Master di I livello in Fisioterapia e Riabilitazione RespiratoriaARIR

Milano, 13 aprile 2016

Paolo TarsiaDipartimento Fisiopatologia Medico-

Chirurgica e dei Trapianti Università degli Studi di Milano

U.O. Broncopneumologia

Fisiologia della respirazione

Componenti del sistema respiratorio

Controllo della ventilazione

Muscoli della respirazione

Sternocleiodo mastoideo

Scaleni

Intercostali esterni

Diaframma

Muscoli inspiratori Muscoli espiratori

Muscoli addominali

Intercostali interni

Contributo del diaframma alla respirazione

Contributo del diaframma alla respirazione

Organi addominali

Muscoli intercostali e respirazione

Torace

Torace + Polmone

Polmone

Sistema Torace + Polmone

Volume

Pressione

CPT

CFR = volume di equilibrio

VR

SistemaT+P

Polmone (P)

Parete Toracica (T)

0 (P amb)

Parete toracica a riposo

Livello respiratorio a riposo

Polmone a riposo

_ +

Curva Pressione/Volume del Sistema Respiratorio

Pressioni, flussi e volumi respiratori

Valutazione funzione respiratoria

Apparecchiature che rilevano:

Volumi polmonari (spirometri)

Flussi polmonari (pneumotacografo)

Pressioni e volumi sistema toraco-polmonare (pletismografo corporeo)

volume

tempo

Meccanica respiratoria in corso di spirometria

diaframma

Ritorno elastico

Muscoli addominali

diaframma

Muscoli insp.accessori

Inspirazione profonda massimale

sternocleidomastoideo

scaleni

volume

tempo

Meccanica respiratoria in corso di spirometria

diaframma

Ritorno elastico

Muscoli addominali

diaframma

Muscoli insp.accessori

Ritornoelastico

Ritorno elastico

Muscoli addominali&

Volumi polmonari

Possono essere distinti in:

- statici mobilizzabili

- statici non mobilizzabili

- dinamici

I volumi polmonari statici mobilizzabili:Volume Corrente (VT), Volume di Riserva Inspiratoria (IRV) ed Espiratoria (ERV), Capacità Vitale (VC)

I volumi polmonari statici non mobilizzabili: Volume Residuo (VR), la capacità funzionale Residua (FRC) e la Capacità Polmonare Totale (CPT)

I volumi dinamici:Flussi in- ed espiratori

Volume Corrente (VT): volume di aria mobilizzato con ciascun atto respiratorio

Capacità Vitale (CV): volume di gas espulso dai polmoni con una espirazione massimale a partire dalla posizione di massima inspirazione

Capacità Funzionale Residua (CFR):è il volume gassoso che rimane nei polmoni alla fine di una normale espirazione

Volume Residuo (VR): Volume gassoso che rimane nei polmoni dopo un’espirazione forzata

Volumi polmonari

Movimenti massimi del torace

Massima inspirazioneTLC

massima espirazioneVR

“capacità vitale”

Metodo della diluizione dell’elio

• Elio è un gas relativamente insolubile nel sangue, si equilibra tra polmone e spirometro

• I volumi vengono calcolati per conservazione di massa

• C1 x V1 = C2 x (V1 + V2)

• Non misura zone poco ventilate (bolle enfisematose)

C1 V1

C2

V2

Metodo del wash out dell’azoto

• Azoto relativamente insolubile con movimento lento dal sangue all’alveolo

• Inalazione O2 100%

• Si calcola volume azoto raccolto

• Non misura zone poco ventilate (bolle enfisematose)

Pletismografia corporea

• Misura volume totale, comunicante e non comunicante

• Misura anche lesioni bollose

Valori volumi polmonari

Variazioni volumi polmonari nei sessi

Maschi Femmine

IRV 3,3 1,9

Capacità vitale VT 0,5 0,5

ERV 1,0 0,7

VR 1,2 1,1

Capacità polmonare 6,0 4,2

totale

Capacità inspiratoria

Capacità funzionale residua

Variazioni legate ad altezza e modalità di respirazione

Modificazioni CFR con decubito

Modificazioni volumi con il decubito

• Mancata trazione gravitazionale aumenta spinta contenuto addominale sul diaframma

