FIZIOLOGIA RESPIRATIEI

Respiratia reprezinta un schimb intre celula si mediul extern. Produsul respiratiei este apa (dioxidul de carbon nu este produs al respiratiei deoarece rezulta din decarboxilari ce au loc cu mult inainte de utilizarea oxigenului.

Respiratia prezinta mai multe etape:

1.     Externa sau pulmonara;

2.     Interna sau celulara (etapa respiratorie propriu-zisa)

3.     Etapa de transport.

Etapa externa are ca scop unic arterializarea sangelui venos, printr-un proces numit hematoza. Hematoza se realizeaza prin 3 mecanisme:

a)     Primenirea compozitiei aerului (ventilatia);

b)     Perfuzia pulmonara (P=Q);

c)     Difuziunea (proces de traversare).

Primele doua (a si b) reprezinta procese verticale iar 3 este un proces transversal.

RESPIRATIA

ORGANELE VENTILATIEI

Organele respiratiei sunt:

1.     plamanii;

2.     toracele;

3.     pleura.

A 4-a componenta a ventilatiei este aerul.

1.     Plamanul este format din 2 componente majore:

a)     Caile aerifere;

b)     Subunitatile respiratorii (spatiile alveolare) care grupate in 60 000 acini pulmonari (sau <subunitati respiratorii propriu-zise>); fiecare acin pulmonar contine circa 5 000 alveole - totalul alveolelor este de aproximativ 3 milioane .

1.a Caile aerifere sunt de doua feluri:

I.        Centrale - sunt protejate de schelet cartilaginos; din segmentul central al cailor aerifere fac parte laringele, traheea si tot arborele bronsic pana la bronhiile extralobulare (= supralobulare)

II.       Periferice - au peretii deformabili si sunt reprezentate de bronhiolele intralobulare, bronhiolele terminale (60 000), bronhiolele acinoase (=respiratorii) si alveole.

La limita dintre bronhiolele terminale si bronhiolele respiratorii (= acinoase) exista o bariera respiratorie si hemodinamica.

Proprietati:

1)     Volumul de repaus elastic= 200 ml= volumul pe care il ocupa cei doi plamani atunci cand sunt scosi din contextul lor anatomic (extrasi din cavitatea toracica);

2)     Volumul de echilibru elastic= 3000 ml= volumul ocupat de cei doi plamani aflati in repaus respirator (in cutia toracica);

3)     Distensibilitatea

4)     Elasticitatea= reculul elastic pulmonar este asigurata de doua componente:

Anatomica (elastica, structurala) - da 35 % din totalul fortelor de recul, prin prezenta fibrelor de elastina, reticulina si colagen .

Fizica - 65 % din fortele de recul sunt asigurate de tensiunile superficiale din interiorul alveolei pulmonare.

(randurile urmatoare nu au absolut nici o legatura cu fizica si este neproductiva orice incercare de a le interpreta riguros; nu le-am corectat din motive evidente - s-ar putea sa trebuiasca <sa gresim la fel> la examen) .

Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze presiunile alveolei

Relatia lui Laplace: T= P·R/2 pentru sfera T Palveolara= 2·T/R T mecanism de feedback(+): alveolele tind sa autocolabeze, deoarece raza este invers proportionala cu tensiunea (POATE iN CAZUL P constant si trecand peste <micul detaliu>: in prima <ecuatie> dimensiunea termenului stang este N-Newton iar a membrului drept este Newton/metru, adica ipoteza e de calibrul <2 boi plus 2 cai egal 4 lebede>) T <catastrofa spatiilor alveolare> T instabilitate foarte mare.

in realitate surfactantul impiedica producerea <catastrofei spatiilor alveolare>:

Numarul total de molecule de surfactant/alveola este constant (cantitatea de surfactant/alveola este constanta). Ca urmare concentratia de suprafata a surfactantului pe peretele alveolar c= (numar molecule surfactant)/(suprafata interna a peliculei de surfactant)= (numar molecule surfactant)/(4pR²) variaza invers proportional cu raza alveolei. Cum surfactantul este tensioactiv, cresterea concentratiei de surfactant in cazul micsorarii razei alveolare R duce la o scadere coeficientului de tensiune superficiala (s~R).

Rolurile surfactantului sunt deci:

Mentinerea in echilibru a sistemului pulmonar;

Reglarea reculului pulmonar.

