Principios generales de la fisica de los gases



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TRT= Presiones Elásticas ( P elast. ) + TRF



RESISTENCIA A LA VENTILACIÓN.-

Las fuerzas que se oponen a la ventilación comprenden:



1.- Resistencias Elásticas a la Ventilación.- son las fuerzas necesarias para vencer las propiedades elásticas del sistema tórax-pulmon e incluye:

--- Compliance.- es el componente principal de las resistencias elásticas.

--- Tensión Superficial.- es un componente secundario de las resistencias elásticas.

2.- Resistencias no Elásticas a la Ventilación.- son las fuerzas necesarias para vencer la resistencia friccional al flujo de gas y el desplazamiento tisular. Comprende:

---Resistencia de las Vías Aéreas. ( RVA ).

---Resistencia Viscosa Tisular. ( es la fuerza necesaria para movilizar las estructuras no elásticas ). Proporciona el 15% de las resistencias no elásticas.

RESISTENCIA DE LAS VÍAS AÉREAS.-

Proporciona el 85% de la resistencia no elástica de las vías aéreas. La resistencia (R) a un fluido ya sea liquido o gaseoso que fluye a través de un sistema de tubos como el árbol traquebronquial depende de la diferencia de presión entre el principio y el final de los tubos ( P ) y el flujo a través del sistema. ( Q )

R= P/Q

La RVA esta influida por diferentes variables entra las que se encuentran:



  1. Volumen Pulmonar.-

  2. Retroceso Elástico.- influye sobre el diámetro de bronquios y bronquiolos.

  3. Geometría de las vías aéreas.- los cambios en la configuración del pulmón dependen de la presión transmural a través de sus paredes y de la distensibilidad y espesor de los elementos que forman las paredes.

  4. Calibre de las vías aéreas.- aunque el diámetro de las generaciones sucesivas de las vías aéreas se va reduciendo, el área total de corte transversal aumenta progresivamente desde los bronquios principales a las vías aéreas periféricas, por lo que la resistencia de las vías aéreas disminuye desde las centrales a las periféricas. El 80% de la resistencia total de las vías aéreas se origina en las vías aéreas de mas 2 mm de diámetro; al nivel de los bronquiolos esta casi ausente y el movimiento de gas resulta de difusión.

La RVA normal es de 0,6 a 2,4 cm H2O/l/seg cuando se mide a un flujo de 0,5 l/seg. Y puede calcular a través de la ecuación siguiente:

RVA = Presión Pico – Presión Meseta / Flujo

La RVA aumenta cuando la luz de las vías aéreas disminuye como se ve en el broncoespasmo, el edema de la mucosa y la obstrucción parcial de las vías aéreas.
TIPOS DE FLUJO DE GASES.-

El flujo de gas se define como el volumen de un gas que pasa por un punto en una unidad de tiempo. Se expresa en litros por minuto ( l/min ) o litros por segundo ( l/seg ). Existen 2 tipos de flujo que se presentan en las vías aéreas.



1.- Flujo Laminar.- se produce durante el paso de un gas a través de un tubo rígido y recto; en el las moléculas en el centro del sistema encuentran menor resistencia friccional y se mueven a mayor velocidad que las laterales. En el flujo laminar, la presión necesaria para vencer la resistencia al paso del gas es directamente proporcional al flujo. En las vías respiratorias este flujo se producen en las vías aéreas periféricas donde la velocidad de la corriente de gas es poca debido a que el área de corte transversal es grande. Se calcula por la ecuación:

R = P/V donde: R=resistencia. P=diferencia de presión V=Flujo



2.- Flujo Turbulento.- se debe al paso de un gas a través de un conducto ramificado; ocurre un patrón de flujo desigual, brusco, rudo, pues todas las moléculas chocan con las paredes provocando un incremento de la resistencia que las afecta a todas. En este tipo de flujo la presión necesaria para vencer la resistencia al paso del gas esta relacionada directamente con el cuadrado del flujo. En la vías aéreas este flujo se produce en las vías aéreas mas centrales donde las velocidades son altas porque el área de sección transversal es mas pequeño. Se puede calcular por la ecuación:

R = P/V2

El gradiente de presión necesario para mantener un flujo turbulento es mucho mas amplio que el necesitado para mantener un flujo laminar.

En el árbol traqueobronquial se produce una combinación de flujo laminar y flujo turbulento.



NUMERO DE REYNOLD ( NR ).- permite conocer cuando el flujo a través de un sistema es laminar o turbulento. Se obtiene a partir de la conjugación de variaciones en el diámetro de las vías aéreas, la velocidad del paso del aire, la densidad del gas y la viscosidad. Si el valor es de 2000 o mayor, el flujo en el sistema debe ser fundamentalmente turbulento, mientras que si esta por debajo de estas cifra debe predominar el flujo laminar.

