Meccanica Polmonare e Misurazioni PDF

MECCANICA POLMONARE E MISURAZIONI IN PAZIENTI VENTILATI MECCANICAMENTE L'obiettivo di questa lezione è comprendere come misurare e interpretare i parametri della meccanica polmonare, in particolare in pazienti sottoposti a ventilazione meccanica. Ci concentreremo su come vengono misurate la pression...

MECCANICA POLMONARE E MISURAZIONI IN PAZIENTI VENTILATI MECCANICAMENTE L'obiettivo di questa lezione è comprendere come misurare e interpretare i parametri della meccanica polmonare, in particolare in pazienti sottoposti a ventilazione meccanica. Ci concentreremo su come vengono misurate la pressione resistiva (Pres), la pressione elastica (Pel) e come queste informazioni aiutano a comprendere lo stato dei polmoni. Occlusione a Fine Inspirazione: Una Tecnica di Misurazione Una tecnica fondamentale per valutare la meccanica polmonare è l'occlusione a fine inspirazione: 1. Fase Inspiratoria: Il ventilatore eroga un flusso d'aria a rampa, con un incremento graduale della pressione (PIP, Peak Inspiratory Pressure), provocando un aumento del volume polmonare. 2. Occlusione: Al termine dell'inspirazione, una valvola chiude le vie aeree, bloccando il flusso d'aria. 3. Caduta Iniziale di Pressione: A seguito dell'occlusione, si osserva un'iniziale brusca caduta di pressione fino al valore della pressione resistiva (Pres). Questa pressione è correlata alla resistenza delle vie aeree e si può usare per calcolarla conoscendo il flusso. 4. Plateau di Pressione: Dopo la caduta iniziale, la pressione si stabilizza su un valore più basso, noto come pressione elastica (Pel). La Pel riflette il volume d'aria contenuto nei polmoni ed è usata per calcolare la compliance statica (Volume/Pel). Interpretazione delle Misurazioni Pressione Resistiva (Pres): Dipende dalla resistenza delle vie aeree. Maggiore è la resistenza, maggiore sarà la caduta iniziale di pressione. Pressione Elastica (Pel): Dipende dalla compliance polmonare. A parità di volume, una compliance ridotta si traduce in una maggiore Pel. PEEP: Se è presente una PEEP (Positive End-Expiratory Pressure), questa deve essere sottratta al plateau di pressione per ottenere la Pel corretta. Alterazioni della Meccanica Polmonare Aumento della Resistenza: Si manifesta con una maggiore caduta iniziale di pressione e una maggiore Pres. Riduzione della Compliance: Si manifesta con una Pel più alta a parità di volume, quindi un plateau di pressione più elevato. Combinazione di Aumento della Resistenza e Riduzione della Compliance: Si osserva sia una caduta iniziale più marcata sia un plateau di pressione elevato. Relazione Pressione-Volume (P-V) La relazione P-V fornisce una visione completa delle proprietà elastiche del sistema respiratorio. Questa relazione può essere ottenuta incrementando progressivamente il volume polmonare e misurando la pressione a ogni step. È fondamentale che il paziente sia paralizzato durante queste misurazioni per evitare interferenze dovute a sforzi inspiratori. Compliance Statica e Dinamica Compliance Statica: È la "vera" compliance, misurata quando il sistema è a riposo, senza flusso d'aria. Si ottiene misurando la pressione a diversi volumi dopo aver atteso che il flusso si sia azzerato. Compliance Dinamica: Si ottiene dividendo il volume corrente per la pressione a fine inspirazione, ovvero quando il flusso è nullo. In condizioni fisiologiche, la pressione in quel momento dovrebbe coincidere con la pressione elastica, e quindi dinamica e statica dovrebbero coincidere. In realtà, spesso non è così. Costanti di Tempo nel Sistema Respiratorio La costante di tempo (τ) è un parametro fondamentale nella meccanica respiratoria: Definizione: τ = Resistenza (R) x