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TEMAS: MECANICA VENTILATORIA – VENTILACION PULOMAR MECANICA VENTILATORIA Volúmenes y capacidades pulmonares: Volumen Litros Es el volumen de aire que... Corriente (VC) 0,5 ...se inspira o espira en un movimiento respiratorio tranquilo y normal en reposo. De reserva inspiratoria (VRI) 3 ...puede ser inspirado después de una inspiración normal en reposo. De reserva espiratoria (VRE) 1,2 ...puede ser espirado después de una espiración normal en reposo. Residual (VR) 1,2 …permanece en los pulmones aún después de una espiración forzada. Muerto (VD) 0,15 …no llega a los alvéolos y no realiza intercambio gaseoso. Capacidad Litros Es la capacidad… Total de los pulmones 6 …total de los pulmones (comprende todos los volúmenes). Capacidad vital (VRI + VC + VRE) 4,6 …que se puede espirar después de haber realizado una inspiración completa. Residual funcional (VRE + VR) 2,4 …de aire que queda en los pulmones luego de una espiración normal. Inspiratoria (VC + VRI) 3,5 …máxima de aire que se puede inspirar luego de una espiración normal. Otros parámetros importantes normales: Ventilación alveolar = 4 a 5 litros; frecuencia respiratoria = 12 ciclos / minuto. Ventilación pulmonar: El propósito principal del aparato respiratorio es lograr un intercambio gaseoso efectivo, de manera segura y con un costo de energía aceptable. La ventilación pulmonar, primera etapa del proceso de la respiración, consiste en el movimiento de aire hacia el pulmón y desde él, a fin de renovar el gas alveolar, manteniendo su composición para que se realice en forma adecuada el intercambio gaseoso. El volumen de aire movilizado (que ingresa o egresa al/del aparato respiratorio) en cada ciclo es el volumen corriente (VC), mientras que la cantidad de aire movilizado en un minuto constituye el volumen minuto respiratorio o ventilación pulmonar total (VT). No todo el aire inspirado llega a la zona de intercambio gaseoso (alvéolos) ya que una fracción vías permanece en las aéreas y se denomina espacio muerto (VD). La cantidad de aire que en un minuto alcanza el espacio alveolar constituye la ventilación alveolar (VA). El pulmón y la caja torácica (incluido el diafragma) forman una unidad funcional y se mueven al unísono, razón por la cual el volumen pulmonar está determinado por el tamaño del tórax, así la expansión del tórax aumenta el volumen pulmonar, en tanto que su retracción lo disminuye. El pulmón y el tórax se encuentran unidos por medio del líquido pleural, que facilita el desplazamiento de ambos y hace más difícil separarlos al ejercer una fuerza perpendicular a sus superficies. Ambas estructuras son elásticas (es decir que recobran su forma inicial luego de que una fuerza deformante deja de actuar sobre ellos), pero sus propiedades elásticas son opuestas, el pulmón tiende a retraerse en tanto que el tórax tiende a expandirse. Al final de la espiración las fuerzas elásticas del pulmón y del tórax son equivalentes y opuestas, así la tendencia del pulmón a retraerse es balanceada perfectamente por la tendencia del tórax a expandirse. En este momento de equilibrio entre dos fuerzas contrapuestas, el sistema respiratorio alcanza la situación de reposo siendo el flujo de aire igual a 0. Estas fuerzas opuestas son la causa de que la presión pleural sea negativa. Para que la ventilación pulmonar se lleve a cabo es necesario vencer la impedancia del sistema, compuesta por variables dinámicas (fuerzas resistivas) y variables estáticas (propiedades elásticas). Para vencer tanto las fuerzas resistivas como las elásticas es necesario que los músculos inspiratorios ejerzan una fuerza que provoque la expansión torácica y la disminución de la presión pleural (PPL). La caída de la presión en el espacio pleural obliga al pulmón a acompañar al tórax en su expansión. Esto determina la disminución de la presión alveolar (PA) por debajo de la presión atmosférica (PB). Esta diferencia de presión entre el espacio alveolar y la atmósfera genera el flujo de aire inspiratorio. La diferencia entre la presión alveolar y la presión pleural se