West's Physiology of Respiration (10th Edition) - Chapter 2.1 PDF

VENTILACIÓN CÓMO LLEGA EL AIRE A LOS ALVÉOLOS • Volúmenes pulmonares • Ventilación • Espacio muerto anatómico • Espacio muerto fisiológico • Diferencias regionales de ventilación 14 V 2 eremos ahora con más detalle cómo llega el oxígeno a la membrana alveolocapilar por el proceso de ventilación....

VENTILACIÓN CÓMO LLEGA EL AIRE A LOS ALVÉOLOS • Volúmenes pulmonares • Ventilación • Espacio muerto anatómico • Espacio muerto fisiológico • Diferencias regionales de ventilación 14 V 2 eremos ahora con más detalle cómo llega el oxígeno a la membrana alveolocapilar por el proceso de ventilación. En primer lugar, revisaremos brevemente los volúmenes pulmonares; a continuación, la ventilación total y la ventilación alveolar, que es la cantidad de aire fresco que llega a los alvéolos. La parte de los pulmones que no participa en el intercambio de gases se comentará en los apartados sobre espacio muerto anatómico y fisiológico. Finalmente, se presentará la distribución desigual de la ventilación causada por la gravedad. VENTILACIÓN 15 Los tres capítulos siguientes explican cómo el aire inspirado llega a los alvéolos, cómo los gases atraviesan la membrana alveolocapilar y cómo son eliminados de los pulmones a través de la sangre. Estas funciones se llevan a cabo mediante la ventilación, la difusión y el flujo sanguíneo, respectivamente. La figura 2-1 es un esquema muy simplificado de un pulmón. Los diversos bronquios que constituyen las vías respiratorias de conducción (v. figs. 1-3 y 1-4) se representan ahora con un solo tubo señalado como «espacio muerto anatómico», que conduce a la región pulmonar de intercambio de gases, que está rodeada por la membrana alveolocapilar y la sangre de los capilares pulmonares. Con cada inspiración, entran en el pulmón unos 500 ml de aire (volumen corriente) y aproximadamente sale el mismo volumen. Obsérvese qué proporción tan pequeña del volumen pulmonar total está representada por el espacio muerto anatómico. Cuanto mayor es el volumen del espacio muerto, menor es el volumen de aire fresco que entra en los alvéolos. Obsérvese también lo pequeño que es el volumen de sangre capilar en comparación con el volumen de aire alveolar (compárese con la fig. 1-7). VOLÚMENES PULMONARES Antes de observar el movimiento del aire en el interior de los pulmones, es útil mirar brevemente los volúmenes pulmonares estáticos. Algunos de ellos pueden medirse con un espirómetro (fig. 2-2). Obsérvese que ahora los dispositivos electrónicos han sustituido al espirómetro de agua que se muestra en esta figura. VOLÚMENES FLUJOS Volumen corriente 500 ml Espacio muerto anatómico 150 ml Ventilación total 7 500 ml/min Frecuencia 15/min Ventilación alveolar 5 250 ml/min Aire alveolar 3 000 ml Sangre capilar pulmonar 70 ml –~ –1 Flujo sanguíneo pulmonar 5 000 ml/min Figura 2-1. Esquema de un pulmón que muestra los volúmenes y los flujos típicos. Existe una variación considerable en torno a estos valores en función del tamaño y el sexo del paciente. 16 CAPÍTULO 2 8 Litros 6 4 P apel C apacidad pulmonar total C apacidad vital E spirómetro Lápiz Volumen corriente 2 C apacidad residual Volumen funcional residual 0 Figura 2-2. Volúmenes pulmonares. Obsérvese que la capacidad pulmonar total, la capacidad residual funcional y el volumen residual no pueden medirse con el espirómetro. Durante la espiración, la campana asciende y el lápiz baja, trazando una gráfica en movimiento. En primer lugar, puede observarse la respiración normal (volumen corriente) y, a continuación, el paciente realiza una inspiración máxima, que continúa con una espiración máxima. El volumen exhalado se denomina capacidad vital. Sin embargo, tras una espiración máxima, queda algo de aire en los pulmones, que es lo que se denomina volumen residual. El volumen de aire que queda en los pulmones tras una espiración normal es la capacidad residual funcional (FRC). Ni la capacidad residual funcional ni el volumen residual pueden medirse con un