Bioengineering of the Respiratory System

DIAFRAMMA

Il diaframma è un muscolo membranoso che separa la cavità addominale e toracica e negli adulti ha una superficie totale di circa 900 cm2. È il muscolo inspiratorio più importante, con innervazione motoria esclusivamente dai nervi frenici (C3). In confronto ad altri muscoli scheletrici, il diaframma è estremamente attivo. Le fibre muscolari all'interno del diaframma possono ridurre la loro lunghezza fino al 40% tra il volume residuo e la capacità polmonare totale e passare il 45% di ogni giorno a contrarsi, rispetto al solo 14% del muscolo soleo. Il diaframma ha una notevole riserva di funzione e il blocco frenico unilaterale causa un lieve decremento della capacità ventilatoria complessiva. Le origini della parte crurale del diaframma sono le vertebre lombari e i legamenti arcuati, mentre le parti costali derivano dalle costole inferiori e dallo xifisterno. Le fibre costali sono fibre attive attaccate alle coste. Nella parte posteriore

Abbiamo le fibre crurali attaccate nella parte posteriore alle vertebre. Entrambe le parti sono inserite nel tendine centrale. Il tendine centrale è una parte rigida libera di muoversi, a cui si attaccano i polmoni e dunque con la contrazione del diaframma vengono tirati. Il diaframma non è attaccato a due diverse parti ma si attacca da un lato alle ossa e dall'altra al tendine centrale.

Vista frontale e laterale del Diaframma: (1) tendine centrale; (2) fibre costali; (3 e 4) fibre crurali, pilastri destro e sinistro; (5) aorta; (6) esofago; (7) arco del muscolo psoas

Diaphragm's zone of apposition

In circostanze normali, esiste una zona di apposizione intorno all'esterno del diaframma dove è a diretto contatto con la superficie interna della gabbia toracica, senza polmoni in mezzo, ma la pleura parietale consente ancora il libero movimento del diaframma. In posizione eretta la FRC (Functional residual capacity) nell'uomo, circa il 55% della superficie del

Il diaframma si trova nella zona di apposizione. (A) Soggetto normale che mostra un'ampia zona di apposizione e normale curvatura delle cupole del diaframma. (B) Paziente con torace iperinflazionato a causa di BPCO. Danotare la ridotta zona di apposizione e le cupole a diaframma appiattite.

Meccanica della funzione diaframmatica Ci sono molti modi in cui la contrazione del diaframma può provocare un aumento del volume polmonare. Questi possono essere considerati utilizzando un'analogia "pistone in un cilindro", il tronco che rappresenta il cilindro e il diaframma il pistone:

• movimento verso il basso del diaframma semplicemente accorciando la zona di apposizione attorno a tutto il cilindro e la forma della cupola (azione pura "alasciando invariapistone", B)
• la zona di apposizione rimane invariata ma un aumento della tensione della cupola del diaframma riduce la curvatura, espandendo così il polmone (azione "non apistone", C)
• entrambi i tipi di

