Fisiologia umana I - fisiologia apparato respiratorio

 Capacità Inspiratoria CI: quantità di aria che può essere inspirata con una inspirazione

CI = VC + VRI = 3500 cc.

massimale a partire dalla fine di una espirazione normale:

 cc):

Volume Residuo VR (1500 quantità di aria che resta nei polmoni anche dopo una

espirazione forzata ed è molto importante perchè impedisce il collassamento dei polmoni in seguito

a retrazione dovuta alla presenza delle forze elastiche, fungendo da cuscinetto di aria che mantiene

beanti i polmoni opponendosi alla P di ritorno elastica polmonare.

 Capacità Funzionale Residua CFR: quantità di aria che resta nei polmoni al termine di una

CFR = VR + VRE = 3000 cc.

espirazione normale:

 Capacità Polmonare Totale CPT: quantità di aria presente nei polmoni dopo una inspirazione

CPT = CV + VR = 6000 cc.

massima:

La misurazione del VR, CFR e CPT avviene mediante metodi indiretti, cioè metodo della diluzione

dell’elio e il metodo pletismografico.

Volumi Polmonari Dinamici

Tra i cioè V espiratori rapportabili ai tempi impiegati abbiamo:

 cc):

Volume Espiratorio Massimo al Secondo VEMS o FEV1 (3500 volume di aria

espirato durante il primo secondo di una espirazione forzata a partire dal punto di massima

inspirazione. La VEMS è correlata alla pervietà dei bronchi e alla elasticità del parenchima

polmonare, consentendo di valutare la resistenza al flusso nelle grandi vie aeree.

ci da l’Indice

Il rapporto VEMS/CV di Tiffenau (IT) che è un parametro sensibile di pervietà

soggetti normali è sempre > all’80% del valore teorico,

bronchiale: nei mentre la sua < è sempre

espressione di ostruzione delle vie aeree.

 Ventilazione Massima al Minuto VMM: quantità di aria che viene inspirata ed espirata con

sforzo massimale in un minuto (~ 170 lt/min).

 Capacità Vitale Forzata CVF (FVC): quantità di aria espirata più rapidamente e

completamente possibile con sforzo massimale dopo una inspirazione massimale che in condizioni

normali non differisce dalla CV ottenuta con respirazione tranquilla, mentre si nota una certa

differenza in caso di malattie con ostruzione al flusso aereo.

 Flusso Espiratorio Forzato Medio FEF 25-75% o MMEF: flusso medio calcolato nella

porzione di curva espiratoria forzata compresa tra il 25% e il 75% della CVF. Questo parametro

consente di valutare le resistenze a livello delle piccole vie aeree.

 Flusso Espiratorio Forzato al 75% della CVF o FEF 75%: flusso medio forzato calcolato

sulla porzione finale della curva espiratoria forzata e sembra in relazione alle resistenze delle vie

aeree più distali.

misurare i volumi polmonari

Per abbiamo metodi diretti e indiretti.

Metodi Diretti Spirometria

Tra i abbiamo la utile per misurare i volumi statici e dinamici,

ad eccezione del VR per il quale ricorriamo a metodi indiretti.

spirometri computerizzati:

Oggi si usano gli si chiude il naso del pz con una molletta per evitare

l’ingresso di aria, la respirazione avviene mediante il boccaglio e il computer fornisce la misura dei

volumi polmonari.

In passato si usavano gli spirometri a campana che si muoveva con gli atti respiratori mentre un

pennino tracciava i volumi polmonari su carta millimetrica. La velocità di movimento della

campana dipende dalla frequenza respiratoria cioè al n° di atti respiratori/minuto.

frequenza respiratoria

In base alla si fa una distinzione tra:

soggetto eupnoico:

- frequenza respiratoria normale.

soggetto tachipnoico:

- frequenza respiratoria >.

soggetto bradipnoico:

- frequenza respiratoria <.

soggetto dispnoico:

- frequenza respiratoria alterata.

tipo di respiro:

Inoltre, possiamo valutare il

- gli uomini respirano con la parte bassa del torace, cioè hanno una respirazione costale bassa.

- le donne hanno una respirazione costale alta.

- i bambini hanno una respirazione più addominale che toracica. 4

Metodi Indiretti,

I utili per misurare il VR, CFR e CPT, sono il metodo della diluizione

dell’elio e il metodo pletismografico.

