Fisiologia respiratoria-generalità-

ventilazione

Fisiologia Generale C. Capelli 2019-2020

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Obiettivi 1.0 Il sistema respiratorio 2.0 Organizzazione del sistema

respiratorio 2.1 Vie respiratorie 2.2 La zona di conduzione 2.3 Zona respiratoria: gli alveoli 2.4 Relazione dei polmoni con la parete

toracica 3.0 Nozioni di fisica dei gas-equazione di

stato e legge di Avogadro 3.1 Nozioni di Fisica dei Gas Legge di

Dalton 3.2 Tensione di vapore d’acqua 3.3 Correzione dei Volumi di Gas 3.4 Nozioni di fisica dei gas-Legge di

Henry 3.5 Solubilità dei gas di interesse

respiratorio

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3.6 Nozioni di fisica dei gas-Legge di Fick

3.7 Legge di Fick applicata ai gas 4.0 Composizione dell‘aria ambiente 5.0 Esempi 6.0 Muscoli respiratori 7.0 Ventilazione 7.1 Ventilazione-aspetti quantitativi 8.0 Misura dei volumi polmonari

accessibili 8.1 Determinazione el volume residuo

(FRC) 9.0 Ventilazione totale (V’E) e alveolare

(V’A) 9.1 Ventilazione alveolare e gas alveolari 10.0 Spazio morto fisiologico 10.1 Spazio morto anatomico 11.0 Distribuzione regionale della

ventilazione

1.0 Il sistema respiratorio

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•  La funzione principale del sistema respiratorio è quella di fornire ossigeno (O2) ai tessuti del corpo e smaltire l'anidride carbonica (CO2) generata dal metabolismo cellulare.

•  La respirazione è composta da 4 processi:

•  Ventilazione polmonare (respirazione, trasporto di massa dei gas)

•  Diffusione alveolo-capillare (diffusione di O2 dai polmoni nel sangue e di CO2 dal sangue ai polmoni)

•  Trasporto dei gas respiratori nel sangue (circolazione, trasporto di massa dei gas)

•  Diffusione dai capillari alle cellule e respirazione interna (diffusione dei gas ai/dai tessuti utilizzo di O2 e produzione di CO2 nel metabolismo ossidativo dei substrati per produrre ATP)

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2.0 Organizzaione del sistema respiratorio

•  Alveolo: unità funzionale dei polmoni

2.1 Vie respiratorie

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•  23 Generazioni: •  Generazione 0: trachea •  Generazioni 1-4: bronchi principali, lobari e

segmentali •  Generazioni 5-11: piccoli bronchi •  Generazioni 12-14: bronchioli •  Generazioni15 – 18: bronchioli respiratori •  Generazioni 19-22: dotti alveolari •  Generazione 23: sacchi alveolari

•  Acino alveolare: zona che include i bronchioli respiratori, i dotti alveolari e i sacchi alveolari

•  Zona di conduzione: spazio morto anatomico

2.1 Vie respiratorie

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•  Zona di conduzione: spazio morto anatomico •  La velocità diminuisce con l’aumento della STT •  Nell’aria di transizione, prima di quella alveolare,

le particelle più piccole si depositano •  In questa zona dei piccoli bronchioli inizia

l’infiammazione •  Zona respiratoria-alveolare: scambi gassosi: in

questa zona si ha solo diffusione

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2.2 La zona di conduzione

2.3 Zona respiratoria: gli alveoli

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•  270-700 milioni di alveoli: minuscole (diametro 0.2 mm) sacche cave le cui estremità aperte sono continue con il lume delle vie aeree.

•  Circondati da una ricca rete di capillari; la barriera alveolo-capillare ha uno spessore di soli ∼0,3 µm

•  La maggior parte delle superfici della parete rivolte all'aria sono rivestite da uno strato continuo, spesso una cella, di cellule epiteliali piatte chiamate alveolociti di tipo I.

