Fisiologia della respirazione

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1 Master di I livello in Fisioterapia e Riabilitazione Respiratoria ARIR Milano, 13 aprile 2016 Fisiologia della respirazione Paolo Tarsia Dipartimento Fisiopatologia MedicoChirurgica e dei Trapianti Università degli Studi di Milano U.O. Broncopneumologia

2 Componenti del sistema respiratorio

3 Controllo della ventilazione

4 Muscoli della respirazione Sternocleiodo mastoideo Scaleni Intercostali interni Intercostali esterni Diaframma Muscoli inspiratori Muscoli addominali Muscoli espiratori

5 Contributo del diaframma alla respirazione

6 Contributo del diaframma alla respirazione Organi addominali

7 Muscoli intercostali e respirazione

8 Sistema Torace + Polmone Polmone Torace + Polmone Torace

9 Curva Pressione/Volume del Sistema Respiratorio Volume Parete Toracica (T) Parete toracica a riposo Polmone (P) Sistema T+P CPT Livello respiratorio a riposo CFR = volume di equilibrio Polmone a riposo _ VR 0 (P amb) Pressione +

10 Pressioni, flussi e volumi respiratori

11 Valutazione funzione respiratoria Apparecchiature che rilevano: Volumi polmonari (spirometri) Flussi polmonari (pneumotacografo) Pressioni e volumi sistema toraco-polmonare (pletismografo corporeo)

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13 Meccanica respiratoria in corso di spirometria volume Muscoli insp. accessori Ritorno elastico diaframma diaframma Muscoli addominali tempo

14 Inspirazione profonda massimale sternocleidomastoideo scaleni

15 Meccanica respiratoria in corso di spirometria volume Muscoli insp. accessori Ritorno elastico Ritorno elastico diaframma Ritorno elastico & Muscoli addominali diaframma Muscoli addominali tempo

16 Volumi polmonari Possono essere distinti in: - statici mobilizzabili - statici non mobilizzabili - dinamici

17 I volumi polmonari statici mobilizzabili: Volume Corrente (VT), Volume di Riserva Inspiratoria (IRV) ed Espiratoria (ERV), Capacità Vitale (VC) I volumi polmonari statici non mobilizzabili: Volume Residuo (VR), la capacità funzionale Residua (FRC) e la Capacità Polmonare Totale (CPT) I volumi dinamici: Flussi in- ed espiratori

18 Volumi polmonari Volume Corrente (VT): volume di aria mobilizzato con ciascun atto respiratorio Capacità Vitale (CV): volume di gas espulso dai polmoni con una espirazione massimale a partire dalla posizione di massima inspirazione Capacità Funzionale Residua (CFR):è il volume gassoso che rimane nei polmoni alla fine di una normale espirazione Volume Residuo (VR): Volume gassoso che rimane nei polmoni dopo un espirazione forzata

19 Movimenti massimi del torace capacità vitale Massima inspirazione TLC massima espirazione VR

20 Metodo della diluizione dell elio C2 C1 V1 V2 Elio è un gas relativamente insolubile nel sangue, si equilibra tra polmone e spirometro I volumi vengono calcolati per conservazione di massa C1 x V1 = C2 x (V1 + V2) Non misura zone poco ventilate (bolle enfisematose)

21 Metodo del wash out dell azoto Azoto relativamente insolubile con movimento lento dal sangue all alveolo Inalazione O2 100% Si calcola volume azoto raccolto Non misura zone poco ventilate (bolle enfisematose)

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23 Pletismografia corporea Misura volume totale, comunicante e non comunicante Misura anche lesioni bollose

24 Valori volumi polmonari

25 Variazioni volumi polmonari nei sessi Maschi Femmine IRV Capacità vitale VT ERV VR 3,3 0,5 1,0 1,2 1,9 0,5 0,7 1,1 Capacità polmonare totale 6,0 4,2 Capacità inspiratoria Capacità funzionale residua Variazioni legate ad altezza e modalità di respirazione

26 Modificazioni CFR con decubito

27 Modificazioni volumi con il decubito Mancata trazione gravitazionale aumenta spinta contenuto addominale sul diaframma Da supino la gravità si oppone all espansione gabbia toracica e tende a comprimerne il volume Riduzione FRC è principalmente a spesa di ERV, mentre IRV e IC aumentano leggermente

28 Modificazioni attivazione diaframmatica in corso di anestesia generale Respiro spontaneo Ventilazione controllata Nel passare dalla ventilazione spontanea alla ventilazione controllata viene attivata maggiormente la porzione più anteriore del diaframma Per gentile concessione Dr. Davide Chiumello

