Boundless Anatomy and Physiology

Pressure Changes During Pulmonary Ventilation

Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.

Learning Objective

Differentiate among the types of pulmonary ventilation: minute, alveolar, dead space

Key Takeaways

Key Points

  • Ventilation is the rate at which gas enters or leaves the lung.
  • The three types of ventilation are minute ventilation, alveolar ventilation, and dead space ventilation.
  • The alveolar ventilation rate changes according to the frequency of breath, tidal volume, and amount of dead space.
  • La PA se refiere a la presión parcial alveolar de un gas, mientras que la Pa se refiere a la presión parcial de ese gas en la sangre arterial.
  • El intercambio de gases se produce por difusión pasiva porque la PAO2 es mayor que la PaO2 en la sangre desoxigenada.
    • Términos clave

      • Ventilación: El proceso corporal de la respiración, la inhalación de aire para proporcionar oxígeno y la exhalación del aire gastado para eliminar el dióxido de carbono.
      • Presión parcial: La presión ejercida por un gas, ya sea en el aire o disuelto, que indica la concentración de ese gas.

Los tipos de tasas de ventilación

En fisiología respiratoria, la tasa de ventilación es la velocidad a la que el gas entra o sale del pulmón. La ventilación se expresa generalmente como el volumen de aire por una frecuencia respiratoria.

El volumen de aire puede referirse al volumen corriente (la cantidad inhalada en una respiración media) o a algo más específico, como el volumen del espacio muerto en las vías respiratorias. Los tres tipos principales de índices de ventilación utilizados en fisiología respiratoria son:

  1. Ventilación por minuto (VE): La cantidad de aire que entra en los pulmones por minuto. Se puede definir como \text{VE}=\text{Volumen corriente}\times{text{Respiraciones por minuto}
  2. Ventilación alveolar (VA): Es la cantidad de gas por unidad de tiempo que llega a los alvéolos y se involucra en el intercambio de gases. Se define como \text{VA}=(\text{Volumen Tidal}-\text{Volumen en el Espacio Muerto})\text{Ritmo Respiratorio}
  3. Ventilación en el Espacio Muerto (VD): Es la cantidad de aire por unidad de tiempo que no interviene en el intercambio de gases, como el aire que permanece en las zonas conductoras. Se define como \text{VD}=\text{Volumen de espacio muerto}\times{Ritmo respiratorio}.
  4. Además, la ventilación minuto puede describirse como la suma de la ventilación alveolar y la del espacio muerto, siempre que el ritmo respiratorio utilizado para derivarlas sea en términos de respiraciones por minuto.

    Los tres tipos de ventilación están matemáticamente relacionados entre sí, por lo que los cambios en un ritmo de ventilación pueden provocar el cambio de los otros. Esto es más evidente en los cambios del volumen del espacio muerto. Respirar a través de un tubo de buceo y tener una embolia pulmonar aumentan la cantidad de volumen de espacio muerto (a través del espacio muerto anatómico frente al alveolar, respectivamente), lo que reducirá la ventilación alveolar.

    La ventilación alveolar es el tipo de ventilación más importante para medir cuánto oxígeno entra realmente en el cuerpo, lo que puede iniciar mecanismos de retroalimentación negativa para intentar aumentar la ventilación alveolar a pesar del aumento del espacio muerto. En particular, el cuerpo generalmente intentará combatir el aumento del espacio muerto aumentando la frecuencia de las respiraciones para intentar mantener niveles suficientes de ventilación alveolar.

    Presión parcial de los gases

    Este es un diagrama del intercambio de gases en los pulmones. Muestra el aveoli eliminando el dióxido de carbono de la sangre y luego añadiendo oxígeno a la sangre.

    Intercambio gaseoso en los pulmones: Diagrama del intercambio gaseoso en los pulmones.

    Cuando los gases se disuelven en el torrente sanguíneo durante la ventilación, generalmente se describen por la presión parcial de los gases. La presión parcial se refiere más específicamente a la concentración relativa de esos gases por la presión que ejercen en estado disuelto.

    En fisiología respiratoria, PAO2 y PACO2,se refieren a las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en los alvéolos.

