GUIA 5: MECÁNICA VENTILATORIA El sistema respiratorio tiene dos funciones básicas: ventilación (entrada y salida de aire) e intercambio de gases. La función ventilatoria del sistema depende fundamentalmente de la diferencia de presiones que existe, entre la atmósfera y los alvéolos. Esto se debe a que, como todos los fluidos, el aire se desplaza de, un sitio de mayor presión a otro de menor, hasta el punto en donde se equilibran las presiones y se detiene el flujo. Durante la inspiración, al abatirse el diafragma de manera involuntaria, se aumenta el diámetro de la caja torácica lo que, de acuerdo a la ley de Boyle, disminuye la presión dentro de la misma (presión intratorácica), provocando un aumento en el tamaño alveolar debido al gradiente de presión transmural a través de la pared alveolar, lo que causa un decremento en la presión intraalveolar y favorece de este modo el flujo de aire. La contracción de los músculos de la inspiración, primordialmente del diafragma, proporciona la fuerza necesaria para vencer el retroceso elástico del pulmón y para superar la resistencia de fricción del aire en su paso por el árbol bronquial. El proceso de la espiración es completamente pasivo, excepto cuando existe resistencia en el tracto en donde, para poder vencerla se requiere contracción de músculos del abdomen y tórax. Para poder evaluar las dos funciones básicas del sistema respiratorio contamos con diversos estudios como la gasometría, la cual evalúa el intercambio gaseoso, o la oximetría, prueba no invasiva que también proporciona información acerca de la hematosis. Para poder determinar la función ventilatoria el examen más utilizado, por la gran cantidad de información que nos brinda, es la espirometría. La espirometría evalúa la cantidad de aire que puede movilizarse dentro y fuera del sistema ventilarorio, esto nos habla de los componentes mecánicos que intervienen en la ventilación. Lo anterior se logra registrando el volumen de aire que se respira a través del tiempo (Figura 1) y con la medición de los flujos, la cual correlaciona la velocidad del aire espirado o inspirado con el volumen de aire, con lo que se logra una curva denominada flujo-volumen. (Figura 2). Los parámetros que se pueden obtener con la realización de la espirometría son: capacidad vital (CV), volumen espiratorio forzado en el primer segundo (VEF1), relación entre la VEF1 y la CV, así como el flujo espiratorio máximo (FEM), flujo inspiratorio máximo (FIM) entre otros. Existen dos síndromes principales que se pueden diagnosticar por medio de la espirometría: el obstructivo y el restrictivo. (Figura 1). Tiempo (s) Figura 1. Espirometría. Se relaciona el tiempo contra el volumen durante una espiración máxima. La línea obscura representa el patrón normal, la línea punteada hace mención a un patrón obstructivo, mientras que la línea delgada lo hace a un patrón restrictivo. Figura 2. Curva de flujo-Volumen. Esta correlaciona la velocidad de desplazamiento del aire contra el volumen de la CV. Valores Básicos Volumen corriente, VC/VT Volumen de Reserva Inspiratorio, VRI/IRV Volumen de Reserva Espiratorio, VRE/ERV Capacidad Inspiratoria, CI =VRI+VC: Capacidad Vital, CV/VCIN Frecuencia Respiratoria/FB Volumen minuto o Ventilación pulmonar total (Calcular en l/min): 2. Desarrollo del Trabajo Práctico 2.a. Bases Teóricas El pulmón y la caja torácica (incluido el diafragma) forman una unidad funcional y se mueven al unísono, razón por la cual el volumen pulmonar está determinado por el tamaño del tórax, así la expansión del tórax aumenta el volumen pulmonar, en tanto que su retracción lo disminuye. El pulmón y el tórax se encuentran unidos por medio del líquido pleural, que facilita el desplazamiento de ambos y hace más difícil separarlos al ejercer una fuerza perpendicular a sus superficies. Ambas estructuras son elásticas (es decir que recobran su forma inicial luego de que una fuerza deformante deja de actuar sobre ellos), pero sus propiedades elásticas son opuestas, el pulmón tiende a retraerse en tanto que el tórax tiende a expandirse. Al final de la espiración las fuerzas elásticas del pulmón y del tórax son equivalentes y opuestas, así la tendencia del pulmón a retraerse es balanceada perfectamente por la tendencia del tórax a expandirse. Presión pleural: como el pulmón y el tórax están soportando una tensión igual y opuesta intentarán separarse, creando así una presión subatmosférica a nivel de la interfase pleural. Esta presión "negativa" se mide en el espacio intrapleural y alcanza unos -6 cm de H2O en el adulto normal al final de la espiración. Presión alveolar: es la presión en los alveolos. Cuando no hay flujo y las vías aéreas están abiertas, en comunicación con la atmósfera, es igual a la presión atmosférica. Cambia su valor durante el ciclo respiratorio para generar un gradiente de presión y permitir la entrada o salida de aire. 2.b. Parte Práctica 2.b.1. Volúmenes y capacidades pulmonares estáticas. Son parámetros de la función pulmonar y se miden frecuentemente en clínica. Definiciones previas: Volumen ...Corriente (VC) ...de reserva inspiratoria (VRI) ...residual (VR) ... de reserva espiratoria (RE) es el volumen de aire que... ...se inspira o espira en un movimiento respiratorio tranquilo y normal. . ...puede ser inspirado después de una inspiración normal. ..permanece en los pulmones aún después de una espiración forzada. ... puede ser espirado después de una espiración normal. 