Sistema respiratorio, Fisiologia

VA=CFR-VSM.

[Lo spirometro è uno strumento usato per misurare i volumi

polmonari statici e dinamici]

A riposo la Ventilazione Polmonare è di 6 l/min (secondo il prof di

circa 8 litri e può arrivare fino a 200 litri al minuto sotto sforzo), la

Ventilazione alveolare è di 4 l/min, il resto è nello spazio morto.

I Muscoli Respiratori devono eseguire un lavoro (specie in fase

d’inspirazione) per vincere diversi tipi di resistenze. Una forma di

resistenza è rappresentata dall’aria che attraversa le vie aeree:

tenderebbe ad avanzare come un ‘flusso laminare’ ma ogni volta

che incontra degli ostacoli si formano ‘flussi turbolenti’. Il flusso che

risulta è detto ‘flusso di transizione’ che per lo più è laminare. Gli

ostacoli che incontra sono il muco, strutture tipo i turbinati e

soprattutto le biforcazioni bronchiali (resistenza che come abbiamo

visto diminuisce dopo la 4°generazione). Altra resistenza da vincere

è quella di natura elastica dovuta alla distensione del parenchima

polmonare, garantita dai Pneumociti di II° tipo che secernendo

surfactante, riescono a ridurre la tensione superficiale e quindi ad

evitare il collabimento delle pareti alveolari.

La respirazione consiste nel rilascio di O2 ai tessuti e espulsione di

CO2. La respirazione interna è lo scambio di gas che avviene nei

polmoni, quella esterna avviene a livello tissutale. La Ventilazione

Polmonare è il movimento di aria nei polmoni

(inspirazione/espirazione). La Diffusione Polmonare è lo scambio di

gas respiratori tra polmoni e sangue.

La meccanica respiratoria consta di due fasi: l’inspirazione e

l’espirazione. L’inspirazione richiede sempre l’utilizzo di muscoli (è

attiva) quindi consuma energia (molto poca, però); a riposo dura

circa 1,8 sec e consente l’ingresso di circa mezzo litro di aria.

L’espirazione, a riposo, è un fenomeno passivo che sfrutta l’energia

elastica; dura circa 2.2 sec e espelle un po’ meno aria di quella che

entra. Le strutture che permettono il succedersi di queste due fasi

sono la parete toracica, il polmone e lo spazio pleurico.

La parete toracica è costituita dalla gabbia toracica, dalla parete

addominale e dal diaframma. I muscoli della respirazione sono

funzionalmente divisi in inspiratori (diaframma, intercostali esterni e

muscoli accessori della respirazione) e gli espiratori (intercostali

interni, parete addominale). Il diaframma è stimolato dai nervi

frenici; i muscoli accessori della respirazione (scaleni e

sternocleidomastoideo) si attivano solo nella respirazione profonda.

Gli espiratori sono usati anche nella tosse, nello starnuto e nella

fonazione.

Il polmone è ricco di fibre elastiche e di fibre collagene, pesa circa

300gr. Se asportato e isolato, collassa e trattiene solo 250ml di aria.

Lo spazio pleurico è uno spazio virtuale di circa 20nm che si crea tra

la pleura viscerale e quella parietale (ogni polmone ha una propria

pleura), nello spazio pleurico troviamo il liquido pleurico. La

pressione del liquido pleurico è sempre subatmosferica (-4cmH2O)

-3mmHg. Grazie al liquido pleurico, il polmone segue i movimenti

della parete toracica. La pressione intrapleurica è la stessa che

esiste nel mediastino, dove troviamo alloggiato l’esofago. Se

vogliamo conoscere l’esatto valore della pressione intrapleurica,

anziché perforare la gabbia toracica (metodo cruento) si può

deglutire un palloncino collegato a un manometro, il palloncino

finisce nell’esofago rilevandone la pressione parietale che equivale

a quella intrapleurica. Vedi esperimento libro blu pg 332.

Si chiama Flusso Massivo il passaggio di aria dall’ambiente esterno

agli alveoli. Segue l’equazione F=K(P.atm-P.alv) dove K è una

costante di proporzionalità. Si può scrivere anche così:

P=P.bronchi-P.atm. Affinché entri aria negli alveoli, c’è bisogno che

questi siano dilatati e che in essi si crei una depressione. Ciò è reso

possibile dal così detto Effetto Mantice: a ogni inspirazione i muscoli

si contraggono, il diaframma si abbassa, la gabbia toracica si

espande facendo aumentare il volume degli alveoli e quindi facendo

abbassare la pressione interna (da atmosferica a negativa) così che

possa entrare circa mezzo litro d’aria. La seguente fase di

espirazione può avvenire senza consumo di energia sfruttando

l’energia elastica accumulata dal tessuto polmonare stirato durante

l’inspirazione. Ciò è valido in condizioni di respiro normale, ma

durante l’iperventilazione c’è bisogno di un maggiore intervento sia

dei muscoli inspiratori sia di quelli espiratori, visto che aumentano

le resistenze, che sono di due tipi: le Resistenze Elastiche e le

Resistenze dovute al flusso d’aria nelle vie aeree.

Le resistenze elastiche consentono il mantenimento a un

determinato volume del sistema toraco-polmonare. Per capire la

natura della forza di tali resistenze si misura la pressione...a vari

livelli.

