Mecánica de la ventilación

1. Mecánica de la ventilación Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

2. Guía de estudio • Objetivo terminal: comprender la mecánica de la respiración con énfasis en la distensibilidad pulmonar, la retracción elástica pulmonar, la resistencia de las vías aéreas y los cambios en la presión alveolar, presión pleural y presiones transmurales: transpulmonar y trans vía aérea. • Boron: capítulo 27. • ATPs Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

3. Importancia • Propiedades mecánicas del pulmón, caja torácica y del sistema respiratorio determinan la ventilación pulmonar. • Casi todas las enfermedades pulmonares van a afectar sus propiedades mecánicas. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

4. Mecánica de la ventilación • Condiciones estáticas (mecánica estática): sin flujo de aire. El volumen pulmonar no cambia a lo largo del tiempo. PA= PB. Presión transpulmonar es igual a Presión intrapleural con signo contrario. Una presión transpulmonar determina un volumen pulmonar. Con glotis abierta: PTP= 0-PIP= -PIP • Condiciones dinámicas (mecánica dinámica): con volúmenes cambiantes en el tiempo. Hay flujo de aire. Se hace evidente la resistencia al flujo del aire. Durante la inspiración ó la espiración. PA≠ PB. PA determina flujo de aire. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

5. Flujo de aire se da cuando hay un gradiente de presión • Presiones se pueden expresar en cm de H2O ó en mm Hg. Mercurio es 13.6 veces más denso que el agua: 1mmHg = 13.6 mmH2O. • Presión barométrica (PB) es considerada igual a cero. • Si la presión dentro de la vía aérea es cero, indica que la presión es igual a la presión atmosférica. • Si PB = PA , no hay flujo. • 5. PA < PB : inspiración • PA > PB: espiración Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

6. Presiones transmurales (Padentro- Pafuera): Presión transpulmonar (presión distensión pulmonar): PTP= PA- PIP Presión trans vía aérea: PTM= Paw-PIP Presión trans aparato respiratorio: Prs = PA – PB Presión trans pared torácica: Ppt = PIP- PB Presión alveolar= PTP + PIP Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

7. Espacio intrapleural tiene presión subatmosférica (PIP) Se puede medir con cateter esofágico (presión mientras no hay peristalsis). Es lo mismo que la presión intratorácica (presión en el torax excepto en interior de vasos saguíneos, linfáticos y vía aérea). Gradiente de presión entre apex y base se debe a gravedad y postura. Se puede simplificar y decir que la presión es de -5cm H2O (-3.68 mmHg) al final de una espiración normal. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

8. La interacción entre los pulmones y la caja torácica determina el volumen pulmonar (VL) Los pulmones y la pared torácica son estructuras elásticas. Retracción elástica o elastanza pulmonar (propiedad estática): la capacidad que tienen los pulmones de regresar a su forma original después de haberse distendido. Es el inverso de la distensibilidad. Se opone a la distensión. Fibras elásticas. Retracción elástica de la caja torácica: la capacidad de la caja torácica de regresar a su forma original después de haberse distendido. Casi siempre en dirección opuesta a la de los pulmones. Hala la caja hacia afuera. La controlamos por medio de los músculos de la respiración. Ambas son de igual magnitud pero de signo contrario al final de la espiración tranquila. Se define así la CRF. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

9. Capacidad residual funcional (CRF) (volúmen de reposo del pulmón): • Volumen de aire en los pulmones al final de una espiración normal. • Músculos respiratorios en reposo (relajados). • Equilibrio entre retracción elástica pulmonar y retracción elástica de la caja torácica. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

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11. Interdependencia alveolar Respiración con presiones negativas: Presión alveolar es menor que la presión barométrica. Resiración con presiones positivas: Presión barométrica es mayor que la presión alveolar. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

12. Pneumotorax y re expansión pulmonar Pneumotorax: “aire en el torax”. Pared torácica y pulmones se desacoplan. Presión intrapleural es igual a la presión barométrica. Pulmones quedan con un volumen mínimo: 10% de CPT. Caja torácica queda con un volumen de 60% de la CPT. Hay dos formas diferentes para re expander los pulmones: 1. Aumentando la presión alveolar (PA) 2. Disminuyendo la presión pleural (PIP). En los dos casos la presión transpulmonar se hace positiva. Condiciones estáticas, sin flujo, PA = cero: la presión transpulmonar es (- Ppl)

