(polmonare). lo scopo principale della respirazione esterna è quello di fornire ossigeno ai tessuti rimuoverne l anidride carbonica.

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1 APPARATO RESPIRATORIO

2 Respirazione esterna Respirazione interna Il metabolismo dei tessuti si accompagna a consumo di O 2 ed a produzione di CO 2 ; necessità di scambi gassosi che costituiscono la respirazione. Respirazione interna (cellulare) Respirazione esterna (polmonare). lo scopo principale della respirazione esterna è quello di fornire ossigeno ai tessuti rimuoverne l anidride carbonica.

3 Apparato Il ricambio di aria alveolare è un processo intermittente legato al ciclo respiratorio (12-14/min). Ad ogni inspirazione 500 ml di aria (volume corrente) si diluiscono in 2,3l già contenuti nel polmone

4 Bronco primario Sn Bronco secondario Laringe Trachea Aria entra attraverso le vie aeree di conduzione: trachea e bronchi (dotati di anelli cartilaginei per evitare il collasso) Dai bronchi primari si dipartono 23 generazioni di condotti secondari fino agli alveoli (zone respiratorie) Aria si muove con movimento di massa fino ai bronchioli terminali e poi per diffusione Bronchioli Alveoli

5 Zona conduzione Zona transizione Zona scambi La prima parte delle vie aeree, fino alla 19 a generazione non partecipano agli scambi gassosi (spazio morto anatomico). Gli scambi avvengono dalla 19 a generazione in poi. Il progressivo aumento della sezione trasversa delle vie aeree poste in parallelo determina una progressiva riduzione della velocità dell aria

6 A livello delle vie aeree di conduzione l aria viene preriscaldata, umidificata (per contatto con il secreto che bagna la mucosa) e depurata (muco trattiene la polvere che viene eliminata attraverso il meccanismo di scala mobile mucociliare) Cilia muovono muco verso la faringe Particelle polvere Strato muco Strato acquoso Cilia Cellule caliciformi Cellule colonnari Membrana basale

7 Bronchioli Arterie, vene e nervi bronchiali Branca arteria polmonare Muscolo liscio Branca della vena polmonare Fibre elastiche Vasi linfatici Capillarii Alveoli bronchioli respiratori e alveoli Lo scambio dei gas respiratori avviene a livello dell unità alveolo-capillare. Gli alveoli sono circa e formano una superficie di scambio totale di circa 140 m 2

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9 Struttura alveolare: Gli alveoli sono composti di pneumociti di I tipo, per gli scambi gassosi, e pneumociti di II tipo, che sintetizzano surfattante. Epitelio pavimentoso Fibre elastiche Pneumociti tipo II Pneumociti tipo I Pori alveolari Capillari Macrofagi Cellule endotelio capillare

10 Epitelio alveolare Nucleo cellula endoteliale Capillare Endotelio Membrana basale Spazio alveolare Gli scambi gassosi avvengono a livello della membrana respiratoria (alveolo-capillare). Lo spessore ridotto della membrana facilita il processo di diffusione dei gas. F diff = D A C/ x

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12 Polmone Ds Esofago Aorta Polmone Sn Nella cavità pleurica è contenuto un velo di liquido (2 ml) che mantiene adesi i foglietti pleurici e ne consente lo scivolamento. Nella cavità pleurica esiste una P subatmosferica (negativa) Cavità pleurica Ds Pleure Cavità pericardica Cavità pleurica Sn Il polmone non è dotato di strutture di sostegno o muscolari, ma è adeso alla gabbia toracica attraverso la pleura (parietale e viscerale). Le variazioni di volume del polmone dipendono dai movimenti della gabbia toracica.

13 La ventilazione e le pressioni polmonari

14 Il movimento di aria dall esterno all interno del polmone e viceversa (ventilazione), è assicurato da un gradiente pressorio che si crea tra l esterno (P atmosferica) e l interno del polmone (P alveolare). Per la Legge di Boyle P.V = K la P alveolare si modifica attraverso cambiamenti del volume polmonare. Inspirazione: volume del polmone P alveolare, aria entra. Espirazione: volume del polmone, P alveolare atmosferica, aria esce. F = P/R

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16 Pi = Pressione intrapolmonare 0 cmh 2 O Pressione atmosferica (760 mmhg) indicata come punto di riferimento 0 Pressione intratracheale 0 cmh 2 O Pressione Atmosferica 0 Forze di retrazione elastca Pe =Pressione endopleurica (almeno)- 5 cmh 2 O Pressioni alla CFR (a riposo) Alla fine di un espirazione normale (CFR), condizione di equilibrio, la Pe è negativa e la Pi è 0 perché il polmone è in connessione con l esterno.

