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VENTILACIÓN ALVEOLAR

VENTILACIÓN ALVEOLAR

ES EL AIRE DE LA VENTILACIÓN PULMONAR QUE SE UTILIZA PARA EL INTERCAMBIO HEMATO GASEOSO

OBJETIVOS

  1. Definir el concepto de ventilación alveolar.
  2. Evaluación de la ventilación alveolar.
  3. Distribución de la ventilación alveolar.
  4. Espacios muertos y medidas.
  5. Indicar la composición de los gases alveolares y su determinación.
  6. Definir el concepto de presión parcial de un gas y el concepto de concentración fraccional, aplicados al oxígeno y al anhídrido carbónico.
  7. Conocer los valores normales de PO2, PCO2, PN2, PH20 en los diferentes tipos de aires (atmosférico, inspirado, alveolar, espirado) y en sangre arterial y venosa.
  8. Indicar los factores que pueden modificar la composición del gas alveolar.

LA VENTILACIÓN ALVEOLAR

No todo el volumen de aire movilizado en la ventilación pulmonar llega al espacio alveolar y del que llega, no todo se utiliza para el intercambio hemato alveolar. La explicación se basa en que hay un espacio determinado por las vías de conducción cuyo aire no se utiliza nunca para el intercambio alvéolo-capilar, cuyo volumen se denomina VOLUMEN DEL ESPACIO ANATÓMICO MUERTO (VEAM), y según las medidas realizadas representa unos 150 ml de los 500 ml del volumen corriente. El volumen de este espacio se puede medir por el método de Fowler aunque se puede estimar en 1 ml/450 g de peso corporal y varía con la edad (aumenta), el sexo, la actividad (aumenta) y el volumen pulmonar (aumenta). Figura 1.

ventilación alveolar
Figura-1: Ventilación alveolar

Del aire que llega a los alvéolos, no todo se utiliza en el intercambio hemato gaseoso, pues para que éste sea efectivo se necesita que toda la superficie del espacio alveolar este perfectamente perfundida por la sangre pulmonar. En condiciones normales unos 5 ml del volumen alveolar no participa en dicho intercambio. A este volumen se le denomina VOLUMEN DEL ESPACIO ALVEOLAR MUERTO (VEALVMy puede variar si se altera la perfusión sanguínea alveolar.

A la suma de ambos volúmenes: VOLUMEN DEL ESPACIO ANATÓMICO MUERTO Y VOLUMEN DEL ESPACIO ALVEOLAR MUERTO se le denomina VOLUMEN DEL ESPACIO FISIOLÓGICO MUERTO (VEFM) y puede ser medido por el método de Boh. Con esta medida y considerando constante el volumen del espacio anatómico muerto, podemos saber cuánto volumen alveolar participa realmente en el intercambio hemato gaseoso.

El volumen alveolar restante que participa en dicho intercambio es el volumen efectivo y referido a un minuto es LA VENTILACIÓN ALVEOLAR, que siempre será menor que la VENTILACIÓN PULMONAR.

La ventilación alveolar puede ser medida de forma indirecta y además, por efecto de la fuerza de la gravedad se distribuye de forma diferente según las regiones pulmonares y la postura del sujeto. También puede modificarse por el metabolismo celular dado que éste modifica la PaCO2 y por tanto afecta a la ecuación de la ventilación alveolar como hemos visto anteriormente. Así mismo, la ventilación alveolar puede modificarse de forma voluntaria y por determinadas patologías.

La ventilación alveolar será uno de los factores responsables de las presiones parciales alveolares de los gases respiratorios y por tanto del gradiente de presión alvéolo-capilar necesario para la difusión de dichos gases a través de la superficie de intercambio hemato gaseoso.

Si consideramos una frecuencia respiratoria normal (12 ciclos/minuto) las ventilaciones en el sistema respiratorio son las siguientes:

 

valores de las ventilaciones

Figura- 2: Valores de las ventilaciones para una frecuencia respiratoria normal.

