Meccanica Respiratoria: forze, pressioni e volumi polmonari

Meccanica Respiratoria

In questa lezione ci si occuperà delle forze che muovono il polmone e la parete toracica durante l'inspirazione e l'espirazione e ci si occuperà anche delle resistenze per definire l'entità del flusso quando c'è una determinata differenza di pressione.

Questo schema mette in relazione la variazione di volume all'interno del polmone e in particolar modo all'interno degli alveoli, rispetto alle differenze di pressione nei diversi comportamenti.

Sono già state trattate le diverse forze elastiche all'interno della gabbia toracica e abbiamo detto che nello spazio intra pleurico c'è una pressione più negativa rispetto allo spazio alveolare. Quindi, questa differenza di pressione negativa tra l'alveolo e lo spazio intra pleurico prende il nome di pressione trans polmonare. Essa è importante perché si modifica in maniera differente nell'inspirazione rispetto all'espirazione.

Variazione di Volume e Pressione

Variazione di volume (L) Volume polmonare 0,50 - = 0,25 - 0 - Pressione alveolare +2 - 0 Pressione (cmH2O) -2 Pressione transpolmonare -4 - -6 Pressione pleurica -8 Inspirazione Espirazione

• Durante l'inspirazione, la pressione intralveolare è < della pressione atmosferica.
• Durante l'espirazione, la pressione intralveolare è > della pressione atmosferica.
• Al termine sia dell'inspirazione sia dell'espirazione, la pressione intralveolare è uguale alla pressione atmosferica, perché gli alveoli sono in comunicazior diretta con l'atmosfera e l'aria continua a fluire secondo il suo gradiente di pressione finché le due pressioni non si equilibrano.
• Durante tutto il ciclo respiratorio, la pressione intrapleurica è < della pressione intralveolare. Perciò, esiste sempre un gradiente di pressione transmurale e il polmone è sempre stirato in una certa misura, anche durante l'espirazione.

Il primo concetto che si tratterà è l'aumento della pressione trans polmonare nella inspirazione e della diminuzione della pressione trans polmonare nell'espirazione.

Nel diagramma si è in un ambito di relativo aumento o diminuzione di una pressione che rimane sempre negativa. Quindi quando si parla di aumento o diminuzione della pressione trans polmonare ci si riferisce a un range di pressione che tende ad essere negativo ed è sempre negativo perché questa negatività garantisce l'aderenza del polmone alla gabbia toracica.

Fasi di Inspirazione ed Espirazione

Nell'espirazione si contrae il diaframma e i muscoli intercostali e ciò determina un aumento della gabbia toracica che si espande; quindi, la pressione intra pleurica diventa quindi più negativa. Ciò determina un aumento della pressione trans polmonare e i polmoni di conseguenza si espandono. Il professore ripete: quindi prima si ha un aumento del torace, ciò si traduce in un aumento della pressione intra pleurica che diventa più negativa. Quindi si ha un aumento della pressione trans polmonare (la differenza di pressione tra pleura e alveolo), e questo determina l'espansione del parenchima polmonare che a sua volta determina una negatività 1all'interno della pressione alveolare, che diventa sub-atmosferica (anche se di poco) e ciò è sufficiente a far fluire l'aria negli alveoli. L'espirazione è un processo passivo, quindi termina la contrazione del diaframma e la parete toracica tende ad essere richiamata verso l'interno, la pressione intra pleurica e quella trans polmonare tornano verso i valori pre-inspiratori e, di nuovo, si torna nella fase di riposo. A questo punto l'aria che è entrata negli alveoli subisce una compressione, la quale fa si che la pressione alveolare diventi maggiore della pressione atmosferica e si genera così un flusso con la direzione opposta (dall'interno degli alveoli verso l'esterno). Lo scambio di aria riguarda, in condizione tranquilla, una quota di circa mezzo litro di aria (500 ml).

Nonostante questa differenza di pressione sia la più importante per generare i flussi, si possono prendere in considerazione altre differenze di pressione. Ad esempio, la trans-murale che è la differenza di pressione all'interno della pleura e quella atmosferica, e la trans-toracica che, invece, coinvolge tutto l'interno del polmone e l'atmosfera.