17 Pressioni nell apparato respiratorio a riposo (indicate in cmh 2 O = 1,36 mmhg) Pressione atmosferica (760 mmhg) indicata come punto di riferimento 0 Pressione trans-polmonare (intrapolmonare - endopleurica) 0 - ( - 5 ) = 5 cmh 2 O Pressione vie aeree 0 cmh 2 O Pressione transmurale totale (intrapolmonare-atmosferica) 0-0 = 0 cmh 2 O Pressione intrapolmonare 0 cmh 2 O Pressione trans-toracica (endopleurica - atmosferica) - 5 cmh 2 O - 0 = - 5 cmh 2 O Pressione Endopleurica -5 cmh 2 O

18 Il polmone (struttura elastica) è adeso alla gabbia toracica grazie alle pleure. Non è mai in equilibrio elastico, ed è quindi sottoposto continuamente ad una forza di retrazione. Anche la gabbia toracica è una struttura elastica, con una tendenza continua all espansione. In condizioni di riposo (fine espirazione normale, capacità funzionale residua, CFR) la forza di retrazione elastica del polmone è perfettamente controbilanciata da quella della gabbia toracica. La pressione endopleurica è espressione dell azione di queste forze. Condizione di riposo - 5 cmh 2 O Vie aeree Spazio pleurico Pleure Diaframma

19 L esistenza di forze elastiche uguali e contrarie è dimostrato dal fatto che quando entra aria nello spazio pleurico (pneumotorace), il polmone collassa e la gabbia toracica si espande. Spazio pleurico Polmone collassato Pleure Pneumotorace: In caso di mancata risoluzione spontanea, si interviene con aspirazione o drenaggio per indurre ri-espansione. Eventuale chirurgia può essere utile per garantire pleurodesi (incollaggio delle pleure).

20 L espansione del polmone durante l atto respiratorio avviene come conseguenza dell aumento di volume della gabbia toracica ottenuto con la contrazione dei muscoli respiratori, che compiono un lavoro per vincere le forze di retrazione elastica del polmone. Contrazione muscoli inspiratori Volume cavità toracica negatività P e P tp Volume polmoni P i Aria entra nei polmoni P i = P atm

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22 Muscoli respiratori Inspiratori: Aumentano il volume gabbia toracica Sternocleidomastoidei Scaleni Intercostali interni Diaframma Intercostali esterni Sternocleidomastoidei Scaleni Intercostali esterni Diaframma Inspirazione Espirazione Addominali Espiratori: Riducono il volume gabbia toracica, attivi nell espirazione forzata Intercostali interni (esercizio fisico, fonazione, canto, fase espiratoria starnuto e tosse) Addominali Per aumenti pressione endoaddominale Accessori Grande dorsale, Dentato posteriore-inferiore, Quadrato dei lombi.

23 Spazio pleurico Diaframma (nervi frenici, C3-C5). A riposo il diaframma è rilassato.

24 Contrazione del diaframma Responsabile 2/3 inspirazione. Aumenta diametro cranio-caudale e trasverso della gabbia toracica. Aumento volume gabbia toracica ml in respirazione tranquilla, 2-4 l in respirazione profonda. Efficienza diaframma diminuisce nella donna durante la gravidanza, negli obesi e per compressione della parete addominale

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26 Modificazioni delle pressioni intrapleurica e intrapolmonare, del volume respiratorio e del flusso durante l atto respiratorio. In condizioni quasi stazionarie, la variazione di pressione endopleurica durante l atto respiratorio, rispecchia la necessità di vincere solo le resistenze elastiche del sistema toraco-polmonare, mentre in caso di respirazione a frequenza regolare devono essere vinte anche le resistenze delle vie aeree.

