La respirazione Organizzazione strutturale delle vie aeree Suddivisione
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La respirazione
Organizzazione strutturale delle vie aeree
Suddivisione delle vie aeree Zona di conduzione = prime 17 generazioni di rami bronchiali. Ha una sua circolazione separata detta circolazione bronchiale che proviene dall’aorta discendente e va alle vene polmonari Zona respiratoria = ultime sette generazioni di rami bronchiali. Partecipa agli scambi gassosi
Funzioni della zona di conduzione • Funzione olfattiva (recettori della mucosa nasale) • Fonazione (per passaggio di aria attraverso le corde vocali poste nella laringe) • Consente il passaggio dell’aria per la ventilazione • Riscalda ed umidifica l’aria • Purifica l’aria da polvere, batteri, gas nocivi… (sistema di difesa) • Distribuisce l’aria alle zone più profonde
Caratteristiche della zona di conduzione
La zona respiratoria: il lobulo alveolare
Alveoli e vascolarizzazione polmonare
L’innervazione autonoma • La muscolatura liscia delle vie aeree è controllata dal sistema nervoso autonomo • La stimolazione parasimpatica (vagale) determina una contrazione della muscolatura liscia e un’ipersecrezione bronchiale • L’attivazione simpatica (adrenergica) determina rilasciamento della muscolatura liscia con relativa broncodilatazione ed inibizione della secrezione delle ghiandole bronchiali
La cavità pleurica Il liquido pleurico: a) è in quantità pari a 0. 2 ml/kg di peso corporeo, per uno spessore di c. a 10 -20 µm b) si forma per filtrazione dai capillari c) ha una quantità di elettroliti simile al plasma, contenuto proteico inferiore e contiene fosfolipidi a funzione lubrificante d) si rinnova ogni ora (0. 2 ml/kg/h)
Pneumotorace In blu: forze elastiche agiscono sul torace In rosso: forze elastiche agiscono sul polmone
La meccanica respiratoria
La meccanica respiratoria
I muscoli respiratori Muscoli accessori Muscoli essenziali Muscoli accessori
Effetti delle variazioni volumetriche della gabbia toracica Le variazioni volumetriche del torace inducono variazioni pressorie che consentono di: • Mantenere un grado medio di apertura degli alveoli • Provocare l’espansione della cavità polmonare nell’inspirazione • Promuovere il flusso d’aria (cioè la ventilazione)
Pressioni respiratorie • P barometrica o atmosferica, di norma uguale a zero (PB) • P delle vie aeree (PAW) • P all’interno dell’alveolo o endoalveolare (PA) • P all’interno della cavità pleurica o endopleurica, di norma negativa (Ppl) • P a cavallo del polmone o transpolmonare (Pp= PA-Ppl) • P a cavallo della parete toracica, transmurale toracica o transtoracica (PT= PB-Ppl) • P a cavallo delle vie aeree o transmurale delle vie aeree (PTA= PAW-Ppl )
Variazione delle pressioni durante il ciclo respiratorio
Sequenza di eventi durante la fase inspiratoria • I muscoli inspiratori si contraggono • La cavità toracica si espande • La pressione endopleurica diventa più negativa • La pressione transpolmonare aumenta • I polmoni si espandono • La pressione alveolare diventa subatmosferica • L’aria penetra nei polmoni finché la pressione alveolare eguaglia la pressione atmosferica
L’espirazione eupnoica E’ un fenomeno passivo che coinvolge diversi tipi di forze: • Tensione elastica del polmone • Elasticità delle coste e delle cartilagini deformate • Caduta gravitaria delle coste sollevate • Elasticità della parete addominale che spinge in alto il diaframma rilassato
Volumi polmonari • La quantità d’aria contenuta nel polmone dipende principalmente dalla statura, dalle condizioni di allenamento, dalla profondità del respiro • I volumi polmonari si misurano collegando il soggetto ad uno spirometro
Volumi polmonari • Volume corrente (VC): aria che viene inspirata ed espirata in condizioni di eupnea (c. a 500 ml) • Capacità funzionale residua (CFR): quantità d’aria che rimane nel polmone alla fine dell’espirazione (c. a 3 lt). – Comprende: a) volume di riserva espiratorio (VRE), aria che può essere espirata con una espirazione forzata e – b) Volume residuo (VR), aria che si elimina solo in fase di collasso polmonare. • Volume di riserva inspiratorio (VRI): aria introdotta con una inspirazione forzata che segue ad una inspirazione eupnoica (c. a 2, 5 lt) • Capacità vitale (CV): somma di VRE, VRI, VC (c. a 4, 5 lt)
Volumi polmonari dinamici • I volumi polmonari dinamici sono dati dai volumi polmonari per la frequenza respiratoria • Massima ventilazione volontaria : massima quantità d’aria che un soggetto può scambiare in un minuto • Massima ventilazione da esercizio: volume d’aria che il soggetto piò ventilare nell’unità di tempo, durante un esercizio di intensità e durata standard • Massimo volume espirato per secondo: volume d’aria che può essere espirato durante il primo secondo di una espirazione forzata fatta al termine di una inspirazione massimale
