Scambi gassosi respiratori

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1 CARLO CAPELLI Scambi gassosi respiratori DISPENSE AD USO DEGLI STUDENTI

2 CAPITOLO 1 Scambi gassosi In questo capitolo sarà illustrato come sia possibile descrivere in modo quantitativo le relazioni tra la composizione dell aria ambiente ed alveolare e la ventilazione. In seguito, si illustrerà come la distribuzione della perfusione e della ventilazione alveolare possano influenzare gli scambi gassosi alveolo - capillare e determinare in alcuni casi la diminuzione dell ossigenazione del sangue arterioso

3 SEZIONE 1 Scambi gassosi alveolo-capillari Gli scambi gassosi tra aria ambiente e aria alveolare possono essere trattati in modo quantitativo. In particolare, poiché le relazioni tra PACO2 e PAO2 sono funzioni ben definite: i) della composizione dell'aria inspirata; ii) del consumo di ossigeno (V O2) e della produzione di CO2 (V CO2) e; iii) della ventilazione alveolare (V A), OBIETTIVI 1. Scambi gassosi: il consumo di O2 e la produzione di CO2 2. Equazione dell aria alveolare e linee iso-r dell aria alveolare 3. Linee iso-r del sangue capillare e curva di distribuzione del rapporto V A/Q 4. La maldistribuzione del rapporto V A/Q come causa di ipossia 5. Punto ideale alveolare 6. Spazio morto anatomico, alveolare e fisiologico 7. Shunt anatomico e fisiologico si può ottenere un espressione algebrica che descriva le conseguenze della modificazione di una delle variabili sulle altre. L equazione che stabilisce la relazione quantitativa tra queste variabili è l equazione dell aria alveolare. Prima di addentrarci nella descrizione dettagliata di come si possa ricavare l equazione alveolare e, per mezzo di essa, comprendere come V A influenzi la composizione dell aria alveolare, è opportuno descrivere come si possano quantificare gli scambi gassosi alveolari dei due gas implicati nel nostro metabolismo terminale: l ossigeno e l anidride carbonica. Consumo di ossigeno e produzione di anidride carbonica. Il volume di O2 consumato in un dato periodo di tempo (V O2) è uguale alla differenza tra il volume di O2 introdotto con l aria inspirata e quello espirato nello stesso periodo di tempo. Questa equazione descrive solo il flusso netto dell O2 che entra nelle vie aeree. 2

4 V O2 = V I F I O2 - V E F E O2 (1, L Equazione 1 può essere quindi riscritta come: dove V I e V E rappresentano i flussi di aria inspirata e espirata e FIO2 e FEO2 sono le frazioni di ossigeno degli stessi campioni di aria. Il volume di O2 che attraversa le vie aeree è uguale al volume di O2 trasferito attraverso la barriera alveolo capillare nello stesso intervallo di tempo solo se non si hanno contemporaneamente variazioni delle riserve polmonari di ossigeno (reso2) contenute negli alveoli polmonari o si ritenga la somma algebrica delle loro variazioni uguale a zero (per esempio, nel corso di periodi di rilevazione di svariati secondi). Nella maggioranza dei casi, quindi, l equazione 1 è una misura fedele della quantità di O2 introdotta nell organismo umano, fatta eccezione per quelle condizioni in cui, per esempio nel corso dei transienti all inizio e alla fine dell esercizio, reso2 variano significativamente per raggiungere rapidamente un livello stabile. Quanto detto ha una rilevanza pratica evidente se si desidera misurare in modo accurato il volume di gas che attraversa la barriera alveolo-capillare respiro per respiro, poiché reso2 variano da un respiro all altro. Dal punto di vista pratico, di solito si ha solitamente a disposizione solo V E. V I in Equazione 1 può essere calcolato da V E assumendo che, nel periodo di osservazione, lo scambio netto di azoto (N2) a livello polmonare sia uguale a zero: V N2 = V I F I N2 - V E F E N2 (2. Così facendo, è possibile risolvere l uguaglianza per Il metodo per il calcolo indiretto di V I prende il nome di correzione di Haldane, dal nome del fisiologo e biochimico inglese che la propose per la prima volta. La frazione in volume dell azoto nell aria espirata (FEN2) è calcolata solitamente come complemento all unità delle frazioni di ossigeno e anidride carbonica nell aria espirata partendo dall analisi dell aria espirata effettuata con analizzatori per l ossigeno e per l anidride carbonica: (1 - F E O2 - F E CO2). Allo stesso modo, la produzione di CO2 può essere calcolata come: (4 (5. V I e ottenere: (6, (3 3

5 dove il termine - V I. F I CO2 solitamente scompare nel caso si respiri aria ambiente poichè FICO2 può essere tranquillamente assunta uguale a zero. V CO2, quindi, si riduce al prodotto tra la ventilazione espirata totale e la frazione in volume di CO2 nell aria espirata mista (F E CO2). Rapporto di scambio respiratorio Il rapporto di scambio respiratorio (R) è uguale al rapporto tra la CO2 prodotta e l O2 consumato: (8c. Per inciso, se R è assunto uguale a 1, significa che il volume di O2 sottratto al volume di aria inspirata è uguale a quello di CO2 aggiunto. Ne consegue che è possibile porre V I uguale a V E. In questo caso, V O2 può quindi essere espresso per mezzo della relazione semplificata senza tenere conto della correzione di Haldane: (9. (7 (8a. L equazione può anche essere scritta eliminando al numeratore e al denominatore V E: Ventilazione alveolare e equazione dell aria alveolare Per descrivere i concetti e le procedure che conducono all equazione dell aria alveolare, è più semplice partire da un caso limite, la respirazione in O2 puro. Alla fine di un espirazione o di un espirazione quando il flusso è nullo la pressione negli alveoli è uguale alla pressione ambiente, PB. Essa deve anche essere uguale alla somma delle pressioni parziali alveolari di ossigeno (PAO2), anidride carbonica (PACO2) e di vapor d acqua (PAH2O). (10. (8b Poiché PAH2O a 37 C = 47 mm Hg, si può anche scrivere: oppure, nel caso si abbia accesso alla frazione dei gas alveolari: (11a. 4