NR= diámetro x velocidad x densidad/ viscosidad.


PRESIONES INTRAPLEURAL E INTRAPULMONAR.-

Los pulmones tienen una tendencia elástica constante al colapso que depende de la presencia de fibras elásticas ( 1/3 de la tendencia al colapso ) y de la tensión superficial de los líquidos que recubren los alvéolos ( 2/3 de la tendencia al colapso ) que tienden a separarlos de la pared torácica y que asociadas a los vectores opuestos de las fuerzas de la elastancia pulmonar y torácica, provocan la aparición de una presión intrapleural subatmosférica ( negativa ) que es igual a la presión intratorácica y que a su vez impide que se produzca el colapso pulmonar. A nivel de la capacidad residual funcional ( CRF ) la presión intrapleural se mantiene alrededor de – 5 cmH2O ( comparada con la atmosférica ) lo que provoca un gradiente de presión entre el espacio alveolar y el pulmón o presión transpulmonar. Durante la inspiración normal la presión intrapleural desciende de – 5 cm H2O a – 9 cm H2O causando incremento de la presión transpulmonar. Durante la espiración la presión intrapleural regresa a – 5 cm H2O, manteniéndose a nivel subatmosférico durante el reposo ventilatorio.

Conceptualmente la presión transpulmonar ( Ptp ) es la diferencia o gradiente de presiones existentes entre la presión atmosférica ( a nivel de la boca )( P atm. ) y la presión negativa intrapleural. ( Ppl ).
Ptp = P atm – Ppl
Cuando se produce la inspiración, el aumento del gradiente de presión transpulmonar que es atmosférica en la boca y subatmosférica a nivel de los alvéolos, causa movimiento del gas al interior de las vías aéreas; el aire fluye de la boca al alvéolo hasta que no existe gradiente de presión, lo que ocurre cuando las presiones alveolares se han vuelto atmosféricas en un nivel dado de presión intrapleural o cuando la resistencia a la deformación del aparato respiratorio es demasiado grande para permitir el flujo. En la inspiración normal la presión intrapulmonar alcanza valores de – 3 cmH2O que regresan a la línea de base o presión atmosférica al final de la inspiración. Durante la espiración la presión intrapulmonar aumenta a +3 cm H2O que regresa al final de la misma a los valores basales de presión atmosférica.

DISTRIBUCION DE LA VENTILACIÓN.-

La ventilación no se distribuye de forma uniforme en los pulmones, y en realidad tiene una distribución desigual que se debe a 3 factores:

1.- Las variaciones en la compliance y la resistencia de las vías aéreas en las bases y los vértices.

2.- Las variaciones regionales de la presión transpulmonar a través del tracto respiratorio.- en posición vertical el gradiente de presión transpulmonar es mayor en los vértices que en las bases, lo que depende del peso del pulmón, del efecto de la gravedad sobre el sistema ( el flujo es mayor en áreas dependientes ), del apoyo del pulmón y del hilio y del contenido abdominal. Debido a esto los alvéolos en los vértices tienen mayor volumen e nivel de CRF que en las bases.

3.- Como resultado de las diferencias en los gradientes de presión transpulmonar tenemos que los alvéolos de los vértices se llenan y vacían lentamente y los de las bases los hacen rápidamente y además en condiciones de intercambio normal la mayor parte de la ventilación se dirige hacia las bases.

El aire que penetra a la vía aérea se distribuye en 2 formas fundamentales:



1.- Ventilación Alveolar.- es el aire que llega a los alvéolos y esta en contacto con los capilares pulmonares participando en el intercambio gaseoso. Es uno de los factores principales que rigen las concentraciones de oxigeno y anhídrido carbónico. El volumen de aire que penetra a los alvéolos con cada respiración es igual al volumen corriente ( Vt ) menos el volumen del espacio muerto ( Vd ), por lo que podemos decir que la ventilación alveolar por minuto ( VAM ) es igual a la frecuencia respiratoria ( FR ) por la diferencia entre el Vt y Vd siendo se valor normal de 2 a 2,5 l/min

VAM = FR ( Vt – Vd )



2.- Ventilación del Espacio Muerto.- es la parte del aire que penetra en las vías aéreas y no participa en el intercambio gaseoso, podemos dividirlo en espacio muerto anatómico y fisiológico.

