Continuiamo il nostro excursus sulla fisiologia polmonare; dopo aver accennato agli aspetti strutturali anatomici ed istologici del sistema polmonare, ci siamo concentrati nel capitolo precedente sulla Meccanica Statica polmonare. In questo capitolo ci concentreremo sulla meccanica dinamica polmonare, intesa come parte della meccanica respiratoria che studia la resistenza delle vie aeree, i flussi aerei e la tensione superficiale del polmone.
RESISTENZE POLMONARI:
Durante gli atti respiratori l’aria attraversa delle strutture tubulari (i bronchi) ed agli estremi di tali strutture esistono delle differenze di pressione, che dipende dalla frequenza e dalla tipologia di flusso che attraversa i bronchi. A basso flusso esiste un moto laminare dell’aria mentre con l’accelerazione del flusso si possono generare delle turbolenze locali che, con l’aumentare estremo della velocità dell’aria, genera un flusso totalmente turbolento. Queste caratteristiche sono state adeguatamente spiegate da Poiseuille con la sua legge sul flusso laminare: un un tubo diritto circolare, il flusso del volume del fluido che lo attraversa é uguale a:
V = (PΠr4)/ (8ηl)
dove P é la differenza pressoria agli estremi del tubo, r il raggio del tubo, η é la viscosità del fluido ed l la lunghezza del tubo. È da notare l’importanza critica del raggio del tubo, dato che al dimezzamento del raggio del bronco si ha un aumento di resistenze di circa 16 volte, mentre un raddoppio di lunghezza aumenta «solo» del doppio la resistenza
La resistenza è uguale alla differenza pressoria che esiste ai capi di un condotto, diviso il flusso del fluido che in esso vi scorre (R = ΔP/Q). A bassa velocità il flusso è laminare nel condotto, mentre all’aumentare della velocità (tipico delle aree con biforcazioni) si ha un moto turbolento; il numero di Reinold (R), determina il limite fra i due moti (R = 2rvδ/η), generalmente con trasformazione turbolenta quando R si trova al di sopra di 2000. Questa espressione significa che la turbolenza é più facile che occorra quando la velocità del flusso é elevata ed il diametro del tubo é largo. In un sistema complicato come il sistema respiratorio (diversi tubi di diverso calibro, non completamente lineari, con superfici irregolari, ecc…) l’applicazione dei principi appena elencate é difficile; si può dire che probabilmente nelle piccole vie aeree, quando il numero di Reynolds é basso, il flusso inizia a disporsi in maniera laminare e rispondere alle regole appena esposte. Nella maggior parte dei bronchi il flusso é probabilmente di transizione, mentre una vera turbolenza si può riscontrare nella trachea, soprattutto durante l’esercizio quando le velocità di flusso sono elevate.
SEDE DELLE RESISTENZE:
Il volume polmonare presenta un effetto importante sulle resistenze delle vie aeree; similmente ai vasi sanguigni extra-alveolari, anche i bronchi sono supportati dalla trazione radiale del tessuto polmonare circostante ed il loro calibro aumenta con l’espansione polmonare. Similmente, con la riduzione del volume polmonare anche le resistenze bronchiali aumentano. Tutto questo si traduce praticamente nel fatto che con l’aumentare del numero delle vie aeree si ha una riduzione di calibro del singolo bronco, con un aumento della sezione transversa della sommatoria delle superfici; questi due fattori sono inizialmente in equilibrio fra loro, ma dopo 16 diramazioni prevale la superficie transversa, con conseguente caduta delle resistenze. Nei bronchi segmentari si ha la massima resistenza (5 generazioni), mentre nelle vie aeree al di sotto di 2 mm di diametro si raggiunge la minima resistenza.
I principali determinanti della resistenza bronchiale sono il volume polmonare che provoca una differente trazione radiale sui bronchi, variando con la respirazione il loro calibro (a bassi volumi si può anche ottenere la chiusura delle vie aeree); la muscolatura liscia bronchiale che tramite il nervo Vago innerva la muscolatura liscia dei bronchi; qui le fibre Simpatiche (Noradrenalina) hanno un effetto broncodilatatore, mentre le fibre Parasimpatiche (Ach) hanno un effetto broncocostrittore. Infine per la Legge di Poiseulle altri determinanti importanti sono la densità (δ) e la viscosità (η) del gas, la prima soprattutto durante il moto turbolento (trachea e grandi bronchi), la seconda per il flusso laminare.