13. Propiedades estáticas del pulmón y del tórax (mecánica estática): • Distensibilidad o complianza pulmonar (CL ): se define como el cambio de volumen pulmonar que se observa ante un cambio de presión transpulmonar (presión de distensión) de 1 cm H2O: CL: V/ P unidades: mL/cm H2O Es una medida de qué tan fácil se distiende el pulmón. Distensibilidad normal es 0.2 L/cm H2O. Se mide al pasar de la CRF a la CRF + 1L. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

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15. Diagrama Presión-volumen en condiciones estáticas (sin flujo) Cuando no hay flujo, la presión alveolar es igual a cero y la presión transpulmonar equivale a la presión pleural pero con signo contrario. Estadío 1: Aunque aumenta la presión transpulmonar, es difícil inflar los pulmones por baja distensibilidad. Mucha tensión superficial. Estadío 2: Apertura de la vía aérea. Con una presión tranpulmonar de +8 cm de H2O, se abre la vía aéra proximal que es más distensible. Estadío 3: Expansión linear de la vía aérea abierta. Distensibilidad máxima. Estadío 4: A volúmenes pulmonares altos la distensibilidad pulmonar disminuye y fuerza de músculos inspiratorios llega al límite. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

16. Histéresis Diferencia entre curva de inflación y curva de deflación. Se debe a que se requieren mayores presiones TP para abrir la vía aérea que para que no se cierre. Durante la respiración normal el asa de histéresis es menor. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

17. Distensibilidad pulmonar en la Salud y enfermedad Complianza estática:0.5 litros/ (7.5-5.0) cm H2O = 0.2 litros /cm H2O E = 1/C Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

18. Distensibilidad o complianza pulmonar (CL) Está determinada por: • Anatomía: fibras elastina y colágeno. • Interfase aire-líquido: tensión superficial (fuerza/longitud). Depende de naturaleza del líquido (líquido fisiol 70 dynas/cm) Varía con: • Volumen del pulmón: a pequeños y grandes volúmenes es poca. A nivel de la CRF es de 0.2L/cm H2O. • Tamaño del pulmón: disminuye al disminuir el tamaño del pulmón. Se puede estandarizar para evitar este efecto y se llama complianza o distensibilidad específica: CL/ volumen pulmonar. Pulmón y pared torácica están en serie y sus distensibilidades se suman como recíprocos: 1/0.1 = 1/ 0.2 + 1/ 0.2 1/Distensibilidad sistema = 1/distensibilidad de pulmón + 1/distensibilidad de pared Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

19. Los dos pulmones se encuentran en paralelo por lo que sus distensibilidades se suman directamente Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

20. Tensión superficial (dinas/cm) • Es la fuerza de atracción entre las moléculas de agua en una interfase gas-líquido. • Si pulmón se infla con solución salina se elimina la tensión superficial. Esto aumenta la distensibilidad pulmonar y disminuye la retracción elástica pulmonar. Se disminuye la histéresis. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

21. Tensión superficial y la ley de Laplace • Tiende a colapsar los alvéolos. Fuerza se ejerce hacia el centro del alveolo. • La place: P = 2T/r Presión dentro de una esfera es directamente proporcional a la tensión superficial e inversamente proporcional al radio de la esfera Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

22. La tensión superficial de la mayor parte de los líquidos es constante y NO depende del área de la interfaz aire-líquido. Según Laplace, los alvéolos pequeños tienden a colapsarse y vaciarse en los alvéolos grandes. Esto no ocurre porque la tensión superficial varía según el radio de los alvéolos debido al factor surfactante. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

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24. Composición del surfactante • Lípidos (85-90%): • Dipalmitoilfosfatidilcolina y fosfatidilcolina (dipalmitoil-lecitina y lecitina): 70-80% del contenido de PL. • Fosfatidilglicerol: 5-10%, importante en reciclado y en la asociación de las apoproteínas con los fosfolípidos • Fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol, esfingomielina, colesterol: 10-15%. • Proteínas (10-15%): • Albúmina e IgA, 50% • 4 apoproteínas: SP-A: es la más abundante, SP-B, SP-C y SP-D. La B y C son hidrofóbicas y facilitan la entrada de los PL en la interfase agua-aire. A y D son hidrofílicas y tienen importancia en la defensa contra virus y bacterias (opsonización de microorg). La A inhibe la liberación de lecitina de las células tipo II (retrocontrol de la síntesis). La ausencia de a SP-B es mortal. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

25. 85% se recicla Puede fagocitar y degradar el surfactante Síntesis y metabolismo del surfactante Cuerpos lamelares: capas concéntricas de lípidos y proteinas. Secreción del surfactante se da por exocitosis constitutiva Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