27 Pressioni durante inspirazione ed espirazione a partire dalla CFR Ispirazione Riposo Espirazione Depressione 1 EP 2 IP Entra aria Aumento pressione 1 EP 2 IP Esce aria Pressione IP = 0 Pe più negativa Pressione IP = 0 Pe meno negativa

28 Le resistenze elastiche del sistema toraco-polmonare si determinano misurando la forza necessaria per mantenere un certo volume attraverso la costruzione della curva di rilasciamento toracopolmonare (curva P-V), che esprime la relazione esistente tra le variazioni di pressione e le variazioni di volume del sistema toracopolmonare. Il soggetto inspira od espira, a naso chiuso, un dato volume da o in Il soggetto inspira od espira, a naso chiuso, un dato volume da o in uno spirometro. Raggiunto il volume, si interrompe la comunicazione con lo spirometro, si chiede al soggetto di rilassare la muscolatura respiratoria e si misura, con un manometro alla bocca, la pressione delle vie aeree, che in condizioni statiche è uguale alla pressione intrapolmonare.

29 Curva di rilasciamento toraco-polmonare Direzione delle forze di retrazione elastica ed effetto sulla Pi 100 P+T Capacità vitale % Equilibrio per il sistema torace+polmone CFR CFR 0-20 volume residuo P transmurale (cmh 2 O) Pressione IP - PAtm La chiusura delle vie aeree fa in modo che la Pi sia dipendente dal ritorno elastico del polmone e del torace

30 Per ricavare la curva di rilasciamento del solo polmone si misura, a diversi volumi, la pressione endopleurica, mantenendo la muscolatura respiratoria contratta e la glottide aperta.

31 Curva di rilasciamento polmonare 100 PT (-15) = (-10) = +10 Capa acità vitale % CFR 0 volume residuo (-7) = Equilibrio per il polmone P transmurale (cmh 2 O) (-2)= +2 L irrigidimento della parete toracica fa in modo che la Pe sia dipendente dal solo ritorno elastico del polmone

32 Per ricavare la curva di rilasciamento della sola gabbia toracica si misura, a diversi volumi, la pressione endopleurica, con la muscolatura respiratoria rilasciata e la glottide chiusa.

33 Curva di rilasciamento toracica Equilibrio per il torace PT T P -1 0 Cap pacità vitale % CFR 0 volume residuo P transmurale l (cmh 2 O) Il ritorno elastico del polmone è annullato dall aria al suo interno. La Pe dipende dal solo ritorno elastico del torace

34 un indice della distensibilità (comportamento elastico) del sistema toraco-polmonare è: V/ P esprime la COMPLIANCE del sistema. Nella Compliance plmonare P = Palv Pip La compliance varia al variare del volume, quindi viene normalmente indicata la compliance specifica, riferita alla CFR: C p /CFR La Compliance diminuisce in tutte le condizioni in cui il polmone diventa più rigido (patologie restrittive, fibrosi ecc.) e aumenta nelle patologie in cui il polmone è meno rigido (enfisema).

35 Il comportamento elastico del polmone dipende da: Componenti elastiche del tessuto polmonare formato da fibre di elastina (facilmente distensibili) e collagene (meno distensibili). Tensione superficiale, che si forma a livello alveolare Tensione superficiale, che si forma a livello alveolare nell interfaccia aria-liquido.

36 La tensione superficiale in una bolla genera pressione. La relazione tra tensione superficiale e pressione è stabilita dalla Legge di Laplace Legge di Laplace P = 2T/r P = pressione, T = Tensione, r = raggio t P P Unico alveolo A parità di tensione superficiale, la P è maggiore negli alveoli piccoli rispetto a quelli grandi. Gli alveoli piccoli tendono a svuotarsi in quelli grandi

37 La tensione superficiale è ridotta dal tensioattivo polmonare (surfattante). L effetto del surfattante è dipendente dall estensione della superficie alveolare per cui T è contrastata maggiormente negli alveoli piccoli che in quelli grandi. Questo comportamento è legato alla diversa distribuzione del surfattante ai diversi volumi alveolari e spiega l isteresi polmonare.