Metodo della Diluizione dell’Elio

Il misura il volume di aria in comunicazione con le vie

usando l’elio

aeree che è un gas inerte, non diffusibile cioè non partecipa agli scambi gassosi: si

prepara nella campana dello spirometro una miscela a concentrazione nota di elio, il pz viene

favorendo la distribuzione dell’elio nel sistema

collegato allo spirometro per 5-6 minuti, CFR = [V × (C – C )]/C

spirometro-polmoni. Possiamo calcolare la CFR e il VR: 1 1 2 2

dove V è il volume dello spirometro, C è la [He]iniziale, C2 è la [He]finale

1 1

VR = CFR – VRE.

per cui: l’elio

In caso di enfisema non riesce ad attraversare la membrana della bolla e non possiamo

misurare il VR.

Metodo Pletismografico

Il consente di misurare anche il volume di aria non in

comunicazione con le vie aeree: il pletismografo è costituito da una camera a tenuta dove il pz entra

e si può sedere comodamente. Il naso del pz viene chiuso e il pz respira mediante un boccaglio

collegato ad un computer. Il boccaglio viene chiuso impedendo la comunicazione tra apparato

respiratorio e ambiente esterno: il pz esegue una inspirazione forzata e si misurano le variazioni di P

Legge di Boyle-Mariotte

alla bocca e al pletismografo. Il metodo pletismografico si basa sulla cioè

le variazioni di volume sono uguali alle variazioni di pressione (V × P = K), per cui possiamo

di P e V che si registrano all’interno

calcolare il volume di gas intratoracico attraverso le variazioni

della cabina a tenuta d’aria durante la fase inspiratoria ed espiratoria, contro una membrana che

occlude il flusso di aria nelle vie aeree. è sovrapponibile

In condizioni fisiologiche la CFR calcolata con il metodo della diluizione dell’elio

a quella misurata con il metodo pletismografico, mentre in presenza di una differenza uguale o

effetto bolla

superiore a 1 litro tra i due parametri si parla di che è correlato alla presenza di aria

non in comunicazione cone le vie aeree (bolla enfisematosa).

Pneumotacografia

La è un metodo per valutare i volumi dinamici, cioè la VEMS o FEV1.

lamine attraverso cui passa l’aria,

Si collega lo spirometro al pneumotacografo costituito da mentre

il pz respira mediante il boccaglio. Dopo una inspirazione massima, il pz trattiene brevemente il

curva flusso

respiro e quindi espira il più velocemente e profondamente possibile, ottenendo la

volume che esprime la relazione tra la velocità del flusso aereo ed i rispettivi volumi polmonari

durante un ciclo respiratorio forzato.

Lo studio della curva fornisce utili informazioni sulle alterazioni quantitative ventilatorie e permette

di misurare la CVF, VEMS, MMEF e il PEF o picco espiratorio o di flusso che è la massima

quantità di aria che il pz può espirare.

Dividendo la CVF al 50%, 75%, 25%, misuriamo il PEF 75, 50 e 25.

Nel soggetto normale il PEF 75 e il MMEF coincidono: tutto ciò dipende dalla pervietà dei bronchi

ed elasticità del polmone.

Il MEF 75 è espressione delle grosse vie aeree, il MEF 50 è espressione delle vie aeree medie, il

MEF 25 è espressione delle vie aeree più piccole.

Per cui le curve di flusso-volume consentono di valutare lo stato di tutte le vie aeree.

prima l’interessamento delle vie aeree piccole con

Nei fumatori si ha alterazione del MEF 25 che si

delle vie aeree medie e

manifesta nella prima fase della bronchite cronica, poi si ha l’interessamento

grandi con alterazione del MEF 50 e 75.

Inoltre, le curve flusso-volume consentono di misurare le resistenze delle vie aeree al flusso RAV.

Lo Studio dei Volumi Polmonari è di tipo quantitativo importante per la diagnosi delle sindromi

disfunzionali ventilatorie distinte in sindromi ostruttive, restrittive e miste.

