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.