Revista Médica de Costa Rica y Centroamérica XLI (528) 95·104; 1994

NEUMOLOGIA

CONCEPTOS DE FISIOLOGIA y FISIOPATOLOGIA RESPIRATORIA A/cibey Alvarado González· Alexis GUliérrez Sanabria**

SUMMARY The ventilation physiological changes are so frecuent in the clinical pratice. Probably they demand more pacient hospital atrnitance and other ventilation changes. For this reazon, we want to stress the basical funcional respiratory, for better understanding of the reader. We want to make c1ear how these changes are boro and the meaning in the diagnosis of these tests in the respiratory operation.

LA RESPlRACION La respiración puede defenirse como: "todos aquellos procesos relacionados con el intercambio de gas entre un organismo y su medio ambiente". Esta definición se aplica a todos los miembros del reino animal. Los

*

Asistente del Servicio de Neumología Hospital San Juan de Dios

**

Estudiante de Medicina Universidad de Costa Rica

primeros pulmones fueron simplemente sacos aéreos con algunos vasos sanguíneos en sus paredes que sirvieron como órganos accesorios de intercambio de gas para suplementar las branquias de los animales acuáticos. Milenios después, cuando los animales tuvieron que adaptarse a la vida terrestre, los pulmones se volvieron altamente compartimentalizados para ofrecer una vasta superficie aire-sangre, necesaria para la captación de 02 y la eliminación de C02. Posteriormente en el desarrollo filogenético, durante el proceso evolutivo, el pulmón asumió otras funciones especializadas para mantener la homeostasis, tales como trasformación bioquímica de sustancias circulantes, funciones inmunológicas de defensa, las cuales tienen poca o ninguna conexión con el intercambio gaseoso. Los procesos básicos que forman parte de la respiración son: 1) Ventilación: Se refiere al movimiento de aire desde fuera hasta el interior del cuerpo y su distribución hasta las unidades que

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intercambian gas. 2) Difusión: Se refiere al movimiento de 02 y C02 a través de la membrana alvéolocapilar entre el gas en los espacios alveolares y la sangre en los capilares pulmonares. 3) Flujo sanguíneo: Se refiere al movimiento de sangre venosa mixta (la que se encuentra en el atrio derecho) a través de la circulación arterial pulmonar, a su distribución a los capilares de las unidades que intercambian gas, y su salida desde los pulmones por medio de las venas pulmonares. 4) Control de la respiración: Se refiere al control de los centros respiratorios en el Sistema Nervioso Central, que regulan la ventilación para mantener niveles nmmales de 02 y C02 en sangre a pesar de cambios constantes en las demandas metabólicas. Nosotros nos referimos a la ventilación y sus trastornos. VENTILACION Para mover el aire desde el exterior hasta las unidades que intercambian gas, es necesario una fuerza para expander el pulmón y la pared torácida, y además, vencer la resistencia y la inercia que ofrece el árbol traqueobronquial al paso del aire. Normalmente esta fuerza es generada por los músculos de la respiración, pero ocasionalmente es dada por un ventilador. En ambos casos, el volumen de gas que llega a las unidades que intercambian gas, está determinado por las propiedades mecánicas del pulmón, vías aéreas y pared torácica. DATOS DE FATIGA MUSCULAR: Los siguientes datos pueden sugerimos que el paciente se está agotando y requiere vigilancia cuidadosa y eventualmente ventilación mecánica, si el proceso no es revertido rápidamente: 1) TAQUIPNEA, es decir, respiración superficial y rápida. 2) ACIDOSIS O ACIDEMIA RESPIRATORIA A PESAR DE LA TAQUIPNEA. En otras palabras, el paciente respira rápido pero su

