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ANATOMIA FUNZIONALE DELL’APPARATO RESPIRATORIO

Dott.ssa Cecilia Calabrese

La funzione principale dell’apparato respiratorio è rappresentata dallo

scambio dei gas

l’ossigeno passa dall’aria ambiente nel sangue venoso

l’anidride carbonicapassa dal sangue venoso all’aria ambiente.

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Apparato respiratorio

•Sistema di canalizzazione: movimento dell’aria di ventilazione

•Superficie respiratoria: scambi gassosi

Sistema di canalizzazione

• VIE AEREE EXTRAPOLMONARI (Vie aeree superiori)

• VIE AEREE INTRAPOLMONARI

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Falx cerebri

Sphenoidal sinus

Frontal sinus

Nasal cavitySuperiorand supreme

MiddleInferior

Nasal vestibule

Ostium of auditory tube

Oral cavity

Tongue

Epiglottis

Larynx

Vocal fold (cord)Trachea

Subclavian arteryand vein

Aorta

L. pulmonary artery

L. main bronchus

Lymph nodes

Pericardium

Sternum (cut away)

6th and 7th costal cartilages

Rectus abdominis muscle

Linea alba

Internal oblique muscle

External oblique muscle (cut away)

Pituitary gland

Pons

Dura mater

Medulla oblongata

Nasopharynx

Oropharynx

Laryngopharynx(hypopharynx)

Oesophagus

Cupula (dome) of pleura

Clavicle

1st rib

Subcostalparietal pleura

Mediastinalparietal pleura

Visceral pleuraover right lung

R. mainbronchus

R. pulmonaryartery

Hilus ofright lung

Pericardialmediastinal pleura

Substernal and subcostal parietal pleura

Diaphragmaticparietal pleura

Diaphragm

Nasalturbinates(conchae)

© Novartis

•Vie aeree extrapolmonari

• Naso• Faringe• Laringe• Trachea• Bronchi principali

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Funzioni vie aeree superiori

•Riscaldamento•Umidificazione•Depurazione•Fonazione•Olfatto

A livello della 4°-5° vertebra toracica la trachea si divide in due bronchiprincipali il bronco principale destro e sinistro.Il bronco principale destro ha un calibro maggiore ma una lunghezza minorerispetto al sinistro. Le differenze di calibro sono in rapporto al maggiorevolume e capacità respiratoria del polmone destro rispetto al sinistro che,perciò, è maggiormente ventilato.

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Cartilage

Segmentalbronchus

Largesubsegmentalbronchi(about 5generations)

Small bronchi(about 15generations)

Terminalbronchioles

Respiratorybronchioles(3 orders)

Alveolarducts andalveolar sacs

Lobu

le

Acinus

Acinus

Poresof Kohn

Alveolar sacsand alveoli

Alveolar ducts

3rd order

2nd order1st order

Respiratorybronchioles

AlveolusElastic fibresSmooth muscleTerminal bronchiole

Subdivisions and structure of intrapulmonary airways

© Novartis

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Intrapulmonary blood circulation

Terminal bronchiole

Pulmonary vein(to left heart)

Respiratorybronchioles

Capillary plexuson alveolus

Capillary plexuseson alveolar sacs(cut away in places)

Septum

Pleura

Pleura

Septum

Pulmonary vein(to left heart)

Bronchial artery(from left heart,via aorta)

Pulmonaryartery (from right heart)

© Novartis

SCAMBIO DEI GAS

ALVEOLI

po2 100 mmHg pCO2 40mmHg

Po2 40 mmHg pCO2 46 mmHg

SANGUE

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Anatomia apparato respiratorio

• Bronchi principali POLMONI• Bronchi lobari LOBI• Bronchi segmentali SEGMENTI• Bronchi lobulari LOBULI• Bronchioli terminali ACINI• Bronchioli respiratori• Condotti alveolari• Infundiboli o sacchi alveolari

PolmoniIl polmone ha la forma di un conocui sia stata asportata la paretemediale per mezzo di un taglioverticale.

Vi si distinguono:

•Una base o faccia diaframmatica

•Un apice

•Una faccia laterale o costo-

vertebrale

•Una faccia mediale o mediastinica

•Tre margini (anteriore, posteriore,

inferiore)

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Polmoni

La superficie del polmone è percorsa da SCISSURE che dividono l’organo in lobi.

• A DESTRA ne sono due:– PRINCIPALE o OBLIQUA– SECONDARIA o ORIZZONTALE

• A SINISTRA ve ne è una: – PRINCIPALE o OBLIQUA

La principale origina a livello dell’ilo supera la faccia costovertebrale, si dirige ibasso e anriormente fino a raggiungere la base

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La scissura principale attraversa la base fino a raggiungere la parte inferiore dell’ilo. La scissura orizzontale si stacca da quella principale a livello della quarta costa raggiunge l’ilo.

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Nel polmone esistono due sistemi vascolari:

sistema funzionale, quello dei vasi polmonari checostituiscono la piccola circolazione

sistema nutritizio, quello dei vasi bronchiali, che fa partedella grande circolazione. Tra i due sistemi si stabilisconodelle anastomosi

I lobi, i segmenti sono indipendenti non solo anatomicamentema anche funzionalmente. Infatti ognuno di essi ha unaventilazione ed una vascolarizzazione indipendenti. Ciòconsente l’asportazione, in condizioni patologiche, di partidel polmone meno estese, con il vantaggio di sacrificare alminimo il parenchima polmonare indenne.

