Il lavoro della respirazione e le sue componenti

Questo capitolo è più rilevante per la sezione F3(ii) del CICM Primary Syllabus 2017, che si aspetta che i candidati all’esame siano in grado di “descrivere il lavoro della respirazione e le sue componenti”. Questo non è apparso nelle prove scritte, ma l’importanza di questo argomento è tale che possiamo essere abbastanza sicuri che un giorno farà un SAQ o un viva.

In sintesi:

Delle risorse peer-reviewed per questo argomento, Cabello & Mancebo (2006) è probabilmente la migliore panoramica breve, ed è disponibile gratuitamente da ResearchGate. Si può essere in grado di imparare a memoria questo argomento sulla base di ciò che hanno pubblicato, e superare un SAQ nell’esame primario. Anche Banner et al (1994) è buono, anzi migliore, ma purtroppo non è gratuito. Si potrebbe uscire da questo articolo con una comprensione dettagliata di questo argomento. Inoltre, un antico documento di R.M. Peters (1969) è anche liberamente disponibile, ed è probabilmente ancora rilevante, nella misura in cui la comunità scientifica non ha recentemente cambiato le loro definizioni di “lavoro” o “respirazione”.

Definizioni di lavoro e potenza di respirazione

Il lavoro è il prodotto della forza e dello spostamento, misurato in joule, dove 1J è la spesa di un joule attraverso uno spostamento di un metro. L’equazione del lavoro nella sua forma più elementare è:

Lavoro = Forza × Distanza

Ma, nel mondo biologico molle della fisiologia respiratoria non siamo abituati a descrivere la funzione respiratoria in termini di forza o distanza. Fortunatamente, possiamo facilmente convertire questi parametri in pressione e volume. La migliore derivazione per questo può essere trovata nella prima parte, che richiede modifiche minime:

Lavoro = Forza × Distanza

Dove

Forza = Pressione × Area

Perché

Pressione = Forza / Area

Perciò

Lavoro = Pressione × Area × Distanza

Ma

Area × Distanza = Volume

So

Lavoro = Pressione × Volume

Tada.

In una persona normale, a riposo il lavoro della respirazione è circa 0,35 J/L, e la potenza del respiro è circa 2,4 J/min. Queste cifre provengono da un lavoro di Mancebo et al (1995), che hanno collegato alcuni volontari sani a degli apparecchi di misurazione del flusso e della pressione e hanno misurato la pressione e il volume generati durante una normale respirazione calma. Secondo alcuni dati antichi di Liljestrand (1913) e alcune revisioni moderne di Zakynthinos & Roussos (1991), questo tipo di respirazione calma calma ha un costo di ossigeno di circa 0,25-,5 ml di O2 per 1000ml di ventilazione, o qualcosa come 1-2% del consumo totale di ossigeno metabolico basale. Questo suggerisce che l’efficienza della normale respirazione di marea è abbastanza alta. Si pensa che questo sia dovuto al fatto che gran parte dell’energia usata per la normale respirazione di marea è un lavoro fatto contro gli elementi elastici del sistema respiratorio, cioè l’energia cinetica è immagazzinata nei tessuti in tensione durante l’inspirazione e viene restituita durante l’espirazione.

Il diagramma Campbell del lavoro di respirazione

Questo diagramma è confusamente solo uno dei diagrammi Campbell, l’altro è un diagramma che descrive la rotodinamica. Il diagramma di Cambell a cui si fa riferimento per quanto riguarda la fisiologia respiratoria è stato sviluppato da Edward J. M Campbell, che ha pubblicato un libro nel 1958 in cui ha descritto questa relazione. Quel libro è ovviamente fuori stampa e non sembra esserci alcun modo legale o illegale per acquisirlo con il budget di un blogger hobbista, il che è un bene perché a giudicare dalle recensioni era estremamente difficile da leggere. La migliore spiegazione di questo diagramma viene in realtà da Banner et al (1994). Per capirlo, bisogna spacchettare le varie componenti del lavoro di respirazione, e poi combinarle in un’unica relazione. A giudicare dal testo, questo gruppo di grafici è offerto come una rappresentazione schematica di relazioni reali di pressione e volume, e sebbene possa contenere numeri dall’aspetto realistico, non è basato su alcun dato sperimentale specifico.