PaC02 va subiendo. 3) SUDORACION PROFUSA 4) USO DE LOS MUSCULOS ACCESORIOS DE LA RESPIRACION. 5) FUERZA INSPIRADA NEGATIVA (da una idea de la capacidad que tienen los músculos para inspirar) QUE VA DISMINUYENDO. PROPIEDADES ESTATICAS Son aquellas propiedades del complejo pared-pulmón que no dependen del tiempo. Tanto el pulmón como la pared torácica son estructuras distensibles, con propiedades elásticas. La tendencia normal del pulmón es estar unido al hilio y retraerse hacia éste cuando es distendido. Esta propiedad explica por qué cuando una autopsia se extraen los pulmones de la cavidad torácica, tienden a vaciar su aire y colapsarse. Ello no ocurre en condiciones normales pues la pared torácica sirve como sostén para evitar el colapso completo. Esta propiedad del pulmón de volver a su punto de reposo después de haber sido distendido por una fuerza se llama ELASTANCIA O RETROCESO ELASTICO (también se le conoce en inglés como recoil). Desde el punto de vista práctico, nosotros trabajamos con el concepto inverso de la ELASTANCIA, que es la DISTENSIBILIDAD O COMPLIANCE (francés), que es la capacidad del complejo pared-pulmón de distenderse. Las siguientes ecuaciones expresan dicha relación: ELASTANCIA (E) = cms de agua mi DISTENSIBILIDAD (C)= mi cms de agua La manera normal de medir ambos parámetros, es hacer una curva PRESIONVOLUMEN. Se introduce una sonda en el esófago y con un manómetro de presión se miden los cambios de presión intraesofágica (dichos cambios se supone que reflejan los cambios de presión intrapleural) durante el ciclo respiratorio. El volumen se mide en la

Alvarado, Gutiérrez: Fisiologla y Fisiopatología Respiratoria

boca con un espirómetro. Habitualmente no se mide en el laboratorio la curva presión-volumen, pero pueden ser de mucha ayuda estos valores en el paciente con un ventilador mecánico donde la medición de la distensibilidad normalmente es muy fácil de realizar. El valor normal de la distensibilidad (compliance) del complejo pared-pulmón es de 60-100 ml/cm de agua. Otra forma de estudiar las propiedades estáticas del complejo pared-pulmón es la medición de volúmenes pulmonares y capacidades pulmonares (una capacidad es la suma de dos o más volúmenes) por medio de una ESPIROMETRIA (figura 1).

Figura 1: Espirometría

ePT

La CAPACIDAD VITAL (C.V.): Es el máximo volumen de gas que puede exhalarse después de una inspiración máxima. El VOLUMEN RESIDUAL (V.R.): Es el volumen de gas que permanece en los pulmones después de una espiración máxima. La CAPACIDAD PULMONAR TOTAL (C.P.T.): Es el volumen contenido en el pulmón al final de una inspiración máxima. La CAPACIDAD FUNCIONAL RESIDUAL (C.F.R.): Es el volumen de gas que permanece en los pulmones al final de la posición espiratoria de resposo de los pulmones y la pared torácica.

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El VOLUMEN CORRIENTE (V.C.): Es el volumen de gas inspirado o espirado durante cada respiración. El VOLUMEN DE RESERVA ESPIRATORIO (V.R.E.): VRE= CFR - VR La CAPACIDAD INSPIRATORIA (C.I.): Es la máxima cantidad de aire que puede inhalarse a partir de la posición de reposo espiratoria. El volumen residual y aquellas capacidades de las cuales el volumen residual es parte, no se pueden medir directamente con una espirometría, debido a que el volumen residual no se intercam bia con el aire atmosférico. Esto significa que después de exhalar todo el aire que podamos, continúa existiendo una cantidad significativa de gas remanente dentro de los pulmones, es decir, nunca podemos exhalar tanto como para vaciar nuestros pulmones completamente de aire. Las razones por las cuales existe el volumen residual son fundamentalmente dos: primero, porque el pulmón está adosado a la caja torácica, la cual evita que el pulmón se vacie por completo (recordar que cuando los pulmones son separados de la cavidad torácica, sí se vacían completamente). La segunda razón es que normalmente existe el material surfactante, secretado por los neumocitos tipo 11, constituído fundamentalmente por fosfolípidos, el cual reduce la tensión superficial de los alvéolos. Normalmente las estructuras esféricas como los alvéolos, tienen una tensión superficial que tiende a colapsarlas. Este material surfactante disminuye dicha tensión, evitando el colapso completo y permitiendo a los alvéolos mantener cierta cantidad de aire. Como el volumen residual no está en contacto con el aire atmosférico, ha sido necesario buscar métodos indirectos para poderlo medir. Existen dos métodos bien definidos para dicha medición. Uno es la técnica de dilución gaseosa con Helio, gas que practicamente no se disuelve en la sangre. Otro método es la pletismografía corporal, que se basa en la ley de Boyle. Ambos métodos miden realmente la CFR, y a ésta se le resta el VRE que se puede

