8Respiratorio1 [modalit compatibilit ] · Il movimento di aria dall’esterno all’interno del...
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APPARATO RESPIRATORIOAPPARATO RESPIRATORIOAPPARATO RESPIRATORIOAPPARATO RESPIRATORIO
Il metabolismo dei tessuti si accompagna a consumo di O2 ed a produzione di CO 2; necessità di scambi gassosi che costituiscono la respirazione.Respirazione “interna” (cellulare)
Respirazioneesterna
(cellulare)Respirazione “esterna” (polmonare). lo scopo principale della respirazione esterna è quello di fornire ossigeno ai tessuti rimuoverne l’anidride carbonica.
Respirazione interna
Il ricambio di ariaalveolare è un processointermittente legato alciclo respiratorio (12-14/min).
Apparato
Ad ogni inspirazione 500ml di aria (volumecorrente) si diluiscono in2,3l già contenuti nelpolmone
Laringe
Trachea
Aria entra attraverso le vieaeree di conduzioneconduzione:
trachea e bronchi (dotati dianelli cartilaginei per evitareil collasso)
Dai bronchi primari sidipartono 23 generazioni dicondotti secondari fino agli
Bronco primario Sn
Bronco secondario
Bronchioli
Alveoli
condotti secondari fino aglialveoli (zone respiratorie)
Aria si muove conmovimento di massa fino aibronchioli terminali e poi perdiffusione
17-19
Zon
a co
nduz
ione
Zona transizione
La prima parte delle vie aeree, fino alla 19a generazione non partecipanoagli scambi gassosi (spazio morto anatomico). Gli scambi avvengonodalla 19a generazione in poi.
Il progressivo aumento della sezione trasversa delle vie aeree poste inparallelo determina una progressiva riduzione della velocità dell’aria
20-23transizione
Zona scambi
Cilia muovono muco verso la faringeParticelle polvere
Strato muco
Strato acquoso
A livello delle vie aeree di conduzione l’aria viene preriscaldata,umidificata (per contatto con il secreto che bagna la mucosa) e depurata(muco trattiene la polvere che viene eliminata attraverso il meccanismodi scala mobile mucociliare)
Cilia
Cellule colonnari
Membrana basale
Cellule caliciformi
Bronchioli
Branca arteria polmonare
Arterie, vene e nervi bronchiali
Branca della vena polmonare
Fibre elastiche
Capillarii
Vasi linfatici
Alveoli
Muscolo liscio
bronchioli respiratorie
alveoli
Lo scambio dei gas respiratori avviene a livello dell’unità alveolo-capillare.Gli alveoli sono circa 300.106 e formano una superficie di scambio totale dicirca 140 m2
Struttura alveolare:
Gli alveoli sono composti di pneumociti di I tipo, per gli scambi gassosi, epneumociti di II tipo, che sintetizzano surfattante.
Fibre elastiche
Epitelio pavimentoso
Pneumociti tipo II
Pneumociti tipo I
Capillari
Macrofagi Cellule endotelio capillare
Pori alveolari
Endotelio
Capillare
Epitelio alveolare Nucleo cellula endoteliale
Gli scambi gassosiavvengono a livello dellamembrana respiratoria
Spazio alveolare
Membrana basale
Fdiff = D · A · ∆C/∆x
membrana respiratoria(alveolo-capillare).
Lo spessore ridotto dellamembrana facilita il processodi diffusione dei gas.
Aorta
Polmone SnPolmone Ds
Esofago
Nella cavità pleurica è contenuto un velo di liquido (2 ml) che mantiene adesi i foglietti pleurici e ne consente lo scivolamento.
Nella cavità pleurica esiste una P
Pleure
Cavità pleurica Sn
Cavità pleurica Ds
Cavità pericardica
Il polmone non è dotato di strutture di sostegno o muscolari, ma è adeso alla gabbia toracica attraverso la pleura (parietale e viscerale).
