Tema 2. Mecánica respiratoria
2.1 Introducción
Los pulmones están situados en un compartimiento cerrado que es la cavidad torácica o tórax. La caja torácica está formada por las costillas, la columna vertebral torácica situada posteriormente y en el plano anterior por el esternón. La parte superior está cerrada por músculos y tejido conectivo y la parte inferior por el diafragma. En la línea media y separados a través de membranas se encuentra el corazón, los grandes vasos y el esófago, manteniéndose separados los dos pulmones.
2.2 Ciclo respiratorio
El proceso respiratorio pulmonar se desarrolla de manera secuencial y cíclica, mediante el llenado de aire o inspiración y su vaciado o espiración. En cada ciclo respiratorio normal o basal se distinguen, por lo tanto, dos fases debidas a la expansión y retracción de la caja torácica mediante contracción muscular. El desplazamiento de la pared torácica arrastra los pulmones, de tal forma, que al aumentar o disminuir el volumen de la cavidad torácica se producirá un cambio en el mismo sentido en el volumen pulmonar.
En un ciclo respiratorio basal (en reposo o eupneico) las dos fases de que consta son:
- a) Inspiración. Fase activa muscular en la que se produce la entrada de aire desde el medio ambiente externo hasta el interior pulmonar.
- b) Espiración. Fase pasiva, sin actividad muscular, en la que el aire sale de la cavidad pulmonar al medio ambiente externo.
La frecuencia respiratoria es de 12-16 ciclos por minuto. Si se considera un valor medio de 15 ciclos/minuto, cada ciclo tendría una duración de unos 4 segundos. Este tiempo no se distribuye equitativamente entre las dos fases (1,5 seg. inspiración - 2,5 seg. espiración), la espiración en un ciclo en reposo dura más que la inspiración.
2.1.1 Musculatura respiratoria
Las dimensiones de la caja torácica se modifican por acción de la musculatura respiratoria. En la respiración basal o reposo participan los siguientes músculos:
- a) Inspiración. El principal músculo es el diafragma cuya contracción es responsable del 75-80% del movimiento inspiratorio. El diafragma al contraerse da lugar a una depresión o descenso del suelo de la caja torácica aumentando el eje longitudinal de la misma y su volumen. Los músculos intercostales externos, situados diagonalmente entre las costillas, elevan la parrilla costal al contraerse e incrementan el volumen de la caja torácica en sentido antero-posterior y transversal. Aunque se les atribuía un papel importante en la inspiración basal, se ha observado que su papel es más de soporte de la pared costal y de participación en respiraciones forzadas.
- b) Espiración. En condiciones de reposo, la espiración es un proceso pasivo que se lleva a cabo solamente por relajación de la musculatura inspiratoria y la recuperación elástica de los pulmones previamente distendidos en la inspiración. Sólo en los recién nacidos los músculos abdominales participan en la espiración basal.
En la respiración forzada participan otros grupos musculares denominados músculos accesorios de la respiración:
- a) Músculos accesorios de la inspiración:
• Escalenos.
• Esternocleidomastoideo.
• Extensores de la columna vertebral.
• Pectorales.
• Serratos mayores.
- b) Músculos accesorios de la espiración:
• Músculos de la pared abdominal.
• Intercostales internos.
2.1.2 Movimientos respiratorios
A diferencia del aparato circulatorio en el que el movimiento del fluido se realizaba mediante la acción de una bomba situada en serie con el circuito, en el sistema respiratorio la entrada y salida de aire se produce por la acción de una bomba situada en el exterior del sistema. El aire se mueve por gradiente de presión. Si la presión externa es superior a la interna o pulmonar, se produce la entrada de aire; si la presión externa es inferior a la interna se produce la salida de aire. En condiciones normales la presión externa o medioambiental se mantiene constante alrededor de 760 mm Hg que se considera el nivel de referencia o presión 0. Este hecho significa que, para llevar a cabo los flujos, la presión que debe modificarse es la presión interna, que ha de disminuir o aumentar para lograr el flujo aéreo en un sentido y otro. Si se considera el nivel de referencia 0, la creación de una presión negativa dará lugar a la aspiración o entrada de aire como un mecanismo de succión. La creación de una presión positiva producirá el empuje hacia fuera del aire o espiración.