espirómetro sencillo, pero sí puede utilizarse una técnica de dilución de gases, como se muestra en la figura 2-3. Se conecta al paciente a un espirómetro que C1 V1 C2 V2 A nte s d el e q uilibrio C1 D e s p u é s d el e q uilibrio V1 = C 2 (V 1 + V 2) Figura 2-3. Medición de la capacidad residual funcional mediante dilución de helio. VENTILACIÓN 17 contiene una concentración conocida de helio, que es prácticamente insoluble en la sangre. Tras varias respiraciones, la concentración de helio en el espirómetro y en los pulmones llega a ser la misma. Dado que no se ha perdido helio, la cantidad de este gas presente antes del equilibrio (concentración por volumen) es: C1 × V1 e iguala la cantidad tras el equilibrio: C2 × (V1 + V2) A partir de aquí: V2 = V1 × C1 – C2 C2 En la práctica, se añade oxígeno al espirómetro durante el equilibrio, para compensar el consumido por el paciente, y también se absorbe dióxido de carbono. Otra forma de medir la capacidad residual funcional es con un pletismógrafo corporal (fig. 2-4). Se trata de un gran habitáculo hermético, como una cabina telefónica antigua, en la que el paciente se sienta. Al final de una espiración normal, un obturador cierra la boquilla, y se pide al paciente que realice esfuerzos respiratorios. Cuando el paciente intenta inhalar, expande el aire en sus pulmones; el volumen pulmonar aumenta, y la presión en el habitáculo aumenta porque disminuye su volumen de aire. La ley de Boyle establece que la presión × el volumen es constante (a temperatura constante). Por lo tanto, si las presiones en el habitáculo antes y después del esfuerzo inspiratorio son P1 y P2, respectivamente, V1 es el volumen preinspiratorio en el habitáculo y DV es el cambio del volumen del habitáculo (o pulmón), podemos decir que: P1V1 = P2 (V1 – DV) Así, puede obtenerse DV. A continuación, se aplica la ley de Boyle al aire del pulmón. Entonces: P3V2 = P4 (V2 + DV) P V PV = K P V Figura 2-4. Medición de la capacidad residual funcional (FRC) con un pletismógrafo corporal. Cuando el paciente realiza un esfuerzo inspiratorio contra una vía respiratoria cerrada, aumenta ligeramente el volumen de sus pulmones, disminuye la presión en las vías respiratorias y aumenta la presión en el pletismógrafo. El volumen pulmonar se obtiene a partir de la ley de Boyle (v. el texto). 18 CAPÍTULO 2 donde P3 y P4 son las presiones en la boca antes y después del esfuerzo inspiratorio, y V2 es la FRC. Así, puede obtenerse la FRC. El pletismógrafo corporal mide el volumen total de aire en los pulmones, incluso el que pueda quedar atrapado más allá de vías respiratorias cerradas (en la fig. 7-9, se muestra un ejemplo) y, que por lo tanto, no se comunica con la boca. Por el contrario, el método de dilución de helio sólo mide gas que se comunica, o volumen pulmonar ventilado. En las personas jóvenes y sanas, estos volúmenes son prácticamente iguales, pero en pacientes con neumopatías, el volumen ventilado puede ser considerablemente inferior al volumen total, a causa del aire atrapado más allá de las vías respiratorias obstruidas. Volúmenes pulmonares • El volumen corriente y la capacidad vital pueden medirse con un espirómetro sencillo. • La capacidad pulmonar total, la capacidad residual funcional y el volumen residual necesitan una determinación adicional con el método de dilución de helio o un pletismógrafo corporal. • El helio se utiliza por su escasa solubilidad en la sangre. • El uso del pletismógrafo corporal depende de la ley de Boyle, PV = K, a temperatura constante. VENTILACIÓN Supongamos que el volumen exhalado con cada respiración es de 500 ml (fig. 2-1) y que la frecuencia respiratoria es de 15 resp/min. El volumen total que abandona los pulmones cada minuto será, entonces, 500 × 15 = 7 500 ml/min. Esto se conoce como ventilación total o ventilación por minuto. El volumen de aire que entra en los pulmones es ligeramente superior, porque se capta más oxígeno que el dióxido de carbono que se expulsa. Sin embargo, no todo el aire que pasa por los labios alcanza