 

MEDIDA DEL ESPACIO ANATÓMICO MUERTO (MÉTODO DE FOWLER)

El método de Fowler se basa en la premisa de que el aire contenido en las vías de conducción y que constituye el volumen del espacio anatómico muerto, tiene la misma composición que el aire inspirado y por tanto será pobre en CO2. Por ello, cuando espiramos el aire que sale inicialmente y que corresponde al espacio anatómico muerto será pobre en CO2, cuando el CO2 empiece a aumentar será porque procede de la zona de transición entre las vías de conducción y el espacio alveolar, y cuando alcance el valor máximo será porque procede totalmente del espacio alveolar. Si medimos con un analizador rápido de CO2 la composición en CO2 del aire espirado y la graficamos frente a volumen espirado y trazamos una perpendicular, de forma que el área a una lado y al otro de la recta sea la misma, el volumen que indica dicha perpendicular nos dará el volumen del espacio anatómico muerto.(Animación 1.)

Animación 1. Medida del espacio anatómico muerto. Método de Fowler.

MEDIDA DEL ESPACIO FISIOLÓGICO MUERTO (MÉTODO DE BOHR)

Figura 2.

El método de Bohr para medir el volumen del espacio fisiológico muerto se basa en la premisa de que todo el CO2 del aire espirado procede íntegramente del intercambio hemato gaseoso o aire alveolar intercambiable, por lo que el producto del volumen corriente por la fracción de CO2 del aire espirado tendrá que ser igual al producto del volumen alveolar por la fracción alveolar de CO2. Como el volumen del espacio fisiológico muerto hemos visto que es la diferencia entre el volumen corriente y el volumen alveolar, basta que sustituyamos en esta segunda ecuación los valores de la primera y despejemos la incógnita que en este caso es el VEFM.

método Bohr
Figura-2: Medida del espacio fisiol{ogico muerto. Método de Bohr.

(1) Vc x FeCO2 = VA x FACO2

donde VA = (Vc x FeCO2)/FACO2

(2) Vc = VA + Vefm

Donde Vefm = Vc – VA

Sustituimos VA en (2) y tenemos que Vefm = Vc (Vc x FeCO2)/FACO2

y nos queda:

Vefm = Vc x (FACO2 – FECO2)/FACO2

Para facilitar los cálculos y en base a las leyes de los gases, la fracción de un gas es proporcional a su presión parcial (PCO2 = FCO2 x k), así podemos sustituir fracciones por presiones parciales.

Vefm = Vc x (PACO2 – PECO2)/PACO2

Si además sustituimos la presión parcial alveolar de CO2 por su presión parcial en arteria (primera ley de Dalton [1]

PRIMERA LEY DE DALTON

La presión parcial de un gas es la presión que ejerce dicho gas en un volumen como consecuencia de su concentración y de forma independiente, al resto de los gases de la mezcla.
) se simplifica la medida y sabiendo que:

PECO2 = (Pb – PH2O) x FECO2.

Vefm = Vc x (PaCO2 – PECO2)/PaCO2

MEDIDA INDIRECTA DE LA VENTILACIÓN ALVEOLAR. (ECUACIÓN DE LA VENTILACIÓN ALVEOLAR)

Como el CO2 es un gas típicamente alveolar si medimos el Gasto cardíaco" class="glossaryLink" data-cmtooltip="f2a9f2be973d63ec5edf027bbd49f9e9" target="_blank" >volumen minuto de CO2 en el aire espirado tendremos una idea muy aproximada del valor de la ventilación alveolar.

Ventilación alveolar = Gasto cardíaco" class="glossaryLink" data-cmtooltip="f2a9f2be973d63ec5edf027bbd49f9e9" target="_blank" >volumen minuto de CO2 (ml/min) / presión arterial de CO2 (mmHg) x 0.863

La constante 0,863 procede de la conversión necesaria entre las diferentes unidades de medida y es igual a 760 x 310/273.

Esta ecuación es muy importante pues nos indica la relación entre la ventilación alveolar y la presión parcial de carbónico en sangre, suponiendo una tasa constante de producción de carbónico metabólico. Así, si la ventilación alveolar aumenta, disminuye el carbónico en sangre (hiperventilación), mientras que si la ventilación disminuye el carbónico en sangre aumenta (hipoventilación).

DISTRIBUCIÓN PULMONAR DE LA VENTILACIÓN ALVEOLAR POR LA FUERZA DE LA GRAVEDAD

Figura 3.

Ya vimos como en posición ortostática existe una regionalización de la compliancia/" title="Glossary: Compliancia" class="glossaryLink" data-cmtooltip="28a3bd634047678a9bbf7729d64b8590" target="_blank" >compliancia pulmonar que supone, en respiraciones eupnéicas, unas bases pulmonares con mayor capacidad distensible y por tanto, mayor ventilación que los vértices.

