Funzioni dell’apparato respiratorio 1. Scambio di sostanze gassose tra atmosfera e sangue 2. Regolazione omeostatica del pH corporeo 3. Protezione da patogeni inalati e sostanze irritanti 4. Vocalizzazione Le tappe della respirazione esterna ventilazione Apparato respiratorio Sistema di conduzione Sistema di scambio Ossa e muscoli (della ventilazione) Tratto respiratorio superiore (fino trachea) Tratto respiratorio inferiore (fino polmoni) 3 sacchi membranosi - 2 pleurici - 1 pericardio Sistema di conduzione 6-13 14-23 Funzioni del sistema di conduzione: Permette il transito di aria Aumenta il contenuto in vapor acqueo dell’aria Riscaldamento dell’aria alla T corporea Filtrazione materiale estraneo: (1) cellule ciliate spingono il muco in direzione della faringe; (2) cellule caliciformi producono Filtrazione materiale estraneo (1) Cellule ciliate spingono il muco in direzione della faringe e producono soluzione salina (2) Cellule caliciformi producono muco Sistema di scambio (75 m2) Sistema di scambio Fig 163 casella Surfactante + soluzione salina Epitelio alveolare cellule alveolari (pneumociti) di tipo I e II e macrofagi Membrana basale Endotelio capillare 0.6 μm Circolazione polmonare Alto flusso e bassa resistenza I capillari ricoprono 85% della superficie degli alveoli lamina continua di sangue che scorre nei polmoni bassa resistenza Le membrane o foglietti pleurici (pleure) Pleura parietale e pleura viscerale Connettivo elastico e numerosi capillari Liquido pleurico: volume piccolo POCHI ≈ 3 ml spazio “potenziale” o virtuale caratteristiche sierose Il liquido pleurico è prodotto dalla pleura parietale, e quello in eccesso è rimosso dai vasi linfatici nel mediastino, sulla superficie superiore del diaframma e sulla superficie laterale della pleura parietale. Meccanica respiratoria I polmoni non posseggono muscolatura e quindi non sono dotati di motilità propria. I gas fluiscono da zone ad alta pressione verso zone a bassa pressione. Il movimento secondo gradiente avviene anche per i singoli gas. Il flusso d’aria nei polmoni è determinato da una ΔP tra atmosfera e alveoli Palv = Patm no flusso Palv < Patm inspirazione Palv > Patm espirazione Flusso aereo = ΔP/R R dipende da - lunghezza e calibro dei condotti - tipo di respirazione (naso o bocca) - tipo di flusso (laminare o turbolento) Il calibro dei bronchioli è sotto controllo (muscolatura liscia) del sistema ortosimpatico (broncodilatazione) e parasimpatico (broncocostrizione). Leggi dei gas Pressione parziale = Patm * % del gas nell’atmosfera. Per l’O2 = 760 mmHg * 21% = 160 mmHg Legge di Boyle P*V = K P1*V1 = P2*V2 Sequenza di eventi - I muscoli inspiratori si contraggono - la cavità toracica si espande - la pressione endopleurica diventa più negativa - la pressione sulla superficie esterna del polmone diminuisce - i polmoni si espandono - le pressione alveolare diventa sub-atmosferica - l’aria entra nei polmoni fino a che la pressione alveolare eguaglia la pressione atmosferica Modello di meccanica respiratoria Fig 166 casella Muscoli respiratori Inspiratori • inspirazione tranquilla diaframma (60-75%) intercostali esterni • inspirazione forzata sternocleidomastoidei scaleni Espiratori • espirazione tranquilla passiva • espirazione forzata m. addominali intercostali interni Come varia il volume polmonare? diaframma Innervato dai nervi frenici. A riposo il diaframma rilassato assume andamento cupuliforme. Le sue fibre si inseriscono sullo sterno, sulle coste, sulla colonna vertebrale e sul pericardio La contrazione del diaframma determina un aumento del diametro cranio-caudale della gabbia toracica: In condizioni di respiro normale il diaframma si abbassa di ≈2 cm 75% del ΔV ≈ 350 ml In condizioni di respiro forzato (profondo) il diaframma si abbassa di ≈10 cm ΔV ≈ 2000-4000 ml (Soggetti obesi, gravidanza, corsetti, …) Come varia il volume polmonare? coste I muscoli intercostali esterni sono innervati dai nervi intercostali. La loro contrazione determina modificazione del diametro antero-posteriore della gabbia toracica e del diametro trasverso (soprattutto le più caudali). Leva di I genere Contribuiscono ad alzare la gabbia toracica e quindi ad aumentare il d. antero-posteriore i muscoli scaleni e