38 Il surfattante riduce la tensione superficiale quindi: Aumenta la compliance polmonare e diminuisce il lavoro respiratorio Mantiene la stabilità alveolare Impedisce il collasso degli alveoli (atelettasia) a bassi volumi Impedisce l edema polmonare Il surfattante si forma tra il IV-VII mese di gravidanza (completo all 34 settimana), la sua mancanza è causa della sindrome da distress respiratorio del neonato. Nell adulto la formazione del surfattante è ridotta dall ipossia. La sua mancanza causa la sindrome da distress respiratorio dell adulto (polmone da shock).

39 Resistenze delle vie aeree Valutabili in condizioni dinamiche, quando si crea flusso. Flusso laminare nelle piccole vie aeree Flusso turbolento nelle vie aeree più grandi (numero di Reynolds > 2000) Flusso transizionale nelle biforcazioni Anche per il flusso nelle vie aeree è applicabile l equazione di Poiseuille F = Pπr 4 /8µl se il flusso è laminare. Nel flusso turbolento la resistenza al flusso è decisamente maggiore.

40 tenza vie aeree (cmh 2 0/l/sec) Resist Volume polmonare e resistenze vie aeree La R delle vie aeree diminuisce all aumentare del volume polmonare perché aumenta il loro calibro: la maggiore negatività della Pe, aumenta la Ptm 1 provocando distensione dei condotti Volume polmonare (litri) la maggiore retrazione elastica degli alveoli determina una maggiore trazione meccanica sulle pareti, distendendole

41 Modificazione calibro vie aeree Sistema nervoso parasimpatico (vago, Ach su recettori M3): Broncocostrizione (riflessi attivati da agenti irritanti, stimoli meccanici, CO 2 ) Adrenalina circolante (su recettori β 2, prevalenti sulle cellule muscolari lisce) Broncodilatazione Sistema nervoso simpatico (NA su recettori α) Broncocostrizione (effetto scarso), agisce prevalentemente su arterie bronchiali e ghiandole Fattori locali rilasciati durante infiammazioni o reazioni allergiche: Istamina (dai mastociti durante reazioni allergiche) e PG (durante infiammazioni) Broncocostrizione

42 I volumi respiratori

43 Spirometria: Permette la misura diretta dei volumi respiratori. Le variazioni di volume polmonare durante gli atti respiratori provocano corrispondenti variazioni di volume nello spirometro, con movimenti della campana, che possono essere registrati su carta (spirogramma) Inspirazione Espirazione Aria Acqua Tempo

44 Inspirazione CFR VC VRI Espirazione VR VRE VC = Volume corrente, Volume inspirato ed espirato durante un atto respiratorio (500 ml) VRI = Volume di riserva inspiratoria, massimo volume inspirabile dalla fine della normale inspirazione (3000 ml) VRE = Volume di riserva espiratoria, massimo volume espirabile dalla fine della normale espirazione (1100 ml) VR = Volume residuo, volume presente nei polmoni dopo espirazione massimale (1200 ml) CFR = Capacità funzionale residua, volume presente nei polmoni alla fine di un espirazione normale (VRE+VR) CI = Capacità inspiratoria, massimo volume inspirato a partire dal volume di fine espirazione (VC+VRI) CPT = Capacità polmonare totale, volume presente nei polmoni dopo inspirazione massimale (VC+CV) CV = Capacità vitale, massimo volume espirato partendo da inspirazione massimale (VC+VRI+VRE) VC

45 Volume di riserva inspiratoria Capacità inspiratoria Volume corrente Capacità vitale Capacità polmonare totale Fine normale espirazione Volume di riserva espiratoria Capacità funzionale residua Volume residuo

46 La CFR non può essere misurata direttamente con la spirometria, che non permette la valutazione del VR. Si usano metodi indiretti come il metodo della diluizione dell elio o del lavaggio dell azoto. Si riempie uno spirometro con un volume noto di una miscela di aria ed elio a concentrazione conosciuta. Q E1 = C 1 *V 1 V 1 = volume dello spirometro Dopo un espirazione normale il soggetto viene collegato allo spirometro e comincia a respirare la miscela che si mescola con l aria rimasta nel polmone (CFR) L elio si diluisce nella CFR che può essere valutata dal grado di diluizione dell elio. Infatti: Q E2 = C 2 *V 2 e V2 = V 1 + CFR All equilibrio Q E1 = Q E2 C 1 *V 1 = C 2 *(V 1 + CFR) CFR = (C 1 /C 2-1). V 1 Dalla CFR si può ricavare il VR (CFR-VRE)