Le variazioni di volume del polmone dipendono dai movimenti della gabbia toracica.
esiste una P subatmosferica (negativa)
La ventilazione e le pressioni La ventilazione e le pressioni polmonaripolmonaripolmonaripolmonari
Il movimento di aria dall’esterno all’interno del polmone eviceversa (ventilazione), è assicurato da un gradientegradientepressoriopressorio che si crea tra l’esterno (P atmosferica) e l’internodel polmone (P alveolare).
Per la Legge di Boyle P.V = K la P alveolare si modificaattraverso cambiamenti del volume polmonare.
Inspirazione: volume del polmone P alveolare, ariaentra.entra.
Espirazione: volume del polmone, P alveolareatmosferica, aria esce.
F = ∆P/R
Pi = Pressione intrapolmonare0 cmH2O
Pressione intratracheale0 cmH2O
PressioneAtmosferica
0
Pressione atmosferica(760 mmHg)
indicata come punto di riferimento 0
Pressioni alla CFR (a riposo)
Pe =Pressione endopleurica
- 5 cmH2O
Alla fine di un’espirazione normale (CFR), condizione di eq uilibrio, laPe è negativa e la Pi è 0 perché il polmone è in connessione conl’esterno.
Forze di retrazione elastca
(almeno)
Pressioni nell’apparato respiratorio a riposo(indicate in cmH 2O = 1,36 mmHg)
Pressione intrapolmonare
Pressione vie aeree0 cmH2O
Pressione atmosferica(760 mmHg)
indicata come punto di riferimento 0
Pressione trans-polmonare(intrapolmonare - endopleurica)
0 - ( - 5 ) = 5 cmH2O
Pressione intrapolmonare0 cmH 2O
Pressione Endopleurica
-5 cmH2OPressione trans-toracica(endopleurica - atmosferica)- 5 cmH2O - 0 = - 5 cmH2O
Pressione transmurale totale(intrapolmonare-atmosferica)
0 - 0 = 0 cmH2O
Condizione di riposoCondizione di riposo
Il polmone (struttura elastica) è adeso alla gabbia toracica grazie alle pleure. Non è mai inequilibrio elastico, ed è quindi sottoposto continuamente ad una forza di retrazione. Anchela gabbia toracica è una struttura elastica, con una tendenza continua all’espansione. Incondizioni di riposo (fine espirazione normale, capacità funzionale residua, CFR) la forza diretrazione elastica del polmone è perfettamente controbilanciata da quella della gabbiatoracica. La pressione endopleurica è espressione dell’azione di queste forze.
- 5 cmH2OVie aeree
Spazio pleurico
Pleure
Diaframma
L’esistenza di forze elastiche uguali e contrarie è dimostrato dal fatto chequando entra aria nello spazio pleurico (pneumotorace), il polmonecollassa e la gabbia toracica si espande.
Pleure
Polmone collassato
Spazio pleurico
Pneumotorace:In caso di mancata risoluzione spontanea, si interviene con aspirazione o drenaggio per indurre ri-espansione. Eventuale chirurgia può essere utile per garantire pleurodesi (incollaggio delle pleure).
L’espansione del polmone durante l’atto respiratorio avviene comeconseguenza dell’aumento di volume della gabbia toracica ottenuto con lacontrazione dei muscoli respiratori, che compiono un lavoro per vincere leforze di retrazione elastica del polmone.
Contrazione muscoli inspiratori
Volume cavità toracica
negatività Pe↑
↑
negatività Pe
Ptp
Volume polmoni
Pi
Aria entra nei polmoni Pi = Patm
↑
↑
↑
Muscoli respiratori
Inspiratori : Aumentano il volume gabbia toracica
DiaframmaIntercostali esterni SternocleidomastoideiScaleni
Espiratori : Riducono il volume gabbia toracica, attivinell’espirazione forzata
Sternocleidomastoidei
Scaleni Intercostali interni
nell’espirazione forzata
Intercostali interni (esercizio fisico, fonazione, canto, fase espiratoria starnuto e tosse)AddominaliPer aumenti pressione endoaddominaleAccessoriGrande dorsale, Dentato posteriore-inferiore, Quadrato dei lombi.
