ANATOMIA FUNZIONALE DELL APPARATO RESPIRATORIO

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1 ANATOMIA FUNZIONALE DELL APPARATO RESPIRATORIO Dott.ssa Cecilia Calabrese La funzione principale dell apparato respiratorio è rappresentata dallo scambio dei gas l ossigeno passa dall aria ambiente nel sangue venoso l anidride carbonica passa dal sangue venoso all aria ambiente. 1

2 Apparato respiratorio Sistema di canalizzazione: movimento dell aria di ventilazione Superficie respiratoria: scambi gassosi Sistema di canalizzazione VIE AEREE EXTRAPOLMONARI (Vie aeree superiori) VIE AEREE INTRAPOLMONARI 2

3 Pituitary gland Pons Dura mater Medulla oblongata Nasopharynx Novartis Oropharynx Laryngopharynx (hypopharynx) Oesophagus Cupula (dome) of pleura Clavicle 1st rib Subcostal parietal pleura Mediastinal parietal pleura R. main bronchus R. pulmonary artery Visceral pleura over right lung Hilus of right lung Pericardial mediastinal pleura Substernal and subcostal parietal pleura Diaphragmatic parietal pleura Diaphragm Falx cerebri Sphenoidal sinus Frontal sinus Nasal cavity Superior and supreme Nasal turbinates Middle (conchae) Inferior Nasal vestibule Ostium of auditory tube Oral cavity Tongue Epiglottis Larynx Vocal fold (cord) Trachea Subclavian artery and vein Aorta L. pulmonary artery L. main bronchus Lymph nodes Pericardium Sternum (cut away) 6th and 7th costal cartilages Rectus abdominis muscle Linea alba Internal oblique muscle External oblique muscle (cut away) Vie aeree extrapolmonari Naso Faringe Laringe Trachea Bronchi principali 3

4 Funzioni vie aeree superiori Riscaldamento Umidificazione Depurazione Fonazione Olfatto A livello della 4-5 vertebra toracica la trachea si divide in due bronchi principali il bronco principale destro e sinistro. Il bronco principale destro ha un calibro maggiore ma una lunghezza minore rispetto al sinistro. Le differenze di calibro sono in rapporto al maggiore volume e capacità respiratoria del polmone destro rispetto al sinistro che, perciò, è maggiormente ventilato. 4

5 Subdivisions and structure of intrapulmonary airways Segmental bronchus Terminal bronchiole Smooth muscle Elastic fibres Alveolus Cartilage Large subsegmental bronchi (about 5 generations) 1st order 2nd order 3rd order Respiratory bronchioles Alveolar ducts Small bronchi (about 15 generations) Alveolar sacs and alveoli Acinus Novartis Terminal bronchioles Lobule Respiratory bronchioles (3 orders) Alveolar ducts and alveolar sacs Acinus Pores of Kohn 5

6 Intrapulmonary blood circulation Terminal bronchiole Pulmonary artery (from right heart) Pulmonary vein (to left heart) Bronchial artery (from left heart, via aorta) Respiratory bronchioles Novartis Pulmonary vein (to left heart) Capillary plexus on alveolus Capillary plexuses on alveolar sacs (cut away in places) Septum Pleura Septum Pleura SCAMBIO DEI GAS ALVEOLI po2 100 mmhg pco2 40mmHg Po2 40 mmhg pco2 46 mmhg SANGUE 6

7 Anatomia apparato respiratorio Bronchi principali Bronchi lobari Bronchi segmentali Bronchi lobulari Bronchioli terminali POLMONI LOBI SEGMENTI LOBULI ACINI Bronchioli respiratori Condotti alveolari Infundiboli o sacchi alveolari Polmoni Il polmone ha la forma di un cono cui sia stata asportata la parete mediale per mezzo di un taglio verticale. Vi si distinguono: Una base o faccia diaframmatica Un apice Una faccia laterale o costovertebrale Una faccia mediale o mediastinica Tre margini (anteriore, posteriore, inferiore) 7

8 Polmoni La superficie del polmone è percorsa da SCISSURE che dividono l organo in lobi. A DESTRA ne sono due: PRINCIPALE o OBLIQUA SECONDARIA o ORIZZONTALE A SINISTRA ve ne è una: PRINCIPALE o OBLIQUA La principale origina a livello dell ilo supera la faccia costovertebrale, si dirige i basso e anriormente fino a raggiungere la base 8

9 La scissura principale attraversa la base fino a raggiungere la parte inferiore dell ilo. La scissura orizzontale si stacca da quella principale a livello della quarta costa raggiunge l ilo. 9

10 Nel polmone esistono due sistemi vascolari: sistema funzionale, quello dei vasi polmonari che costituiscono la piccola circolazione sistema nutritizio, quello dei vasi bronchiali, che fa parte della grande circolazione. Tra i due sistemi si stabiliscono delle anastomosi Ilobi,isegmentisonoindipendentinonsoloanatomicamente ma anche funzionalmente. Infatti ognuno di essi ha una ventilazione ed una vascolarizzazione indipendenti. Ciò consente l asportazione, in condizioni patologiche, di parti del polmone meno estese, con il vantaggio di sacrificare al minimo il parenchima polmonare indenne. Pleura La superficie esterna dei polmoni è ricoperta da una sierosa, la pleura viscerale, che dall ilo dell organo si ripiega sul mediastino, sulla superficie interna della gabbia toracica e sulla superficie superiore del diaframma costituendo la pleura parietale Fra le due pleure esiste uno spazio, cavo pleurico, il quale, in condizioni fisiologiche, è virtuale.inessoèpresenteun esile film di liquido fisiologico che ne umetta la superficie e che adempie a due importanti funzioni: consente ai due polmoni di scorrere agevolmente sulle pareti della gabbia toracica stabilisce una adesione fra polmoni e parete interna della gabbia toracica 10