26. El factor surfactante pulmonar disminuye más la tensión superficial en los alveólos pequeños que en los alveólos grandes. Al aumentar el diámetro alveolar durante la inspiración, disminuye la densidad del factor surfactante lo que aumenta la retracción elástica pulmonar y se “frena” la distensión alveolar. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

27. Funciones del factor surfactante pulmonar: • Disminuye la tensión superficial (25 dinas/cm) • Aumenta la distensibilidad pulmonar. • Disminuye la retracción elástica pulmonar • Disminuye el trabajo ventilatorio • Disminuye la acumulación de líquido en el alveolo. Previene el edema pulmonar. • Ayuda a mantener el tamaño alveolar uniforme. Mantiene la estabilidad alveolar. • Ayuda en la defensa contra microorganismos infectantes Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

28. Estímulos para la secreción del surfactante pulmonar • Químicos: • Agonistas beta adrenérgicos: adrenalina • Activadores de la PKC • Leucotrienos • Adenosina y agonistas purinérgicos • Histamina, endotelina-1 • Prostaglandinas • ATP • Aumento de AMPc en las células alveolares II • Glucocorticoides en embarazadas • Mecánicos: • Bostezar y respiraciones profundas • Híperventilar, ejercicio Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

29. Condiciones que inhiben producción del surfactante • Hipoxia: tanto la disminución de PAO2 como de la PaO2 disminuyen la producción y aumentan la destrucción de surfactante pulmonar. Pulmón de choque o síndrome de dificultad respiratoria del adulto. • Fumado Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

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31. Interacciones entre el pulmón y la pared torácica Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

32. Definiciones funcionales de la CPT, la CRF y el VR CPT: volumen pulmonar en el cual hay un balance entre la máxima fuerza que pueden generar los músculos inspiratorios y la fuerza espiratoria generada por la retracción elástica de los pulmones y la caja torácica. CRF: volumen pulmonar en el cual la retracción elástica del pulmón es igual a la retracción elástica de la caja pero en dirección contraria. VR: volumen pulmonar en el cual hay un balance entre la máxima fuerza que pueden generar los músculos espiratorios junto con la retracción elástica de los pulmones y la fuerza generada porretracción elástica hacia afuera de la caja torácica. LAS DEFINICIONES ANTERIORES SE CUMPLEN EN INDIVIDUOS JÓVENES Y SIN PATOLOGIA PULMONAR Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

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34. Mecánica dinámicaPropiedades del pulmón dinámico (durante el flujo de aire) • V=Flujo (litros /s) = P/ R= PA-PB/ Raw • R= 8l/ r4 • R de la vía aérea en individuos normales = P/ V = 1.5 cm H2O/ (litros/s) (0.6 – 2.3) • De la resistencia pulmonar total: 80% es la resistencia de la vía aérea y 20% es la resistencia del tejido (fricción entre pulmón y caja torácica). Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

35. En los pulmones el flujo de aire es de transición en la mayor parte de árbol traqueobronquial • Laminar Re< 2000 –flujo inestable 3000 > turbulento • Re= 2rvd/η • Flujo laminar se ve en vías distales a los bronquiolos terminales. • Flujo turbulento se ve en la traquea. • Flujos no laminares requieren mayores gradientes de P para generar un flujo. Hay más resistencia al flujo cuando éste es turbulento. Densidad del gas es importante en vez de su viscosidad. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

36. Propiedades dinámicas de los pulmones. Resistencia de las vías aéreas: resistencia al flujo de aire dentro de las vías aéreas Factores que la afectan: • Diámetro de las vías: la mayor resistencia se encuentra en va superiores. Grado de contracción del músculo liso bronquial es importante (tono músculo liso bronquial), edema y moco. • Volumen pulmonar: los bronquios y va de pequeño calibre están íntimamente conectados con el parénquima pulmonar, de tal forma que, a grandes volúmenes pulmonares las paredes de las vías aéreas son haladas y éstas se abren más (interdependencia entre va y pulmones). • Retracción elástica pulmonar: si está disminuida, la PIP es menos negativa de lo normal y la PTM y el diámetro de las va es menor de lo normal con lo cual aumenta la Rva. • Rigidez de la vía aérea. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

37. Resistencias a lo largo de las vías aéreas Bronquios lobares Bronquios segmentarios Bronquios subsegmentarios Generación 7-8 40% 40% 20% 80% de resistencia se encuentra en vías aéreas con diámetro>2mm Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

38. Interdependencia mecánica Resistencia de la vía aérea y volumen pulmonar: a mayor volumen pulmonar, menor resistencia de la vía aérea. A menor volumen pulmonar, mayor resistencia de la vía aérea. Un aumento de la resistencia pulmonar significa mayor trabajo respiratorio. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

