Nombre: Juan Pablo Chávez Mercado
Fecha: 4 de septiembre de 2016
Profesor Titular: Jaime Charfen
Introducción.
La
anatomía y fisiología pulmonar juega un papel importante en la atención de
pacientes con alguna complicación respiratoria aguda o crónica. El conocimiento
de sus estructuras, tamaños, capacidades y funciones ayudará de gran manera
para la resolución de los problemas presentados. A continuación lograremos
conocer un poco de dichas estructuras y, sobre todo, de su función.
Dentro
de los apartados que se estarán tratando en el siguiente trabajo, encontraremos
ventilación pulmonar, la cual se explica de manera simple como la entrada de
aire atmosférico hacia los pulmones (más específico, en los alveolos) y su
salida de estos de regreso a la atmósfera, todo esto logrado gracias a la ayuda
de ciertos músculos accesorios, conocidos como inspiratorios y
espiratorios, como el diafragma –músculo
imprescindible de la respiración– y de
algunos otras como los intercostales internos y externos, por mencionar
algunos.
De
igual forma, a parte del proceso ventilatorio, se mencionarán las diferentes
capacidades pulmonares que tiene el ser humano adulto promedio, dato muy
relevante para el manejo de ventilación mecánica de un paciente en estado
crítico, esto con el fin de no causar más daño al pulmón en caso de lesión.
Se
abordarán también los diferentes procesos de difusión de los gases que
intervienen en la respiración a nivel alveolar con la sangre y de la sangre a
los tejidos, procesos que aseguran este
intercambio gaseoso para la adecuada oxigenación de las células del
organismo y la excreción del dióxido de carbono para mantener una homeostasis
en todo momento.
Fisiología
Pulmonar.
La respiración proporciona oxígeno a los tejidos y
retira el dióxido de carbono. Las cuatro funciones principales de la respiración
son: 1. Ventilación pulmonar, que se refiere al flujo de entrada y salida de
aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares; 2. Difusión de oxígeno y de dióxido de carbono entre los
alvéolos y la sangre; 3. Transporte de oxígeno
y de dióxido de carbono en la sangre y los líquidos corporales hacia las
células de los tejidos corporales y desde las mismas, y 4. Regulación de la
ventilación y otras facetas de la respiración.
Mecánica de la ventilación pulmonar
Músculos que
causan la expansión y contracción pulmonar
Los pulmones se pueden expandir y contraer de dos
maneras:
1) Mediante el movimiento hacia abajo y hacia
arriba del diafragma para alargar o acortar la cavidad torácica
2) Mediante la elevación y el descenso de las
costillas para aumentar y reducir el diámetro anteroposterior de la cavidad torácica
La respiración tranquila normal se consigue casi
totalmente por el primer mecanismo, es decir, por el movimiento del diafragma. Durante
la inspiración la contracción del diafragma tira hacia abajo de las superficies
inferiores de los pulmones. Después, durante la espiración el diafragma simplemente
se relaja, y el retroceso elástico de los pulmones, de la pared torácica y de
las estructuras abdominales comprime los pulmones y expulsa el aire.
El segundo método para expandir los pulmones es
elevar la caja torácica. Esto expande los pulmones porque, en la posición de
reposo natural, las costillas están inclinadas hacia abajo lo que permite que
el esternón se desplace hacia abajo y hacia atrás, hacia la columna vertebral. Sin
embargo, cuando la caja costal se eleva, las costillas se desplazan hacia
adelante casi en línea recta, de modo que el esternón también se mueve hacia
delante, alejándose de la columna vertebral y haciendo que el diámetro
anteroposterior del tórax sea aproximadamente un 20% mayor durante la
inspiración máxima que durante la espiración. Por tanto, todos los músculos que
elevan la caja torácica se clasifican como músculos inspiratorios y los
músculos que hacen descender la caja torácica se clasifican como músculos
espiratorios. Los músculos más importantes que elevan la caja torácica son los
intercostales externos, aunque otros músculos que contribuyen son:
1) Los músculos esternocleidomastoideos, que
elevan el esternón;
2) Los serratos anteriores, que elevan muchas de
las costillas, y
3) Los escalenos, que elevan las dos primeras
costillas.
