Meccanica respiratoria: ventilazione polmonare e muscoli respiratori

Meccanica Respiratoria

La Fisiologia respiratoria prende il nome di Meccanica respiratoria. Si cercherà di capire come la gabbia toracica e i polmoni si espandono e si contraggono nelle varie fasi del ciclo respiratorio, quindi nell'inspirazione e nell'espirazione.

Ventilazione Polmonare

Viene definito un concetto importante: la ventilazione polmonare è il movimento di aria dall'ambiente esterno fino agli alveoli. Le vie aeree superiori e i bronchi non sono delle semplici vie di passaggio dell'aria ma svolgono un ruolo importante nel condizionare l'aria prima che questa raggiunga gli alveoli. Permettono di umidificarla, di riscaldarla, e hanno inoltre una importante funzione di filtro per quanto riguarda gli agenti patogeni (come batteri e virus), o anche inquinanti ambientali. È importante ricordare questa funzione delle vie aeree superiori. La ventilazione polmonare vera e propria, in realtà, coinvolge la parte inferiore dell'albero respiratorio, che è molto estesa, ed è interfaccia tra gli alveoli ed i capillari. Per arrivare a garantire un efficiente flusso di aria fino a livello degli alveoli, è necessario che l'organismo e il sistema toraco-polmonare, in particolare, esegua un lavoro e consumi energia in modo da favorire il flusso d'aria dall'atmosfera fino agli alveoli, e viceversa.

Muscoli Respiratori

L'immagine a fianco raffigura il diaframma come il "motore" principale della ventilazione polmonare. È il muscolo più grande attivato ogni qualvolta si esegua un atto respiratorio, ed è chiaramente quello che necessita di maggiore consumo energetico, in quanto sottoposto ad un maggiore lavoro. Una prima distinzione importante per quanto riguarda la rappresentazione dei muscoli coinvolti nella ventilazione, è tra muscoli inspiratori e muscoli espiratori.

Muscoli Inspiratori

Muscolo sternocleidomastoideo Muscolo intercostale esterno Diaframma Diaframma

Muscoli Espiratori

Muscolo intercostale interno Muscolo obliquo esterno Muscolo retto addominale Diaframma

L'inspirazione è sempre un processo attivo che richiede la contrazione del diaframma attraverso un consumo di energia. Che cosa succede quindi al diaframma durante l'inspirazione? Il segnale di attivazione del ciclo inspiratorio avviene da parte di un piccolo gruppo di neuroni localizzato nel tronco encefalico (centro automatico che controlla la respirazione), che tramite il nervo frenico raggiunge il diaframma e manda il segnale di contrazione. Quando questo segnale arriva al diaframma, viene attivato e si contrae. Che cosa fa contraendosi? La particolare conformazione di questo muscolo, caratterizzata dalla cosiddetta cupola diaframmatica, una volta che riceve il segnale di contrazione, esercita una forza che dall'alto va verso il basso e quindi tende a trascinare la gabbia toracica verso il basso (concetto molto importante). 1Ogni qualvolta si respira, il diaframma aumenta il volume della gabbia toracica prevalentemente lungo un vettore che tende a far "scivolare" verso il basso, anche se di poco, la gabbia toracica. Nell'immagine ci sono altri due gruppi di muscoli, che sono i cosiddetti muscoli intercostali esterni (muscoli inspiratori), presenti in tutti gli spazi intercostali, sovrapposti ai muscoli Sternocleidomastoide intercostali interni (muscoli espiratori). I muscoli intercostali esterni servono Scaleni Intercostali interni per allargare la gabbia toracica durante l'inspirazione, mentre il muscolo Sternocleidomastoideo, ancorato in alto a livello del collo, serve a tirare Intercostali esterni verso l'alto la gabbia toracica. Qual è la differenza? Questi muscoli sono considerati accessori, ovvero vengono attivati solamente in condizioni Diaframma Addominali particolari. Vale a dire quando è necessario svolgere una respirazione molto Inspirazione Espirazione più veloce come, ad esempio, nel caso di un'attività fisica; nella corsa prolungata dobbiamo aumentare la disponibilità di ossigeno a livello dei nostri polmoni perché aumenta la quota di O2 che il nostro organismo consuma in maniera sistemica, perciò è necessario potenziare gli scambi. In una respirazione tranquilla, utilizzata durante la maggior parte della giornata, questi muscoli non vengono coinvolti; l'unico muscolo coinvolto è il diaframma. Solamente quando vi è necessità di accelerare gli scambi, o di aumentare la quantità di volume di aria che viene introdotta inspirando ed espirando vengono coinvolti altri gruppi muscolari, in particolare i muscoli espiratori: · intercostali interni · muscolo obliquo esterno · muscolo retto addominale Quindi quando vengono attivati questi muscoli espiratori? Sempre in condizioni di respirazione forzata, non in condizioni di respirazione tranquilla. Per l'inspirazione si attiva prevalentemente il diaframma, in condizioni invece di maggiore sollecitazione, possono essere coinvolti muscoli inspiratori accessori ed espiratori.

