Fiziologia respirației

Transcript

1 1 Fiziologia respirației Respirația = schimb de gaze între atmosferă și celule. Etape: Respirația externă: - ventilația, deplasarea volumelor de gaze între atmosferă și plămâni; - difuziunea alveolo-capilară; - transportul gazelor prin sânge; - difuziunea la nivel tisular a gazelor; Respirația internă: utilizarea oxigenului la nivel tisular. Ventilația este un proces ritmic automat, care poate fi controlat pe timp limitat în mod voluntar, și al cărui scop este menținerea la valori normale și constante a presiunii gazelor respiratorii in sângele arterial. Cele 2 gaze respiratorii sunt O 2, a carui presiune parțială în sângele arterial este de 100 mm Hg și CO 2 cu presiunea parțială de 40 mm Hg in sangele arterial. Ventilația este un proces complex care implică activitatea pompei toraco-pulmonare. Eupneea ventilația care menține presiunile gazelor respiratorii la valori normale în sângele arterial. Tahipneea ventilație cu frecvență crescută, (depășește 15 mișcări/minut). De obicei supreficială, cu ventilarea predominentă a spațiului mort anatomic. Bradipneea ventilație cu frecvență scazută,(sub 12 mișcări ventilatorii/minut), cu amplitudine mare. Hiperventilația ventilație în exces față de consumul metabolic de oxigen. Gazul cel mai afectat este CO 2, presiunea sa parțială scade (hipocapnie). Hipoventilația es ventilație sub necesarul metabolic de oxigen. Se instalează hipoxemia urmată de hipoxie și în final, poate să apară și hipercapnia. Respirațae apneustică frecvență scazută cu amplitudine mare a inspirului, întrerupt periodic de expir scurt. Apneuzis = oprirea respirației în inspir. Apneea = oprirea respirației. Respirația Küssmaul: respirația acidotică: amplă și frecventă. Respiratia periodică: demonstrează o scadere a sensibilitații chemoreceptorilor centrali la CO 2. Căile respiratorii Suprafața de secțiune crește de la punctul de pornire spre porțiunea terminală de la aproximativ 2 cm 2 la 500 cm 2. Din punctul de vedere al numărului diviziunii căilor respiratorii, traheea este considerata generația 0. Cele 2 bronșii principale, = generatia 1.

2 2 La nivelul căilor respiratorii mari se face condiționarea aerului inspirat. Prin condiționare se înțelege pe de o parte saturația în vapori de apă, iar pe de altă parte încălzirea aerului la 37 C. Cu cât pasajul aerului prin căile respiratorii este mai scurt, cu atât încalzirea se face mai prost, iar aerul rece poate să producă bronhospasm. Căile respiratorii superioare joaca rol de filtru. Sunt dotate cu un covor dens de cili care au mișcare în sens cranial, și glande submucoase care secreta mucus. Se remarcă de asemenea și prezența structurilor cartilaginoase care formeaza un inel aproape complet. Această structură determină rezistență mare la deformare. Sunt căi extraparenchimatoase, nu le este influențat calibrul de volumul de aer din plămâni. Căile superioare, care de la trahee în jos se numesc bronșii, se desfasoară de la diviziunea 1 la diviziunea 11 a arborelui traheobronșic. De la diviziunea 12 la diviziunea 18 căi respiratorii mici numite și bronșiole. La nivel bronșiolar dispar inelele cartilaginoase care sunt înlocuite cu țesut muscular neted. Dispar cilii, se modifică și tipul de epiteliu care devine cuboid, scade mult numărul glandelor submucoase și ca atare și secreția de mucus. Suprafața de sectiune crește. Prezența musculaturii netede bronșiolare permite bronhomotricitatea, respectiv capacitatea de modificare activă a calibrului. Căile respiratorii mici: sunt intraparenchimatoase, se află în interiorul parenchimului pulmonar calibrul bronșiolar depinde și de volumul de aer din plămân. Incepând de la diviziunea 18, intrăm în domeniul unității respiratorii. O unitate respiratorie este formată din bronșiola respiratorie, canale alveolare, alveole