toracica inferiore da parte del diaframma crea un'azione di "pistone in un cilindro in espansione". Questo movimento combinato di rotazione delle costole e di espansione della gabbia toracica consente l'ingresso e l'uscita dell'aria durante la respirazione. Il diaframma è il principale muscolo respiratorio e si contrae durante l'inspirazione, spingendo verso il basso e aumentando lo spazio nella cavità toracica. Questo crea una pressione negativa all'interno dei polmoni, che permette all'aria di entrare. Durante l'espirazione, il diaframma si rilassa e torna alla sua posizione originale, riducendo lo spazio nella cavità toracica e creando una pressione positiva che spinge l'aria fuori dai polmoni. La flessione e l'estensione della colonna vertebrale contribuiscono anche al movimento della gabbia toracica durante la respirazione. Quando la colonna vertebrale si flette in avanti, la gabbia toracica si solleva leggermente, aumentando lo spazio per l'espansione dei polmoni. Quando la colonna vertebrale si estende all'indietro, la gabbia toracica si abbassa, riducendo lo spazio nella cavità toracica e facilitando l'espirazione. Inoltre, il movimento delle nervature contribuisce all'espansione della gabbia toracica durante la respirazione. Le costole sono collegate alla colonna vertebrale tramite le articolazioni costovertebrali e possono ruotare intorno al loro asse. Questo movimento di rotazione delle costole aumenta il diametro laterale e antero-posteriore della gabbia toracica, consentendo un'espansione maggiore durante l'inspirazione. In conclusione, il movimento della gabbia toracica durante la respirazione è influenzato principalmente dal diaframma, dalla flessione ed estensione della colonna vertebrale e dal movimento delle nervature. Questo movimento combinato permette l'ingresso e l'uscita dell'aria durante la respirazione e contribuisce al corretto funzionamento del sistema respiratorio.toracica anteriore, ad esempio, il muscolo sternomastoideo che solleva lo sterno si traduce in un tipo di movimento "a pompa".

Muscoli della gabbia toracica

I muscoli intercostali si dividono nel gruppo esterno, le cui fibre corrono in direzione caudale-ventrale dalla loro costola superiore e sono carenti anteriormente, e il gruppo interno meno potente che ha fibre che corrono caudale-dorsale dalla loro costola superiore e sono carenti posteriormente. I muscoli intercostali interni della gabbia toracica superiore diventano più spessi anteriormente dove sono noti come muscoli parasternali intercostali.

Nel 1749, considerazioni meccaniche portarono Hamberg (effetto hamberg) a suggerire che gli intercostali esterni fossero principalmente inspiratori e gli intercostali interni principalmente espiratori.

La porzione parasternale degli intercostali interni è espiratoria in entrambi gli esseri umani e animali, e l'attività inspiratoria degli intercostali esterni,

Sebbene minima durante la respirazione tranquilla, diventa sempre più importante durante la respirazione forzata. I muscoli scaleni sono attivi nell'ispirazione durante la respirazione tranquilla negli esseri umani, in particolare quando sono in posizione verticale. Il loro ruolo è quello di elevare la gabbia toracica e questo contrasta la tendenza del diaframma a provocare lo spostamento verso l'interno delle costole superiori. L'innervazione va da C1 a C5.

Muscoli intercostali esterni (inspiratori), muscoli intercostali interni (sopra), muscoli esterni (sotto). Muscoli del collo, muscoli parasternali (inspiratori) durante l'espansione elevano le coste. Muscoli addominali.

Con l'eccezione del gas all'interno del lume intestinale, l'addome è un volume incomprimibile tenuto tra il diaframma e i muscoli addominali. La contrazione di uno dei due provocherà un corrispondente spostamento passivo dell'altro. Quindi i muscoli addominali sono.

Generalmente, i muscoli retto dell'addome, obliquo esterno, obliquo interno e trasverso sono i muscoli espiratori più importanti, mentre i muscoli del pavimento pelvico hanno un ruolo di supporto. La contrazione di questi muscoli provoca un aumento della pressione addominale che sposta il diaframma in direzione cefalica. Inoltre, il loro inserimento nel margine costale si traduce in un movimento caudale della gabbia toracica, favorendo così l'espirazione opponendosi ai muscoli della gabbia toracica. La pressione gastrica è un prezioso indice della loro attività perché la loro contrazione provocherà sempre un aumento della pressione intra-addominale. In posizione supina, i muscoli addominali sono normalmente inattivi durante la respirazione tranquilla e si attivano solo quando la ventilazione minuto supera circa 40 L / min, a fronte di una sostanziale resistenza espiratoria, durante la fonazione o quando si eseguono sforzi espulsivi.

In posizione eretta, il loro uso nellarespirazione è complicato dal loro ruolo nel mantenimento della postura. Solitamente la pressione inspiratoria è considerata positiva.