Sindromul de detresa respiratorie este datorat lipsei surfactantului in alveolele nou-nascutului prematur. Surfactantul este secretat de pneumocitele de tip II in lunile 8.9 VIU. in viata intrauterina nu exista recul elastic deoarece alveolele sunt pline de lichid. Conditia poate fi reprodusa prin umplerea plamanilor cu lichid, lucru care diminueaza reculul elastic cu 65 %. in primele secunde dupa nastere trebuie sa existe un recul elastic pulmonar puternic. Aceste prime secunde reprezinta un moment critic deoarece:

1)       lipsa interfetei lichid-gaz implica absenta tensiunii superficiale (alveolele sunt pline cu lichid);

2)       plamanii sunt comprimati.

Presiunea de autocolabare:

cu surfactant este de 5 mm coloana H₂0;

fara surfactant este de 50 mm coloana H₂0.

2.     Toracele prezinta doua componente:

a)     Peretii cutiei toracice;

b)     Muschii respiratori.

2.a Cutia toracica este etansa, elastica si de volum variabil. Volumul de repaus elastic al cutiei toracice este de 4 000 ml (4 litri, 4 000 cm³). in conditii de constrangere elastica datorata pleurei, volumul este de 3 litri. Vidul pleural (no comment) rezulta din conlucrarea fortelor de recul elastic: de expansiune (tendinta cutiei toracice) si de colabare (tendinta plamanilor). in viata intrauterina exista o stare de <pace elastica>.

2.b Muschii respiratori:

Inspiratori:

principali (participa la respiratia nefortata):

diafragm;

intercostali externi.

accesori (participa la realizarea inspirului fortat):

sternocleidomastoidieni (2);

scaleni (6);

fibrele ascendente ale trapezului;

serratus sup.;

pectorali.

Expiratori:

in expirul nefortat: expirul nefortat este pasiv;

in expirul fortat:

intercostali interni;

abdominali;

serratus postero-inferior.

Muschiul diafragm:

aria suprafetei diafragmului este de 250 cm²;

o deplasare liniara a diafragmului cu Dx= 1 cm corespunde unei variatii de volum a cutiei toracice DV= 250 cm³;

o deplasare liniara a diafragmului cu Dx= 2 cm corespunde unei variatii de volum a cutiei toracice DV= 500 cm³= volum respirator curent;

deplasarea liniara maxima a diafragmului este de 5 cm si corespunde variatiei de volum DV= 1250 cm³.

3.     Pleura:

Pleura reprezinta o suprafata continua care prin reflexie creaza aspectul a doua foite permanent alipite (in apozitie) intre care se delimiteaza cavitatea pleurala (virtuala). Din cauza tendintelor elastice si continuitatii foitelor se genereaza vidul pleural care este raspunzator de suctiunea lichidului pleural. Lichidul pleural contribuie la alunecarea foitelor pleurale una pe alta si la adeziunea foitelor.

Solidaritatea toraco-pulmonara este rezultatul urmatorilor factori:

Conflict de recul elastic;

Forte de coeziune in lichidul pleural;

Resorbtie pleurala.

<Vidul pleural> (care se manifesta ca o presiune exercitata spre interiorul cavitatii pleurale, normal la suprafata foitelor) are valori diferite in raport cu regiunea pleurala si pozitia corpului, astfel ca:

in ortostatism

in zona apicala a pulmonilor: -10 cm col H₂0;

la baza plamanului: -1 cm H₂0;

valoare medie (in zona mijlocie): -5 cm H₂0.

in alte pozitii ale pompei toraco-pulmonare (4 pozitii fundamentale) - valori medii:

1.     EXPIRATORIE DE REPAUS: -5 cm H₂0;

2.     INSPIRATORIE DE REPAUS: -15 cm H₂0;

3.     EXPIRATORIE MAXIMA (VR= 1,5 l): +5 cm H₂0;

4.     INSPIRATORIE MAXIMA (corespunde CPT): -36 cm H₂0.

VC (volumul curent) este volumul de aer balansat la trecerea din pozitia inspiratorie de repaus la cea expiratorie de repaus.

Vidul pleural (VP) poate disparea in inspiratia fortata. Astfel VP (care ia de obicei valori sub 1 atm) poate ajunge la valori peste 1 atm, dar valoarea sa este mai mica decat a presiunii alveolare, indiferent de pozitia respiratorie. Presiunea alveolara este de obicei subatmosferica. Valoarea VP este invers proportionala cu varsta (la batrani VP este scazuta).

VP este o masura a reculului elastic pulmonar. Deoarece vidul pleural se transmite structurilor vecine (??!), valoarea VP poate fi estimata prin masurarea presiunii la nivelul corpului esofagian.

P_VP P_ESOFAG

P_{TRANSPULMONARA}= P_ALVEOLARA- P_PLEURAL`(VP)

Deoarece in repaus P_ALVEOLARA= 0 avem P_{TRANSPULMONARA} P_ESOFAG.