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medir en la eSDirometría y así obtener el VR. PROPIEDADES DINAMICAS Son aquellas propiedades que dependen del tiempo. La principal propiedad dinámica de interés en este momento, es la RESISTENCIA DE LAS VIAS AEREAS. Entendiéndose por tal, la resistencia que ofrece el árbol traqueobronquial al paso del aire a través de él. Las resistencias de las vías aéreas, es la diferencia de presi6n entre el alvéolo y la boca, dividida por el flujo de aire. Este último se expresa en litros por segundo (nótese que se introduce el concepto de tiempo, por lo que recalcamos que son, las resistencias de las vías aéreas, una propiedad dinámica). La siguiente ecuaci6n expresa dicha relaci6n. RESISTENCIA= P alveolar - P en la boca = AP = cm H20 FLUJO AEREO V Useg

y Centroamérica

inverso de la resistencia de la vías aéreas, es decir LA CONDUCTANCIA de la vías aéreas (C= llR) con el volumen pulmonar (figura 2b). Evidentemente las unidades de la conductancia son: litroslseglcm H20 en el sistema CGS o litroslseglKPS en el SIU.

Figura 2a Resistencia cm H20 I litros I S8g.

10

Resistencia

5-

O

En el sistema tradicional CGS (cm, gramos, segundos) la presión se mide en cm H20, pero en el sistema moderno SIU (sistema internacional de unidades), la unidad de presión es el kilopascal (Kp). Un Kilopascal, es igual aproximadamente a 0.1 cm H20. Como la resistencia normal de la vía aérea es habitualmente igual o menos de 2-3 cm H20lIls, ello equivale en el SIU a 0.2-0.3 KPSIIIS.

VR

CFR

CPT

Volumen pulmonar

Figura 2b Conductancia Litros I seg I cm H20

FACTORES QUE AFECTAN LAS RESISTENCIAS DE LAS VIAS AEREAS. 40

1) Volumen pulmonar. Las resistencias de las vías aéreas varían en forma inversa con el volumen pulmonar. A como el volumen pulmonar disminuye, aumenta la resistencia de las vías aéreas. La relaci6n sin embargo no es inversamente proporcional, sino más bien hiperb6lica como se nota en la figura 2a. Esta relaci6n curvilínea entre la resistencia de las vías aéreas y el volumen pulmonar puede ser transformada en una relaci6n casi lineal por relacionar el

Conductancia

20

O Volumen pulmonar

VA

CFA

• ePT

Alvarado, Gutiérrez: Fisiología y Fisiopatología Respiratoria

Figura 3 Tracción Radial

Bronquiolo

2) Tracción radial Cuando los alvéolos se distienden ejercen una fuerza centófuga, que distiende lo; bronquiolos a los cuales rodean (figura 3). Al aumentar el volumen pulmonar, por ejemplo desde CFR a CPT, los alvéolos que sc llenan de más aire, distienden las vías aéreas que ellos rodean, aumentando su diámetro y disminuyendo las resistencias de las vías aéreas. 3) La geometría de las vías aéreas. Las vías aéreas pueden dividirse, fisiopatológicamente hablando, en las GRANDES VIAS (desde la tráquea hasta las vías de _dos milímetros de diámetro) y las PEQUENAS VIAS (vías menores de 2 mm de diámetro). Los estudios de resistencias de las vías aéreas han permitido definir que de un 70-80% de la resistencia TOTAL de las vías aéreas, se origina en las grandes vías y el resto en la pequeña vía, lo cual significa que pueden existir procesos patológicos que pueden disminuir el calibre de las vías aéreas pequeñas sin afectar de manera SIGNIFICATIVA la resistencia