Así mismo, los músculos que tiran hacia abajo de
la caja costal durante la espiración son principalmente:
1) Los rectos del abdomen (que tienen el potente
efecto de empujar hacia abajo las costillas inferiores al mismo tiempo que ellos
y otros músculos abdominales también comprimen el contenido abdominal hacia arriba
contra el diafragma).
2) Los intercostales internos (el mecanismo
mediante el que actúan los intercostales externos e internos para producir la
inspiración y la espiración es el siguiente, durante la espiración las
costillas están anguladas hacia abajo, y los intercostales externos están
alargados hacia delante y hacia abajo. Cuando se contraen tiran de las
costillas superiores hacia delante en relación con las costillas inferiores y
actúan como una palanca sobre las costillas para levantarlas hacia arriba, produciendo
de esta manera la inspiración. Los intercostales internos funcionan de manera
exactamente opuesta, y actúan como músculos respiratorios porque se angulan
entre las costillas en dirección opuesta y producen una palanca contraria.
Lo antes mencionado se puede apreciar en la
siguiente imagen, donde se muestran ambas fases, la inspiración y espiración.
Volúmenes y
capacidades pulmonares
Registro de
las variaciones del volumen pulmonar: espirometría
La ventilación pulmonar puede estudiarse
registrando el movimiento del volumen del aire que entra y sale de los pulmones,
un método que se denomina espirometría. Un espirograma que indica los cambios
del volumen pulmonar en diferentes condiciones de respiración. Para facilitar
la descripción de los acontecimientos de la ventilación pulmonar, el aire de
los pulmones se ha subdividido en este diagrama en cuatro volúmenes y cuatro capacidades,
que son el promedio de un varón adulto joven.
Volúmenes
pulmonares
A
continuación, se presentan cuatro volúmenes pulmonares que, cuando se suman,
son iguales al volumen máximo al que se pueden expandir los pulmones. El significado
de cada uno de estos volúmenes es el siguiente:
1.
El volumen corriente es el volumen de aire que se inspira ose espira en cada
respiración normal; es igual a aproximadamente 500 ml en el varón adulto.
2.
El volumen de reserva inspiratoria es el volumen adicional de aire que se puede
inspirar desde un volumen corriente normal y por encima del mismo cuando la
persona inspira con una fuerza plena; habitualmente es igual a aproximadamente
3.000 ml.
3.
El volumen de reserva espiratoria es el volumen adicional máximo de aire que se
puede espirar mediante una espiración forzada después del final de una
espiración a volumen corriente normal; normalmente es igual a aproximadamente 1.100
ml.
4.
El volumen residual es el volumen de aire que queda enlos pulmones después de la
espiración más forzada; este volumen es en promedio de aproximadamente 1.200
ml.
Capacidades
pulmonares
En
la descripción de los acontecimientos del ciclo pulmonar a veces es deseable
considerar dos o más de los volúmenes combinados. Estas combinaciones se
denominan capacidades pulmonares, que se pueden describir como se señala a
continuación:
1.
La capacidad inspiratoria es igual al volumen corriente más el volumen de
reserva inspiratoria. Esta es la cantidad de aire (aproximadamente 3.500 mi)
que una persona puede inspirar, comenzando en el nivel espiratorio normal y
distendiendo los pulmones hasta la máxima cantidad.
2.
La capacidad residual funcional es igual al volumen de reserva espiratoria más
el volumen residual. Es la cantidad de aire que queda en los pulmones al final
de una espiración normal (aproximadamente 2.300 ml).
3.
La capacidad vital es igual al volumen de reserva inspiratoria más el volumen
corriente más el volumen de reserva espiratoria. Es la cantidad máxima de aire
que puede expulsar una persona desde los pulmones después de llenar antes los
pulmones hasta su máxima dimensión y después espirando la máxima cantidad
(aproximadamente 4.600 mi).
4.
La capacidad pulmonar total es el volumen máximo al que se pueden expandir los
pulmones con el máximo esfuerzo posible (aproximadamente 5.800 mi); es igual ala
capacidad vital más el volumen residual.