Acción de la gravedad sobre la ventilación alveolar.
Figura-3: Distribución regional de la ventilación alveolar causada por la fuerza de la gravedad

La prueba experimental de las diferencias regionales en la ventilación se consigue mediante la utilización de Xe radioactivo inhalado (Hugh-Jones). El xenón radioactivo es un gas insoluble que inhalado y medido por contadores externos (cámara Anger de centelleo) nos indica buena ventilación en aquellas regiones pulmonares donde aparezca una concentración elevada, y como se ve en la figura estas regiones coinciden con las bases pulmonares.

De acuerdo con los resultados, estando en posición ortostática o sentado la ventilación alveolar se dirige inicialmente hacia las bases pulmonares, por ser éstas las que tienen mayor capacidad distensible.

DISTRIBUCIÓN Y COMPOSICIÓN DE LOS GASES RESPIRATORIOS

Figura 4.

En el esquema podemos observar la composición de los gases en los diferentes componentes del aparato respiratorio. Vemos que la composición del aire inspirado varía con respecto a la del aire exterior debido a que éste se diluye en el volumen de aire contenido en las vías respiratorias, por lo que se produce un reajuste en las concentraciones de cada uno de los gases. Igual ocurre con el aire espirado, donde el aire procedente de los alvéolos se diluye en el aire contenido en las vías aéreas por lo que se reajustan nuevamente las concentraciones de dichos gases. (Ver figura 5).

Distribución de los gases respiratorios
Figura-4: Distribución y composición de los gases respiratorios.
Tabla valores gases respiratorios
Figura-5: Valores de los gases respiratorios al nivel del mar.

Si cambiamos de altitud cambia la presión barométrica y consecuentemente las presiones parciales de sus gases, pero no las fracciones de éstos ya que las concentraciones se mantienen constantes. (FO2 = 0,21; FCO2 = 0,04). Mediante la ecuación Pgas = PB x Fgas podemos calcular la presión parcial del gas, pero si consideramos la saturación en vapor de agua (47 mm Hg), la ecuación anterior quedaría así: 

Pgas = (PB – 47) x Fgas . (La presión de vapor de agua, una vez saturada, depende sólo de la temperatura y como el aire inspirado se satura dentro del aparato pulmonar, y la temperatura corporal la podemos considerar constante, su valor será constante).

La presión parcial de los gases respiratorios alveolares es un factor importante, porque define, junto con la presión parcial en sangre, el gradiente de presión necesario para la difusión de dichos gases por la membrana respiratoria. Pero la presión parcial de los gases alveolares varía continuamente en función de:

1) la composición del gas inspirado;
2) la magnitud de la ventilación pulmonar;
3) el metabolismo celular.

Mientras que no cambiemos de altitud o de mezcla gaseosa, la composición del gas inspirado podemos considerarlo un factor constante, luego los cambios en la presión parcial de los gases respiratorios en los alvéolos dependerá de la ventilación y del metabolismo celular, factores que como veremos en la siguiente pantalla se recogen en las denominadas ecuaciones de los gases alveolares.

Que la presión parcial de los gases respiratorios en los alvéolos se modifica con la ventilación podemos verlos en la figura 3. Observamos como durante la inspiración/espiración se va modificando continuamente los valores de las presiones parciales alveolares de oxígeno y carbónico. Y si mantenemos la respiración la presión parcial de oxígeno cae continuamente, mientras que la del carbónico sube continuamente, debido al metabolismo celular.

ECUACIONES DE LOS GASES ALVEOLARES

Las ecuaciones indicadas son conocidas como ecuaciones alveolares de los gases. (Figura 6).

En reposo un adulto consume alrededor de 250 a 300 ml/min de O2 (VO2) y produce alrededor de 200 a 250 ml/min. de CO2 (VCO2).

Figura-6: Ecuaciones de los gases alveolares.

La constante 0,863 procede de la conversión necesaria entre las diferentes unidades de medida (de condiciones STPD a BTPS) y es igual a 760 x 310/273 [2]En una mezcla gaseosa, la presión total será la suma de las presiones parciales de todos sus componentes. Así, la presión barométrica será consecuencia de la suma de las presiones parciales de todos sus gases. Luego para medir la presión parcial de cualquier gas de la mezcla, basta con multiplicar la presión barométrica por la concentración o fracción de dicho gas:Pgas = Pb x FgasAhora bien, la presión de un gas en una mezcla gaseosa depende de las condiciones de medida, ya que … Continúe leyendo.