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total de la vía aérea. Por esta razón, a estas vías aéreas pequeñas se les ha llamado "la zona silenciosa" del pulmón. PRUEBAS DE FUNCION PULMONAR El papel de las pruebas de función pulmonar debe enforcarse desde su perspectiva correcta, pues rara vez son el factor clave para establecer el factor etiológico en un paciente con enfermedad pulmonar, sino que los diversos tipos de trastornos funcionales son comunes a diversas entidades nosológicas. Estas pruebas permiten disecar los trastornos funcionales permitiendo a partir de ello iniciar un trabajo diagnóstico. También permiten seguir el proceso de un paciente con enfermedad pulmonar crónica y valorar los resultados del tratamiento. Nosotros discutiremos a continuación las pruebas de función pulmonar más sencillas y que podemos practicar en nuestro laboratorio, y que sean de ayuda práctica al médico, sin embargo debe aclararse que la literatura médica se encuentra cada vez más llena de información sobre nuevas pruebas que requerirán estudios prospectivos y el paso del tiempo para poder ocupar un lugar de valor para el médico. 1) ESPIRACION FORZADA

La prueba de función pulmonar más simple y más útil es la espiración forzada. También constituye una de las pruebas más informativas, que sólo exige un equipo mínimo y algunos cálculos sencillos. La mayoóa de los pacientes con enfermedades pulmonares tienen una espiración forzada anormal y con mucha frecuencia las informaciones que se obtiene por esta prueba resultan útiles para el tratamiento. En la figura 4 tenemos el trazado espirométrico cuando el sujeto realiza una inspiración máxima y luego espira al máximo con todas sus fuerzas. El VOLUMEN ESPIRADO FORZADO es el volumen de aire exhalado en el primer segundo (VEFI) y el VOLUMEN ESPIRADO TOTAL es la CAPACIDAD VITAL. Como esta capacidad vital frecuentemente se mide en una espiración forzada se le llama CAPACI-

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DAD VITAL FORZADA (CVF). Nonnalmente el VEFl representa alrededor del 80% de la CVE Ello se conoce como índice de TIFFENEAU. La siguiente ecuación expresa esa relación: TIFFENEAU= VEF 1 X 100% CVF Figura 4

6 Litros

4

CVF

2

-r----i}

1---+---+1

VR

Segundos Medida el volumen espirado forzado (VEF 1) Yde la capacidad vital (CVF)

Figura 5 Curva !lujo yolumen. Individuo nafmal

Espiración

Flujo

(Us) CPT

tt==::::==J-¡---~VR CVF

Inspiración

Volumen (Litros)