care conțin saci alveolari. Au o suprafață totală: m 2 (1 m 2 /kg corp). La nivelul unitaților respiratorii se produc schimburile gazoase: are loc hematoza. Căile aflate deasupra unitații respiratorii fac parte din spațiul mort anatomic,. Pompa toracopulmonară este formată din: - plămâni; - cele 2 foițe pleurale - cutia toracică - diafragmul și structurile subdiafragmatice. Inspirul - deplasarea diafragmului dinspre torace spre cavitatea abdominală Intre atmosferă și plămâni, deplasarea aerului are loc prin convecție. Legea generala a gazelor, (PV = constant =>dacă volumul crește, presiunea scade). Ventilația are 2 etape: - inspirul este un act activ, la care participă muschii inspiratori principali: diafragm și intercostali externi. Contracția mușchilor intercostali este necesară pentru depașirea rezisțentei la deformare a sistemului și depașirea rezisțentei la fluxul de aer. In inspirul forțat, apelăm la mușchii sternocleidomastoidieni, micul și marele dințat. - expirul este un act pasiv, de revenire a structurilor toraco-pulmonare la dimensiunea ințiala.se datoreaza elasticitații plămanilor și cutiei toracice; poate să fie și act activ, în expirul forțat. In timpul ventilației se deplasează cantitaț de aer care au fost clasificate în volume și capacități pulmonare. Volumele: - Volum respirator curent (VRC, VT volum tidal 500 ml): cantitatea de aer vehiculată la gură într-o respirație normală. In repaus: 500 de ml, în efortul fizic crește cu până la 50% din capacitatea vitală.

3 3 - Volumul inspirator de rezerva (VIR 3000 ml): cantitatea de aer care poate intra î plămân într-un inspir maximal care urmează unui inspir de repaus. VIR: 3000 ml. și este rezerva funcțională care permite adaptarea la efort fizic sau altitudine. Începe să scadă cu vârsta pe seama creșterii volumului rezidual. - Volum expirator de rezervă (VER ml): cantitatea de aer care iese din plămâni într-un expir forțat care urmează după un expir de repaus. Valoarea aproximativă: 1200 ml sau 20% din capacitatea pulmonară totală. - Volumul rezidual (VR 1100 ml): cantitatea de aer care ramâne în plămâni după un expir forțat. Volum rezidual la tineri: 1100 ml sau 19% din capacitatea pulmonară totală. Crește cu vârsta, putând ajunge până la 39% din capacitatea pulmonară totală. - Capacitățile sunt sume ale volumelor pulmonare: - Capacitatea pulmonară totală (CPT): ml = suma tuturor volumelor pulmonare: VRC+VIR+VER+VR. - Capacitatea inspiratorie (CI): Cantitatea totală de aer care poate fi inspirată din poziția de repaos respirator. Semnificație: posibilitatea adaptării la necesar mai mare de oxigen. - Capacitatea vitală (CV): cantitatea de aer vehiculat la gura într-o respirație maximală: inspir maxim urmat de expir complet. Capacitatea vitală este formata din VER, VIR și VIR. Valoarea CV se exprimă ca deviație procentuală față de standardul normal al persoanei investigate ventilator. - Capacitatea reziduală funcțională: 2300 ml =cantitatea de aer care rămâne în plămân după un expir de repaus, este formată din VER și VR =>2300 de ml = 39% din capacitatea pulmonară totală ; crește cu vârsta ajungând până la 59%. Din CPT. VRC: 500 ml distribuit 150 ml în spațiul mort anatomic și 350 ml ajung în unitățile respiratorii unde participă la ventilația alveolară (VA). CRF: 2300 ml: VA/CRF = 350/2300 = 1/8. Cu fiecare mișcare ventilatorie, doar a 8 a parte din aerul rezidual este curățata. În realitate, cu fiecare respiratie prima parte a aerului care intră în alveole provine din spațiul mort anatomic și este încărcat cu CO 2. Din acest motiv este nevoie de aproximativ 2 minute de ventilație în de oxigen 100% pentru a curăța complet plamânii. Pompa toraco-pulmonară este înzestrată cu proprietăți elastice. Pompa este formată din: plămâni, foițele pleurale și cutia toracică. Plămânii