29 Volumi polmonari nell obeso Magri Obesi Ridotti Volumi Polmonari

30 Volumi polmonari nelle NMD VRI VRI CV Vt Vt VRI VRE Vt VRE VRE VR VR VR VRI Vt VRE VR Aboussouan LS. Am J Respir Crit Care Med 2015; 191(9);

31 Volumi polmonari e disturbi del sonno nella SLA Normale = assenza di disturbi respiratori del sonno HP = Ipopnee nel sonno REM REM-HV= Ipoventilazione nel sonno REM Ipoventilatione continua (sonno REM e non-rem) RF= Insufficienza respiratoria diurna Ragette R, et al. Thorax 2002; 57;

32 Funzione polmonare aumenta 20 volte nei primi 10 anni di vita Stocks J, Stanojevic S. ERS BG 2008.

33 Declino funzione respiratoria con l età Falaschetti et al. ERJ 2004

34 Funzione respiratoria nell anziano Adulto sano Anziano

35 Volumi dinamici (flussi) La manovra di espirazione forzata FEV1

36 Curva volume tempo FVC è il volume totale di aria espulsa in un espirazione forzata partendo da un inspirazione completa FEV1 è il volume di aria espirata nel primo secondo di un espirazione forzata, partendo da una inspirazione completa FEV1 Normalmente FEV % FVC FVC

37 Curva flusso-volume

38 Quadro funzionale nella norma

39 Spirometro vs sfigmomanometro

40 Le sindromi disventilatorie Ostruttiva: è caratterizzata da una ostruzione delle vie aeree con conseguente ostacolo al flusso (per ingombro intraluminale, come nella bronchite cronica o per ipoelasticità parenchimale, come nell enfisema) Restrittiva: è caratterizzata da un ostacolo al dispiegamento alveolare che comporta una diminuzione dei volumi polmonari mobilizzati (pneumotorace, versamenti pleurici, interstiziopatie, alterazioni scheletriche della gabbia toracica o lesioni neurologiche che ne compromettano la mobilità) Il rapporto FEV1/FVC è fondamentale per discriminare un deficit ostruttivo da uno restrittivo

41 Sindrome disventilatoria ostruttiva FEV1/FVC < 70% FEV1/VC 34%

42 Sindrome disventilatoria ostruttiva

43 Classificazione spirometrica (*) di gravità BPCO STADIO CARATTERISTICHE I LIEVE FEV1/FVC < 0.7; FEV1 80% del teorico II MODERATA FEV1/FVC< 0.7; 50% FEV1 < 80% III GRAVE FEV1/FVC < 0.7; 30% FEV1 < 50% IV MOLTO GRAVE FEV1/FVC < 0.7; FEV1 < 30% del teorico o FEV1 < 50% del teorico in presenza di insufficienza respiratoria (PaO2 < 60 mmhg) (*) Basata sulla spirometria post-broncodilatatore

44 La reversibilità nelle sindromi ostruttive In presenza di una sindrome disventilatoria di tipo ostruttivo, è utile la valutazione della reversibilità dell ostruzione. Questa valutazione si effettua medicando il paziente con farmaci broncodilatatori somministrati per via locale ( mcg di ß 2agonista o 80 mg di anticolinergico) e ripetendo le manovre dopo minuti. Viene considerato significativo un incremento di 200 ml o del 12% Tra le sindromi ostruttive la reversibilità è tipica dell asma, mentre la mancata reversibilità è tipica della BPCO

45 Ostruzione reversibile

46 Sindrome disventilatoria restrittiva Rapporto FEV1/FVC conservato (>70% )

47 Gravità restrizione Grado di alterazione CV Lieve CV 70% Moderata CV < 70% e 60% Moderata/severa CV < 60% 50% Severa CV < 50% 35% Molto severa CV < 35% American Thoracic Society. Lung Function Testing: Selection of Reference Values and Interpretative Strategies. Am Rev Respir Dis 1991; 144:

48 Gravità alterazioni spirometriche Gold BPCO Lieve FEV1/FVC < 0.7; FEV1 80% del teorico Moderata FEV1/FVC< 0.7; 50% FEV1 < 80% Grave FEV1/FVC < 0.7; 30% FEV1 < 50% Molto grave FEV1/FVC < 0.7; FEV1 < 30% del teorico Restrizione Lieve CV 70% Moderata CV < 70% e 60% Moder/sev CV < 60% 50% Severa CV < 50% 35% Molto severa CV < 35%

49 Nuova classificazione alterazioni spirometriche Pellegrino R, et al. ATS/ERS Task Force. Eur Respir J 2005;26:948-68

50 Classificazione spirometrica(*) di gravità BPCO STADIO CARATTERISTICHE I LIEVE FEV1/FVC < 0.7; FEV1 80% del teorico II MODERATA FEV1/FVC< 0.7; 50% FEV1 < 80% III GRAVE FEV1/FVC < 0.7; 30% FEV1 < 50% IV MOLTO GRAVE FEV1/FVC < 0.7; FEV1 < 30% del teorico o FEV1 < 50% del teorico in presenza di insufficienza respiratoria (PaO2 < 60 mmhg) (*) Basata sulla spirometria post-broncodilatatore