y Centroamérica

2) CURVA FLUJO VOLUMEN Si registrarnos la velocidad de flujo yel volumen durante una espiración forzada máxima, obtenemos un modelo como el que se observa en la figura 5. El flujo va en el eje de la Y y el volumen en el eje de la X. Esta curva y otras pruebas (como el volumen de cierre y la distensibilidad dinámica dependiente de la frecuencia, las cuales se reservan para investigación) se han diseñado ante la necesidad de poder detectar obstrucción "temprana de la vía aérea" particularmente aquella que se debe a obstrucción de las vías aéreas pequeñas o periféricas. Nosotros disponemos de la curva flujo-volumen tanto en inspiración como en espiración. Los flujos iniciales dependen del esfuerzo y reflejan propiedades de vías grandes, pero los flujos durante la última parte de la maniobra (es decir cuando nos acercamos a volumen residual), son independientes del esfuerzo y reflejan función o disfunción de pequeñas vías aéreas (además de propiedades mecánicas de los pulmones). De los muchos flujos de pequeña vía áerea con que contamos tales como el FEF 25 (flujo espirado forzado al 2S% de la CVF), FEF SO (flujo espirado forzado al 50% de la CV, expresada en valores absolutos en litros I segundo), FEF 25-7S% (flujo espirado forzado entre el 25% y el 75% de la capacidad vital forzada), y FEF SO% I CVF (es el mismo valor que expresa el FEF 50, pero expresado como un porcentaje de la CV), los dos últimos son los que tienen más valor para ver el estado funcional de la vía aérea pequeña. 3) PLETISMOGRAFIA CORPORAL El concepto de usar pletismografia en el estudio de la función pulmonar se remota a 1882, cuando Pluger midió su propio gas intratorácico por aplicar la ley de Boyle. Con este método se calculan dos aspectos de la función pulmonar: a) Los volúmenes y capacidades incluyendo el volumen residual y la capacidad funcional residual. b) La resistencia de la vía aérea, expre-

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Alvarado, Gutiérrez: Fisiología y Fisiopatología Respiratoria

sada en nuestro pletism6grafo Kilopascalesllitros/segundo.

en Figura 6 Modelos normales, obstructivo y restrictivo de la respiración forzada.

TRASTORNOS DE LA VENTlLACION 1) TRASTORNOS OBSTRUCTlVOS. Las enfermedades obstructivas del aparato respiratorio son muy comunes. Se caracterizan por aumento de las resistencias al flujo aéreo (algo se opone a la salida del aire) y pueden ser ocasionadas por alteraciones a varios niveles. Pueden estar dentro de la luz del conducto aéreo (bronquitis cr6nica, bronquiectasias, brocoaspiraci6n de líquido, secreciones retenidas como en el post-operatorio, etc.). Pueden localizarse en la pared del bronquio (asma bronquial) y en el exterior de las vías aéreas (enfisema, compresi6n por un ganglio linfático inflamado o una neoplasia, edema peribronquiolar, etc.). El trazado espirométrico de un problema obstructivo puede verse en la figura 6. Se caracteriza por tener un VEFI disminuído, pero como la capacidad vital no está tan disminuída pues se le da tiempo al paciente de que la saque, el índice de Tiffeneau está disminuído. Ya lo que sale en el primer segundo no es el 80% de la capacidad vital. Es menos, pues hay algo que obstruye la salida del gas, enlenteciendo la expulsi6n del aire y disminuyendo el volumen del mismo que puede sacarse en ese primer segundo. Esta obstrucei6n también se va a caracterirzar porque en la pletismografía se va a encontrar un aumento de la resistencia de la vía aérea (sobretodo de la espiratoria) y debido a la obstrucci6n se producirá atrapamiento de aire. Este último fen6meno se nota claramente en la espirometría, pues hay aumento del volumen residual, y por lo tanto, puede encontrarse aumento de las capacidades que lo contienen, tales como la CFR y/o la CPT. También se puede evidenciar en un aumento del volumen de reserva espiratono.

A: Norrrol

lnros

IS~G

B: Obstruclivo

n:

VEF,. 4.0 l CVF =5.0 l %=80

C: Restrictivo

q\JT Is1G

VEF, =1.3l CVF.3.1l %=42

I

VEF, =2.8l CVF =3.1l %.90

2) TRASTORNOS RESTRICTIVOS Los trastornos restrictivos se caracterizan porque el trazado espirométrico muestra una CV reducida, pero el paciente puede exhalar rápidamente, de manera que aunque el VEF 1 es bajo, el índice de Tiffeneau es normal o incluso aumentado. En otras palabras, el VEFl está disminuído porque la CV está disminuída, pero como no existe un trastorno obstructivo en las grandes vías, el paciente puede sacar al menos el 80% de su CV en el primer segundo. La resistencia de la vía aérea es normal (al menos en las grandes vías) y la espirometría mostrará volúmenes y capacidades reducidas, es decir, todo lo contrario del proceso obstructivo en el cual hay atrape de gas. Por supuesto que pueden existir trastornos mixtos. El común denominador de los trastornos restrictivos es una expansi6n pulmonar disminuída, raz6n por la cual la distensibilidad (o compliance) estará disminuida. El origen del problema puede estar en el parénquima pulmonar (fibrosis pulmonar por ejemplo) o fuera del mismo. Por ejemplo trastornos de la pleura (derrame pleural, neumat6rax, paquipleuritis), trastornos de la pared torácica (cifoescoliosis, espondilitis anquilosante) trastornos neuromus-

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culares (poliomielitis, esclerosis lateral amiotr6fica, Guillain-Barré, neuropatía periférica, miastenia gravis, polimiositis, y un largo etc.) Para disecar si el origen del trastorno radica en el intersticio pulmonar o fuera de él, hay dos estudios que se pueden hacer. Uno de ellos es la CAPACIDAD DE DIFUSION. Este procedimiento se realiza por medio del método del ESTADO ESTABLE (el otro método es por medio de la RESPIRACION UNICA, que es el que usamos en el HSID). El individuo respira una baja concentraci6n de MONOXIDO DE CARBONO (más o menos 0.1 %) alrededor de medio minuto, hasta alcanzar un estado constante. El índice de desaparición del monóxido de carbono en el gas alveolar se mide durante un breve período adicional junto con la concentración alveolar. El valor normal es en reposo de 25 mVminuto/mm Hg y es dos a tres veccs mayor durante el esfuerzo. En el sistema actual de unidades SIU, el valor es muy variable, dependiendo de variaciones antropométricas, pero en general es de 8-10 mmoVminuto/kiJopascales. Si la difusi6n se encuentra disminuída, ello es índice de que la patología restrictiva radica en el intersticio pulmonar. El otro examen que puede sugerir que la patología radica en el intersiticio es la gasometría post-esfuerzo. En la figura 7 vemos que en el gl6hulo rojo que entra en el capilar, la P02 normal es de unos 40 mm Hg. Del otro lado de la barrera hematogaseosa, a menos de media micra de distancia, hay una P02 alveolar de 100 mm Hg. El oxígeno se desplaza siguiendo este gradiente de presi6n, y la P02 del glóbulo rojo aumenta con rapidez; en efecto, como vimos, se aproxima mucho a la P02 del gas alveolar para el momento en que el glóbulo rojo ha recorrido más o menos la tercera parte de su trayecto en el capilar. Por lo tanto, en circunstancias normales, la diferencia de P02 entre el gas alveolar y la sangre en el capilar terminal es ínfima, pues apenas llega a ser una fracción de l mm Hg. En otras palabras, el pulmón normal posee una gran reserva para la difusión. Durante el

ejercicio intenso, el flujo sanguíneo pulmonar aumenta mucho, y el tiempo que el glóbulo rojo permanece en el capilar, que es de unos 3/4 de segundo, puede quedar reducido solo a una tercera parte. Al abreviarse tanto el tiempo de oxigenación, se ponen a prueba las reservas de difusión del pulmón, pero en los sujetos normales que respiran aire ambiente, a pesar de todo no se registra ninguna reducción perceptible de la P02 en el capilar terminal. Sin embargo, si la barrera hemato-gaseosa está tan engrosada que la difusión del oxígeno se comprometa, la P02 de los glóbulos rojos aumenta con lentitud y es probable que la P02 sanguínea no llegue a igualar la del gas alveolar antes de que se agote el tiempo disponible para la oxigenación en el capilar. En estos casos, puede ocurrir una diferencia medible alvéolocapilar de P02 durante el esfuerzo. Una caída de la P02 con el esfuerzo de 6 o más milímeFigura 7. EvoluciOl1 cronol6gica del oxigeno en el ~ilaI pulmonil" ruando la difusión es normal y anormal (por ejemplo, por engrosamiento de la rrerrbril"la alY!olo-