El trabajo de la respiración y sus componentes

Este capítulo es muy relevante para la sección F3(ii) del programa de estudios de primaria del CICM de 2017, que espera que los candidatos al examen sean capaces de «describir el trabajo de la respiración y sus componentes». Esto no ha aparecido en los exámenes escritos, pero la importancia de este tema es tal que podemos estar bastante seguros de que un día hará un SAQ o viva.

En resumen:

De los recursos revisados por pares para este tema, Cabello & Mancebo (2006) es probablemente el mejor resumen, y está disponible gratuitamente en ResearchGate. Uno puede ser capaz de aprender de memoria este tema sobre la base de lo que han publicado, y pasar un SAQ en el examen primario. Banner et al (1994) también es bueno, de hecho mejor, pero desgraciadamente no es gratuito. Uno saldría de este artículo con una comprensión detallada de este tema. Además, un antiguo artículo de R.M. Peters (1969) también está disponible de forma gratuita, y probablemente sigue siendo relevante, en la medida en que la comunidad científica no ha cambiado recientemente sus definiciones de «trabajo» o «respiración».

Definiciones de trabajo y potencia de la respiración

El trabajo es el producto de la fuerza y el desplazamiento, medido en julios, donde 1J es el gasto de un julio a través de un desplazamiento de un metro. La ecuación del trabajo, en su forma más básica, es:

Trabajo = Fuerza × Distancia

Pero, en el escurridizo mundo biológico de la fisiología respiratoria, no estamos acostumbrados a describir la función respiratoria en términos de fuerza o distancia. Afortunadamente, podemos convertir fácilmente estos parámetros en presión y volumen. La mejor derivación para esto se puede encontrar en la primera parte, una que requiere cambios mínimos:

Trabajo = Fuerza × Distancia

Donde

Fuerza = Presión × Área

Porque

Presión = Fuerza / Área

Por tanto

Trabajo = Presión × Área × Distancia

Pero

Área × Distancia = Volumen

Entonces

Trabajo = Presión × Volumen

Tada.

En una persona normal, en reposo el trabajo de la respiración es de unos 0,35 J/L, y la potencia de la respiración es de unos 2,4 J/min. Estas cifras proceden de unos trabajos de Mancebo et al (1995), que conectaron a unos voluntarios sanos a unos equipos de medición de flujo y presión y luego midieron la presión y el volumen que generaban durante una respiración tranquila normal. Según algunos datos antiguos de Liljestrand (1913) y algunas revisiones modernas de Zakynthinos & Roussos (1991), este tipo de respiración tranquila tiene un coste de oxígeno de alrededor de 0,25-,5 ml de O2 por 1000ml de ventilación, o algo así como el 1-2% del consumo metabólico total de oxígeno. Esto sugiere que la eficiencia de la respiración tidal normal es bastante alta. Se cree que esto se debe a que gran parte de la energía utilizada para la respiración tidal normal es un trabajo realizado contra los elementos elásticos del sistema respiratorio, es decir, que la energía cinética se almacena en los tejidos de estiramiento en la inspiración, y se devuelve en la espiración.

El diagrama de Campbell del trabajo de la respiración

Este diagrama es, confusamente, sólo uno de los diagramas de Campbell, siendo el otro un diagrama que describe la rotordinámica. El diagrama de Cambell al que se hace referencia en relación con la fisiología respiratoria fue desarrollado por Edward J. M Campbell, que publicó un libro en 1958 en el que describía esta relación. Ese libro está, por supuesto, descatalogado y no parece haber ninguna forma legal o ilegal de adquirirlo dentro del presupuesto de un bloguero aficionado, lo cual está bien porque, a juzgar por las críticas, era excesivamente difícil de leer. La mejor explicación de este diagrama proviene en realidad de Banner et al (1994). Para entenderlo, hay que desgranar los distintos componentes del trabajo de la respiración, y luego combinarlos en una relación. A juzgar por el texto, este grupo de gráficos se ofrece como una representación esquemática de las relaciones reales de presión y volumen, y aunque puede contener números de aspecto realista, no se basa en ningún dato experimental específico.

