Fisiologia della Respirazione 6.Meccanica respiratoria: Statica e fenomeni di superficie 2

Transcript

1 Fisiologia della Respirazione 6.Meccanica respiratoria: Statica e fenomeni di superficie 2 Carlo Capelli Fisiologia Facoltà di Scienze Motorie-Università di Verona

2 Obiettivi Tensione superficiale e pressione transpolmonare I fenomeni di superficie principali determinanti dell isteresi polmonare e della pressione transpolmonare (pressione di apertura e condizione metastabile del surfactante polmonare) Surfactante polmonare e stabilità alveolare Distribuzione topografica della ventilazione alveolare Curva P/V del torace; compliance statica toracica Curva P/V del sistema toraco-polmonare combinato: curva a rilasciamento Compliance statica del sistema combinato

3 Tensione superficiale e meccanica alveolare Pressione Transpolmonare Gli alveoli sono posti in parallelo La pressione dell aria in ognuno di essi è la stessa La pressione con cui tende a collassare il polmone in toto è uguale alla pressione con cui tende a collassare ogni singolo alveolo P tp = 2γ R = = dine / cm g / cm 2 = 57.5 cm H 2 O In realtà la tensione superficiale del polmone è più piccola; P tp tra cm H 2 O Gli alveoli, e quindi il polmone in toto, tendono a collabire a causa della tensione superficiale all interfacie alveolo-aria La tensione superficiale rappresenta una delle cause maggiori della pressione transpolmonare

4 Isteresi polmonare A parità di volume, P tp è maggiore durante l espansione che durante la deflazione Si delimita un area di isteresi Essa indica che parte dell energia impiegata per espandere i polmoni non viene restituita durante la deflazione. L area di isteresi è tanto maggiore quanto minore è il volume polmonare da cui inizia l inspirazione Pressione di apertura

5 Isteresi polmonare ISTERESI 1. Imperfetta elasticità dei tessuti 2. Differenza nel numero di alveoli aperti 3. Isteresi di superficie (fenomeni di superficie) 4. Condizione metastabile del polmone (variazione nel tempo della tensione superficiale) Pressione di apertura

6 Tensione superficiale e meccanica alveolare B: fisiologica A: normale 1. Fisiologica La curva è tutta spostata a sinistra Non si osserva la pressione di apertura L area di isteresi è ridottissima Si conclude che la tensione superficiale contribuisce in larga parte alle caratteristiche elastiche del polmone L istresi tissutale è trascurabile

7 Tensione superficiale e meccanica alveolare Pressione di Apertura Quando gli alveoli sono atelettasici si hanno solo interfacie liquido-solido Per riespandere gli alveoli bisogna compiere un lavoro di adesione dato, per ogni centimetro quadrato, dalla differenza tra γ dopo e prima l espansione γ l = cos θ = γ sv - γ sl γ l = tensione superficiale liquido; γ sv = tensione superficiale interfacie alveolo-aria satura di vapor d acqua; γ sl = tensione superficiale interfacie liquido - solido; θ = angolo compreso tra la superficie della goccia e quella del piano nel punto di contatto. Quando si passa da un polmone atelettasico ad uno espanso si distrugge una superficie solido-liquida e se ne crea una solido-vapore. Si deve compiere un lavoro di adesione. La pressione di apertura è il fattore intensivo richiesto per compiere questo lavoro

8 Tensione superficiale e meccanica alveolare Isteresi Isteresi tissutale è trascurabile 1. La maggior pressione richiesta per riespandere le zone collabite è causa di isteresi soprattutto rilevante quando il polmone si riespande da bassissimi volumi (pressione di apertura) 2. L isteresi del film di lipoproteine adsorbito all interfacie alveolo-aria rappresenta il fattore più importante dell isteresi polmonare

9 Misura della tensione superficiale in funzione di S con lavaggio alveolare La bilancia di Wilhelmy consente di misurare γ (ascissa) in modo continuo in funzione dell area A (ordinata) espressa come percentuale dell area accupata inizialmente γ lavaggio alveolare = dine/cm γ dipende da S

10 Surfactante riduzione della Tensione superficiale ed isteresi A si riduce le molecole adsorbite in superficie si avvicinano Ps ; quindi γ A aumenta γ aumenta subito bruscamente e poi più lentamente Formazione di isole di materiale tensioattivo Formazione di un area di isteresi dinamica L area di isteresi è più piccola se si limita la riduzione di A al 50 % Il numero di molecole in superficie non è costante non è un film ideale Isteresi statica l isteresi è tanto più grande quanto più veloce è la variazione di A L isteresi del diagramma A- γ è la causa più importante dell isteresi polmonare L aumento di T quando A rimane costante spiega la genesi dell atelettasia polmonare e la necessità della cosiddetta respirazione intermittente profonda

11 Diagramma P-V di una bolla A: il volume è la variabile indipendente B: la pressione è la variabile indipendente

12 Diagramma P-V di una bolla Figura B: P = 2γ/r; appena P raggiunge il valore P c, la bolla scoppia: in questa parte del grafico la pendenza dv/dp passa da positiva a negativa, cioè un aumento del volume implica una diminuzione della pressione che le pareti della bolla riescono a sopportare. Se P è mantenuta costante si avrà che un accidentale aumento di V porterà alla situazione in cui la P interna non è più controbilanciata dalla reazione delle pareti

13 Equilibrio alveolare e tensione superficiale Polmone in toto Il volume è la variabile indipendente Volume e pressione interna di ogni singola bolla La pressione è la variabile indipendente In linea di principio ogni bolla può svuotarsi nell altra variando il proprio volume e mantenendo costante il volume totale

14 Equilibrio alveolare e tensione superficiale In conclusione la condizione di equilibrio stabile in un sistema di bolle in parallelo si avrebbe quando tutte le bolle si sono svuotate in una. Qusto accadrebbe se: 1) la tensione superficiale all interfacie alveolo-aria rimanesse costante e; 2) non vi fosse un limite all espansione dell alveolo.