denomina presión transpulmonar (PTP). Una estimación de la PTP se logra reemplazando la PA y la PPL por la medición de la presión en las vías aéreas (PAW) y la presión esofágica (PES) respectivamente. La magnitud de la disminución inspiratoria de la PES es indicativa del esfuerzo del paciente por respirar y debe ser más acentuada en condiciones de distensibilidad (compliance) disminuida o resistencia aumentada. Presión pleural: como el pulmón y el tórax están soportando una tensión igual y opuesta intentarán separarse, creando así una presión subatmosférica a nivel de la interfase pleural. Esta presión "negativa" se mide en el espacio intrapleural y alcanza unos -5 cm de H2O en el adulto normal al final de la espiración. Presión alveolar: es la presión en los alvéolos. Cuando no hay flujo y las vías aéreas están abiertas, en comunicación con la atmósfera, es igual a la presión atmosférica. Cambia su valor durante el ciclo respiratorio para generar un gradiente de presión y permitir la entrada o salida de aire. Espirometría: Es el registro gráfico de la respiración de una persona. El espirómetro consta de una campana llena de aire. El individuo que realiza la espirometría toma el aire de la campana durante la inspiración y lo devuelve en la espiración. La campana se halla conectada con una aguja inscriptora la cual registra las variaciones del volumen pulmonar sobre el papel colocado en el tambor del espirómetro o quimógrafo. El quimógrafo puede girar a dos velocidades: lenta y rápida. En el eje de las ordenadas se mide el volumen de aire que entra al pulmón (trazo ascendente) o que sale del pulmón (trazo descendente), expresándose el resultado en ml de aire. En el eje de las abscisas se mide el tiempo. La escala que corresponde es: Volumen: 1 mm equivale a 33 ml de aire. Tiempo: 30 mm corresponden a 30 seg en velocidad lenta: (1mm/seg.) y a 1 seg en velocidad rápida (30 mm/seg). A: Tambor del espirómetro B: Cámara de aire C: Campana flotante D: Agua E: Boquilla En el trabajo de laboratorio se realizó una espirometría con un alumno voluntario en condiciones: normales, luego de un período de apnea, en ventilación forzada (es decir, consciente), y luego de realizar ejercicio físico intenso. Dado que el espirómetro sólo puede medir el arie expulsado de los pulmones, incluso bajo espiración forzada no puede medir el volumen residual. Propiedades elásticas: La elasticidad del sistema respiratorio englobado - pulmón y tórax acoplados - es el balance entre la elasticidad de ambos componentes. La pendiente ΔV/ΔP (volumen – presión) se llama distensibilidad. Su inversa, la elastancia, es una medida de la resistencia elástica a la distensión. El punto de reposo del sistema corresponde al final de una espiración tranquila (CRF) y la elastancia del sistema se opone tanto a la inspiración como a parte de la espiración. En suma: la elastancia del pulmón es la principal fuerza elástica que se opone a la inspiración normal, mientras que en la espiración forzada bajo CRF (tos), la elastancia del tórax es la principal fuerza que deben vencer los músculos espiratorios. La presión transpulmonar (Ptp) se mide en la pausa que se produce al final de inspiración y espiración cuando el flujo es igual a cero, de manera que las resistencias friccionales no interfieran. Dividiendo el cambio de volúmen (V), por Ptp, se obtiene la distensibilidad estática, que tiene el valor normal de 0,2 l/cm H2O. Mientras más distensible sea el elástico pulmonar mayor será el aumento de volumen por unidad de presión aplicada. La distensibilidad puede verse afectada por diversas enfermedades. En la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC, enfisema), las paredes alveolaresdegeneran progresivamente, lo que hace que aumente la distensibilidad pulmonar. Pequeños cambios en la presión transpulmonar dan lugar a grandes cambios en el volumen pulmonar. En la fibrosis pulmonar, caracterizada por un aumento de la rigidez del pulmón, (distensibilidad baja), grandes cambios en la presión transpulmonar dan lugar a pequeños cambios en el volumen pulmonar. El surfactante secretado