sternocleidomastoidei. In condizioni di respiro normale queste variazioni di volume corrispondono al 25% I volumi e le capacità polmonari Lo spirometro: un sistema chiuso La spirometria è un processo che permette di studiare la ventilazione polmonare analizzando i volumi d’aria che si muovono verso e dai polmoni. Il tracciato spirometrico dei volumi e delle capacità polmonari Nelle femmine 20-25% in meno Volumi polmonari 1) Il volume corrente è il volume dell’aria che entra dall’albero respiratorio nel corso di un atto respiratorio in condizioni di riposo; nell’uomo adulto esso è compreso tra 300 e 500 ml. 2) Il volume di riserva inspiratoria è la quantità massima di aria che può essere inspirata con una inspirazione forzata che segua a un’inspirazione normale. Esso ammonta a circa 2000-2500 ml. 3) Il volume di riserva espiratoria è la quantità massima di aria che può essere espirata con una espirazione forzata che segua a un’espirazione normale; essa ammonta a 1000-1500 ml. 4) Il volume residuo è la quantità d’aria che rimane nell’albero respiratorio al termine di una espirazione forzata; essa ammonta a circa 1500 ml. Capacità polmonari 1) Capacità funzionale residua è pari alla somma Volume di riserva espiratoria + volume residuo, ed è il volume d’aria che rimane nell’albero respiratorio alla fine di una normale espirazione. 2) Capacità inspiratoria è pari alla somma Volume corrente + volume di riserva inspiratoria, che esprime il massimo volume che può essere inspirato partendo dalla fine di una normale espirazione. 3) Capacità vitale o respiratoria è pari alla somma Volume corrente + Volume di riserva inspiratoria + Volume di riserva espiratoria e rappresenta il massimo volume di aria che può esser espulso con una espirazione forzata partendo dalla fine di una inspirazione forzata. 4) Capacità polmonare totale è pari alla somma Capacità vitale + volume residuo cioè il massimo volume d’aria che può essere accolto nei polmoni. Misura del volume residuo metodo della diluizione di un gas He: gas inerte che diffonde lentamente nei tessuti SPIROMETRO SPIROMETRO V1 Il volume residuo si calcola per sottrazione del volume di riserva espiratoria dalla capacità funzionale residua Quantità elio (Q): prima dopo C1 * V1 = C2 * V2 CFR = V1 * (C1-C2) / C2 Q = C1 * V1 Q = C2 * V2 V2 = V1 + CFR VR = CFR - VRE spirometro Diagramma di elasticità toraco-polmonare Relazione P/V nei polmoni in condizioni statiche In condizioni statiche = in assenza di flusso nelle vie aeree Come si ottiene: narici chiuse spirometro volume polmonare manometro in faringe pressione intrapolmonare (Palv – Patm) Sequenza eventi: inspirare o espirare volumi di aria noti e crescenti ad ogni volume si chiude la comunicazione con spirometro si invita il soggetto a rilasciare la muscolatura respiratoria misurazione della pressione intrapolmonare a flusso aereo = 0 Le pressioni sono generate esclusivamente dalle forze passive (ELASTICHE) delle strutture toraco-polmonari. La curva di rilasciamento toraco-polmonare La curva a è detta curva delle pressioni di rilasciamento TORACO-POLMONARE Vr = volume all’equilibrio Al di sopra di questo volume l’apparato respiratorio genera P positive espirazione Al di sotto di questo volume l’apparato respiratorio genera P negative inspirazione L’equilibrio del sistema toraco-polmonare si ha al termine di un’espirazione tranquilla P atmosferica riferimento La compliance toraco-polmonare La compliance è un indice di “distensibilità”. C = ΔV/ΔP La compliance toraco-polmonare è espressa della tangente alla curva a in ogni suo punto. Nell’intorno di Vr è (intorno a 0,13 l/mmHg). costante Curve di rilasciamento, di massima inspirazione e di massima espirazione Pressioni “polmonari” PA = P intraalveolare PIP = P intrapleurica PTP = P transpolmonare PTT = P transtoracica PTM = P transmurale P TM = PTP + PTT La curva b è detta curva delle pressioni di rilasciamento del TORACE In condizioni fisiologiche il torace ha un volume superiore (V0T) a quello dell’intero sistema (Vr). Quindi: - sotto tale volume genera P negative tende ad espandersi; - sopra tale volume genera P positive tende a collassare. Cosa succede durante lo pneumotorace? La curva c è detta curva delle pressioni di rilasciamento