

costillas para elevarlas causando así la inspiración. Los intercostales internos funcionan

exactamente al revés y actúan como músculos espiratorios, debido a que su ángulo entre las

costillas va en la dirección contraria y hacen la palanca opuesta.

MOVIMIENTO DEL AIRE DENTRO Y FUERA DE LOS PULMONES, Y LAS PRESIONES QUE PRODUCEN EL MOVIMIENTO

El pulmón es una estructura elástica que se colapsa como un globo y expulsa todo su aire

por la tráquea si no existe una fuerza que lo mantenga inflado. Además, no hay fijación entre el

pulmón y las paredes de la caja torácica, excepto en el lugar en el que está suspendido del

mediastino por el hilio. Por el contrario, el pulmón flota literalmente en la cavidad torácica, rodeado

de una fina capa de líquido pleural que lubrica los movimientos de los pulmones en el interior de la

cavidad.

Además, la continúa aspiración del exceso de líquido a los linfáticos mantiene una ligera

succión entre la superficie de la pleura visceral pulmonar y la superficie de la pleura parietal de la

cavidad torácica. Por tanto, ambos pulmones se mantienen contra la pared torácica como si

estuvieran pegados, excepto que pueden deslizarse libremente, bien lubricados, con la expansión y

contracción del tórax.

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1. LA PRESIÓN PLEURAL Y SUS VARIACIONES DURANTE LA RESPIRACIÓN

La presión pleural es la presión del líquido en el estrecho espacio existente entre la pleura

pulmonar y la pleura de la pared torácica. Como se ha señalado anteriormente, existe una ligera

aspiración, lo que significa que hay una pequeña presión negativa. La presión pleural normal al

comienzo de la inspiración es de aproximadamente -5 cm de agua, que es la cantidad de aspiración

necesaria para mantener 1os pulmones abiertos en su nivel de reposo. Después, durante la

inspiración normal, la expansión de la caja torácica tira de los pulmones con más fuerza todavía y

crea una presión aún más negativa, hasta un valor medio de unos -7.5 cm de agua. Estas relaciones

entre la presión pleural y el volumen pulmonar cambiante se ilustran en la Figura de abajo, que

muestra en la parte inferior la creciente negatividad de la presión pleural de -5 a -7.5 durante la

inspiración, y en la parte superior un aumenta del volumen pulmonar de 0.5 litros. Después, durante

la espiración, sucede esencialmente lo contrario.

FIGURA: Variaciones del volumen pulmonar, la presión

alveolar, la presión pleural y la presión transpulmonar durante la respiración normal.

2. PRESIÓN ALVEOLAR.

La presión alveolar es la presión del aire en el

interior de los alvéolos pulmonares. Cuando la glotis está

abierta y no fluye aire ni hacia el interior ni hacia el

exterior de los pulmones, las presiones en todas las partes

del árbol respiratorio, hasta los alvéolos, son iguales a la

presión atmosférica, que se considera la presión de

referencia cero en las vías respiratorias, es decir, 0 cm de

agua. Para originar un flujo de aire hacia dentro en la

inspiración, la presión en los alvéolos debe caer a un valor discretamente inferior al de la presión

atmosférica (por debajo de 0). La segunda línea oscura de la Figura (identificada como presión

alveolar) muestra que en la inspiración normal la presión alveolar disminuye aproximadamente a -1

cm de agua. Esta presión ligeramente negativa basta para desplazar 0.5 litros de aire al interior de

los pulmones en los 2 segundos que dura la Inspiración normal tranquila.

Durante la espiración ocurre lo contrario: la presión alveolar se eleva hasta +1 cm de agua

aproximadamente, y esto hace salir el 0.5 litro de aire inspirado fuera de los pulmones durante los 2

ó 3 segundos de la espiración.

3. PRESIÓN TRANSPULMONAR.

Finalmente, obsérvese en la Figura, la diferencia de presión entre la presión alveolar y la

presión pleural. Esta diferencia se denomina presión transpulmonar, y es la diferencia de presión

entre la presión de los alvéolos y la de las superficies externas de los pulmones, y representa una

medida de las fuerzas elásticas de ¡os pulmones que tienden a colapsar los pulmones en cada grado

de expansión, denominada presión de retroceso elástico.

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DISTENSIBILIDAD PULMONAR El grado de expansión de los pulmones por unidad de incremento de la presión

transpulmonar se denomina distensibilidad. La distensibilidad pulmonar total de ambos pulmones

en el ser humano adulto medio es en promedio de unos 200 mL de aire por centímetro de presión

transpulmonar de agua.