Meccanismo della Ventilazione

Ventilazione polmonare e meccanica respiratoria sono due sinonimi; è lo studio dei meccanismi che regolano continue ed involontarie modificazioni del volume polmonare, le quali permettono all'aria atmosferica ricca di ossigeno di entrare nell'albero respiratorio, e poi di uscirne. Consentono di effettuare quindi inspirazione ed espirazione. Nell'immagine il diaframma, schematizzato in verde, rappresenta come spingendo verso il basso viene aumentato il volume dei polmoni, durante l'inspirazione. Quando invece il diaframma viene rilasciato, i polmoni sono spinti verso l'alto, che diminuiscono il loro volume. MECCANICA RESPIRATORIA O 1. Ventilazione polmonare o meccanica respiratoria: studia i meccanismi che regolano i continui ed involontari modificazioni del volume polmonare che permettono all'aria atmosferica ricca di O2 di entrare (inspirazione) nell'albero respiratorio ed uscirne (espirazione) 2Non è solamente questo rilasciamento del diaframma che contribuisce allo svuotamento dei polmoni, ma anche l'intrinseca proprietà elastica che sia le strutture della gabbia toracica che i polmoni stessi possiedono (Altro concetto importante). Questi tendono naturalmente a ritrarsi (come un palloncino che ha la sua elasticità, il quale una volta gonfiato, se viene aperta una valvola di sfogo, tende a ritrarsi su sé stesso). Quindi è importante considerare e definire il polmone come un organo fibro- elastico. In realtà un organo che possiede una ricca quota di elementi come la proteina elastina, che favoriscono in maniera spontanea e naturale una distensibilità: componente fondamentale per permettere la dilatazione durante l'inspirazione ma soprattutto una capacità di retrazione e ritorno alla condizione di partenza. Quindi questa particolare composizione anatomica e strutturale è molto importante per facilitare il continuo flusso di aria dall'esterno all'interno, e soprattutto per facilitare lo svuotamento del polmone stesso. A riposo il diaframma è rilassato Grazie a questa proprietà intrinseca di elasticità, il sistema può lavorare utilizzando una quota relativamente contenuta di energia. Se fosse più rigido sarebbe necessario un lavoro molto maggiore, e quindi in questo caso si ha una situazione in cui la predisposizione anatomo-funzionale del polmone garantisce uno scambio di aria molto efficiente, funzionale, e generalmente con basso consumo di ossigeno e di energia. Non bisogna però confondere lo scambio di ossigeno, che è il fine ultimo di tutto il processo, con il consumo di ossigeno che invece è a carico del diaframma. Il polmone è caratterizzato da una struttura elastica che tende a collassare su sé stessa, ma è anche ancorato alla gabbia toracica grazie alla presenza dei foglietti pleurici. Questo è un sistema estremamente dinamico che passa continuamente da una situazione di equilibrio elastico ad un'altra. In particolare, non c'è mai una situazione di stasi, se non nell'apnea, che comunque è una piccola fase dell'inspirazione. Il polmone è continuamente sottoposto ad una forza opposta rispetto a quella intrinseca di collassare su sé stesso (forza di retrazione verso l'interno). Quindi da una parte il polmone tende a collassare verso l'interno ed a ritrarsi su sé stesso, dall'altra viene stirato verso l'esterno in maniera meccanica. Per quale motivo? Perché c'è una forza che lo tende a trarre verso la gabbia toracica, e questa forza è data dalla negatività di pressione esistente all'interno dello spazio pleurico. In qualche modo è come se vi fosse una pompa che sottrae pressione a livello dello spazio pleurico e quindi tende a far sì che il polmone venga attratto dalla gabbia toracica. Questa pressione negativa è favorita da un fenomeno dinamico altrettanto importante, che è dovuto alla continua aspirazione del liquido pleurico da parte dei vasi linfatici, che tendono continuamente a rimuoverlo e drenarlo. E quindi impedendo lo scollamento del polmone dalla parete toracica, contribuisce in questo modo al mantenimento della negatività endopleurica. 3(Concetto fondamentale di forze opposte che devono essere sottoposte dinamicamente a continua modificazione dell'equilibrio tra di esse). Altra caratteristica importante della gabbia toracica è la sua intrinseca elasticità che tende, in misura minore rispetto al polmone, ad andare nella direzione opposta. Naturalmente se non sottoposto a forze di attrazione da parte del polmone, la gabbia toracica per sua conformazione anatomica tende ad espandersi. Questa tendenza all'espansione della gabbia toracica favorisce la negativizzazione dello spazio endopleurico e quindi favorisce questa forza di attrazione che la pleura e la gabbia toracica esercitano a livello del polmone stesso. A seconda dei diversi momenti in cui si vanno a misurare queste pressioni, si avranno dei valori diversi. Il diverso stato di equilibrio descritto in un determinato momento che può essere l'inizio o la fine della respirazione, fa si che ci siano continuamente delle differenze di pressione tra lo spazio intrapleurico e lo spazio intrapolmonare, all'interno degli alveoli, e tra lo spazio intrapleurico e l'atmosfera.