Pleura

Fra le due pleure esiste unospazio, cavo pleurico, il quale,in condizioni fisiologiche, èvirtuale. In esso è presente unesile film di liquido fisiologicoche ne umetta la superficie eche adempie a due importantifunzioni:

• consente ai due polmoni discorrere agevolmente sullepareti della gabbia toracica

• stabilisce una adesione frapolmoni e parete interna dellagabbia toracica

La superficie esterna dei polmoni è ricoperta da una sierosa, la pleura viscerale, che dall’ilo dell’organo si ripiega sul mediastino, sulla superficie interna della gabbia toracica e sulla superficie superiore del diaframma costituendo la pleura parietale

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PleuraIl polmone e la gabbia toracica, ognuno tappezzatodalla propria pleura, grazie all’esile film liquido chebagna le loro superfici, si trovano in stretto contatto,nonostante che essi, per la loro elasticità, tendano adistaccarsi. Il polmone tende a retrarsi, cioè acollassare la gabbia toracica tende a dilatarsi.

Le forze elastiche della gabbia toracica e delpolmone, quindi, si estrinsecano in direzioneopposta: quelle della gabbia toracica verso l’esterno,mentre quelle del polmone verso l’interno. Dallagrandezza relativa di queste due forze dipendel’entità della pressione esistente nello spazio pleurico,denominata pressione intrapleurica.

VENTILAZIONE

• Il moto dell’aria attraverso l’apparato respiratorio siverifica secondo una legge fisica: il gas si sposta dalluogo a pressione maggiore verso il luogo apressione minore.

• In un atto respiratorio tranquillo circa 500 ml di ariaentrano nell’apparato respiratorio ed altrettanti neescono durante l’espirazione.

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INSPIRAZIONEIl DIAFRAMMA è Il più importante muscolo inspiratorio. E’innervato dal nervo frenico. Quando si contrae gli organicontenuti nell’addome sono spinti verso il basso e aumenta ildiametro verticale della gabbia toracica. Nel respiro normale illivello del diaframma si muove di circa 1 cm ma nell’inspirazioneed espirazione forzata si può avere una escursione totale di circa10 cm.I MUSCOLI INTERCOSTALI ESTERNI contraendosi spingono lecoste verso l’alto e in avanti causando un aumento dei diametrilaterali ed anteroposteriore del torace. I muscoli intercostalisono innervati dai nervi intercostali che nascono dal midollospinale allo stesso livello.

I muscoli accessori della inspirazione sono rappresentati daiMUSCOLI SCALENI che elevano le prime due coste e daiMUSCOLI STERNOCLEIDOMASTOIDEI che sollevano lo sterno.Durante la respirazione tranquilla c’è poca o nessuna attività diquesti muscoli che , invece, durante il lavoro muscolare possonocontrarsi vigorosamente.

ESPIRAZIONENella respirazione tranquilla l’espirazione è passiva.

Il polmone e la parete toracica sono elastici e tendono aritornare alla loro posizione di equilibrio dopo essere statiattivamente espansi durante l’inspirazione.

Durante il lavoro muscolare o l’iperventilazione volontarial’espirazione diventa attiva.

I principali muscoli della espirazione sono quelli della pareteaddominale (mm. retto dell’addome, obliqui interno edesterno e traverso dell’addome). Quando questi muscoli sicontraggono la pressione intraaddominale aumenta ed ildiaframma è spinto verso l’alto. I muscoli intercostali interniintervengono nell’espirazione attiva; essi spostano le costeverso il basso ed indietro diminuendo così il volume toracico.

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INSPIRAZIONEL’inspirazione è caratterizzata da un aumento della quantità di ariacontenuta nei polmoni. L’aumento della capacità della gabbia toracicadipende dall’aumento dei suoi diametri che dipende dalla contrazionedel diaframma e dei muscoli intercostali esterni.

L’aumento dei diametri della gabbia toracica determina unadiminuzione della pressione endopleurica: per la legge di Boyle se ilvolume aumenta, a temperatura costante, la pressione diminuisce.

Nell’inspirazione aumenta la negatività della pressione endopleuricache diventa circa 6 – 7 mmHg inferiore rispetto a quella atmosferica.Il polmone aderisce strettamente alla gabbia toracica e le variazionidella pressione intrapleurica si ripercuotono all’interno del polmone,modificando la pressione endopolmonare che diviene leggermentesubatmosferica circa 1–2 mmHg inferiore a quella dell’aria ambiente.

L’aria, quindi, passa dall’ambiente dentro i polmoni perché vi è ungradiente di pressione dall’esterno verso l’interno.

ESPIRAZIONENell’espirazione si verifica una diminuzione del volumedella gabbia toracica e, quindi, aumenta la pressione nelsuo interno.

Nella espirazione tranquilla la pressione endopleurica ècirca 3-4 mmHg inferiore rispetto a quella atmosferica ela pressione endopolmonare è, invece, circa 1 –2 mm Hgpiù alta rispetto a quella atmosferica. Nell’espirazione,quindi, l’aria è espulsa perché vi è un gradiente dipressione dall’interno verso l’esterno.

Alla fine dell’inspirazione e alla fine della espirazionequando l’aria non è in movimento la pressioneendopolmonare eguaglia quella atmosferica.

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ResistenzeI muscoli impiegati nella respirazione sono i responsabili del moto dell’ariaverso e dai polmoni e devono effettuare un lavoro per vincere le resistenzeopposte dall’apparato respiratorio. Queste resistenze sono essenzialmente didue tipi:•Resistenze non elastiche o viscose•Resistenze elastiche

1) Le resistenze non elastiche o viscose sono di due tipi:

•Resistenze dovute all’attrito interno delle molecole che costituiscono i polmonie la gabbia toracica

•Resistenze in rapporto al flusso dell’aria attraverso le vie aeree. La resistenzaal flusso è condizionata prevalentemente dal raggio delle vie aeree

legge di poiselle R= 8lr4;

è la viscosità del gas, l è la lunghezza e r è il raggio Se il raggio vienedimezzato la resistenza aumenta di 16 volte.