Dado que el trabajo es la presión multiplicada por el volumen, uno debería ser capaz de presentarlo como el área en un gráfico de presión vs. volumen. Dicho gráfico puede definirse para el trabajo necesario para inflar los tejidos pulmonares elásticos desde la FRC hasta un hipotético volumen corriente normal :

Por supuesto, también debe realizarse trabajo para deformar la pared torácica. En este caso, la pared torácica quiere sobresalir y ocupar un volumen mayor que el FFRC, por lo que en realidad se realiza trabajo para reducir el volumen de la pared torácica hasta el FRC:

Así que, si juntamos estos gráficos, podemos ver que se superponen. La implicación más significativa de esto es que parte del trabajo realizado para inflar el pulmón lo realiza la pared torácica, es decir, el retroceso elástico de la caja torácica sirve para inflar el pulmón sin ninguna ayuda muscular:

Este, el pequeño triángulo azul aquí, es por lo tanto el único trabajo realizado para inflar los pulmones; esta área es mucho más pequeña de lo que era en el primer gráfico, porque la caja torácica está haciendo la mayor parte del trabajo.

Aquí hay que considerar factores adicionales, más allá de las propiedades elásticas de los tejidos. También se trabaja para vencer la resistencia de las vías respiratorias y para superar la resistencia de cualquier equipo de cuidados intensivos que interfiera (por ejemplo, un tubo endotraqueal y un circuito de ventilación). El diagrama puede ampliarse para incluir estos elementos:

El área añadida en forma de lente cubre el trabajo realizado para vencer la resistencia al flujo de aire inspiratorio y espiratorio. En la espiración, no es necesario realizar ningún trabajo añadido porque el retroceso elástico de los pulmones devuelve parte de la energía almacenada. En la inspiración, es necesario realizar algún trabajo añadido para superar la resistencia de las vías respiratorias, así como la resistencia de cualquier vía respiratoria artificial añadida.

Ahora, nos queda un diagrama que describe los componentes del trabajo de la respiración:

• Trabajo elástico
  • Trabajo realizado para superar el retroceso elástico del pulmón
  • Trabajo realizado para superar el retroceso elástico del tórax (que se resta del trabajo realizado para superar el retroceso elástico de el pulmón)
• Trabajo resistivo
  • Trabajo realizado para superar la resistencia de los tejidos
    • Resistencia de la pared torácica
    • Resistencia pulmonar
  • Trabajo realizado para superar la resistencia de las vías respiratorias, que incluye:
    • Resistencia de las vías respiratorias
    • Resistencia de los dispositivos y circuitos de las vías respiratorias

Los componentes adicionales al trabajo resistivo son todos componentes de la resistencia respiratoria, e incluyen la inercia y el trabajo realizado para comprimir el volumen de gas intratorácico, pero debido a que la contribución de estos elementos es irrisoriamente pequeña, uno podría probablemente omitirlos con seguridad en su respuesta al SAQ. Ciertamente, no aparecen en ninguno de los comentarios del colegio para las preguntas sobre resistencia.

Usando estos gráficos, uno puede ser capaz de representar diferentes formas de problemas pulmonares mecánicos. Siendo realistas, esto sólo se limitaría a representaciones de escenarios en los que hay un aumento de la resistencia de las vías respiratorias o una disminución de la distensibilidad pulmonar. También los presentan Banner et al (1994), y sus versiones modificadas se ofrecen a continuación.

El siguiente gráfico demuestra un patrón de aumento de la resistencia de las vías respiratorias, como el que se podría ver en un paciente asmático. Obsérvese el aumento de la contribución de la resistencia de las vías respiratorias, incluido el trabajo adicional realizado para superar la resistencia al flujo de aire espiratorio:

El siguiente gráfico demuestra el trabajo respiratorio en el contexto de una disminución de la distensibilidad pulmonar.

Para lograr el mismo volumen corriente, se debe realizar una cantidad de trabajo mucho mayor para superar el mayor retroceso elástico de los pulmones, mientras que la contribución de la pared torácica sigue siendo la misma. Además, se puede observar que la FRC disminuye. Esto se debe al aumento de la presión de retroceso elástico de los pulmones; el volumen de la FRC acaba siendo menor porque ahí es donde el retroceso de la pared torácica y el retroceso elástico de los pulmones encuentran su nuevo equilibrio.

Por último, veamos qué ocurre si la pared torácica se vuelve más resistente:

Esta vez, el aumento del trabajo se realiza para aumentar el volumen torácico de nuevo la resistencia de los tejidos de la pared torácica, por ejemplo, una quemadura circunferencial. De nuevo, la FRC se reduce porque el equilibrio de las presiones elásticas de la pared torácica y del pulmón se produce a un volumen menor.