• Da supino la gravità si oppone all’espansione gabbia toracica e tende a comprimerne il volume

• Riduzione FRC è principalmente a spesa di ERV, mentre IRV e IC aumentano leggermente

Respiro spontaneo Ventilazione controllata

Nel passare dalla ventilazione spontanea alla ventilazione controllata viene attivata maggiormente la porzione più anteriore del diaframma

Modificazioni attivazione diaframmatica in corso di anestesia generale

Per gentile concessione Dr. Davide Chiumello

Volumi polmonari nell’obeso

Magri Obesi

Ridotti Volumi Polmonari

Volumi polmonari nelle NMD

Aboussouan LS. Am J Respir Crit Care Med 2015; 191(9); 979-89

VRI

Vt

VRE

VR

VRI

Vt

VRE

VR

VRI

Vt

VRE

VR

VRI

Vt

VRE

VR

CV

Normale = assenza di disturbi respiratori del sonno

HP = Ipopnee nel sonno REM

REM-HV= Ipoventilazione nel sonno REM

Ipoventilatione continua (sonno REM e non-REM)

RF= Insufficienzarespiratoria diurna

Ragette R, et al. Thorax 2002; 57; 724-28

Volumi polmonari e disturbi del sonno nella SLA

Stocks J, Stanojevic S. ERS BG 2008.

Funzione polmonare aumenta 20 volte nei primi 10 anni di vita

Declino funzione respiratoria con l’età

16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

Falaschetti et al. ERJ 2004

Funzione respiratoria nell’anziano

Adulto sano Anziano

Volumi dinamici (flussi)La manovra di espirazione forzata

FEV1

Curva volume tempo

FEV1FVC

Normalmente FEV1 75-80% FVC

• FVC è il volume totale di aria espulsa in un’espirazione forzata partendo da un’inspirazione completa•FEV1 è il volume di aria espirata nel primo secondo di un’espirazione forzata, partendo da una inspirazione completa

Curva flusso-volume

Quadro funzionale nella norma

Spirometro vs sfigmomanometro

Le sindromi disventilatorie

• Ostruttiva: è caratterizzata da una ostruzione delle vie aeree con conseguente ostacolo al flusso (per ingombro intraluminale, come nella bronchite cronica o per ipoelasticità parenchimale, come nell’enfisema)

• Restrittiva: è caratterizzata da un’ostacolo al dispiegamento alveolare che comporta una diminuzione dei volumi polmonari mobilizzati (pneumotorace, versamenti pleurici, interstiziopatie, alterazioni scheletriche della gabbia toracica o lesioni neurologiche che ne compromettano la mobilità)

Il rapporto FEV1/FVC è fondamentale per discriminare un deficit ostruttivo da uno restrittivo

Sindrome disventilatoria ostruttiva

FEV1/VC 34%

FEV1/FVC < 70%

Sindrome disventilatoria ostruttiva

STADIO CARATTERISTICHE

I LIEVE FEV1/FVC < 0.7; FEV1 ≥ 80% del teorico

II MODERATA

III GRAVE

FEV1/FVC< 0.7; 50% ≤ FEV1 < 80%

FEV1/FVC < 0.7; 30% ≤ FEV1 < 50%

IV MOLTO GRAVE

FEV1/FVC < 0.7; FEV1 < 30% del teorico o FEV1 < 50% del teorico in presenza di insufficienza respiratoria (PaO2 < 60 mmHg)

Classificazione spirometrica (*) di gravità BPCO

(*) Basata sulla spirometria post-broncodilatatore

www.goldcopd.com

La reversibilità nelle sindromi ostruttive

In presenza di una sindrome disventilatoria di tipo ostruttivo, è utile la valutazione della reversibilità dell’ostruzione.

Questa valutazione si effettua medicando il paziente con farmaci broncodilatatori somministrati per via locale (200-400 mcg di ß2-agonista o 80 mg di anticolinergico) e ripetendo le manovre dopo 15-20 minuti.