2) Le resistenze elastiche sono dovuta alla presenza nel polmone enella gabbia toracica di fibre elastiche

L’elasticità è una proprietà della materia in virtù della quale si ha ilritorno alla posizione di partenza dopo che essa è stata deformatada una forza esterna.

Un corpo perfettamente elastico obbedisce alla legge di Hookesecondo la quale l’allungamento di un corpo elastico èproporzionale alla entità della forza applicata.

Il tessuto polmonare contiene fibre elastiche che conferisconoelasticità all’organo.

L’elasticità del polmone è dovuta, inoltre, alla tensione superficialeesercitata dal film liquido che bagna la superficie interna deglialveoli. Essa si genera perché le forze tra le molecole di liquidosono molto più forti di quelle tra il liquido ed il gas con il risultatoche l’area della superficie liquida diviene la più piccola possibile.

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Anche la gabbia toracica presenta una certa elasticità.L’entità della deformazione del polmone e della gabbia toracica, quando l’aria penetra nell’apparato respiratorio, dipende dalla forza esterna applicata (contrazione muscolare): quanto maggiore è questa tanto più grande sarà la modificazione del volume del polmone e della gabbia toracica. Il diagramma pressione/volume del polmone può essere calcolato nel soggetto vivente.

La compliance esprime la distensibilita delsistema. La compliance è inversamentecorrelata alle proprietà elastiche (elastanza)dei polmoni e della parete toracicaLa curva pressione/volume o curva dicompliance polmonare ha forma sigmoidale.La relazione non è perfettamente linearepoiché il polmone non è un organoperfettamente elastico.La pendenza della curva è la compliancepolmonare che rappresenta la variazione divolume per variazione unitaria di pressione edè un indice della distensibilità del polmone. Ilvalore normale è di 0.15 L/cm H2O.

Vie Aeree SuperioriL’aria per passare dall’ambiente che ci circonda agli alveoli deve attraversarediverse formazioni: naso, faringe, laringe, trachea, bronchi (principali, lobari,segmentari, sub-segmentari, bronchioli, bronchioli terminali)

Tutti questi condotti rappresentano le vie aeree superiori e rappresentano lospazio morto anatomico (circa 150 ml) così definito perché non partecipaagli scambi gassosi veri e propri.

Si usa distinguere uno spazio morto anatomico ed uno fisiologico.Lo spazio morto anatomico è rappresentato dalle cavità dell’apparatorespiratorio che non contengono alveoli;Lo spazio morto fisiologico è rappresentato dal reale volume di gas che nonsi mette in equilibrio con il sangue.

In condizioni fisiologiche nelle quali tutti gli alveoli partecipano allo scambio deigas, lo spazio morto anatomico deve corrispondere a quello fisiologico; puòverificarsi il caso in cui lo spazio morto fisiologico sia maggiore di quelloanatomico ad es. nel caso in cui una parte del polmone sia sottratta al normalefunzionamento a causa di un processo patologico.

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Scambi gassosi

In ogni atto respiratorio tranquillo circa 500 ml di aria entrano ed altrettantiescono dall’apparato respiratorio.

La frequenza respiratoria è di circa15 atti respiratori/minuto.

Il volume totale di aria che ventila i polmoni è 500 X 15 = 7.500 ml/min.

Questo rappresenta il volume minuto o ventilazione totale.

Tuttavia non tutta l’aria che entra nell’apparato respiratorio raggiunge ilcompartimento alveolare dove avviene lo scambio dei gas.

Di ogni 500 ml di aria inspirata circa 150 ml vanno a riempire le vie aereesuperiori, cioè lo spazio morto anatomico;

I rimanenti 350 ml penetrano nei polmoni e prendono parte agli scambi gassositra alveoli e capillari polmonari. Quindi il volume di gas che entra nella zonarespiratoria in ciascun minuto è 350 x 15 = 5.250 ml/min. Questa vienechiamata ventilazione alveolare

Ossigeno: 20.9%Azoto: 79 %Anidride carbonica (CO2): 0.03%

La PO2 nell’aria inspirata è il 20.93% della pressione totale(escluso il vapore acqueo). A livello del mare la pressionebarometrica è 760 mmHg e la pressione del vapore acqueo è 47mmHg. Così la PO2 dell’aria inspirata è 20.93/100 x (760-47) edè circa 150 mmHg. Quando l’ossigeno raggiunge gli alveoli laPo2 è caduta di un terzo ed è di soli 100 mmHg. Nell’ariaalveolare la PCO2 è di 40 mmHg.

Nel sangue venoso che perviene ai capillari polmonari lapressione parziale di ossigeno Pa02 è di 40 mmHg, mentre lapressione parziale di anidride carbonica è 46 mmHg.

Composizione dell’aria

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O2

Area

CO2

Spessore

P1

P2A x D x (P1 – P2)

SVgas =

D ∞solubilità

√ PM

Diffusione dei gas

Legge di Fick

PAO2= 100 mmHg PaO2= 40 mmHg

PaCO2= 46 mmHgPaCO2= 40 mmHg

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La legge di Fick sulle diffusione stabilisce che la quantità di gasche si muove attraverso una lamina di tessuto è proporzionaleall’aria del tessuto e alla differenza di pressione parziale del gastra i suoi due lati ed inversamente proporzionale allo spessore deltessuto.