por las células tipo II del epitelio alveolar, permite que la tensión superficial varíe con el volumen pulmonar. Durante la inspiración la t. superficial se eleva, durante la espiración la tensión superficial alveolar disminuye rapidamente (en comparación con el inflado, se necesita menos presión transpulmonar para mantener el mismo volumen). La relación entre volumen pulmonar y flujos espiratorios e inspiratorios máximos puede representarse gráficamente mediante la curva flujo- volumen. Ésta se obtiene registrando en un gráfico de coordenadas el volumen pulmonar y el flujo aéreo. Los cambios de volumen pulmonar se inscriben en el eje horizontal, y se expresan como porcentaje de la capacidad vital (CV), mientras que los flujos aéreos inspiratorio y espiratorio, se representan en el eje vertical. La curva espiratoria es aproximadamente triangular y el máximo flujo espiratorio se alcanza a volumenes pulmonares altos (entre 75 y 100% de la CV). Este flujo espiratorio máximo (FEM) depende del esfuerzo efectuado y de la resistencia de las vías aéreas mayores. Después de alcanzado este máximo, los flujos espiratorios van disminuyendo gradualmente a medida que se reduce el volumen pulmonar. Los flujos espiratorios máximos medidos al 50 y 25% de la CV son, una vez que se ha sobrepasado un esfuerzo mínimo, independientes del esfuerzo desarrollado y sólo dependen de la presión de retracción elástica y de la resistencia de la vía aérea entre el alvéolo y el punto de igual presión. Este índice depende del esfuerzo y de la resistencia de la vía aérea central. PACO2 = K * VCO2 VA VA = (VT * fr) - (VD * fr) Capacidad vital forzada (CVF) o volumen espiratorio forzado (VEF): Consiste en medir con el espirómetro en velocidad rápida de registro el tiempo en que se espira la capacidad vital lo más rápidamente posible. El individuo debe respirar normalmente y luego realizar una inspiración máxima seguida por una espiración máxima y rápida. También se puede realizar una curva de inspiración forzada o sea primero exhalar completamente todo el aire y luego inspirar rápido y profundo. La capacidad vital se mide desde el punto máximo de la inspiración hasta el máximo de la espiración. En la curva de capacidad vital cronometrada se mide el porcentaje (%) de la capacidad vital espirada en el 1º y 3º segundo de espiración. En el 1º normalmente se espira el 83% de la capacidad vital y en el 3º el 90% de la misma. El volumen espiratorio forzado del primer segundo o (VEF1º) es un índice relevante de la resistencia de la vía aérea por lo que cuando se reduce se dice que hay un defecto ventilatorio obstructivo. El VEF 3º es menos sensible a la obstrucción que el VEF 1º. La capacidad vital puede ser similar entre una persona normal y otra con obstrucción, sin embrago siempre existirá una diferencia en la cantidad de aire que pueden espirar en cada segundo, especialmente en el primero. VENTILACION PULMONAR Recordemos que, a diferencia de la ventilación pulmonar total (aire que es movilizado -ingresa o egresa al/del aparato respiratorio- en un minuto), es la porción del mismo que llega a los alvéolos, dejando de lado a aquél que nunca sale del espacio muerto (vías aéreas que no realizan intercambio gaseoso). La ventilación alveolar normal se define como aquella capaz de mantener la presión alveolar de CO2 (PACO2) dentro de los límites de 35 a 45 mm Hg. La presión alveolar de CO2 depende del volumen de CO2 volcado desde los tejidos (VCO2, que es de 200 ml/min) y del flujo de aire en el alvéolo (VA). La VA (para una producción de CO2 constante) es inversamente proporcional a PACO2, por lo que si aumenta al doble, la PACO2 disminuye a la mitad, y si VA disminuye a la mitad, PACO2 aumenta al doble. Además, la ventilación alveolar es el resultado de la interacción entre el volumen corriente (VT)*, el volumen muerto (VD)*, y la frecuencia respiratoria (fr), por lo que se puede calcular como: Es por esto que si disminuye la ventilación alveolar, significa que la frecuencia respiratoria también está disminuida, y viceversa. Recordar: Vale más aumentar el volumen corriente