La ventilazione Ventilazione polmonare: prodotto della frequenza respiratoria per il volume corrente: 15/min x 500 ml = 7, 5 lt/min Ventilazione alveolare: prodotto della frequenza respiratoria per il volume che effettivamente partecipa agli scambi (500 ml meno i 150 che restano nello spazio morto): 15/min x 350 = 5 lt/min
Ventilazione polmonare totale (500 ml/atto respiratorio) e ventilazione alveolare (350 ml/ atto respiratorio)
Effetti del tipo di respirazione sulla ventilazione alveolare • Volume corrente in una respirazione superficiale: 300 ml di cui 150 raggiungono gli alveoli • Volume corrente in una respirazione profonda: 750 ml di cui 600 raggiungono gli alveoli • Volume corrente in una respirazione normale: 500 ml di cui 350 raggiungono gli alveoli
Tipi di ventilazione • Eupnea: normale respirazione a riposo • Iperpnea: incremento della frequenza e/o volume ventilatorio in risposta all’aumento di metabolismo (es. esercizio fisico) • Iperventilazione: incremento della frequenza e/o volume ventilatorio senza aumento di metabolismo (iperventilazione emotiva; gonfiare un palloncino) • Ipoventilazione: diminuzione della ventilazione alveolare (ventilazione superficiale; asma; patologia polmonare restrittiva) • Tachipnea: respirazione rapida, di solito con aumento di frequenza e diminuzione di profondità (ansimare) • Dispnea: respirazione difficoltosa (varie patologie; esercizio fisico intenso) • Apnea: interruzione della respirazione (trattenimento del respiro volontario o per depressione dei centri di controllo del SNC)
R media R massima Il flusso nelle vie aeree R minima Il tipo di flusso dipende dalla sua velocità e dalla regolarità dei condotti. Nelle vie aeree di grande calibro a elevate velocità si ha flusso turbolento; in quelle di medio calibro si ha flusso di transizione (una combinazione di laminare e turbolento); nelle piccole vie aeree periferiche a bassa velocità, si ha il flusso laminare.
Flusso laminare • Il flusso di un gas all’interno di un tubo diritto, regolare, a velocità non elevata, sarà laminare (cilindri concentrici d’aria che scorrono con velocità max al centro e min in corrispondenza delle pareti a causa degli attriti). • Esso dipende dalla differenza di P esistente alle due estremità del tubo stesso e dipende anche dalle resistenze che il gas incontra nello scorrere dentro il tubo. • In particolare il flusso sarà direttamente proporzionale al gradiente pressorio e inversamente proporzionale alla resistenza: • Flusso = Gradiente pressorio resistenza
In base alla legge di Hagen-Poiseuille R = 8. η. l π. r 4 (in cui η indica la viscosità, l la lunghezza ed r il raggio del condotto) Quindi: F = ΔP. π. r 4 8. η. l
Resistenze meccaniche alla respirazione • Resistenze non elastiche: resistenze che il flusso d’aria incontra per raggiungere l’alveolo e per uscirne (resistenze viscose). Dipendono dall’attrito interno che si crea quando il flusso d’aria attraversa le vie aeree, e dalla resistenza opposta dai tessuti non elastici contenuti in tutto l’apparato • Resistenze elastiche dovute alle strutture elastiche toraciche e polmonari
• L’energia impiegata per vincere le resistenze non elastiche non viene restituita, mentre le resistenze elastiche con l’espirazione restituiscono l’energia accumulata durante l’inspirazione • Il lavoro dei muscoli serve per il 60% a vincere le resistenze non elastiche
Flusso turbolento • Il flusso turbolento (in cui le molecole di gas si muovono in maniera irregolare con formazione di vortici) si verifica in condotti di grosso calibro, irregolari, con angolature, stenosi e ramificazioni. • Inoltre si verifica quando la velocità del flusso è elevata e supera un certo valore, in particolare quando il numero di Reynolds è superiore a 1500. • Il numero di Reynolds è direttamente proporzionale alla densità del gas, alla sua velocità lineare e al diametro del condotto, mentre è inversamente proporzionale alla viscosità del gas: • Numero di Reynolds = 2 r x densità x velocità lineare viscosità Nella eupnea, il moto turbolento rappresenta circa solo il 10%
La compliance polmonare Le caratteristiche elastiche del polmone vengono espresse compliance o distensibilità polmonare: essa misura la facilità con cui un corpo elastico può distendersi, cioè incrementare il suo V, a seguito di un incremento di P C = modificazione del V polmonare modificazione di pressione In altre parole: maggiore è la pressione dell’aria necessaria a distendere il polmone, minore sarà la sua distensibilità , cioé la compliance Se il polmone viene disteso troppo si avvicina al suo limite di elasticità, oltre il quale si comporta come una struttura rigida e la compliance diminuisce Il polmone ideale deve avere una compliance che permetta una soddisfacente distensione polmonare - per consentire una buona inspirazione – senza far diminuire eccessivamente l’elasticità, compromettendo l’espirazione
Misura della compliance polmonare La compliance è misurata come l’incremento di volume riferito all’incremento unitario di pressione (litri per aumenti di 1 cm H 2 O) La compliance dell’uomo seduto durante la respirazione a riposo è circa 0, 2 l/cm H 2 O