Dinamica pompei

Actul ventilatiei

2 ventilatii:

Externa (vizibila) - schimb de aer la nivelul cavitatii bucale;

Interna - distributia ventilatiei studiaza modul in care volumul de aer care a trecut frontiera bucala este distribuit spre cei 60 000 acini (subunitati respiratorii).

RESPIRATIA EXTERNA

Actul ventilator consta in 2 momente a caror succesiune este ritmica sI continua: inspiratie si expiratie. Pneumograma in starea de veghe are aspect de sinusoida regulata, fara pauze. Pauzele apar in somn si in unele conditii patologice. Pe pneumograma se inregistreaza miscarile respiratorii iar pe spirograma, volumele.

Raportul dintre durata inspiratiei si cea a expirului este I/E=2,4/3= 0,8. Frecventa miscarilor respiratorii este de 10.12 miscari/minut (0,167.0,2 Hz).

Inspiratia este faza activa a respiratiei. Forta motrice a inspiratiei este de natura musculara (Pmusculara= F_NORMALA/ARIE_{SUPRAF_ALVEOLARA}). Aplicarea fortei musculare produce urmatoarele modificari in lant: variaza volumul cutiei toracice; se produce expansiunea pleurei; presiunea alveolara scade sub 0 (nivel de referinta - presiunea atmosferica); apare diferenta de presiune intre cavitatea bucala si alveole; aerul se deplaseaza spre alveole.

Modificarea diametrelor:

Vertical: se datoreaza coborarii diafragmului si ridicarii coastelor I.VI;

Sagital: se datoreaza ridicarii coastelor I.VI;

Transversal: ridicarii si rotirii coastelor I.VI.

Expiratia de repaus este pasiva. Forta motrice a expiratiei este de natura elastica (recul elastic si- in ortostatism- forta gravitationala). in expirul fortat participa si muschii expiratori accesori.

Fortele motrice intampina rezistenta. Fortele de rezistenta sunt de trei tipuri:

1.     elastice;

2.     vascoase (frecare);

3.     inertiale.

in respiratia de repaus fortele 2 si 3 sunt neglijabile; conditia de echilibru mecanic pentru respiratia de repaus este deci:

P_MUSCULARA= P_{ELASTICA PULMONARA}

Fortele (1.) depind de urmatorii parametri:

1.1) distensibilitate;

1.2) elastanta;

1.3) presiune expiratorie maxima.

Complianta pulmonara= C_Pulmonara= DV/Dp= 0,2 l/(cm H₂0). Pentru DV= VC (0,5 l) avem Dp= VC/C= 2,5 cm H₂0.

Graficul functiei DV= C Dp se construieste pentru doua conditii: statica si dinamica.

Masuratori statice: P_ESOF la sfarsitul expiratiei (sonda esofagiana) si masuratori de volum (spirometru). Pentru respiratia linistita reprezentarea grafica este un segment de dreapta, complianta (panta tangentei la grafic) fiind constanta. in dinamica, bucla expirului se desparte de cea a inspiratiei iar la aceeasi (diferenta de) presiune (diferentele de) volume sunt diferite, plamanul fiind mai compliant in expir. Prin histerezisul (in limba greaca histerezis inseamna intarziere; bagaciosii pot cauta intr-un compendiu de fizica aspectul unui ciclu de histerezis magnetic si explicatia corecta a notiunii) compliantei pulmonare se intelege aceasta lipsa de simetrie (nu in sens grafic; ci in sensul ca unei valori pe abscisa ii corespunde o valoare a DV in expir si alta pentru inspir). Pentru determinarea in dinamica, intotdeauna complianta pulmonara de expir este mai mare decat complianta pulmonara de inspir. in determinarea statica, daca avem o complianta mai mare decat cea normala plamanul este hipercompliant; in cazul invers, plamanul este hipocompliant (rigid).

Patologie:

Hipercomplianta - recul elastic slab - dificultati in expir; valoarea VR (volumului rezidual) creste la 4.5 l; apare aspectul toracelui in butoi caracteristic bolnavilor de emfizem pulmonar. in repaus functia respiratorie este buna, dar capacitatea vitala si VR sunt mici astfel ca la efort apare eritematoza.

Hipocomplianta este asociata fibrozelor pulmonare, cu efort crescut in inspir.

Complianta intregii pompe toraco-pulmonare este

C_TORACO-PULM= C_PULMONARA/2= 0,1 l/cm H₂0.

Rezistenta la flux nu se mai poate neglija in conditiile cresterii vitezei aerului. R depinde:

1.     direct proportional de lungimea tubului de tranzit si coeficientul de vascozitate al aerului;

2.     invers proportional de puterea a patra a razei tubului de tranzit.