el compartimiento aéreo alveolar, que es donde se produce el intercambio de gases. De cada 500 ml inhalados en la figura 2-1, 150 ml permanecen por detrás del espacio muerto anatómico. Así, el volumen de aire fresco que entra en la zona respiratoria cada minuto es de (500 – 150) × 15 o 5 250 ml/min. Es lo que se denomina ventilación alveolar, y tiene una importancia clave porque representa la cantidad de aire fresco inspirado que está disponible para el intercambio de gases (estrictamente, la ventilación alveolar también se mide en espiración, aunque el volumen es casi el mismo). Obsérvese que aunque sólo entran 350 ml de aire fresco en los alvéolos con cada respiración, aún así el volumen alveolar se expande al tamaño completo del volumen corriente, ya que los 150 ml de aire que quedan en el espacio muerto anatómico al final de la espiración previa son arrastrados hasta los alvéolos con cada respiración antes de que entre el aire fresco. La ventilación total puede medirse fácilmente haciendo que el paciente respire a través de una caja de distribución que separa el aire inspirado del espirado, y VENTILACIÓN 19 recogiendo todo el aire espirado en una bolsa. La ventilación alveolar es más difícil de determinar. Un modo consiste en medir el volumen del espacio muerto anatómico (v. más adelante) y calcular la ventilación del espacio muerto (volumen × frecuencia respiratoria). Esto se resta luego de la ventilación total. Se puede resumir todo convenientemente con símbolos (fig. 2-5). Usando V para indicar volumen, y los subíndices T, D y A para indicar corriente (tidal), espacio muerto (dead space) y alveolar, respectivamente: VT = VD + VA* por lo tanto, VT · n = VD · n + VA · n donde n es la frecuencia respiratoria. Por lo tanto, · · · VE = VD + VA · · donde V· indica volumen por unidad de tiempo, VE es la ventilación total espirada, · y VD y VA son el espacio muerto y la ventilación alveolar, respectivamente (en el apéndice A, se presenta un resumen de símbolos). Así pues, · · · VA = VE – VD Una dificultad que presenta este método es que no es fácil medir el espacio muerto anatómico, aunque puede suponerse, con escaso error, un valor para él. Obsérvese que la ventilación alveolar puede aumentar si se eleva el volumen corriente o la frecuencia respiratoria (o ambos). Con frecuencia, el aumento del VD VT FE FI Figura 2-5. El volumen corriente (VT) es una mezcla de aire del espacio muerto anatómico (VD) y una contribución del aire alveolar (VA). Las concentraciones de CO2 se muestran por medio de puntos. F, concentración fraccional; I, inspirado; E, espirado. Compárese con la figura 1-4. VA FA * Obsérvese que VA aquí significa volumen de aire alveolar en el volumen corriente y no volumen de aire alveolar total en los pulmones. 20 CAPÍTULO 2 volumen corriente es más eficaz porque esto reduce la fracción de cada respiración ocupada por el espacio muerto anatómico (que a veces se denomina fracción de espacio muerto). Otro modo de medir la ventilación alveolar en personas sanas es a partir de la concentración de CO2 en el aire espirado (fig. 2-5). Como no se produce intercambio alguno de gases en el espacio muerto anatómico, no existe aquí CO2 al final de la inspiración (se puede despreciar la pequeña cantidad de CO2 en el aire). Así, como todo el CO2 espirado procede del aire alveolar, · · % CO2 Vco2 = VA × 100 El cociente % CO2/100 se denomina, con frecuencia, fracción de CO2, y se representa por Fco2. Por lo tanto, · · Vco2 = VA × Fco2 y reordenando, · Vco2 · VA = Fco2 Así, la ventilación alveolar puede obtenerse dividiendo la salida de CO2 por la fracción alveolar de este gas. Obsérvese que la presión parcial de CO2 (indicada por Pco2) es proporcional a la fracción del gas en los alvéolos, o Pco2 = Fco2 × K, donde K es una constante. Por lo tanto, · Vco2 · ×K VA = Pco2 Es lo que se denomina ecuación de la ventilación alveolar. Como en las personas sanas la Pco2 del aire alveolar y la sangre arterial son, prácticamente, idénticas, puede usarse la Pco2 arterial para