Intercostali esterni
Diaframma
Addominali
Inspirazione Espirazione
Spazio pleurico
Diaframma
(nervi frenici, C3-C5). A riposo il diaframma è rilassato.
Responsabile 2/3 inspirazione. Aumenta diametro cranio-caudale e trasverso della gabbia toracica. Aumento volume gabbia toracica 200-400 ml in respirazione tranquilla, 2-4 l in respirazione profonda.Efficienza diaframma diminuisce nella donna durante la gravidanza, negli obesi e per compressione della parete addominale
Contrazione del diaframma
Modificazioni delle pressioniintrapleurica e intrapolmonare, delvolume respiratorio e del flussodurante l’atto respiratorio.
In condizioni quasi stazionarie, lavariazione di pressioneendopleurica durante l’attorespiratorio, rispecchia larespiratorio, rispecchia lanecessità di vincere solo leresistenze elastiche del sistematoraco-polmonare, mentre in casodi respirazione a frequenzaregolare devono essere vinteanche le resistenze delle vieaeree.
Pressioni durante inspirazione ed espirazione a par tire dalla CFR
RiposoIspirazioneEspirazione
Depressione 1 ° EP 2° IP Aumento pressione 1 ° EP 2° IPDepressione 1 ° EP 2° IP Aumento pressione 1 ° EP 2° IP
Entra aria Esce aria
Pressione IP = 0Pe più negativa
Pressione IP = 0Pe meno negativa
• Le resistenze elastiche del sistema toraco-polmonare si determinanomisurando la forza necessaria per mantenere un certo volumeattraverso la costruzione della curva di rilasciamento toraco-polmonare (curva P-V), che esprime la relazione esistente tra levariazioni di pressione e le variazioni di volume del sistema toraco-polmonare.
• Il soggetto inspira od espira, a naso chiuso, un dato volume da o in• Il soggetto inspira od espira, a naso chiuso, un dato volume da o inuno spirometro. Raggiunto il volume, si interrompe la comunicazionecon lo spirometro, si chiede al soggetto di rilassare la muscolaturarespiratoria e si misura, con un manometro alla bocca, la pressionedelle vie aeree, che in condizioni statiche è uguale alla pressioneintrapolmonare.
100P+T
010
020
Direzione delle forze di retrazione elastica ed effett osulla Pi
Curva di rilasciamento toraco-polmonare
20
40
60
80
Cap
acità
vita
le %
CFR
Equilibrio per il sistema
torace+polmone
0- 10
0
La chiusura delle vie aeree fa in modo che la Pi sia dipendente dal ritorno elastico del polmone e del torace
00
CFR
-30 -20 -10 0 10 20 30
-20
0
Cap
acità
vita
le %
volume residuo
Pressione IP - PAtmP transmurale (cmH 2O)
• Per ricavare la curva di rilasciamento del solo polmone si misura, adiversi volumi, la pressione endopleurica, mantenendo la muscolaturarespiratoria contratta e la glottide aperta.
0
0 -10
-15
0-(-15) = +15
Curva di rilasciamento polmonare
40
60
80
100PT
Cap
acità
vita
le %
CFR0
0
0
-10
-7
-2
0-(-10) = +10
0-(-7) = +7
0-(-2)= +2L’irrigidimento della parete toracica fa in modo che la Pe sia dipendente dal solo ritorno elasticodel polmone
-30 -20 -10 0 10 20 30
-20
0
20
Cap
acità
vita
le %
volume residuo
P transmurale (cmH 2O)
Equilibrio per il polmone
• Per ricavare la curva di rilasciamento della sola gabbia toracica simisura, a diversi volumi, la pressione endopleurica, con lamuscolatura respiratoria rilasciata e la glottide chiusa.
