Respirația externă

Respirația externă pulmonară implică două fenomene: ventilația pulmonară și difuziunea sau schimbul de gaze la nivelul plămânilor.

1. Ventilația pulmonară.

Ventilația pulmonară este procesul prin care se realizează circulația alternativă a aerului între mediul ambiant și a alveolelor pulmonare, antrenând astfel pătrunderea aerului bogat în O₂ în alveole și eliminarea CO₂ către exterior. Organele respirației externe sunt: plămânii și cutia toracică (organe pasive) și mușchii respiratori (organe active). Între plămâni și pereții cutiei toracice se interpune pleura cu cele două foițe ale sale: foița viscerală aderentă de plămân și foița parietală aderentă de cutia toracică. Între ele se cuprinde un spațiu virtual numit spațiu pleural ce conține un strat fin de lichid pleural.

Din cauza elasticității, plămânii au tendința de a se retrage spre hiluri, fenomen ce nu are loc în mod normal datorită unor forțe puternice de adeziune dintre moleculele lichidului pleural. Totuși, forțele elastice determină o scădere a presiunii dintre cele două pleure sub presiunea atmosferică; aceasta reprezintă presiunea negativă intrapleurală cu rol esențial în mecanica ventilației. Dacă accidental sau în scop terapeutic se introduce aer (pneumotorax) sau lichid (hidrotorax) între cele două pleure, cavitatea pleurală din virtuală devine reală ca urmare a retragerii totale sau parțiale a plămânului (plămân colabat).

În mecanica respiratorie se întâlnesc două faze: introducerea aerului în plămâni (inspirația) și eliminarea aerului din plămâni (expirația).

a. Inspirația.

În timpul mișcării inspiratorii au loc creșterea volumului cutiei toracice și consecutiv și o creștere a volumului pulmonar. Creșterea volumului cutiei toracice se realizează ca o consecință a creșterii celor trei diametre ale sale. Diametrul antero-posterior crește prin mișcarea de jos în sus a coastelor II-VI, determinată de contracția mușchilor intercostali externi. Tot ca o consecință a contracției mușchilor intercostali externi are loc și ridicarea coastelor VII-X, alături de o mișcare de deplasare laterală, dinăuntru în afară, ce are drept consecință și o creștere a diametrului transversal.

Esențială pentru creșterea volumului cutiei toracice este creșterea diametrului vertical, realizată prin contracția diafragmului. Contracția fasciculelor musculare ale diafragmului coboară partea centrală realizând o mișcare comparabilă cu cea a unui piston într-un cilindru. Datorită suprafeței relativ mari a diafragmului (cca. 250 cm²) coborârea lui cu 1,5 cm în cursul unei inspirații liniștite, de repaus atrage o creștere de volum a cutiei toracice de 75% față de creșterea totală de volum (într-o inspirație forțată diafragmul coboară cu 10 cm).

În afara mușchilor intecostali externi și a diafragmului care intervin în inspirația de repaus, în cursul inspirației forțate intervin o serie de mușchi accesori ai inspirației (mușchiul sternocleidomastoidian, mușchiul trapez, mușchii spatelui, mușchii scaleni și mușchii pectorali) care măresc și mai mult volumul cutiei toracice.

Creșterea volumului cutiei toracice este însoțită de expansiunea plămânilor, favorizată de bogăția fibrelor elastice din structura parenchimului pulmonar și determinată de existența aderenței funcționale între cutia toracică și plămâni. Această aderență funcțională este determinată de existența peliculei de lichid pleural între cele două pleure și de presiunea negativă intrapleurală (vidul pleural) cu o valoare de -2,5 mm Hg, care în inspirație scade la -6 mm Hg ajungând în inspirația forțată la -30 mm Hg.

Expansiunea plămânilor și creșterea volumului lor în cursul inspirației au drept consecință o scădere a presiunii aerului din interiorul plamânului cu 2-3 mm Hg sub presiunea atmosferică și ca urmare aerul atmosferic pătrunde în interiorul plămânilor. Contracția mușchilor inspiratori trebuie să învingă următoarele forțe opozante: forțele elastice (forța de retracție elastică a plămânului și a cutiei toracice), forțele vâscoase (generate prin frecarea moleculelor de gaz între ele și cu pereții arborelui bronșic), forțele inerțiale (generate cu ocazia punerii în mișcare a sistemului toraco- pulmonar).