Sindrome Ostruttiva

La è tipica di quelle patologie con ostruzione bronchiale e dismetria

ventilatoria, soprattutto espiratoria, a vari livelli delle vie aeree e iperdistensione funzionale ed

asma, BPCO, enfisema neoplasie

anatomica degli spazi aerei distali, come succede in caso di e

ostruttive dei bronchi con alterazione soprattutto della VEMS, Indice di Tiffenau (VEMS/CV),

RAW e MEF. In generale la sindrome ostruttiva è caratterizzata dalla spirometria da una < VEMS,

5

CV normale o lievemente < con conseguente < Indice di Tiffenau, > VR di entità variabile a

per cui l’Indice

seconda della patologia in atto, CPT > o normale di Motley è > (VR/CPT), la

compliance RAW

cioè la capacità del polmone di distendersi è normale o >, o resistente >, la

enfisema

curva flusso/volume evidenzia una < CVF, PEF e MEF. In caso di con bronchi chiusi ed

cec-vool o VEMS a scalino

elasticità parenchimale alterata si ha il cosiddetto dovuta al fatto che

muro merlato

tutta l’aria,

il pz inspira ma non riesce a buttare fuori la VMM ha un aspetto a

prende l’aria

perchè il pz e ne butta fuori solo il 25%, poi la riprende tutta, per cui il pz presenta il

torace a botte in seguito all’> del Ø antero-posteriore della gabbia toracica. La curva espiratoria

molto ripida dopo l’espirazione della quota

della VEMS è iniziale della CV, per cui si evidenzia il

aspetto a gradino, dito indice.

tipico valutabile con la curva F/V con aspetto a

Sindrome Restrittiva l’indice di

La è caratterizzata dalla < armonica dei volumi per cui

Tiffenau e di Motley sono normali. Le restrizioni possono essere dovute a:

alterazioni della parete toracica muscolo-scheletrico-pleurica:

- < CPT in seguito alla <

diffusione, compliance polmonare e l’emogasanalisi a riposo sono

CV, la VR è normale, mentre la

normali per lungo tempo.

alterazioni del parenchima polmonare

- da pneumoconiosi, fibrosi, granulomatosi e alveoliti

desquamative, caratterizzate da < CPT dovuta alla < CV e VR, per cui il rapporto VR/CPT è

normale, la diffusione e la compliance polmonare sono <.

Sindromi Miste dell’ostruzione che della restrizione,

Le presentano sia i caratteri sono le più

invalidanti e richiedono un adeguata terapia medica associata alla fisiokinesiterapia. Un tipico

esempio è dato dai pz che obesi e asmatici.

Diffusione dei Gas Respiratori

I gas attraversano la membrana alveolo-capillare mediante un processo passivo, spostandosi da zone

ad alta [ ] verso zone a bassa [ ] fino all’equilibrio, tutto ciò grazie alla P parziale dei gas che

dipende dalla temperatura e dal volume il cui il gas è contenuto.

Legge di Fick

La regola la diffusione attraverso i tessuti stabilendo che la velocità di trasferimento

di un gas attraverso la lamina di tessuto dipende dalla estensione della superficie di scambio,

differenza della P parziale dei gas ai due versanti della membrana, spessore della membrana,

–

V = (A/S) × D × (P P )

solubilità e peso molecolare del tessuto e del gas: dove V è il volume di

1 2

gas che attraversa la membrana, A è la superficie della membrana, S è lo spessore della membrana,

D è il coefficiente di diffusione del gas, P e P sono le P parziali del gas sui due lati della

1 2

membrana.

nell’uomo non è possibile calcolare la superficie e lo spessore della membrana,

Poiché si semplifica

–

D = V/(P P ).

la formula ottenendo: L 1 2 è più alta nell’alveolo rispetto ai capillari.

L’O passa dagli alveoli nei capillari perché la PaO

2 2

La CO passa dai capillari negli alveoli perche la PaCO è più alta nei capillari rispetto agli alveoli.

2 2

dell’O

La solubilità della CO è circa 20 volte > di quella per cui la CO è più diffusibile, anche se

2 2 2

il PM dell’O è più basso.

2

PaO alveolare = 100 mmHg, PaO capillare = 40 mmHg (ΔP

La la = 60 mmHg).

2 2

PaCO capillare = 47 mmHg, PaCO alveolare = 40 mmHg (ΔP = 7 mmHg).

La la

2 2 l’O

In base a questi valori della P parziale dei gas, è il gas che si muove di più e in condizioni

2

si ha prima l’alterazione della diffusione dell’O

patologiche , come succede in caso di

2

insufficienza respiratoria ipossia prima latente e poi manifesta, l’alterazione

con poi si ha

della diffusione della CO con ipercapnia, è più diffusibile dell’O

dato che la CO , per cui

2 2 2

riesce a diffondere anche quando non dovrebbe, come succede in caso di interstiziopatia o fibrosi

con trasformazione delle fibre elastiche in fibre collagene rigide, > spessore della membrana che

altera ulteriormente il meccanismo di diffusione dei gas respiratori.

