CAPACITA’ FUNZIONALE RESIDUA e VOLUME GASSOSO INTRATORACICO:

SIGNIFICATO FISIOLOGICO

Dr Pavilio Piccioni UO Pneumologia – Prevenzione TB ASL TO2

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Ventilazione polmonare movimento di aria dall'esterno all'interno del polmone e viceversa

Diffusione alveoli - sangue movimento O2 e CO2 attraverso la membrana respiratoria Un rapporto Ventilazione- Perfusione polmonare normale è indispensabile perché gli scambi avvengano in maniera ottimale Trasporto di O2 e CO2 nel sangue Diffusione sangue-tessuti Utilizzazione di O2 e produzione di CO2 nei tessuti

Diffusion: gas movement b/w the lungs and tissue occurs via simple diffusion.

For O2 there is a stepwise downward cascade of “partial” pressure.

PP of oxygen Atmospheric = 147

Alveolar = 100 Arterial = 97 Venous = 40 Tissue = 5

Idealizzazione delle vie aeree umane (da Weibel 1963)

The dance of pulmonary physiology—

Blood and oxygen coming together.

But sometimes the match between blood and oxygen isn’t perfect!

P1V1 = P2V2

A bicycle pump works in much the same way

as the lungs

The lungs work in much the same way as a bicycle pump

If you increase the volume of the chamber air is sucked in

If you decrease the volume of the chamber air is forced out

If two areas of different pressure communicate, gas will move from the area of higher pressure to the area of lower pressure

This movement of air causes wind when a high pressure system is near a low pressure system in the atmosphere

Per la Legge di Boyle P.V = K

La P alveolare si modifica in conseguenza di cambiamenti del volume polmonare.

Inspirazione (ingresso aria): ↑volume polmone ↓ P alveolare

Espirazione (uscita aria):

↓volume polmone ↑ P alveolare

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15

Intercostali esterni: inspirazione

Intercostali interni: espirazione

Lungs are surrounded by thin tissue called the pleura, a continuous membrane that folds over itself Parietal pleura lines the chest wall Visceral pleura covers the lung

(sometimes called the pulmonary pleura)

Normally, the two membranes are separated only by the lubricating pleural fluid

Fluid reduces friction, allowing the pleura to slide easily during breathing

Parietal pleura Visceral pleura

Normal Pleural Fluid Quantity: Approx. 25mL per lung

Lung

Ribs Intercostal muscles

The area between the pleurae is called the pleural space (sometimes referred to as “potential space”)

Normally, vacuum (negative pressure) in the pleural space keeps the two pleurae together and allows the lung to expand and contract

During inspiration, the intrapleural pressure is approximately -8cmH20 (below atmosphere)

During exhalation, intrapleural pressure is approximately -4cmH20

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

palv ppl vol

inspirazione espirazione

Pressione pleurica

Pressione alveolare

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Tendenza dei polmoni a ritrarsi

Tensione elastica: fibre elastiche parenchimatose, in costante stato di tensione

Tensione superficiale: poiché gli alveoli, pieni di aria, sono bagnati da un sottile strato di acqua, si forma un'interfaccia aria-liquido, che tende a ridurre la sua superficie

tendenza della gabbia toracica ad espandersi …… si verifica già alla CFR ed aumenta per volumi minori (espirazione forzata), fino ad impedire ulteriori riduzioni di volume (VR); al di sopra di un certo volume …… la gabbia viene "tirata in fuori" dai muscoli inspiratori (inspirazione forzata) e tende ad una retrazione elastica nella stessa direzione di quella dei polmoni.

polmone

capacità funzionale residua (CFR)

volume di gas presente nel torace alla fine di una espirazione normale, fase in cui la forza di ritorno elastica del polmone e quella della gabbia toracica hanno intensità uguale e direzione opposta (la forza di retrazione elastica del polmone è perfettamente controbilanciata da quella della gabbia toracica)

0

1

2

3

4

5

6

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

litri

mmHg

CFR

RV

CURVE DI COMPLIANCE DEL SISTEMA RESPIRATORIO, DELLA GABBIA TORACICA E DEI POLMONI in rilasciamento

Gabbia toracica

Polmone

Polmone + gabbia

toracica

Volume corrente

VC TLC

Il tracciato spirometrico dei volumi e delle capacità polmonari

Nelle femmine 20-25% in meno

FRC Nel soggetto sano si riduce - Durante la fonazione, il canto, la risata e l’esercizio - In posizione supina per spostamento del contenuto addominale verso il torace. (Attività post-inspiratoria muscoli inspiratori e restringimento glottide possono antagonizzare questa riduzione).

