Fisiologia della Respirazione 6.Meccanica respiratoria

Fisiologia della Respirazione
6.Meccanica respiratoria:
Statica e fenomeni di
superficie 2
Carlo Capelli – Fisiologia
Facoltà di Scienze Motorie-Università di
Verona
Obiettivi
•  Tensione superficiale e pressione transpolmonare
•  I fenomeni di superficie principali determinanti dell’isteresi polmonare
e della pressione transpolmonare (pressione di apertura e condizione
metastabile del surfactante polmonare)
•  Surfactante polmonare e stabilità alveolare
•  Distribuzione topografica della ventilazione alveolare
•  Curva P/V del torace; compliance statica toracica
•  Curva P/V del sistema toraco-polmonare combinato: curva a
rilasciamento
•  Compliance statica del sistema combinato
Tensione superficiale e meccanica alveolare
Pressione Transpolmonare
•  Gli alveoli sono posti in parallelo
•  La pressione dell’aria in ognuno di essi è la stessa
•  La pressione con cui tende a collassare il polmone in toto è uguale alla
pressione con cui tende a collassare ogni singolo alveolo
2γ
144
Ptp =
=
= 57.500 dine / cm2  57.5 g / cm2 = 57.5 cm H2O
R
0.0025
•  In realtà la tensione superficiale del polmone è più piccola; Ptp tra 25-40 cm
H 2O
•  Gli alveoli, e quindi il polmone in toto, tendono a collabire a causa della tensione
superficiale all’interfacie alveolo-aria
•  La tensione superficiale rappresenta una delle cause maggiori
della pressione transpolmonare
Isteresi polmonare
•  A parità di volume, Ptp è
maggiore durante
l’espansione che durante la
deflazione
•  Si delimita un’area di isteresi
•  Essa indica che parte
dell’energia impiegata per
espandere i polmoni non
viene restituita durante la
deflazione.
•  L’area di isteresi è tanto
maggiore quanto minore è il
volume polmonare da cui
inizia l’inspirazione
Pressione di
apertura
Isteresi polmonare
ISTERESI
1.  Imperfetta elasticità dei
tessuti
2.  Differenza nel numero di
alveoli aperti
3.  Isteresi di superficie
(fenomeni di superficie)
4.  Condizione metastabile
del polmone (variazione
nel tempo della tensione
superficiale)
Pressione di
apertura
Tensione superficiale e meccanica alveolare
1. 
• 
• 
• 
• 
B: fisiologica
A: normale
• 
Fisiologica
La curva è tutta spostata
a sinistra
Non si osserva la
pressione di apertura
L’area di isteresi è
ridottissima
Si conclude che la
tensione superficiale
contribuisce in larga parte
alle caratteristiche
elastiche del polmone
L’istresi tissutale è
trascurabile
Tensione superficiale e meccanica alveolare
Pressione di Apertura
•  Quando gli alveoli sono atelettasici si hanno solo interfacie liquido-solido
•  Per riespandere gli alveoli bisogna compiere un lavoro di adesione dato, per
ogni centimetro quadrato, dalla differenza tra γ dopo e prima l’espansione
γ l = cos θ = γsv - γsl
•  γl = tensione superficiale liquido;
•  γsv = tensione superficiale interfacie alveolo-aria satura di vapor d’acqua;
•  γsl = tensione superficiale interfacie liquido - solido;
•  θ = angolo compreso tra la superficie della goccia e quella del piano nel punto di
contatto.
•  Quando si passa da un polmone atelettasico ad uno espanso si distrugge una
superficie solido-liquida e se ne crea una solido-vapore. Si deve compiere un
lavoro di adesione.