Parenchimul pulmonar nu se destinde tot în timpul inspirației. Alveolele din zona hilurilor rămân nedestinse; zona perimediastinală are expansiuni reduse în timp ce zona periferică, adică 2-8 cm de la suprafața plămânului prezintă excursiile cele mai mari și deci ventilația cea mai activă.

b. Expirația.

Reprezintă mișcarea de sens contrar inspirației, în cursul căreia are loc revenirea la volumul inițial a cutiei toracice și a plămânului. În condiții de repaus, expirația este un act pasiv ce nu necesită contracția musculaturii respiratorii. Revenirea la volumul inițial al cutiei toracice și plămânului este consecința elasticității cartilajelor cosale și a ligamentelor toracice, în prima fază și a elasticității parenchimului pulmonar, în ultima fază. În urma acestei reveniri, presiunea intrapulmonară crește cu 2-4 mm Hg față de presiunea atmosferică și aerul iese din plămâni către exterior.

Dacă se efectuează o expirație forțată cu glota închisă, presiunea intrapulmonară ajunge la 80-150 mm Hg și chiar 300 mm Hg. Acest fenomen (fenomenul Valsalva) se produce în timpul eforturilor fizice grele (de exemplu ridicarea halterelor), când mușchii vor avea inserția fixă pe torace și mobilă pe membrele superioare care execută mișcările de mare forță.

În anumite condiții, pentru realizarea expirației forțate, participă la realizarea actului expirator o serie de mușchi accesori: mușchii abdominali, mușchii intercostali interni. Când se contractă mușchii abdominali, care au originea pe bazin și inserția pe rebordul costal (marginea inferioară a cutiei toracice) se produce o presiune mare intraabdominală ce apasă asupra diafragmului micșorând și mai mult volumul cutiei toracice.

Prin observații, s-a constatat că mișcările respiratorii nu se produc la toți indivizii la fel stabilindu-se trei tipuri respiratorii:

• respirație de tip costal superior, întâlnită la femei;
• respirație de tip costal inferior, întâlnită la bărbați;
• respirație de tip abdominal, întâlnită la copii și sportivi; acest tip este cel mai economicos, prin el consumându-se mai puțină energie în efectuarea lucrului

Explorarea ventilației poate fi realizată cu ajutorul unor aparate numite spirometre și spirografe. Mișcările respiratorii pot fi cercetate prin metoda pneumografiei; curba rezultată, numită pneumogramă poate cerceta amplitudinea mișcărilor respiratorii precum și raportul dintre inspirație și expirație, care în mod normal este 1/1,5.

c.  Volumele și capacitățile pulmonare.

Volumul curent (VT) reprezintă volumul de aer care pătrunde și iese din plămâni în cursul unei respirații liniștite. La persoanele adulte valoarea lui medie este de 500 ml, din care 150 ml ocupă căile aeriene superioare și inferioare și nu ajunge la alveole (spațiu mort anatomic) în plămâni există și spațiul mort fiziologic care este reprezentat de o altă cantitate de aer care deși introdusă în plămâni, nu participă la schimbul de gaze, deoarece se află în alveole neirigate cu sânge; acest aer nu-și schimbă compoziția.

Volumul inspirator de rezervă (VIR) reprezintă volumul maxim de aer ce poate fi inspirat după o inspirație obișnuită și are valoarea de 1.500 ml.

Volumul expirator de rezervă (VER) se realizează prin efectuarea unei expirații maxime după o expirație obișnuită și are valoare de 1.500 ml.

Capacitatea vitală (CV) reprezintă volumul de aer ce poate fi expirat

printr-o expirație maximă efectuată în urma unei inspirații maxime. Ea este egală cu suma a trei volume pulmonare (VT+VIR+VER) și are valoarea de 3.500-4.000 ml aer. Capacitatea vitală variază cu vârsta, sexul, sportul practicat, poziția corpului; în clinostatism ea este cu 5-10% mai mică decât în ortostatism.

Volumul rezidual (VR) reprezintă volumul de aer care rămâne în plămâni la sfârșitul unei expirații maxime și are valoarea de 1.300-1.500 ml. Volumul rezidual nu părăsește plămânul decât prin înlocuirea sa cu un gaz inert (He) sau cu apă, sau dacă colabăm cei doi plămâni; prin colabare rămâne totuși o cantitate de 200 ml aer (aerul minimal), care permite plutirea unui fragment de plămân la suprafața apei (semn important în medicina legală).

