APPARATO RESPIRATORIOAPPARATO RESPIRATORIOAPPARATO RESPIRATORIOAPPARATO RESPIRATORIO

Il metabolismo dei tessuti si accompagna a consumo di O2 ed a produzione di CO 2; necessità di scambi gassosi che costituiscono la respirazione.Respirazione “interna” (cellulare)

Respirazioneesterna

(cellulare)Respirazione “esterna” (polmonare). lo scopo principale della respirazione esterna è quello di fornire ossigeno ai tessuti rimuoverne l’anidride carbonica.

Respirazione interna

Il ricambio di ariaalveolare è un processointermittente legato alciclo respiratorio (12-14/min).

Apparato

Ad ogni inspirazione 500ml di aria (volumecorrente) si diluiscono in2,3l già contenuti nelpolmone

Laringe

Trachea

Aria entra attraverso le vieaeree di conduzioneconduzione:

trachea e bronchi (dotati dianelli cartilaginei per evitareil collasso)

Dai bronchi primari sidipartono 23 generazioni dicondotti secondari fino agli

Bronco primario Sn

Bronco secondario

Bronchioli

Alveoli

condotti secondari fino aglialveoli (zone respiratorie)

Aria si muove conmovimento di massa fino aibronchioli terminali e poi perdiffusione

17-19

Zon

a co

nduz

ione

Zona transizione

La prima parte delle vie aeree, fino alla 19a generazione non partecipanoagli scambi gassosi (spazio morto anatomico). Gli scambi avvengonodalla 19a generazione in poi.

Il progressivo aumento della sezione trasversa delle vie aeree poste inparallelo determina una progressiva riduzione della velocità dell’aria

20-23transizione

Zona scambi

Cilia muovono muco verso la faringeParticelle polvere

Strato muco

Strato acquoso

A livello delle vie aeree di conduzione l’aria viene preriscaldata,umidificata (per contatto con il secreto che bagna la mucosa) e depurata(muco trattiene la polvere che viene eliminata attraverso il meccanismodi scala mobile mucociliare)

Cilia

Cellule colonnari

Membrana basale

Cellule caliciformi

Bronchioli

Branca arteria polmonare

Arterie, vene e nervi bronchiali

Branca della vena polmonare

Fibre elastiche

Capillarii

Vasi linfatici

Alveoli

Muscolo liscio

bronchioli respiratorie

alveoli

Lo scambio dei gas respiratori avviene a livello dell’unità alveolo-capillare.Gli alveoli sono circa 300.106 e formano una superficie di scambio totale dicirca 140 m2

Struttura alveolare:

Gli alveoli sono composti di pneumociti di I tipo, per gli scambi gassosi, epneumociti di II tipo, che sintetizzano surfattante.

Fibre elastiche

Epitelio pavimentoso

Pneumociti tipo II

Pneumociti tipo I

Capillari

Macrofagi Cellule endotelio capillare

Pori alveolari

Endotelio

Capillare

Epitelio alveolare Nucleo cellula endoteliale

Gli scambi gassosiavvengono a livello dellamembrana respiratoria

Spazio alveolare

Membrana basale

Fdiff = D · A · ∆C/∆x

membrana respiratoria(alveolo-capillare).

Lo spessore ridotto dellamembrana facilita il processodi diffusione dei gas.

Aorta

Polmone SnPolmone Ds

Esofago

Nella cavità pleurica è contenuto un velo di liquido (2 ml) che mantiene adesi i foglietti pleurici e ne consente lo scivolamento.

Nella cavità pleurica esiste una P

Pleure

Cavità pleurica Sn

Cavità pleurica Ds

Cavità pericardica

Il polmone non è dotato di strutture di sostegno o muscolari, ma è adeso alla gabbia toracica attraverso la pleura (parietale e viscerale).

