Fiziologia aparatului respirator PDF

FIZIOLOGIA APARATULUI RESPIRATOR Departamentul Stiinte Functionale Disciplina Fiziologie BFKT  FIZIOLOGIA APARATULUI RESPIRATOR CUPRINSUL CURSULUI Organizarea funcțională a aparatului respirator Fiziologia căilor respiratorii. Volume și capacități pulmonare Difuziunea gazelor...

FIZIOLOGIA APARATULUI RESPIRATOR Departamentul Stiinte Functionale Disciplina Fiziologie BFKT  FIZIOLOGIA APARATULUI RESPIRATOR CUPRINSUL CURSULUI Organizarea funcțională a aparatului respirator Fiziologia căilor respiratorii. Volume și capacități pulmonare Difuziunea gazelor prin membrana alveolo-capilară Reglarea respiratiei  CUPRINS 1. ORGANIZAREA FUNCŢIONALĂ A RESPIRAŢIEI 2. FIZIOLOGIA CĂILOR RESPIRATORII 3. VOLUME PULMONARE, CAPACITĂŢI PULMONARE STATICE ŞI POZIŢII VENTILATORII 4. DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ 5. REGLAREA RESPIRAŢIEI  ORGANIZAREA FUNCŢIONALĂ A RESPIRAŢIEI RESPIRAȚIA = funcţia prin care se realizează schimbul de O2 şi CO2 al organismului cu mediul înconjurător şi se asigură homeostazia gazoasă la nivel tisular − Respiraţia externă sau pulmonară − Respiraţia internă sau celulară Respiraţia pulmonară = funcţia prin care se realizează mobilizarea aerului din atmosferă în plămâni şi din plămâni în atmosferă, precum şi schimburile gazoase dintre aerul alveolar şi sângele din capilarele pulmonare  ORGANIZAREA FUNCŢIONALĂ A RESPIRAŢIEI Respirația cuprinde 5 procese: 1. Ventilaţia pulmonară = schimbul între aerul atmosferic și plămâni → Schimbul 1 2. Difuziunea gazelor respiratorii (O2 și CO2) prin membrana alveolo- capilară = schimbul între aerul alveolar și sânge → Schimbul 2 3. Transportul sanguin al gazelor respiratorii 4. Difuziunea gazelor la nivel tisular = schimbul între sânge și țesut → Schimbul 3 5. Respirația celulară  ORGANIZAREA FUNCŢIONALĂ A RESPIRAŢIEI Componentele sistemului respirator: 1. Căile respiratorii Schimbul 1 (aer atmosferic→plămân) 2. Plămânii Schimbul 2 3. Circulația Pulmonară (aer alveolar-sânge) 4. Circulația Sistemică Schimbul 3 5. Țesuturi (celule) (sânge-țesut) 6. Respiraţia celulară  FIZIOLOGIA CĂILOR RESPIRATORII 3 componente: 1. CĂILE RESPIRATORII (CR): sistem de conducte aerifere 2. ȚESUTUL PULMONAR: sistem de transfer al gazelor respiratorii 3. SISTEMUL TORACO-PULMONAR: sistem mecanic de pompă În funcție de dimensiuni și caracteristicile funcționale, căile respiratorii (CR) se împart în 3 zone: 1. Căile aerifere SUPERIOARE 2. Căile aerifere INFERIOARE CENTRALE 3. Căile aerifere INFERIOARE PERIFERICE SISTEMUL RESPIRATOR 1. Sinusul 18. Bronhiile 31. Plamânul Lobulul nazal: principale: stâng: respirator: 2. Sinusul stângă și 21. Bronhii 41. Țesut frontal dreaptă lobare: conjunctiv 3. Sinusul 19. Inele 22. Superioară 42. Saci sfenoid cartilaginoase stânga alveolari 4. Tractul 20. Bronhiile 23. Superioară 43. Canal respirator lobare: dreapta alveolar superior: 21. Bronhii 32. Lob 44. Glandă 5. Nas lobare superior mucoasă 6. Cavitatea superioare 34. Fisura 45. Mucoasă nazală 22. Bronhii oblică 46. Arteriolă 7. Cornete lobare 35. Incizura pulmonară nazale inferioare cardiacă 47. Venulă 8. Vestibulul 23. Bronhii 36. Lingula pulmonară nazal lobare 37. Lobul 48. Capilare 9. Faringe mediane inferior 