0
0
Curva di rilasciamento toracica
1
-1
40
60
80
100PTTP
Cap
acità
vita
le %
CFR
Equilibrio per il torace
0
0
0
Il ritorno elastico del polmone è annullato dall’ar ia al suo interno. La Pe dipende dal solo ritorno elastic o del torace
-1
-7
-10
-30 -20 -10 0 10 20 30
-20
0
20
Cap
acità
vita
le %
l
volume residuo
P transmurale (cmH 2O)
un indice della distensibilità (comportamento elastico) del sistema toraco-polmonare è:
∆∆∆∆V/∆∆∆∆P esprime la COMPLIANCE del sistema.
Nella Compliance plmonare ∆∆∆∆P = Palv – Pip
La compliance varia al variare del volume, quindi viene normalmente indicata la compliance specifica , riferita alla normalmente indicata la compliance specifica , riferita alla CFR:
Cp /CFR
La Compliance diminuisce in tutte le condizioni in cui il polmone diventa più rigido (patologie restrittive, fibrosi ecc.) e aumenta nelle patologie in cui il polmone è meno rigido (enfisema).
Il comportamento elastico del polmone dipende da:
• Componenti elastiche del tessuto polmonare formato da fibre di elastina (facilmente distensibili) e collagene (meno distensibili).
• Tensione superficiale, che si forma a livello alveolare • Tensione superficiale, che si forma a livello alveolare nell’interfaccia aria-liquido.
Legge di Laplace
P = 2T/r
P = pressione, T = Tensione, r = raggio
• La tensione superficiale in unabolla genera pressione.
• La relazione tra tensionesuperficiale e pressione èstabilita dalla Legge di Laplace
t
A parità di tensione superficiale, la P è maggiore negli alveolipiccoli rispetto a quelli grandi. Gli alveoli piccoli tendono a svuotarsiin quelli grandi
PP Unico
alveolo
• La tensione superficiale è ridottadal tensioattivo polmonare(surfattante).
• L’effetto del surfattante èdipendente dall’estensione dellasuperficie alveolare per cui T ècontrastata maggiormente neglialveoli piccoli che in quelli grandi.
• Questo comportamento è legato• Questo comportamento è legatoalla diversa distribuzione delsurfattante ai diversi volumialveolari e spiega l’isteresipolmonare.
Il surfattante riduce la tensione superficiale quindi:
• Aumenta la compliance polmonare e diminuisce il lavoro respiratorio
• Mantiene la stabilità alveolare
• Impedisce il collasso degli alveoli (atelettasia) a bassi volumi
• Impedisce l’edema polmonare
Il surfattante si forma tra il IV-VII mese di gravidanza (completo all 34°Il surfattante si forma tra il IV-VII mese di gravidanza (completo all 34°settimana), la sua mancanza è causa della sindrome da distress respiratorio del neonato.
• Nell’adulto la formazione del surfattante è ridotta dall’ipossia. La sua mancanza causa la sindrome da distress respiratorio dell’adulto (polmone da shock).
Resistenze delle vie aeree
Valutabili in condizioni dinamiche, quando si crea flusso.
Flusso laminare nelle piccole vie aeree
• Flusso turbolento nelle vie aeree più grandi (numero di Reynolds > 2000)
• Flusso transizionale nelle biforcazioni• Flusso transizionale nelle biforcazioni
Anche per il flusso nelle vie aeree è applicabile l’equazione di Poiseuille F = ∆∆∆∆Pππππr4/8µµµµl se il flusso è laminare. Nel flusso turbolento la resistenza al flu sso è decisamente maggiore.