Le variazioni di volume del polmone dipendono dai movimenti della gabbia toracica.

esiste una P subatmosferica (negativa)

La ventilazione e le pressioni La ventilazione e le pressioni polmonaripolmonaripolmonaripolmonari

Il movimento di aria dall’esterno all’interno del polmone eviceversa (ventilazione), è assicurato da un gradientegradientepressoriopressorio che si crea tra l’esterno (P atmosferica) e l’internodel polmone (P alveolare).

Per la Legge di Boyle P.V = K la P alveolare si modificaattraverso cambiamenti del volume polmonare.

Inspirazione: volume del polmone P alveolare, ariaentra.entra.

Espirazione: volume del polmone, P alveolareatmosferica, aria esce.

F = ∆P/R

Pi = Pressione intrapolmonare0 cmH2O

Pressione intratracheale0 cmH2O

PressioneAtmosferica

0

Pressione atmosferica(760 mmHg)

indicata come punto di riferimento 0

Pressioni alla CFR (a riposo)

Pe =Pressione endopleurica

- 5 cmH2O

Alla fine di un’espirazione normale (CFR), condizione di eq uilibrio, laPe è negativa e la Pi è 0 perché il polmone è in connessione conl’esterno.

Forze di retrazione elastca

(almeno)

Pressioni nell’apparato respiratorio a riposo(indicate in cmH 2O = 1,36 mmHg)

Pressione intrapolmonare

Pressione vie aeree0 cmH2O

Pressione atmosferica(760 mmHg)

indicata come punto di riferimento 0

Pressione trans-polmonare(intrapolmonare - endopleurica)

0 - ( - 5 ) = 5 cmH2O

Pressione intrapolmonare0 cmH 2O

Pressione Endopleurica

-5 cmH2OPressione trans-toracica(endopleurica - atmosferica)- 5 cmH2O - 0 = - 5 cmH2O

Pressione transmurale totale(intrapolmonare-atmosferica)

0 - 0 = 0 cmH2O

Condizione di riposoCondizione di riposo

Il polmone (struttura elastica) è adeso alla gabbia toracica grazie alle pleure. Non è mai inequilibrio elastico, ed è quindi sottoposto continuamente ad una forza di retrazione. Anchela gabbia toracica è una struttura elastica, con una tendenza continua all’espansione. Incondizioni di riposo (fine espirazione normale, capacità funzionale residua, CFR) la forza diretrazione elastica del polmone è perfettamente controbilanciata da quella della gabbiatoracica. La pressione endopleurica è espressione dell’azione di queste forze.

- 5 cmH2OVie aeree

Spazio pleurico

Pleure

Diaframma

L’esistenza di forze elastiche uguali e contrarie è dimostrato dal fatto chequando entra aria nello spazio pleurico (pneumotorace), il polmonecollassa e la gabbia toracica si espande.

Pleure

Polmone collassato

Spazio pleurico

Pneumotorace:In caso di mancata risoluzione spontanea, si interviene con aspirazione o drenaggio per indurre ri-espansione. Eventuale chirurgia può essere utile per garantire pleurodesi (incollaggio delle pleure).

L’espansione del polmone durante l’atto respiratorio avviene comeconseguenza dell’aumento di volume della gabbia toracica ottenuto con lacontrazione dei muscoli respiratori, che compiono un lavoro per vincere leforze di retrazione elastica del polmone.

Contrazione muscoli inspiratori

Volume cavità toracica

negatività Pe↑

↑

negatività Pe

Ptp

Volume polmoni

Pi

Aria entra nei polmoni Pi = Patm

↑

↑

↑

Muscoli respiratori

Inspiratori : Aumentano il volume gabbia toracica

DiaframmaIntercostali esterni SternocleidomastoideiScaleni

Espiratori : Riducono il volume gabbia toracica, attivinell’espirazione forzata

Sternocleidomastoidei

Scaleni Intercostali interni

nell’espirazione forzata

Intercostali interni (esercizio fisico, fonazione, canto, fase espiratoria starnuto e tosse)AddominaliPer aumenti pressione endoaddominaleAccessoriGrande dorsale, Dentato posteriore-inferiore, Quadrato dei lombi.