    PaO2 y PaCO2 se refieren a las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono dentro de la sangre arterial. Las diferencias en las presiones parciales de los gases entre el aire alveolar y el torrente sanguíneo son la razón por la que el intercambio de gases se produce por difusión pasiva.

    En condiciones normales, la PAO2 es de unos 100 mmHg, mientras que la PaO2 es de 80-100 mmHg en las arterias sistémicas, pero de 40-50 mmHg en la sangre desoxigenada de la arteria pulmonar que va a los pulmones.

    Recordemos que los gases viajan desde zonas de alta presión a zonas de baja presión, por lo que la mayor presión de oxígeno en los alvéolos en comparación con la de la sangre desoxigenada explica por qué el oxígeno puede difundirse pasivamente en el torrente sanguíneo durante el intercambio de gases.

    A la inversa, la PACO2 es de 35 mmHg, mientras que la PaCO2 es de unos 40-45 mmHG en las arterias sistémicas y de 50 mmHg en la arteria pulmonar. La presión parcial, y por tanto la concentración de dióxido de carbono, es mayor en los capilares de los alvéolos en comparación con el aire alveolar, por lo que el dióxido de carbono se difundirá de forma pasiva desde el torrente sanguíneo hacia los alvéolos durante el intercambio de gases.

    Además, dado que la PaCO2 es un indicador de la concentración de dióxido de carbono en la sangre arterial, puede utilizarse para medir el pH sanguíneo e identificar los casos de acidosis y alcalosis respiratoria.

    Inspiración

    La inhalación es el flujo de aire hacia un organismo que se debe a una diferencia de presión entre la atmósfera y el alvéolo.

    Objetivo de aprendizaje

    Resumir la mecánica de la inspiración

    Puntos clave

    Puntos clave

    • En los seres humanos, la inspiración es el flujo de aire hacia un organismo desde el entorno externo, a través de las vías respiratorias y hacia los alvéolos.
    • La inspiración comienza con el inicio de una contracción del diafragma, que da lugar a la expansión de las cavidades torácica y pleural y a una disminución de la presión (también llamada aumento de la presión negativa).
    • Hay muchos músculos accesorios que participan en la inhalación, como los músculos intercostales externos, los músculos escalenos, el músculo esternocleidomastoideo y el músculo trapecio.
    • Respirar sólo con los músculos accesorios en lugar de con el diafragma se considera ineficiente, y proporciona mucho menos aire durante la inhalación.
    • La presión negativa en la cavidad pleural es suficiente para mantener los pulmones abiertos a pesar de la elasticidad inherente del tejido. La cavidad torácica aumenta de volumen provocando una caída de la presión (un vacío parcial) dentro del propio pulmón.
    • Mientras la presión dentro de los alvéolos sea inferior a la presión atmosférica, el aire seguirá moviéndose hacia el interior, pero en cuanto la presión se estabiliza el movimiento del aire se detiene.
      • Términos clave

        • Inspiración: La aspiración de aire hacia los pulmones, realizada en los mamíferos mediante la elevación de las paredes torácicas y el aplanamiento del diafragma.
        • Músculos accesorios: Músculos que ayudan a expandir pequeñas partes de la cavidad torácica, trabajando además del diafragma o sustituyéndolo si el diafragma se lesiona.
        • Presión intrapleural: La presión dentro de la cavidad pleural, que es negativa en comparación con el aire exterior y se vuelve aún más negativa durante la inspiración.

    La inspiración se refiere a la inhalación: es el flujo de la corriente respiratoria en un organismo. En los seres humanos es el movimiento del aire ambiental a través de las vías respiratorias y hacia los alvéolos de los pulmones.

    El proceso de la inspiración

    La inspiración comienza con la contracción del diafragma, que da lugar a la expansión de la cavidad torácica y la cavidad pleural. La cavidad pleural normalmente tiene una presión más baja en comparación con el aire ambiente (-3 mmHg normalmente y típicamente -6 mmHg durante la inspiración), por lo que cuando se expande, la presión dentro de los pulmones disminuye.