51 Variazioni FEV1/FVC con l età Falaschetti E, et al. Eur Respir J 2004; 23:456-63

52 Valori di normalità spirometrici 1.0 ULN ULN LLN LLN Frequency % of population 5% of population Value of X Range rif. = teorico ±1.645*SD Comprende 90% delle osservazioni normali 5% popolazione sotto limite inferiore normalità (LLN) 5% popolazione sopra limite superiore normalità (ULN)

53 Prevalenza della BPCO utilizzando diverse definizioni di ostruzione FEV1/FVC <0,70 FEV1/FVC % pred FEV1/FVC < lim norm FEV1 /FVC <0,70 & FEV1 < 80% pred Self reported Celli BR, et al. Eur Respir J 2003; 22:268-73

54 Definizione restrizione Restrizione definita dalla riduzione TLC Determinata tramite: diluizione elio (poco attendibile se ostruzione) pletismografia corporea VC utilizzato come surrogato Pellegrino R, et al. ATS/ERS Task Force. Eur Respir J 2005;26:948-68

55 FVC è predittiva di restrizione? Aaron SD et al. Chest 1999;115:869-73

56 Definizione la BPCO è una malattia caratterizzata da limitazione dei flussi aerei non pienamente reversibile. La limitazione dei flussi aerei è solitamente progressiva e associata ad alterate risposte infiammatorie del polmone nei confronti di particelle o gas nocivi Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD) NHLBI/WHO,2009

57 Ostruzione reversibile?

58 Risposta ai broncodilatatori nella BPCO Studio UPLIFT (5756 pz) Ipratropio 80 g (4 puff) Criteri di reversibilità Incremento FEV1 12% e 200 ml - 53,9% (73% 12%, 55% > 200 ml) 60 minuti Incremento FEV1 15% - 65,6% Salbutamolo 400 g (4 puff) Risposta FEV1 e/o FVC - 70% FEV1 12% e 200 ml 30 minuti 60 % Spirometria 0 Tashkin DP, et al. Eur Respir J 2008; 31: II III Stadio GOLD IV

59 Risposta al salbutamolo nella BPCO Risposta FEV1 Nessuna risposta 24% 11% Risposta combinata (FEV1 + CI + VR) 22% 43% Risposta volumi (CI + VR) Newton MF, et al. Chest 2002; 121:

60 Alterazioni morfologiche delle vie aeree in corso di BPCO Barnes PJ. N Engl J Med 2004;350:

61 Flussi espiratori nel sano e nel BPCO Curva Flusso-Volume Espirazione forzata normale Espirazione forzata nel paziente BPCO

62 Iperinsufflazione polmonare Volume (aria) Volume intrappolato ( CFR) CFR Insp Esp Tempo

63 Contributo respiratorio del diaframma e sue alterazioni in corso di BPCO Spostamento assiale a pistone della cupola diaframmatica, che è il principale contributo del muscolo nel generare il volume corrente(v T) in suggetti normali.

64 Iperinsufflazione e BPCO BPCO Normale Ridotta capacità inspiratoria Alterazione meccanica della parete toracica e del diaframma aumento lavoro respiratorio aumento dispnea

65 BPCO ed iperinsufflazione polmonare Il paziente iperinflato respira: a volumi polmonari sempre maggiori nella parte alta (piatta e meno favorevole - compliance ridotta) della curva P/V V Capacità polmonare totale V Capacità funzionale residua Volume residuo p P

66 Volumi polmonari nel paziente BPCO Iperinsufflazione statica CI VRI VRI VT CI VRE VT CPT CPT VRE VR VR

67 Modificazioni volumi polmonari durante esercizio fisico nel soggetto BPCO PFR Riposo Sforzo sub-massimale Sforzo massimale CPT CPT Iperinsufflazione Dinamica CFR VR Iperinsufflazione statica VR

68 Riduzione di volume farmacologica Volume polmonare (% teorico CPT) 140 CPT 120 CI 100 CFR Pre Post

69 Tempo di esercizio e volumi polmonari Basale Giorno 42 con broncodilatatori CPT Volume polmonare (L) 7,5 7,0 VPFI VRI 6,5 IC VT 6,0 5,5 VPFE 5,0 4,5 4, Durata dell esercizio (minuti) O Donnell DE, et al. Eur Respir J 2004;23:832-40

70 Alterazioni morfologiche delle vie aeree in corso di BPCO Barnes PJ. N Engl J Med 2004;350:

71 Iperinsufflazione polmonare Volume (aria) Volume intrappolato ( CFR) CFR Insp Esp Tempo PEEP i

72 Inspirazione e PEEPi +7 Palv (cmh2o) BPCO PEEPi NORMALE ,5 F (litri/sec) 0 no flusso 0,5 V (litri) 0 INSP INSP +7 0 La PEEP intrinseca agisce come un carico soglia meccanico che i muscoli inspiratori devono superare prima di poter generare flusso inspiratorio, ad ogni ciclo respiratorio.