Todos
los volúmenes y capacidades pulmonares son aproximadamente un 20-25% menores en
mujeres que en varones, y son mayores en personas de constitución grande y
atléticas que en personas de constitución pequeña y asténicas.
Principios
físicos del intercambio gaseoso; difusión de oxígeno y dióxido de carbono a
través de la membrana respiratoria
Después
de que los alvéolos se hayan ventilado con aire limpio, la siguiente fase del
proceso respiratorio es la difusión del oxígeno desde los alvéolos hacia la
sangre pulmonar y la difusión del dióxido de carbono en la dirección opuesta,
desde la sangre. El proceso de difusión es simplemente el movimiento aleatorio
de moléculas en todas las direcciones a través de la membrana respiratoria y
los líquidos adyacentes. Sin embargo, en fisiología respiratoria no sólo interesa
el mecanismo básico mediante el que se produce la difusión, sino también la
velocidad a laque ocurre; este es un problema mucho más complejo, que precisa
un conocimiento más profundo de la física de la difusión y del intercambio
gaseoso.
Física de la
difusión gaseosa y presiones parciales de gases
Base molecular
de la difusión gaseosa
Todos
los gases importantes en fisiología respiratoria son moléculas simples que se
mueven libremente entre sí, que es el proceso que se denomina «difusión». Esto
también se aplica a los gases que están disueltos en los líquidos y en los
tejidos del cuerpo.
Para
que se produzca la difusión debe haber una fuente de energía. Esta procede del
movimiento cinético de las propias partículas. Excepto a la temperatura del
cero absoluto, todas las moléculas de toda la materia están experimentando movimiento
de manera continua y se mueven de manera rápida y aleatoria entre sí.
Difusión neta
de un gas en una dirección: efecto de un gradiente de concentración. Si una
cámara de gas o una solución tiene una concentración elevada de un gas
particular en un extremo de la cámara y una concentración baja en el otro extremo,
como se muestra en la figura siguiente, donde se producirá difusión neta del
gas desde la zona de concentración elevada hacia la zona de concentración baja.
La razón es evidente: hay muchas más moléculas en el extremo A de la cámara
para difundir hacia el extremo B. Por tanto, las velocidades de difusión en
cada una delas dos direcciones son diferentes proporcionalmente, como se muestra
por las longitudes de las flechas de la figura.
Presiones
gaseosas en una mezcla de gases: «presiones parciales» de gases individuales
La
presión está producida por múltiples impactos de partículas en movimiento
contra una superficie. Por tanto, la presión de un gas que actúa sobre las
superficies de las vías respiratorias y de los alvéolos es proporcional a la
suma de las fuerzas de los impactos de todas las moléculas de ese gas que
chocan contrala superficie en cualquier momento dado. Esto significa que la presión
es directamente proporcional a la concentración de las moléculas delgas.
En
fisiología respiratoria se manejan mezclas de gases, principalmente de oxígeno,
nitrógeno y dióxido de carbono. La velocidad de difusión de cada uno de estos
gases es directamente proporcional a la presión que genera ese gas solo, que se
denomina presión parcial de ese gas. El concepto de presión parcial se puede explicar
de la siguiente manera. Considérese el aire, que tiene una composición
aproximada del 79% de nitrógeno y el 21% de oxígeno. La presión total de esta mezcla
al nivel del mar es en promedio de 760 mmHg. A partir de la descripción previa
de la base molecular de la presión es evidente que cada uno de los gases
contribuye a la presión total en proporción directa a su concentración. Por
tanto, el 79% delos 760 mmHg está producido por el nitrógeno (600 mmHg) y el
21% por el oxígeno (160 mmHg). Así, la «presión parcial» del nitrógeno en la
mezcla es de 600 mmHg y la «presión parcial» del oxígeno es de 160 mmHg; la presión
total es de 760 mmHg, la suma de las presiones parciales individuales. Las
presiones parciales de los gases individuales en una mezcla se señalan por los símbolos
Po2, Pco2, Pn2, Ph2o, PHe, etc.