---Espacio Muerto Anatómico ( EMA ).- comprende todo el aire que ocupa las vías nasales, boca, faringe, laringe, traquea y bronquios ( desde las narinas y boca hasta los bronquiolos ) donde no hay intercambio de gases. Normalmente se considera que es de 2ml/ Kg o 1 ml/ libra de peso corporal .Se puede calcula por la formula:

EMA= Vt(CCO2 final espiración – CCO2 espiración mezclada)/(CCO2 final espiración – CO2 inspirado)

Donde: Vt= volumen tidal CCO2- concentración de dióxido de carbono.
---Espacio Muerto Fisiológico ( EMF ).- incluye todo el aire no disponible para el intercambio gaseoso, tanto el que se encuentra en el espacio muerto anatómico como el que ocupa los alvéolos no funcionantes por ausencia o disminución marcada del flujo sanguíneo y los alvéolos hiperdistendidos. Se calcula por la ecuación de Bohr modificada por Enghoff:

EMF = Vt ( PaCO2 – PECO2 )/ PaCO2


---Espacio Muerto Extra o Adicional.- es el aire que se encuentra en el interior de la mangueras de los equipos de ventilación, mascaras faciales, etc.
DISTRIBUCION DE LA PERFUSION.-

La principal función de la circulación pulmonar es la entrega de sangre en forma de una película delgada a las unidades de intercambio gaseoso para que puedan realizar la transferencia de gases ( captación de oxigeno y eliminación de CO2 ). La perfusión comprende el flujo de sangre venosa a través de la circulación arterial pulmonar, la distribución de la sangre a las unidades de intercambio de gas y la eliminación de la sangre de los pulmones a través de la venas pulmonares. En condiciones normales los pulmones reciben todo el volumen minuto cardiaco proveniente del ventrículo derecho.

La distribución del flujo sanguíneo pulmonar es mayor en las bases que en los vértices lo que depende de la relación entre la presión hidrostática pulmonar y el gradiente de presión transpulmonar.

Como el sistema vascular pulmonar es un sistema de baja presión, en posición de pie las bases reciben mayor flujo que los vértices, pero en decúbito supino aumenta la perfusión a nivel de los vértices y se hace igual a las bases, pudiendo ser superior en la regiones posteriores y durante el ejercicio la perfusión aumenta mas en los vértices que en las bases y la distribución se hace mas uniforme. En general podemos decir que las áreas dependientes de gravedad reciben mayor flujo sanguíneo que las áreas no dependientes.


RELACIÓN VENTILACIÓN – PERFUSION.-

Los pulmones reciben 2,8 l/m2 de superficie corporal de aire y 3,5 l/m2 de superficie corporal de sangre por lo que la proporción ventilación ( V ) / perfusión ( P ) del pulmón es de 0,8 ( 2,8/3,5 ), pero como ni la ventilación ni la perfusión tienen una distribución homogénea a través de todo el pulmón, esta relación es variable siendo de alrededor de 3,3 en los vértices y de 0,6 en la bases.

La relación normal entre la ventilación y la perfusión muestra que las bases están mejor perfundidas y ventiladas que los vértices; pero sin embargo los ápices están mejor ventilados que perfundidos y las bases están mejor perfundidas que ventiladas. El flujo sanguíneo es mayor en las regiones inferiores de los pulmones donde la presión arterial pulmonar es máxima y es menor en las regiones superiores donde la presión arterial pulmonar es mínima. La perfusión disminuye de las bases a los vértices mas rápidamente que la ventilación lo que hace que la relación V/Q no sea constante y disminuya de las bases a los vértices, lo que significa que los alvéolos de las bases sean ligeramente hiperperfundidos en relación a la ventilación mientras que en los vértices son hipoperfundidos.

AREAS DE WEST.- basándose en estos hechos mencionados en el párrafo anterior West dividió el pulmón en 3 áreas o zonas.
AQUÍ VA EL DIBUJO DE Zona 1:- P alv > Ppa > Ppv

PULMÓN CON LAS AREAS Zona 2:- Ppa> P alv > Ppv


Zona 3:- Ppa > Ppv > P alv

Donde: P alv = presión alveolar. Ppa= presión arterial pulmonar Ppv = presión venosa pulmonar.

---En la zona 1 los alvéolos están hipoperfundidos pues la presión alveolar es mayor que la presión arterial pulmonar.

---En la zona 2 la perfusión depende de la diferencia entre la presión arterial pulmonar y la presión alveolar, aumentando la primera linealmente hacia las regiones declives mientras que la segunda permanece constante.

---En la zona 3 la perfusión depende de la diferencia entre la presión arterial pulmonar y la presión venosa pulmonar ya que ambas son mayores que la presión alveolar y contrarrestan los efectos de compresión sobre los capilares pulmonares que produce esta.