Nell’enfisema si ha la distruzione dei setti intra-alveolari, per cui la superficie alveolare si riduce

con conseguente alterazione della diffusione dei gas. 6

rapporto ventilazione/perfusione

La capacità di diffusione dipende anche da un ottimo

normalmente = 0.8-1.

che la ventilazione e la perfusione crescono dall’apice verso la base polmonare

In genere, per fenomeni

all’apice la ventilazione è > della perfusione

di gravità: per cui il rapporto V/Q è > 0,8 cioè pari a ~

3 e si parla di effetto spazio morto fisiologico poichè esistono tutte le condizioni anatomiche

fisiologicamente lo scambio non avviene perchè l’O

affinchè avvenga lo scambio, ma arriva con la

2

ventilazione ma non c’è sangue necessario per la sua perfusione, per cui si ha solo la perfusione

dell’O presente all’apice.

2

Alla base la ventilazione è < della perfusione, per cui il rapporto V/Q è < 0.8 cioè ~ 0.3 ÷ 0.2 e si

parla di effetto shunt perchè non arriva la quantità di O necessaria per ossigenare tutto il sangue.

2

l’alterazione del rapporto V/P all’apice e alle

In caso di embolia polmonare o polmonite si verifica

ipossiemia.

basi con conseguente l’ossido

Dal punto di vista clinico la diffusione polmonare D viene calcolata mediante di carbonio

L metodo del respiro

gas molto diffusibile all’interno dei globuli rossi,

(CO) che è un mediante il

singolo: si analizza la [CO] nel gas inspirato e trattenuto per un certo tempo nei polmoni e poi

espirato e si valuta la quantità di CO diffusa mediante la valutazione dei volumi polmonari.

Al termine della diffusione il sangue refluo dai polmoni è arterializzato e inizia il meccanismo di

l’O all’Hb presente nei globuli rossi

Trasporto dei gas: si lega in maniera reversibile formando

2

l’ossiemoglobina l’O

(HbO ) che diffonde verso il centro del globulo rosso: viene trasportato e

2 2

rilasciato a livello dei tessuti, favorendo la respirazione interna che è fondamentale per la

produzione di energia a livello cellulare.

L’affinità di legame tra O ed Hb è maggiore a livello alveolare mentre a livello periferico tale

2

affinità è molto bassa poichè l’Hb deve liberarsi dell’O .

2

Il legame O -Hb dipende da diversi fattori cioè T°C, pH e 2,3-difosfoglicerato ed è importante la P

2

parziale di O nel sangue PaO : la relazione tra PaO e saturazione emoglobinica in O o

2 2 2 2

curva di dissociazione dell’ossiemoglobina

ossiemoglobina è rappresentata dalla che ha

la forma ad S italica e ci dice che la PaO può diminuire da 100 fino a circa 60 mmHg senza che si

2

abbia una desaturazione ossiemoglobinica tale da provocare dei gravi disturbi ipossici.

In caso di > PaCO e T°C e < del pH la curva si sposta verso dx come succede nei pz con

2

insufficienza respiratoria dove si ha una maggiore liberazione di O , infatti la PaO è < 60 mmHg e

2 2

saturazione dell’ossiHb è molto bassa.

la

Lo stesso effetto provocato dalla PaCO è prodotto dalla variazione di concentrazione

2

intraeritrocitaria di 2,3-difosfoglicerato che > in caso di ipossia cronica.

In caso di < PaCO e T°C e > pH la curva si sposta verso sx.

2

La CO viene trasportata in parte nel plasma formando dei legami con alcune proteine plasmatiche

2

mentre la quota maggiore entra negli eritrociti: una piccola parte è disciolta fisicamente ma è di

volte più solubile dell’O

scarsa importanza, nonostante la CO sia 20 mentre il 70% di CO grazie

2 2 2

all’enzima si combina con l’H formando l’acido

anidrasi carbonica O carbonico H CO che si

2 2 3

+ 3- + 3-

↔ H ↔ H

dissocia subito in ioni H e HCO : H O + CO CO + HCO .

2 2 2 3

+ sono neutralizzati dall’Hb trasformazione dell’ossiHb in Hb

Gli ioni H soprattutto grazie alla

ridotta in seguito a cessione di O .

2

3-

Gli ioni bicarbonato HCO che si trovano in grande quantità nei globuli rossi rispetto al plasma,

diffondono nel plasma stesso mentre alcuni anioni passano dal plasma nei globuli rossi in modo da

dell’Hb.

mantenere la neutralità elettrica. La restante quota di CO si combina con i gruppi NH

2 2

curva di dissociazione della CO

La ha un andamento lineare ed è influenzata dal livello di

2

l’> riduce l’affinità per la CO

saturazione ossiemoglobinica: della PaO .

