STRUTTURA E FUNZIONE DELL'APPARATO RESPIRATORIO MECCANICA RESPIRATORIA COMPOSIZIONE DELL'ARIA SCAMBI RESPIRATORI TRASPORTO dei GAS REGOLAZIONE DEL RESPIRO

La composizione dell'aria atmosferica non è adatta per la vita delle cellule Sono necessari scambi respiratori fra il sangue ed una bolla d'aria contenuta nell'apparato respiratorio La composizione della bolla continua a cambiare per aggiunta di anidride carbonica (CO2) e sottrazione di ossigeno (O2) La bolla va continuamente rinnovata, con l'aggiunta di aria atmosferica. E' compito della meccanica respiratoria rinnovare la bolla.

La circolazione polmonare assicura gli scambi gassosi, che avvengono attraverso la parete dei capillari polmonari e l'epitelio alveolare L'epitelio alveolare è caratterizzato da particolare sottigliezza Il sangue contiene "macchine chimiche" che aumentano la quantità dei gas trasportati La meccanica respiratoria è prevalentemente a carico di muscoli scheletrici (volontari), il cui funzionamento ciclico è regolato da meccanismi nervosi.

FUNZIONI ACCESSORIE condizionamento dell’aria funzioni di difesa: l’apparato mucocigliare fonazione deglutizione movimenti respiratori anomali: tosse e sternuto accelerazione dell’aria: effetto meccanico chiusura dei bronchioli in espirazione (ruolo della cartilagine)

Volume di riserva espiratoria = 1.2 l 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 litri Volume residuo = 1. l Volume di riserva espiratoria = 1.2 l Volume di riserva inspiratoria = 3.5 l Volume corrente = 0.5 l

Capacità polmonare totale = 6.2 l Capacità vitale = 5.2 l 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 litri Capacità polmonare totale = 6.2 l Capacità vitale = 5.2 l Capacità inspiratoria = 4.0 l Capacità funzionale residua = 2.2 l Capacità espiratoria = 1.7 l

VOLUMI E CAPACITA' POLMONARI v. ris. inspiratoria v. ris. espiratoria VOLUMI E CAPACITA' POLMONARI 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 litri v. corrente (tidal volume - TV) v. residuo (RV) capacità inspiratoria capacità vitale (VC) capacità espiratoria capacità funzionale residua (FRC) = volume di equilibrio del sistema respiratorio capacità polmonare totale (TLC) ventilazione alveolare = (volume corrente - spazio morto) * frequenza respiratoria (500 - 150) * 12 = 4.5 l/min corrente * frequenza respiratoria ventilazione polmonare = volume 0.5 + 12 = 6 l/min

Quando la gabbia toracica non è soggetta a forze esterne, rimane ad un volume di equilibrio (CFR); per aumentare o diminuire tale volume intervengono normalmente i muscoli respiratori (principali ed accessori): MUSCOLI INSPIRATORI: intercostali esterni, diaframma; scaleni, sternocleidomastoidei. MUSCOLI ESPIRATORI: intercostali interni; muscoli addominali

Intercostali esterni: inspirazione Intercostali interni: espirazione

Analisi della meccanica dei muscoli respiratori. Durante la respirazione tranquilla sono attivi solo muscoli inspiratori, mentre l'espirazione è un processo passivo, dovuto al rilasciamento di tali muscoli e provocato dal ritorno elastico del parenchima polmonare.

PRESSIONI IMPLICATE NELLA MECCANICA RESPIRATORIA: pressione atmosferica = 0 (in tutte le vie aeree e negli alveoli quando non vi sono movimenti di aria con le vie aperte) pressione endoalveolare: negativa durante l'inspirazione e positiva durante l'espirazione pressione endopleurica (si può misurare nel tratto toracico dell'esofago): negativa (=-5 cm H2O) a CFR, diventa più negativa durante l'inspirazione e può diventare positiva nell'espirazione forzata.

Pressione alveolare Pressione pleurica palv ppl vol 8 6 4 2 -2 -4 -6 -2 Pressione pleurica -4 -6 -8 inspirazione espirazione

ORIGINE DELLA NEGATIVITA' PLEURICA A CFR Essendo questo un volume di equilibrio, bisogna determinare i termini dell'equilibrio tendenza dei polmoni a ritrarsi (se esposti alla pressione atmosferica collassano al di sotto di VR, senza svuotarsi completamente se il polmone ha respirato aria almeno una volta) tendenza della gabbia toracica ad espandersi (strutture elastiche muscolo-tendinee consentono ai polmoni di "tirare in dentro" la gabbia toracica, che li contiene).

Modello del sistema respiratorio tubo (vie aeree) bottiglia (gabbia toracica) palloncino (polmoni) acqua (liquido pleurico) Modello del sistema respiratorio

Modello del sistema respiratorio Pressione intrapolmonare -4 -4 Pressione intrapleurica -4 -4 Modello del sistema respiratorio

Tendenza dei polmoni a ritrarsi Tensione elastica: fibre elastiche parenchimatose, in costante stato di tensione Tensione superficiale: poiché gli alveoli, pieni di aria, sono bagnati da un sottile strato di acqua, si forma un'interfaccia aria-liquido, che tende a ridurre la sua superficie

RIDUZIONE DELLA TENSIONE SUPERFICIALE La tensione è inversamente proporzionale al raggio e il raggio degli alveoli è molto piccolo Polmoni riempiti di acqua si espandono molto più facilmente (aumenta la compliance) La tensione superficiale è ridotta dalla presenza di una sostanza tensioattiva (surfactante), la cui funzione è di ridurre la tensione superficiale.