6 Ad una determinata altitudine, il termine (PB - 47) è costante. Quindi, l equazione 11a equivale all equazione di una retta con pendenza uguale a -1 della forma: (11b. Fenn, Rahn e Otis nel 1946, e ancor prima Rodolfo Margaria (1941), misero in luce che era possibile rappresentare su un sistema di assi cartesiani le funzioni respiratorie ponendo sull asse delle y la PACO2 e sull asse delle x la PAO2. In Figura 1 è rappresentata tale funzione. La semiretta descritta nel grafico è un luogo geometrico. Essa, infatti, rappresenta tutte le possibili coppie di valori di PA- CO2 e PAO2 che possono esistere negli alveoli di un polmone ventilato con O2 puro. Si nota che l intercetta sull asse delle x corrisponde al valore della pressione parziale di O2 nell aria inspirata (PIO2). La seconda osservazione riguarda la pendenza della retta: la figura dimostra che la pendenza è uguale al rapporto tra la variazione dell ordinata diviso per la corrispondente variazione dei valori in ascissa. Nel caso della respirazione in O2 puro, il valore della pendenza indica immediatamente che l aumento della PAO2 è identico alla diminuzione della PACO2. E ovvio ora domandarsi come ci si possa muovere lungo la semiretta, ovvero come sia possibile ottenere tutte le possibili coppie dei valori di PAO2 e PACO2. E intuitivo che, se la ventilazione alveolare (V A) o quella in ogni singolo alveolo - aumenta, ci muoveremo verso la PIO2; al contrario, se la ventilazione diminuisce, ci allontaniamo in alto e a sinistra verso valori più bassi di PAO2 e più alti di PACO2. Figura 1. Linea iso-r dell aria quando si respira O2 puro a livello del mare. L intercetta sull asse delle x corrisponde al punto dell aria inspirata e la semiretta che si irradia da questo punto definisce tutti i possibili valori di PACO2 e PAO2 quando si respira O2 puro. La pendenza, uguale a -1, è uguale al rapporto al rapporto tra la variazione dell ordinata ΔPACO2 divisa per la corrispondente variazione dell ascissa ΔPAO2. Respirando O2 puro, l aumento assoluto della PACO2 è uguale alla diminuzione della PAO2. Il diagramma in Figura 1, rappresenta la condizione più semplice. Se anziché O2 puro, si respira aria, la rappresentazione diventa molto più complessa e si deve tenere conto anche del metabolismo del soggetto, come illustrato di seguito. Quando un individuo respira aria ambiente, con ogni atto respiratorio giunge negli alveoli un determinato volume di aria saturo di vapore d acqua e a 37 C. A questo volume di aria al- 5

7 veolare il sangue sottrae un certo volume di O2 e aggiunge un certo volume di CO2. Se poniamo: V = volume di aria umida che entra negli alveoli ad ogni atto respiratorio; x = ml di O2 (saturo di vapore di acqua) sottratto a V nei polmoni y = ml di CO2 (saturo di vapore di acqua) che viene aggiunto a V nei polmoni FA = frazione in volume dei gas alveolari FI = frazione in volume dei gas inspirati (FO2 = ; FCO2 = ). R = y/x (quoziente di scambio respiratorio), il volume di aria inspirata, dopo il completamento degli scambi respiratori, diventa V + y x. Poiché la quantità di CO2 eliminata è uguale alla differenza del contenuto in CO2 tra l aria dopo che siano avvenuti gli scambi e prima che essi si siano attuati, si avrà che: (12. Allo stesso modo, l O2 assorbito è uguale alla differenza tra l O2 contenuto nell aria inspirata e l O2 contenuto al termine del completamento degli scambi respiratori: (13. Se poniamo ora nell Equazione 12, invece di x, y/r e invece di y, R x e risolviamo, avremo: (14a. (14b (14c (14d (14e Procedendo allo stesso modo con sostituzioni analoghe, giungiamo anche a: (15. 6

8 Dividendo membro a membro le equazioni 14 e 15, si ottiene: Risolvendo per PACO2 invece che per PAO2, avremo: (16. (20 Da questa, risolvendo per FAO2, si ottiene: Per l aria, poiché FICO2 = 0 e PICO2 = 0, si può giungere ad una versione semplificata della 20: (17. (21a. Poiché la pressione parziale di un gas qualsiasi x è uguale al prodotto tra la sua frazione in volume e la pressione totale dei gas che compongono la miscela ad esclusione dell acqua (18, si può descrivere l equazione 17 in termini di pressione parziale: che è l equazione dell aria alveolare nella sua versione più completa. (19 L equazione 21a è la forma dell equazione alveolare che descrive la relazione tra PACO2 e PAO2 durante respirazione in aria ambiente. Questa formula indica che, per ogni valore di PIO2 (e FIO2) costante - quindi di PB e di altitudine sul livello del mare - e per un dato valore di R (posto anch esso costante), PACO2 è una funzione lineare di PAO2. Infatti, l equazione 21a diventa una funzione del tipo: (21b, cioè del tipo dell equazione 11b, ove, però, b era posto uguale a -1. 7

9 Sia dall equazione 20 che dall equazione 21, infatti, appare immediatamente chiaro che se: i) R = 1 oppure; ii) FIO2 = 1 (respirazione in O2 puro), avremo rispettivamente: PACO2 = (PIO2 + PICO2) PAO2 (22a) e PACO2 = PIO2 PAO2 (22b) Le equazioni 22a e 22b sono identiche alla 11, poiché quando si respira una miscela di O2 e CO22 o solo di O2 : PIO2 + PICO2 = PB -47 (23). L equazione 11, quindi, costituisce un caso particolare delle equazioni più generali 20 e 21. In Figura 2 sono riportate le linee iso-r che descrivono l equazione dell aria alveolare quando si respira aria ambiente per quattro diversi valori di R. L inclinazione - il valore b in 21b - dipende da R, cioè dal quoziente respiratorio e quindi dal metabolismo del soggetto. Altrettanto evidente é il fatto che al variare di R si modifica l intercetta sull asse delle y. Infatti, la costante: Figura 2. Linee iso-r corrisponenti a quattro valori di rapporto di scambio respiratorio. Le isoplete che si irradiano dal punto dell aria inspirata definiscono tutti i possibili valori di PACO2 e PAO2 al valore stabilito di R. L origine delle linee - l intercetta sull asse delle y aumenta all aumentare di R; l inclinazione delle linee iso-r aumenta per R > 1 e diminuisce per R < 1. Poiché l intercetta sull asse delle x corrisponde alla PIO2, ad ogni altezza sul livello del mare avremo un intero fascio di linee iso-r che si irradiano dal punto dell aria inspirata. Per quanto riguarda la costante: aumenta all aumentare di R. Essa esprime il valore di partenza della retta, cioè il valore di PACO2 per PIO2 = 0. che definisce l inclinazione b della linea iso-r, questa aumenta per R > 1 e diminuisce per R< 1. Il valore di questa costante è indipendente dall altezza s.l.m., poiché dipende solo da FIO2 e dal metabolismo (R). Solo se PACO2 = 0, PAO2 sarà uguale a PIO2. Quindi, l intercetta con l asse delle x il valore dell intercetta a in Equazione 21b, corrisponde alla pressione parziale di O2 nell aria inspirata. 8