Viene considerato significativo un incremento di 200 mL o del 12%

Tra le sindromi ostruttive la reversibilità è tipica dell’asma, mentre la mancata reversibilità è tipica della BPCO

Ostruzione reversibile

Sindrome disventilatoria restrittiva

Rapporto FEV1/FVC conservato (>70% )

Gravità restrizioneGrado di alterazione CV

Lieve CV ≥ 70%

Moderata CV < 70% e ≥ 60%

Moderata/severa CV < 60% ≥ 50%

Severa CV < 50% ≥ 35%

Molto severa CV < 35%

American Thoracic Society. Lung Function Testing: Selection of Reference Values and Interpretative Strategies. Am Rev Respir Dis 1991; 144: 1202–1218

Gravità alterazioni spirometriche

Gold BPCOLieve FEV1/FVC < 0.7; FEV1 ≥ 80% del teorico Moderata FEV1/FVC< 0.7; 50% ≤ FEV1 < 80%

Grave FEV1/FVC < 0.7; 30% ≤ FEV1 < 50%

Molto grave FEV1/FVC < 0.7; FEV1 < 30% del teorico

Restrizione

Lieve CV ≥ 70%

Moderata CV < 70% e ≥ 60%

Moder/sev CV < 60% ≥ 50%

Severa CV < 50% ≥ 35%

Molto severa CV < 35%

Nuova classificazione alterazioni spirometriche

Pellegrino R, et al. ATS/ERS Task Force. Eur Respir J 2005;26:948-68

STADIO CARATTERISTICHE

I LIEVE FEV1/FVC < 0.7; FEV1 ≥ 80% del teorico

II MODERATA

III GRAVE

FEV1/FVC< 0.7; 50% ≤ FEV1 < 80%

FEV1/FVC < 0.7; 30% ≤ FEV1 < 50%

IV MOLTO GRAVE

FEV1/FVC < 0.7; FEV1 < 30% del teorico o FEV1 < 50% del teorico in presenza di insufficienza respiratoria (PaO2 < 60 mmHg)

Classificazione spirometrica(*) di gravità BPCO

(*) Basata sulla spirometria post-broncodilatatore

www.goldcopd.com

Variazioni FEV1/FVC con l’età

16 24 32 40 48 56 64 72 80 88

Falaschetti E, et al. Eur Respir J 2004; 23:456-63

Valori di normalità spirometrici

Range rif. = teorico ±1.645*SD Comprende 90% delle osservazioni normali 5% popolazione sotto limite inferiore normalità (LLN)5% popolazione sopra limite superiore normalità (ULN)

ULN

LLN

ULN

LLN

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

5% ofpopulation

5% ofpopulation

Fre

qu

en

cy

Value of X

Prevalenza della BPCO utilizzando diverse definizioni di ostruzione

Celli BR, et al. Eur Respir J 2003; 22:268-73

FEV1/FVC <0,70

FEV1/FVC % pred

FEV1/FVC < lim norm

FEV1 /FVC <0,70 & FEV1 < 80% pred

Self reported

Definizione restrizione

• Restrizione definita dalla riduzione TLC

• Determinata tramite:− diluizione elio (poco attendibile se ostruzione)− pletismografia corporea

• VC utilizzato come surrogato

Pellegrino R, et al. ATS/ERS Task Force. Eur Respir J 2005;26:948-68

FVC è predittiva di restrizione?

Aaron SD et al. Chest 1999;115:869-73

Definizione

… la BPCO è una malattia caratterizzata da limitazione dei flussi aerei non pienamente reversibile. La limitazione dei flussi aerei è

solitamente progressiva e associata ad alterate risposte infiammatorie del polmone nei confronti

di particelle o gas nocivi …

Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD) NHLBI/WHO,2009 www.goldcopd.com

Ostruzione reversibile

?