Ritorno Elastico e Pressione Transpolmonare

Un elemento fondamentale è quello del ritorno elastico: oltre alla distensione del polmone data dal muscolo diaframma, ciò che fa si che ci sia un fenomeno dinamico di inspirazione ed espirazione è l'intrinseca proprietà elastica, la tendenza del polmone a retrarsi su sé stesso. Dall'altra parte anche la parete toracica ha una sua elasticità, che va però nella direzione opposta seppur in quota minore. Il ritorno elastico dei polmoni e della gabbia toracica possono variare a seconda delle condizioni: ci sono delle condizioni in cui tanto più espandiamo la parete toracica tanto meno forte sarà il ritorno elastico della parete toracica e tanto più sarà importante quello elastico polmonare; quindi, le forze chiamate in questione hanno un range che è limitato proprio dall'anatomia, perché noi possiamo espandere la parete toracica fino ad un certo punto, le resistenze che dovremo vincere nella fase terminale della espansione della parete toracica, diventano sempre più grandi. All'inizio noi facciamo una inspirazione che è estremamente agevole, mentre dobbiamo fare uno sforzo molto grande se vogliamo espandere completamente il nostro torace. C'è questo sforzo perché dobbiamo andare a contrastare una componente anatomica che determinerà un equilibrio diverso a seconda se la gabbia toracica è più espansa o meno della quota in contrasto della gabbia toracica e di quella polmonare. La pressione trans polmonare, che è quella che ci interessa di più da un punto di vista della funzione, deve essere sempre sub atmosferica per mantenere gli alveoli distesi. La garanzia di questa pressione trans polmonare o trans pleurica è lampante quando abbiamo situazioni patologiche che vanno a minare l'integrità di questa pressione trans polmonare: come nel caso di fissurazioni della pleura che fanno disperdere questo gradiente pressorio, l'esempio classico è quello dello pneumotorace.

Dinamica della Pressione Transpleurica

Durante l'inspirazione aumenta la pressione trans pleurica, cioè diventa più negativa: si ha una negatività a livello dello spazio intra pleurico, la quale si traduce in un aumento di negatività di differenza di pressione tra l'interno dell'alveolo e lo spazio intra pleurico e, quindi, abbiamo una forza che tende a fare espandere l'alveolo in direzione della gabbia toracica. Passiamo da una condizione iniziale di circa 5 (la differenza di pressione dei due) che diventa di 6, quindi questo aumento, anche di un solo millimetro di mercurio, è sufficiente a garantire il trascinamento dell'alveolo e la distensione dell'alveolo. La distensione dell'alveolo 2genera, all'interno dell'alveolo stesso, una riduzione della pressione alveolare che diventa negativa (diventa -1) e finalmente questa negatività è in grado di generare un flusso di aria all'interno.

Meccanismo dell'Espirazione

Cosa succede invece durante l'espirazione? Si ha un evento opposto: non c'è più il diaframma che si contrae ed i muscoli inspiratori che tendono ad estendere il torace; quindi, entrano in gioco le forze elastiche che sono da una parte quella dei polmoni e dall'altra quella della parete toracica. Quelle dei polmoni sono più forti e quindi tendono a tirare verso di sé il polmone, ma c'è anche la relazione elastica della parete toracica stessa che determina alla fine (visto che non c'è più il diaframma e i muscoli inspiratori che allargano il torace), la contrazione del torace verso l'esterno: inizialmente questa contrazione determina una riduzione della pressione nel fluido intra pleurico e questo aumento di pressione relativo a sua volta viene tradotto in una relativa compressione degli alveoli. Se gli alveoli vengono compressi, al loro interno si ha un aumento di pressione, per cui la pressione alveolare diventerà positiva. Questa positività di un millimetro di mercurio sarà sufficiente a generare un flusso dall'interno verso l'esterno, quindi l'espirazione.