11 Pleura Il polmone e la gabbia toracica, ognuno tappezzato dalla propria pleura, grazie all esile film liquido che bagna le loro superfici, si trovano in stretto contatto, nonostante che essi, per la loro elasticità, tendano a distaccarsi. Il polmone tende a retrarsi, cioè a collassare la gabbia toracica tende a dilatarsi. Le forze elastiche della gabbia toracica e del polmone, quindi, si estrinsecano in direzione opposta: quelle della gabbia toracica verso l esterno, mentre quelle del polmone verso l interno. Dalla grandezza relativa di queste due forze dipende l entità della pressione esistente nello spazio pleurico, denominata pressione intrapleurica. VENTILAZIONE Il moto dell aria attraverso l apparato respiratorio si verifica secondo una legge fisica: il gas si sposta dal luogo a pressione maggiore verso il luogo a pressione minore. In un atto respiratorio tranquillo circa 500 ml di aria entrano nell apparato respiratorio ed altrettanti ne escono durante l espirazione. 11

12 INSPIRAZIONE Il DIAFRAMMA è Il più importante muscolo inspiratorio. E innervato dal nervo frenico. Quando si contrae gli organi contenuti nell addome sono spinti verso il basso e aumenta il diametro verticale della gabbia toracica. Nel respiro normale il livello del diaframma si muove di circa 1 cm ma nell inspirazione ed espirazione forzata si può avere una escursione totale di circa 10 cm. I MUSCOLI INTERCOSTALI ESTERNI contraendosi spingono le coste verso l alto e in avanti causando un aumento dei diametri laterali ed anteroposteriore del torace. I muscoli intercostali sono innervati dai nervi intercostali che nascono dal midollo spinale allo stesso livello. I muscoli accessori della inspirazione sono rappresentati dai MUSCOLI SCALENI che elevano le prime due coste e dai MUSCOLI STERNOCLEIDOMASTOIDEI che sollevano lo sterno. Durante la respirazione tranquilla c è poca o nessuna attività di questi muscoli che, invece, durante il lavoro muscolare possono contrarsi vigorosamente. ESPIRAZIONE Nella respirazione tranquilla l espirazione è passiva. Il polmone e la parete toracica sono elastici e tendono a ritornare alla loro posizione di equilibrio dopo essere stati attivamente espansi durante l inspirazione. Durante il lavoro muscolare o l iperventilazione volontaria l espirazione diventa attiva. I principali muscoli della espirazione sono quelli della parete addominale (mm. retto dell addome, obliqui interno ed esterno e traverso dell addome). Quando questi muscoli si contraggono la pressione intraaddominale aumenta ed il diaframma è spinto verso l alto. I muscoli intercostali interni intervengono nell espirazione attiva; essi spostano le coste verso il basso ed indietro diminuendo così il volume toracico. 12

13 INSPIRAZIONE L inspirazione è caratterizzata da un aumento della quantità di aria contenuta nei polmoni. L aumento della capacità della gabbia toracica dipende dall aumento dei suoi diametri che dipende dalla contrazione del diaframma e dei muscoli intercostali esterni. L aumento dei diametri della gabbia toracica determina una diminuzione della pressione endopleurica: per la legge di Boyle se il volume aumenta, a temperatura costante, la pressione diminuisce. Nell inspirazione aumenta la negatività della pressione endopleurica che diventa circa 6 7 mmhg inferiore rispetto a quella atmosferica. Il polmone aderisce strettamente alla gabbia toracica e le variazioni della pressione intrapleurica si ripercuotono all interno del polmone, modificando la pressione endopolmonare che diviene leggermente subatmosferica circa 1 2 mmhg inferiore a quella dell aria ambiente. L aria, quindi, passa dall ambiente dentro i polmoni perché vi è un gradiente di pressione dall esterno verso l interno. ESPIRAZIONE Nell espirazione si verifica una diminuzione del volume della gabbia toracica e, quindi, aumenta la pressione nel suo interno. Nella espirazione tranquilla la pressione endopleurica è circa 3-4 mmhg inferiore rispetto a quella atmosferica e la pressione endopolmonare è, invece, circa 1 2 mm Hg più alta rispetto a quella atmosferica. Nell espirazione, quindi, l aria è espulsa perché vi è un gradiente di pressione dall interno verso l esterno. Alla fine dell inspirazione e alla fine della espirazione quando l aria non è in movimento la pressione endopolmonare eguaglia quella atmosferica. 13