Risposta ai broncodilatatori nella BPCO

Tashkin DP, et al. Eur Respir J 2008; 31:742-50

Studio UPLIFT (5756 pz)

Ipratropio 80 g (4 puff)

Salbutamolo 400 g (4 puff)

60 minuti

30 minuti FEV1 ≥ 12% e ≥ 200 mL

Criteri di reversibilità

• Incremento FEV1 ≥ 12% e ≥ 200 mL - 53,9%

(73% ≥ 12%, 55% > 200 mL)

• Incremento FEV1 15% - 65,6%

• Risposta FEV1 e/o FVC - 70%

60

40

20

0II III IV

Stadio GOLD

Spirometria

%

Risposta al salbutamolo nella BPCO

Newton MF, et al. Chest 2002; 121:1042-50

24%

Nessuna risposta

43%

Risposta volumi (CI + VR)

22%

Risposta combinata (FEV1 + CI + VR)

11%

Risposta FEV1

Alterazioni morfologiche delle vie aeree in corso di BPCO

Barnes PJ. N Engl J Med 2004;350:2635-37

Flussi espiratori nel sano e nel BPCO

Espirazione forzata normale Espirazione forzata nel paziente BPCO

Curva Flusso-Volume

Insp Esp

Volume

(aria)

TempoCFR

Volume intrappolato

( CFR)

Iperinsufflazione polmonare

Contributo respiratorio del diaframma e sue alterazioni in corso di BPCO

Spostamento assiale a pistone della cupola diaframmatica,che è il principale contributo del muscolo nel generare il volume corrente(VT) in suggetti normali.

Alterazione meccanica della parete toracica e del diaframma– aumento lavoro respiratorio– aumento dispnea

NormaleBPCO

Ridotta capacità

inspiratoria

Iperinsufflazione e BPCO

BPCO ed iperinsufflazione polmonare

V

p

V

P

Il paziente iperinflato respira:

• a volumi polmonari sempre maggiori

• nella parte alta (piatta e meno favorevole - compliance ridotta) della curva P/V

Capacità funzionale residua

Volume residuo

Capacità polmonare totale

VR

VR

VRE

VT

VRI

VRE

VT

VRI

CI

CPT

CI

CPT

Volumi polmonari nel paziente BPCO

Iperinsufflazione statica

VR

CPT

VR

CPT

IperinsufflazioneDinamica

CFR

Iperinsufflazione statica

Modificazioni volumi polmonari durante esercizio fisico nel soggetto BPCO

Riposo Sforzo sub-massimale Sforzo massimalePFR

“Riduzione di volume” farmacologica

CPT

CFR

CI

Pre Post

Vo

lum

e p

olm

on

are

(%

te

ori

co C

PT

)

140

120

100

80

60

40

20

0

Tempo di esercizio e volumi polmonari

0

Vo

lum

e p

olm

on

are

(L)

Durata dell’esercizio (minuti)

2 12

7,0

7,5

6,5

6,0

4,0

864

4,5

5,0

5,5

10

Basale Giorno 42 con broncodilatatori

CPT

VRI

VT

VPFI

VPFE

IC

O’Donnell DE, et al. Eur Respir J 2004;23:832-40

Alterazioni morfologiche delle vie aeree in corso di BPCO

Barnes PJ. N Engl J Med 2004;350:2635-37

Insp Esp

Volume

(aria)

TempoCFR

Volume intrappolato

( CFR)

Iperinsufflazione polmonare

PEEP i

Inspirazione e PEEPi

Palv

F

V

0- 3

0

0,5

0,5

0

(cmH2O)

(litri/sec)

(litri)

INSP

NORMALE

INSP

+ 7

PE

EP

i

0

no flusso

- 3

BPCO

La PEEP intrinseca agisce come un carico soglia meccanico che i muscoli inspiratori devono superare prima di poter generare flusso inspiratorio, ad ogni ciclo respiratorio.