L’area della barriera sangue-gas nel polmone è enorme (circa 50-100 metri quadrati) e lo spessore è meno di ½ micron e così ledimensioni della barriera sono ideali per la diffusione.

Inoltre, la velocità di trasferimento è proporzionale ad unacostante di diffusione che dipende dalle proprietà del tessuto e delgas specifico. La costante è proporzionale alla solubilità del gas.

L’anidride carbonica ha una solubilità molto più alta dell’ossigenocon un peso molecolare non molto diverso e per questo diffondecirca 20 volte più dell’ossigeno.

Trasporto dei gas alla periferia

L’ossigeno viene trasportato nel sangue in due forme: discioltoed in combinazione con l’ossiemoglobina.

O2 discioltoSecondo la legge di Henry la quantità di ossigeno disciolta èproporzionale alla pressione parziale del gas. Per ogni mmHg diPO2 c’è 0.003 ml di O2/100 ml di sangue.

Così il sangue arterioso con una pressione parziale di O2di 100 mmHg contiene 0.3 ml di O2 disciolto/100 ml disangue.

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OSSIGENO LEGATO ALL’EMOGLOBINA

Emoglobina è una proteina coniugata. L’eme è un composto ferro-porfirina ed è legato alla proteina globina che consiste di quattro catene polipeptidiche. Le catene sono di due tipi e e differenze nella loro sequenza aminoacidicadanno luogo a vari tipi di emoglobina umana. L’emoglobina degli adulti normali è conosciuta come emoglobina A. L’emoglobina F (fetale) forma parte dell’emoglobina del neonato e viene gradualmente rimpiazzata nel corso del primo anno di vita. L’ossigeno forma una combinazione

facilmente reversibile con l’emoglobina (Hb)per dare ossiemoglobina.Come si nota dalla curva di dissociazione laquantità di ossigeno combinata conl’emoglobina aumenta rapidamente fino aduna pO2 di circa 50 mmHg, ma a pO2ancora più alte la curva diviene molto piùpiatta.Un grammo di Hb può combinarsi con 1.39ml di O2 e poichè il sangue possiede circa15 gr di Hb/100ml di sangue la capacita diO2 è circa 20.8 ml di O2/100 ml di sangue

Le prove di funzionalità respiratoria

• La Ventilazione: – Prove di Funzionalità Ventilatoria

• Gli scambi gassosi:– Test della Diffusione del CO– Emogasanalisi arteriosa

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Prove di funzionalità ventilatoria: SPIROMETRIA

• La spirometria consente la misurazione dei volumi edelle capacità polmonari (somma di più volumi).

• I volumi polmonari possono essere distinti in:

– volumi statici la cui misura non è dipendente daltempo

– volumi dinamici la cui misura è funzione del tempo

SPIROMETRIA

• I volumi polmonari, in condizionifisiologiche, variano, in ciascun individuo,in rapporto ad alcuni parametri: età,sesso, peso, altezza e razza. Pertanto,oltre che in valore assoluto, i volumi e iflussi polmonari sono espressi comepercentuale (%) del valore predetto perquella data persona.

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Test di funzionalità respiratoriaLa Ventilazione

Prove di Funzionalità Ventilatoria

• Volumi polmonari statici

• Volumi polmonari dinamici • Test di espirazione forzata

• Test di reversibilità

• Test di iperreattività bronchiale

Prove di funzionalità respiratoria:Principali indicazioni

• Diagnosi di patologie polmonari (segni, sintomi,esami di laboratorio o esami strumentali alterati)

• Valutazione della gravità o progressione dellapatologia (BPCO, fibrosi cistica, patologiepolmonari interstiziali, scompenso cardiaco,patologie neuromuscolari)

• Valutazione del rischio preoperatorio

• Valutazione del grado di invalidità a finiassicurativi

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Prove di funzionalità respiratoria:Principali controindicazioni

• Emottisi

• PNX

• Recente intervento addominale/toracico

• Trauma toracico

• Recente intervento agli occhi

• IMA (entro tre mesi) o angina instabile

• Aneurisma toracico

Gli spirometri a campana osoffietto misurano lospostamento dei volumi diaria mobilizzabili attraversoil movimento di unacampana il cui bordoinferiore è immersonell’acqua (spirometri acampana) o di un mantice asecco (spirometri a secco).

Volumi polmonari staticiStrumentazione

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Gli spirometri a flusso (pneumotacografo espirometro a turbina, flussimetro ad ultrasuoni,flussimetro di massa) misurano i flussi nel tempodai quali sono derivati i volumi.

Pneumotacografo Spirometro a turbina

Volumi polmonari staticiStrumentazione

Volumi polmonari staticiMisurazione

Il paziente viene posto all’interno diuna cabina pressurizzata a Tcostante.

Si misurano le variazioni di P della cabina durante gli atti respiratori.Applicando la legge di Boyle si può ricavare il volume polmonare:P X V = (P ± DP) x (V ± DV)

V = (P ± DP) x DVDP

Pletismografia corporea

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Lo spirometroSpirometro a campana

CV

VRI

VRE

VC

Registra le variazioni del volume

polmonare nel tempo durante la

respirazione tranquilla e forzata.

volume corrente (VC): volume di gasinspirato ed espirato durante ciascun attorespiratorio (circa 500 ml)volume di riserva inspiratoria (VRI):massima quantità di gas che può essereinspirata al termine di un'inspirazionenormale.volume di riserva espiratoria (VRE):massima quantità di gas che può essereespirata al termine di un'espirazionenormale.capacità vitale (CV): quantità di gas chepuò essere espulsa dai polmoni dopoun'inspirazione massima (CV = VRI + VC +VRE).volume residuo (VR): quantità di gas cherimane nei polmoni al termine diun'espirazione.capacità polmonare totale (CPT)::quantità di gas contenuta nei polmoni altermine di un'inspirazione massima (CPT =VRI + VC + VRE + VR).