2.1.3 Presiones en el aparato respiratorio
Hay cuatro presiones en el aparato respiratorio que han de ser consideradas a la hora de analizar los movimientos respiratorios:
- Presión bucal o atmosférica. Corresponde a la del aire en la atmósfera.
- Presión alveolar o intrapulmonar. Es la presión del aire contenido en los alvéolos.
- Presión pleural o intrapleural. Es la presión que se mide entre las dos hojas de la pleura. Debido a las propiedades elásticas de pulmón y tórax que traccionan en sentidos opuestos, el pulmón hacia adentro y el tórax hacia fuera, se genera una presión intrapleural negativa.
- Presión transpulmonar. Es una de las presiones transmurales que puede medirse en el aparato respiratorio. Corresponde a la diferencia entre la presión alveolar menos la presión pleural.
Estas presiones se modifican a lo largo del ciclo respiratorio.
2.3 Estructura del aparato respiratorio
El aparato respiratorio no es una estructura rígida, sino que presenta una capacidad de deformación y recuperación muy apropiada para el desarrollo de sus funciones. Las propiedades elásticas de pulmón y caja torácica pueden ser analizadas mediante la observación de las presiones manejadas por el sistema y los volúmenes pulmonares.
2.3.1 Pulmón
La estructura de los tejidos que forman el pulmón son responsables de su comportamiento elástico. En el tejido conectivo intersticial de paredes alveolares, bronquiolos y capilares se encuentran fibras de elastina y colágeno, las primeras son capaces de duplicar su longitud mientras que las del colágeno limitan el estiramiento. En esta capacidad no sólo es importante la densidad de fibras, sino también su disposición geométrica, ya que forman una red, como una malla de nylon, que le permite distenderse en todas direcciones. Un segundo factor de gran importancia en la elasticidad pulmonar es la interfase aire-agua alveolar.
La facilidad con que un órgano puede ser deformado recibe el nombre de distensibilidad o complianza (del inglés "compliance"), y se define como el cambio de volumen respecto al cambio de presión.
2.3.1.1 Tensión superficial alveolar
La tensión superficial generada en la interfase aire-agua, situada en el interior de los alveolos, es proporcional al radio de curvatura de los mismos (ley de Laplace). La presión transmural (Pinterior-Pexterior o en este caso Palveolar-Ppleural o presión transpulmonar) es contrarrestada por las fuerzas de tensión superficial.
Pt = 2T / r
Siendo T la tensión superficial y r el radio alveolar.
Si el líquido que tapiza los alvéolos fuese exclusivamente líquido intersticial, la tensión superficial sería muy grande, (0,07 N/m ó 70 dinas/cm) lo cual daría para radios alveolares de aproximadamente 50 m, valores de presión transpulmonar de 28 N/m o 28 cm de H2O. Como la presión alveolar es 0, el valor de presión pleural debería ser de –28 cm de H2O. Sin embargo la presencia de una sustancia denominada surfactante, o tensoactivo, disminuye la tensión superficial permitiendo que la presión pleural sea de –5 cm de H2O.
El surfactante es una mezcla de fosfolípidos, principalmente fosfatidilcolina ( o lecitina), que secretado por las células alveolares tipo II, forma parte como otro soluto del líquido intersticial que baña el interior de los alvéolos. Este soluto funciona como un tensoactivo o detergente, es decir, disminuye la tensión superficial casi a una sexta parte de la que tiene la solución intersticial.