- 3 0

- 3

+ 7 + 7 0

-10

Flussi lungo le vie aeree

- 5 0

Inspirazione- 5

Flussi lungo le vie aeree

+ 5 0

Espirazione+ 5

Chiusura dinamica delle vie aeree nella BPCO

Punto critico di chiusura

Espirazione

PEEP intrinseca nella BPCO

+ 10 + 10 0

PEEPi = + 10

PEEPe = 0

Punto critico di chiusura

PEEP = Positive End Expiratory Pressure

PEEP intrinseca nella BPCO

+ 10 + 10 0

PEEPi = + 10

PEEPe = 0

Punto critico di chiusura

- 10- 15

PEEP = Positive End Expiratory Pressure

PEEP intrinseca + PEEP estrinseca

+ 10 + 10 8

PEEPi = + 10PEEPe = + 8

Punto critico di chiusura

Riduzione del WOB inspiratorio

Lavoro elastico (isometrico): CPAP (PEEPe) controbilanciare la PEEPi

PEEP intrinseca e PEEP estrinseca

+ 10 + 10 0

PEEPi = + 10

PEEPe = 0

PEEPi = + 10PEEPe = + 8

PEEPe = + 12

A.

B.

C.

D.

Punto critico di chiusura

Lavoro respiratorio (Work Of Breathing – WOB)

Lavoro = Forza (F) x Spostamento (s)

Nel sistema respiratorio

Δp (differenza di pressione generata) è la forza utilizzata

ΔV (volume di gas mobilizzato) è lo spostamento (s)

Pertanto: WOB = Dp x DV

In particolare:Lel = lavoro per vincere Pel

Ldin = lavoro per vincere Pres

Lavoro respiratorio (Work Of Breathing – WOB)

A

I

B C

_ + P

V

A

E

B C

_ + P

V

INSPINSP ESPESP

AIBA = Ldin

ABCA = Lel

(ABEA = Ldin)

A

I

B C

_ + P

V

ECFRWOB = Linsp + (Lesp)

CICLO RESPIRATORIO

DP

I

_ +P

V

E

DP

I

EPEEP i

Normale

Ostruito

Lavoro elastico

Lavoro dinamico

Lavoro espiratorio

Lavoro inspiratorio

Aumento lavoro respiratorio nella BPCO riacutizzata

Lav dinamico inspiratorio Resist. Vie aeree

Lav elastico inspiratorio PEEPi (fino al 60% del lavoro totale)

“resa” energetica (porzione alta e piatta della curva P/V)

Lav espiratorio che da passivo diviene attivo (spesa energetica aggiuntiva)

Riduzione del lavoro respiratorio nella BPCO

V

I

EPEEPe

2

+

PSV

β2

Lavoro elastico

Lavoro dinamico

Lavoro espiratorio

Lavoro inspiratorio

Effetti della Inspiratory Positive Airway Pressure (IPAP)

• Riduzione lavoro respiratorio

• Aumento volume corrente

• Riduzione CO2

• Aumento O2

Effetti della Expiratory Positive Airway Pressure (EPAP)

• Controbilanciare autoPEEP

• Aumentare FRC, reclutare alveoli

• Limitare collasso dinamico vie aeree

Paw (cmH2O)

15

5

10

5

0

10

20

30

40

50

60

RS CPAP PS PS+CPAP

PDi

(cmH2O)

Lavoro respiratorio nella BPCO riacutizzata

Appendini et al. Am J Respir Crit Care Med 1994;149:1069-76

Bi-level

Ventilazione polmonare

• Ventilazione minuto

Volume corrente x frequenza respiratoria

500 mL x 15 rpm

= 7500 mL/min

Ventilazione polmonare

• Ventilazione minuto

Volume corrente x frequenza respiratoria

500 mL x 15 rpm

= 7500 mL/min

• Ventilazione alveolare

(Vt – spazio morto anatomico) x FR

(500 – 150) x 15

= 5250 mL/min

CO2

O2

V’E

V’A

CO2

V’CO2

Attività tissutale+

Tamponi

Q’CO2

Trasporto CO2

+Riserve CO2

Efficacia scambi gassosi polmonari (VD/VT)

CO2

“CO2 output”

Ipoventilazione alveolare

• Il Volume di gas fresco che arriva agli alveoli nell’unità di tempo (Ventilazione alveolare – Va) è diminuito

• Provoca sempre un aumento della pCO2

VCO2 = quantità di CO2 Prodotta dall’organismo

Va = Ventilazione alveolare = (Vt – Vd) x FR

PaCO2 = VCO2 x k

Va e pCO2 sono inversamente proporzionali

Va

PaCO2 = k VCO2

VA