și cutia toracică nu se pot deplasa decât sinergic (limitate de cele 2 foițe pleurale). În ceea ce privește structurile elastice, se descriu la nivelul aparatului respirator, 2 tipuri de echilibre: Repaosul elastic al structurii: în poziția de repaus elastic, structura nu se află sub stress mecanic. Sistemul toraco-pulmonar are în repaus respirator o cantitate de 2300 ml aer (39% din CPT). Dacă plămâni ar fi izolați de cutia toracică, s-ar retracta la un volum de aproximativ 10% din CPT. Acest volum de aproximativ 500 ml este volumul de repaus elastic pulmonar. Plămânii dezvoltă forță de recul spre hil. Această forță de recul se reflectă și pe foița viscerală a pleurei. Cutia toracică are un volum de repaus de 4000 de ml. Cutia toracică dezvoltă o forță de recul elastic spre exterior. Aceasta se transmite și foiței parietale a pleurei. Când capacitatea reziduală functională este normală (39% din CPT), cele 2 forțe de recul sunt egale și de sens contrar => sistemul se află în echilibru

4 4 elastic. O altă consecință a acestor forțe de recul toraco pulmonare de sens opus, este formarea între cele 2 foițe pleurale a vidului interstițial, respectiv a unei presiuni intrapleurale subatmosferice. Vidul pleural este inegal pe suprafata plamanilor. Inegalitatea depinde de elasticitatea pulmonara si pozitia corpului. Acceleratia gravitationala are efecte diferite asupra varfului si asupra bazei: la varful plamanilor in repaus respirator, presiunea este de -5 cm H 2 O; la mijlocul plamanilor: -2cm H 2 O si la baze 0 cm H 2 O. Inegalitatea vidului pleural determina inegalitatea regionala a ventilatiei. Presiunea transmurala este diferenta dintre presiunea din interiorul și exteriorul unui sistem deformabil. Presiunea transmurala P1 - P2 = 5- ( - 5)= +10 cm H 2 O. O presiune transmurala pozitiva este presiune de distensie. Ca urmare diametrul tubului creste si rezistenta la flux scade. Daca acelasi tub in care presiunea fluidului este pozitiva (+ 5 cm H 2 O) este introdus intr-o incinta cu presiune pozitiva de + 7 cm H 2 O -> presiunea transmurala = 5-7 = - 2 cm H 2 O rezultanta negativa deci presiune de compresie, care face ca lumenul tubului sa se ingusteze si rezistenta la flux sa creasca. Pentru sistemul respirator se descriu 3 tipuri de presiuni transmurale: - Presiunea transpulmonara = diferenta dintre presiunea alveolara si presiunea pleurala. o La varf: in alveole avem 0 cm H 2 O, in pleura avem -5 cm H 2 O => 0 - (-5) = +5 cm H 2 O, alveolele de la varf sunt deschise. o La baza: presiunea in alveole 0 cm H 2 O, presiunea pleurala 0 cm H 2 O -> in apnee de repaus, alveolele de la baza sunt inchise. In aceasta situatie, la debutul inspirului, alveolele de la varf vor fi primele care vor primi aerul. In expir, primele alveole golite vor fi cele de la baza. Dintre cele 2 zone, cea mai eficienta in schimbul de aer este baza. Inegalitatea regionala a ventilatiei: baza plamanilor este mai bine ventilată decat varful. - Presiunea transtoracica = diferenta de presiune dintre cele 2 fețe ale toracelui = presiunea pleurala presiunea barometrica (atmosferica). La varf -5-0 = cu +5 -> sistem in echilibru. - Presiunea transrespiratorie = presiune alveolara presiune barometrica (echilibru). Inegalitatea locala a ventilației este determinata si descrisa de constanta de timp a plamanilor. Constanta de timp a plamanilor = produsul dintre complianta si rezistenta. Descrie timpul necesar pentru fiecare unitate respiratorie pentru a se umple cu aer în procent de 63% din valoarea maximă. Complianta capacitatea sistemului toraco-pulmonar de a reacționa cu o anumită variație de volum pentru variația de presiune de 1 cm H 2 O exprimată prin raportul:, atunci cand = 1 cm H2O. Exista 3 tipuri de complianta toraco-pulmonara: statica, specifica si complianta dinamica.