10 Il fatto che l inclinazione dipenda da R ha una notevole importanza poiché influenza l effetto dell iperventilazione o dell ipoventilazione nel determinare le variazioni relative di PAO2 e PACO2. Per esempio, se R = 0.8 e la PAO2 è uguale a 100 mm Hg, un iperventilazione in grado di aumentare la pressione parziale alveolare di O2 sino a 120 mm Hg indurrebbe una riduzione della PACO2 da 41mm Hg a 24 mm Hg, ovvero di soli 17 mm Hg. Se R = 1,5, la stessa iperventilazione sarebbe in grado di diminuire la PACO2 da 67 a 40 mm Hg, quindi di ben 27 mm Hg. E da notare che, se respirassimo O2 puro, l aumento di PAO2 da 100 a 120 mm Hg 20 mm Hg sarebbe semplicemente uguale alla diminuzione della PACO2. (24 dove i fattori che compaiono tra parentesi sono necessari per convertirev A da BTPS a STPD 2. Sostituendo FACO2 con PA- CO2/(PB 47), si ottiene: (25. Ventilazione alveolare e composizione dell aria alveolare In svariati passaggi dei paragrafi precedenti abbiamo accennato come sia possibile, modulando V A, spostarsi lungo ogni singola linea iso-r e variare, così, i valori di PACO2 e di PAO2. Ora è il momento di vincolare questo concetto ad un analisi quantitativa delle relazioni tra le variabili in gioco. L approccio è molto semplificato se consideriamo la respirazione in aria ambiente con FICO2 = 0. In questo caso sappiamo già che V CO2 è uguale al prodotto tra la ventilazione espirata e la frazione in volume della CO2 nell aria espirata mista (Equazione 6). Poiché la produzione allo stato stazionario di CO2 in un dato lasso di tempo è costante 1, essa sarà anche uguale al prodotto di V A per la frazione alveolare di CO2: (24 L equazione 25 è anche definita come l equazione dell aria alveolare per il CO2 e mostra che, per un dato V CO2, PACO2 diminuisce all aumentare di V A (Figura 3) tendendo a zero per una V A che tende all infinito. In maniera analoga si può descrivere la relazione tra PAO2 e V A: (26 1 V CO2 allo stato stazionario dipende solo dal metabolismo se l iperventilazione non causa la deplezione delle riserve corporee di CO2. Con l iperventilazione è possibile indurre una liberazione di CO2 da parte del nostro organismo benuperiore alla produzione di CO2 da parte del metabolismo terminale. Infatti, mentre le riserve corporeee di O2 sono assai scarse circa 500 ml O2 a riposo e a livello del mare quelle di CO2 equivalgono a circa 110 litri in un individuoa riposo: esse corrispondono alla CO2 fisicamente discinta nel sangue, a quella legata all emoglobina e alle proteine, a quella trasportata nel plasma sotto forma di bicarbonato e a quella, mobilizzata con più difficoltà presente nelle ossa sotto la specie di carbonati. 2 V A è sempre espressa in condizioni BTPS, mentre la produzione di CO2, un gas, è espressa in condizioni STPD. 9

11 che, nel caso R sia uguale a 1, si riduce a: (27. La Figura 3 riporta anche la variazione di PAO2 che si osserva in funzione di V A per R uguale 1.0 e V O2 uguale a 200 ml min-1. Si osserva che la PAO2 tende a PIO2 se V A tende all infinito. Queste informazioni possono essere tradotte anche in forma grafica su un diagramma PACO2 - PAO2 (Figura 4). Figura 3. Pressione parziale negli alveoli di CO2 e di O2 in funzione della ventilazione alveolare V A per una produzione di CO2 e di un consumo di O2 uguali a 200 ml al minuto. La PA- CO2 è inversamente proporzionale a V A e tende a zero se V A tende all infinito. PAO2, invece, tende al valore di pressione parziale di O2 nell aria inspirata (PIO2) all aumentare di V A. Figura 4. Diagramma PACO2 e PAO2 con le linee iso-r per R = 1.0 e a 0.8 assieme alle linee iso -ventilazione. Le linee isoventilazioni orizzontali corrispondono a diversivalori del rapporto V CO2/V A e sono state costruite mantenendo costante la produzione di CO2; quelle oblique corrispondono a diversi valori del rapporto V O2/V A e sono state ottenute mantenendo costante il consumo di O2. In questa figura, assieme alle linee iso-r, compaiono le linee iso-ventilazione. Le linee orizzontali che corrispondono all asse destro delle ordinate rappresentano alcune delle linee-iso ventilazione che, per una V CO2 costante, possono essere soddisfatte da valori di PACO2 e PAO2 posti sul sistema degli assi cartesiani PACO2 - PAO2. Di tutte le possibili 10

12 coppie, solo quelle corrispondenti all intersezione delle singole linee iso-r con la linea iso V A in questione possono, in realtà, esistere in un polmone o in un alveolo caratterizzato da una determinata V A. Per esempio, per un rapporto V CO2 (ml min -1 ) / V A (L min -1 ) pari a 40 - corrispondente ad una V A di 5 L min-1 e a V CO2 è uguale a 200 ml min-1- la condizione sarà solo soddisfatta dalla coppia di valori PACO2 = 35 mm Hg e PAO2 = 114 mm Hg per un R = 1,0 e dalla coppia P PA- CO2 = 35 mm Hg e PAO2 = 107 mm Hg per un R = 0,8. Le linee iso-ventilazione oblique corrispondenti all asse delle ascisse posto in alto, descrivono, invece, linee iso-ventilazione costruite mantenendo V O2 costante. Ventilazione alveolare e irrorazione sanguigna nei capillari polmonari - Le linee iso R del sangue Nei paragrafi precedenti sono stati trattati gli aspetti quantitativi che descrivono le relazioni tra composizione dell aria alveolare, ventilazione alveolare, composizione dell aria ambiente e metabolismo del nostro organismo. E evidente che le modificazioni subite da queste variabili si riflettono anche sulla composizione del sangue nei capillari polmonari. Più precisamente, la quantità di CO2 che è eliminata per via polmonare - V CO2 -, deve essere uguale alla quantità di CO2 ceduta dal sangue venoso misto che si arterializza passando nei capillari polmonari nello stesso intervallo di tempo. Lo stesso, ovviamente, vale per l O2 scambiato con l aria ambiente e acquistato dal sangue durante il passaggio nella rete dei capillari del polmone. Conditio sine qua non perché l analisi proposta in questo passaggio risulti coerente è la assoluta necessità che in tutto il polmone esista, alla fine di ogni capillare, il perfetto equilibrio tra la pressione parziale dei gas alveolari e quella del sangue. Inevitabile conseguenza di quanto detto è il fatto che che il rapporto di scambio respiratorio per il sangue e per l aria di una data unità alveolo capillare è identico, data l assoluta equivalenza tra i volumi di gas ceduti o acquistati dal sangue e scambiati con la ventilazione. Ciò è vero solo se il transfer alveolo-capillare in ogni singola unità funzionale non sia in alcun modo compromesso, un fatto che possiamo assumere come scontato in polmone sano di un individuo a riposo che respira aria ambiente. Siano Cc CO2 e CvCO2 le concentrazioni di CO2 in ml per litro di sangue al termine del capillare polmonare (c ) e nel sangue venoso misto ( v ). Il volume di CO2 ceduto dal sangue ai polmoni sarà uguale a: (28. Poiché esiste un perfetto equilibrio tra alveolo e capillare, la quantità di CO2 ceduta dal sangue deve essere uguale alla quantità scambiata con l aria ambiente dalle vie respiratorie: (29. 11