Intercostali esterni

Diaframma

Addominali

Inspirazione Espirazione

Spazio pleurico

Diaframma

(nervi frenici, C3-C5). A riposo il diaframma è rilassato.

Responsabile 2/3 inspirazione. Aumenta diametro cranio-caudale e trasverso della gabbia toracica. Aumento volume gabbia toracica 200-400 ml in respirazione tranquilla, 2-4 l in respirazione profonda.Efficienza diaframma diminuisce nella donna durante la gravidanza, negli obesi e per compressione della parete addominale

Contrazione del diaframma

Modificazioni delle pressioniintrapleurica e intrapolmonare, delvolume respiratorio e del flussodurante l’atto respiratorio.

In condizioni quasi stazionarie, lavariazione di pressioneendopleurica durante l’attorespiratorio, rispecchia larespiratorio, rispecchia lanecessità di vincere solo leresistenze elastiche del sistematoraco-polmonare, mentre in casodi respirazione a frequenzaregolare devono essere vinteanche le resistenze delle vieaeree.

Pressioni durante inspirazione ed espirazione a par tire dalla CFR

RiposoIspirazioneEspirazione

Depressione 1 ° EP 2° IP Aumento pressione 1 ° EP 2° IPDepressione 1 ° EP 2° IP Aumento pressione 1 ° EP 2° IP

Entra aria Esce aria

Pressione IP = 0Pe più negativa

Pressione IP = 0Pe meno negativa

• Le resistenze elastiche del sistema toraco-polmonare si determinanomisurando la forza necessaria per mantenere un certo volumeattraverso la costruzione della curva di rilasciamento toraco-polmonare (curva P-V), che esprime la relazione esistente tra levariazioni di pressione e le variazioni di volume del sistema toraco-polmonare.

• Il soggetto inspira od espira, a naso chiuso, un dato volume da o in• Il soggetto inspira od espira, a naso chiuso, un dato volume da o inuno spirometro. Raggiunto il volume, si interrompe la comunicazionecon lo spirometro, si chiede al soggetto di rilassare la muscolaturarespiratoria e si misura, con un manometro alla bocca, la pressionedelle vie aeree, che in condizioni statiche è uguale alla pressioneintrapolmonare.

100P+T

010

020

Direzione delle forze di retrazione elastica ed effett osulla Pi

Curva di rilasciamento toraco-polmonare

20

40

60

80

Cap

acità

vita

le %

CFR

Equilibrio per il sistema

torace+polmone

0- 10

0

La chiusura delle vie aeree fa in modo che la Pi sia dipendente dal ritorno elastico del polmone e del torace

00

CFR

-30 -20 -10 0 10 20 30

-20

0

Cap

acità

vita

le %

volume residuo

Pressione IP - PAtmP transmurale (cmH 2O)

• Per ricavare la curva di rilasciamento del solo polmone si misura, adiversi volumi, la pressione endopleurica, mantenendo la muscolaturarespiratoria contratta e la glottide aperta.

0

0 -10

-15

0-(-15) = +15

Curva di rilasciamento polmonare

40

60

80

100PT

Cap

acità

vita

le %

CFR0

0

0

-10

-7

-2

0-(-10) = +10

0-(-7) = +7

0-(-2)= +2L’irrigidimento della parete toracica fa in modo che la Pe sia dipendente dal solo ritorno elasticodel polmone

-30 -20 -10 0 10 20 30

-20

0

20

Cap

acità

vita

le %

volume residuo

P transmurale (cmH 2O)

Equilibrio per il polmone

• Per ricavare la curva di rilasciamento della sola gabbia toracica simisura, a diversi volumi, la pressione endopleurica, con lamuscolatura respiratoria rilasciata e la glottide chiusa.

