Biomecanica sistemului respirator

Respiraţia reprezintă un fenomen complex de viaţă, care cuprinde totalitatea proceselor

fiziologice, fizice şi chimice, legate de fizarea şi utilizarea oxigenului pe de o parte şi eliminarea

bioxidului de carbon, produs final al proceselor oxidative din organism pe de altă parte.

Componentele aparatului respirator sunt: cavitatea nazala, faringele, laringele, traheea, bronhiile

principale, caile pulmonare si plamanii. In alcatuirea plamanului, se disting doua componente

structurale si functionale: arborele bronsic si tesutul pulmonar propriu-zis.

Fig.1. Plamânul

Ventilaţia pulmonară

Pentru realizarea mecanicii ventilatorii se impune integritatea pleurei, fucţia perfectă a

musculaturii cuştii toracice şi calitatea ţesutului pulmonar care trebuie să aibă o anumită

elasticitate. Atât inspirul cât şi expirul se pot realiza în condiţii de repaos sau de efort fizic cu

participarea muşchilor inspiratori şi expiratori ce pot dezvolta o forţă de 9-10 kg/cm.

1. Inspiraţia – este faza activă a respiraţiei în care, prin mărirea diametrelor cutiei toracice,

produsă de mişcările elementelor mobile (prima coastă cu manubriul sternal, coastele aII-

a – aXII-a, diafragmul) şi ale unei serii de mecanisme auxiliare (muşchi respiratori

1

auxiliari, musculatura abdominală) se creează o presiune negativă intratoracică, care are

drept consecinţă pătrunderea aerului în plămâni.

Diametrul longitudinal se modifică prin acţiunea muşchiului diafragm: având o formă

uşor boltită în repaus, prin contracţie, fibrele sale se scurtează şi diafragmul coboară, mărind

astfel înalţimea cutiei toracice.

Diametrul antero-posterior se modifică prin ridicarea coastelor I-V; datorită contracţiei

muşchilor scaleni, sternul este ridicat şi împins înainte, mărindu-se distanţa dintre stern şi

coloana vertebrală; în repaus respirator acesta este de 18 - 20 cm, în inspiraţie obişnuită se

mareste cu 1- 2 cm, iar în inspiraţie forţata cu 3- 4 cm.

Diametrul transversal se modifică prin ridicarea şi pivotarea pe axa longitudinală spre

exterior a coastelor VI-XII, datorită contracţiei muşchilor intercostali externi; diametrul

transversal în repaus respirator are o lungime de 25- 28 cm, el se măreşte cu 1- 2 cm în inspiraţia

obişnuită, iar în cea forţata cu 3-4 cm.

Muşchii care intervin în inspirul liniştit sunt:

diafragmul;

scalenii;

intercostalii externi.

Din lucrările lui Goldman şi colab., ca şi ale lui Mead şi colab., se ştie că în inspir

presiunea totală dezvoltată transpulmonar (-Ppl) şi transparietală (peretele cuştii toracice) (Pct)

este egală cu suma presiunii transdiafragmatice (pd) şi presiunea intercostalilor (Pic).

-Ppl + Pct = Pd + Pic.

Dacă am presupune că musculatura abdominală este complet relaxată (presiune

abdominală = 0) înseamnă că diafragmul se contractă aproape izometric. Şi deci el nu poate

participa la inflaţia pulmonară, aceasta rămânând să fie realizată exlusiv de intercostali. Muşchii

intercostali trebuie să dezvolte toată presiunea necesară măririi de volum a sistemului toraco-

pulmonar, adică:

Pic = Pct + (-Ppl) =Pct - Ppl ; din această formulă rezultă că:

2

Pic + Pd > Pct - Ppl.

Muşchii care intervin în inspirul profund sunt:

sternocleidomastoidienii;

ridicatorii coastelor(supracostalii lung şi scurt);

micul dinţat posterosuperior;

sacrospinalii- paravertebralii , iliocostalii,spinalii, lungul toracic .