TENSIONE SUPERFICIALE:
La tensione superficiale (T) è la forza che agisce all’interfaccia fra due fluidi, tale da ridurre al minimo la superficie di contatto fra gli stessi due fluidi (mediante la generazione di forze di coesione). La tensione superficiale segue la Legge di Laplace (P = 2T/r). All’interno dell’alveolo la pressione che cerca di collassare la semisfera alveolare non é altro che la sommatoria delle forze tangenziali all’alveolo che tendono a creare una risultante verso l’interno inversamente proporzionale al raggio r dell’alveolo.
Questa forza non é indifferente e genera dei problemi durante l’intero ciclo respiratorio. In espirio il volume alveolare diminuisce (pertanto si riduce anche “r”), con il rischio elevato di sviluppare un collasso totale degli alveoli più piccoli (per eccesso di pressione). In inspirio il volume alveolare aumenta (pertanto con un aumento di “r”) generando una pressione che rischierebbe di rompere l’alveolo per la sua intensità in proporzione alla superficie cui viene applicata. Dato che i polmoni possono anche essere intesi come la presenza di circa 500 milioni di piccole bolle (gli alveoli) ciascuno di 0.3 mm di diametro, il rischio é quello di essere estremamente instabile e collabire sotto la pressione generata dal tessuto circostante.
Il surfactante polmonare (di cui abbiamo già avuto modo di parlare precedentemente nel capitolo dedicato alla istologia, si veda il Capitolo 3.2.2) è una miscela di sostanze secrete prevalentemente dalle cellule di Clara e dai pneumociti di tipo II (apoproteine, dipalmitoil-fosfatidilcolina, calcio), le cui funzioni sono la riduzione della tensione superficiale in espirio (evitando il collabimento alveolare) e l’aumento di tensione superficiale in inspirio (evitando la rottura alveolare). Il surfactante, agendo sulla tensione superficiale alveolare, crea un ridotto lavoro polmonare (per generazione di una maggiore compliance, ne parleremo nei capitoli successivi), una maggiore stabilità alveolare (evitando l’atelettasia) ed una idrofobia alveolare (mantenendo asciutti gli alveoli).
DINAMICA DEI FLUSSI RESPIRATORI:
Un altro elemento che bisogna tenere in considerazione nella meccanica dinamica respiratoria riguarda la generazione delle pressioni e le caratteristiche dei flussi respiratori durante l’intero ciclo respiratorio.
PRESSIONI:
Iniziamo ad introdurre dei termini che saranno ripresi quando parleremo di ventilazione meccanica, dando delle definizioni sulle tipologie di pressioni che sono in gioco nell’apparato respiratorio.
- Pressione della bocca (Paw): si chiama anche pressione delle vie aeree e si riferisce alla pressione che si trova all’ingresso della bocca; nelle condizioni base viene considerata pari a 0.
- Pressione della BSA (Pbs): rappresenta la pressione atmosferica che viene applicata sulla superficie corporea; generalmente è pari a 0 tranne se si utilizza una camera iperbarica o una ventilazione a pressione negativa.
- Pressione pleurica (PPL): rappresenta la misura della pressione all’interno della pleura che in espirio è pari a -5 cmH2O ed in inspirio è pari a -10 cmH2O. Dato che spesso è difficile da misurare, si utilizza la pressione esofagea (PES) come riferimento tramite le variazioni di pressione che si rilevano nell’esofago.
- Pressione alveolare (PA): rappresenta la pressione all’interno degli alveoli e può anche essere chiamata pressione intrapolmonare o polmonare; generalmente oscilla fra valori di -1 cmH2O (inspirio) e +1 cmH2O (espirio).
- Pressione trans-aerea (PTA): rappresenta un gradiente fra l’apertura delle vie aeree e la pressione negli alveoli; rappresenta il delta pressorio che porta al movimento di aria dalla bocca agli alveoli. PTA = Paw - PA.
- Pressione trans-toracica (PW): rappresenta il gradiente fra lo spazio alveolare e la superficie corporea; rappresenta la pressione necessaria per espandere o contrarre il polmone ed il torace assieme. PW = PA - Pbs.