que la frecuencia respiratoria. Diferencias regionales en la ventilación alveolar: La ventilación no se distribuye de forma uniforme dentro del pulmón, en gran parte por los efectos de la gravedad. En posición erecta, los alvéolos del vértice del pulmón se encuentran más expandidos que los basales. La gravedad tira del pulmón hacia abajo y tiende a alejarlo de la pared torácica. Dadas las diferencias del volumen alveolar entre el vértice y la base de los pulmones, los alvéolos de la base se localizan en la zona de mayor pendiente de la curva presión-volumen, y reciben más ventilación (es decir, su distensibilidad es mayor). Por el contrario, los alvéolos del vértice están más próximos a la parte alta de la curva presión-volumen. Además de los efectos de la gravedad sobre la distribución de la ventilación, la ventilación de las unidades respiratorias terminales tampoco es uniforme, debido a la variabilidad de la resistencia de la vía aérea (R) o la distensibilidad (C). Esto se puede describir de forma cuantitativa mediante la constante de tiempo (T): T =R x C Las unidades alveolares con constantes de tiempo largas se llenan y vacían lentamente. Por tanto, una unidad alveolar con un aumento de la resistencia en la vía o una mayor distensibilidad tarda más en llenarse y en vaciarse. En los adultos sanos la frecuencia respiratoria es de 12 veces por minuto, la inspiración dura unos 2 segundos y la espiración unos 3 segundos. Ejercicio: “Se hizo respirar a un sujeto en una bolsa de Douglas*, y se recogieron 6,9 litros/minuto con una concentración de CO2, de 4%. ¿Cual será el volumen de ventilación alveolar si la concentración alveolar de CO2 es de 5,6 %? ¿Cual será el volumen del espacio muerto si la frecuencia es de 13 ciclos por minuto?” *Una bolsa de Douglas es un saco donde se recoje toda la espiración de una persona. A temperatura constante de 37° C la presión ejercida por el vapor es de 47 mm Hg. Si queremos medir la presión parcial de los gases en las vías respiratorias, entonces, es necesario restarle a la presión total la presión exclusiva del agua: (760 - 47) x (5,6/100) = 39,9 mm Hg es la presión parcial alveolar de CO2. Si la producción de CO2 es normal (VCO2 = 200 ml/min), entonces: VA = 5 litros. (Está dentro de los valores normales 4-5). Si se recogieron 6,9 litros en un minuto, con una frecuencia de 13 ciclos / min, entonces el volumen corriente fue de: 6,9 / 13 = 0,53 ltr. Sabiendo ya la ventilación alveolar, entonces: 5 = (0,53 * 13) – (VD * 13) = VD = 0,15, también normal. Ecuación del gas alveolar: Existe en la respiración una relación de intercambio gaseoso (R), que es el resultado del volumen de CO2 que es expulsado por el cuerpo y el O2 que es absorbido. En condiciones de reposo, R = 0,8, lo que significa que el volumen de CO2 eliminado es menor que el de O2 absorbido. Esta relación se puede emplear, además, para determinar la presión alveolar de oxígeno (conociendo además de R la presión parcial del oxígeno inspirado –PIO2, que es de 150 mm Hg, y la presión alveolar de dióxido de carbono): Esta misma ecuación puede emplearse al revés, para conocer la presión alveolar de dióxido de carbono sabiendo la del oxígeno. Solubilidad de los gases y difusión: Recodemos que la solubilidad es una medida dela capacidad de disolverse una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (solvente). La solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y la variación de entropía que acompaña a la solvatación, por lo que está condicionada por factores como la temperatura y la presión. • Ley de Henry: “A una temperatura constante, la cantidad de gas disuelta en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido”: S = ks . P (donde P = presión parcial del gas, S la concentración del gas y ks es la constante de Henry, que depende de la naturaleza del gas, la temperatura y el líquido). Los distintos gases tienen entonces distintos coeficientes de solubilidad. Cuando la presión parcial se expresa en atmósferas (una presión de 1 atmósfera es equivalente a 760 mm Hg) y la concentración se expresa en volumen de gas disuelto en cada volumen de agua, los coeficientes de solubilidad de gases respiratorios importantes a temperatura corporal son los siguientes: Oxígeno = 0,024 Dióxido de carbono = 0,57. 