Compliance (C) Influenza: Un aumento di R, C o di entrambe allunga la costante di tempo, rendendo l'inspirazione e l'espirazione più lente. Al contrario una riduzione di R, C o di entrambe accorcia la costante di tempo, rendendo più veloci sia l'inspirazione che l'espirazione. Effetto della Costante di Tempo sulla Ventilazione Riduzione della Compliance (τ minore): L'inspirazione è più rapida, ma il volume polmonare raggiunto è inferiore (la curva di riempimento è più ripida, ma raggiunge un plateau prima). Aumento della Resistenza (τ maggiore): L'inspirazione è più lenta e il volume polmonare che si raggiunge è inferiore. Disomogeneità delle Costanti di Tempo e "Pendelluft" All'interno dei polmoni, possono coesistere regioni con costanti di tempo diverse: 1. Unità Omogenee: Non ci sono problemi: le unità si riempiono in modo uniforme. 2. Resistenza Differente: Unità con maggiore resistenza si riempiono meno durante l'inspirazione. Al termine dell'inspirazione l'aria si sposta dalle unità con minore resistenza verso quelle con maggiore resistenza per riequilibrare le pressioni. 3. Compliance Differente: Unità con minore compliance si riempiono più rapidamente, con una pressione maggiore a fine inspirazione rispetto all'altra. L'aria si muove dalle unità con minore compliance a quelle con compliance normale. 4. Pendelluft: Il fenomeno per cui, in caso di disomogeneità di tempi di riempimento, alla fine dell'inspirazione, parte del volume corrente si ridistribuisce da una regione all'altra per riequilibrare le pressioni è detto pendelluft. La compliance dinamica, misurata immediatamente al termine dell'inspirazione, sottostima per questo la compliance reale. Implicazioni Cliniche del Pendelluft Il Pendelluft si verifica anche in persone sane quando la frequenza respiratoria aumenta: Bassa Frequenza: Tutte le unità polmonari si riempiono in modo adeguato, anche quelle con τ aumentata. Alta Frequenza: Il tempo inspiratorio si riduce, le unità con τ aumentata si riempiono solo in parte, riducendo il volume corrente che arriva in quella regione del polmone. La compliance dinamica è sottostimata e si discosta sempre di più dalla compliance statica. Ventilazione Collaterale Infine, è importante considerare la ventilazione collaterale, cioè la presenza di vie aeree che collegano alveoli o lobuli diversi: Vie Collaterali: Inter-bronchiali, inter-alveolari, bronchiolo-alveolari e interlobari. Funzione: Consentono scambi d'aria anche in presenza di ostruzione in una determinata unità polmonare. Spero che questa sintesi strutturata sia utile per comprendere i complessi meccanismi della meccanica polmonare. SCAMBI GASSOSI: PRINCIPI E MECCANISMI In questa lezione ci concentreremo sugli scambi di gas, una delle principali funzioni dell'apparato respiratorio. Vedremo come questi scambi avvengono sia a livello alveolare che a livello dei capillari sistemici, analizzando i fattori che li influenzano. Strutture Coinvolte e Adattamenti Evolutivi Gli scambi gassosi avvengono principalmente negli alveoli, le cui pareti sottili e ampia superficie favoriscono questo processo. La grande superficie disponibile per gli scambi supera di gran lunga quella corporea e per questo motivo gli alveoli sono racchiusi in una struttura protetta che necessita di energia per essere ventilata. Adattamenti evolutivi in altre specie: Vermi: Scambi gassosi attraverso la superficie corporea. Insetti: Sistema tracheale con tracheole che si aprono all'ambiente esterno.  