47 Parte dell aria inspirata non raggiunge gli alveoli ma rimane nelle vie aeree di conduzione. Il volume delle vie aeree di conduzione è definito SPAZIO MORTO ANATOMICO ed è nell adulto circa 150 ml. MISURA DELLO SPAZIO MORTO ANATOMICO (Equazione di Bohr) Il volume corrente espirato V E è formato dal volume dello spazio morto, V D e dallo spazio alveolare, V A V E = V D + V A La quantità di CO 2 espirata = quantità di CO 2 che proviene dallo spazio morto, (concentrazione CO 2 uguale a quella dell aria inspirata, F Ico2 ) più la quantità di CO 2 che proviene dagli alveoli (concentrazione CO 2 alveolare, F Aco2 ). Essendo la quantità di un gas = V x F: V E F Eco2 = V D F Ico2 + V A F A co2 sostituendo V E F Eco2 = F Aco2 (V E - V D ) V E F Eco2 = V A F Aco2 VD VE V D V E = 0.35 Lo spazio morto è il 35% de volume espirato = F Aco2 - F Eco2 F Aco2

48 Si definisce SPAZIO MORTO FISIOLOGICO l insieme dello spazio morto anatomico e degli spazi alveolari che, per problemi di perfusione, non partecipano agli scambi. Nel polmone normale il numero degli alveoli in cui gli scambi non avvengono è molto ridotto, quindi lo spazio morto fisiologico, in un soggetto sano, corrisponde allo spazio morto anatomico.

49 Si definisce volume minuto o ventilazione polmonare il volume di aria in- ed espirato nell unità di tempo. V = Vc. Fr Vc = 0.5 l, Fr = 14 respiri/min V = 7 l/min Quella parte del volume minuto che ventila gli alveoli è detta ventilazione alveolare, il resto, ventilazione dello spazio morto. V A = (V C - V D ). Fr In condizioni normali V D = 150 ml V A = ( ). 14 = 4.9 l/min

50 3 2 1 Diagrammi flusso-volume durante la respirazione normale (1) e in condizioni di espirazioni forzate a partire dalla CPT con sforzi espiratori diversi (2 e 3) Durante le espirazioni forzate, il flusso aumenta rapidamente fino ad un massimo, che dipende dallo sforzo compiuto ad elevati volumi, e poi declina per quasi tutta la durata dell espirazione e diventa indipendente dallo sforzo espiratorio (curva 2 sovrapposta alla 3) L indipendenza dallo sforzo è dovuta alla compressione dinamica delle vie aeree che comporta un aumento della R al flusso. Nel soggetto sano la limitazione di flusso si osserva solo durante espirazione forzata

51 Nelle patologie ostruttive (aumentata resistenza delle vie aeree, asma, enfisema, ecc.) il flusso massimo è minore perché R è maggiore, la parte sforzo dipendente è alterata. Nelle patologie restrittive (maggiore resistenza elastica, fibrosi ecc) il flusso è minore perché sono minori i volumi raggiunti, la parte sforzo dipendente della curva è normale.

52 In clinica, la valutazione delle resistenze delle vie aeree viene effettuata con il test di capacità vitale forzata (espirazione forzata partendo da CPT) Si valuta il FEV 1 volume aria espirata nel primo secondo e si esprime come FEV 1 / CV (indice di Tiffeneau), che nel soggetto normale è 70-80% (70-80% del volume espirato viene espulso nel primo secondo Nelle patologie ostruttive il rapporto FEV 1 / FVC è < 80%

53 Lav. Inspiratorio elastico Nelle patologie restrittive, aumenta il lavoro elastico, il soggetto compensa riducendo il volume corrente ed aumentando la frequenza respiratoria Nelle patologie ostruttive, il lavoro elastico è normale, aumenta quello per vincere la resistenza delle vie aeree, l espirazione è attiva con intervento della muscolatura espiratoria. Il soggetto compensa aumentando il volume corrente e riducendo la frequenza respiratoria.