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Volumi e Capacità Polmonari

VR

CI

CPT

CFR

CV

VRE

VC

VRI

•VOLUME CORRENTE (VC): volume d’aria mobilizzato ad ogni respiro tranquillo

•VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA (VRI): volume d’aria mobilizzabile al di sopra di un VC.

•VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA (VRE): volume d’aria mobilizzabile al di sotto di un VC.

VOLUME RESIDUO (VR): volume d’aria presente nel polmone al termine di una espirazione massimale.

Volumi Polmonari Dinamici: Tracciato Volume-TempoQuesta curva riflette la capacità di svuotamento rapido dei polmoni sotto lo sforzo massimale dei muscoli respiratori.Nel momento di massima inspirazione si fa eseguire una espirazione forzata e vengono misurati:

Il volume espiratorio forzato in 1secondo (FEV1) che rappresenta ilvolume di aria espirata durante il primosecondo di un'espirazione forzata. E’ unindice diretto della pervietà dei bronchi.

La capacità vitale forzata (CVF)volume totale d'aria espirata forzatamentedopo un'inspirazione massimale.

L'indice di Tiffeneau (rapporto FEV1/FVCx 100).Nel soggetto normale è pari circa al75%; cioè il soggetto normale può espirarenel primo secondo circa il 75% della suacapacità vitale

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VOLUMI POLMONARI DINAMICI

Curva flusso-volumeCurva flusso-volume normale

E’ possibile rappresentare lamanovra di espirazione forzata conuna curva flusso-volume: ad ognimomento si riportano il flussoistantaneo ed il volumecorrispondente

Nella fase espiratoria la velocità diflusso aumenta fino al limite massimodella curva, ma non oltre per ilfenomeno della compressionedinamica delle vie aeree.

La parte di curva a sinistra della rigaè sforzo dipendente; quella a destrasforzo indipendente (dipende dalleproprietà intrinseche del polmone)

V

.V

2 4 6 8

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• Sindromi Ostruttive

• Sindromi Restrittive

• Sindromi Miste

SINDROMI DISVENTILATORIE

Deficit Ventilatorio Restrittivo

La sindrome disventilatoria restrittiva è caratterizzata

da una riduzione o da una limitazione della quantità di

aria che può essere contenuta nei polmoni (CPT).

Essa è dovuta alla compromissione di strutture

costituenti la parete toracica di grado tale da limitarne

la capienza e la mobilità, oppure consegue alla perdita

di volume o all’incremento delle proprietà elastiche del

parenchima polmonare.

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Deficit restriitiviSi verificano nelle patologie in cui è compromessa l’espansionedel polmone o vi è decurtazione del parenchima polmonarefunzionante per patologie:

• dell’apparato neuromuscolare(distrofie muscolari, poliomielite,miastenia etc.)

• della gabbia toracica (scoliosi, spondilite anchilosante etc.)• della pleura (pneumotorace, versamenti pleurici, fibrosi

pleurica)• del parenchima polmonare (interstiziopatie e fibrosi polmonari,

amputazioni chirurgiche di parenchima polmonare)

Nelle sindromi resrittive si verifica una riduzione parallela econsensuale di tutti gli indici volumetrici statici e dinamicimentre i flussi rapportati ai volumi sono normali oppureaumentati.

Deficit Ventilatorio Restrittivo

• di tipo parietale

• da patologie pleuriche (pnx, emotorace, versamento, fibrotorace)

• da patologie della parete toracica (esiti di traumi, ustioni,

malattie neuro-muscolari, cifoscoliosi, spondilite)

• da cause extratoraciche (ascite, peritonite, obesità, gravidanza)

• di tipo parenchimale

• da patologie interstiziali (fibrosi, edema)

• da addensamento parenchimale

• da patologie occupanti spazio (cisti, tumori)

• da perdita di tessuto

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CI

CPT

CFR

CV

VRI

VC

VRE

VR

CV

CI

CFR

CPT

VRI

VC

VRE

VR

normale restrizione

Un deficit restrittivo è presente quando la volumetria polmonare è inferiore all’80% delvalore normale predetto. È caratterizzato da una riduzione della CPT ed i volumipolmonari tendono ad essere ridotti in modo simmetrico. Un pattern restrittivo puòessere uniforme quando tutti i volumi e capacità sono ridotti nella stessa misura, oselettivo quando la riduzione interessa solo alcuni volumi (CFR e ERV con CVI normale)come nell’obesità, ascite e gravidanza.

FEV1

80%

NORMALE

VR

Vol

ume

polm

onar

e (L

)

FEV1

> 80%

VR

1 sec

1 sec

RESTRIZIONE10

8

6

4

2

0

Il tracciato spirometrico evidenzia come tutti i volumi statici e dinamici siano ridotti in modo proporzionale. La CVF risulta pertanto diminuita a causa della scarsa possibilità di espansione del polmone o della parete toracica, ed il fev1 si mostra generalmente ridotto in maniera proporzionale in quanto le resistenze delle vie aeree sono normali. L’indice di Tiffenau risulta pertanto normale o aumentato.La CPT si mostra ridotta per decremento sia della CV che del VR, si che il rapporto VR/CPT% si mantiene per lo più nei limiti della norma.