49. Atriu 10. Laringe 24. Bronhie 38. Diafragma 50. Alveole 11. Epiglota segmentară 39. Cavitatea 12. Cartilaj 25. Plamânul bucală tiroidian drept: 40. Esofag 13. Cartilaj 26. Lob cricoidian superior 14. Corzi 27. Scizura vocale orizontală 15. Tractul 28. Scizura respirator oblică inferior 29. Lobul 16. Trahea median 17. Carena 30. Lobul traheei inferior  FIZIOLOGIA CĂILOR RESPIRATORII CR superioare: fosele nazale, faringele CR inferioare centrale: laringele, traheea, bronhiile (d > 2 mm) CR inferioare periferice: bronhiole (d < 2 mm)  CĂILE RESPIRATORII SUPERIOARE FOSELE NAZALE Roluri: − curăţirea aerului de particule cu d > 6m − încălzirea şi umectarea aerului − zona reflexogenă a strănutului − în olfacție  CĂILE RESPIRATORII INFERIOARE CENTRALE LARINGELE = conductul prin care aerul trece din faringe în trahee − În repaus respirator şi în expir normal glota este deschisă − În inspir forţat: glota este larg deschisă − În vorbire: glota se micşorează − În expir forţat se poate închide  CĂILE RESPIRATORII INFERIOARE CENTRALE TRAHEEA Structura peretelui: − Cartilaj în formă de ”U” − rol: nu permite închiderea CR − Fibre musculare netede (în completarea cartilajului), mai numeroase în căile mici − Mucoasa prezintă celule mucoase şi celule epiteliale ciliate − Glande mucoase  secretă mucus  CĂILE RESPIRATORII INFERIOARE PERIFERICE BRONHIILE − până la a 10-a generaţie de diviziune a arborelui bronşic − mai prezintă cartilaj BRONHIILE MICI: − cu d < 2 mm − fără cartilaj − contractilitatea musculaturii netede mai eficientă BRONHIOLELE: − cu d < 1 mm − sunt incluse organic în ţesutul pulmonar cu care se continuă  FIZIOLOGIA ȚESUTULUI PULMONAR Organizare în: lobi, segmente, lobuli şi acini pulmonari − Plămânul drept cu 3 lobi − Plămânul stâng cu 2 lobi Plămânii conţin ↑ 300 milioane alveole Organizarea funcţională pulmonară cuprinde: − Alveolele respiratorii − Țesut conjunctiv cu fibre elastice + ramificaţii vase: (pulmonare + bronşice) + terminaţii nervoase  VOLUMELE PULMONARE, CAPACITĂŢILE PULMONARE STATICE ŞI POZIŢIILE VENTILATORII Volumele şi capacităţile pulmonare sunt mărimi anatomice, statice, care variază dependent de: − Dezvoltarea fizică − Vârstă − Sex − Rasă Volumele şi capacităţile pulmonare reprezintă cantităţi de aer care există în plămân la un moment dat − au la bază variaţiile dimensiunilor spaţiale ale plămânilor în cursul mişcărilor respiratorii şi constituie premiza performanţei pompei de aer  1. VOLUMELE PULMONARE = volume de aer din plămâni la diverse poziţii ale aparatului toraco-pulmonar: Volumul curent (VT) = volumul de aer mobilizat într-un ciclu ventilator de repaus (la fiecare inspir de repaus/ eliminat în expirul de repaus). La adult  500 ml Volumul inspirator de rezervă (VIR) = volumul maxim de aer ce poate fi inspirat după un inspir de repaus, în PIM  1. VOLUMELE PULMONARE Volumul expirator de rezervă (VER) = volumul maxim de aer ce poate fi expirat, după un expir de repaus, în PEM Volumul rezidual (VR) = volumul de aer care rămâne în plămâni la sfârşitul unei expiraţii maxime, în PEM  2. CAPACITĂȚILE PULMONARE Capacitatea inspiratorie (CI) = volumul de aer care poate pătrunde în plămâni în cursul unui inspir maxim care începe după un expir de repaus. CI = VT + VIR Capacitatea vitală (CV) = volumul de aer mobilizabil în cursul unei respiraţii maxime (volumul de aer eliminat de plămâni în cursul unui expir maxim care urmează unui inspir maxim) = 50% din CPT. CV = VT + VIR + VER  2. CAPACITĂȚILE PULMONARE Capacitatea reziduală funcţională (CRF) = volumul de aer care se găseşte în plămâni la sfârşitul unui expir normal de repaus CRF = VER + VR = 50% din CPT Capacitatea pulmonară totală (CPT) = volumul de aer conţinut în plămâni la sfârşitul unui inspir maximal CPT = VIR + VT+ VER + VR CPT = CI + CRF = CV ( 75% din CPT) + VR (25% din CPT)  PARAMETRI SEMNIFICAŢIE VENTILOMETRICI VT = volumul curent Volumul de aer mobilizat într-un ciclu ventilator de repaus VT = 15% CV VIR = volumul inspirator Volumul maxim de aer inspirat după un inspir de repaus de rezervă VIR = 50% CV VER = volumul expirator Volumul maxim de aer expirat după un expir de repaus de rezervă VER = 35% CV VR = volumul rezidual Volumul de aer care rămâne în plămân după un expir maxim VR = 25% CPT CI = capacitatea Volumul maxim de aer inspirat din poziţia respiratorie de repaus inspiratorie CI = VT + VIR = 50% CPT CRF = capacitatea Volumul de aer rămas în plămâni în poziţia respiratorie de repaus reziduală funcţională CRF = VER + VR = 50% CPT CV = capacitatea vitală Volumul maxim de aer expirat după un inspir maxim (sau inspirat după un expir maxim) CV = VIR + VT + VER = CI + VER CV = 75% CPT CPT = capacitatea Volumul de aer conţinut în plămâni după un inspir maxim pulmonară totală CPT = VIR + VT + VER + VR CPT = CI (50%)+ CRF (50%) CPT = CV (75%)+ VR (25%)  VOLUMUL EXPIRATOR MAXIM PE SECUNDĂ (VEMS) Se determină prin expirograma forţată = executarea unei expiraţii maxime şi forţate, după un inspir maxim VEMS = volumul de aer expulzat din plămâni în PRIMA SECUNDĂ a expiraţiei maxime forţate, după un inspir maxim − VEMS = 4/5 din CVF − se determină prin metoda spirografică − se exprimă în litri − VEMS-ul se raportează la VEMS ideal − Valori normale: ≥ de 80 % din valoarea ideală corespunzătoare vârstei, taliei şi sexului subiectului  INDICELE DE PERMEABILITATE BRONŞICĂ Raportarea VEMS-ului la CV reprezintă Indicele de Permeabilitate Bronşică (IPB%) IPB% = VEMS/CV X 100 Valori normale: ≥ decât limita inferioară corespunzătoare vârstei (între 20-29 ani limita inferioară este de 70%) − Valoarea scăzută a IPB  o disfuncţie ventilatorie obstructivă în: Bronşita cronică Astmul bronşic Emfizemul pulmonar etc.  VENTILAŢIA DE REPAUS = volumul de aer respirat în decurs de un minut de subiectul aflat în condiţii bazale Se determină spirografic volumul curent (VT) şi frecvenţa respiratorie (f): VR = VT x f − În repaus, frecvenţa respiraţiei este de 12 – 18/min VT= 500 ml − Valoarea medie a ventilaţiei de repaus = 5-6 litri/min  VENTILAŢIA MAXIMĂ = valoarea limită până la care poate creşte ventilaţia pe minut La adultul normal: − Vmax se realizează la: − Frecvenţă teoretică de 80-90 respiraţii pe minut, cu − VT = 1/3 din capacitatea vitală Determinarea directă a Vmax se face, prin înregistrare spirografică timp de 15-20 secunde Determinare indirectă a Vmax pe baza VEMS: − Dacă fiecare ciclu ventilator durează 2 secunde (1 secundă inspir şi 1 secundă expir), rezultă că pe minut