1)-Observe la respiración tranquila y normal de un alumno del grupo. La cantidad de aire que inspira en cada ciclo se llama: ............................................................................................................................................................ 2)-¿Es capaz de inspirar un volumen mayor del que inspira normalmente?............................... Este volumen extra recibe el nombre de:................................................................................. 3)- Luego de una espiración máxima, el sonido que se obtiene al golpear la pared del tórax ¿es mate (estructura maciza) o sonoro (estructura hueca)? Ello indica la existencia de un volumen.......................................................................................................................... La suma de dos o más volúmenes constituyen las capacidades pulmonares. 4)- La cantidad de aire que puede ser exhalado en una espiración máxima luego de una inspiración máxima se llama capacidad vital (CV) y corresponde a la suma de tres volúmenes: (utilice las abreviaturas). ....... ...........+ . ...................... +......................... 5)- La cantidad de aire que contienen los pulmones luego de una espiración normal, recibe el nombre de capacidad funcional residual. ¿A la suma de qué volúmenes corresponde?................................................................................................................................................ 6)- La máxima cantidad de aire que puede inspirarse, luego de una espiración normal se llama capacidad inspiratoria ¿A la suma de que volúmenes corresponde? CI=........................................... +.................................................................................... 7)- La cantidad de aire que contienen los pulmones luego de una inspiración máxima se conoce como capacidad pulmonar total. Indique cuáles son los volúmenes que la integran: CPT=....................................................+.................................................................... CPT = ........................+........................+...........................+................................... 8)- Complete la siguiente tabla con los valores normales para cada volumen: Especie (elija 3) Volumen corriente Volumen de reserva inspiratorio Volumen de reserva espiratorio Volumen residual 2.b.3. Espirometría Con un espirómetro se puede medir el volumen corriente, el de reserva inspiratoria y el de reserva espiratoria, así como aquellas capacidades constituidas por la suma de dichos volúmenes: capacidad vital y capacidad inspiratoria. A: Tambor del espirómetro B: Cámara de aire C: Campana flotante D: Agua E: Boquilla El espirómetro consta de una campana llena de aire de la cual el individuo toma ese aire mediante movimientos inspiratorios y a la cual lo devuelve mediante movimientos espiratorios. La campana se halla conectada con una aguja inscriptora que registra las variaciones del volumen pulmonar sobre el papel de un quimógrafo. El quimógrafo puede girar a dos velocidades: lenta y rápida. En el eje de las ordenadas se mide el volumen de aire que entra al pulmón (trazo ascendente) o que sale del pulmón (trazo descendente), expresándose el resultado en ml de aire. En el eje de las abscisas se mide el tiempo. La escala que corresponde es la siguiente: volumen: 1 mm equivale a 33 ml de aire. Tiempo: 30 mm corresponden a 30 seg. en velocidad lenta: (1mm/seg.) y a 1 seg en velocidad rápida (30 mm/seg). Antes de efectuar los registros se ensayarán las diferentes maniobras respiratorias a realizar. 1)- Trazado de los movimientos respiratorios normales. Técnica: El alumno se coloca la boquilla del espirómetro y respira normalmente manteniendo la nariz obstruida durante 30 segundos. El registro se realiza a velocidad lenta. Esta velocidad se usará en todos los registros excepto en el trazado de espiración forzada. Determinar en el registro la frecuencia respiratoria, volumen corriente y volumen respiratorio minuto. a) Volumen corriente: Se mide la altura de una onda eligiendo cualquiera de las inscriptas si el trazado es regular y si es irregular se elige aquella que más se repite. Un mm. de altura se corresponde a 33 ml de aire. b) Frecuencia respiratoria: Se cuenta el número de ondas inscriptas en 30 segundos y se multiplica por dos, expresándose el resultado en ciclos por minuto. c) Volumen minuto: Es el producto de la frecuencia respiratoria por el volumen corriente. Se expresa en ml de aire por minuto. 