Res
iste
nza
vie
aere
e (c
mH
20/l/
sec)
2
3
4
La R delle vie aereediminuisce all’aumentaredel volume polmonareperché aumenta il lorocalibro:
• la maggiore negativitàdella Pe, aumenta la Ptmprovocando distensione dei
Volume polmonare e resistenze vie aereeR
esis
tenz
a vi
e ae
ree
(cm
H
Volume polmonare (litri)
2 4 6
1 provocando distensione deicondotti
• la maggiore retrazioneelastica degli alveolidetermina una maggioretrazione meccanica sullepareti, distendendole
Modificazione calibro vie aeree
Sistema nervoso parasimpatico (vago, Ach su recettori M3):
Broncocostrizione (riflessi attivati da agenti irritanti, stimoli meccanici,CO2)
Adrenalina circolante (su recettori β2, prevalenti sulle cellule muscolarilisce)
Broncodilatazione
Sistema nervoso simpatico (NA su recettori α)
Broncocostrizione (effetto scarso), agisce prevalentemente su arteriebronchiali e ghiandole
Fattori locali rilasciati durante infiammazioni o reazioni allergiche:
Istamina (dai mastociti durante reazioni allergiche) e PG (duranteinfiammazioni)
Broncocostrizione
I volumi respiratori
Inspirazione Espirazione
Aria
Spirometria : Permette la misura diretta dei volumi respiratori. Levariazioni di volume polmonare durante gli atti respiratori provocanocorrispondenti variazioni di volume nello spirometro, con movimenti dellacampana, che possono essere registrati su carta (spirogramma)
Tempo
Acqua
VRI
VC = Volume corrente, Volume inspirato ed espirato durante un atto respiratorio (500 ml)
VRI = Volume di riserva inspiratoria, massimo volume inspirabile dalla fine della normale inspirazione (3000 ml)
VRE = Volume di riserva espiratoria, massimo volume espirabile dalla fine della normale espirazione (1100 ml)
VR = Volume residuo, volume presente nei polmoni dopo espirazione massimale (1200 ml)
CFR = Capacità funzionale residua, volume presente nei VC
CFR
Inspirazione
VC
VRICFR = Capacità funzionale residua, volume presente nei polmoni alla fine di un’espirazione normale (VRE+VR)
CI = Capacità inspiratoria, massimo volume inspirato a partire dal volume di fine espirazione (VC+VRI)
CPT = Capacità polmonare totale, volume presente nei polmoni dopo inspirazione massimale (VC+CV)
CV = Capacità vitale, massimo volume espirato partendo da inspirazione massimale (VC+VRI+VRE)
VRE
VR
Espirazione
Volumecorrente
Volume di riserva
inspiratoria
Capacitàinspiratoria
Capacitàvitale
Capacità
Volume residuo
Fine normaleespirazione
Capacitàpolmonare totale
Volume di riserva
espiratoriaCapacitàfunzionaleresidua
La CFR non può essere misurata direttamente con la spirometria, che non permette la valutazione del VR.
Si usano metodi indiretti come il metodo della diluizione dell’elio o del lavaggio dell’azoto.
• Si riempie uno spirometro con un volume noto di una miscela di aria ed elio a concentrazione conosciuta. QE1 = C1*V1 V1 = volume dello spirometro
• Dopo un’espirazione normale il soggetto viene collegato allo spirometro e comincia a respirare la miscela che si mescola con l’aria rimasta nel polmone (CFR)polmone (CFR)
• L’elio si diluisce nella CFR che può essere valutata dal grado di diluizione dell’elio. Infatti:
QE2 = C2*V2 e V2 = V1 + CFR
All’equilibrio QE1 = QE2
C1*V1 = C2*(V1 + CFR)
CFR = (C1/C2 - 1). V1
Dalla CFR si può ricavare il VR (CFR-VRE)
Parte dell’aria inspirata non raggiunge gli alveoli ma rimane nelle vieaeree di conduzione. Il volume delle vie aeree di conduzione è definitoSPAZIO MORTO ANATOMICO ed è nell’adulto circa 150 ml.