sunt posibile doar 30 de respiraţii cu amplitudinea VEMS. Deci: − Vmax indir = VEMS x 30 − Valorile ideale Vmax indir: VEMS ideal x 30 − Valori normale: ≥ de 80 % din valoarea ideală  DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ Difuziunea O2 şi CO2 = procesul prin care se finalizează respiraţia externă − Procesul este continuu şi se realizează până la echilibrarea concentraţiei în cele 2 compartimente (alveolă şi capilarele pulmonare) Membrana alveolo-capilară (MAC) = totalitatea structurilor pe care le traversează gazele respiratorii dinspre ALVEOLE spre ERITROCITE şi invers − Caracteristicile MAC = adaptate pt a asigura optim schimburile gazoase  DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ Procesul difuziunii gazelor prin MAC depinde de: 1. Proprietăţile fizico-chimice ale gazului 2. Caracteristicile membranei alveolo-capilare 3. Gradientul de presiune parţială a gazului de o parte şi de alta a membranei 1. Proprietăţile fizico-chimice ale gazului − Coeficientul de solubilitate al unui gaz în plasmă este: − pentru O2 = 0,024 ml gaz/ml − pentru CO2 = 0,56 ml gaz/ml CO2 este de 20 de ori mai difuzibil decât O2, datorită marii lui solubilităţi.  DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ 2. Caracteristicile membranei alveolo-capilare: Grosimea membranei:  0,1-1 m − Rata difuziunii este invers proporţională cu grosimea membranei Exemplu: În fibroze pulmonare se produc îngroşări ale unor zone din membrana alveolo-capilară  DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ Mărimea suprafeţei membranei respiratorii: − Alveolele pulmonare realizează o suprafaţă totală a membranei de aprox. 70 m2 − Rata difuziunii prin membrana alveolo-capilară este direct proporţională cu suprafaţa funcţională a membranei Exemplu: În emfizemul pulmonar, datorită distrugerii pereţilor alveolari, suprafaţa respiratorie scade considerabil Structura chimică a membranei: − Gazele respiratorii sunt foarte solubile în lipide şi difuzează cu uşurinţă prin membranele celulare  DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ Eritrocitele trebuie să îşi modifice forma pentru a putea străbate capilarul Membrana eritrocitară atinge peretele capilar O2 şi CO2 nu trebuie să treacă printr-un strat gros de plasmă pentru a difuza  ↑ Rata de difuziune  DIFUZIUNEA GAZELOR PRIN MEMBRANA ALVEOLO-CAPILARĂ 3. Gradientul de presiune parţială a gazelor P = diferenţa dintre presiunea parţială a gazului în aerul alveolar şi cea din sângele din capilarele pulmonare Dacă Pgazului în alveole > Pgazului în sange (ex. O2)  difuziune netă a gazului din alveole în sânge Presiunea PO2 PCO2 Dacă Pgazului în sange > Pgazului în parţială (mmHg) (mmHg) alveole (ex. CO2)  difuziune Aer alveolar 100 40 netă a gazului din sânge în alveole Sânge venos 40 46 Sânge arterial 100 40 Palveolo-capilar 60 6  DIFUZIUNEA GAZELOR RESPIRATORII LA NIVEL TISULAR PLĂMÂNI CELULE ALVEOLE CAPILARE O2 CO2  DIFUZIUNEA O2 LA NIVEL TISULAR Este determinată de diferenţele de presiune parţială: − în sângele capilarului arterial: pO2 = 95 mmHg − în lichidul interstiţial: pO2 = 40 mmHg P↑ − la nivel intracelular: pO2 = 23 mmHg (5 - 40) − la nivelul crestelor mitocondriale pO2 = 1 mmHg  Difuziunea rapidă din capilare → celule Rata difuziunii O2 depinde de: − Viteza de transport a O2 din sânge spre ţesuturi − Timpul de tranzit − Mărimea suprafeţei traversate de oxigen prin difuziune, care creşte cu numărul de capilare perfuzate − Intensitatea proceselor metabolice celulare ce utilizează O2  DIFUZIUNEA CO2 LA NIVEL TISULAR CO2 rezultat din metabolismul celular prezintă : − La nivel celular şi interstiţial pCO2 = 45 - 46 mmHg − În sângele arterial pCO2 = 40 mmHg  Deşi  P = 5-6 mmHg, difuziunea CO2 se face foarte rapid, datorită marii sale solubilităţi pCO2 este determinată de: − Intensitatea proceselor tisulare − Fluxul sanguin  COEFICIENTUL RESPIRATOR (CR) CR = Raportul între CO2 eliberat şi O2 consumat CR = VCO2 / VO2 − consumul de O2 în repaus = 250 ml/min. − cantitatea de CO2 în repaus = 200 ml/min. − în condiţii de repaus: CR = 200/250= 0,85 CR depinde de principiile alimentare metabolizate Exemplu: − 0,7 - în cazul metabolizării exclusive de LIPIDE − 0,82 - în cazul metabolizării exclusive de PROTEINE − 1 - în cazul arderii exclusive de GLUCIDE − 0,85 - în cazul unei ALIMENTAŢII MIXTE  REGLAREA RESPIRAŢIEI Se realizează printr-un mecanism complex neuro-umoral REGLAREA NERVOASĂ asigură activitatea ventilatorie ritmică, automată − Structurile subcorticale participă la adaptarea respiraţiei în diverse situaţii − Scoarţa cerebrală asigură controlul voluntar al respirației REGLAREA UMORALĂ: − Adaptează respiraţia la compoziţia chimică a sângelui − Modifică excitabilitatea centrilor nervoşi şi a altor structuri nervoase implicate în controlul respiraţiei  CENTRI NERVOŞI CU ROL ÎN REGLAREA RESPIRAŢIEI Structurile nervoase care intervin în reglarea respiraţiei sunt grupate în − Centrii primari bulbari (inspirator si expirator) − Centrii auxiliari pontini (pneumotaxic si apneustic) − Centrii integratori supraiacenţi  CENTRII RESPIRATORI PRIMARI Sunt situaţi în bulbul rahidian Întreţin activitatea ventilatorie bazală Nu pot asigura adaptarea adecvată a respiraţiei la diverse solicitări = centri vitali Exista o zonă inspiratorie (I) și o zonă expiratorie (E), inactivă în condiții de repaus și care se activează la sfârșitul inspirului Prezintă activitate spontană automată de tip pacemaker  CENTRII RESPIRATORI AUXILIARI CENTRUL PNEUMOTAXIC − reglează activitatea centrilor bulbari − asigură trecerea de la inspiraţie la expiraţie CENTRUL APNEUSTIC − exercită efecte stimulatoare, tonice, asupra neuronilor “I” bulbari, în condiţiile în care influenţa centrului pneumotaxic este suprimată  INFLUENŢELE INTERCENTRALE Pot modifica activitatea ritmică a centrilor respiratori bulbari Centrii vomei, deglutiţiei şi centrii vasomotori bulbari sunt implicaţi cel mai frecvent în aceste interrelaţii Exemplu: − În cursul vomei →oprirea respiraţiei − REFLEXELE DEPRESOARE, controlate de centrii vasomotori bulbari, sunt asociate cu reducerea amplitudinii şi frecvenţei respiraţiilor − REFLEXELE PRESOARE sunt asociate cu modificări ventilatorii opuse − Centrul respirator influenţează activitatea centrilor CV din vecinătate → aritmie respiratorie (în inspir ↑ FC, în expir ↓ FC) = consecinţă a interrelaţiei centrale dintre centrii respiratori şi vasomotori  CENTRII INTEGRATORI SUPRAIACENŢI NEOCORTEXUL 1. Asigură reglarea