5 5 Complianta statica: subiectul este instruit sa inceapa manevra respiratorie de la CRF. El va face inspir corespunzator volumului respirator curent (500 ml), dar inspirul nu este continuu ci în etape de cate 100 de ml de aer. In cursul manevrei respiratorii se masoara variatia de presiune din sistem. Se constata ca intre variatia de volum si variatia de presiune nu exista relatie liniara, adica, variatia cu 1 cm de H 2 O a presiunii nu determina intotdeauna aceeasi variatie de volum; la inceputul inspirului, la capacitate reziduala functionala, complianta este scazuta, dupa care complianta creste brusc. In expir, relatia presiune volum are de asemeni aspect curb, insa aceasta este mai turtita (o parte din lucrul mecanic utilizat in inspir nu se regaseste in expiratie sistemul revine mai repede la pozitia de repaus). Diferenta dintre curba inspiratorie si cea expiratorie a compliantei se numeste histerezis, datorat urmatorilor factori: rezistenta vasco-elastica la deformare a pompei toraco-pulmonare și reculului elastic pulmonar din expir, din care 2/3 se datorează creșterii tensiunii supreficiale alveolare din inspir. Valoarea compliantei statice este de 0,2 l/ cm H 2 O, adica pentru fiecare variatie cu 1 cm a presiunii, in plaman intra 200 de ml. Panta compliantei este unghiul format intre orizontala si oblica care uneste cele 2 extreme ale curbelor. Aceasta poate caracteriza diverse tipuri de disfunctii. Complianta specifica plamanul drept: are o complianta de 0,1 cm H 2 O si cel stang tot de 0,1 cm H 2 O (0,2 complianta statica in total). Plamanul drept are 3 lobi, iar cel stang are 2 lobi. Pentru plamanul drept, fiecare lob are o complianta de 0,03 si plamanul stang are pentru fiecare lob o complianta de 0,05. Cmplianța specifică exprimă valoarea compliaței în raport cu masa de țesut pulmonar. Complianta dinamica: respiratia continua defineste complianta dinamica. In complianta dinamica, pe ordonata: variatia de volum si pe abscisa variatia de presiune. Se pleaca de la valoarea VR si se ajunge la CPT. Pentru complianta dinamica, la inceput, la volume foarte mici pulmonare complianta este scazuta; la nivelul CRF, curba compliantei incepe sa semene cu complianta statica, pentru ca, ulterior, cand ne apropiem de CPT, complianta sa scada brusc catre 0. Valoarea compliantei dinamice este 0,13 l/cm H 2 O, adica o valoare mai mica decat a compliantei statice. Determinarea compliantei = diferenta intre disfunctiile de tip obstructiv si disfunctiile de tip restrictiv. Restrictia: incapacitatea de a ajunge la volumul maxim de distensie (restrictie = fibroza pulmonara) In cazul bolilor restrictive, curba compliantei este turtita, valoarea compliantei este mica si panta compliantei este inclinata. O stare care imita restrictia din punct de vedere al compliantei este obezitatea - complianta este mai mica decat normal (panta insa ramane normala, ca expresie a faptului ca tesutul pulmonar nu este alterat). Obstructia: astmul bronsic, emfizemul pulmonar. Daca se masoara complianta in emfizemul pulmonar, se obtine o complianta mare, curba compliantei devine abrupta, planta compliantei se verticalizeaza. Tensiunea superficiala (forta de coeziune a moleculelor de la suprafata unui lichid la interfata acestuia). Epiteliul alveolar are la suprafata un strat subtire de lichid care dezvolta tensiune superficiala. Fiind vorba de o suprafata hemisferica, aceasta tensiune superficiala se manifesta pe cele 2 raze principale ale

