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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

Ptp = 2γ

R = 144

0.0025 = 57.500 dine / cm2 57.5 g / cm2 = 57.5 cm H2O

•  In realtà la tensione superficiale del polmone è più piccola; Ptp tra 25-40 cm H2O

•  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

B: fisiologica A: normale

1.  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