14 Resistenze I muscoli impiegati nella respirazione sono i responsabili del moto dell aria verso e dai polmoni e devono effettuare un lavoro per vincere le resistenze opposte dall apparato respiratorio. Queste resistenze sono essenzialmente di due tipi: Resistenze non elastiche o viscose Resistenze elastiche 1) Le resistenze non elastiche o viscose sono di due tipi: Resistenze dovute all attrito interno delle molecole che costituiscono i polmoni e la gabbia toracica Resistenze in rapporto al flusso dell aria attraverso le vie aeree. La resistenza al flusso è condizionata prevalentemente dal raggio delle vie aeree legge di poiselle R= 8 l r 4; è la viscosità del gas, l è la lunghezza e r è il raggio Se il raggio viene dimezzato la resistenza aumenta di 16 volte. 2) Le resistenze elastiche sono dovuta alla presenza nel polmone e nella gabbia toracica di fibre elastiche L elasticità è una proprietà della materia in virtù della quale si ha il ritorno alla posizione di partenza dopo che essa è stata deformata da una forza esterna. Un corpo perfettamente elastico obbedisce alla legge di Hooke secondo la quale l allungamento di un corpo elastico è proporzionale alla entità della forza applicata. Il tessuto polmonare contiene fibre elastiche che conferiscono elasticità all organo. L elasticità del polmone è dovuta, inoltre, alla tensione superficiale esercitata dal film liquido che bagna la superficie interna degli alveoli. Essa si genera perché le forze tra le molecole di liquido sono molto più forti di quelle tra il liquido ed il gas con il risultato che l area della superficie liquida diviene la più piccola possibile. 14

15 Anche la gabbia toracica presenta una certa elasticità. L entità della deformazione del polmone e della gabbia toracica, quando l aria penetra nell apparato respiratorio, dipende dalla forza esterna applicata (contrazione muscolare): quanto maggiore è questa tanto più grande sarà la modificazione del volume del polmone e della gabbia toracica. Il diagramma pressione/volume del polmone può essere calcolato nel soggetto vivente. La compliance esprime la distensibilita del sistema. La compliance è inversamente correlata alle proprietà elastiche (elastanza) dei polmoni e della parete toracica La curva pressione/volume o curva di compliance polmonare ha forma sigmoidale. La relazione non è perfettamente lineare poiché il polmone non è un organo perfettamente elastico. La pendenza della curva è la compliance polmonare che rappresenta la variazione di volume per variazione unitaria di pressione ed è un indice della distensibilità del polmone. Il valore normale è di 0.15 L/cm H2O. Vie Aeree Superiori L aria per passare dall ambiente che ci circonda agli alveoli deve attraversare diverse formazioni: naso, faringe, laringe, trachea, bronchi (principali, lobari, segmentari, sub-segmentari, bronchioli, bronchioli terminali) Tutti questi condotti rappresentano le vie aeree superiori e rappresentano lo spazio morto anatomico (circa 150 ml) così definito perché non partecipa agli scambi gassosi veri e propri. Si usa distinguere uno spazio morto anatomico ed uno fisiologico. Lo spazio morto anatomico è rappresentato dalle cavità dell apparato respiratorio che non contengono alveoli; Lo spazio morto fisiologico è rappresentato dal reale volume di gas che non si mette in equilibrio con il sangue. In condizioni fisiologiche nelle quali tutti gli alveoli partecipano allo scambio dei gas, lo spazio morto anatomico deve corrispondere a quello fisiologico; può verificarsi il caso in cui lo spazio morto fisiologico sia maggiore di quello anatomico ad es. nel caso in cui una parte del polmone sia sottratta al normale funzionamento a causa di un processo patologico. 15

16 Scambi gassosi In ogni atto respiratorio tranquillo circa 500 ml di aria entrano ed altrettanti escono dall apparato respiratorio. La frequenza respiratoria è di circa15 atti respiratori/minuto. Il volume totale di aria che ventila i polmoni è 500 X 15 = ml/min. Questo rappresenta il volume minuto o ventilazione totale. Tuttavia non tutta l aria che entra nell apparato respiratorio raggiunge il compartimento alveolare dove avviene lo scambio dei gas. Di ogni 500 ml di aria inspirata circa 150 ml vanno a riempire le vie aeree superiori, cioè lo spazio morto anatomico; I rimanenti 350 ml penetrano nei polmoni e prendono parte agli scambi gassosi tra alveoli e capillari polmonari. Quindi il volume di gas che entra nella zona respiratoria in ciascun minuto è 350 x 15 = ml/min. Questa viene chiamata ventilazione alveolare Composizione dell aria Ossigeno: 20.9% Azoto: 79 % Anidride carbonica (CO2): 0.03% La PO2 nell aria inspirata è il 20.93% della pressione totale (escluso il vapore acqueo). A livello del mare la pressione barometrica è 760 mmhg e la pressione del vapore acqueo è 47 mmhg. Così la PO2 dell aria inspirata è 20.93/100 x (760-47) ed è circa 150 mmhg. Quando l ossigeno raggiunge gli alveoli la Po2 è caduta di un terzo ed è di soli 100 mmhg. Nell aria alveolare la PCO2 è di 40 mmhg. Nel sangue venoso che perviene ai capillari polmonari la pressione parziale di ossigeno Pa02 è di 40 mmhg, mentre la pressione parziale di anidride carbonica è 46 mmhg. 16

17 Diffusione dei gas O 2 Legge di Fick PAO2= 100 mmhg P 1 Area PaCO2= 40 mmhg PaO2= 40 mmhg A x D x (P P 1 P 2 ) 2 Vgas = S PaCO2= 46 mmhg CO 2 D solubilità PM Spessore 17