0

0

Curva di rilasciamento toracica

1

-1

40

60

80

100PTTP

Cap

acità

vita

le %

CFR

Equilibrio per il torace

0

0

0

Il ritorno elastico del polmone è annullato dall’ar ia al suo interno. La Pe dipende dal solo ritorno elastic o del torace

-1

-7

-10

-30 -20 -10 0 10 20 30

-20

0

20

Cap

acità

vita

le %

l

volume residuo

P transmurale (cmH 2O)

un indice della distensibilità (comportamento elastico) del sistema toraco-polmonare è:

∆∆∆∆V/∆∆∆∆P esprime la COMPLIANCE del sistema.

Nella Compliance plmonare ∆∆∆∆P = Palv – Pip

La compliance varia al variare del volume, quindi viene normalmente indicata la compliance specifica , riferita alla normalmente indicata la compliance specifica , riferita alla CFR:

Cp /CFR

La Compliance diminuisce in tutte le condizioni in cui il polmone diventa più rigido (patologie restrittive, fibrosi ecc.) e aumenta nelle patologie in cui il polmone è meno rigido (enfisema).

Il comportamento elastico del polmone dipende da:

• Componenti elastiche del tessuto polmonare formato da fibre di elastina (facilmente distensibili) e collagene (meno distensibili).

• Tensione superficiale, che si forma a livello alveolare • Tensione superficiale, che si forma a livello alveolare nell’interfaccia aria-liquido.

Legge di Laplace

P = 2T/r

P = pressione, T = Tensione, r = raggio

• La tensione superficiale in unabolla genera pressione.

• La relazione tra tensionesuperficiale e pressione èstabilita dalla Legge di Laplace

t

A parità di tensione superficiale, la P è maggiore negli alveolipiccoli rispetto a quelli grandi. Gli alveoli piccoli tendono a svuotarsiin quelli grandi

PP Unico

alveolo

• La tensione superficiale è ridottadal tensioattivo polmonare(surfattante).

• L’effetto del surfattante èdipendente dall’estensione dellasuperficie alveolare per cui T ècontrastata maggiormente neglialveoli piccoli che in quelli grandi.

• Questo comportamento è legato• Questo comportamento è legatoalla diversa distribuzione delsurfattante ai diversi volumialveolari e spiega l’isteresipolmonare.

Il surfattante riduce la tensione superficiale quindi:

• Aumenta la compliance polmonare e diminuisce il lavoro respiratorio

• Mantiene la stabilità alveolare

• Impedisce il collasso degli alveoli (atelettasia) a bassi volumi

• Impedisce l’edema polmonare

Il surfattante si forma tra il IV-VII mese di gravidanza (completo all 34°Il surfattante si forma tra il IV-VII mese di gravidanza (completo all 34°settimana), la sua mancanza è causa della sindrome da distress respiratorio del neonato.

• Nell’adulto la formazione del surfattante è ridotta dall’ipossia. La sua mancanza causa la sindrome da distress respiratorio dell’adulto (polmone da shock).

Resistenze delle vie aeree

Valutabili in condizioni dinamiche, quando si crea flusso.

Flusso laminare nelle piccole vie aeree

• Flusso turbolento nelle vie aeree più grandi (numero di Reynolds > 2000)

• Flusso transizionale nelle biforcazioni• Flusso transizionale nelle biforcazioni

Anche per il flusso nelle vie aeree è applicabile l’equazione di Poiseuille F = ∆∆∆∆Pππππr4/8µµµµl se il flusso è laminare. Nel flusso turbolento la resistenza al flu sso è decisamente maggiore.