39,9 = 200 VA A partir de esto se puede ver que el dióxido de carbono es más de 20 veces más soluble que el oxígeno. Por tanto, la presión parcial del dióxido de carbono (para una concentración dada) es menor de 1/20 de la que ejerce el oxígeno. Ahora vamos a la difusión: Recordemos que la difusión es un proceso físico en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente. En fisiología, la difusión de los gases está sujeta a las leyes: • Ley de Graham: Establece que las velocidades de difusión y efusión de los gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus respectivas masas molares: Siendo v las velocidades y M las masas molares. En otras palabras: cuanto menor sea la masa de una molécula, más rápida será su difusión. • Ley de Fick: Es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial que describe diversos casos de difusión de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Donde: J = cantidad de sustancia que se desplaza por unidad de tiempo, D = coeficiente de difusión libre para una molécula determinada, A = sección de la vía de difusión y ( ΔC / ΔX ) es el gradiente de concentración del soluto. Difusión en los alvéolos: El proceso de difusión del gas es pasivo y se parece independientemente de que la difusión tenga lugar en estado líquido o gaseoso. La velocidad de difusión de un gas a través de un líquido se establece por la ley de Graham. El cálculo de las propiedades de difusión del O2 y el CO2 muestra que el CO2 difunde a una velocidad 20 veces mayor que el O2. Las velocidades de difusión del oxígeno desde los pulmones a la sangre y de la sangre a los tejidos (y al contrario, en el caso del CO2) pueden predecirse a partir de la ley de Fick para la difusión de los gases. Coeficientes de difusión de los gases: Oxígeno = 1 Dióxido de carbono = 20,3 Perfusión: El término perfusión significa hacer llegar un líquido a un sistema de conductos; en este caso, el lecho capilar, y es de gran importancia para la respiración; la difusión de los gases insolubles entre el gas alveolar y la sangre (como el oxígeno) se considera limitada por la perfusión porque la presión parcial del gas en la sangre que sale del capilar ha llegado al equilibrio con los gases alveolares, y sólo está limitada por la cantidad de sangre que perfunde el alvéolo. Por el contrario, los gases que se limitan por la difusión, como el CO, muestran una baja solubilidad en la membrana alvéolo- capilar, pero una elevada solubilidad en la sangre por su alta afinidad por la hemoglobina (Hb). Estas características impiden que el CO alcance el equilibrio entre el gas alveolar y la sangre durante el tiempo de tránsito de los hematíes. Uniendo el elemento de la perfusión con la ley de Fick y de Graham, se puede observar que para gases como el oxígeno y el dióxido de carbono el intercambio gaseoso va a depender: del gradiente de concentración del gas (presión parcial en sangre venosa y presión alveolar), el grosor y la superficie de la membrana respiratoria, el coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana, y la perfusión de cada alvéolo en particular. Unidad respiratoria: Formada por un bronquíolo respiratorio, los conductos alveolares, los atrios y los alvéolos. La membrana alveolar está formada por el epitelio y membrana basal alveolar, una fina capa de líquido intersticial, y la membrana basal y endotelio capilar. Diferencias regionales perfusión – ventilación: Normalmente en cierta medida, y especialmente en muchas enfermedades pulmonares, algunas zonas de los pulmones están bien ventiladas pero casi no tienen flujo sanguíneo, mientras que otras zonas pueden tener un flujo sanguíneo excelente con una ventilación escasa o nula. Por tanto, se ha desarrollado un concepto para ayudarnos a comprender el intercambio gaseoso cuando hay un desequilibrio entre la ventilación alveolar y el flujo sanguíneo alveolar. Este concepto se denomina cociente