18 La legge di Fick sulle diffusione stabilisce che la quantità di gas che si muove attraverso una lamina di tessuto è proporzionale all aria del tessuto e alla differenza di pressione parziale del gas tra i suoi due lati ed inversamente proporzionale allo spessore del tessuto. L area della barriera sangue-gas nelpolmoneèenorme(circa metri quadrati) e lo spessore è meno di ½ micron e così le dimensioni della barriera sono ideali per la diffusione. Inoltre, la velocità di trasferimento è proporzionale ad una costante di diffusione che dipende dalle proprietà del tessuto e del gas specifico. La costante è proporzionale alla solubilità del gas. L anidride carbonica ha una solubilità molto più alta dell ossigeno con un peso molecolare non molto diverso e per questo diffonde circa 20 volte più dell ossigeno. Trasporto dei gas alla periferia L ossigeno viene trasportato nel sangue in due forme: disciolto ed in combinazione con l ossiemoglobina. O 2 disciolto Secondo la legge di Henry la quantità di ossigeno disciolta è proporzionale alla pressione parziale del gas. Per ogni mmhg di PO 2 c è ml di O 2 /100 ml di sangue. Così il sangue arterioso con una pressione parziale di O 2 di 100 mmhg contiene 0.3 ml di O 2 disciolto/100 ml di sangue. 18

19 OSSIGENO LEGATO ALL EMOGLOBINA Emoglobina è una proteina coniugata. L eme è un composto ferro-porfirina ed è legato alla proteina globina che consiste di quattro catene polipeptidiche. Le catene sono di due tipi e e differenze nella loro sequenza aminoacidica danno luogo a vari tipi di emoglobina umana. L emoglobina degli adulti normali è conosciuta come emoglobina A. L emoglobina F (fetale) forma parte dell emoglobina del neonato e viene gradualmente rimpiazzata nel corso del primo anno di vita. L ossigeno forma una combinazione facilmente reversibile con l emoglobina (Hb) per dare ossiemoglobina. Come si nota dalla curva di dissociazione la quantità di ossigeno combinata con l emoglobina aumenta rapidamente fino ad una po 2 di circa 50 mmhg, ma a po 2 ancora più alte la curva diviene molto più piatta. Un grammo di Hb può combinarsi con 1.39 ml di O 2 epoichèilsanguepossiedecirca 15 gr di Hb/100ml di sangue la capacita di O2 è circa 20.8 ml di O 2 /100 ml di sangue Le prove di funzionalità respiratoria La Ventilazione: Prove di Funzionalità Ventilatoria Gli scambi gassosi: Test della Diffusione del CO Emogasanalisi arteriosa 19

20 Prove di funzionalità ventilatoria: SPIROMETRIA La spirometria consente la misurazione dei volumi delle capacità polmonari (somma di più volumi). e I volumi polmonari possono essere distinti in: volumi statici la cui misura non è dipendente dal tempo volumi dinamici la cui misura è funzione del tempo SPIROMETRIA I volumi polmonari, in condizioni fisiologiche, variano, in ciascun individuo, in rapporto ad alcuni parametri: età, sesso, peso, altezza e razza. Pertanto, oltre che in valore assoluto, i volumi e i flussi polmonari sono espressi come percentuale (%) del valore predetto per quella data persona. 20

21 Test di funzionalità respiratoria La Ventilazione Prove di Funzionalità Ventilatoria Volumi polmonari statici Volumi polmonari dinamici Test di espirazione forzata Test di reversibilità Test di iperreattività bronchiale Prove di funzionalità respiratoria: Principali indicazioni Diagnosi di patologie polmonari (segni, sintomi, esami di laboratorio o esami strumentali alterati) Valutazione della gravità o progressione della patologia (BPCO, fibrosi cistica, patologie polmonari interstiziali, scompenso cardiaco, patologie neuromuscolari) Valutazione del rischio preoperatorio Valutazione del grado di invalidità a fini assicurativi 21

22 Prove di funzionalità respiratoria: Principali controindicazioni Emottisi PNX Recente intervento addominale/toracico Trauma toracico Recente intervento agli occhi IMA (entro tre mesi) o angina instabile Aneurisma toracico Volumi polmonari statici Strumentazione Gli spirometri a campana o soffietto misurano lo spostamento dei volumi di aria mobilizzabili attraverso il movimento di una campana il cui bordo inferiore è immerso nell acqua (spirometri a campana) o di un mantice a secco (spirometri a secco). 22

23 Volumi polmonari statici Strumentazione Gli spirometri a flusso (pneumotacografo e spirometro a turbina, flussimetro ad ultrasuoni, flussimetro di massa) misurano i flussi nel tempo dai quali sono derivati i volumi. Pneumotacografo Spirometro a turbina Volumi polmonari statici Misurazione Pletismografia corporea Il paziente viene posto all interno di una cabina pressurizzata a T costante. Si misurano le variazioni di P della cabina durante gli atti respiratori. Applicando la legge di Boyle si può ricavare il volume polmonare: P X V=(P±DP)x(V±DV) V=(P±DP)xDV DP 23