13 Relazione analoga esiste anche per il V O2, ricavata sostituendo nell equazione 5 le frazioni alveolari a quelle del gas espirato misto e modificando l equazione 28 per l ossigeno 3 : per 100 ml di sangue nel sangue venoso misto (13,2 ml%, CvO2 e 54,1 ml %, CvCO2), è possibile tracciare, in modo analogo a quanto fatto per le linee iso-r dell aria, le linee iso-r del sangue. (30. Poiché R è uguale per il sangue e per l aria, si può scrivere: (31. Dall ultimo termine a destra dell equazione 31 si comprende come, se il rapporto tra CO2 ceduto dal sangue agli alveoli e l O2 assorbito dai capillari nello stesso passaggio è costante, così deve essere anche il quoziente respiratorio che descrive gli scambi gassosi con l esterno e i due devono essere uguali a prescindere dai valori di Cc CO2, CaCO2, CvO2 e CvCO2. Perciò, se riportiamo in un sistema di coordinate cartesiane (Figura 5) il valore della Cc CO2 sull ordinata e della Cc O2 sull ascissa, una volta fissata la concentrazione di CO2 e O2 3 Il termine tra le parentesi quadre rappresenta la frazione di O2 assorbita a livello polmonare riferita all unità di volume di aria alveolare. Figura 5. Curve iso-r del sangue corrispondenti a quattro valori di rapporto di scambio respiratorio. Le quattro isoplete che si irradiano dal punto del sangue venoso misto definiscono tutti i possibili valori di CaCO2 e CaO2 al valore stabilito di R. Aumentando la perfusione capillare polmonare (Q ), i punti di CaCO2 e CaO2 si muovono verso il punto del sangue venoso misto. Viceversa, se Q diminuisce, essi si allontanano. In questa figura, le linee iso-r del sangue appaiono come un fascio di semirette che si dipartono dal punto corrispondente alle condizioni del sangue venoso misto sul quale tutte le rette, a prescindere dal loro valore R, devono convergere. 12

14 Analogamente a quanto osservato per le linee iso-r per l aria, è possibile muoversi lungo ogni linea iso-r per il sangue variando il flusso ematico nel capillare Q : se Q diminuisce, i valori di Cc CO2 e Cc O2 si sposteranno in basso e a destra, viceversa se Q aumenta. Nel primo caso, solo l incremento della differenza artero-venosa (di O2) - o di quella veno arteriosa (di CO2) - sarà in grado di sostenere un dato V O2 e una data V CO2 a fronte della progressiva diminuzione di Q. Nel secondo caso, i volumi di gas scambiato tra capillari ed alveoli potranno essere sostenuti anche se le differenze diminuiranno, poiché il flusso aumenta: nella condizione limite e del tutto ipotetica di Q uguale all infinito, V O2 e V CO2 potrebbero essere sostenuti anche in presenza di differenze artero-venosa e veno arteriosa uguali a zero! Le linee iso-r del sangue così rappresentate, però, impediscono di essere compendiate in un unico diagramma cartesiano assieme a quelle per l aria. R.L. Riley e A.F. Cournard (1949) quest ultimo premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia nel 1956 per avere inventato assieme W Frossman e D.W. Richards il cateterismo cardiaco - hanno per primi combinato il diagramma dell aria alveolare con quello del sangue capillare polmonare. Per fare questo, hanno dovuto convertire i valori di concentrazione di CO2 e O2 nei corrispondenti valori di pressione parziale, quali figurano sul diagramma dell aria alveolare. A questo scopo, è sufficiente disporre di curve di dissociazione dell O2 di sangue normale in equilibrio con miscele di CO2 e O2, oppure ci si può avvalere di diagrammi come quelli di Roughton e Severinghaus (1973). In questo modo, facendo riferimento ad una determinata semiretta iso-r, sulla quale si identificano alcuni punti, si possono ricavare con l aiuto della curva di dissociazione o del nomogramma, i valori di PO2 e PCO2 corrispondenti ai valori di contenuto di CO2 e CO2. Le pressioni parziali così trovate possono quindi essere riportati sul diagramma dell aria alveolare per ogni linea iso- R. I valori uniti da una linea, però, non descriveranno più una semi retta, perché le curve di dissociazione dell O2 e della CO2 delsangue non sono funzioni lineari di PCO2 o di PO2 (Figura 6). Esse, però, continuano a descrivere delle linee iso-r che incrociano le corrispondenti linee iso-r dell aria a diversa altezza. Figura 6. Linee iso-r del sangue tracciate in termini di pressioni parziali dei gas. La conversione delle concentrazioni in pressioni parziali avviene scegliendo i punti successivi su una singola linea iso-r del sangue di figura 5 e leggendo i corrispondenti valori di Pa- CO2 e PaO2 dalle curve di dissociazione standard per l O2 e la CO2. 13

15 Nella Figura 7 sono state disegnate alcune di queste linee iso-r per il sangue sul diagramma dell aria alveolare. Poiché, come abbiamo più volte affermato, gli scambi gassosi da parte del sangue che scorre nei capillari alveolari avvengono esclusivamente con l aria alveolare, l R per il sangue deve essere uguale a quello dell aria alveolare e perciò non potranno essere presi in considerazione altro che i punti nei quali le linee iso-r del sangue incrociano le corrispondenti linee iso-r per l aria. Se si considerano tutte le possibili linee iso-r del sangue e dell aria, possiamo anche tracciare una curva che interpola tutti i punti in cui esse si incrociano (Figura 8). Questa curva prende il nome di curva di distribuzione ed indica tutti i possibili valori di PO2 e PCO2 che possono esistere in un polmone in cui esistano i corrispondenti valori di R. Ancora più importante, però, è notare che ogni punto della curva di distribuzione, oltre a corrispondere ad un determinato R, corrisponde ad un determinato valore del rapporto tra ventilazione alveolare e perfusione (rapporto V A/ Q ). Figura 8. Linee iso-r del sangue e dell aria rappresentate sullo stesso diagramma PCO2-PO2. Ciò può essere dimostrato come segue. In aria ambiente, e poiché R = V CO2/V O2, dall equazione 24 si può ricavare: Figura 7. Linee iso R del sangue e dell aria rappresentate sullo stesso diagramma PCO2-PO2. (32 Se dividiamo membro a membro l equazione 30 e l equazione 32, e risolvendo per PACO2 si ottiene: 14