•  Alveolociti di tipo II, producono una sostanza simile a un detergente chiamata surfactante.

•  La superficie alveolare totale è molto ampia (circa 130 m2) e ciò consente il rapido scambio di grandi quantità di O2 e CO2 per diffusione.

•  Nel parenchima abbiamo elastina, fibroblasti e collagene IV, struttura molto rigida e robusta

2.4 Relazione dei polmoni con la parete toracica

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•  Ogni polmone è circondato da un sacco pleurico chiuso costituito da pleura che forma una sottile sierosa a doppio strato

•  La pleura parietale copre la parete toracica e la faccia superiore del diaframma

•  La pleura viscerale copre la superficie esterna del polmone

•  La pleura produce fluido (liquido intrapleurico) che rimane nella cavità pleurica e lubrifica il polmone per prevenire l'attrito durante la respirazione

•  Nello spazio intrapleurico possiamo misurare la pressione intrapleurica (Pip) i cui cambiamenti inducono il polmone a muoversi in ispirazione ed espirazione

3.0 Nozioni di fisica dei gas-equazione di stato e legge di Avogadro

•  Equazione di stato dei gas •  PV = NRT •  PV/T = NR •  P1V1/T1 = P2V2/T2 •  V2 = V1 P1/P2 ! T2/T1

•  Legge di Avogadro

•  1 mole di gas perfetto a 0°C (273 K) e ad 1 atm (760 mmHg) occupa 22.393 l (6 1023 molecole)

R = 22.4/273 = 0.082 l atm per grado K e per mole 10

3.1 Nozioni di Fisica dei Gas Legge di Dalton

•  Legge di Dalton La pressione di una miscela di gas è uguale alla somma delle pressioni parziali dei gas componenti. La pressione parziale è quella pressione che eserciterebbe ciascun componente se occupasse da solo il volume occupato dalla miscela

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3.1 Nozioni di Fisica dei Gas Legge di Dalton

•  Legge di Dalton Dato che i vapori non seguono le leggi dei gas e che la concentrazione di vapor d’acqua varia facilmente, la frazione di un gas (Fx) in una miscela è sempre espressa rispetto al gas secco

Fx = Px

Ptot - PH2O

= VxVtot - VH2O

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3.2 Tensione di vapore d’acqua •  I vapori non seguono le leggi dei gas

La pressione di vapor d’acqua (PH2O) dipende dalla temperatura

t (°C) P (mmHg) C (g/m3) t (°C) P (mmHg) C (g/m3)

-20 0.8 0.9 30 31.8 30.0 -15 1.2 1.4 35 42.2 39.2 -10 1.9 2.1 36 44.6 41.3 -5 3 3.2 37 47.1 43.5 0 4.6 4.8 38 49.7 45.7 5 6.5 6.8 39 52.4 48.1

10 9.2 9.3 40 55.3 15 12.8 12.7 41 58.3 20 17.5 17.1 42 61.5 25 23.8 22.8 100 760*(0 m slm) 13

3.3 Correzione dei Volumi di Gas

1. STPD Le quantità di gas vengono espresse in moli o in volumi in condizioni standard (gas secco a 0°C e 760 mmHg). Occorre quindi correggere V da ATPS (Ambient Temperature and Pressure, Saturated) a STPD (Standard Temperature and Pressure, Dry).

VSTPD = VATPS

273273 + t

• PB

760 •

PB - PH2O

PB

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3.3 Correzione dei volumi-Esempio •  1 litro di gas misurato in condizioni ATPS:

•  25 °C •  750 mmHg •  UR 80% (PiH2O = UR/100 * PSatH2O (UR: Umidità relativa in %))

1000 cc

975 cc

* .975

750 mmHg 25 °c

80 % UR (PiH2O = 19

mmHg)

750 mmHg 25 °c

0 % UR secco

962 cc

* .987

760 mmHg 25 °c

0 % UR

compresso

881 cc

* .916

760 mmHg 0 °c

0 % UR

raffreddato

STPD

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3.3 Correzione dei volumi di gas

1. BTPS Volume occupato dai gas in condizioni fisiologiche: BTPS (37°C, pressione ambiente, saturo di vapor d’acqua,Body Temperature and Pressure, Saturated).