Pesci: Branchie che sfruttano il movimento nell'acqua per gli scambi. Leggi dei Gas: Fondamenti per la Comprensione Per comprendere gli scambi gassosi, è essenziale conoscere le leggi fondamentali dei gas: Legge di Boyle: A temperatura costante, il prodotto pressione-volume di un gas è costante (P * V = k). Legge di Charles: A pressione costante, il volume di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura (V/T = k). Legge di Gay-Lussac: A volume costante, la pressione di un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura (P/T = k). Equazione di stato dei gas ideali: PV = nRT. Legge di Dalton: La pressione parziale di un gas in una miscela è la stessa che eserciterebbe se fosse da solo. La pressione totale è la somma delle pressioni parziali. Legge di Henry: La concentrazione di un gas disciolto in un liquido è direttamente proporzionale alla sua pressione parziale (C = α P), dove α è il coefficiente di solubilità. Il volume di gas disciolto è V = αP Solubilità di Ossigeno e Anidride Carbonica nel Sangue Ossigeno e anidride carbonica hanno solubilità molto diverse nel sangue: Anidride Carbonica (CO2): Ha una solubilità circa 24 volte maggiore rispetto all'ossigeno. Ossigeno (O2): Nel sangue arterioso (PO2 = 100 mmHg), circa 0.3 mL di O2 sono disciolti in 100 mL di plasma; nel sangue venoso (PO2 = 40 mmHg) questa quantità è circa 1/3 di quella presente nel sangue arterioso.  Anidride Carbonica: Nel sangue venoso (PCO2 = 46 mmHg), circa 3.3 mL di CO2 sono disciolti in 100 mL di plasma; nel sangue arterioso (PCO2 = 40 mmHg), questa quantità è circa 2.8 mL di CO2 in 100 mL di plasma. Il plasma del sangue contiene molta più anidride carbonica che ossigeno, sia nel sangue arterioso che in quello venoso. Diffusione e Legge di Fick Gli scambi gassosi avvengono per diffusione semplice, seguendo la legge di Fick, modificata per i gas: Flusso Diffusionale: Il flusso di un gas è direttamente proporzionale alla differenza di pressione parziale (gradiente pressorio) tra due zone, all'area della superficie di scambio e al coefficiente di diffusione, e inversamente proporzionale allo spessore della membrana. Coefficiente di Diffusione (D) Il coefficiente di diffusione è D = RT/N6πηr. Nel nostro organismo, R (costante dei gas), T (temperatura), N (numero di Avogadro), π (pi greco) e η (viscosità del mezzo) sono costanti. Quindi, l'unico fattore che influenza D è il raggio della molecola gassosa (r). Dimensione della Molecola: Le molecole più piccole, come l'ossigeno, in teoria diffondono più velocemente. Solubilità: Nella realtà, la CO2 diffonde più rapidamente dell'O2 perché il suo coefficiente di solubilità (α) è 24 volte maggiore, compensando la differenza di raggio. Legge di Fick: Il flusso di un gas è anche direttamente proporzionale alla solubilità e inversamente proporzionale alla radice quadrata del peso molecolare. Fattori che Influenzano la Diffusione Oltre alla differenza di pressione parziale, la velocità di diffusione dipende anche: Area della Superficie di Scambio (A): Maggiore è l'area, maggiore è la diffusione (V̇ A). Spessore della Membrana (Δx): Maggiore è lo spessore, minore è la diffusione (V̇ 1/Δx). La superficie di scambio degli alveoli è circa 100 m², mentre lo spessore della membrana alveolo- capillare è inferiore a 1μm. La forma degli alveoli aumenta la superficie di scambio disponibile di 10000 volte rispetto a un'unica sfera di pari volume. Capacità di Diffusione del Polmone (DL) Raggruppando i fattori costanti (area di scambio, spessore della membrana e solubilità), si definisce la capacità di diffusione del polmone (DL). Definizione: DL = Flusso diffusionale / Differenza di pressione (V̇ / ΔP). Significato: Rappresenta la quantità di gas che diffonde in un minuto per ogni mmHg di differenza di pressione parziale. È analogo alla conduttanza o al coefficiente di permeabilità diffusionale di un soluto. Valori di PO2 e PCO2 nell'Apparato Respiratorio Aria Inspirata (Secca): PO2 ≈ 160 mmHg (21% di 760 mmHg) Aria Umidificata (Vie Aeree): La pressione di vapore acqueo a 37°C è 47 mmHg. Quindi, la PO2 si riduce a circa 150 mmHg. Aria Alveolare: La pressione parziale di CO2 è 40 mmHg, la pressione parziale del vapore acqueo è 47 mmHg; di conseguenza la PO2 è circa 100 mmHg. Sangue Arterioso: La PO2 è di 100 mmHg. Sangue Venoso (a riposo): La PO2 è di circa 40 mmHg (dipende dal livello di attività dei tessuti, e da quanto ne è stato sottratto). Spazio Morto La PO2 nell'alveolo è più bassa rispetto all'aria inspirata perché è una miscela in cui gli scambi sono continui, quindi con presenza di CO2 e sottrazione di O2. Il ricambio dell'aria negli alveoli avviene solo in parte a ogni respiro; una parte dell'aria espirata, circa 150 ml, rimane nello spazio morto. Durante l'inspirazione, i primi 150 mL di aria inspirata vanno a occupare lo spazio morto e poi spingono l'aria già presente nello spazio morto negli alveoli, per questo motivo solo 350 ml dei 500 ml di aria inspirata partecipano agli scambi gassosi a livello alveolare. Composizione dell'Aria in Diverse Zone Aria Ambiente: PO2 ≈ 21%. Aria Umidificata: PO2 ≈ 20%. Aria Alveolare: PO2 ≈ 13-14% e PCO2 ≈ 5%. Aria Espirata: La PO2 è maggiore e la PCO2 è minore rispetto all'aria alveolare perché contiene una parte di aria inspirata che non ha scambiato, e che quindi ha una concentrazione di ossigeno più alta e di anidride carbonica più bassa rispetto all'aria alveolare. Visione Complessiva delle Pressioni Parziali Gradienti di Pressione: Alveolo-Capillare: Il gradiente di PO2 è di circa 60 mmHg (100 - 40 mmHg), mentre per la PCO2 è di circa 6 mmHg in direzione opposta (46-40 mmHg). Tessuti: I gas si muovono fino al raggiungimento dell'equilibrio tra sangue e interstizio. I tessuti in attività presentano una PO2 nel sangue refluo minore rispetto ai tessuti a riposo. Spero che questa sintesi dettagliata sia utile per comprendere i complessi meccanismi degli scambi gassosi. EMOGASANALISI: UNO STRUMENTO CHIAVE NELLA VALUTAZIONE RESPIRATORIA L'emogasanalisi è una procedura fondamentale per valutare lo stato degli scambi gassosi e l'equilibrio acido-base nel sangue. Si basa sul prelievo di un campione di sangue arterioso e sull'analisi di vari parametri. Procedura e Precauzioni 1. Prelievo: Il campione di sangue arterioso viene prelevato con attenzione per evitare il contatto con l'aria, che altererebbe i risultati. 2. Analisi: Il campione viene analizzato per misurare: pH: Misurato direttamente. Bicarbonato (HCO3-): Misurato direttamente. Pressione parziale di anidride carbonica (PCO2): Misurata attraverso la concentrazione di CO2 nel sangue e convertita in pressione parziale. Pressione parziale di ossigeno (PO2): Misurata attraverso la concentrazione di O2 nel sangue e convertita in pressione parziale. Saturazione di ossigeno dell'emoglobina (SaO2). Temperatura. Concentrazione di emoglobina (circa 15 g/dL in un individuo normale). Misurazione delle Pressioni Parziali nell'Aria Alveolare La misurazione delle pressioni parziali di CO2 e O2 nell'aria alveolare viene effettuata con tecniche specifiche: Anidride Carbonica (CO2): 1. Principio: La CO2 nell'aria espirata proviene dagli alveoli, dato che non è presente nell'aria inspirata. 2. Metodo: Si utilizza un analizzatore di CO2 collegato ad un boccaglio. Questo analizzatore emette radiazione infrarossa che viene assorbita dalla CO2. La quantità di radiazione assorbita è proporzionale alla concentrazione di CO2. 3. Capnogramma: La misurazione della CO2 durante il ciclo respiratorio genera un tracciato chiamato capnogramma. Il plateau del capnogramma (End Tidal CO2) corrisponde alla PCO2 dell'aria alveolare. 