    La presión y el volumen están inversamente relacionados entre sí, por lo que la caída de la presión dentro del pulmón aumenta el volumen de aire dentro del pulmón al atraer el aire exterior hacia el pulmón. A medida que el volumen de aire dentro del pulmón aumenta, el pulmón empuja hacia atrás contra la cavidad pleural expandida como resultado de la caída de la presión intrapleural (presión dentro de la cavidad pleural).

    La fuerza de la presión intrapleural es incluso suficiente para mantener los pulmones abiertos durante la inspiración a pesar del retroceso elástico natural del pulmón. Los sacos alveolares también se expanden al llenarse de aire durante la inspiración, lo que contribuye a la expansión en el interior del pulmón.

    Con el tiempo, la presión en el interior del pulmón se vuelve menos negativa a medida que aumenta el volumen en el interior del pulmón y, cuando la presión y el volumen se estabilizan, el movimiento del aire se detiene, la inspiración termina y la espiración (exhalación) comenzará. Las respiraciones más profundas tienen volúmenes corrientes más altos y requieren una mayor caída de la presión intrapleural en comparación con las respiraciones menos profundas.

    Este es un dibujo esquemático de todo el tracto respiratorio, incluye detalles internos como el aveolo. Ilustra el tracto respiratorio como un sistema complejo y conectado donde la resistencia en cualquier parte del mismo puede causar problemas.

    Sistema respiratorio: La resistencia en cualquier parte del tracto respiratorio puede causar problemas.

    Músculos accesorios de la inspiración

    El diafragma es el músculo principal que interviene en la respiración, sin embargo varios otros músculos juegan un papel en ciertas circunstancias. Estos músculos se denominan músculos accesorios de la inhalación.

    • Músculos intercostales externos: Músculos situados entre las costillas que ayudan a la expansión de la cavidad torácica y de la cavidad pleural durante la inspiración tranquila y forzada.
    • Músculos del escaleno: Músculos del cuello que levantan las costillas superiores (y la cavidad torácica alrededor de las costillas superiores) para ayudar a la respiración. Proporcionan un mecanismo de inspiración cuando el diafragma está lesionado y no puede contraerse normalmente.
    • Músculo esternocleidomastoideo: Músculos que conectan el esternón con el cuello y permiten la rotación y el giro de la cabeza. Pueden levantar las costillas superiores al igual que los músculos escalenos.
    • Músculo trapecio: Músculos de los hombros que retraen la escápula y expanden la parte superior de la cavidad torácica.
    • Los músculos accesorios ayudan a la respiración expandiendo la cavidad torácica de forma similar al diafragma. Sin embargo, expanden una parte mucho menor de la cavidad torácica en comparación con el diafragma. Por lo tanto, no deben utilizarse como mecanismo principal de inhalación, ya que toman mucho menos aire en comparación con el diafragma, lo que resulta en un volumen corriente mucho menor.

      Por ejemplo, los cantantes necesitan mucho aire para soportar la potente producción de voz necesaria para cantar. Un problema común en los cantantes noveles es respirar con los músculos accesorios del cuello, los hombros y las costillas en lugar de con el diafragma, lo que les proporciona un suministro de aire mucho menor que el necesario para cantar correctamente.

      Exhalación

      La exhalación (o espiración) es el flujo de la corriente respiratoria fuera del organismo.

      Objetivo de aprendizaje

      Resumir la mecánica de la espiración

      Puntos clave

      Puntos clave

      • En los seres humanos, la espiración es el movimiento del aire fuera de los bronquios, a través de las vías respiratorias, hacia el ambiente externo durante la respiración.
      • La exhalación es un proceso pasivo debido a las propiedades elásticas de los pulmones.
      • Durante la exhalación forzada, los músculos intercostales internos que bajan la caja torácica y disminuyen el volumen torácico, mientras que los músculos abdominales empujan hacia arriba el diafragma, lo que hace que la cavidad torácica se contraiga.
      • La relajación del diafragma torácico provoca la contracción de la cavidad pleural que ejerce presión sobre los pulmones para expulsar el aire.
      • El control cerebral de la espiración puede desglosarse en control voluntario y control involuntario.
        • Términos clave

          • Músculos intercostales: Los músculos intercostales son varios grupos de músculos que discurren entre las costillas y ayudan a formar y mover la pared torácica.
          • Exhalación: El acto o proceso de exhalar, o de enviar en forma de vapor o vaho; evaporación.