Muşchii care intervin în inspirul forţat sunt :

muşchii inspirului liniştit şi profund, la care se adaugă

ridicatorul scapulei;

trapezul;

romboidul;

pectoralul mare;

pectoralul mic,

marele dinţat.

2. Expiraţia – este un act pasiv determinat de relaxarea musculaturii şi de revenirea cutiei

toracice la dimensiunile iniţiale, ceea ce determină implicit şi micşorarea volumului

plămânilor. În cadrul respiraţiei liniştite, expirul se face fără intervenţie musculară,

sistemul toraco-pulmonarrevenind la poziţia de repaus prin restituirea energiei elastice

acumulate de structurile sistemului in timpul inspirului.

Expirul devine activ la subiecţii normali în efort şi în repaus la pacienţii

bronhopulmonari. Musculatura abdominală este principala musculatură a expirului forţat.

Transversul abdominal;

Oblicii abdominali;

Drepţii abdominali;

Pătratul lombar;

Dinţatul postero-inferior;

Intercostalii interni.

3

Fig.2. Respiraţia.

Frecvenţa respiratorie a unui adult, în repaus este de 16-18 respiraţii/min. Aceasta variază

în funcţie de mai mulţi factori:

vârsta :

nou nascut: 40 respiraţii/minut;

8-10 ani :30 respiraţii/min.;

20 ani: 20 respiraţii/min.;

40 ani: 14- 18 respiraţii/min.;

sex: la femei frecvenţa respiratorie este mai mare decât la barbaţi;

poziţia corpului;

altitudine;

stări fiziologice: somn, graviditate, emoţii;

stări patologice: pneumonii, bronhopneumonii, etc.;.

În timpul efortului şi după terminarea lui, frecvenţa respiratorie dar şi amplitudinea ei se

adaptează la nevoile de oxigen ale organismului şi la cantitatea de CO2 acumulată în urma

oxidarilor celulare. În repaus, pentru obţinerea unui travaliu respirator minimum, frecvenţa şi

amplitudinea respiratorie sunt reglate pe cale reflexă.

4

S-a constatat ca miscarile respiratorii nu se realizeaza la toţi indivizii la fel, stabilindu-se

trei tipuri respiratorii, date de caracteristicile si specificul miscarilor respiratorii, care dirijeaza

aerul într-o anumita zona pulmonara. Aceste caracteristici sunt în funcţie de vârsta, sex, gradul

de antrenament. Aceste tipuri respiratorii nu sunt perfect individualizate, existând diverse

combinaţii între ele.

Deci, în funcţie de zonele aerate există trei tipuri respiratorii:

abdominal sau diafragmatic, care aerează zonele bazale ale plamânilor, întâlnit la copii

şi sportivi;

costal inferior, sau mijlociu, sau lateral, care aerează zonele bazale, specific barbaţilor;

costal superior sau clavicular, care aerează zonele superioare ale plamânilor, specific

femeilor.

Principalii parametri folosiţi la analiza ventilaţiei pulmonare sunt rezistenţa şi

complianţa pulmonară. Rezistenţa pulmonară apare ca urmare a opoziţiei peretelui toracic la

miscarile ventilatorii. Ea include rezistenţa căilor aeriene, care survine din rezistenţa la curgerea

aerului, din partea arborelui bronsic. Aceste rezistenţe se masoară ca raportul între variaţia de

presiune aferentă (între suprafaţa plamânului şi gură, respectiv între alveolă şi gură) şi debitul de

aer. Complianţa pulmonară este parametrul care caracterizează direct proporţional elasticitatea

pulmonară. El se defineste ca raportul dintre variaţia volumului pulmonar V şi variaţia presiunii

transpulmonare P. Inversul complianţei se numeşte elastanţă.

C = V/P; E= P/V.