La distensibilidad está determinada por las fuerzas elásticas de los pulmones. Estas pueden

dividirse en dos partes:

1. Las fuerzas elásticas del propio tejido pulmonar.

2. Las fuerzas elásticas causadas por la tensión superficial del líquido que reviste las paredes

interiores de los alvéolos y otros espacios aéreos pulmonares.

AGENTE TENSOACTIVO Y TENSIÓN SUPERFICIAL PRINCIPIO DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL.

Cuando el agua forma una superficie con el aire, las moléculas de la superficie del agua

experimentan una atracción especialmente fuerte entre si. Como resultado, la superficie del agua

siempre está intentando contraerse. Esto es lo que evita la disgregación de las gotas de lluvia; es

decir, existe una fuerte membrana contráctil de moléculas de agua en toda la superficie de la gota.

Invirtamos ahora estos principios y veamos qué sucede en las superficies internas de los alvéolos. También aquí la superficie del agua está intentando contraerse. Esta trata de forzar el aire fuera de

los alvéolos a través de los bronquios y, al hacerlo, hace que los alvéolos intenten colapsarse. El

efecto neto es que se genera una fuerza contráctil elástica de los pulmones completos, que se

denomina fuerza elástica de Tensión superficial.

EL AGENTE TENSOACTIVO Y SUS EFECTOS SOBRE LA TENSIÓN SUPERFICIAL.

El agente tensoactivo es un agente activo de superficie en el agua, lo que significa que

reduce notablemente la tensión superficial del agua. Es segregado por unas células que constituyen

aproximadamente el 10 % de la superficie alveolar. Esta células se denominan: Células Epiteliales

Alveolares de Tipo II (Neumocitos Tipo II).

El agente tensoactivo es una mezcla compleja de varios fosfolípidos, proteínas e iones. Estos,

son responsables de reducir la tensión superficial.

En términos cuantitativos, la tensión superficial de diversos líquidos acuosos es la siguiente:

• Agua pura: 72 dinas/cm.

• Líquidos normales que revisten los alvéolos pero sin agente tensoactivo: 50 dinas/cm.

• Líquidos normales que revisten los alvéolos con cantidades normales de agente

tensoactivo, entre 5 y 30 dinas/cm.

PRESIÓN EN LOS ALVEOLOS OCLUIDOS, PRODUCIDA POR LA TENSIÓN SUPERFICIAL.

Si las vías respiratorias que llevan de los alvéolos a los pulmones están bloqueadas, la

tensi6n superficial (que tiende a provocar el colapso de los alvéolos) creará una presión positiva en

los alvéolos intentando expulsar el aire. La cantidad de presión generada de esta manera en un

alvéolo puede calcularse a partir de la fórmula siguiente:

PRESIÓN = 2 x TENSIÓN SUPERFICIAL

RADIO DEL ALVEOLO

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Para el caso de un alvéolo con un radio de unas 100 micras y revestido de agente

tensoactivo normal, se calcula que es unos 4 cm de presión de agua (3 mmHg).

Si los alvéolos estuvieran revestidos de agua pura sin agente tensoactivo, la presión sería de

unos 18 cm de agua, es decir 4,5 veces mayor. Es evidente, pues, la importancia del agente

tensoactivo para reducir la presión necesaria para mantener los pulmones expandidos.

EFECTO DEL TAMAÑO DE LOS ALVEOLOS SOBRE LA PRESIÓN PRODUCIDA POR LA TENSIÓN SUPERFICIAL.

Obsérvese en la fórmula anterior que la presión generada a consecuencia de la tensión

superficial en los alvéolos se afecta inversamente por el radio del alvéolo, lo que significa que

cuanto más pequeño es el alvéolo mayor es la presión de tensión superficial. Así cuando los

alveo1os tienen la mitad del radio normal (50 micras en vez de 100), las presiones señaladas

anteriormente se duplican. Esto tiene especial importancia en bebés prematuros pequeños, muchas

de los cuales tienen alvéolos de radios inferiores a la cuarta parte de los del adulto. Además,

normalmente no se empieza a segregar agente tensoactivo al interior de las alvéolos hasta el 6to a 7mo mes de gestación y, en algunos casos, incluso mas tarde. Por consiguiente, muchos bebés

prematuros tienen poco o ningún agente tensoactivo en sus alvéolos, y sus pulmones tienen una

tendencia extrema al colapso, a veces de hasta seis a ocho veces a la de un adulto normal, lo que

ocasiona un trastorno denominado síndrome de dificultad respiratorio del recién nacido (o

síndrome disneico neonatal). Este síndrome es mortal si no se trata enérgicamente, especialmente

con la aplicación adecuada de respiración con presión positiva continua.

VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES

Un método simple de estudiar la ventilación pulmonar es registrar el movimiento del

volumen de aire que entra y sale de los pulmones, un proceso denominado Espirometría.

VOLÚMENES PULMONARES

Los volúmenes pulmonares son cuatro; que sumados, son iguales al máximo volumen al

que es posible expandir los pulmones. El significado de cada uno de ellos es el siguiente:

1. El volumen corriente (VC) es el volumen de aire inspirado o espirado en cada mspiraci6n

normal; es de unos 500 mililitros.

2. El volumen de reserva inspiratorio (VIR) es el volumen adicional máximo de aire que se

puede inspirar por encima del volumen corriente normal; habitualmente es igual a unos

3000 mililitros.

3. El volumen de reserva espiratoria (VER) es la cantidad adicional máxima de aire que se

puede espirar mediante espiración forzada después de una espiración corriente normal;

suele ser de unos 1100 mililitros.

4. El volumen residual (VR) es el volumen de aire que queda en los pulmones tras la

espiración forzada. Supone en promedio unos 1200 mililitros.

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CAPACIDADES PULMONARES A veces, es deseable considerar juntos dos o mas de los volúmenes anteriores. Estas

combinaciones de volúmenes reciben el nombre de capacidades pulmonares. Las más

importantes, que pueden describirse de la siguiente manera:

1. La capacidad inspiratoria (CI) es igual al volumen corriente más el volumen de reserva inspiratorio. Es la cantidad de aire (unos 3500 mililitros) que una persona puede respirar

comenzando en el nivel de una espiración normal e hinchando al máximo sus pulmones.

2. La capacidad residual funcional (CRF) es igual al volumen de reserva espiratorio más el

volumen residual. Es la cantidad de aire que queda en los pulmones tras una espiración normal

(unos 2300 mililitros).

3. La capacidad vital (CV) es igual al volumen de reserva inspiratorio, más el volumen corriente,

más el volumen de reserva espiratorio. Es la máxima cantidad de aire que puede expulsar una

persona de los pulmones después de una inspiración máxima y espirando al máximo (unos 4600

mililitros).

4. La capacidad pulmonar total (CPT) es el máximo volumen al que pueden expandirse los

pulmones con el máximo esfuerzo posible (unos 5800 mililitros); es igual a la suma de la

capacidad vital y del volumen residual.

Todos los volúmenes y capacidades pulmonares son un 20-25% menores en la mujer que en el

hombre, y son mayores en personas altas y atléticas que en los sujetos pequeños y asténicos.

ESPACIO MUERTO Y SU EFECTO SOBRE LA VENTILACIÍON PULMONAR.

Parte del aire que respira una persona nunca alcanza las zonas de intercambio gaseoso, sino

que llena las vías respiratorias en las que no tiene lugar intercambio gaseoso, como las fosas

nasales, la faringe y la tráquea. Este aire se denomina aire del espacio muerto debido a que no es

útil para el proceso de intercambio de gases; el espacio de las vías respiratorias en las que no hay

intercambio gaseoso se llama espacio muerto.

En la espiración, el aire del espacio muerto se expulsa primero, antes de que el aire de los

alvéolos alcance la atmósfera. Por tanto, el espacio muerto supone una gran desventaja para

eliminar los gases espiratorios de los pulmones.

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VOLÚMEN NORMAL DEL ESPACIO MUERTO.

El Volumen normal del espacio muerto en un hombre joven es de unos 150 mililitros. Esta

cifra aumenta ligeramente con la edad.

ESPACIO MUERTO ANATÓMICO Y FISILÓGICO.

El volumen de todo el espacio del aparato respiratorio (EXCEPTO de los alvéolos y otras

zonas de intercambio gaseoso estrechamente relacionadas con ellos); este espacio se denomina

espacio muerto anatómico.

En ocasiones, algunos de los propios alvéolos no son funcionales o sólo funcionan parcialmente

debido a que no hay flujo por los capilares pulmonares adyacentes o este es muy escaso. Por tanto,

desde el punto de vista funcional, estos alvéolos también deben considerarse espacio muerto.

Cuando el espacio alveolar se incluye en la medición total del espacio muerto se denomina espacio

muerto fisiológico.

En una persona normal, los espacios muertos anatómico y fisiológico son casi iguales

debido a que, en el pulmón normal, todos los alvéolos son funcionales, pero en una persona con

alvéolos parcialmente funcionales o no funcionales en algunas partes de los pulmones, a veces el

espacio muerto fisiológico es hasta 10 veces el volumen del espacio muerto anatómico ó 1 a 2 litros

esto está en relación con determinadas enfermedades pulmonares.