Il surfactante, prodotto da cellule del parenchima polmonare, è composto di dipalmitoillecitina Il surfactante Ha anche un'importante azione stabilizzatrice sugli alveoli, impedendo che quelli più piccoli collassino e quelli più grandi si espandano ulteriormente. Nella malattia genetica nota come mucoviscidosi, il surfactante è insufficiente

La tendenza della gabbia toracica ad espandersi si verifica già alla CFR ed aumenta per volumi minori (espirazione forzata), fino ad impedire ulteriori riduzioni di volume (VR); al di sopra di un certo volume, corrispondente circa a CE, la gabbia viene "tirata in fuori" dai muscoli inspiratori (inspirazione forzata) e tende ad una retrazione elastica nella stessa direzione di quella dei polmoni.

AZIONE STABILIZZATRICE DEL SURFACTANT all’aumentare della superficie si riduce la concentrazione e diminuisce l’effetto sulla tensione superficiale

RELAZIONE PRESSIONE/VOLUME (COMPLIANCE) La compliance é massima e costante intorno al VC: per volumi maggiori o minori dimunuisce, rappresentando rispettivamente il limite alla capacità inspiratoria (determina CV) e a quella espiratoria (determina VR).

FRC FRC+TV VC RV pressione sistema pressione polmoni pressione torace -4 2.2 FRC -6 2.7 FRC+TV 5.8 -10 VC -2 1 RV -6 2.2 pressione sistema pressione polmoni -40 -35 -30 1 2 3 4 5 6 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 litri mmHg pressione torace

litri mmHg CURVE DI COMPLIANCE DEL SISTEMA RESPIRATORIO, DELLA GABBIA TORACICA E DEI POLMONI in rilasciamento 1 2 3 4 5 6 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 30 35 40 litri mmHg CFR RV

Lavoro della respirazione Si calcola dalla curva pressione/volume E’ normalmente piccolo (5% del consumo di O2 totale) Aumenta nella respirazione forzata, quando il volume viene portato a valori per i quali la compliance si riduce.

RESISTENZE DELLE VIE AEREE Curve di compliance statica e dinamica Principali siti di resistenza Ruolo della muscolatura liscia bronchiale Collassamento delle piccole vie aeree Resistenza viscosa del tessuto

FRC FRC+TV COMPLIANCE POLMONARE A VIE AEREE APERTE COMPLIANCE STATICA -4 2.2 FRC -6 2.7 FRC+TV COMPLIANCE POLMONARE A VIE AEREE APERTE COMPLIANCE STATICA COMPLIANCE DINAMICA 2 2.2 2.45 2.7 2.5 3 3.5 4 volume pressione area = LAVORO (DELLA RESPIRAZIONE) RESISTENZA (vie aeree, parenchima)

VENTILAZIONE POLMONARE (0.5*12=6 l/m) = VC * frequenza respiratoria VENTILAZIONE ALVEOLARE: (0.35*12=4.2 l/m): non comprende il volume dello spazio morto (150 ml). spazio morto anatomico: il volume di aria che riempie le vie aeree, ma non arriva alla membrana alveolo-capillare spazio morto fisiologico: comprende eventuali alveoli ventilati ma non perfusi dal sangue (Rapporto ventilazione/perfusione > 1)

DISTRIBUZIONE DEL VOLUME CORRENTE La ventilazione alveolare non si distribuisce uniformemente, in posizione eretta: gli alveoli apicali sono più distesi (contengono più aria), ma ... … sono meno ventilati, a causa della minore compliance (vengono raggiunti da una frazione minore del volume corrente). Questo è dovuto all'effetto della gravità che sposta virtualmente verso il basso il liquido pleurico, accentuando la negatività pleurica agli apici. Le differenze si attenuano nella respirazione forzata.

-6 -4 H2O

Il controllo del respiro

Come si respira: centri bulbari Quanto si respira: chemocettori Il sistema respiratorio è servito da muscoli volontari, ma il loro funzionamento è controllato automaticamente dal sistema nervoso centrale Il sistema nervoso centrale controlla sia il ritmo del respiro sia la ventilazione polmonare: Come si respira: centri bulbari Quanto si respira: chemocettori centrali e periferici

Mesencefalo Ponte Bulbo Mid. spinale Centro pneumotassico Centro apneustico Ponte Bulbo C. inspiratorio ed espiratorio Mid. spinale

Centro respiratorio bulbare - - E I Respiro “stertoroso”

+ P - n. vaghi - Rifl. di Hering e Breuer A + I E ai m. respiratori

Regolazione chimica del respiro Il pavimento del IV° ventricolo ha proprietà chemocettive: >pCO2 >> profondità e frequenza respiratorie; <pO2 non stimola il respiro I glomi aortici e carotidei sentono le alterazioni della PO2