15 Equilibrio alveolare e tensione superficiale Questo è ciò che accadrebbe se la tensione superficiale rimanesse costante V1 + V2 costante Volume relativo delle due bolle all equilibrio Per avere equilibrio è necessario che la P con cui le due bolle tendono a collassare sia uguale: punti a (o a ) e b L equilibrio in b è instabile, in a (o a ) è stabile

16 Interazione Tensione superficiale-tensione elastica La pressione con cui tende a collabire un alveolo è dovuta anche alla Tensione elastica tessutale P 2 : corrisponde all inversione della pendenza dv/dp durante l espansione V aumenta bruscamente finchè le strutture elastiche vengono poste sotto tensione P 1 : durante la riduzione di P si osserva una brusca chiusura degli alveoli

17 Interazione Tensione superficiale-tensione elastica La pressione con cui tende a collabire un alveolo è dovuta anche alla Tensione elastica tessutale Secondo questa rappresentazione, quindi, gli alveoli sarebbero instabili: o completamente aperti o quasi del tutto collassati. Tuttavia ciò non è vero poiché la tensione superficiale non è costante.

18 Surfactante e stabilità alveolare 1. Stabilità alveolare La variazione della tensione superficiale con la variazione dell area dell interfacia aria-alveolo rende stabile l equilibrio durante l espirazione fra gli alveoli posti in parallelo. Quando un alveolo a r di curvatura più piccolo inizia a svuotarsi in un altro a r di curvatura maggiore, la concentrazione di del tensioattivo aumenta e la tensione superficiale diminuisce riducendo la tendenza dell alveolo al collasso. Viceversa, nell alveolo più grande la tensione superficiale aumenta. Si stabilisce in meccanismo a feed-back negativo

19 Distribuzione della ventilazione L aria inspirata non si distribuisce uniformemente nelle varie parti del polmone; La ventilazione per unità di volume polmonare è maggiore nelle parti inferiori e minore in quelle superiori.

20 Distribuzione della ventilazione Il gradiente verticale di P pl (P es ) e di volume regionale polmonare dipende dalla gravità; Il polmone pesa

21 Distribuzione della ventilazione Effetto del gradiente di pressione pleurica sull espansione regionale del polmone a diversi volumi polmonari. Ad FRC (A) la maggior parte del gas inspirato va agli alveoli della base perchè gli alveoli sono situati sulla parte più ripida (maggiore compliance) della curva pressione-volume. A CPT (B) la maggior parte del gas va ancora agli alveoli della base, ma la differenza è minima. A VR (C), l aria inspirata va agli alveoli degli apici prima che inizi il flusso verso le basi. Nota che tutti gli alveoli sono sulla stessa curva P-V, ma, in funzione del grado di espansione, giacciono su parti differenti della curva.

22 Curva P-V del Torace Relazione V t - P tt La pressione esercitata dalla parete toracica (P tt ) è uguale alla differenza tra P pl e la pressione atmosferica. Se i muscoli sono rilasciati in condizioni statiche a vie aeree chiuse P tt = P pl (P es ) Il ritorno elastico della cassa toracica è bi-direzionale Tende ad espandersi per volumi < 75 % CV Tende a contrarsi per volumi > 75 % CV C tt = 200 ml /cm H 2 O

23 Curva P-V del sistema combinato Il sistema respiratorio è formato da due strutture poste in serie: polmone e cassa toracica La pressione esercitata dal sistema combinato (P rs ) è la somma algebrica delle pressioni esercitate da queste due strutture: P rs = P tp + P tt P rs = P A con vie aeree chiuse e muscoli rilasciati La variazione di volume è identica nelle due strutture La compliance totale è il reciproco della somma dei due reciproci delle singole compliance polmonare e toracica: 1/C rs = 1/C p + 1/C t

24 Curva P-V del sistema combinato C rs = 100 ml / cm H 2 O Il volume in corrispondenza del quale P tp è equilibrata da P tt è un punto di equilibrio, CFR CFR aumenta con l età perché aumenta C p

25 Curva P-V del sistema combinato Lavoro meccanico positivo che deve essere compiuto dai MR contro la resistenza elastica per spostare il sistema da CFR Al termine di un inspirazione o di un espirazione forzata questo lavoro si trova sotto forma di energia potenziale elastica che serve a riportare il sistema ad equilibrio

26 Bibliografia Fisiologia dell Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 12: I polmone (Capitolo 12.5) Fisiologia Medica, a cura di Conti F, seconda edizione, Edi.Ermes, Milano Capitolo 50.1: Statica del sistema toracopolmonare West JB, Fisiologia della Respirazione, IV edizione italiana, PICCIN, Padova