Dato che il lavoro è la pressione moltiplicata per il volume, si dovrebbe essere in grado di presentarlo come l’area su un grafico di pressione contro volume. Un tale grafico può essere definito per il lavoro richiesto per gonfiare i tessuti polmonari elastici da FRC fino ad un ipotetico volume corrente normale:

Ovviamente, il lavoro deve essere fatto anche per deformare la parete del torace. In questo caso, la parete toracica vuole sporgere e occupare un volume più grande del FFRC, e così il lavoro è effettivamente fatto per ridurre il volume della parete toracica fino al FRC:

Quindi, se mettiamo insieme questi grafici, possiamo vedere che si sovrappongono. L’implicazione più significativa di questo è che parte del lavoro fatto per gonfiare il polmone è fatto dalla parete toracica, cioè il rinculo elastico della cassa toracica serve a gonfiare il polmone senza alcuna assistenza muscolare:

Questo, il piccolo triangolo blu qui, è quindi l’unico lavoro fatto per gonfiare i polmoni; quest’area è molto più piccola di quanto fosse nel primo grafico, perché la gabbia toracica sta facendo la maggior parte del lavoro.

Fattori aggiuntivi devono essere considerati qui, oltre alle proprietà elastiche dei tessuti. Il lavoro viene fatto anche per sconfiggere la resistenza delle vie aeree, e per superare la resistenza di qualsiasi attrezzatura di assistenza critica che interferisce (ad esempio un tubo endotracheale e il circuito del ventilatore). Il diagramma può essere ampliato per includere questi elementi:

L’area aggiunta a forma di lente copre il lavoro fatto per superare la resistenza del flusso d’aria inspiratorio ed espiratorio. Durante l’espirazione, non c’è bisogno di lavoro aggiuntivo perché il rinculo elastico dei polmoni restituisce un po’ di energia immagazzinata. Durante l’inspirazione, un po’ di lavoro aggiuntivo deve essere fatto per superare la resistenza delle vie aeree, così come la resistenza di qualsiasi via aerea artificiale aggiunta.

Ora ci rimane un diagramma che descrive le componenti del lavoro di respirazione:

• Lavoro elastico
  • Lavoro fatto per superare il rinculo elastico del polmone
  • Lavoro fatto per superare il rinculo elastico del petto (che viene sottratto dal lavoro fatto per superare il rinculo elastico del del polmone)
• Lavoro resistivo
  • Lavoro fatto per vincere la resistenza dei tessuti
    • Resistenza della parete del torace
    • Resistenza del polmone
  • Lavoro fatto per vincere la resistenza delle vie aeree, che include:
    • Resistenza delle vie aeree
    • Resistenza dei dispositivi e circuiti delle vie aeree

Le componenti aggiuntive al lavoro resistivo sono tutte componenti della resistenza respiratoria, e includono l’inerzia e il lavoro fatto per comprimere il volume di gas intratoracico, ma poiché il contributo di questi elementi è ridicolmente piccolo, uno potrebbe probabilmente ometterli con sicurezza dalla sua risposta SAQ. Certamente non appaiono in nessuno dei commenti del college per le domande sulla resistenza.

Utilizzando questi grafici, si può essere in grado di rappresentare diverse forme di problemi polmonari meccanici. Realisticamente, questo si limiterebbe solo alle rappresentazioni di scenari in cui c’è un aumento della resistenza delle vie aeree o una diminuzione della compliance polmonare. Questi sono anche presentati da Banner et al (1994), e le loro versioni modificate sono offerte qui sotto.

Il seguente grafico dimostra un modello di aumento della resistenza delle vie aeree, come quello che si potrebbe vedere in un paziente asmatico. Si osservi l’aumento del contributo della resistenza delle vie aeree, compreso il lavoro aggiunto fatto per superare la resistenza al flusso d’aria espiratorio:

Il grafico seguente dimostra il lavoro di respirazione in un contesto di diminuzione della compliance polmonare.

Per ottenere lo stesso volume corrente, una quantità molto maggiore di lavoro deve essere fatto per superare l’aumentato rinculo elastico dei polmoni, mentre il contributo della parete toracica rimane lo stesso. Inoltre, si può notare che l’FRC è diminuito. Questo a causa dell’aumentata pressione di rinculo elastico dei polmoni; il volume FRC finisce per essere più basso perché è lì che il rinculo della parete toracica e il rinculo elastico dei polmoni trovano il loro nuovo equilibrio.

Infine, vediamo cosa succede se la parete toracica diventa più resistente:

Questa volta, l’aumento del lavoro viene fatto per aumentare il volume toracico di nuovo la resistenza dei tessuti della parete toracica, ad esempio una bruciatura circonferenziale. Di nuovo, l’FRC si riduce perché l’equilibrio delle pressioni elastiche della parete toracica e del polmone si verifica ad un volume inferiore.

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