Capacità funzionale residua (FCR)

La FCR rappresenta la condizione di equilibrio del sistema tra le forze che agiscono nei polmoni e nellaparete toracica. Abbiamo due parti, i polmoni hanno la tendenza a ridurre il volume, mentre dall'altro latola gabbia toracica tende dall'altro lato. Nella saccapleurica queste due forze si annullano. Agiscono dunquecome due molle.

La PAo e la Pbs sono uguali alla pressioneatmosferica quindi 0 in condizioni statiche, dunquela PL sarà l'opposto della pressione pleurale mentrequella della parete toracica sarà uguale.

La pressione Prs del sistema respiratorio è uguale a PAO-PBS quindi è uguale a 0. All'aumentare del volume(in ordinata) aumenta la pressione (ascissa). Una pressione di 0 corrisponde a un volume di circa 40

(il volume è rappresentato in % di capacità vitale, quindi va dal volume residuo alla capacità totale polmonare). La curva è una sorta di sigmoide, ciò significa che la compliance non è costante. Essa è data dal rapporto tra dV/dP e rappresenta la tangente alla curva. Nel punto di FRC abbiamo una compliance massima.

In posizione supina:

• FRC è ridotto
• La pressione intratoracica è aumentata
• Il peso del cuore solleva la pressione esofagea al di sopra della pressione intrapleurica

Alla FRC la Prs è 0 e la Pw e la PL sono in equilibrio. Il ritorno elastico dei polmoni è positivo mentre quella della parete toracica è negativa perché Pl=-PPl che è negativa.

A volumi più elevati si avrà ancora la pressione elastica dei polmoni orientati verso l'interno e la parete toracica sarà in equilibrio (Pcw=0) quindi non eserciterà alcuna forza. A volumi ancora più elevati anche

La parete toracica agisce in modo da diminuire il volume polmonare e quindi esercita una pressione verso l'interno. La curva della pressione intratoracica sarà quindi più bassa di entrambe le curve e quindi la pressione più alta, essendo la somma. A volumi minori avverrà il contrario. Il gradiente di pressione transmurale ha la stessa relazione con il volume polmonare sia durante la ventilazione a pressione positiva intermittente (ventilazione meccanica) che durante la respirazione spontanea. La differenza di pressione intratoracica rispetto all'ambiente, tuttavia, differisce nei due tipi di ventilazione a causa dell'azione muscolare durante la respirazione spontanea. Costruzione della curva di rilassamento del sistema respiratorio completo (RS = parete toracica CW + polmone L) SOGGETTO COOPERATIVO Il soggetto ispira o espira, con un nasello, un dato volume da o verso uno spirometro. Quando viene raggiunto il volume desiderato, la comunicazione con lo spirometro viene chiusa e al

soggetto viene chiesto di rilassare i muscoli respiratori. A muscoli rilassati, il sistema tende a seguire le sue forze elastiche di rinculo, ritirandosi o espandendosi, con successiva variazione della pressione intrapolmonare, misurabile da un manometro all'apertura delle vie aeree (bocca), per dare pressione di apertura delle vie aeree, che in condizioni statiche è uguale alla pressione intrapolmonare. Punto per punto otteniamo la relazione P V in condizioni statiche. Costruzione della curva di rilassamento del POLMONE (con SOGGETTO COOPERATIVO) curva pressione-volume: - Il soggetto deve inspirare (o espirare) un certo volume da o verso uno spirometro, indossando un nasello. - Raggiunto il volume desiderato, la comunicazione con lo spirometro viene interrotta e al soggetto viene chiesto di rilassare i muscoli a lei/lui (non banale). - Con i muscoli respiratori rilassati, il sistema segue le sue forze elastiche di rinculo, ritirandosi o espandendosi, con conseguente variazione della pressione intrapolmonare. - La pressione intrapolmonare viene misurata da un manometro all'apertura delle vie aeree (bocca). - La pressione di apertura delle vie aeree, in condizioni statiche, è uguale alla pressione intrapolmonare. - In questo modo, punto per punto, si ottiene la relazione P V in condizioni statiche.