Schimbul gazos dintre mediul extern (aer) şi mediul intern (sânge) este realizat prin

buna desfăşurare a 4 mecanisme funcţionale:

1. Transportul gazos de-a lungul căilor aeriene.

2. Amestecul gazos în alveole.

3. Distribuţia sângelui în capilarele pulmonare.

4. Transferul propriu-zis, în dublu sens, al moleculelor de gaz prin membrana alveolo-

capilară.

Parametrii mecanici respiratori

5

Comportamentul mecanic pulmonar poate fi cuantificat prin următorii parametri: volume

(capacităţi), debite şi presiuni.

Volume şi capacităţi statice - evaluează dimensiunile pompei pulmonare.

1. Capacitatea vitală (CV) – este variaţia de volum măsurată la gură când aparatil toraco

pulmonar trece din poziţia expiratorie maximă în poziţia inspiratorie maximă şi

reprezintă cantitatea maximă de gaz care poate fi mobilizată într-o singură mişcare

ventilatorie. Determinarea CV se poate face prin examen spirografic. Pe traseul

spirografic se măsoară şi subdiviziunile CV:

Volumul curent (VC);

Volumul inspirator de rezervă (VIR);

Volumul expirator de rezervă (VER).

CV măsurată este corectată conform tabelelor BTPS (BT-body temperature, PS-

presiunea saturată a vaporilor de apă) la valoarea CV actuală (reală); valoarea reală obţinută se

compară cu valoarea teoretică conform vârstei, sexului, taliei, suprafeţei corporale şi se exprimă

procentual faţă de normal. CV este un test static cu valoare diagnostică limitată, util în

interpretare dinamică, în timp şi corelată cu alte teste.

Normal: CV actuală =peste 80% din CV teoretică.

CV < 80% - arată că există o disfuncţie ventilatorie de tip restrictiv.

Clasificare:

a) CV actuală între 80-60 % din CV teoretică = restricţie discretă;

b) CV actuală între 60-50% din CV teoretică = restricţie medie;

c) Cv actuală sub 50% = restricţie severă.

Scăderea CV poate fi produsă de:

Factori care limitează expansiunea toracelui, boli neuromusculare, deformaţii osoase,

cifoze, scolioze, TBC osoasă;

Modificări ale excitabilităţii centrului respirator : traumatisme craniene, hemoragii

cerebrale, intoxicaţii acute exo/endogene;

6

Factori care limitează excursiile diafragmului: ascită, abdomen acut;

Factori care limitează expansiunea plămânilor; procese pleurale, cardio-pericardice,

hernie diafragmatică, fibroăe pulmonare, suprimare de parenchim funcţional (leziuni

distructive, ocluzii branşice, rezecţii chirurgicale).

2. Capacitatea inspiratorie (CI) – este volumul maximum de aer care poate fi inspirat

când aparatul toraco-pulmonar îşi schimbă poziţia de expir de repaus la inspir maxim. Se

calculează pe spirogramă ca suma dintre VC + VIR.

3. Capacitatea reziduală funcţională (CRF) – este volumul de gaz care se găseşte în

plămâni în poziţia de repaus expirator, CRF reprezintă volumul de gaz în care pătrunde,

se amestecă şi se diluează aerul inspirat înainte de a intra în schimb gazos cu sângele.

Mărimea CRF exprimă echilibrul dintre forţele de retracţie elastică ale plămânului şi

toracelui, care se opun la nivelul suprafeţei pleurale.

4. Volumul rezidual (VR) - este volumul de gaz care rămâne în plamâni la sfârşitul unei

expiraţii complete (forţate). VR nu poate fi evacuat din plămâni la subiectul în viaţă,

astfel încât determinarea acestui volum se face prin calculul: VR= CFR – VER.