Agostoni E., Hyatt R.E. Handbook of Physiology 1986

FRC FRC

Negli obesi la più frequente alterazione riscontrabile alla spirometria è la riduzione del Volume di Riserva Espiratoria(< VRE), mentre il Volume Residuo (VR), in genere, non si modifica. In ogni caso si riduce la CapacitàFunzionale Residua (CFR) (somma del Volume di Riserva Espiratoria + il Volume Residuo.) I meccanismi responsabili della alterata ventilazione negli obesi sono: - la ridotta espansione del torace, - l’anomala contrattilità diaframmatica- - la diminuita mobilità addominale, per impedimento alla discesa del diaframma.

Watson RA e all. J Appl Physiol. 2005 Feb;98(2):512-7.

TLC (sed) %teor

FRC (sed) % TLC

FRC (sup) Variaz. (lt)

Resist (sed) (cmH2O.l/s)

Resist (sup) (cmH2O.l/s)

controlli 100 61 - 0.68 2.2 2.9

obesi 82 43 = 4.6 7.3

Yap JC. E all. J Appl Physiol. 1995 Oct;79(4):1199-205.

….. variazioni respiratorie

Nunn’s. Applied Respiratory Physiology. 5° Edizione (2000)

PH =PK + log(HCO3¯/PaCO2)

FRC Si riduce nella patologia restrittiva -con aumento del recoil elastico polmonare (fibrosi, atelettasia, CHF, resezione polmonare, edema polmonare) -con aumento della elastanza (malattie parete toracica o pleura, paralisi muscoli respiratori, obesità).

Volume residuo (RV) Aumenta nella patologia ostruttiva per precoce chiusura vie aeree (- alterazione intrinseca delle via aeree, - perdita di recoil elastico, - rigidità parete toracica, - effetto della pregressa “volume history). Si riduce Interstiziopatie Exeresi parenchima

FRC

FRC

FRC FRC

FRC FRC

Tv

Tv

Tv

O=ostruzione N= normale R= restrizione

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Obstructive Lung Disease

Air trapping → increase RV Hyperinflation → increases TLC

RV tends to have a greater

percentage increase than TLC

RV/TLC ratio is therefore increased (nl 20-35%)

Gas trapping may occur without hyperinflation (increase in RV & normal TLC)

Gas trapping and airway closure at low lung volume cause the patient to breath at high lung volume so FRC (RV+ERV) increased

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Restrictive …. diseases 1. In Intrinsic RLD (Interstitial Lung

Disease)

TLC will decrease

RV will decrease because of increased elastic recoil (stiffness) of the lung and loss of the alveoli.

Breathing take place at low FRC because of the increased effort needed to expand the lung .

RV/TLC normal

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Restrictive …. diseases In extrinsic RLD (chest wall

disease :kyphoscoliosis or neuromuscular disease:ALS,MG)

TLC is reduced either because of mechanical limitation to chest wall expantion or because of respiratory muscle weakness

RV is Normal because Lung tissue and elastic recoil is normal

So RV/TLC ratio will be high

Breathing take place at low FRC because of the increased effort needed to expand the lung .

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Restrictive Lung Disease: RLD Intrinsic & severe chest wall dis (pleural and skeletal) TLC decreased RV decreased RV/TLC normal FRC decreased VC decreased Extrinsic RLD TLC decreased RV normal RV/TLC High VC decreased FRC decreased

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RLD Extrinsic

RLD Interinsic

Obstructive Lung dis.

FEV1

FVC

FEV1/FVC

RV

TLC

RV/TLC

VC

FRC

ATS/ERS 2005

Soggetto

(comprensione) Tecnico

(capacità operative)

Strumento (affidabilità)

Volumi Statici

Volumi Dimamici Flussi RAW

Diffusione

Pulsossimetria

Emogasanalisi

Misura della capacità funzionale residua con la tecnica della diluizione dell’ elio. V2 = Volume corrente (TV) + Volume di Riserva Espiratoria (VRE)+ Volume Residuo(VR)

V2= V1*(C1-C2) / C2

ELIO: basso peso mol. bassa solubilità inerte

Concentrazione N2 nei polmoni in equilibrio con l’ atmosfera (80%)

La respirazione di O2 100% permette di “lavare” gradualmente N2 dai polmoni

Non tutto N2 può essere eliminato (intorno a conc. 1% il test viene interrotto)

Analizzando volumi dei gas e concentrazioni N2 (inizio e fine test) di risale a FRC

Misura della capacità funzionale residua (CFR) con metodo pletismografico (…legge di Boyle)

VL= P2* (DV/DP)

Aumento volume polmonare

Riduzione volume box e Aumento pressione box Aumento volume

polmonare

Riduzione pressione alveolare ------ Riduzione pressione alla bocca

P1 -ΔP

Diluizione gas (He, N) Pletismografia

VR Plet = VR He + Spazio Morto (150 ml)

Possibili differenze dovute a ….

• Maldistribuzione

• Aree non comunicanti (Bolle)