La compliance polmonare • La compliance è influenzata: – Dalle dimensioni del polmone: polmoni piccoli hanno bassi valori di compliance – Dalla posizione: nell’uomo le dimensioni del polmone sono maggiori in posizione eretta e quindi la compliance ha valori maggiori – Dalla distensione ripetuta: dopo alcuni atti respiratori profondi la compliance aumenta, così come aumenta la distensibilità di un palloncino di gomma dopo insufflazioni ripetute. Al contrario dopo un sonno prolungato i valori diminuiscono – Da condizioni patologiche: l’edema polmonare rende difficoltosa l’espansione polmonare; un torace rigido da artrite diminuisce la compliance della gabbia toracica
Diagramma pressione-volume • Le relazioni esistenti tra il volume del polmone o della gabbia toracica e la pressione dell’aria nel loro interno sono rappresentate dal diagramma pressione-volume • Tale diagramma è espressione delle caratteristiche elastiche del sistema e la sua pendenza rappresenta la compliance, cioè la maggiore o minore facilità della struttura di essere distesa • Tale diagramma si può ottenere nel polmone isolato, insufflando aria o riempiendolo con soluzione fisiologica
Tratto 1: gli alveoli collassati oppongono una forte resistenza all’ingresso dell’aria, quindi l’aumento di P è considerevole Tratto 2: scarsa resistenza degli alveoli, quindi si ha scarso aumento di P aria liquido svuotamento insufflazione isteresi Tratto 3: la distensibilità del polmone si riduce, quindi piccoli aumenti di volume comportano considerevoli aumenti di P Svuotando il polmone dell’aria, si delimita un tratto di isteresi (la forza sviluppata da un elastico ad una data lunghezza è maggiore nella fase di allungamento rispetto a quella di accorciamento) Riempiendo il polmone con soluzione fisiologica, la curva di isteresi scompare e il polmone è molto più distensibile perché la mancanza dell’interfaccia aria-liquido diminuisce la resistenza che gli alveoli oppongono alla loro espansione
• In vivo, nell’alveolo è presente un velo liquido (surfattante) la cui T superficiale è solo 1/5 di quella del fluido extracellulare, per cui i gradienti pressori richiesti per espandere il polmone sono più bassi di quanto sarebbero senza di esso. Quindi, a T superficiale più bassa, il diagramma P/V del polmone è simile a quello del polmone che viene riempito con soluzione fisiologica (rosso) • Il diagramma P/V dell’intero sistema respiratorio, cioè del polmone in vivo (blu), però, rispecchierà anche il diagramma P/V della parete toracica (verde) e risulterà intermedio fra i due • Quando l’apparato respiratorio è al V di riposo, la parete toracica tende ad espandersi con una P uguale a quella con cui il polmone tende a collassare. V di riposo A bassi V, le forze della gabbia toracica si estrinsecano principalmente verso l’esterno, a V più elevati, verso l’interno
Legge di La Place • Poiché nell’alveolo è sempre presente il velo liquido dovuto al surfattante, l’alveolo stesso è paragonabile ad una bolla di sapone circondata da tessuto elastico e collagene • Le proprietà dell’alveolo sono quindi enunciate dalla legge di La Place che mette in relazione la pressione (P) della bolla ed il suo raggio (r) attraverso un fattore T che rappresenta la tensione della parete: P = 2 T r Per effetto della T, la bolla tende a contrarsi il più possibile, generando al proprio interno una P che è inversamente proporzionale al raggio: più piccola è la bolla, maggiore è la pressione interna
• In base alla legge di La Place, quindi, per via della maggiore pressione interna, se due bolle di diversa dimensione hanno un punto di contatto, la bolla piccola tenderà a svuotarsi in quella più grande • Poiché nel polmone gli alveoli non hanno tutti la stessa dimensione, gli alveoli piccoli tenderebbero a collassare e quelli di maggiori dimensioni ad espandersi
Il surfattante (90% fosfolipidi, soprattutto dipalmitolfosfatidilcolina, e proteine specifiche) è secreto dagli pneumociti di II tipo e impedisce che gli alveoli più piccoli possano collassare Infatti, poiché il surfattante ha concentrazione diversa negli alveoli di diversa dimensione, esso fa sì che la tensione superficiale all’interno sia diversa In particolare, con la riduzione del r, e quindi del V, dell’alveolo la concentrazione del surfattante aumenta ed esplica una maggiore attività nel ridurre la T superficiale Quindi, nell’equazione di La Place (P=2 T/r), con la riduzione del r si ha riduzione di T, P rimane costante e l’alveolo non si svuota
Funzioni del surfattante • Facilita il lavoro respiratorio • Impedisce lo svuotamento degli alveoli piccoli in quelli di maggiore dimensione • Mantiene asciutti gli alveoli. Ciò è dovuto al fatto che la T superficiale richiama liquido dai capillari, ma poiché il surfattante riduce la T superficiale, si riduce anche la trasudazione
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