determinar la ventilación alveolar. La relación entre ventilación alveolar y Pco2 tiene una vital importancia. Si se divide por dos la ventilación alveolar (y la producción de CO2 permanece invariable), por ejemplo, la Pco2 alveolar y arterial se duplicará. La producción de CO2 en reposo suele ser constante, pero está afectada por la actividad metabólica y puede aumentar a causa de factores como el esfuerzo, la fiebre y la infección. ESPACIO MUERTO ANATÓMICO Es el volumen de las vías respiratorias de conducción (v. figs. 1-3 y 1-4). El valor normal es de unos 150 ml, y aumenta con inspiraciones grandes a causa de la VENTILACIÓN 21 tracción o el empuje que el parénquima pulmonar circundante ejerce sobre los bronquios. El espacio muerto depende también del tamaño y la postura de la persona. El volumen del espacio muerto anatómico puede medirse por el método de Fowler. El paciente respira a través de una caja de distribución, y el tubo para muestras de un analizador rápido de nitrógeno obtiene continuamente muestras del aire a nivel de los labios (fig. 2-6A). Tras una inspiración de O2 al 100 %, la concentración de N2 aumenta a medida que el aire del espacio muerto es lavado cada vez más por aire alveolar. Finalmente, se observa una concentración del gas casi uniforme, que A Inicio de la inspiración C oncentración de N 2 (%) 80 O2 Final de la espiración R egistro 40 Meseta alveolar Inicio de la espiración 0 0 Tubo de muestreo Medidor de N 2 5 10 Tiempo (s) C oncentración de N 2 (%) B 40 A B 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Volumen espirado (l) Figura 2-6. Método de Fowler para medir el espacio muerto anatómico con un analizador rápido de N2. A) Muestra que, tras una inspiración de prueba con O2 al 100 %, la concentración de N2 aumenta durante la espiración hasta casi un nivel «meseta», que representa aire alveolar puro. B) La concentración de N2 se representa frente al volumen espirado, y el espacio muerto es el volumen hasta la línea vertical discontinua, que hace que las áreas A y B sean iguales. 22 CAPÍTULO 2 representa gas alveolar puro. Esta fase se denomina a menudo «meseta» alveolar, aunque en las personas sanas no es muy aplanada, y en los pacientes con neumopatías puede elevarse de forma empinada. También se registra el volumen espirado. El espacio muerto se obtiene representando la concentración de N2 frente al volumen espirado y trazando una línea vertical, de modo que el área A es igual al área B en la figura 2-6B. El espacio muerto es el volumen espirado hasta la línea vertical. En efecto, este método mide el volumen de las vías respiratorias de conducción hacia el punto medio de la transición desde el espacio muerto al aire alveolar. ESPACIO MUERTO FISIOLÓGICO Otra forma de medir el espacio muerto es el método de Bohr. La figura 2-5 muestra que todo el CO2 espirado procede del aire alveolar, y nada del espacio muerto. Podemos, por lo tanto, escribir: VT · Feco2 = VA · Faco2 Ahora, VT = VA + VD Por tanto, VA = VT – VD Sustituyendo: VT · Feco2 = (VT – VD) · Faco2 De donde: VD VT = Paco2 – Peco2 Paco2 (ecuación de Bohr) donde A y E se refieren al espirado alveolar y mixto, respectivamente (v. apéndice A). El cociente normal entre espacio muerto y volumen corriente se encuentra entre 0,2 y 0,35 durante la respiración en reposo. En las personas sanas, la Pco2 del aire alveolar y la de la sangre arterial son, prácticamente, idénticas, de modo que, con frecuencia, la ecuación se escribe: VD VT = Paco2 – Peco2 Paco2 Debe señalarse que los métodos de Fowler y de Bohr miden cosas algo diferentes. El método de Fowler mide el volumen de las vías respiratorias de conducción hacia el nivel en que se produce la dilución rápida del aire inspirado con aire que ya había en los pulmones. Este volumen se determina por la geometría de las vías respiratorias que se expanden rápidamente (v. fig. 1-5) y, como refleja la morfolo- VENTILACIÓN 23 gía de los pulmones, se denomina espacio muerto anatómico. El método de Bohr mide el volumen pulmonar que no elimina