La tensión superficial presenta un valor constante, valor que disminuye con la adición de un detergente. Ahora, la incorporación del surfactante no sólo disminuye la tensión superficial sino que en el alvéolo se observa que existe una variabilidad en correspondencia con el área o superficie. Con el incremento de área, se produce una elevación de tensión superficial, y con un área disminuída, hay un decremento de la tensión superficial.
Por otro lado la interacción mecánica entre alvéolos vecinos permite que aunque un alvéolo tienda al colapso, el mismo comportamiento presentan sus vecinos, y por lo tanto se mantendrá abierto. Esta propiedad se conoce con el nombre de interdependencia alveolar.
La existencia del surfactante tiene como última consecuencia el fenómeno de la histéresis. Con este término se denomina al fenómeno de diferencia en la tensión superficial para un área determinada cuando se expande que cuando se comprime. Para la expansión el valor es mayor que para la compresión. Este parámetro puede ser estimado también en las relación presión-volumen ya que se necesitan presiones mayores para obtener el mismo volumen cuando se está inflando que cuando se está desinflando. Se cree que es debido al tiempo necesario para que las moléculas de surfactante se realineen en la interfase aire-agua.
2.3.2 Propiedades elásticas de la caja torácica
La caja torácica también presenta unas propiedades elásticas que producen en situación de reposo una retracción elástica, tendente a su expansión. Puesto que, los pulmones y la caja torácica son elásticos, existirá una posición de equilibrio entre sus respectivas retracciones elásticas en dirección opuesta, responsable de los valores de presión.
El pulmón y la pared torácica están expandidos en sentido contrario, pues el pulmón tiende a relajarse hacia adentro y la pared torácica hacia fuera. La consecuencia de estas dos fuerzas opuestas en reposo será que la presión pleural sea inferior a la presión atmosférica.
La presión transmural de las vías aéreas o diferencia de presión a ambos lados de la pared de las vías aéreas, se calcula restando la presión pleural de la presión en el interior de lasvías aéreas (PVA).
PTVA = PVA – PPL
Esta presión es de gran importancia para mantener abiertas las vías aéreas durante una espiración forzada y evitar su colapso.
2.4 Resistencia al flujo de aire
El flujo de aire a través del sistema respiratorio se ve frenado por fuerzas opuestas que se engloban en el concepto de resistencia.
El grueso de la resistencia corresponde al flujo que se desarrolla en las vías aéreas (80-90% de la resistencia total), mientras que la resistencia tisular o fricción dentro del tejido pulmonar (también conocida como resistencia viscosa tisular) es relativamente pequeña (10-20% de la resistencia total).
2.4.1 Resistencia de las vías aéreas
Para que se establezca un flujo de aire entre el exterior e interior de los pulmones se requiere un gradiente de presión y para un gradiente concreto, el flujo sólo dependerá siguiendo la ecuación de Poiseuille de la resistencia.
La mayor parte de la resistencia de las vías aéreas se sitúa en las vías aéreas altas (40-50%), ya que el flujo de aire entre las fosas nasales y la laringe es de tipo turbulento por el tipo de anatomía que presentan estas partes de las vías aéreas. Si la respiración se realiza a través de la boca la resistencia disminuye (como ocurre cuando se realiza ejercicio).
A nivel de los bronquios la resistencia decrece debido a que el flujo pasa a ser transicional y a nivel de los bronquiolos el flujo es laminar dándose por esta circunstancia una disminución de resistencia.
Aunque la resistencia depende del calibre, en el árbol bronquial la máxima resistencia se obtiene a nivel de la cuarta ramificación ya que a continuación la ramificación del árbol bronquial permite la aparición de múltiples tubos en paralelo que incrementan la sección transversal disminuyendo la resistencia.
2.4.2 Músculo liso bronquial y resistencia de las vías aéreas
Las fibras musculares lisas que forman parte de la pared de las vías aéreas está bajo el control del sistema nervioso autónomo, la regulación del tono de estas fibras modifica la resistencia de ahí que el control broncomotor modifique el flujo aéreo.
Broncoconstricción y broncodilatación