24 Lo spirometro Spirometro a campana CV VRI Registra le variazioni del volume polmonare nel tempo durante la respirazione tranquilla e forzata. VC VRE volume corrente (VC): volume di gas inspirato ed espirato durante ciascun atto respiratorio (circa 500 ml) volume di riserva inspiratoria (VRI): massima quantità di gas che può essere inspirata al termine di un'inspirazione normale. volume di riserva espiratoria (VRE): massima quantità di gas che può essere espirata al termine di un'espirazione normale. capacità vitale (CV): quantità di gas che può essere espulsa dai polmoni dopo un'inspirazione massima (CV = VRI + VC + VRE). volume residuo (VR): quantità di gas che rimane nei polmoni al termine di un'espirazione. capacità polmonare totale (CPT): :quantità di gas contenuta nei polmoni al termine di un'inspirazione massima (CPT = VRI + VC + VRE + VR). 24

25 Volumi e Capacità Polmonari CI VRI CV VOLUME CORRENTE (VC): volume d aria mobilizzato ad ogni respiro tranquillo VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA (VRI): volume d aria mobilizzabile al di sopra di un VC. CPT VC VRE VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA (VRE): volume d aria mobilizzabile al di sotto di un VC. CFR VR VOLUME RESIDUO (VR): volume d aria presente nel polmone al termine di una espirazione massimale. Volumi Polmonari Dinamici: Tracciato Volume-Tempo Questa curva riflette la capacità di svuotamento rapido dei polmoni sotto lo sforzo massimale dei muscoli respiratori. Nel momento di massima inspirazione si fa eseguire una espirazione forzata e vengono misurati: Il volume espiratorio forzato in 1 secondo (FEV1) che rappresenta il volume di aria espirata durante il primo secondo di un'espirazione forzata. E un indice diretto della pervietà dei bronchi. La capacità vitale forzata (CVF) volume totale d'aria espirata forzatamente dopo un'inspirazione massimale. L'indice di Tiffeneau (rapporto FEV1/FVC x 100).Nel soggetto normale è pari circa al 75%; cioè il soggetto normale può espirare nel primo secondo circa il 75% della sua capacità vitale 25

26 VOLUMI POLMONARI DINAMICI. V Curva flusso-volume Curva flusso-volume normale E possibile rappresentare la manovra di espirazione forzata con una curva flusso-volume: ad ogni momento si riportano il flusso istantaneo ed il volume corrispondente V Nella fase espiratoria la velocità di flusso aumenta fino al limite massimo della curva, ma non oltre per il fenomeno della compressione dinamica delle vie aeree. La parte di curva a sinistra della riga è sforzo dipendente; quella a destra sforzo indipendente (dipende dalle proprietà intrinseche del polmone) 26

27 SINDROMI DISVENTILATORIE Sindromi Ostruttive Sindromi Restrittive Sindromi Miste Deficit Ventilatorio Restrittivo La sindrome disventilatoria restrittiva è caratterizzata da una riduzione o da una limitazione della quantità di aria che può essere contenuta nei polmoni (CPT). Essa è dovuta alla compromissione di strutture costituenti la parete toracica di grado tale da limitarne la capienza e la mobilità, oppure consegue alla perdita di volume o all incremento delle proprietà elastiche del parenchima polmonare. 27

28 Deficit restriitivi Si verificano nelle patologie in cui è compromessa l espansione del polmone o vi è decurtazione del parenchima polmonare funzionante per patologie: dell apparato neuromuscolare(distrofie muscolari, poliomielite, miastenia etc.) della gabbia toracica (scoliosi, spondilite anchilosante etc.) della pleura (pneumotorace, versamenti pleurici, fibrosi pleurica) del parenchima polmonare (interstiziopatie e fibrosi polmonari, amputazioni chirurgiche di parenchima polmonare) Nelle sindromi resrittive si verifica una riduzione parallela e consensuale di tutti gli indici volumetrici statici e dinamici mentre i flussi rapportati ai volumi sono normali oppure aumentati. Deficit Ventilatorio Restrittivo di tipo parietale da patologie pleuriche (pnx, emotorace, versamento, fibrotorace) da patologie della parete toracica (esiti di traumi, ustioni, malattie neuro-muscolari, cifoscoliosi, spondilite) da cause extratoraciche (ascite, peritonite, obesità, gravidanza) di tipo parenchimale da patologie interstiziali (fibrosi, edema) da addensamento parenchimale da patologie occupanti spazio (cisti, tumori) da perdita di tessuto 28

29 Un deficit restrittivo è presente quando la volumetria polmonare è inferiore all 80% del valore normale predetto. È caratterizzato da una riduzione della CPT ed i volumi polmonari tendono ad essere ridotti in modo simmetrico. Un pattern restrittivo può essere uniforme quando tutti i volumi e capacità sono ridotti nella stessa misura, o selettivo quando la riduzione interessa solo alcuni volumi (CFR e ERV con CVI normale) come nell obesità, ascite e gravidanza. CI VRI CV CPT CFR VC VRE VR CPT CI CFR VRI VC VRE VR CV normale restrizione Il tracciato spirometrico evidenzia come tutti i volumi statici e dinamici siano ridotti in modo proporzionale. La CVF risulta pertanto diminuita a causa della scarsa possibilità di espansione del polmone o della parete toracica, ed il fev1 si mostra generalmente ridotto in maniera proporzionale in quanto le resistenze delle vie aeree sono normali. L indice di Tiffenau risulta pertanto normale o aumentato. La CPT si mostra ridotta per decremento sia della CV che del VR, si che il rapporto VR/CPT% si mantiene per lo più nei limiti della norma. Volume polmonare (L) NORMALE 1 sec FEV 1 80% VR RESTRIZIONE 1 sec FEV 1 > 80% VR 0 29