      La exhalación, también llamada espiración, es el flujo de la corriente respiratoria fuera del organismo. El propósito de la exhalación es eliminar los residuos metabólicos, principalmente el dióxido de carbono del cuerpo a partir del intercambio de gases. La vía de exhalación es el movimiento del aire fuera de la zona conductora, hacia el medio externo durante la respiración.

      Este es un dibujo esquemático de todo el tracto respiratorio, incluye detalles internos como el aveolo. Ilustra el tracto respiratorio como un sistema complejo y conectado donde la resistencia en cualquier parte del mismo puede causar problemas.

      Sistema respiratorio: A medida que el diafragma se relaja, la cavidad pleural se contrae, lo que ejerce presión sobre los pulmones, lo que reduce el volumen de los pulmones a medida que el aire es empujado pasivamente fuera de los pulmones.

      El proceso de espiración

      La espiración es típicamente un proceso pasivo que ocurre a partir de la relajación del músculo del diafragma (que se contrajo durante la inspiración). La razón principal por la que la espiración es pasiva se debe al retroceso elástico de los pulmones. La elasticidad de los pulmones se debe a unas moléculas denominadas elastinas en la matriz extracelular de los tejidos pulmonares y se mantiene gracias al surfactante, una sustancia química que evita que la elasticidad de los pulmones sea demasiado grande al reducir la tensión superficial del agua. Sin el surfactante, los pulmones se colapsarían al final de la espiración, lo que haría mucho más difícil volver a inhalar. Como el pulmón es elástico, volverá automáticamente a su tamaño más pequeño cuando el aire salga del pulmón.

      La espiración comienza cuando termina la inhalación. Al igual que el aumento de la presión negativa de la cavidad plueral conduce a la captación de aire durante la inhalación, la cavidad pleural se contraerá durante la exhalación (debido a la relajación del diafragma),lo que ejerce presión sobre los pulmones y hace que la presión dentro de la cavidad sea menos negativa. El aumento de la presión provoca una disminución del volumen en el interior del pulmón, y el aire es expulsado hacia las vías respiratorias a medida que el pulmón vuelve a su menor tamaño. La cavidad pleural es tan importante para la respiración porque su presión cambia el volumen de los pulmones, y proporciona un espacio sin fricción para que el pulmón se expanda y contraiga durante la respiración.

      Aunque la espiración es generalmente un proceso pasivo, también puede ser un proceso activo y forzado. Hay dos grupos de músculos que intervienen en la espiración forzada.

      • Músculos intercostales internos: Músculos de la caja torácica que ayudan a bajar la caja torácica, lo que empuja hacia abajo la cavidad torácica, provocando la espiración forzada. Tenga en cuenta que no son los mismos que los músculos intercostales externos que intervienen en la inspiración.
      • Músculos abdominales: Cualquier número de músculos del abdomen que ejercen presión sobre el diafragma desde abajo para expandirlo, lo que a su vez contrae la cavidad torácica, provocando una espiración forzada.
      • Esto ocurre debido a las propiedades elásticas de los pulmones, así como a los músculos intercostales internos que bajan la caja torácica y disminuyen el volumen torácico. A medida que el diafragma torácico se relaja durante la espiración, hace que el tejido que ha deprimido se eleve superiormente y ejerza presión sobre los pulmones para expulsar el aire.

        Control de la espiración

        La espiración puede ser voluntaria o involuntaria con el fin de servir a diferentes propósitos para el cuerpo. Estos dos tipos de espiración son controlados por diferentes centros dentro del cuerpo.