16 (33a Per la PA O2 si ottiene in maniera simile: (33b Dalla 33a, risolvendo per V A/ Q, si ottiene finalmente: (34. Si vede che per determinati valori di PACO2, R, Cc CO2 (CvO2 è costante e definito nel punto del sangue venoso misto) si ottiene un determinato rapporto V A/ Q che è indipendente da V O2. Nella Figura 9, la curva di distribuzione è stata disegnata indicando lungo di essa i valori del rapporto V A/ Q. Si può notare che il rapporto ha due estremi: è uguale a zero nel punto corrispondente al sangue venoso misto ed è uguale ad infinito in coincidenza del punto che definisce l aria inspirata, assumendo valori intermedi lungo l arco della curva di distribuzione. In effetti, il rapporto V A/ Q nel polmone è distribuito nel polmone secondo un continuum descritto per l appunto dalla curva di distribuzione. Figura 9. Curva di distribuzione della figura 8 con i valori dei rapporti V A/ Q nei punti indicati. Il punto corrispondente a V A/ Q = descrive una situazione analoga ad uno spazio morto ventilatorio: i gas entrano in alveoli ventilati e non perfusi e la composizione dell aria alveolare è uguale a quella dell aria inspirata. Il punto per il quale V A/ Q = 0 corrisponde ad alveoli perfusi e non ventilati: il sangue che scorre attraverso i capillari di questi alveoli non si arterializza, ma mantiene la composizione del sangue venoso misto. In pratica, questo sangue si mescola a quello arterializzato e si comporta come un vero e proprio shunt venoso. Il fatto che la curva di distribuzione descriva una relazione biunivoca tra i valori di R e quelli del rapporto V A/ Q ad essi corrispondenti, una volta note PACO2 e Cc CO2, potrebbe sembrare un fatto incidentale. In realtà, i due fenomeni sono inevitabilmente connessi. Se teniamo presente che, per 15

17 ogni linea iso-r dell aria o del sangue, date PACO2 e CcCO2, anche PAO2 e CcO2 sono inevitabilmente fissate, una semplice analisi grafica ci permette di comprendere quanto affermato. Presupposto essenziale per la comprensione di quanto ci accingiamo a spiegare è la constatazione che le curve di dissociazione del sangue per l O2 e per la CO2 sono molto diverse tra loro. Come sappiamo, la curva di dissociazione per l O2, in condizioni fisiologiche, diventa piatta già in corrispondenza di valori di PO2 uguali o superiori a circa 50 mm Hg. Ciò significa che grandi variazioni di PO2 inducono scarse modificazioni di concentrazione di O2 dal momento che ci muoviamo sulla parte piatta della curva di dissociazione. Al contrario, la curva di dissociazione del sangue per la CO2, nell ambito delle pressioni parziali di CO2 di interesse fisiologico, è ben approssimata da una funzione lineare. Ciò implica che variazioni di PCO2 comportino sempre variazioni proporzionali di concentrazione di CO2 (Figura 10a). Poiché la composizione del sangue venoso misto rimane costante ed identica in tutti i capillari alveolari, i volumi di O2 e CO2 scambiati con gli alveoli dipendono dai valori di PO2 e PCO2 alveolari. Gli alveoli con alti valori di V A/ Q sono quelli caratterizzati da bassa PACO2 e alta PAO2 (Equazioni 33a e 33b). Ciò implica che il volume di CO2 ceduto dal sangue sia superiore al volume di O2 ceduto al sangue nello stesso passaggio e R sarà elevato. Al contrario, gli alveoli con bassi valori di V A/ Q sono quelli in cui prevalgono alta PACO2 e bassa PAO2. Figura 10. Curve di dissociazione del sangue per l O2 e la CO2 e quantità fisicamente disciolta dei due gas in funzione della loro pressione parziale. Le caratteristiche del sangue venoso all ingresso del capillare polmonare sono: PvCO2 = 50 mm Hg, CvCO2: 55 ml CO2 100 ml -1 di sangue; PvO2: 40 mm Hg, CvCO2: 15 ml OO 100 ml -1 di sangue. Il diagramma A si riferisce ad un alveolo con alto rapporto V A/Q. Nel caso esemplificato, la PAO2 si aggira sui 100 mm Hg e la PACO2 sarà di circa 36 mm Hg. Il contenuto di O2 e CO2 al termine del capillare polmonare con il quale questo alveolo ha stabilito gli scambi gassosi sarà: Cc O2 20 ml O2 100 ml -1 e Cc CO2 42 ml CO2 100 ml -1. Il rapporto di scambio respiratorio sarà uguale al rapporto tra il volume di CO2 ceduto (12 ml CO2 100 ml -1 ) e il volume di ossigeno acquisito da sangue (5 ml O2 100 ml -1 ): 9/5 = 1.8. Il diagramma B si riferisce ad un alveolo con basso rapporto V A/Q. Nel caso esemplificato, la PAO2 sarà circa 85 mm Hg e la PACO2 sarà di circa 42 mm Hg. Il contenuto di O2 e CO2 al termine del capillare polmonare con il quale questo alveolo ha stabilito gli scambi gassosi sarà: Cc O2 20 ml O2 100 ml -1 e Cc CO2 51 ml O2 100 ml -1. Il contenuto di O2 non è 16