CO2. Dado que es una medida funcional, el volumen se denomina espacio muerto fisiológico. En las personas sanas, los volúmenes son casi iguales. Sin embargo, en pacientes con neumopatías, el espacio muerto fisiológico puede ser considerablemente mayor por el desequilibrio entre flujo sanguíneo y ventilación en los pulmones (v. cap. 5). El tamaño del espacio muerto fisiológico es muy importante. Cuanto más grande es, mayor es la ventilación total que tiene que generar una persona para garantizar la entrada de una cantidad adecuada de aire en los alvéolos para participar en el intercambio de gases. Ventilación • La ventilación total es el volumen corriente multiplicado por la frecuencia respiratoria. • La ventilación alveolar es la cantidad de aire fresco que llega a los alvéolos, o (VT – VD) × n. • El espacio muerto anatómico es el volumen de las vías respiratorias de conducción, unos 150 ml. • El espacio muerto fisiológico es el volumen de aire que no elimina CO2. • Los dos espacios muertos son casi iguales en las personas sanas, pero el espacio muerto fisiológico está aumentado en muchas neumopatías. DIFERENCIAS REGIONALES DE VENTILACIÓN Hasta ahora, hemos supuesto que todas las regiones del pulmón normal tienen la misma ventilación. Sin embargo, se ha demostrado que las regiones pulmonares inferiores ventilan mejor que las zonas superiores, lo que se puede mostrar si una persona inhala xenón radioactivo (fig. 2-7). Cuando el xenón-133 entra en el campo contador, su radiación penetra la pared torácica, y puede ser registrado por un banco de contadores o una cámara de radiación. De este modo, puede determinarse el volumen del xenón inhalado que se dirige a varias regiones. La figura 2-7 muestra los resultados obtenidos en una serie de voluntarios sanos tras usar este método. Puede observarse que la ventilación por unidad de volumen es máxima junto a la base pulmonar, y que disminuye progresivamente hacia el vértice. Otras determinaciones muestran que, cuando la persona se encuentra en decúbito supino, la diferencia desaparece, y las ventilaciones apical y basal se igualan. No obstante, en esa posición, la ventilación de la parte pulmonar más posterior supera a la de la parte anterior, más superior. De nuevo, en decúbito lateral (la persona tumbada sobre uno de sus lados), la parte pulmonar más declive se ventila mejor. En el capítulo 7 se comenta la causa de estas diferencias regionales. CAPÍTULO 2 133 X e C ontadores de radiación V entilación/unidad de volumen 24 100 80 60 40 20 0 Zona inferior Zona media Zona superior Distancia Figura 2-7. Medición de diferencias regionales de ventilación con xenón radioactivo. Cuando se inhala el gas, su radiación puede detectarse con contadores situados fuera del tórax. Obsérvese que la ventilación disminuye desde las regiones pulmonares inferiores a las superiores. C ONCE P TO S C L AV E 1. Los volúmenes pulmonares que no pueden medirse con un espirómetro senci- 2. 3. 4. 5. 6. llo son la capacidad pulmonar total, la capacidad residual funcional y el volumen residual, que sí pueden determinarse mediante el método de dilución de helio o con un pletismógrafo corporal. La ventilación alveolar es el volumen de aire fresco (no del espacio muerto) que entra en la zona respiratoria por minuto. Puede determinarse a partir de la ecuación de la ventilación alveolar, es decir, la producción de CO2 dividida por la fracción de CO2 en el aire espirado. La concentración de CO2 (y, por lo tanto, su presión parcial) en el aire alveolar y en la sangre arterial es inversamente proporcional a la ventilación alveolar. El espacio muerto anatómico es el volumen de las vías respiratorias de conducción, y puede medirse a partir de la concentración de nitrógeno tras una sola inspiración de oxígeno. El espacio muerto fisiológico es el volumen pulmonar que no elimina CO2. Se mide por el método de Bohr utilizando CO2 arterial espirado. Las regiones pulmonares inferiores ventilan mejor que las superiores, a causa de los efectos de la gravedad sobre el pulmón.