Pressione Pleurica

P = - 5 cmH2O Spazio pleurico Pleure Si prende in considerazione un punto di partenza, ossia la fase tra un atto respiratorio e l'altro. Il valore della pressione endopleurica è di circa -5cmH20 (pressione caratterizzata da lieve negatività, fondamentale e sufficiente per non far collassare il polmone su sé stesso). La forza di elasticità del polmone su sé stesso è potente, Diaframma Condizione di riposo poiché è sufficiente una piccola interruzione del foglietto pleurico che metta in comunicazione lo spazio endopleurico con l'atmosfera, e che vada quindi ad annullare questa differenza di pressione, questa negatività, per far sì che il polmone collassi immediatamente su sé stesso andando a chiudersi come un palloncino. Come succede nel caso dello pneumotorace, in cui si hanno delle piccole fessurazioni all'interno della pleura, a causa traumatica o spontanea, soprattutto nei soggetti giovani. Sono stati quindi introdotti due concetti fondamentali: · Azione forza verso l'interno, dovuta ad elasticità polmonare · Azione forza nella direzione opposta, dovuta alla gabbia toracica che tende ad espandersi. Queste due forze opposte favoriscono la presenza di una pressione negativa all'interno della pleura.

Meccanica della Parete Toracica

Cosa succede a livello dell'espansione della gabbia toracica? L'espansione del polmone durante l'atto respiratorio è una conseguenza dell'aumento del volume della gabbia toracica, ottenuto con la contrazione dei muscoli respiratori inspiratori che compiono un lavoro per vincere le forze contrarie di retrazione elastica del polmone. Per cui espandere il polmone richiede uno sforzo importante. Sempre facendo il parallelismo con un palloncino, si fa maggiore fatica all'inizio per vincere la resistenza elastica che è elevata, rispetto a quando il palloncino inizia a gonfiarsi, in quanto la resistenza risulta poi essere minore. 4