En sujetos sanos en posición erecta la mayor parte del pulmón se encuentra en la zona 3, existe una pequeña porción en la zona 2 y no existe la zona 1. Cuando se reduce la ventilación y se produce hipoxia alveolar ocurre vasoconstricción pulmonar, desplazándose el flujo sanguíneo desde las regiones menos ventiladas a las mejor ventiladas con lo que se restablece el equilibrio entre la ventilación y la perfusión.



DIFUSION.-


Es el proceso esencial mediante el cual el oxigeno es incorporado al organismo y el CO2 es eliminado del mismo que ocurre debido al paso de las moléculas de O2 y CO2 a través de la membrana alveolo-capilar con paso de las moléculas desde regiones de mayor concentración a otras de concentración mas baja. Es un proceso pasivo que resulta de la movilización cinética de las moléculas y no necesita energía extra. La movilización inicial del O2 a través de la barrera aire-sangre tiene lugar entre el gas alveolar y el plasma, pero cuando las moléculas de O2 comienzan a acumularse en el plasma, se establece una nueva diferencia de concentración entre el O2 plasmático y el que se encuentra en el interior de los hematies, difundiendo el O2 al interior de los mismos donde la mayor parte se combina con la hemoglobina. ( 1 gramo de hemoglobina transporta 1,39 ml de O2 ).

En el pulmón el O2 difunde del gas alveolar hacia la sangre capilar porque la presión alveolar de O2 ( PAO2 ) es mayor que la presión de O2 en el capilar pulmonar. A nivel periférico, la presión de O2 en la sangre capilar es mas alta que a nivel tisular con difusión del O2 al interior de las células.

Por medio de la difusión un gas puede ocupar el contenido de un recipiente en su totalidad distribuyéndose de forma homogénea como si el solo estuviera presente. La proporción de difusión de un gas a través de otro gas se relaciona de forma directamente proporcional con el gradiente de concentración, la temperatura del sistema y el área de sección transversal e indirectamente proporcional con el peso molecular y la longitud de las vías de difusión (distancia que el gas tiene que recorrer para difundir ).

La distancia que tiene que recorrer un gas para difundir o longitud de las vías de difusión comprende el diámetro del alvéolo y las estructuras que tiene que atravesar la molécula de gas alveolar hasta alcanzar la hemoglobina con la que se combina químicamente. Entre estas estructuras que atraviesan las moléculas de gas encontramos:

1.- Revestimiento de sustancia tensioactiva.

2.- Membrana epitelial alveolar ( esta formada por 3 tipos de células, los neumocitos I, II y III ).

3.- Membrana endotelial capilar

4.- Espacio intersticial.

5.- Capa de plasma en la sangre capilar.

6.- Membrana eritrocitaria.

7.- Liquido intracelular en el eritrocito.

La difusión puede alterarse cuando las vías se hacen mayores, lo que ocurre ante determinadas situaciones como son:

1.- Engrosamiento de la pared alveolar debido a crecimiento de tejido fibroso o a la presencia de células alveolares adicionales.

2.- Engrosamiento de la membrana capilar.

3.- Separación de las 2 membranas por liquido de edema intersticial y exudados.

4.- Presencia de liquido o exudado intralveolar.

5.- Dilatación de los capilares.

6.- Alteración de la membrana o la forma del eritrocito aumentando la vía de difusión ( es un concepto teórico que no ha sido descrito en la practica ).

En todas estos trastornos hay bloqueo físico a la difusión, denominándose en conjunto bloqueo alveolo-capilar.

En realidad la difusión del O2 y el CO2 se efectúa entre los gases y los tejidos o sea entre una fase gaseosa y una liquida por lo que es importante considerar la solubilidad de los gases en los líquidos que esta regida por la Ley de Henry que establece que la cantidad ( volumen ) de un gas que puede disolverse en un liquido se relaciona directamente con la presión parcial del gas sobre el liquido, e indirectamente con la temperatura del sistema. Esta ley se aplica a los gases que no se combinan químicamente con el solvente y expresa el coeficiente de solubilidad de los gases en los líquidos.

---Coeficiente de solubilidad del O2 en el plasma= 0,023 ml O2/ml sangre/760 mmHg de PO2.

---Coeficiente de solubilidad del CO2 en el plasma = 0,510 ml CO2/ ml sangre/ 760 mmHg de PCO2.

Las solubilidades relativas del O2 y CO2 expresan los ml del gas que se disuelven en 1 ml de agua a 37 *C cuando la presión de dicho gas esta a una atmósfera y se puede calcular por la siguiente ecuación:

Solubilidad del CO2 0,510 22



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