6 6 hemisferei, astfel incat, daca vrem sa masuram presiunea necesara pentru a mentine alveola deschisa, folosim legea Laplace, conform careia, cu cat raza este mai mica si tensiunea superficiala mai mare, cu atat am nevoie de presiune mai mare pentru deschiderea alveolei. Cu cat o alveola are raza mai mica, cu atat are tensiunea superficiala mai mare alveola are nevoie de o presiune mai mare pentru a se mentine deschisa. În sistemul respirator nu pot fi presiuni diferite de la o zona la alta. Celule speciale, aflate in peretele pulmonar, numite pneumocite de tip II secreta o substanta de tip tensioactiv numita surfactant. Surfactantul este o substanta complexa care contine dipalmitolfosfatidilcolina, ioni de Ca si 4 tipuri de apoproteine (a,b,c,d 2 hidrofile si 2 hidrofobe). Molecula de surfactant se aseaza cu fata hidrofila spre lichid, cea hidrofoba catre aer si scade tensiunea superficiala. Numarul de molecule al surfactantului este relativ egal in fiecare alveola. Daca avem o alveola cu raza mica, distributia la interfata aer-lichid se face cu molecule mai dens asezate, densitatea mare a moleculelor de surfactant determinand o scadere mai importanta a tensiunii superficiale. Alveolele cu raza mare au densitate mica de molecule de surfactant, tensiunea superficiala fiind mai putin scazuta. Astfel se obtine intr-un sistem cu raza variabila si presiuni egale, tensiune superficiala egala pentru toate alveolele. Roluri surfactant: scade travaliul musculaturii respiratorii, favorizeaza expirul (histerezis), stabilizeaza alveolele cu raza mica (mentine echilibrul alveolar), scade reculul elastic pulmonar la volume mici si se opune formării edemului pulmonar. Secretia de surfactant incepe in luna a 7 a de viata intrauterina si pneumocitele de tip II sunt complet mature din punct de vedere secretor abia la nou nascutul la termen. Daca copilul se naste prematur, face detresa respiratorie a noului-nascut (boala membranelor hialine). Daca nu sunt corect supravegheati, acesti nou nascuti pot sa moara in apnee respiratorie in timpul somnului. Secretia de surfactant este inhibata de fumat si de terapia agresiva si excesiva cu oxigen hiperbar. Rezistenta la fluxul de aer: rezistenta la fluxul unui fluid se calculeaza ca raportul dintre variatia de presiune si debit. Rezistenta este direct proportionala cu inversul razei la a 4 a de sectiune a tubului. In mod normal rezistenta la fluxul de aer este mica, consuma mai putin de 10% din travaliul muschilor respiratori si este distribuita inegal: 80% din rezistenta se dezvolta in caile respiratorii mari si cu deosebire la nivelul foselor nazale. Aceasta rezistenta mare determina curgerea turbulenta a aerului in zona, turbulente care favorizeaza eliminarea corpilor straini inhalati. Restul de 20% din rezistenta se masoara in caile respiratorii inferioare: bronsiole unitati respiratorii. Rezistenta scazuta la acest nivel se datoreaza marimii suprafetei de sectiune si scaderii debitului pe fiecare unitate si asigura curgerea laminara a aerului. Caile respiratorii inferioare au calibrul dependent de volumul de aer pulmonar (diametru mai mare in inspir si mai mic in expir); au musculatura neteda, ceea ce inseamna ca pot fi influentate de factori fizici, nervosi sau chimici. Bronhomotricitatea este un fenomen reglabil si reglarea nervoasa se face aproape exclusiv prin intermediul parasimpaticului. Musculatura neteda bronsiolara are receptori de tip muscarinic si reactioneaza la acetilcolina prin bronhoconstrictie. Simpaticul nu influenteaza bronhomotricitatea pentru ca nu exista terminatii simpatice pe bronsiole. Exista insa receptori adrenergici de tip β2. In consecinta, fie adrenalina venita din circulatia sistemica, fie simpatomimetice (medicatie) β 2 adrenergice pot determina bronhodilatatie. Ritmul circadian: Calitatea aerului inspirat afecteaza bronhomotricitatea.

7 O serie de factori umorali eliberati locali sunt bronhoconstrictori, printre acestia: histamina eliberata de bazofile si mastocite, leucotrienele care au capacitate bronhoconstrictoare de 2000 de ori mai mare decat histamina, produsi ai acidului arahidonic (tromboxanul A 2 si prostaglandinele mai ales de tip D si F), se pare ca si bradikinina are rol bronhoconstrictor, precum si neurokininele. Bronhodilatatoare: adrenalina, medicamentele β 2 simpatomimetice si prostaciclina. 7