- Pressione trans-polmonare (PL): rappresenta il gradiente fra l’alveolo e lo spazio pleurico e rappresenta la pressione in grado di generare la distensione alveolare. PL = PA - PPL.
- Pressione trans-murale (PTM): rappresenta il gradiente pressorio che c’è fra lo spazio pleurico e la pressione esterna PTM = PPL - Pbs.
Durante il ciclo respiratorio si hanno delle variazioni notevoli nella pressione alveolare (PA) e nella Pressione pleurica (PPL); la generazione di un’attività muscolare respiratoria comporta un aumento di volume della cassa toracica, con conseguente riduzione delle pressioni pleuriche che da -5 cmH2O diventano molto più negative (sempre mantenendo un gradiente apici-basale per la forza di gravità). A questo punto la pressione alveolare (PA) diviene decisamente più bassa rispetto alla PAW, generando pertanto un flusso d’aria che va in direzione dell’alveolo. Alla fine dell’inspirazione, il volume d’aria entrato nel polmonare equilibria la pressione negativa che si à generata, portando nuovamente la PA a 0 cmH2O. Durante la fase espiratoria, con il rilascio della muscolatura, si ha un aumento delle pressioni alveolari, con generazione di flusso in senso inverso.
Se si guarda l’immagine, si nota come la pressione pleurica presenti una linea tratteggiata, che é la linea teorica di riduzione della pressione intra-pleurica, ed una linea continua, che rappresenta la reale caduta di pressione all’interno della pleura. Questo é generato dal fatto che la pressione negativa che si sviluppa all’interno degli alveoli riduce ancora più ulteriormente la pressione pleurica (per un effetto di pressione negativa degli alveoli rispetto alla pleura). La distanza fra il punto B ed il punto B’ in ogni istante é in funzione della pressione alveolare. Il discorso é lo stesso durante la fase espiratoria, con una pressione pleurica che é meno negativa data la pressione che viene generata dalla pressione alveolare sulla stessa pleura.
COMPRESSIONE DINAMICA DELLE VIE AEREE:
Se durante un esercizio di espirio il paziente passa dalla capacità polmonare totale al volume residuo (quindi facendo una grande espirazione forzata espellendo la propria capacità vitale nel minor tempo possibile), si ottiene una curva espiratoria flusso-volume; il paziente ripete lo stesso a velocità differenti di espirio, ma nonostante tutto, la parte finale della curva rimane sempre la stessa. Questo indica che il flusso espiratorio dell’aria è indipendente dallo sforzo muscolare che il paziente esercita e deve esistere una forza in grado di limitare l’efflusso d’aria.
Il principio che genera questo é il principio di compressione dinamica delle vie aeree; in espirazione forzata (ma anche nell’espirio spontaneo) si ha un aumento della pressione pleurica e della pressione alveolare allo stesso momento e dello stesso grado, con un ΔP fa i due elementi che non si modifica. Il punto di equivalenza fra la pressione pleurica e la pressione barometrica, dopo il quale la pressione pleurica supera quella barometrica, favorisce la chiusura dei bronchioli (ma non nei bronchi per presenza di cartilagine), con un aumento di resistenze e rallentamento della velocità di progressione dell’aria verso l’esterno. Si veda l’immagine per una maggiore chiarezza. Anche con un aumento della forza espiratoria, il ΔP fra i due sistemi non cambia, generando sempre un punto di collasso all’interno dei bronchioli tale da generare una limitazione al flusso.
La vera pressione propulsiva dell’aria durante l’espirazione è data dalla differenza pressoria che si genera fra PA e PPL a fine inspirazione e che determina un ritardo del punto di equivalenza (a parità di paziente con lo stesso grado di resistenza, che tende a spostarsi lungo i bronchioli). Tale principio prende il nome di «principio della cascata». Tale pressione propulsiva appare ridotta quando il ritorno elastico del polmone appare ridotto (come in caso di enfisema) ed anche la trazione esercitata dal polmone sui bronchi appare ridotta, facilitando la compressione delle stesse vie aeree (questi due meccanismi sono alla base dell’ostruzione espiratoria all’aria generata in caso di enfisema).
(continua…)
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