30 Deficit Ventilatorio Restrittivo La curva flusso-volume dimostra una riduzione dei flussi espiratori. Ciò è da attribuire non ad ostruzione delle vie aeree, ma alla riduzione dei volumi polmonari in termini assoluti. FLUSSO (L/SEC) 12 PEF 10 MEF 50 8 MEF 25 6 CPT 4 VOLUME (L) Classificazione di gravità Deficit di tipo restrittivo Basata sulla CPT: LIEVE: CPT < predetto ma > 70% MODERATA: CPT 60-70% predetto MODERATAMENTE GRAVE: CPT < 60% predetto Se la CPT non è stata misurata si considera la riduzione della CV e si parla di restrizione dell escursione volumetrica dei polmoni LIEVE: CV < predetto ma > 70% MODERATA: CV 60-70% predetto MODERATAMENTE GRAVE: CV 50-60% predetto GRAVE: CV 50-34% predetto MOLTO GRAVE: CV < 34% predetto American Thoracic Society Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. Am. Rev. Respir. Dis. 144:

31 Deficit Ventilatorio Ostruttivo La sindrome disventilatoria ostruttiva è caratterizzata da una riduzione dei flussi espiratori conseguente al restringimento delle vie aeree. La limitazione al flusso può realizzarsi non solo per fenomeni ostruttivi con aumento delle resistenze delle vie aeree ma anche per diminuzione della pressione di spinta (trazione elastica del polmone). La limitazione delle vie aeree al flusso, in ragione dei diversi meccanismi fisiopatologici, può generare differenti quadri funzionali ostruttivi. Deficit ventilatori ostruttivi Nelle sindromi ostruttive l aumento della resistenza al flusso aereo può essere dovuto a: Fattori endoluminali: eccesso di secrezioni, corpi estranei, neoplasie aggettanti nel lume Fattori relativi alla parete delle vie aeree: contrazione della muscolatura liscia, ipertrofia ghiandolare, flogosi ed edema delle pareti Fattori peribronchiali: distruzione del parenchima polmonare con perdita della trazione radiale, compressione da parte di linfonodi o masse neoplastiche E caratterizzata dalla riduzione dell indice di Tiffenau (FEV1/CV). La gravità dell ostruzione bronchiale viene valutata in base all entità della riduzione del FEV1. 31

32 Deficit Ventilatorio Ostruttivo Vie aeree superiori tumori (faringe, laringe), edema, infezioni corpi estranei tumori, collasso, stenosi della trachea Vie aeree inferiori bronchite, bronchiolite bronchiectasie asma bronchiale Parenchima polmonare enfisema polmonare Deficit Ventilatorio Ostruttivo CI VRI CV CPT CI VRI VC VRE CV CPT CFR VC VRE CFR VR VR normale ostruzione 32

33 Spirometria: normale e deficit ostruttivo Curva Volume / Tempo 0 Litri Deficit ostruttivo 4 5 NORMALE FVC FVC secondi Deficit Ventilatorio Ostruttivo 10 NORMALE OSTRUZIONE Volume polmonare (L) sec FEV 1 80% FEV 1 30% VR 0 VR 33

34 Deficit Ventilatorio Ostruttivo FLUSSO (L/SEC) CPT VOLUME (L) Negli stadi precoci delle malattie bronchiali ostruttive (in fase preclinica) ed anche nei fumatori asintomatici le alterazioni interessano principalmente le piccole vie aeree e la riduzione dei flussi espiratori è evidente soprattutto ai bassi volumi polmonari. FLUSSO (L/SEC) PEF N FEV 1 N FVC N MEF 25 4 CPT VOLUME (L) 34

35 Con gradi maggiori di ostruzione, la limitazione al flusso di aria lungo le vie aeree è evidenziabile a volumi sempre maggiori. C è una progressiva riduzione del PEF è compare nell analisi morfologica della curva una concavità della fase espiratoria indicativa di bassi flussi a bassi volumi. Anche il FEV1 si riduce progressivamente, di solito senza cambiamenti di FVC. Come risultato si assiste ad una riduzione del rapporto FEV1/FVC anomalia classica delle condizioni ostruttive di cui è indice molto importante. FLUSSO (L/SEC) CPT PEF FEV 1 FVC N FEV 1 /FVC MEF 50 MEF 25 VOLUME (L) Per gradi di ostruzione ancora crescenti, oltre ad un ulteriore alterazione degli indici già citati, si assiste anche ad una riduzione della FVC (indice indiretto di air trapping). Il Tiffenau ridotto distingue le forme ostruttive da quelle restrittive. FLUSSO (L/SEC) CPT PEF FEV 1 FVC FEV 1 /FVC MEF 50 MEF 25 VOLUME (L) 35