18 molto diverso dal caso precedente. Poiché siamo situati ancora sulla parte piatta della curva di dissociazione; quello della CO2 è sostanzialmente cambiato poiché la linearità della curva di dissociazione implica una relazione proporzionale tra pressione parziale del gas e contenuto nel sangue. Il rapporto di scambio respiratorio sarà uguale al rapporto tra il volume di CO2 ceduto (4 ml CO2 100 ml -1 ) e il volume di ossigeno acquisito da sangue (5 ml O2 100 ml -1 ): 4/5 = 0.9. V A, per esempio, mostra una tipica distribuzione regionale (Figura 11) poiché la ventilazione alveolare per unità di volume polmonare è superiore alle basi del polmone rispetto agli apici. In questo caso, quindi, è probabile che il punto alveolare della PO2 sia situato sul tratto lineare e ripido della curva di dissociazione dell ossigeno. Il volume di CO2 ceduto dal sangue sarà probabilmente inferiore al volume di O2 ceduto al sangue nello stesso passaggio e R sarà basso, addirittura inferiore all unità (Figura 10b). La distribuzione del rapporto V A/ Q nel polmone. Una volta descritta la curva di distribuzione, diventa immediatamente legittimo domandarsi se nel polmone si attuano le condizioni che conducano alla reale esistenza di zone alveolari caratterizzate dai valori di V A/Q rappresentati dalla curva. In realtà, se consideriamo il polmone nel suo complesso, il rapporto complessivo V A/ Q a riposo sarebbe uguale a 0.8 poiché, in media V A è uguale a 4 L min -1 e Q si aggira attorno ai 5 L min -1. Se la ventilazione e la perfusione fossero distribuite in modo omogeneo in tutte le zone del polmone, ogni singolo alveolo avrebbe per l appunto un V A/ Q = 0.8. Figura 11. Distribuzione regionale della ventilazione misurata con il metodo dell inspirazione di una miscela con Xe 133. Le basi polmonari sono più ventilate degli apici. Ciò è dovuto alle caratteristiche non lineari della curva P/ V del polmone e al fatto che la pressione pleurica quella che determina il volume del polmone - è distribuita in senso cranio-caudale secondo un gradiente verticale a causa del peso del parenchima polmonare: essa è più negativa attorno agli apici e diventa meno negativa mano a mano che ci si avvicina alle basi. 4 Per semplicità ci riferiamo sempre al polmone di un soggetto in piedi e a riposo. La situazione descritta, infatti, può cambiare radicalmente durante esercizio muscolare o se il soggetto assume posizione prona o supina. In realtà, sia ventilazione che perfusione non sono distribuite in modo uniforme nel polmone 4. 17

19 Ciò comporta il fatto che a riposo, partendo da CFR, gli alveoli della base si trovino sul tratto più ripido della curva P/ V, mentre quelli degli apici giacciano generalmente sulla porzione piatta della curva P/V (Figura 12). Figura 12. Durante la respirazione a riposo, partendo da CFR, gli alveoli delle basi polmonari sono situati sulla parte più ripida della curva P/V del polmone, mentre quelli degli apici sono situati su una porzione meno ripida della stessa curva. Quindi,applicando la stessa variazione di pressione pleurica, i primi si espandono di più dei secondi (A). A volumi polmonari elevati, le differenze si attenuano poiché entrambe le popolazioni di alveoli giacciono sulla parte piatte della curva P/V (B). Infine, partendo da VR, la situazione si inverte, poiché ora sono gli alveoli degli apici ad essere situati sulla porzione più ripida della curva P/V (C). Di conseguenza, gli alveoli della base subiscono variazioni volumetriche maggiori di quelli degli apici quando è generata la stessa variazione di pressione pleurica. L effetto finale di questo stato di cose consiste nel fatto che la ventilazione diminuisce gradualmente passando dalle basi agli apici dei polmoni. Anche Q dimostra una distribuzione regionale nel polmone: la perfusione dei capillari polmonari è distribuita in modo disomogeneo. Infatti, le zone apicali dl polmone sono meno perfuse di quelle nelle zone declivi (Figura 13). Figura 13. Distribuzione regionale della perfusione dei capillari polmonari in un polmone di un soggetto in postura ortostatica. Le basi sono più perfuse degli apici. La distribuzione topografica di V A e di Q andando dagli apici alle basi dei polmoni non segue lo stesso andamento: la variazione della perfusione è più evidente e marcata di quella della ventilazione alveolare (Figura 14). Ciò comporta che il rapporto V A/ Q non sia a sua volta costante nelle diverse zone del polmone. Infatti, V A/ Q dimostra normalmente il tipico andamento curvilineo descritto in Figura 14: è molto basso alle basi ed aumenta in modo sempre più marcato proseguendo verso gli apici polmonari. 18

20 Figura 14. Distribuzione regionale della perfusione dei capillari polmonari in un polmone di un soggetto in postura ortostatica. Le basi sono più perfuse degli apici. Nel polmone, quindi, possiamo osservare alveoli caratterizzati da valori di V A/Q che variano tra i due estremi costituiti da alveoli con V A/Q = 0 e alveoli con V A/ Q uguale all infinito. In Figura 15 è rappresentata un esemplificazione di questo stato di fatto. Il polmone è stato suddiviso arbitrariamente in nove fette orizzontali dagli apici alle basi in teoria potremmo dividerlo in un numero molto più grande di fettine-. Proseguendo in direzione cranio-caudale, si nota come il rapporto V A/Q diminuisca e con esso il rapporto di scambio respiratorio. In parallelo, la pressione parziale di O2 diminuisce e quella di CO2 aumenta. Figura 15. Distribuzione verticale nel polmone di ventilazione alveolare, perfusione capillare, rapporto VA /Q e di PO2 e PCO22 e R che ne derivano. Il polmone è stato arbitrariamente diviso in nove fette orizzontali. In un polmone sano, le distribuzioni di V A e Q sono omogenee e poco disperse. Questo fa sì che la maggior parte degli alveoli abbia un rapporto V A/Q medio molto vicino all unità e solo pochi alveoli siano caratterizzati da rapporti V A/Q inferiori a 0.3 e superiori a 3.0 (Figura 16a). In polmoni affetti da patologie per esempio bronchite cronica ostruttiva la distribuzione del rapporto V A/Q può essere francamente anormale. Per esempio, ci possono essere areee estese caratterizzate da elevati o bassi valori di V A/Q (Figura 16b). 19