VBTPS = VATPS

273 + 37273 + t

• PB - PH2O

PB - 47

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3.4 Nozioni di fisica dei gas-Legge di Henry •  Legge di Henry

Il volume di gas (V) che di scioglie in un volume di liquido (Q) è direttamente proporzionale alla pressione parziale (P) del gas secondo il suo coefficiente di solubilità (α) in quel liquido Non vale per il gas che reagiscono chimicamente con sostanze in soluzione (p.e., con l’Hb)

V = α Q P α: volume di gas sciolto in un volume di liquidi quando la pressione del

gas è 760 mm Hg aumenta con il diminuire della temperatura

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3.5 Solubilità dei gas di interesse respiratorio (ml di gas STPD/ml H2O a 760 mm Hg)

Gas 20 °C 37 °C N2 0.015 0.012 O2 0.031 0.023

CO2 0.88 0.54 He 0.009 0.009 Ar 0.034 0.026 Xe 0.123 0.081 CO 0.023 0.018 N2O 0.629 0.403 SO2 39.37 18.8

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3.6 Nozioni di fisica dei gas-Legge di Fick •  Legge di Fick

La diffusione avviene nelle tre direzioni dello spazio. Considerando una sola direzione, la versione semplificata della legge di Fick ci indica che la massa di sostanze che passa in un intervallo di tempo infinitesimale (dM/dT) attraverso una sezione (A) perpendicolare al flusso è

dMdt

= -DA dCdL

D: coefficiente di diffusione dC/dL: gradiente di concentrazione

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3.7 Legge di Fick applicata ai gas •  D dei gas è inversamente proporzionale alla radice

quadrata del peso molecolare (Legge di Graham) ed aumenta con il diminuire della pressione ambiente

• Quando la diffusione di un gas avviene in una fase liquida, dM/dT dipende dal gradiente di pressione parziale*

dMdt

= -DA dPdL

* l’attività chimica dipende dalla pressione parziale

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4.0 Composizione dell‘aria ambiente •  La Pressione barometrica diminuisce in maniera grosso modo

mono- esponenziale con l’altitudine slm km mmHg g/l °C

0 760.0 1.225 15.1

1 674.1 1.112 8.6

2 596.3 1.007 2.1

3 525.9 0.909 -4.4

4 462.5 0.819 -10.9

5 405.4 0.763 -17.4

6 345.2 0.660 -23.9

7 308.3 0.590 -30.4

8 267.4 0.526 -36.9

9 231.0 0.467 -43.4

10 198.8 0.413 -49.8

11 170.3 0.365 -56.3

15 90.8 0.195 -56.4

20 41.5 0.089 -56.5 21

4.0 Composizione dell’Aria Ambiente

FIO2 = 0.2095 (20.95 %) FICO2 = 0.0003 (0.03 %) FIN2 = 0.7808 (78.08 %) FIAr = 0.0094 (0.94 %) •  Poiché la composizione dell’aria rimane costante, la

pressione parziale di un gas nell’aria ambiente diminuisce con i’aumentare dell’altitudine con lo stesso andamento della pressione ambiente

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5.0 Esempi

A •  A Verona: •  Gas secco: PO2 = FIO2 x PB o PO2 = .2093 x 760 = 159 mmHg

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5.0 Esempi

A •  A La Paz (3650 m slm): •  Gas secco: PO2 = FIO2 x PB o PO2 = .2093 x 495 = 104 mmHg

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5.0 Esempi

B •  A Verona:

•  Gas Umido: PO2 = FIO2 x (PB - PH2O) o PO2 = .2093 x (760 - 47) = 149 mmHg 25

5.0 Esempi

B •  A La Paz: •  Gas Umido: PO2 = FIO2 x (PB - PH2O) o PO2 = .2093 x (495 - 47) = 94 mmHg 26

6.0 Muscoli respiratori •  Muscoli inspiratori 1.  Principali: •  Diaframma (n. frenico, C3-C5)

Sposta caudalmente il centro tendineo e fa espandere ed innalzare le coste sulle quali è inserito

•  Intercostali esterni (n. spinali) Irrigidiscono la cassa toracica; aumentano il diametro antero-posteriore della cassa toracica (azione a manico di secchio)

2.  Accessori (inspirazione forzata) •  Scaleni •  Sternocleidomastoideo •  Muscoli del collo e del dorso •  Muscoli del primo tratto delle vie respiratorie

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6.0 Muscoli respiratori

•  Muscoli espiratori A riposo, l’espirazione è passiva. Non ci sono muscoli principali espiratori

1.  Accessori (espirazione forzata, aumento delle

resistenze al flusso, p.e. asma) •  Addominali

Aumentano la pressione addominale e spingono verso l’alto la cupola diaframmatica

•  Sternocleidomastoideo •  Intercostali interni •  Muscoli del collo e del dorso

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6.0 Muscoli respiratori

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7.0 Ventilazione

1.  La Ventilazione è definita come lo scambio tramite trasporto di massa di aria tra l’atmosfera e gli alveoli.

– V’ = ΔP/R

–  Ricorda che un flusso (la ventilazione V’ nel nostro caso) è proporzionale alla differenza di pressione (ΔP) tra due punti (atmosfera e alveolo) ed inversamente proporzionale alla resistenza (R).

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7.1 Ventilazione-aspetti quantitativi

•  Termini e definizioni •  Ventilazione polmonare totale (V’E

BTPS, l min-1)* •  E’ il volume di aria che entra ed esce nelle/dalle vie aeree in

un minuto. E’ uguale al prodotto di volume corrente (VT, l) per la frequenza respiratoria (fr, cicli al minuto)

V’EBTPS = VT • fr

*Il volume inspiratorio è di solito di circa l’1% più piccolo del volume che lascia le vie

aeree. Si è deciso per convenzione di misurare il volume espiratorio.

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7.1 Ventilazione-aspetti quantitativi

Riposo Massimo lavoro aerobico

Lavoro sovramassimale

anaerobico

V’EBTPS 6 60 120

VTBTPS 0.5 2 2.5

fr 12-15 30 44

V’O2STPD 0.25 2.5 3.5

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8.0 Misura dei volumi polmonari accessibili

•  Spirometro a campana

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8.0 Misura dei volumi polmonari accessibili

•  Spirometro a campana

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8.0 Volumi polmonari accessibili

•  VT: 0.4 - 0.5 l •  VRI: 1.9 - 2.5 l (dipende dal volume corrente, dalla compliance polmonare, dalla forza dei muscoli inspiratori, dalla flessibilità della gabbia toracica, dalla postura) •  VRE: 1.1 - 1.5 l •  CV 3.4 - 4.5 l •  CPT: 4.9 - 6.4 l •  CFR: 2.6 - 3.4 l •  CI: 2.3 - 3.0

•  VR: è il volume di aria che rimane intrappolato nel polmone al termine di una espirazione forzata, 1.5 - 1.9 l

8.1 Determinazione del Volume Residuo (FRC)

1. Metodo della diluizione dell’elio •  [He]1 Vs = [He]2 (Vs + VFRC)

•  VFRC = Vs ([He]1/ [He]2 - 1)

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8.1 Determinazione del Volume Residuo

2. Metodo del wash-out dell’azoto

7

V N2 p,t0 = [N2]1 FRC Si raccoglie tutta l’aria espirata in un sacco Douglas [N2]1 FRC = [N2]2 VDouglas FRC = ([N2]2 / [N2]1 ) VDouglas