del POLMONE In condizioni fisiologiche il polmone ha un volume che è sempre superiore al suo volume di equilibrio V0P. Quindi: - genera P positive; - tende a spingere aria fuori. Cosa succede durante lo pneumotorace? La P intrapleurica, la P alveolare e il volume si modificano durante la ventilazione (ventilazione tranquilla) P atmosferica riferimento Minima (fine inspirazione) Quando la gabbia toracica si espande la pressione intrapleurica diminuisce ↓ la P sulla superficie esterna del polmone il polmone si espande Depressione di Donders Le compliance toracica e polmonare La compliance è un indice di “distensibilità”. C = ΔV/ΔP La compliance del polmone o del torace isolato sono superiori a quello del sistema toracopolmonare quindi le variazioni di volume avverrebbero con più facilità nei polmoni e nel torace isolati. La compliance del sistema torace-polmone (110 ml/cm H2O) è la metà di quella che si riscontra nel polmone isolato (200 ml/cm H2O). Curve pressione-volume nel polmone isolato Caratteristiche delle curve P-V del polmone isolato 1) È presente forte isteresi; 2) l’isteresi è tanto più accentuata quanto più piccolo è il volume di partenza (in insufflazione), cioè quanto più collassato è il polmone; e quanto più grande è il volume insufflato ad ogni ciclo; 3) la presenza di isteresi impone che la compliance venga definita in condizioni standard (tipicamente per un normale volume corrente a partire dalla FRC, dopo un respiro profondo); Diagramma di compliance dei polmoni (Respirazione normale) Due differenti curve di compliance per le due fasi della respirazione: mostrano la capacità dei polmoni di adattarsi a piccole modifiche della pressione transpolmonare Compliance curve Compliance curve Caratteristiche delle curve P-V del polmone isolato 1) È presente forte isteresi; 2) l’isteresi è tanto più accentuata quanto più piccolo è il volume di partenza (in insufflazione), cioè quanto più collassato è il polmone; e quanto più grande è il volume insufflato ad ogni ciclo; 3) la presenza di isteresi impone che la compliance venga definita in condizioni standard (tipicamente per un normale volume corrente a partire dalla FRC, dopo un respiro profondo); 4) è opportuno definire anche una compliance specifica (compliance normalizzata per la FRC o la capacità polmonare totale). Curve pressione-volume nel polmone isolato Quali sono le forze che tendono a far collassare i polmoni: 1) Tensione delle fibre elastiche 2) Tensione superficiale Fig 170 casella Dati dal confronto delle curve P-V nel polmone insufflato con aria o riempito con soluzione salina 1) Circa tre quarti dell’isteresi è dovuta a effetti di tensione superficiale; il rimanente è dovuto alle proprietà del tessuto; 2) vicino al volume residuo dominano le proprietà elastiche del tessuto; vicino alla capacità polmonare totale aumenta l’importanza relativa della tensione superficiale; Relazione fra V e P in una bolla Relazione fra V e P in una bolla con aggiunta di una componente tissutale Curve pressione-volume nel polmone isolato Dati dal confronto delle curve P-V nel polmone insufflato con aria o riempito con soluzione salina 1) Circa tre quarti dell’isteresi è dovuta a effetti di tensione superficiale; il rimanente è dovuto alle proprietà del tessuto; 2) vicino al volume residuo dominano le proprietà elastiche del tessuto; vicino alla capacità polmonare totale aumenta l’importanza relativa della tensione superficiale; 3) vicino al volume residuo le curve in aria e in salina non divergono ma convergono: quindi la tensione superficiale deve ridursi rapidamente al diminuire del raggio degli alveoli. La tensione superficiale negli alveoli: effetto del surfactante dipalmitoilfosfatidilcolina Pure water (surface pressure) 72 dynes/cm Normal fluid lining alveoli without surfactant (surface pressure) 50 dynes/cm Normal fluid lining alveoli with surfactant 5-30 dynes/cm Composizione % La densità di surfactante è maggiore negli alveoli più piccoli equilibrio tensione superficiale tra alveoli grandi e piccoli Tensioattivo equidistribuito Tensioattivo non equidistribuito (concentrazione maggiore negli alveoli piccoli) Gli alveoli presentano così una uguale resistenza all’espansione Curve pressione-volume nel polmone