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VOLUME (L)

FLUSSO (L/SEC)

CPT

0 2 4 6 8

12

10

8

6

4

2

PEF

MEF 50

MEF 25

Deficit Ventilatorio RestrittivoLa curva flusso-volume dimostra una riduzione dei flussi espiratori. Ciò è da attribuire non ad ostruzione delle vie aeree, ma alla riduzione dei volumi polmonari in termini assoluti.

Basata sulla CPT: Se la CPT non è stata misurata si considera la riduzione della CV e si parla di “restrizione dell’escursione volumetrica dei polmoni”

LIEVE:

CPT < predetto ma > 70%

LIEVE:

CV < predetto ma > 70%

MODERATA:

CPT 60-70% predetto

MODERATA: CV 60-70% predetto

MODERATAMENTE GRAVE:

CPT < 60% predetto

MODERATAMENTE GRAVE:

CV 50-60% predetto

GRAVE:

CV 50-34% predetto

MOLTO GRAVE:

CV < 34% predetto

American Thoracic Society. 1991. Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. Am. Rev. Respir. Dis. 144:1202-1218.

Classificazione di gravità Deficit di tipo restrittivo

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Deficit Ventilatorio Ostruttivo

La sindrome disventilatoria ostruttiva è caratterizzata da una

riduzione dei flussi espiratori conseguente al restringimento

delle vie aeree.

La limitazione al flusso può realizzarsi non solo per fenomeni

ostruttivi con aumento delle resistenze delle vie aeree ma

anche per diminuzione della pressione di spinta (trazione

elastica del polmone).

La limitazione delle vie aeree al flusso, in ragione dei diversi

meccanismi fisiopatologici, può generare differenti quadri

funzionali ostruttivi.

Deficit ventilatori ostruttiviNelle sindromi ostruttive l’aumento della resistenza alflusso aereo può essere dovuto a:

• Fattori endoluminali: eccesso di secrezioni, corpi estranei,neoplasie aggettanti nel lume

• Fattori relativi alla parete delle vie aeree: contrazione dellamuscolatura liscia, ipertrofia ghiandolare, flogosi ededema delle pareti

• Fattori peribronchiali: distruzione del parenchimapolmonare con perdita della trazione radiale, compressioneda parte di linfonodi o masse neoplastiche

E’ caratterizzata dalla riduzione dell’indice di Tiffenau(FEV1/CV). La gravità dell’ostruzione bronchiale vienevalutata in base all’entità della riduzione del FEV1.

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Deficit Ventilatorio Ostruttivo

• Vie aeree superiori

• tumori (faringe, laringe), edema, infezioni

• corpi estranei

• tumori, collasso, stenosi della trachea

• Vie aeree inferiori

• bronchite, bronchiolite

• bronchiectasie

• asma bronchiale

• Parenchima polmonare

• enfisema polmonare

CI

CPT

CFR

CV

VRI

VC

VRE

VR

CI

CFR

CPT

CV

VRI

VC

VRE

VR

normale ostruzione

Deficit Ventilatorio Ostruttivo

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Spirometria: normale e deficit ostruttivoCurva Volume / Tempo

5

0

1

2

3

4

1 2 3 4 5 6

FVC

FVC

Deficit ostruttivo

NORMALE

secondi

Litri

FEV1

80%

NORMALE

VR

Vol

ume

polm

onar

e (L

) FEV1

30%

VR

1 sec

OSTRUZIONE10

8

6

4

2

0

Deficit Ventilatorio Ostruttivo

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VOLUME (L)

FLUSSO (L/SEC)

CPT

0 2 4 6 8

12

10

8

6

4

2

Deficit Ventilatorio Ostruttivo

VOLUME (L)

FLUSSO (L/SEC)

CPT

0 2 4 6 8

12

10

8

6

4

2

PEF NFEV1 NFVC NMEF25

Negli stadi precoci delle malattie bronchiali ostruttive (in fase preclinica)ed anche nei fumatori asintomatici le alterazioni interessanoprincipalmente le piccole vie aeree e la riduzione dei flussi espiratori èevidente soprattutto ai bassi volumi polmonari.

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VOLUME (L)

FLUSSO (L/SEC)

CPT

0 2 4 6 8

12

10

8

6

4

2

PEFFEV1

FVCNFEV1/FVCMEF50

MEF25

Con gradi maggiori di ostruzione, la limitazione al flusso di aria lungo le vie aeree è evidenziabile a volumi sempre maggiori.C’è una progressiva riduzione del PEF è compare nell’analisi morfologica della curva unaconcavità della fase espiratoria indicativa di bassi flussi a bassi volumi.Anche il FEV1 si riduce progressivamente, di solito senza cambiamenti di FVC. Come risultato si assiste ad una riduzione del rapporto FEV1/FVC anomalia classica delle condizioni ostruttive di cui è indice molto importante.

VOLUME (L)

FLUSSO (L/SEC)

CPT

0 2 4 6 8

12

10

8

6

4

2

PEFFEV1

FVCFEV1/FVCMEF50

MEF25

Per gradi di ostruzione ancora crescenti, oltre ad un’ulteriore alterazione degliindici già citati, si assiste anche ad una riduzione della FVC (indice indiretto di airtrapping). Il Tiffenau ridotto distingue le forme ostruttive da quelle restrittive.

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POTREBBE ESSERE UNA VARIANTE FISIOLOGICA

VEMS > 100% predetto

LIEVE: VEMS < 100 e > 70%

MODERATA: VEMS < 70 e > 60% predetto

MODERATAMENTE GRAVE: VEMS < 60 e > 50% predetto

GRAVE VEMS < 50 e > 34% predetto

MOLTO GRAVE VEMS < 34% predetto

Classificazione di gravitàDeficit di tipo ostruttivo

American Thoracic Society. 1991. Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. Am. Rev. Respir. Dis. 144:1202-1218.