Presiones de
gases disueltos en agua y tejidos
Los
gases disueltos en agua o en los tejidos corporales también ejercen una
presión, porque las moléculas de gas disuelto se mueven de manera aleatoria y tienen
energía cinética. Además, cuando el gas disuelto en el líquido entra en contacto
con una superficie, como la membrana de una célula, ejerce su propia presión
parcial de la misma manera que un gas en la fase gaseosa. Las presiones
parciales de diferentes gases disueltos se denominan de la misma manera que las
presiones parciales en estado gaseoso, es decir, Po2, Pco2, Pn2, PHe, etc.
Factores
que determinan la presión parcial de un gas disuelto en un líquido. La presión
parcial de un gas en una solución está determinada no sólo por su
concentración, sino también por el coeficiente de solubilidad del gas. Es
decir, algunos tipos de moléculas, especialmente el dióxido de carbono, son atraídas
física o químicamente por las moléculas de agua, mientras que otras son
repelidas. Cuando las moléculas son atraídas se pueden disolver muchas más sin
generar un exceso de presión parcial en el interior de la solución. Por el
contrario, en el caso de las que son repelidas se generará una presión parcial
elevada con menos moléculas disueltas. Estas relaciones se expresan mediante la
fórmula siguiente, que es la ley de Henry:
Cuando
la presión parcial se expresa en atmósferas (una presión de 1 atmósfera es
equivalente a 760 mmHg) y la concentración se expresa en volumen de gas
disuelto en cada volumen de agua, los coeficientes de solubilidad de gases
respiratorios importantes a temperatura corporal son los siguientes:
Oxígeno
0,024
Dióxido
de carbono 0,57
Monóxido
de carbono 0,018
Nitrógeno
0,012
Helio
0,008
A
partir de esta tabla se puede ver que el dióxido de carbono es más de 20 veces
más soluble que el oxígeno.
Presión de
vapor de agua
Cuando
se inhala aire no humidificado hacia las vías respiratorias, el agua se evapora
inmediatamente desde las superficies de estas vías aéreas y humidifica el aire.
Esto se debe al hecho de que las moléculas de agua, al igual que las moléculas
de los diferentes gases disueltos, están escapando continuamente de la
superficie del agua hacia la fase gaseosa. La presión parcial que ejercen las moléculas
de agua para escapar a través de la superficie se denomina la presión de vapor
del agua. A la temperatura corporal normal, 37 °C, esta presión de vapor es de
47 mmHg. Por tanto, una vez que la mezcla de gases se ha humidificado
totalmente(es decir, una vez que está en «equilibrio» con el agua), la presión parcial
del vapor de agua en la mezcla de gases es de 47mmHg.
Esta
presión parcial, al igual que las demás presiones parciales, se denomina PH2O .
La
presión de vapor de agua depende totalmente de la temperatura del agua. Cuanto
mayor sea la temperatura, mayor será la actividad cinética de las moléculas y,
por tanto, mayor será la probabilidad de que las moléculas de agua escapen de
la superficie del agua hacia la fase gaseosa. Por ejemplo, la presión de vapor
de agua a 0°C es de 5 mmHg, y a 100 °C es de 760 mmHg. Pero el valor más importante
que se debe recordares la presión de vapor de agua a temperatura corporal, 47
mmHg.
Concentración
y presión parcial de oxígeno en los alvéolos
El
oxígeno se absorbe continuamente desde los alvéolos hacia la sangre de los
pulmones, y continuamente se respira oxígeno nuevo hacia los alvéolos desde la
atmósfera. Cuanto más rápidamente se absorba el oxígeno, menor será su
concentración en los alvéolos; por el contrario, cuanto más rápidamente se
inhale nuevo oxígeno hacia los alvéolos desde la atmósfera, mayor será su
concentración. Por tanto, la concentración de oxígeno en los alvéolos, y
también su presión parcial, está controlada por: 1) la velocidad de absorción
de oxígeno hacia la sangre, y 2) la velocidad de entrada de oxígeno nuevo a los
pulmones por el proceso ventilatorio.
Difusión de
gases a través de la membrana respiratoria
Unidad
respiratoria.