Spazio Morto Anatomico e Ventilazione Alveolare

Mettendo insieme tutte Figura 13.19 Effetto dello spazio morto anatomico sulla ventilazione alveolare. Lo spazio morto anatomico 150 mL è il volume delle vie aeree di -Volume corrente = 500 mL 350 mL conduzione. Dei 500 ml del volume corrente di un respiro, 350 ml entrano nelle vie aeree coinvolte negli scambi Volume lasciato dal respiro precedente 150 mL 150 mL nelle vie aeree di conduzione gassosi. I restanti 150 ml restano nelle vie aeree di conduzione e non Vie aeree di conduzione partecipano allo scambio dei gas. le cose dette finora, ci rendiamo conto di come sia un processo estremamente Spazio morto anatomico = 150 mL dinamico, ma anche estremamente fluido. Nel senso che la 350 mL modificazione di Gas alveolari 150 ml pressione non è un fenomeno del tutto o nulla, ma è un fenomeno graduale i cui picchi sono le differenze di pressione all'interno dell'alveolo che variano da -1 a +1, a cui corrisponde un flusso di aria che gradatamente aumenta fino a mezzo litro per poi espellere mezzo litro: quindi sono fenomeni estremamente dinamici ed estremamente graduali. Dobbiamo tenere in considerazione un altro importante elemento: finora abbiamo descritto tutto come relativo allo spazio alveolare, abbiamo detto che arriva 1\2 litro d'aria dall'esterno e 1\2 litro d'aria viene buttato fuori, ciò non vuol dire che venga scambiato necessariamente 1\2 litro di aria ossigenata a livello alveolare. Perché? Perché il percorso è lungo dall'esterno all'esterno, per cui, di questo 1\2 litro che viene fatto entrare all'interno della cavità toracica, la quota maggiore di 350 ml sarà in grado di raggiungere gli spazi alveolari, ma una parte di 150 ml verrà rimasta inutilizzata a livello delle vie di conduzione. Quindi, in un determinato atto inspiratorio non sarà posta a contatto con l'alveolo e con la barriera alveolo-capillare e non sarà quindi utilizzata per la diffusione dei gas, ma lo sarà nell'atto respiratorio successivo.

Scambio di Aria e Spazio Morto

3Dobbiamo considerare che di 500ml, 350 ml sono quelli che vengono effettivamente scambiati in termini di diffusione di gas nello spazio alveolare. Quindi, si può fare una distinzione tra aria fresca e aria vecchia: l'aria fresca è quella che viene immessa nel nuovo atto respiratorio, mentre una parte rimane intrappolata nell'atto respiratorio precedente.

Aria fresca Zona di conduzione "Aria vecchia" (spazio anatomico morto) Alveoli Espirazione (a) Inspirazione (c) (b) CO2 02 L'aria vecchia che era rimasta in alto a livello della Scambio con il sangue zona di conduzione finalmente riesce a raggiungere, FIGURA 15.17 Effetti dello spazio morto anatomico sulla ventilazione alveolare. (a) Al termine di un'espi- razione tutta l'aria contenuta nella zona di conduzione e in quella respiratoria è aria "vecchia". (b) Durante l'inspirazione, l'aria vecchia che si trova nella zona di conduzione (spazio mor- to anatomico) passa nella zona respiratoria e viene seguita dall'aria atmosferica. (c) Durante l'espirazione, per prima vie- ne espirata l'aria atmosferica che si trova nella zona di condu- zione e poi l'aria vecchia. nell'atto respiratorio successivo, lo spazio alveolare. Quindi, quella parte di aria viene scambiata, ma rispetto all'atto respiratorio che prendiamo in considerazione, rimane sempre una parte che sarà scambiata nell'atto respiratorio successivo. Quindi la quota che raggiunge gli alveoli è sempre di 350 ml, l'altra quota di 150ml è il fenomeno dello spazio morto. Lo spazio morto anatomico che definiamo come un volume di aria di 150 ml che rimane intrappolato in un determinato atto respiratorio nella zona di conduzione, quindi, non raggiunge la zona di scambio gassoso, ma lo fa nell'atto respiratorio successivo. Finora abbiamo parlato della situazione di respirazione tranquilla, quindi di uno scambio di un volume di 500 ml che non determina un eccessivo sforzo da parte della muscolatura: è lo sforzo minimo che possiamo utilizzare per scambiare una quota d'aria che ci serve per svolgere le normali funzioni fisiologiche in condizioni di riposo. Per cui questo volume che noi scambiamo (vedi diapositiva) è il cosiddetto volume corrente di 500 ml che è solo una piccola parte del potenziale che noi abbiamo, invece di scambiare volumi di aria che è molto più elevato.

Spirometria e Volumi Polmonari

La spirometria è un esame standard nel quale chiedono di a) buttare fuori tutta l'aria e poi chiedono di fare un'inspirazione massima e poi di nuovo buttare fuori tutta l'aria. Questo avviene perché quello che si vuole misurare nella spirometria è relativo a una definizione di diversi volumi.

b) 5800 Campana - Termine di una inspirazione normale Volume di riserva Inspiratoria 3000 mL Capacita Inspiratoria Aria Volume corrente 500 mL Capacità vitale 4600 ml 2800 Capacità polmonare totale Acqua 2300 1 Volume [mL] Termine di una espirazione normale Volume di riserva espiratoria 1100 mL Capacità funzionale residua 1200 Volume residuo 1200 mL La spirometria misura i volumi e le capacità polmonari. 4