•  La pressione di apertura è il fattore intensivo richiesto per compiere questo
lavoro
Tensione superficiale e meccanica alveolare
Isteresi
• 
Isteresi tissutale è trascurabile
• 
1. La maggior pressione richiesta per riespandere le zone collabite è
causa di isteresi soprattutto rilevante quando il polmone si riespande
da bassissimi volumi (pressione di apertura)
• 
2. L’isteresi del film di lipoproteine adsorbito
all’interfacie alveolo-aria rappresenta il
fattore più importante dell’isteresi polmonare
Misura della tensione superficiale in funzione di
S con lavaggio alveolare
•  La bilancia di Wilhelmy consente di misurare γ (ascissa) in modo continuo
in funzione dell’area A (ordinata) espressa come percentuale dell’area
accupata inizialmente
γ lavaggio alveolare = 25 - 30 dine/cm
γ dipende da S
Surfactante riduzione della Tensione superficiale ed
isteresi
•  A si riduce ⇒ le molecole adsorbite in
superficie si avvicinano ⇒ Ps ⇑; quindi γ ⇓
•  A aumenta ⇒ γ aumenta subito
bruscamente e poi più lentamente
•  Formazione di “isole” di materiale
tensioattivo
•  Formazione di un’area di isteresi dinamica
•  L’area di isteresi è più piccola se si limita la
riduzione di A al 50 %
•  Il numero di molecole in superficie non è
costante ⇒ non è un film ideale
•  Isteresi statica ⇒ l’isteresi è tanto più
grande quanto più veloce è la variazione di
A
•  L’isteresi del diagramma A- γ è la causa
più importante dell’isteresi polmonare
•  L’aumento di T quando A rimane costante
spiega la genesi dell’atelettasia polmonare
e la necessità della cosiddetta respirazione
intermittente profonda
Diagramma P-V di una bolla
•  A: il volume è la variabile indipendente
•  B: la pressione è la variabile indipendente
Diagramma P-V di una bolla
•  Figura B: P = 2γ/r; appena P raggiunge il valore Pc, la bolla scoppia: in
questa parte del grafico la pendenza dV/dP passa da positiva a negativa,
cioè un aumento del volume implica una diminuzione della pressione che le
pareti della bolla riescono a sopportare.
•  Se P è mantenuta costante si avrà che un accidentale aumento di V
porterà alla situazione in cui la P interna non è più controbilanciata dalla
reazione delle pareti
Equilibrio alveolare e tensione superficiale
Polmone in toto
•  Il volume è la variabile indipendente
Volume e pressione interna di ogni singola bolla
•  La pressione è la variabile indipendente
•  In linea di principio ogni bolla può svuotarsi nell’altra variando il proprio volume e
mantenendo costante il volume totale
Equilibrio alveolare e tensione superficiale
•  In conclusione la condizione di equilibrio stabile in un sistema di bolle in
parallelo si avrebbe quando tutte le bolle si sono svuotate in una.
•  Qusto accadrebbe se: 1) la tensione superficiale all’interfacie alveolo-aria
rimanesse costante e; 2) non vi fosse un limite all’espansione dell’alveolo.
Equilibrio alveolare e tensione superficiale
•  Questo è ciò che accadrebbe se la tensione superficiale rimanesse costante
•  V1 + V2 costante
•  Volume relativo delle due bolle all’equilibrio
•  Per avere equilibrio è necessario che la P con cui le due bolle tendono a
collassare sia uguale: punti a (o a’) e b
•  L’equilibrio in b è instabile, in a (o a’) è stabile
Interazione Tensione superficiale-Tensione elastica
•  La pressione con cui tende a collabire un alveolo è dovuta anche alla Tensione
elastica tessutale
•  P2: corrisponde all’inversione della pendenza dV/dP durante l’espansione
•  V aumenta bruscamente finchè le strutture elastiche vengono poste sotto tensione
•  P1: durante la riduzione di P si osserva una brusca chiusura degli alveoli
Interazione Tensione superficiale-Tensione elastica
•  La pressione con cui tende a collabire un alveolo è dovuta anche alla Tensione
elastica tessutale
•  Secondo questa rappresentazione, quindi, gli alveoli sarebbero instabili: o
completamente aperti o quasi del tutto collassati.