4. Fasi della respirazione: Durante l'inspirazione non c'è CO2, durante l'espirazione la prima aria che esce corrisponde allo spazio morto (senza CO2), e poi si misura la CO2 di origine alveolare. Ossigeno (O2): 1. Metodo: Si utilizza un analizzatore di ossigeno. 2. Misurazione: Durante l'inspirazione si misura la PO2 dell'aria ambiente (circa 150 mmHg). Durante l'espirazione, si misura prima l'aria dello spazio morto, e poi la PO2 dell'aria di origine alveolare. Interpretazione del Capnogramma Normale: In un individuo normale il capnogramma presenta un plateau stabile. Ipoventilazione: La PCO2 aumenta gradualmente perché viene eliminata meno CO2 del dovuto. Iperventilazione: La PCO2 diminuisce perché viene eliminata più CO2 del dovuto.  Ostruzione: Il plateau del capnogramma si innalza perché l'aria impiega più tempo per uscire e gli alveoli accumulano più CO2. Apnea: Non si osserva alcun capnogramma. Diffusione dei Gas a Livello Alveolare: Dinamica e Fattori Influenzanti La diffusione dei gas a livello alveolare segue un andamento specifico: Ossigeno (O2): 1. Gradiente di Pressione: Il sangue venoso entra nel capillare alveolare con una PO2 di 40 mmHg, mentre la PO2 alveolare è di 100 mmHg. Questo gradiente di 60 mmHg promuove la diffusione dell'ossigeno verso il sangue. 2. Processo: L'ossigeno diffonde rapidamente all'inizio del capillare, poi la velocità di diffusione diminuisce man mano che il sangue si satura di O2. 3. Equilibrio: In condizioni normali, il gradiente di PO2 si annulla dopo circa un terzo del percorso del capillare. La parte rimanente del capillare rappresenta una riserva funzionale nel caso in cui la diffusione sia rallentata. 4. Gradiente medio: Il gradiente di pressione medio è circa 10 mmHg. Anidride Carbonica (CO2): 1. Gradiente di Pressione: Il gradiente di pressione per la CO2 è di circa 6 mmHg, dal sangue agli alveoli. 2. Diffusione: Grazie alla sua maggiore solubilità, la CO2 si equilibra rapidamente nel capillare alveolare.  3. Equilibrio: Anche per la CO2 l'equilibrio si realizza dopo circa un terzo del percorso del capillare. Tempo di Transito e Shunt Anatomico Tempo di Transito: Il tempo medio di transito di un globulo rosso in un capillare alveolare è di circa 750 ms, più che sufficiente per l'equilibrio di O2 e CO2 in condizioni normali. Shunt Anatomico: Una quota di sangue venoso dalle vene bronchiali si mescola con il sangue arterioso proveniente dai capillari alveolari. Questo causa un abbassamento della PO2 nel sangue arterioso, che passa da 100 mmHg negli alveoli a circa 95 mmHg nel sangue arterioso che raggiunge il cuore sinistro e da qui poi l'aorta. Fattori che Influenzano la Velocità di Raggiungimento dell'Equilibrio La velocità con cui l'equilibrio tra aria alveolare e sangue si realizza dipende da diversi fattori: 1. Velocità di Legame dell'Ossigeno con l'Emoglobina: La PO2 nel plasma dipende dalla quantità di ossigeno disciolto. L'ossigeno legato all'emoglobina non contribuisce alla pressione parziale. La diffusione avviene secondo il gradiente di PO2 tra aria alveolare e plasma. 2. Affinità dell'Emoglobina per i Gas: Gas con Bassa Affinità (es. Biossido): L'equilibrio tra pressione parziale nel sangue e nell'aria alveolare si raggiunge rapidamente. Gas con Alta Affinità (es. Monossido di Carbonio): L'emoglobina "sottrae" rapidamente il gas dal plasma, mantenendo bassa la pressione parziale nel sangue. Scambio limitato da diffusione/perfusione Questo concetto verrà approfondito nelle prossime lezioni, analizzando la manovra della DL(CO) e il calcolo della DL(O2). Spero che questa sintesi dettagliata sia utile per comprendere l'emogasanalisi, la dinamica della diffusione dei gas e i fattori che influenzano gli scambi a livello alveolare.