MISURA DELLO SPAZIO MORTO ANATOMICO(Equazione di Bohr)
Il volume corrente espirato VE è formato dal volume dello spazio morto, VDe dallo spazio alveolare, VA VE = VD + VA
La quantità di CO2 espirata = quantità di CO2 che proviene dallo spaziomorto, (concentrazione CO2 uguale a quella dell’aria inspirata, FIco2) più laquantità di CO che proviene dagli alveoli (concentrazione CO alveolare,quantità di CO2 che proviene dagli alveoli (concentrazione CO2 alveolare,FAco2). Essendo la quantità di un gas = V x F:
VE FEco2 = VD FIco2 + VA FA co2 VE FEco2 = VA FAco2
VE FEco2 = FAco2 (VE - VD)
VD FAco2 - FEco2
VE FAco2=
sostituendo
VD
VE= 0.35Lo spazio morto è il 35% de volume espirato
Si definisce SPAZIO MORTO FISIOLOGICO l’insiemedello spazio morto anatomico e degli spazi alveolariche, per problemi di perfusione, non partecipano agliscambi.
Nel polmone normale il numero degli alveoli in cui gliscambi non avvengono è molto ridotto, quindi lo spazioscambi non avvengono è molto ridotto, quindi lo spaziomorto fisiologico , in un soggetto sano, corrispondeallo spazio morto anatomico.
Si definisce volume minuto o ventilazione polmonare ilvolume di aria in- ed espirato nell’unità di tempo.
V = Vc . Fr
Vc = 0.5 l, Fr = 14 respiri/min
V = 7 l/min
Quella parte del volume minuto che ventila gli alveoli è Quella parte del volume minuto che ventila gli alveoli è detta ventilazione alveolare, il resto, ventilazione dello spazio morto.
VA = (VC - VD) . Fr
In condizioni normali VD = 150 ml
VA = (500 - 150) . 14 = 4.9 l/min
Diagrammi flusso-volume durante larespirazione normale (1) e incondizioni di espirazioni forzate apartire dalla CPT con sforzi espiratoridiversi (2 e 3)
Durante le espirazioni forzate, il flussoaumenta rapidamente fino ad unmassimo, che dipende dallo sforzocompiuto ad elevati volumi, e poideclina per quasi tutta la durata
1
2
3
declina per quasi tutta la duratadell’espirazione e diventaindipendente dallo sforzo espiratorio(curva 2 sovrapposta alla 3)
L’indipendenza dallo sforzo è dovutaalla compressione dinamica delle vieaeree che comporta un aumento dellaR al flusso.
Nel soggetto sano la limitazione diflusso si osserva solo duranteespirazione forzata
Nelle patologie ostruttive (aumentata resistenza delle vie aeree, asma,enfisema, ecc.) il flusso massimo è minore perché R è maggiore, la partesforzo dipendente è alterata.
Nelle patologie restrittive (maggiore resistenza elastica, fibrosi ecc) il flusso èminore perché sono minori i volumi raggiunti, la parte sforzo dipendente dellacurva è normale.
In clinica, la valutazione delleresistenze delle vie aereeviene effettuata con il test dicapacità vitale forzata(espirazione forzata partendoda CPT)
Si valuta il FEV1 volume ariaespirata nel primo secondo eespirata nel primo secondo esi esprime come FEV1 / CV(indice di Tiffeneau), che nelsoggetto normale è 70-80%(70-80% del volume espiratoviene espulso nel primosecondo
Nelle patologie ostruttive ilrapporto FEV1 / FVC è < 80%
Nelle patologie restrittive, aumenta il lavoroelastico, il soggetto compensa riducendo ilvolume corrente ed aumentando lafrequenza respiratoria
Lav. Inspiratorio elastico
frequenza respiratoria
Nelle patologie ostruttive, il lavoro elastico ènormale, aumenta quello per vincere laresistenza delle vie aeree, l’espirazione èattiva con intervento della muscolaturaespiratoria. Il soggetto compensa aumentandoil volume corrente e riducendo la frequenzarespiratoria.