La unidad respiratoria (también denominada
«lobulillo respiratorio»), que está formada por un bronquíolo respiratorio, los
conductos alveolares, los atrios y los alvéolos. Hay aproximadamente 300
millones de alvéolos en los dos pulmones, y cada alvéolo tiene un diámetro
medio de aproximadamente 0,2mm. Las paredes alveolares son muy delgadas y entre
los alvéolos hay una red casi sólida de capilares interconectados. De hecho,
debido a lo extenso del plexo capilar, se ha descrito que el flujo de sangre en
la pared alveolar es una «lámina» de sangre que fluye. Así, es evidente que los
gases alveolares están muy próximos a la sangre delos capilares pulmonares.
Además, el intercambio gaseoso entre el aire alveolar y la sangre pulmonar se
produce a través de las membranas de todas las porciones terminales de los pulmones,
no sólo en los propios alvéolos. Todas estas membranas se conocen de manera
colectiva como la membrana respiratoria, también denominada membrana pulmonar.
A
pesar del elevado número de capas, el grosor global dela membrana respiratoria en
algunas zonas es tan pequeño como 0,2 µm, y en promedio es de aproximadamente
0,6 µm, excepto donde hay núcleos celulares. A partir de estudios histológicos
se ha estimado que el área superficial total dela membrana respiratoria es de
aproximadamente 70m2 en el varón humano adulto normal. Esto es equivalente al
área del suelo de una habitación de 7 x 10 m . La cantidad total de sangre en los capilares
de los pulmones en cualquier instante dado es de 60 a 140ml. Imagine ahora esta
pequeña cantidad de sangre extendida sobre toda la superficie de un suelo de
7
x 10 m, y es fácil comprender la rapidez del intercambio respiratorio de
oxígeno y de dióxido de carbono.
El
diámetro medio de los capilares pulmonares es de sólo aproximadamente 5 µm, lo
que significa que los eritrocitos se deben comprimir a través de ellos. La
membrana del eritrocito habitualmente toca la pared capilar, de modo que no es necesario
que el oxígeno y el dióxido de carbono atraviesen cantidades significativas de plasma
cuando difunden entre el alvéolo y el eritrocito. Esto también aumenta la
rapidez de la difusión.
Factores que
influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana
respiratoria
Así,
los factores que determinan la rapidez con la que un gas atraviesa la membrana
son: 1) el grosor de la membrana; 2) el área superficial de la membrana; 3) el
coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana, y 4) la
diferencia de presión parcial del gas entre los dos lados de la membrana.
De
manera ocasional se produce un aumento del grosor dela membrana respiratoria,
por ejemplo como consecuencia de la presencia de líquido de edema en el espacio
intersticial dela membrana y en los alvéolos, de modo que los gases
respiratorios deben difundir no sólo a través de la membrana, sino también a
través de este líquido. Además, algunas enfermedades pulmonares producen
fibrosis de los pulmones, que puede aumentar el grosor de algunas partes de la
membrana respiratoria. Como la velocidad de difusión a través dela membrana es
inversamente proporcional al grosor de la membrana, cualquier factor que
aumente el grosor a más de dos a tres veces el valor normal puede interferir de
manera significativa con el intercambio respiratorio normal de gases.
Transporte de
oxígeno y dióxido de carbono en la sangre y los líquidos tisulares
Transporte de
oxígeno de los pulmones
a los tejidos
del organismo
El oxígeno difunde desde los alvéolos hacia la
sangre capilar pulmonar porque la presión parcial de oxígeno (Po2) en los alvéolos
es mayor que la Po2 en la sangre capilar pulmonar. En los otros tejidos del cuerpo,
una mayor Po2 en la sangre capilar que en los tejidos hace que el oxígeno
difunda hacia las células circundantes.
Por
el contrario, cuando el oxígeno se ha metabolizado en las células para formar
dióxido de carbono, la presión de dióxido de carbono (Pco2) intracelular
aumenta hasta un valor elevado, lo que hace que el dióxido de carbono difunda
hacia los capilares tisulares. Después de que la sangre fluya hacia los
pulmones, el dióxido de carbono difunde desde la sangre hacia los alvéolos,
porque la PCo2 en la sangre capilar pulmonar es mayor que en los alvéolos. Así,
el transporte del oxígeno y del dióxido de carbono en la sangre depende tanto
de la difusión como del flujo de sangre.