Res

iste

nza

vie

aere

e (c

mH

20/l/

sec)

2

3

4

La R delle vie aereediminuisce all’aumentaredel volume polmonareperché aumenta il lorocalibro:

• la maggiore negativitàdella Pe, aumenta la Ptmprovocando distensione dei

Volume polmonare e resistenze vie aereeR

esis

tenz

a vi

e ae

ree

(cm

H

Volume polmonare (litri)

2 4 6

1 provocando distensione deicondotti

• la maggiore retrazioneelastica degli alveolidetermina una maggioretrazione meccanica sullepareti, distendendole

Modificazione calibro vie aeree

Sistema nervoso parasimpatico (vago, Ach su recettori M3):

Broncocostrizione (riflessi attivati da agenti irritanti, stimoli meccanici,CO2)

Adrenalina circolante (su recettori β2, prevalenti sulle cellule muscolarilisce)

Broncodilatazione

Sistema nervoso simpatico (NA su recettori α)

Broncocostrizione (effetto scarso), agisce prevalentemente su arteriebronchiali e ghiandole

Fattori locali rilasciati durante infiammazioni o reazioni allergiche:

Istamina (dai mastociti durante reazioni allergiche) e PG (duranteinfiammazioni)

Broncocostrizione

I volumi respiratori

Inspirazione Espirazione

Aria

Spirometria : Permette la misura diretta dei volumi respiratori. Levariazioni di volume polmonare durante gli atti respiratori provocanocorrispondenti variazioni di volume nello spirometro, con movimenti dellacampana, che possono essere registrati su carta (spirogramma)

Tempo

Acqua

VRI

VC = Volume corrente, Volume inspirato ed espirato durante un atto respiratorio (500 ml)

VRI = Volume di riserva inspiratoria, massimo volume inspirabile dalla fine della normale inspirazione (3000 ml)

VRE = Volume di riserva espiratoria, massimo volume espirabile dalla fine della normale espirazione (1100 ml)

VR = Volume residuo, volume presente nei polmoni dopo espirazione massimale (1200 ml)

CFR = Capacità funzionale residua, volume presente nei VC

CFR

Inspirazione

VC

VRICFR = Capacità funzionale residua, volume presente nei polmoni alla fine di un’espirazione normale (VRE+VR)

CI = Capacità inspiratoria, massimo volume inspirato a partire dal volume di fine espirazione (VC+VRI)

CPT = Capacità polmonare totale, volume presente nei polmoni dopo inspirazione massimale (VC+CV)

CV = Capacità vitale, massimo volume espirato partendo da inspirazione massimale (VC+VRI+VRE)

VRE

VR

Espirazione

Volumecorrente

Volume di riserva

inspiratoria

Capacitàinspiratoria

Capacitàvitale

Capacità

Volume residuo

Fine normaleespirazione

Capacitàpolmonare totale

Volume di riserva

espiratoriaCapacitàfunzionaleresidua

La CFR non può essere misurata direttamente con la spirometria, che non permette la valutazione del VR.

Si usano metodi indiretti come il metodo della diluizione dell’elio o del lavaggio dell’azoto.

• Si riempie uno spirometro con un volume noto di una miscela di aria ed elio a concentrazione conosciuta. QE1 = C1*V1 V1 = volume dello spirometro

• Dopo un’espirazione normale il soggetto viene collegato allo spirometro e comincia a respirare la miscela che si mescola con l’aria rimasta nel polmone (CFR)polmone (CFR)

• L’elio si diluisce nella CFR che può essere valutata dal grado di diluizione dell’elio. Infatti:

QE2 = C2*V2 e V2 = V1 + CFR

All’equilibrio QE1 = QE2

C1*V1 = C2*(V1 + CFR)

CFR = (C1/C2 - 1). V1

Dalla CFR si può ricavare il VR (CFR-VRE)

Parte dell’aria inspirata non raggiunge gli alveoli ma rimane nelle vieaeree di conduzione. Il volume delle vie aeree di conduzione è definitoSPAZIO MORTO ANATOMICO ed è nell’adulto circa 150 ml.