21 i) ipoventilazione (p.e. crisi respiratoria acuta, fatica dei muscoli respiratori); ii) riduzione della capacità di diffusione polmonare per l ossigeno per riduzione della superficie di scambio o ispessimento della membrana alveolo-capillare (p.e. per infiltrazione cellulare, leucemia acuta); iii) franco shunt venoso (ostruzione bronchiale o occupazione dello spazio alveolare con trasudato, essudato o cellule). Figura 16. A: distribuzione del rapporto V A/Q in un polmone di un soggetto giovane di 22 anni sano misurata con il metodo dell eliminazione dei gas inerti. Si nota che la distribuzione è poco dispersa - quasi tutti gli alveoli sono caratterizzati da un rapporto V A/Q assai vicino all unità- e non vi sono né shunt né spazio morto alveolare. Gli alveoli con rapporto V A/ Q molto elevati o molto bassi rappresentano una minoranza. B: distribuzione del rapporto V A/Q in un polmone di un soggetto affetto da broncopneumopatia ostruttiva. Si nota che gli alveoli con rapporto V A/Q A/ basso rappresentano una larga frazione della popolazione alveolare totale, sono responsabili dell abbassamento della PaO2 e simulano di fatto uno shunt. La maldistribuzione del rapporto V A/Q costituisce la causa prevalente dei casi di ipossiemia PaO2 inferiore alla norma - riscontrata in clinica. Poiché la PaO2 riscontrata in questo caso nel sangue è notevolmente inferiore alla PAO2, si parla anche di gradiente di PO2 alveolo-arterioso anormale. Le cause rimanenti di ipossiemia circa il 20 % di tutti i casi sono dovuti a: Perché la maldistribuzione del rapporto V A/Q causa ipossiemia. La maldistribuzione del rapporto V A/Q nel polmone implica l esistenza di aree alveolari più o meno estese costituiti da alveoli ventilati normalmente e relativamente poco perfusi e da alveoli relativamente poco ventilati e normalmente perfusi. Ciò conduce comunque alla riduzione della PaO2. Per comprendere come la maldistribuzione di V A/Q causi ipossiemia, ci è più facile considerare un sistema polmonare costituito solo da due compartimenti, uno con 4 litri di ventilazione al minuto e 2 litri al minuto di flusso ematico (compartimento x), l altro con 2 litri al minuto di ventilazione e 4 litri al minuto di perfusione (compartimento y) (Figura 17). 20

22 Figura 17. Esempio di come la maldistribuzione del rapporto V A/ Q generi una differenza tra PO2 arteriosa e PO2 alveolare anche se il rapporto V A/Q del sistema nel suo complesso è normale (in questo caso 1 = 6/6). Le pressioni parziali nel gas espirato sono quelle della componente alveolare e sono stimate dalle pressioni di fine espirazione (PETO2 e PETCO2). In realtà, il gradiente alveolo-capillare di O2 è calcolato di solito come differenza tra la PO2 del punto ideale (PiO2) e la PaO2. Le pressioni parziali dei gas nel sangue arterioso si riferiscono a un campione di sangue ottenuto in un arteria periferica. Il riquadro mostra come le pressioni parziali di fine epirazione e arteriose siano il risultato di medie pesate per la ventilazione e la perfusione dei corrispondenti compartimenti. Il rapporto V A/Q complessivo è uguale a 1: (4 +2)/(2+4) = 1, mentre quello dei due compartimenti sono uguali a 2 e a 0,5 per x e y, rispettivamente. V A/Q è quindi distribuito in modo disomogeneo tra i due compartimenti. Utilizzando le informazioni illustrate nella figura e le curve di dissociazione standard del sangue per O2 e CO2, si ottengono le pressioni parziali alveolari di O2 e CO2 e le concentrazioni e pressioni parziali vigenti al termine dei capillari dei due compartimenti x e y. La PAO2 mista è ottenuta dalla miscelazione dell aria alveolare dei due compartimenti, ma x contribuisce alla ventilazione totale con una ventilazione compartimentale doppia rispetto a quella di y. Ciò fa si che la composizione dell aria alveolare mista abbia una PO2 molto più vicina 110 mm Hg - a quella del compartimento più ventilato. Al contrario, la concentrazione di O2 del sangue che lascia il sistema sarà molto più influenzata dal contenuto di O2 di y, dal momento che questo compatimento contribuisce alla perfusione totale con un flusso che è uguale al doppio del compartimento x. Se traduciamo la concentrazione di O2 di 19.4 ml per 100 ml di sangue in pressione parziale di O2 utilizzando le solite curve di dissociazione standard notiamo che essa corrisponde ad una PaO2 di 92 mm Hg. In questo modo si è costituito un gradiente tra le pressioni parziali di O2 alveolare e arteriosa a dispetto del fatto che il V A/Q complessivo sia uguale a uno. In pratica, la pressione parziale alveolare che risulta dalla miscelazione dell aria proveniente da tutti gli alveoli risentirà molto di più dei valori di PO2 dei distretti con V A/Q elevato. Questo per due ordini di motivi. Per prima cosa, la PAO2 totale non è la media aritmetica delle singole pressioni PAO2, ma è la media ponderata secondo le corrispondenti ventilazioni alveolari ed è chiaro che i distretti più ventilati contribuiranno alla media generale in misura maggiore rispetto a quelli poco ventilati. Inoltre, sebbene la PO2 di questi alveoli sia più elevata rispetto a quella dei distretti con basso V A/Q, essa si situa sulla parte piatta della curva 21

23 di dissociazione dell emoglobina per l O2. Quindi, contribuiscono poco alla cessione di O22 al sangue. Al contrario, quelli con basso V A/Q hanno il punto arterioso della PO2 sulla parte ripida della curva e il loro effetto negativo sul contenuto di O2 nel capillare polmonare è più spiccato. La concentrazione di O2 nel sangue arterioso a valle del polmone sarà invece molto più influenzata dalla concentrazione esistente nei distretti con basso V A/Q. Anche in questo caso, infatti, la concentrazione di O V A/Q del sangue arterioso miscelato non è la media aritmetica dei contenuti di O V A/Q esistenti alla fine del capillare polmonare, ma ne è la media ponderata secondo i flussi ematici distrettuali. E chiaro, quindi, che i distretti più perfusi contribuiscono alla media generale più di quelli ipoperfusi. 2. alveoli perfusi non ventilati 3. alveoli idealmente perfusi ed ventilati. Il primo compartimento definisce lo spazio morto alveolare. Il secondo gruppo è concepito come un vero e proprio shunt. Non c è ovviamente motivo di pensare che questa suddivisione sia una rappresentazione veritiera e fedele del polmone: probabilmente i compartimenti sono molto di più, ma dal punto di vista pratico questo ha scarso interesse. Inoltre, come vedremo, i parametri del modello tricompartimentale possono essere facilmente determinati con apparecchiature standard. Il modello tri-compartimentale di Riley: quantificazione dell effetto della maldistribuzione del V A/Q. I metodi utilizzati per quantificare l entità della maldistribuzione del rapporto V A/Q sono molto complessi dal punto di vista tecnico e non possono essere utilizzati di routine. Un metodo meno preciso, ma molto pratico, deriva dagli studi che Riley portò a termine nella seconda metà degli anni 40 a Baltimora. Il punto chiave dell approccio di Riley consiste nel considerare il polmone come un modello tricompartimentale costituito da (Figura 18): 1. alveoli ventilati non perfusi 22