Con VEMS/CV < del predetto

Curva flusso volume

V

2 4 6

Deficit ostruttivo

Normale

Armonica riduzione dei volumi polmonari, aumentate pressioni di ritorno elastico, velocità di flusso ridotte e normale calibro delle vie aeree

.V

8

Deficit restrittivo

riduzione dei flussi a tutti i volumi polmonari espiratori con riduzione del PEF e concavità verso l’alto della curva espiratoria (freccia)

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Test di espirazione forzataInterpretazione

RapportoVEMS/CVF %

VEMS

CVF

Indici FunzionaliInsufficienza ventilatoria

di tipo restrittivo

Diminuita

Diminuito in modo

proporzionale

alla CVF

Normale Diminuito

Normale o diminuita

Insufficienza

ventilatoria

di tipo ostruttivo

Diminuito più della CVF

Volumi polmonari statici Interpretazione

RapportoVR/CPT %

CPT

VR

Indici FunzionaliInsufficienza ventilatoria

di tipo restrittivo

Diminuito

Diminuito in modo

proporzionale

alla VR

Normale Aumentato

Aumentato

Insufficienza

ventilatoria

di tipo ostruttivo

Normale o lievemente aumentato

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NORMALE

Esempio di interpretazione di spirometria n. 1

Esempio di interpretazione di spirometria

SINDROMEOSTRUTTIVA

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Esempio di interpretazione di spirometria n. 3

SINDROMERESTRITTIVA

Si effettua in soggetti con ostruzione bronchiale accertata mediante esame

spirometrico, somministrando un farmaco broncodilatatore 2-agonista a breve

durata di azione (es.: 400 g di salbutamolo) e si ripete la prova di

espirazione forzata dopo 15-20 minuti.

Test di broncodilatazione o reversibilità

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Test di broncodilatazione o reversibilità

PRE-2-SHORT ACTINGInsufficienza Ventilatoria di tipo ostruttivo

POST- SHORT ACTINGSe dopo somministrazione di 2-agonista ilVEMS è aumentato del 12% e di 200 mlrispetto al valore basale: INSUFFICIENZAVENTILATORIA DI TIPO OSTRUTTIVOREVERSIBILE

Se VEMS torna a valori normali (>80% del predetto): INSUFFICIENZA VENTILATORIA DI TIPO OSTRUTTIVOCOMPLETAMENTE REVERSIBILE (tipico dell’asma)

2 4 6 8V

Valutazione della reversibilità

dell’ostruzione .

V

Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 1991; 144: 1202-18

Esempio di interpretazione di spirometria n. 2b

OSTRUZIONE BRONCHIALE PARZIALMENTE REVERSIBILE

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SPIROMETRIA SEMPLICE

Flow chart per l’interpretazione delle prove spirometriche

normale

FEV1/FVC < 70 - FVC > 85% FEV1/FVC > 70 - FVC < 85%teor

Eseguire test con broncodilatatore

FEV1/FVC < 70

Probabile BPCO

FEV1/FVC > 70

Probabile ASMA BRONCHIALE

VALUTARE PER ASMA BRONCHIALE O ALTRE

PATOLOGIE

Eseguire misura VR e CPT

CPT > 90% CPT < 90%

Sindrome restrittiva

FEV1/FVC < 70 - FVC < 85%

Il test consiste nel far inalare per 2 minuti al soggetto per via aerosolica durante ventilazione a VC un agente broncocostrittore (metacolina, istamina, soluzioni iperosmolari) raddoppiando le concentrazioni (0.03 - 0.0625 - 0.125 - 0.25 - 0.5 –1 – 2 – 4 – 8 – 16 mg/ml) ogni 5 minuti.

Dopo circa 30 e 90 secondi si esegue una spirometria per il calcolo del VEMS.

Si considera significativa una caduta del VEMS > 20%.

Guidelines for Methacoline and Exercise Challenge Testing-1999. American Thoracic Society.Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: 309-329

Test di provocazione bronchiale

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Nel pannello di sinistra è raffigurata la curva dose-risposta del test alla metacolina in un soggetto normalee, nel pannello di destra, quella di un soggetto conasma.

40 120 240 400 800 1600 3200Dose (µg di metacolina)

10

20

30

40

50

60

70ΔFEV1% PD15FEV1= 31 µg

PD20FEV1= 49 µgPD30FEV1= 92 µg

40 120 240 400 800 1600 3200Dose (µg di metacolina)

10

20

30

40

50

60

70ΔFEV1% PD15FEV1= 1699 µg

PD20FEV1= 2223 µg

Iperreattivita’ bronchialeCurve dose-risposta alla

metacolina

Esistono delle controindicazioni assolute(VEMS < 50% del predetto o < 1 L; IMA nei 3mesi precedenti; ipertensione noncontrollata; aneurisma aortico noto) erelative (VEMS < 60 % del predetto o < 1.5 LL’incapacità di effettuare una manovracorretta; gravidanza; allattamento; terapiecon inibitori delle colinesterasi)

Guidelines for Methacoline and Exercise Challenge Testing-1999. American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: 309-329

Test di provocazione bronchiale

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PC 20 FEV1 (mg/ml): concentrazione provocativa

PD 20 FEV1 (mcg):

dose provocativa

NORMALE: > 16 mg/ml NORMALE: > 1600 mcg

BORDERLINE: 4-16 mg/ml LIEVE: 400-1600 mcg

LIEVE (test positivo): 1-4 mg/ml MODERATO: 100-400 mcg

MODERATO-GRAVE: < 1 mg/ml GRAVE: 50-100 mcg

Guidelines for Methacoline and Exercise Challenge Testing-1999. American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: 309-329

Classificazione del test di provocazione bronchiale

• molto sensibile (se negativa

escludo asma)

• poco specifica (responsività

bronchiale può essere presente

anche in BPCO, scompenso

cardiaco, fibrosi cistica, rinite

allergica)

Test di provocazione bronchiale

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Test di funzionalità polmonare

Gli scambi gassosi:

Diffusione

• Metodo del respiro singolo

Emogasanalisi arteriosa

Il processo di diffusione dell’O2 e della CO2 dall’ambiente alveolare al sangue

capillare e viceversa si sviluppa attraverso la membrana alveolo-

capillare. I test di diffusione valutano l’integrità di tale membrana.