La razón entre el CO2 producido y el O2consumido se denomina cociente de intercambio respiratorio (R). En condiciones uniformes se suele utilizar el término de cociente respiratorio(QR), que depende íntegramente del metabolismo celular (combustión química de los nutrientes) (QR para carbohidratos sólo: 1,0; para proteínas sólo: 0,81 y para grasas sólo de 0,7), como se suele oxidar una mezcla de éstos el QR es de 0,82. Aunque este valor se mantenga si no cambia el metabolismo, si cambia la respiración se modifican los valores de O2 y CO2 debidos al refresco alveolar, así aunque QR siga siendo 0,82, R puede ser de 1,4.

Teniendo en cuenta R (VCO2 / VO2) podemos redefinir la ecuación de los gases alveolares en una única ecuación:

PAO2 = PIO2 – (PACO2 / R)

R < 1 (0,8 a 0,85). Para uso clínico PACO2 = PaCO2 (más fácil de medir). La PIO2 es conocida (150 mm Hg al nivel del mar) y la PAO2 puede ser calculada.

Otra expresión es la de COEFICIENTE DE EXTRACCIÓN DE O2 : cantidad de oxígeno usado / por cantidad de oxígeno inspirado, expresado en porcentaje.

VO2 /(VI x FIO2) x 100

En reposo el coeficiente de extracción es de un 15 a 20%, lo que indica que poco del oxígeno que entra es usado, siendo una reserva alveolar de O2.

FACTORES QUE MODIFICAN LA VENTILACIÓN ALVEOLAR

Aunque la composición del gas alveolar es muy constante en condiciones estables, sin embargo puede variar en determinadas situaciones fisiológicas. Los factores modificadores son:

1cambio de posición, baja la PACO2 y sube la PAO2 

2fase digestiva. La producción de ácido clorhídrico provoca liberación de H+ que fija COcirculante generando una alcalosis metabólica que hace subir el PACO2. Durante la fase de secreción biliar, ésta presión disminuye.

3. régimen alimenticio. El régimen vegetariano eleva la PACO2, mientras que el cárnico la baja.

4. El ciclo menstrual y embarazo. La PACO2 alcanza su máximo en la ovulación y el mínimo justo antes de la menstruación. El embarazo determina una importante hipocapnia.

5. sueño y anestesia. Aumenta la PACO2 y disminuye la PAO2.

6. lenguaje hablado. Disminuye la PACO2 y aumenta la PAO2, depende de la longitud de las frases y la intensidad de la voz.

7. ejercicio. Si es moderado la PACO2 aumenta ligeramente. Si es fuerte, la producción de ácido láctico determina una acidosis metabólica que determina una hiperventilación y por tanto una hipocapnia.

8. exposición a la altitud. Es la más importante. La PAO2 baja proporcionalmente a la disminución de la presión barométrica. La hiperventilación provocada supone una disminución importante de la PACO2. A 4500 metros y antes de la adaptación, que no supone una restauración de los valores originales alveolares, la PAO2 es de 43 torr y la PACO2 de 33 torr.

9. hipoventilación, supone una disminución en la restitución de oxígeno alveolar y una disminución en la retirada del CO2 alveolar. Disminuye PAO2 y la PaO2, no obstante la saturación de O2 por la oxihemoglobina no baja tanto. Se acumula CO2, lo que aumenta la PACO2 y la PaCO2, determinando la aparición de una acidosis respiratoria, que origina hipercapnia dando lugar a cefalea, somnolencia, confusión mental, debilidad e irritabilidad. Una PaCO2 de 44 mmHg indica una hipoventilación.

10. hiperventilación, supone una disminución de la PACO2 y PaCO2, causando hipocapnia y alcalosis respiratoria, lo cual origina cefalea, fatiga, entumecimiento y hormigueo en las manos, pies y labios, e incapacidad para concentrarse. Respecto a la PAO2 y la PaO2, la aumenta, no obstante estos cambios no influyen mucho dado que en reposo la sangre arterial está casi saturada de O2 (97,4%).

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