2 2 7

EQUILIBRIO ACIDO BASE

ha il compito di regolare la [ ] degli idrogenioni H dei liquidi extracellulari e

L’ +

equilibrio acido-base

quindi il pH importante per varie funzioni dell’organismo.

molto l’O

Sappiamo che mediante la respirazione viene condotto ai tessuti periferici, dove avvengono

2 +

tutti gli scambi metabolici e dove si ha la produzione continua di H e CO : la CO viene portata

2 2

agli alveoli per essere eliminata e che viene misurata nei liquidi extracellulari con il pH:

+ +

pH = log 1/[H ] = - log [H ].

7,37-7,43

Il pH ematico è pari a con valore medio di 7,40. +

Ricordiamo acidi sostanze capaci di cedere H ad una soluzione le basi

che gli sono mentre sono

+

capaci di accettare H da una soluzione.

dall’equazione

Il pH ematico è regolato di Henderson-Hasselbach:

- 3-

pH = pK + _log [HCO3 ]_ = [HCO ]

[CO ][H CO ] PaCO

2 2 3 2

Da questa equazione si nota che è molto importante mantenere una PaCO ottimale per evitare delle

2

dipende dall’entità della produzione di CO

gravi variazioni del pH ematico. La PaCO e dalla

2 2

PaCO = (VCO /V ) × K,

ventilazione alveolare secondo la formula: dove VCO è la

2 2 alv 2

produzione di CO in ml/min, V è la ventilazione alveolare in lt/min, K è una costante.

2 alv

ipoventilazione alveolare

In caso di la PaCO > e il pH < cioè si ha acidosi respiratoria, mentre in

2

iperventilazione

caso di il pH tende ad > e si parla di alcalosi respiratoria.

Per cui sono molto importanti i meccanismi di compenso cioè il sistema tampone bicarbonato-

+

acido carbonico che ha lo scopo di assorbire o liberare H per mantenere il pH costante e i

tamponi fisiologici cioè i polmoni ad azione rapida che regolano la CO e i reni ad azione lenta che

2

3-

regolano gli HCO .

La produzione di bicarbonato e acido carbonico avviene mediante la reazione di idratazione della

CO : Anidrasi Acido

2 Carbonica Carbonico

↔ ↔ + 3-

CO + H O H CO H + HCO

2 2 2 3

cercano di compensare i disturbi metabolici

polmoni

I regolando la produzione di acido

carbonico cioè regolando il meccanismo di eliminazione della CO attraverso la meccanica

2

respiratoria.

+

Gli H prodotti in eccesso sono eliminati sottoforma di H CO3 in seguito alla reazione con gli

2

3- + 3-

nei globuli rossi l’H da cui viene allontanato l’anione

HCO : infatti, CO si scinde in H e HCO

2 3

3- +

HCO che si rende nuovamente disponibile a livello plasmatico, mentre lo ione H si lega all’Hb

+

l’Hb che reagiscono con l’anione

che funge da tampone e, a livello polmonare, rilascia gli ioni H

3- mediante l’espirazione,

HCO producendo CO che viene eliminata rapidamente per cui il suo

2

livello plasmatico viene normalizzato. +

avviene un’ottima

Per cui se la ventilazione polmonare è efficiente, regolazione della [H ] e pH

ematico. cercano di compensare i disturbi respiratori

reni l’equilibrio acido-base

I regolando

attraverso l’escrezione a livello del tubulo renale distale di ammonio e acidi titolabili (fosfati) cioè

neutralizzabili mediante una titolazione acido-base e soprattutto favorendo il riassorbimento di

3- 3-

HCO a livello del tubulo renale prossimale con > [HCO [ ematica che insieme alla PaCO 2

regolano il pH ematico. 3- +

Il riassorbimento dei HCO avviene a livello del tubulo renale prossimale con escrezione di H e

+ 3- per mantenere l’equilibrio delle cariche

assorbimento di Na che si trascina passivamente i HCO

elettriche.

In caso di ipoventilazione con insufficiente eliminazione di CO da parte del polmone, si ha

2

+ 4+

l’intervento dei reni che eliminano gli ioni H sotto forma di ammonio NH (ammoniaca) a livello

l’equilibrio della reazione viene

delle cellule del tubulo distale e assorbono i bicarbonati, per cui 8