24 dello spazio morto come se il loro V A/Q fosse uguale a infinito; i secondi sono inglobati nella quota di shunt, come se il loro V A/Q fosse identico a zero. Figura 18. Schema del modello tri-comparitmentale di Riley. Gli alveoli molto ventilati e poco perfusi (rapporto V A/Q elevato) sono di fatto inclusi nello spazio morto alveolare, come se il rapporto V A/Q fosse uguale all infinito. Gli alveoli normalmente perfusi e ventilati costituiscono il compartimento ideale; quelli poco ventilati, ma perfusi (il rapporto V A/Q è molto basso, non rappresentati in figura), costituiscono uno shunt, come se il loro V A/Q fosse uguale a zero. E opportuno, però, precisare che i calcoli che giungono a quantificare la frazione del volume corrente che non partecipa agli scambi respiratori lo spazio morto e la frazione di gettata cardiaca che costituisce lo shunt forniscono valori di spazio morto e di shunt che includono anche alveoli relativamente ipoperfusi e alveoli relativamente ipoventilati. I primi sono inclusi nella quota Si assume che nel compartimento ideale gli scambi respiratori avvengano con lo stesso R dell organismo nel suo complesso. Ciò è molto utile perché R può essere facilmente calcolato misurando la produzione di CO2 e di O2 dall analisi dei gas espirati misti (equazione 8a). Per quanto riguarda la determinazione delle pressioni parziali di O2 e CO2 del compartimento ideale (PiO2 e PiiCO22), si assume che, anche in presenza di un notevole shunt venoso o di una notevole maldistribuzione del rapporto V A/Q, la differenza tra la PCO2 del sangue del compartimento ideale (o PCO2 esistente al termine dei capillari polmonari del compartimento ideale) e quella arteriosa (PaCO2) sia molto piccola. Ciò è ancora più evidente se si considerano le linee iso-r dell aria e del sangue ideali in un grafico PACO2 PAO2 (Figura 19) Si nota che la curva iso-r del sangue è praticamente orizzontale in prossimità del punto che corrisponde alle condizioni di PO2 e PCO2 del compartimento ideale. Ciò implica che, anche nel caso di un apporto notevole di gas venoso misto con spostamento verso il punto venoso misto della composizione del sangue arterioso periferico-, PaCO2 rimarrà praticamente identica a PiCO2. 23

25 permette di stimare la composizione dell aria alveolare del compartimento ideale e si riferisce all aria che avrebbe ogni singolo alveolo se ventilazione alveolare e perfusione fossero identiche in tutti gli alveoli ed essi attuassero gli scambi gassosi con un R uguale a quello dell organismo in toto. L aria alveolare media Figura 19. La figura riporta la curva di distribuzione del rapporto V A/Q nel diagramma PO2 - PCO2. Sulla curva sono riportati i punti corrispondenti a diverse altezze del polmone e alcuni valori del rapporto V A/Q. L inserto in alto a destra riporta il tratto ingrandito della curva nelle vicinanze del punto ideale. Si nota che la PaCO2 sia di fatto uguale alla PCO2 del punto ideale (PiCO2), anche se la presenza di shunt fisiologico ne causi lo spostamento verso il punto venoso lungo la linea orizzontale iso-r del sangue. Ciò permette di stimare PiCO2 misurando la PaCO2 in un campione di sangue arterioso periferico, per esempio dall arteria ulnare o femorale. Il valore di PiCO2 così ottenuto, assieme al valore di R misurato dai gas espirati, è inserito nell equazione dell aria alveolare che consente, infine, di calcolare la PiO2. L equazione dell aria alveolare, quindi, ci Nella trattazione sino ad ora esposta abbiamo definito genericamente l aria alveolare come il gas che proviene dagli alveoli, definita anche aria della componente alveolare. In realtà corre l obbligo di essere più rigorosi. Questa esigenza è resa evidente dalla semplice constatazione che l aria espirata è il risultato della miscelazione di aria che proviene da diverse zone del sistema respiratorio. Inoltre, lo stesso compartimento alveolare è costituito da aree disomogenee quanto a composizione dell aria in esso contenuto. Possiamo infatti concludere che l aria alveolare misurata utilizzando le metodiche più diffuse è un concetto statistico: l aria inspirata che entra nei polmoni di un individuo subisce delle modificazioni che sono diverse nei singoli alveoli e che dipendono dai corrispondenti rapporti V A/Q. Per rendere più comprensibile quanto accennato, l esempio illustrato di seguito sarà assai esplicativo. Immaginiamo di misurare in continuo con un opportuno analizzatore la miscela di gas esalato durante un espirazione prolungata. Il primo gas che lo strumento misurerà p.e. O2 nel ca- 24

26 so di un ossimetro sarà il gas contento nello spazio morto dell apparecchiatura (Figura 20). Il secondo campione proverrà dallo spazio morto anatomico denominato anche spazio morto in serie. Figura 20. Componenti del gas espirato. Il rettangolo è una rappresentazione teorica di un volume espirato. Lo spazio morto fisiologico è uguale alla somma dello spazio morto alveolare più quello anatomico. Dopo l esalazione del volume di aria contenuto nello spazio morto anatomico, l aria inizierà a provenire dagli alveoli. Questi ultimi, come già illustrato, possono essere suddivisi in tre compartimenti. Il diagramma mostra due alveoli rappresentativi di due dei compartimenti che fanno parte del modello tricompartimentale. Uno è perfuso e da esso proviene una miscela di gas che ha la composizione tipica del compartimento ideale. L altro alveolo è ipoperfuso e in esso non si attuano scambi respiratori. Da questo alveolo provengono gas che hanno mantenuto approssimativamente la stessa composizione dell aria ambiente. Questa è l aliquota di gas definita con il nome di spazio morto alveolare (o in parallelo). La somma dello spazio morto alveolare e di quello anatomico prende il nome di spazio morto fisiologico. La parte finale dell espirazione, quindi, consiste di una miscela di gas del compartimento ideale e di gas che proviene dallo spazio morto alveolare. Un campione di questo gas misurato al termine di un espirazione prolungata e forzata prende il nome di campione di aria a fine espirazione. In inglese è definito come end tidal, e le pressioni parziali o le frazioni in volume dei gas misurati secondo questa metodica sono indicati con il pedice ET 5 : p.e. PETO2, PETCO2, PETN2 etc.etc. In un polmone sano, la composizione di questo campione approssima quella dell aria del compartimento ideale poiché lo spazio morto alveolare è trascurabile. In molte condizioni patologiche, e durante anestesia, però, il campione end-tidal non è una buona stima della condizione ideale. In questa condizione, l aria ideale deve essere stimata per mezzo della procedura indicata in precedenza e che contempla l utilizzo della PaCO2, di R e dell equazione dell aria alveolare ed è necessario distinguere l aria di fine espirazione da quella ideale. Va precisato che la differenza 25