MISURA DELLO SPAZIO MORTO ANATOMICO(Equazione di Bohr)

Il volume corrente espirato VE è formato dal volume dello spazio morto, VDe dallo spazio alveolare, VA VE = VD + VA

La quantità di CO2 espirata = quantità di CO2 che proviene dallo spaziomorto, (concentrazione CO2 uguale a quella dell’aria inspirata, FIco2) più laquantità di CO che proviene dagli alveoli (concentrazione CO alveolare,quantità di CO2 che proviene dagli alveoli (concentrazione CO2 alveolare,FAco2). Essendo la quantità di un gas = V x F:

VE FEco2 = VD FIco2 + VA FA co2 VE FEco2 = VA FAco2

VE FEco2 = FAco2 (VE - VD)

VD FAco2 - FEco2

VE FAco2=

sostituendo

VD

VE= 0.35Lo spazio morto è il 35% de volume espirato

Si definisce SPAZIO MORTO FISIOLOGICO l’insiemedello spazio morto anatomico e degli spazi alveolariche, per problemi di perfusione, non partecipano agliscambi.

Nel polmone normale il numero degli alveoli in cui gliscambi non avvengono è molto ridotto, quindi lo spazioscambi non avvengono è molto ridotto, quindi lo spaziomorto fisiologico , in un soggetto sano, corrispondeallo spazio morto anatomico.

Si definisce volume minuto o ventilazione polmonare ilvolume di aria in- ed espirato nell’unità di tempo.

V = Vc . Fr

Vc = 0.5 l, Fr = 14 respiri/min

V = 7 l/min

Quella parte del volume minuto che ventila gli alveoli è Quella parte del volume minuto che ventila gli alveoli è detta ventilazione alveolare, il resto, ventilazione dello spazio morto.

VA = (VC - VD) . Fr

In condizioni normali VD = 150 ml

VA = (500 - 150) . 14 = 4.9 l/min

Diagrammi flusso-volume durante larespirazione normale (1) e incondizioni di espirazioni forzate apartire dalla CPT con sforzi espiratoridiversi (2 e 3)

Durante le espirazioni forzate, il flussoaumenta rapidamente fino ad unmassimo, che dipende dallo sforzocompiuto ad elevati volumi, e poideclina per quasi tutta la durata

1

2

3

declina per quasi tutta la duratadell’espirazione e diventaindipendente dallo sforzo espiratorio(curva 2 sovrapposta alla 3)

L’indipendenza dallo sforzo è dovutaalla compressione dinamica delle vieaeree che comporta un aumento dellaR al flusso.

Nel soggetto sano la limitazione diflusso si osserva solo duranteespirazione forzata

Nelle patologie ostruttive (aumentata resistenza delle vie aeree, asma,enfisema, ecc.) il flusso massimo è minore perché R è maggiore, la partesforzo dipendente è alterata.

Nelle patologie restrittive (maggiore resistenza elastica, fibrosi ecc) il flusso èminore perché sono minori i volumi raggiunti, la parte sforzo dipendente dellacurva è normale.

In clinica, la valutazione delleresistenze delle vie aereeviene effettuata con il test dicapacità vitale forzata(espirazione forzata partendoda CPT)

Si valuta il FEV1 volume ariaespirata nel primo secondo eespirata nel primo secondo esi esprime come FEV1 / CV(indice di Tiffeneau), che nelsoggetto normale è 70-80%(70-80% del volume espiratoviene espulso nel primosecondo

Nelle patologie ostruttive ilrapporto FEV1 / FVC è < 80%

Nelle patologie restrittive, aumenta il lavoroelastico, il soggetto compensa riducendo ilvolume corrente ed aumentando lafrequenza respiratoria

Lav. Inspiratorio elastico

frequenza respiratoria

Nelle patologie ostruttive, il lavoro elastico ènormale, aumenta quello per vincere laresistenza delle vie aeree, l’espirazione èattiva con intervento della muscolaturaespiratoria. Il soggetto compensa aumentandoil volume corrente e riducendo la frequenzarespiratoria.