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8.1 Determinazione del Volume Residuo

3. Metodo del pletismografo corporeo (metodo di Jerry Mead)

•  Legge di Boyle: P VL = costante •  Si parte da VL =FRC •  Durante inspirazione, lo spirometro legge

l’aumento del volume polmonare ∆VL •  Piccole inspirazioni contro resistenza infinita

con aumento di VL di un ammontare ∆VL e diminuzione di P di una quantità ∆P

•  P VL = (P - ∆P) * (VL + ∆VL) •  VL = ∆VL * (P-∆P)/∆P

•  Es.o: FRC = 0.05 L *(760-12) mmHg/12 mmHg = 3.11 L

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9.0 Ventilazione totale (V’E) e alveolare (V’A) •  VT = VD + VA

•  VT • fr = (VD + VA) • fr •  V’E = V’D + V’A

•  V’A = V’E - V’D

•  V’CO2* = V’A • %CO2A/100

*VCO2 in STPD

VA

FA

VD

FI

VT

FE

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9.0 Ventilazione totale (V’E) e alveolare (V’A) •  VT = VD + VA

•  VT • fr = (VD + VA) • fr •  V’E = V’D + V’A

•  V’A = V’E - V’D

•  V’CO2* = V’A • %CO2A/100

*VCO2 in STPD

VA

FA

VD

FI

VT

FE

V’CO2 = FECO2 * V’E

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9.0 Ventilazione totale (V’E) e alveolare (V’A) •  VT = VD + VA

•  VT • fr = (VD + VA) • fr •  V’E = V’D + V’A

•  V’A = V’E - V’D

•  V’CO2* = V’A • %CO2A/100

*VCO2 in STPD

VA

FA

VD

FI

VT

FE

•  V’A = V’CO2 • 100/%CO2A

•  V’A = V’CO2 • 1/FACO2 •  V’A = V’CO2 • 100/(PCO2/(PB -47)) •  PACO2 ≈ PaCO2

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9.1 Ventilazione alveolare e gas alveolari •  V’A determina la composizione dei gas alveolari! •  FACO2-PACO2 sono inversamente proporzionali a V’A

•  300/40*0.863= 6.5 L/min

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9.1 Ventilazione alveolare e gas alveolari •  V’A determina la composizione dei gas alveolari! •  FACO2-PACO2 sono inversamente proporzionali a V’A

•  300/4.2*0.863= 61 mmHg

•  300/40*0.863= 6.5 L/min

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5.0 Spazio morto fisiologico •  E’ la somma dello spazio morto anatomico ed alveolare

(alveoli ventilati e non perfusi) •  Si calcola con l’equazione di Bohr •  VE • FECO2 = VA • FACO2 = VCO2 •  VE = VA + VD •  VA = VE - VD •  VE • FECO2 = (VE - VD) • FACO2

VD

VE

= FA - FE

FA

VD

VE

= PACO2

- PECO2

PACO2

= 0.2 - 0.35

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10.0 Spazio morto fisiologico •  E’ la somma dello spazio morto anatomico ed alveolare

(alveoli ventilati e non perfusi) •  Si calcola con l’equazione di Bohr •  VE • FECO2 = VA • FACO2 = VCO2 •  VE = VA + VD •  VA = VE - VD •  VE • FECO2 = (VE - VD) • FACO2

VD

VE

= FA - FE

FA

VD

VE

= PaCO2

- PECO2

PaCO2

= 0.2 - 0.35

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10.1 Spazio morto anatomico •  E’ il volume delle vie di conduzione •  E’ misurato con il metodo di Fowler (single breath N2 wash-out)

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11.0 Distribuzione regionale della ventilazione

• Ricordiamo come è distribuita la ventilazione alveolare • L’aria inspirata non si distribuisce uniformemente nelle varie

parti del polmone • La ventilazione per unità di volume polmonare è maggiore

nelle parti inferiori e minore in quelle superiori del polmone

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