Lo scambio dei gas attraverso tale barriera avviene tramite il meccanismo

della diffusione passiva.

Capacità di diffusione

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La capacità di diffusione (DL) attraverso i tessuti è descrittadalla legge di Fick che indica la quantità di gas che passala membrana nell’unità di tempo:

Vol. gas = A/T x ∆p x D

- direttamente proporzionale alla superficie di scambio,cioè alla superficie del letto capillare (A) in contatto congli alveoli (portata ematica e contenuto in Hb), allacostante di diffusione del gas (D), ed alla differenza dipressione parziale del gas (∆p) tra i due lati dellamembrana.

- inversamente proporzionale allo spessore dellamembrana (T).

Capacità di diffusioneLegge di Fick

La DL viene valutata generalmente impiegandomonossido di carbonio (CO), dotato di altissimaaffinità per l’Hb (DLCO) e non è presentenell’atmosfera e quindi nel sangue

Il test di diffusione del monossido di carbonioviene effettuato facendo inalare al soggetto unamiscela con CO a bassissime concentrazioni(0.3%) ed elio (He)* ad una concentrazione del10% mediante respiro singolo.

Capacità di diffusioneMetodo del respiro singolo

* Misura simultanea del volume alveolare

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Test del singolo respiro

Valuta la quantità di CO che attraversa labarriera alveolo-capillare durante un periododi apnea di 10” a CPT.Il soggetto compie 4-5 atti respiratori a VC.Raggiunge il VR tramite un’espirazioneforzata.

Compie un’inspirazione forzata fino a CPT(dopo aver collegato la sorgente del gas testallo spirometro) che il soggetto mantiene per9-11” dopo i quali segue un’espirazioneforzata.

Al termine dell’apnea si invita il soggetto acompiere un’espirazione forzata.

Dal volume di aria espirato vengono tolti iprimi 750 ml (spazio morto anatomico emeccanico) e si analizza il successivo litro(rappresentativo del gas alveolare).

He 10%

CO 0.3%

Spazio

morto

Campione alveolare

Pco

alveolare

Capacità di diffusioneMisurazione della Capacità di

diffusione

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Capacità di diffusioneProcessi associati nella variazione nella

DLCO

Incremento DLCO:• Policitemia

• Emorragia polmonare

• Patologie associate ad aumentatoflusso ematico (Shunt sn-ds)

• Esercizio fisico

• Postura (aumento dal 5-30% nelpassaggio da seduto a supino)

Riduzione DLCO:

• Patologie ostruttive

• Patologie restrittive

• Malattie sistemiche a coinvolgimento polmonare

• Patologie cardiovascolari

• Altre: anemia, IRC, dialisi, fumo di marjuana, ingestione acuta e cronica di etanolo, cocaina, fumo di sigaretta, BOOP.

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<40% del predettoRiduzione severa

41-60% del predettoRiduzione moderata

61-75% del predettoRiduzione lieve

76-80% del predettoLimiti inferiori della norma

81-140% del predettoNormale

>140% del predettoAumentato

Classificazione di gravità delle alterazioni della DLCO

DLCO/Va = KCO

• La DLCO si riduce con perdite effettive di volume (Va).

• La specificità aumenta se si considerano sia la DLCO che l’ indice di membrana KCO (KCO = DLCO/Va) che rappresenta la parte di CO assorbita per litro di effettivo volume alveolare.

• Usato soprattutto per lo studio delle malattie interstiziali polmonari.

• Nei quadri restrittivi extrapolmonari (malattia della pleura, anomalie della cassa toracica e malattie neuromuscolari) il KCO tende ad essere aumentato.

Capacità di diffusione

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Test di funzionalità polmonare

Gli scambi gassosi:

Diffusione

• Metodo del respiro singolo

Emogasanalisi arteriosa

• pH 7,40 (7,37-7,42)• Pa02 80 - 100 mmHg• PaC02 35 - 45 mmHg• HC03- 22 - 26 mEq/L• BE -1 / +1

Emogasanalisi arteriosaValori di normalità

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Curva di dissociazione dell’Hb

Dato che una riduzione della pO2 comporta una riduzione della Saturazione dell’Hb perl’O2 la misura della SatHbO2 può essere usata come metodo alternativo non invasivo xvalutare anomalie dell’ossigenazione. ATTENZIONE perché è indice poco sensibile avariazioni di pO2 finché essa non scende sotto 65mmHg dato che relazione pO2 eSatHbO2 non è lineare; poi non da informazioni della pCO2. Correlazione tra misurespirometriche e gas ematici è debole ma è rara ipossiemia o ipercapnia se VEMS > 1 L.

Le prove di funzionalità respiratoria

• La Ventilazione: – Prove di Funzionalità Ventilatoria

– Test di performance dei muscoli respiratori

• Gli scambi gassosi:– Test della Diffusione del CO

– Emogasanalisi arteriosa

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