39. La conductancia de la vía aérea es el inverso de la resistencia. El volumen pulmonar y la conductancia se relacionan en forma linear. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

40. Control del músculo liso bronquial (tono bronquial): • Estímulo simpático: 2: relajación, : contracción • Estímulo parasimpático: contracción M3 • Metacolina: se usa en dx de hiperreactividad bronquial. • Histamina, acetilcolina, serotonina, leucotrienos y tromboxano A2: contracción • NO: relajación • Disminución del CO2 en va pequeñas: contracción y si aumenta: relajación y dilatación. • Disminución del O2 en va: relajación • Inhalación de irritantes químicos, fumar, polvo pueden producir contracción refleja (vago es vía eferente). Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

41. Ciclo respiratorio normal Frecuencia respiratoria en reposo: 12-15 resp/ min Volumen respiratorio por minuto: 500mL/respiración x 12 resp/min: 6000 mL/min. Duración de un ciclo respiratorio: 4.5-5 s Volumen corriente: 500 mL Inspiración: 2 segundos Espiración: 2.5- 3 segundos Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

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44. Punto a: antes de iniciar la inspiración. Pulmones se encuentran a la CRF. Condiciones estáticas Punto b: a mitad de camino en la inspiración. CRF + 250 mL. Hay flujo de aire. Condiciones dinámicas. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

45. Punto c: al finalizar la inspiración. Condiciones estáticas. CRF + 500 mL. Punto d: durante la espiración. Con flujo de aire. Condiciones dinámicas. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

46. Compliance o distensibilidad dinámica: ∆VL/ -∆PIP minute • Constante de tiempo (tao): intervalo de tiempo requerido para que ∆VL se complete en un 63%. Al aumentar la resistencia de la vía aérea aumenta la . • En condiciones estáticas (con cero flujo) la compliance estática es igual a la dinámica (ΔPTP = Δ-PIP ). • En condiciones donde hay flujo, la compliance dinámica es menor que la estática. Entre mayor resistencia al flujo, mayor es la diferencia. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

47. Compresión dinámica de la vía aérea • Las va tienden a cerrarse cuando la presión afuera es mayor que la presión adentro (PTM es negativa) • Durante la espiración forzada, los músculos generan una PIP y PA positivas. • PA es igual a la suma de la PIPy la PTP • Conforme se produce el flujo aéreo desde los alvéolos, la presión dentro de las va disminuye debido a la R de éstas, hasta que en algún punto la Pva es igual a la PIP(punto de igual presión) y luego menor (compresión dinámica de la vía aérea). • Un esfuerzo espiratorio mayor sólo aumenta la compresión de las va = esta porción de la curva flujo-volumen es independiente del esfuerzo. • En personas normales el punto de igual presión se encuentra en la vía aérea con cartílago. • En enfermedades obstructivas este punto se desplaza hacia el alveolo y se dice que se da un cierre prematuro de la vía aérea. Esto facilita el “atrapamiento de aire”. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

48. Condiciones estáticas Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

49. Compresión dinámica de la vía aérea hace que el flujo espiratorio sea esfuerzo independiente a bajos volúmenes pulmonares A bajos volúmenes pulmonares, el esfuerzo espiratorio aumenta la resistencia de la vía aérea: colapso de la vía aérea inducido por la espiración. A bajos volúmenes pulmonares el flujo es esfuerzo independiente. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada

50. Trabajo respiratorio • El trabajo respiratorio (w) es proporcional al producto del P x V. • Tiene dos componentes: • W elástico (65%): es el necesario para superar la retracción elástica de la caja, del parénquima pulmonar (1/3)y de la TS de los alvéolos (2/3). Aumenta en: obesos, fibrosis pulmonar, falta de factor surfactante. • W resistivo o No elástico(35%): es el necesario para superar la resistencia de los tejidos, 20%, (aumenta en sarcoidosis) y de las va, 80%, (aumenta en EPOC u obstrucción de va superior por cuerpo extraño). Aumenta mucho durante la espiración forzada porque ocurre compresión dinámica de las va. En respiración eupnéica: 3% del consumo de O2 se invierte en el trabajo respiratorio. En ejercicio máximo aumenta el trabajo respiratorio (5% del consumo de oxígeno). En pacientes con EPOC el costo energético del trabajo respiratorio limita el ejercicio. 30% del consumo oxígeno se invierte en trabajo respiratorio. Dra. Adriana Suárez MSc. Profesora Asociada