Capacitatea pulmonară totală (CPT) cuprinde capacitatea vitală împreună cu aerul rezidual și are o valoare de 5.000-6.000 ml.

Capacitatea reziduală funcțională (CRF) reprezintă volumul de aer care rămâne în plamân la sfârșitul unei expirații de repaus. Valoarea ei se obține prin însumarea VER și VR și reprezintă aproximativ 50% din CPT.

Capacitatea inspiratorie (CI) reprezintă volumul de aer ce poate fi introdus în plămân printr-o inspirație maximă care începe la sfârșitul unei expirații de repaus. Valoarea ei este echivalentă cu suma dintre VR și VIR și reprezintă aproximativ 50% din CPT.

Frecvența respiratorie. Numărul respirațiilor la adult, în repaus, este de 16-18 respirații/min și variază în funcție de mai mulți factori:

• vârsta      – la nou născut 40 respirații/min;
  • la 8-10 ani 30 respirații/min;
  • la 20 ani 20 respirații/min;
  • la 40 de ani 14-18 respiratii/min;
• sex: la femei se întâlnește un număr mai mare de respirații-18/min decât la bărbați 12-16/min;
• poziția corpului;
• altitudine: numărul de respirații se mărește la altitudini mari datorită scăderii presiunii atmosferice;
• stări fiziologice: în somn numărul respirațiilor scade;
• în timpul gravidității și al emoțiilor crește frecvența respiratorie;
• în timpul efortului și după terminarea lui crește frecvența

Când numărul de respirații este mai mare de 20/min se numește stare de tahipnee (hiperpnee); când frecvența respiratorie scade sub 14/ min se realizează sterea de bradipnee; când respirațiile nu se succed regulat, se numește starea de dispnee; când respirația se oprește voit, se realizează starea de apnee.

Debitul respirator reprezintă cantitatea de aer ventilată de plămâni în timp de un minut în condiții de repaus și poate fi obținut prin produsul dintre volumul curent și frecvența ventilației. Astfel, la un adult la care volumul curent este de 500 ml, iar frecvența respiratorie este 12 cicluri/min, debitul ventilator va fi de 6 l.

În efortul fizic debitul ventilator crește la 80-100 l/min; volumul de aer care poate fi respirat într-o perioadă de timp prin respirații voluntare cu amplitudine și frecvență maximă reprezintă debitul respirator maxim și are valoare de 180-200 l/min.

2. Schimbul de gaze la nivelul plămânilor.

La nivelul plămânului are loc, în permanență, un schimb de gaze între aerul din alveole și gazele dizolvate în sângele venos ce ajunge la acest nivel pe calea vaselor capilare. În cadrul acestui schimb oxigenul trece din aerul alveolar în sângele venos, iar CO₂ aflat în exces în sângele venos, trece în aerul alveolar. Deci la plămâni sângele încărcat cu CO₂ se oxigenează prin procesul de hematoză, părăsind plămânii prin venele pulmonare.

Difuziunea gazelor se face în virtutea gradientului de presiune parțială a oxigenului și a CO₂ de o parte și de alta a membranei alveolo-capilare. Sângele sosit prin artera pulmonară este încărcat cu CO₂ având o presiune parțială de 47 mm Hg. În aerul alveolar, CO₂ are o presiune parțială de numai 40 mm Hg. Conform legilor fizice, CO₂ va difuza de la presiunea mai mare din capilare la presiunea mai mică din aerul alveolar.

În aerul alveolar O₂ se găsește sub o presiune parțială de 100 mm Hg iar în sângele capilar are 40 mm Hg și va difuza deci din aerul alveolar în sângele capilar. Difuziunea gazelor la nivel pulmonar este favorizată și de suprafața mare de schimb (cca. 80 m²) a celor aproximativ 300 milioane de alveole pulmonare. Tot un factor favorizant îl reprezintă și distanța de difuziune foarte mică, membrana alveolo-capilară având o grosime de 0,5-1m. Coeficientul de difuziune a CO₂ este de 30 de ori mai mare ca cel al O₂, ceea ce explică vitezele de difuziune practic egale pentru cele două gaze, deși gradientele de presiune sunt diferite (60 mm Hg pentru O₂ și numai 7 mm Hg pentru CO₂).