Difusión de
oxígeno de los alvéolos a la sangre capilar pulmonar
La
Po2 del oxígeno gaseoso del alvéolo es en promedio de 104 mmHg, mientras que la
Po2de la sangre venosa que entra en el capilar pulmonar en su extremo arterial
es en promedio de sólo 40 mmHg porque se extrajo una gran cantidad de oxígeno
desde esta sangre cuando pasó por los tejidos periféricos. Por tanto, la diferencia
inicial de presión que hace que el oxígeno difunda hacia el capilar pulmonar es
de 104 - 40, o 64 mmHg. En el gráfico de la parte inferior de la figura la
curva muestra el rápido aumento de la Po2 sanguínea cuando la sangre atraviesa
el capilar; la Po2 sanguínea ha aumentado casi hasta la del aire alveolar en el
momento en el que la sangre ya ha atravesado un tercio de la distancia del
capilar, llegando a hacerse de casi 104 mmHg.
Conclusiones
Como se había mencionado al principio,
la anatomía y fisiología pulmonar juega un papel muy importante durante la
atención de un paciente en estado crítico o con alguna complicación crónica que
altere la homeostasis del cuerpo, ya sea un edema pulmonar o una lesión a
alguno de los músculos encargados de la respiración, algo que llegase a fallar
en este proceso se verá reflejado en una dificultad respiratoria o una falla mayor
donde la captación del oxígeno no llegue a los tejidos o a la sangre
transportadora y esto desencadenar un problema serio.
El aparato respiratorio, en conjunto
con el sistema cardiovascular son piezas fundamentales para asegurar que esa
parte proporcional de oxígeno captada de la atmosfera y absorbida por las
células se aprovechen al cien por ciento, para lograr que la homeostasis
corporal sea efectiva y con esto garantizar que el cuerpo continúe con un
metabolismo aeróbico, eficaz para ciertas funciones celulares.
El entendimiento de esto, dará como
resultado un mejor manejo a un paciente que necesite apoyo ventilatorio o de
oxígeno suplementario, ya que, enfocándonos en una transportación aeromédica, dicho
paciente será expuesto a ambientes adversos para su salud física, lo cual
desencadenará como resultado mal funcionamiento de los procesos ventilatorios,
disminución de volumen pulmonar, disminución de la capacidad pulmonar y un mal
intercambio gaseoso, obviamente ante este probable escenario, el resultado (si
no se interviene como se debe) puede ser catastrófico.
Opinión personal.
Para
mi el sistema respiratorio siempre me ha parecido uno de los temas más
apasionantes de la fisiología humana, el proceso de entrada y salida de aire
dentro del cuerpo y a su vez de la sangre a las células por medio de presiones
o el hecho de que una simple alteración en el proceso de intercambio gaseoso o
una lesión a alguno de los músculos respiratorios que puede alterar la
homeostasis y saber que uno como personal de la salud puede ayudar a solucionar
ese problema me gusta demasiado.
Hay
muchas literaturas que me llaman la atención, como Tortora-Grabowsky o
Tortora-Derrickson, sin embargo Guyton, libro en el cual me base completamente,
representa ese compilado de lo simple y lo complejo, es decir, lo simple que
resulta explicar algo complejo, en este caso la fisiología pulmonar.
Es
entendible que si existe alguna falla en alguno de los demás sistemas del
cuerpo se alterará la homeostasis y esto puede desencadenar un proceso difícil,
sin embargo, a pesar de ello, si el paciente llegase a colapsar, es decir, que
se presentara un paro cardiorrespiratorio, precisamente uno de los principales
sistemas a iniciar la reanimación es el pulmonar, para asegurarnos que el
oxígeno llegue a todo el cuerpo, claro, tomando en cuenta las causas
reversibles que causaron ese paro obviamente y atendiéndolas como es debido.
En
conclusión, el manejo de la vía aérea de un paciente juega un papel sumamente
importante para la reanimación exitosa del mismo, desde colocar un dispositivo
de oxígeno, hasta la intubación endotraqueal, más si este paciente es llevado a
un ambiente donde las condiciones son adversas.
Bibliografía.
Guyton, A. & Hall, J.. (2001). Unidad 7
Respiración. En Tratado de Fisiología
Médica (pp.525-562). México: McGraw-Hill.