In questo modo è possibile costruire un grafico che ricalchi

l’andamento della relazione C=V/P dove C è la Compliance (o

distensibilità) del sistema toraco-polmonare. Questo sistema

dipende da due strutture: il torace e il polmone, ognuno con le

proprie caratteristiche elastiche.

Le resistenze elastiche del polmone sono: 1) Tissutale, dipende dal

contenuto di fibre elastiche e di fibre collagene del polmone; 2)

tensione superficiale dovuta alla presenza di liquido che riveste la

faccia interna degli alveoli.

Le resistenze elastiche della parete toracica sono: 1) la struttura

osteo-atro-muscolare; 2) la parete addominale compresi i visceri

della cavità addominale.

L’elasticità polmonare dipende da due fattori: 1) la tensione

superficiale, tende a ridurre il volume alveolare ed è contrastata da

una sostanza tensoattiva, il surfactante, grazie alla quale il polmone

è facilmente distendibile; 2) la legge di Laplace, P=2T/r, dove la

pressione è inversamente proporzionale al raggio, quindi sono più

facilmente distendibili gli alveoli grandi rispetto ai piccoli; i piccoli

secondo la legge dovrebbero collassare (svuotarsi) in quelli più

grandi, ma il pericolo è scongiurato dalla maggiore quantità di

surfactante presente negli alveoli piccoli. Queste osservazioni sono

confermate da esperimenti condotti sul polmone isolato, il quale

collassa (si svuota) fino a mantenere 250ml di aria al proprio

interno, se lo riempiamo di aria presenterà una certa resistenza

dovuta agli alveoli collassati (Tensione superficiale + legge di

Laplace); mano a mano che si gonfia la resistenza diminuisce e poi

risale fino a divenire massima, quest’ultima fase è dovuta alle

strutture collagene messe in tensione. Se sgonfiamo il polmone

ritorna al suo stato collassato sviluppando una forza molto più

bassa rispetto alla fase di riempimento: questo fenomeno è detto

isteresi e l’area compresa tra le due curve corrispondenti è detta

area di isteresi Se lo stesso esperimento lo ripetiamo riempiendo il

polmone di acqua le resistenze sono molto più basse, poiché si

annulla la tensione superficiale che mantiene il collabimento degli

alveoli. Il polmone risulta più distendibile e l’isteresi sparisce quasi

del tutto. La relazione P/V del polmone in vivo è descritto in questo

grafico. Il punto di equilibrio si trova nel VR (volume residuo) a

250ml di aria, ciò vuol dire che in vivo il polmone non è mai in

equilibrio, ma tende sempre a collassare. La presenza del

surfactante rende il polmone facilmente distendibile, fino all’80%

del suo volume massimo, poi vengono messe in tiro le strutture

collagene. Per convenzione quando si parla di pressione

intratoracica si dice “pressione zero”, quella pressione che equipara

la pressione atmosferica (760mmHg a livello del mare). è da notare

come la curva rimanga sempre nella porzione positiva della

pressione.

Vediamo ora la relazione P/V della sola parete toracica

Il volume d’equilibrio della parete toracica si trova intorno al 55%

della capacità vitale, quindi a vari litri di volume. Se si introduce

altra aria le forze elastiche del torace generano una pressione (qui

intesa positiva) per farlo tornare alla posizione di equilibrio. La

pressione massima che esercitano le strutture elastiche è di

10cmH2o quando il volume è al 100% della capacità vitale (cioè al

massimo). Al di sotto del 55% della CV (cioè espirando aria) le forze

elastiche del torace generano una pressione (qui intesa come

negativa) che raggiunge i -40cmH2O quando il volume del torace

giunge allo 0% della CV cioè a circa 1,5 l. Quindi la curva del torace

sta in parte nella porzione negativa e in parte in quella positiva

della pressione.

Ora possiamo vedere la relazione P/V del sistema toraco-polmonare.

Essa dipende dalla somma algebrica delle pressioni del polmone e

della parete toracicapoichè queste due strutture sono inserite in

serie. Come si nota dal grafico il punto di equilibrio (P=0) si trova al

35% della CV ovvero all’inizio del VC (volume corrente). Infatti a

questo volume la P dei polmoni è +4cmH2O (tendente al collasso),

mentre quella del torace è -4cmH2O (tendente all’espansione). Alla

fine del VC (CV=55%) la pressione polmonare è +9cmH2O, mentre

quella toracica è 0, ergo la pressione toracica p +9cmH2O; ciò

giustifica l’intervento dei soli muscoli inspiratori durante la

respirazione normale, l’espirazione è un fenomeno del tutto passivo.

Questo è ancora più evidente per volumi superiori al 55% della CV.

Per volumi inferiori al 35% della CV la pressione negativa del torace

supera quella positiva dei polmoni, quindi a questi livelli

l’inspirazione è passiva mentre l’espirazione è attiva. La Compliance

del sistema toraco-polmonare è massima nella zona in cui la

respirazione è tranquilla, mentre è minima per valori vicino allo 0%

e al 100% della CV.

Le considerazioni finora fatte possono essere effettuate anche sotto

sforzo, ovvero si può chiedere al soggetto che ha deglutito il

palloncino attaccato al manometro, di creare una manovra di

Valsalva a vari livelli di volume; da questo esperimento si può

osservare come i livelli di pressione massima in fase di espirazione

con chiusura della glottide (MdV) diminuiscono al diminuire dei

valori di volume. Ciò è dovuto alla minore lunghezza dei muscoli

interessati (relazione tensione-lunghezza). Lo stesso esperimento,<