isolato Dipendenza della tensione superficiale dall’area dell’interfaccia Relazione P-V: effetto di una tensione superficiale variabile Polmone privo di surfattante (sindrome distress respiratorio del neonato) Resistenza delle vie respiratorie . V = ΔP (Palv-Patm) / Raw (resistenza vie respiratorie) . Raw = ΔP / V R = 8ηl / π r4 Bronchioli provvisti di muscolatura liscia contrazione (operata tra l’altro da istamina) aumento resistenza vie respiratorie Respiro turbolento (intensa attività fisica) flusso prevalentemente turbolento (non laminare) aumento resistenza espirazione forzata (muscoli respiratori) Pneumotacografia e pletismografia per la misura della pressione alveolare e di Raw Relazione fra la Raw e il volume polmonare Fattori che influenzano i diametri tracheobronchiali in condizioni dinamiche Il lavoro respiratorio Il lavoro respiratorio è dato dalla contrazione muscolare durante l’inspirazione. L’espirazione è quasi passiva dovuta al richiamo elastico. In assenza di contrazioni dei muscoli respiratori le forze che tendono a far collassare i polmoni (tensione sup. e fibre elastiche) sono uguali e opposte a quelle che agiscono in direzione opposta (proprietà elastiche gabbia toracica) I muscoli respiratori devono sia in senso inspiratorio che espiratorio modificare la condizione di equilibrio definita dal volume “a riposo”. Il lavoro inspiratorio è suddiviso in 3 frazioni: 1) Quello richiesto per espandere i polmoni contro le forze elastiche polmonari e della gabbia toracica compliance work o lavoro elastico 2) Quello richiesto per superare la viscosità delle strutture toraco-polmonari 3) Quello richiesto per superare le resistenze al flusso d’aria ai polmoni Lavoro respiratorio = forza x spostamento = pressione x volume Lavoro elastico: Vr A In assenza di attriti tutto il lavoro sarebbe trasformato in energia cinetica dell’aria. V2 L= V1 P *dV (= area triangolo rosa) La curva a è detta curva delle pressioni di rilasciamento TORACO-POLMONARE Il rapporto ΔV/ΔP è costante solo in una piccola porzione della curva La compliance è massima a volumi intermedi La compliance è volumi bassi o alti minore Se C è bassa il lavoro respiratorio richiesto è alto. Se C è alta il lavoro respiratorio richiesto è basso. a Il lavoro respiratorio Il lavoro respiratorio è dato dalla contrazione muscolare durante l’inspirazione. L’espirazione è quasi passiva dovuta al richiamo elastico. Il lavoro inspiratorio è suddiviso in 3 frazioni: 1) Quello richiesto per espandere i polmoni contro le forze elastiche polmonari e della gabbia toracica compliance work o lavoro elastico (65%) 2) Quello richiesto per superare la viscosità delle strutture toraco-polmonari 3) Quello richiesto per superare le resistenze al flusso d’aria ai polmoni (35%) 1) Dipende dalla variazione di volume mentre 2) e 3) dalla velocità con cui avvengono le variazioni volumetriche La compliance del sistema torace-polmone si misura su soggetti “completamente rilassati o paralizzati. La compliance del sistema torace-polmone (110 ml/cm H2O) è la metà di quella che si riscontra nel polmone isolato (200 ml/cm H2O) Risposte di un sistema meccanico ad un’azione Dinamica del ciclo respiratorio Il lavoro respiratorio non-elastico Richiede la determinazione di un diagramma P/V in condizioni dinamiche e non può essere ricavato dalle curve a, b, c viste finora perché ottenute in condizioni statiche. Pneumotacografo indica le variazioni volumetriche intrapolmonari (derivate dal flusso alla bocca) Manometro anch’esso posizionato alla bocca t2 V= F(t) *dt t1 Lavoro non elastico del sistema toraco-polmonare per inspirare ed espellere lo stesso volume corrente a tre frequenze respiratorie I ed E coincidono e sono gli unici punti statici del diagramma. La retta IE indica la relazione V-P che teoricamente dovrebbe seguire il sistema se non fossero presenti attriti. La pendenza dV/dP esprime la compliance toracopolmonare puramente elastica. Il progressivo spostamento verso destra della curva di inspirazione con il crescere della frequenza è un indice che viene compiuto lavoro non elastico. La resistenza sarà maggiore al crescere della frequenza. Il lavoro non elastico è rappresentato dall’area compresa tra ciascuna curva e la retta c.