ventilación-perfusión. El cociente ventilación-perfusión se expresa como VA/Q .Cuando VA (ventilación alveolar) y Q (flujo sanguíneo) son normales para un mismo alvéolo, se dice que el cociente de ventilación-perfusión (VA/Q) es normal. Cuando la ventilación es cero y sigue habiendo perfusión del alvéolo, el cociente VA/Q es cero. En el otro extremo, cuando hay una ventilación adecuada pero una perfusión cero, el cociente es infinito. En una persona normal en posición erguida tanto el flujo sanguíneo capilar pulmonar como la ventilación alveolar son mucho menores en la parte superior del pulmón que en la parte inferior; sin embargo, hay una disminución mucho mayor del flujo sanguíneo que de la ventilación. Por tanto, en la parte superior del pulmón el cociente V a/Q es hasta 2,5 veces mayor del valor ideal, lo que da lugar a un grado moderado de espacio muerto fisiológico J = – D * A * ( ΔC / ΔX ) en esta zona del pulmón. En el otro extremo, en la parte inferior del pulmón, también hay una ligera disminución de la ventilación en relación con el flujo sanguíneo, de modo que el cociente VA/Q es tan bajo como 0,6 veces el valor ideal. En esta zona una pequeña fracción de la sangre no se oxigena normalmente y esto representa un cortocircuito fisiológico. Espacio muerto fisiológico y anatómico: Si bien ya hablamos de espacio muerto, hay que diferenciar 2 términos: El anatómico es el espacio muerto causado por las propias vías aéreas que no pueden realizar el intercambio. El fisiológico incluye al anatómico, pero también a los alvéolos que no tienen una buena perfusión o ventilación. En individuos sanos el «espacio muerto fisiológico» debería ser igual al «espacio muerto anatómico». Dependiendo de este factor, se puede zonificar a los pulmones en tres partes: Zona 1. Es una porción ventilada pero no perfundida. Casi toda esta zona es integrante del espacio muerto fisiológico. En personas de pie corresponde a la parte más craneal del pulmón; en decúbito (acostada), con la parte más frontal. Esto se debe al efecto de la gravedad sobre la perfusión. En individuos sanos esta zona debe ser prácticamente inexistente. Zona 2. Es una zona media. Su estado normal es estar perfundida y ventilada, pero diversos factores pueden modificarla y parcialmente convertirla en zona 1. Zona 3. Corresponde a la parte más baja de los pulmones. Siempre está perfundida y ventilada. Por esta virtud nunca constituye espacio muerto fisiológico. Circulación bronquial y pulmonar: El pulmón tiene dos irrigaciones distintas. La circulación pulmonar aporta sangre desoxigenada del ventrículo derecho a las unidades responsables del intercambio de gases para que eliminen el CO2 y oxigenen la sangre, antes de devolverla a la aurícula izquierdapara su distribución por el resto del organismo. La circulación bronquial se origina en la aorta, y da la nutrición al parénquima pulmonar. La circulación pulmonar es única por ser doble y porque puede asumir grandes volúmenes de sangre a baja presión. Ambas circulaciones se juntan en su retorno a la aurícula posteromedia, creando un shunt fisiológico. La regulación del flujo pulmonar y bronquial se produce por los mismos mecanismos que la circulación normal (diferencia de presiones venosa/arterial generada por el corazón), pero hay mecanismos “extra” que influyen en ellas. Los niveles de oxígeno influyen de forma importante sobre el flujo. Se produce una vasoconstricción hipóxica como respuesta a una reducción de la PO2 alveolar. La respuesta es local, y puede ser una respuesta protectora para derivar el flujo desde las regiones hipóxicas a otras bien perfundidas en un esfuerzo para aumentar el intercambio de gases. La hipoxia local aislada no modifica la resistencia vascular periférica (RVP); aproximadamente el 20% de los vasos tienen que estar hipóxicos antes de que se pueda detectar un cambio medible en la RVP. Otros factores y algunas hormonas pueden influir sobre el calibre vascular, pero suele tratarse de efectos locales, de corta duración y que sólo adquieren importancia en situaciones
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