Cand scade reculul elastic valoarea vidului pleural este scazuta, ajungand sa influenteze alveolele din profunzime - scade <vidul peribronho-alveolar> (care mentine deschise bronhiile) - colabare de cai - scade raza - creste rezistenta (care este invers proportionala cu puterea a 4-a a razei) - mare dificultate a respiratiei. Concluzie: Calibrul cailor necartilaginoase este total dependent de realizarea in limite normale a reculului elastic pulmonar.

- 50 % din rezistenta la inaintarea aerului apare la nivelul cavitatii nazale; 40 % - in caile periferice comprimabile (-ole) si 10 % in arborele bronsic central.

Regimul de curgere al aerului este:

laminar, in respiratia linistita;

turbulent, in respiratia fortata (debite mari);

Ventilatia interna

Volumul alveolars capacitate reziduala functionala= 3 l;

VC= 500 ml (150 ml in cai - spatiu anatomic mort; 350 ml ajung in alveole).

Indicele de improspatare= 350/3000= 12 %. Procentul redus de improspatare ajuta la mentinerea constanta a compozitiei aerului alveolar; in cazul inhalarii de substante toxice acestea se dilueaza in aerul alveolar. Aerul alveolar este un rezervor de oxigen.

Scopul unic al ventilatiei interne este reimprospatarea uniforma a aerului alveolar (in toate spatiile alveolare).

Spatii moarte:

spatiul mort anatomic are un volum de 150 ml;

spatiile moarte alveolare sunt teritorii alveolare care nu participa la hematoza.

Raportul V/Q dintre ventilatie (V) si perfuzie (Q) are valoarea normala de 0,8. Cazuri particulare:

1.     perfuzie nula - compozitia aerului ramane constanta;

2.     Q nenula, V nula - cianoza.

Un indice al uniformitatii ventilatiei interne este raportul de expansiune pulmonara= (volum pulmonar la sfarsitul inspiratiei)/ (volum pulmonar la sfarsitul expiratiei)= V_I/V_E= 1,2. Toti acinii au acelasi raport de expansiune (1,2). Uniformitatea se obtine prin indeplinirea a 2 conditii:

1.     Forta motrice de expansiune uniforma;

2.     Proprietati mecanice constante (uniforme) ale plamanului - uniformitate de raspuns (izotropie mecanica);

Forta motrice a expansiunii pulmonare este generata de caderea de presiune pulmonara. Diferenta dintre forta finala si cea initiala este constanta si independenta de punctul de aplicare si de valoarea fortei initiale.

Proprietatile elastice ale plamanului sunt neuniforme si se evalueaza prin constanta de timp mecanic a plamanului (CT).

CT= t= R C (R este rezistenta la flux iar C este complianta) . CT defineste timpul de umplere. Cazuri particulare:

1.     Acinii apicali resimt mai puternic vidul pleural; produsul R C este mic.

2.     Acinii bazali sunt aplatizati si au caile turtite - R C mare.

Apexurile sunt deci hipoventilate (5 %) iar bazele hiperventilate (15.20 %). Exista deci o neuniformitate fiziologica a ventilatiei interne care explica histerezisul (atentie la explicatia data in acest curs notiunii de histerezis - it is quite unique in its silliness). Cauzele neuniformitatii sunt:

1.     Neuniformitatea CT;

2.     Existenta respiratiei transversale alveolo-alveolare (prin porii Kohn) si bronhiolo-alveolare (prin comunicarile intre bronhiolele terminale si acinii vecini descrise de Margaret Lamber).

La inceput de expir, cand forta musculara inceteaza si se expira, dar nu in cantitate mare, reculul se reajusteaza la valori mai mici dar nu prin scaderea volumului pulmonar.

Cauze si concluzii:

1.     Cronologia ventilatiei interne;

2.     Ventilatia transversala.

t (CT) este timpul necesar golirii/umplerii acinului respectiv.

Concluzie: neuniformitatea fiziologica a ventilatiei interne decurge din 2 neuniformitati ale plamanului:

Neuniformitatea spatiala a compliantelor plamanului (dC/dx nenul; dC/dy nenul; dC/dz nenul);

dt/dt nenul (CT variaza in timp);

Variatiile fiziologice ale distributiei ventilatiei - sunt cu:

1.     pozitia corpului;

2.     fazele respiratorii;

3.     varsta (bazele hiperdilatate devin hipoventilate; apexurile devin hiperventilate);

Mecanismele omogenizarii aerului alveolar:

1.     Viteza de deplasare (curgere) a aerului este nula la intrarea in acin - improspatarea se face prin difuzie;

2.     Mixica cardiogena - efect de masaj (brasaj) pe care il exercita arteriolele asupra acinilor (agitare).