2)- Registro de Capacidad vital Técnica: Sin retirar la boquilla el alumno debe realizar una inspiración profunda seguida de una espiración máxima. Capacidad vital: es el volumen de aire que puede ser expulsado por un esfuerzo máximo luego de una inspiración forzada. Puede medirse directamente con el espirómetro; se puede hacer sin limite de tiempo: rápida o lentamente. La Capacidad vital determinada en cualquier sujeto puede compararse con datos normales para una edad considerando las variaciones de peso y altura. Se consideran normales variaciones del orden del 20% del valor teórico. Todas las mediciones deben repetirse varias veces y calcular un promedio. Resultados a) Volúmenes y capacidades: Volúmenes Capacidad vital Capacidad inspiratoria VRI VC VRE b)- Trazado de los movimientos respiratorios consecutivos a un período de apnea. Técnica: A partir de una espiración normal, el alumno debe permanecer en apnea el mayor tiempo posible, después de lo cual se efectúa el registro de los movimientos respiratorios durante 30 segundos. Anote los resultados obtenidos. c)- Trazado de los movimientos respiratorios consecutivos a la hiperventilación. Técnica: Después de retirada la boquilla el alumno hiperventila durante 60 segundos. Luego se coloca, nuevamente la boquilla y se efectúa el registro de los movimientos respiratorios durante 30 segundos. Anote los resultados obtenidos. d)- Trazado de los movimientos respiratorios después de un esfuerzo físico. Técnica: El alumno deberá realizar un esfuerzo físico de mediana intensidad (subir una escalera, flexiones), después de lo cual se coloca la boquilla y se efectúa el registro durante 30 segundos. Determinar frecuencia respiratoria y volumen corriente. Post-apnea Post-hiperventilación Post-ejercicio Frecuencia respiratoria Volumen corriente (ml) Vol min. (l/min) e)- Curva de espiración forzada, capacidad vital forzada, volumen espiratorio forzado o capacidad vital cronometrada. Consiste en medir con el espirómetro en velocidad rápida de registro el tiempo en que se espira la capacidad vital lo más rápidamente posible. El alumno debe respirar normalmente y luego realizar una inspiración máxima seguida por una espiración máxima y rápida. También se puede realizar inspiratoria o sea primero exhalar completamente todo el aire y luego inspirar rápido y profundo. La capacidad vital se mide desde el punto máximo de la inspiración hasta el 13 % de la espiración. En la curva de capacidad vital cronometrada se mide el porcentaje (%) de la CV inspirada en el 1 ° y 3o segundo de espiración. En el primero normalmente se espira el 83% de la capacidad y en el tercero el 90% de la capacidad vital (para nuestro aparato primer segundo: 30 mm., tercer segundo: 90 mm.). El primer segundo o volumen espiratorio forzado (VEF1 °) nos da un índice de la obstrucción de la vía aérea por lo que cuando se reduce, se dice que hay un defecto ventilatorio obstructivo. El VEF 3o es menos sensible a la obstrucción que el VEF 1°. Las Variaciones totales de volumen de CVF entre una persona normal y otra con obstrucción de la vía aérea son similares, por lo tanto los volúmenes pulmonares básicos no cambian. Sin embrago existe una diferencia en la cantidad de aire que pueden espirar en cada segundo, especialmente en el primero. Trazado del volumen espiratorio forzado Técnica: Luego de una inspiración máxima se hace espirar en forma forzada con la máxima velocidad posible. El registro se toma con el quimógrafo en velocidad rápida. Determinar el volumen de aire espirado (capacidad vital) y el porcentaje de aire espirado en el 1° y el 3o segundo de espiración (capacidad vital cronometrada). Luego se repite toda la operación obstruyendo parcialmente la tubuladura que comunica la boquilla con el tambor de aire del espirómetro mientras el alumno realiza la espiración forzada. Ventilación alveolar 1. Explique la diferencia entre ventilación pulmonar total y ventilación alveolar. 2. ¿Qué función cumple la ventilación alveolar y cómo puede medirse? 3. Se hizo respirar a un sujeto en una bolsa de Douglas, y se recogieron 6,9 litros/ minuto con una concentración de CO2, de 4%. ¿Cual será el volumen de ventilación alveolar si la concentración alveolar de CO 2 es de 5,6 %? ¿Cual será el volumen del espacio muerto si la frecuencia es de 13 ciclos por minuto? 4. De acuerdo a la ecuación del gas alveolar, ¿Cual será la PO2 alveolar en este sujeto? ¿Que sucederá con su valor si la ventilación alveolar se duplica? 5. ¿A que se denomina hipo e hiperventilación? ¿Qué es más eficiente desde el punto de vista de la ventilación alveolar, modificar la frecuencia respiratoria o el volumen corriente? 6. Explique las diferencias regionales en la ventilación alveolar. 7. ¿Cuáles son los factores que condicionan la solubilidad de un gas en un líquido? Saque conclusiones respecto de la solubilidad del O 2 y CO2 comparando sus coeficientes de solubilidad. 8. Indique qué parámetros regulan la difusión de los gases y qué factores pueden modificar el intercambio gaseoso de los capilares pulmonares. 9. Señale las características de la circulación pulmonar y bronquial. ¿Existe comunicación entre ambas? Explique los mecanismos que las regulan. 10. Explique las diferencias regionales en la relación ventilación - perfusión y como influyen en el intercambio gaseoso.