•  Tuttavia ciò non è vero poiché la tensione superficiale non è costante.
Surfactante e stabilità alveolare
1. 
Stabilità alveolare
La variazione della tensione superficiale con la variazione dell’area
dell’interfacia aria-alveolo rende stabile l’equilibrio durante l’espirazione fra
gli alveoli posti in parallelo.
Quando un alveolo a r di curvatura più piccolo inizia a svuotarsi in un altro a r
di curvatura maggiore, la concentrazione di del tensioattivo aumenta e la
tensione superficiale diminuisce riducendo la tendenza dell’alveolo al
collasso. Viceversa, nell’alveolo più grande la tensione superficiale aumenta.
Si stabilisce in meccanismo a feed-back negativo
Distribuzione della ventilazione
•  L’aria inspirata non si distribuisce uniformemente nelle varie parti del polmone;
•  La ventilazione per unità di volume polmonare è maggiore nelle parti inferiori e
minore in quelle superiori.
Distribuzione della ventilazione
•  Il gradiente verticale di Ppl (Pes) e di volume regionale polmonare dipende dalla
gravità;
•  Il polmone pesa
Distribuzione della ventilazione
Effetto del gradiente di pressione
pleurica sull’espansione
regionale del polmone a diversi
volumi polmonari.
Ad FRC (A) la maggior parte del
gas inspirato va agli alveoli della
base perchè gli alveoli sono
situati sulla parte più ripida
(maggiore compliance) della
curva pressione-volume.
A CPT (B) la maggior parte del
gas va ancora agli alveoli della
base, ma la differenza è minima.
A VR (C), l’aria inspirata va agli
alveoli degli apici prima che inizi
il flusso verso le basi.
Nota che tutti gli alveoli sono
sulla stessa curva P-V, ma, in
funzione del grado di
espansione, giacciono su parti
differenti della curva.
Curva P-V del Torace
• 
• 
• 
Relazione Vt - Ptt
La pressione esercitata dalla parete toracica (Ptt) è uguale alla
differenza tra Ppl e la pressione atmosferica.
Se i muscoli sono rilasciati in condizioni statiche a vie aeree chiuse Ptt
= Ppl (Pes)
•  Il ritorno elastico della cassa
toracica è bi-direzionale
•  Tende ad espandersi per
volumi < 75 % CV
•  Tende a contrarsi per volumi
> 75 % CV
•  Ctt = 200 ml /cm H2O
Curva P-V del sistema combinato
•  Il sistema respiratorio è formato da due strutture
poste in serie: polmone e cassa toracica
•  La pressione esercitata dal sistema combinato (Prs) è
la somma algebrica delle pressioni esercitate da
queste due strutture: Prs = Ptp + Ptt
•  Prs = PA con vie aeree chiuse e muscoli rilasciati
•  La variazione di volume è identica nelle due strutture
•  La compliance totale è il reciproco della somma dei
due reciproci delle singole compliance polmonare e
toracica: 1/Crs = 1/Cp + 1/Ct
Curva P-V del sistema combinato
•  Crs = 100 ml / cm H2O
•  Il volume in corrispondenza del
quale Ptp è equilibrata da Ptt è
un punto di equilibrio, CFR
•  CFR aumenta con l’età perché
aumenta Cp
Curva P-V del sistema combinato
•  Lavoro meccanico positivo che
deve essere compiuto dai MR
contro la resistenza elastica per
spostare il sistema da CFR
•  Al termine di un’inspirazione o di
un’espirazione forzata questo
lavoro si trova sotto forma di
energia potenziale elastica che
serve a riportare il sistema ad
equilibrio
Bibliografia
• Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano
•  Capitolo 12: I polmone (Capitolo 12.5)
• Fisiologia Medica, a cura di Conti F, seconda edizione,
Edi.Ermes, Milano
•  Capitolo 50.1: Statica del sistema toracopolmonare
• West JB, Fisiologia della Respirazione, IV edizione
italiana, PICCIN, Padova