voluntară a respiraţiei − Poate fi oprită voluntar - apnee (zeci de sec-min → la antrenaţi) − Poate fi modificată voluntar: − ↑ FR = polipnee (tahipnee) − ↓ FR = bradipnee 2. Intervine în elaborarea unor reflexe condiţionate − Hiperventilaţia premergătoare startului din întrecerile sportive − Prelungirea apneei voluntare prin antrenament pentru imersiuni 3. Permite adaptarea ventilaţiei în realizarea unor acte specific umane: vorbitul, cititul, râsul, fluieratul, cântatul vocal sau cu instrumente muzicale de suflat, tusea, suspinul şi strănutul voluntar Controlul voluntar → limitat de modificarea PO2 si PCO2  CENTRII INTEGRATORI SUPRAIACENŢI SISTEMUL LIMBIC - modificările respiratorii asociate stărilor afectiv-emoţionale. − Emoţiile pozitive → Hiperventilaţie precedată de o scurtă apnee − Frica şi furia → Creşterea frecvenţei respiratorii − Teama, groaza şi atenţia încordată → Oprirea respiraţiei  CENTRII INTEGRATORI SUPRAIACENŢI HIPOTALAMUSUL - modificările respiratorii în funcţie de temperatura mediului ambiant. − În hipotalamusul anterior - centrul termolitic care determină POLIPNEEA TERMICĂ − Febra, încălzirea pasivă a organismului sau hipertermia asociată efortului fizic de lungă durată determină HIPERVENTILAŢIE  CONTROLUL NEURO-UMORAL AL RESPIRAŢIEI Dublează și completează, adaptarea respiraţiei este dublată Timp de reacţie mai crescut, necesar acţiunii factorilor umorali asupra chemoreceptorilor centrali şi periferici Excitabilitatea centrilor respiratori poate fi influenţată de o serie de factori: − pO2 − pCO2 − pH CO2 determină modificări ale [H+] la nivelul chemoreceptorilor centrali şi periferici, deci răspunsul ventilator la modificarea pH sanguin este similar celui la pCO2  RĂSPUNSUL VENTILATOR LA MODIFICĂRILE pCO2 = principalul tip de răspuns în cadrul reglarii neuro-umorale Acţiunea CO2 este mai puternică în comparaţie cu modificările O2 − ↑ cu 0,2% a concentraţiei CO2 în aerul alveolar şi cu 0,5 mmHg a pCO2 în sângele arterial  Dublarea debitului ventilator − Până la o concentraţie de 15% CO2 în aerul inspirat  acţiune stimulatoare progresivă − La concentraţii > 20%  Narcoza − La concentraţii de 40%  Moarte O proporţie de 100% O2 în aerul inspirat diminuă ventilaţia cu 10- 20%. Pentru a întreţine activitatea centrului respirator este necesară prezenţa CO2 în aerul inspirat. De aceea în amestecul de gaze care se foloseşte pentru oxigenoterapie, O2 reprezintă 95%, iar CO2 5%  RĂSPUNSUL VENTILATOR LA MODIFICĂRILE pO2 Este mult mai puţin exprimat în cadrul reglării neuro-umorale − Chemoreceptorii periferici sunt stimulaţi când pO2 ↓sub 70 mmHg − Stimularea chemoreceptorilor este maximă când pO2 ↓ la 40-50 mmHg − La valori sub 30 mmHg  Efect inhibitor direct al hipoxiei asupra centrilor respiratori  Recomandare (opțională) ”sănătoasă” de vizionare : Două amenințări majore la adresa unei respirații sănătoase Emisiunea ”Lumina Celui Nevăzut” – canal de televiziune Trinitas. Invitatul emisiunii, profesor universitar dr. Bogdan Alexandru Miron (Universitatea de Medicină și Farmacie „Carol Davila”,București), profesor de pneumologie și fost presedinte al Societății Românești de Pneumologie; Link-ul emisiunii: https://www.youtube.com/watch?v=wkGNtFjySMY&list=LL&index=9