36 Classificazione di gravità Deficit di tipo ostruttivo POTREBBE ESSERE UNA VARIANTE FISIOLOGICA VEMS > 100% predetto LIEVE: VEMS < 100 e > 70% MODERATA: VEMS < 70 e > 60% predetto MODERATAMENTE GRAVE: VEMS < 60 e > 50% predetto GRAVE VEMS < 50 e > 34% predetto MOLTO GRAVE VEMS < 34% predetto Con VEMS/CV < del predetto American Thoracic Society Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. Am. Rev. Respir. Dis. 144: Curva flusso volume. V Normale Deficit ostruttivo Deficit restrittivo riduzione dei flussi a tutti i volumi polmonari espiratori con riduzione del PEF e concavità verso l alto della curva espiratoria (freccia) V Armonica riduzione dei volumi polmonari, aumentate pressioni di ritorno elastico, velocità di flusso ridotte e normale calibro delle vie aeree 36

37 Test di espirazione forzata Interpretazione Indici Funzionali CVF Insufficienza ventilatoria di tipo restrittivo Diminuita Insufficienza ventilatoria di tipo ostruttivo Normale o diminuita VEMS Rapporto VEMS/CVF % Diminuito in modo proporzionale alla CVF Normale Diminuito più della CVF Diminuito Volumi polmonari statici Interpretazione Indici Funzionali VR Insufficienza ventilatoria di tipo restrittivo Diminuito Insufficienza ventilatoria di tipo ostruttivo Aumentato CPT Rapporto VR/CPT % Diminuito in modo proporzionale alla VR Normale Normale o lievemente aumentato Aumentato 37

38 Esempio di interpretazione di spirometria n. 1 NORMALE Esempio di interpretazione di spirometria SINDROME OSTRUTTIVA 38

39 Esempio di interpretazione di spirometria n. 3 SINDROME RESTRITTIVA Test di broncodilatazione o reversibilità Si effettua in soggetti con ostruzione bronchiale accertata mediante esame spirometrico, somministrando un farmaco broncodilatatore 2 -agonista a breve durata di azione (es.: 400 g di salbutamolo) e si ripete la prova di espirazione forzata dopo minuti. 39

40 Test di broncodilatazione o reversibilità. V Valutazione della reversibilità dell ostruzione V PRE- 2 -SHORT ACTING Insufficienza Ventilatoria di tipo ostruttivo POST- SHORT ACTING Se dopo somministrazione di 2 -agonista il VEMS è aumentato del 12% e di 200 ml rispetto al valore basale: INSUFFICIENZA VENTILATORIA DI TIPO OSTRUTTIVO REVERSIBILE Se VEMS torna a valori normali (>80% del predetto): INSUFFICIENZA VENTILATORIA DI TIPO OSTRUTTIVO COMPLETAMENTE REVERSIBILE (tipico dell asma) Lung function testing: selection of reference values and interpretative strategies. American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 1991; 144: Esempio di interpretazione di spirometria n. 2b OSTRUZIONE BRONCHIALE PARZIALMENTE REVERSIBILE 40

41 Flow chart per l interpretazione delle prove spirometriche SPIROMETRIA SEMPLICE normale VALUTARE PER ASMA BRONCHIALE O ALTRE PATOLOGIE FEV1/FVC < 70 - FVC > 85% FEV1/FVC < 70 - FVC < 85% FEV1/FVC > 70 - FVC < 85%teor Eseguire test con broncodilatatore Eseguire misura VR e CPT FEV1/FVC > 70 FEV1/FVC < 70 CPT > 90% CPT < 90% Probabile ASMA BRONCHIALE Probabile BPCO Sindrome restrittiva Test di provocazione bronchiale Il test consiste nel far inalare per 2 minuti al soggetto per via aerosolica durante ventilazione a VC un agente broncocostrittore (metacolina, istamina, soluzioni iperosmolari) raddoppiando le concentrazioni ( mg/ml) ogni 5 minuti. Dopo circa 30 e 90 secondi si esegue una spirometria per il calcolo del VEMS. Si considera significativa una caduta del VEMS > 20%. Guidelines for Methacoline and Exercise Challenge Testing American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161:

42 50 Iperreattivita bronchiale Curve dose-risposta alla metacolina 70 ΔFEV 1 % PD 15 FEV 1 = 1699 µg 60 PD 20 FEV 1 = 2223 µg 70 ΔFEV 1 % PD 15 FEV 1 = 31 µg 60 PD 20 FEV 1 = 49 µg PD FEV 1 = 92 µg Dose (µg di metacolina) Dose (µg di metacolina) Nel pannello di sinistra è raffigurata la curva doserisposta del test alla metacolina in un soggetto normale e, nel pannello di destra, quella di un soggetto con asma. Test di provocazione bronchiale Esistono delle controindicazioni assolute (VEMS<50%delpredettoo<1L;IMAnei3 mesi precedenti; ipertensione non controllata; aneurisma aortico noto) e relative (VEMS < 60 % del predetto o < 1.5 L L incapacità di effettuare una manovra corretta; gravidanza; allattamento; terapie con inibitori delle colinesterasi) Guidelines for Methacoline and Exercise Challenge Testing American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161:

43 Classificazione del test di provocazione bronchiale PC 20 FEV1 (mg/ml): concentrazione provocativa PD 20 FEV1 (mcg): dose provocativa NORMALE: > 16 mg/ml NORMALE: > 1600 mcg BORDERLINE: 4-16 mg/ml LIEVE: mcg LIEVE (test positivo): 1-4 mg/ml MODERATO: mcg MODERATO-GRAVE: < 1 mg/ml GRAVE: mcg Guidelines for Methacoline and Exercise Challenge Testing American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 2000; 161: Test di provocazione bronchiale molto sensibile (se negativa escludo asma) poco specifica (responsività bronchiale può essere presente anche in BPCO, scompenso cardiaco, fibrosi cistica, rinite allergica) 43

44 Test di funzionalità polmonare Gli scambi gassosi: Diffusione Metodo del respiro singolo Emogasanalisi arteriosa Capacità di diffusione Il processo di diffusione dell O 2 e della CO 2 dall ambiente alveolare al sangue capillare e viceversa si sviluppa attraverso la membrana alveolocapillare. I test di diffusione valutano l integrità di tale membrana. Lo scambio dei gas attraverso tale barriera avviene tramite il meccanismo della diffusione passiva. 44

45 Capacità di diffusione Legge di Fick La capacità di diffusione (DL) attraverso i tessuti è descritta dalla legge di Fick che indica la quantità di gas che passa la membrana nell unità di tempo: Vol. gas = A/T x p x D - direttamente proporzionale alla superficie di scambio, cioè alla superficie del letto capillare (A) in contatto con gli alveoli (portata ematica e contenuto in Hb), alla costante di diffusione del gas (D), ed alla differenza di pressione parziale del gas ( p) tra i due lati della membrana. - inversamente proporzionale allo spessore della membrana (T). Capacità di diffusione Metodo del respiro singolo La DL viene valutata generalmente impiegando monossido di carbonio (CO), dotato di altissima affinità per l Hb (DLCO) e non è presente nell atmosfera e quindi nel sangue Il test di diffusione del monossido di carbonio viene effettuato facendo inalare al soggetto una miscela con CO a bassissime concentrazioni (0.3%) ed elio (He)* ad una concentrazione del 10% mediante respiro singolo. * Misura simultanea del volume alveolare 45

46 Capacità di diffusione Misurazione della Capacità di diffusione Test del singolo respiro Valuta la quantità di CO che attraversa la barriera alveolo-capillare durante un periodo di apnea di 10 a CPT. Il soggetto compie 4-5 atti respiratori a VC. Raggiunge il VR tramite un espirazione forzata. Compie un inspirazione forzata fino a CPT (dopo aver collegato la sorgente del gas test allo spirometro) che il soggetto mantiene per 9-11 dopo i quali segue un espirazione forzata. Al termine dell apnea si invita il soggetto a compiere un espirazione forzata. Dal volume di aria espirato vengono tolti i primi 750 ml (spazio morto anatomico e meccanico) e si analizza il successivo litro (rappresentativo del gas alveolare). Campione alveolare He 10% CO 0.3% Spazio morto Pco alveolare 46

47 Capacità di diffusione Processi associati nella variazione nella DLCO Riduzione DLCO: Patologie ostruttive Patologie restrittive Malattie sistemiche a coinvolgimento polmonare Patologie cardiovascolari Altre: anemia, IRC, dialisi, fumo di marjuana, ingestione acuta e cronica di etanolo, cocaina, fumo di sigaretta, BOOP. Incremento DLCO: Policitemia Emorragia polmonare Patologie associate ad aumentato flusso ematico (Shunt sn-ds) Esercizio fisico Postura (aumento dal 5-30% nel passaggio da seduto a supino) 47

48 Classificazione di gravità delle alterazioni della DLCO Aumentato Normale Limiti inferiori della norma Riduzione lieve Riduzione moderata Riduzione severa >140% del predetto % del predetto 76-80% del predetto 61-75% del predetto 41-60% del predetto <40% del predetto Capacità di diffusione DLCO/Va = KCO La DLCO si riduce con perdite effettive di volume (Va). La specificità aumenta se si considerano sia la DLCO che l indice di membrana KCO (KCO = DLCO/Va) che rappresenta la parte di CO assorbita per litro di effettivo volume alveolare. Usato soprattutto per lo studio delle malattie interstiziali polmonari. Nei quadri restrittivi extrapolmonari (malattia della pleura, anomalie della cassa toracica e malattie neuromuscolari) il KCO tende ad essere aumentato. 48

49 Test di funzionalità polmonare Gli scambi gassosi: Diffusione Metodo del respiro singolo Emogasanalisi arteriosa Emogasanalisi arteriosa Valori di normalità ph 7,40 (7,37-7,42) Pa mmhg PaC mmhg HC meq/l BE -1 / +1 49

50 Curva di dissociazione dell Hb Dato che una riduzione della po2 comporta una riduzione della Saturazione dell Hb per l O2 la misura della SatHbO2 può essere usata come metodo alternativo non invasivo x valutare anomalie dell ossigenazione. ATTENZIONE perché è indice poco sensibile a variazioni di po2 finché essa non scende sotto 65mmHg dato che relazione po2 e SatHbO2 non è lineare; poi non da informazioni della pco2. Correlazione tra misure spirometriche e gas ematici è debole ma è rara ipossiemia o ipercapnia se VEMS > 1 L. Le prove di funzionalità respiratoria La Ventilazione: Prove di Funzionalità Ventilatoria Test di performance dei muscoli respiratori Gli scambi gassosi: Test della Diffusione del CO Emogasanalisi arteriosa 50