5. Capacitatea pulmonară totală (CPT) – este volumul de gaz conţinut în plămâni la

sfârşitul unui inspir complet (poziţie inspiratorie maximă). Valoarea se compară cu cea

teoretică. Determinarea CPT se face astfel:

Prin calcul: CPT = CV + VR sau CPT = CI + CRF;

Prin metoda radiologică: măsurarea CPT pe radiografii toracopulmonare,

efectuate în proiecţii postero-anterioară şi laterală, cu subiectul în apnee după un

inspir maximal, eventual prelucrarea computerizată a rezultatului. Toate

molumele şi capacităţile pulmonare se vor corecta BTPS.

Volumele pulmonare sunt:

VC = 500 ml;

VIR = între 1500 – 3000 ml;

VER = 1500 ml;

7

CV = VT + VIR + VER;

CRF = VER + VR;

CI = TV + VIR;

CPT = CV + VR.

BTPS = body temperature – pressure – saturated water vapor temperatura corpului –

presiune- saturaţie cu vapori de apă. Corecţia este necesară datorită diferenţelor de temperatură şi

depresiune parţială a componentelor amesteculzui gazos la trecerea componentelor amestecului

gazos din plămân în spirograf. Formula de calcul este:

BTPS = Vsp (273+37 )(PB−PH 2OlaTsp)

(273+Tsp ) (PB−Ph2Ola 37 ) , unde:

Vsp – volumul de gaz măsurat;

Tsp – temperatura aerului din spirograf (grade Celsius);

PB – presiunea barometrică;

PH2O – presiunea parţială a vaporilor de apă.

Debite ventilatorii

Dacă măsurarea volumelor pulmonare conferă o serie de parametri statici ce

caracterizează aparatul toraco-pulmonar, pentru obţinerea unei informaţii legate de funcţia

ventilatorie se utilizează masurarea debitelor ventilatorii.

1. Debitul ventilator de repaus (V) reprezintă cantitatea de aer ventilat în timp de un minut

în condiţii de repaus şi poate fi obţinut prin produsul dintre volumul curent şi frecvenţa

oscilaţiei.

V= VC x f (exprimat în litri/minut). Valori normale = 100-120 litri/minut

Frecvenţa ventilatorie (f) = nr. de cicluri ventilatorii/ minut (la bărbaţi = 12-15/minut; la

femei = 16-17/minut).

2. Debitul ventilaror maximum (Vmax) reprezintă cantitatea de aer maximă ce poate fi

ventilată ca urmare a creşterii maximale a frecvenţei şi amplitudinii respiratorii; el poate

8

atinge valori de până la 150 l /minut la persoanele antrenate. Valori normale = 100-120

litri/minut. Se poate determina şi indirect:

Vmax = VEMS x 30.

3. Volumul expirator maxim pe secundă (VEMS) – este volumul de gaz expulzat din

plămâni în prima secundă a expirului forţat. Determinarea se face spirografic. Normal se

elimină 80% din CV în prima secundă. La adult VEMS are valoarea medie de 3500 ml

iar la copii de 2000 ml. VEMS actual se calculează după formula:

VEMSreal x100CV reala

=indiceTiffeneauPinelli ( indicele de permeabilitate bronşică)

VEMS se exprimă în litri sau % din CV, după corecţia BTPS. Rapotul VEMS/CVx100

(indice Tiffeneau Pinelli) este un indice valoros pentru evidenţierea tulburărilor ventilatorii

obstructive. Corelaţia între CV şi acest indice permite clasificarea insuficienţei ventilatorii în 3

clase (N-normal, S-scăzut):

Obstructivă Restrictivă Mixtă

CV N S S

Ind. Tiffeneau Pinelli S N S

Travaliul ventilator

Evaluează lucrul mecanic efectuat de musculatura respiratorie pentru învingerea reculului

elastic toraco-pulmonar şi rezistenţa sistemului respirator. Se poate calcula astfel:

W= PxV, unde:

P= presiunea exercitată la nivelul sistemului toraco-pulmonar şi

V= modificarea de volum a sistemului toraco-pulmonar.

9