73 Flussi lungo le vie aeree Inspirazione

74 Flussi lungo le vie aeree Espirazione

75 Chiusura dinamica delle vie aeree nella BPCO Espirazione Punto critico di chiusura

76 PEEP intrinseca nella BPCO PEEP = Positive End Expiratory Pressure Punto critico di chiusura PEEPi = + 10 PEEPe = 0

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78 PEEP intrinseca nella BPCO PEEP = Positive End Expiratory Pressure Punto critico di chiusura PEEPi = + 10 PEEPe = 0

79 PEEP intrinseca + PEEP estrinseca Punto critico di chiusura PEEPi = + 10 PEEPe = + 8 Riduzione del WOB inspiratorio Lavoro elastico (isometrico): CPAP (PEEPe) controbilanciare la PEEPi

80 PEEP intrinseca e PEEP estrinseca A. C PEEPi = PEEPe = + 8 Punto critico di chiusura D. B. PEEPe = + 12 PEEPi = + 10 PEEPe = 0

81 Lavoro respiratorio (Work Of Breathing WOB) Lavoro = Forza (F) x Spostamento (s) Nel sistema respiratorio Δp (differenza di pressione generata) è la forza utilizzata ΔV (volume di gas mobilizzato) è lo spostamento (s) Pertanto: In particolare: WOB = Dp x DV Lel = lavoro per vincere Pel Ldin = lavoro per vincere Pres

82 Lavoro respiratorio (Work Of Breathing WOB) V INSP V B C ESP (ABEA = Ldin) AIBA = Ldin I _ B C E ABCA = Lel + A _ P A + P V CICLO RESPIRATORIO B C I CFR WOB = Linsp + (Lesp) E _ A + DP P

83 Aumento lavoro respiratorio nella BPCO riacutizzata Lav elastico inspiratorio PEEPi (fino al 60% del lavoro totale) V PEEP i Lav I dinamico inspiratorio Resist. Vie aeree Lav espiratorio che da passivo diviene attivo (spesa energetica aggiuntiva) E Ostruito Lavoro elastico I E Normale Lavoro inspiratorio Lavoro dinamico Lavoro espiratorio _ DP + P resa energetica (porzione alta e piatta della curva P/V)

84 Riduzione del lavoro respiratorio nella BPCO V I 2 + PEEPe β2 E PSV Lavoro elastico Lavoro dinamico Lavoro espiratorio Lavoro inspiratorio

85 Effetti della Inspiratory Positive Airway Pressure (IPAP) Riduzione lavoro respiratorio Aumento volume corrente Riduzione CO2 Aumento O2

86 Effetti della Expiratory Positive Airway Pressure (EPAP) Controbilanciare autopeep Aumentare FRC, reclutare alveoli Limitare collasso dinamico vie aeree

87 Lavoro respiratorio nella BPCO riacutizzata 60 Appendini et al. Am J Respir Crit Care Med 1994;149: PDi 50 (cmh2o) Paw RS CPAP PS (cmh2o) 10 5 PS+CPAP Bi-level 15 5

88 Ventilazione polmonare Ventilazione minuto Volume corrente x frequenza respiratoria 500 ml x 15 rpm = 7500 ml/min

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90 Ventilazione polmonare Ventilazione minuto Volume corrente x frequenza respiratoria 500 ml x 15 rpm = 7500 ml/min Ventilazione alveolare (Vt spazio morto anatomico) x FR ( ) x 15 = 5250 ml/min

91 CO2 output CO2 CO2 V E CO2 Efficacia scambi gassosi polmonari (VD/VT) V A O2 V CO2 Q CO2 Trasporto CO2 + Riserve CO2 Attività tissutale + Tamponi

92 Ipoventilazione alveolare Il Volume di gas fresco che arriva agli alveoli nell unità di tempo (Ventilazione alveolare Va) è diminuito Provoca sempre un aumento della pco2 PaCO2 = VCO2 x k Va VCO2 = quantità di CO2 Prodotta dall organismo Va = Ventilazione alveolare = (Vt Vd) x FR Va e pco2 sono inversamente proporzionali

93 PaCO2 = k VCO2 VA