        La espiración voluntaria se controla activamente. Por lo general, se define manteniendo el aire en los pulmones y liberándolo a un ritmo fijo, lo que permite controlar cuándo y cuánto aire exhalar. Es necesaria para la producción de la voz durante el habla o el canto, que requiere un control muy específico del aire, o incluso para actividades más sencillas, como soplar una vela en el día de nuestro cumpleaños. El componente del sistema nervioso que controla la espiración voluntaria es la corteza motora (la vía respiratoria ascendente), porque controla los movimientos musculares, pero esta vía no se conoce del todo, y hay muchos otros sitios posibles en el cerebro que también pueden estar involucrados.

        La espiración involuntaria no está bajo control consciente, y es un componente importante para la función metabólica. Algunos ejemplos son la respiración durante el sueño o la meditación. Los cambios en los patrones de respiración también pueden producirse por razones metabólicas, como el aumento de la frecuencia respiratoria en personas con acidosis por retroalimentación negativa. El principal centro de control neural de la espiración involuntaria está formado por el bulbo raquídeo y la protuberancia, que se encuentran en el tronco del encéfalo, directamente debajo del cerebro. Aunque estas dos estructuras están implicadas en el control neural de la respiración, también tienen otras funciones de regulación metabólica para otros sistemas corporales, como el sistema cardiovascular.

        Patrones de respiración

        La respiración es un proceso autónomo que mueve el aire dentro y fuera de los pulmones.

        Objetivo de aprendizaje

        Describir el proceso de la respiración en los seres humanos

        Puntos clave

        Puntos clave

        • Los patrones de respiración consisten en el volumen corriente y la frecuencia respiratoria de un individuo.
        • Un patrón de respiración promedio es de 12 respiraciones por minuto y 500 mL por respiración.
        • La eupnea es la respiración normal en reposo.
        • Hay tipos de patrones respiratorios alterados que son síntomas de muchas enfermedades.
        • Los patrones respiratorios alterados se refieren a cambios en la frecuencia respiratoria o en la cantidad de aire intercambiado durante la respiración, y no siempre indican cambios en la ventilación alveolar.
        • El mecanismo de generación del patrón ventilatorio implica la integración de señales neuronales por parte de los centros de control respiratorio en la médula y la protuberancia.
          • Términos clave

            • Patrones respiratorios alterados: Patrones respiratorios anormales que indican típicamente una frecuencia respiratoria demasiado rápida o demasiado lenta o un volumen tidal excesivo o insuficiente.
            • Volumen tidal: La cantidad de aire desplazado o intercambiado en una sola respiración.

        Los patrones respiratorios se refieren a la frecuencia respiratoria, que se define como la frecuencia de las respiraciones durante un periodo de tiempo, así como a la cantidad de aire ciclado durante la respiración (volumen corriente). Los patrones respiratorios son un criterio de diagnóstico importante para muchas enfermedades, incluyendo algunas que implican más que el propio sistema respiratorio.

        Características de los patrones respiratorios

        La frecuencia respiratoria es la frecuencia de las respiraciones a lo largo del tiempo. El período de tiempo es variable, pero suele expresarse en respiraciones por minuto porque ese período de tiempo permite estimar la ventilación por minuto. Durante la respiración normal, el volumen de aire que pasa por la inhalación y la exhalación se denomina volumen corriente (VT), y es la cantidad de aire que se intercambia en una sola respiración. El volumen corriente multiplicado por la frecuencia respiratoria es la ventilación minuto, que es uno de los indicadores más importantes de la función pulmonar. En un adulto medio, la frecuencia respiratoria media es de 12 respiraciones por minuto, con un volumen corriente de 0,5 litros y una ventilación minuto de 6 litros por minuto, aunque estas cifras varían de una persona a otra. Los bebés y los niños tienen una frecuencia respiratoria considerablemente mayor que los adultos.

        Curva de espirometría: La frecuencia respiratoria normal se refiere a la inhalación y exhalación cíclica del volumen corriente (VT).

        La frecuencia respiratoria está controlada por procesos involuntarios del sistema nervioso autónomo. En particular, los centros respiratorios de la médula y la protuberancia controlan la frecuencia respiratoria general basándose en una serie de estímulos químicos procedentes del interior del organismo. El hipotálamo también puede influir en la frecuencia respiratoria durante las respuestas emocionales y de estrés.

        Patrones respiratorios normales y alterados

        La eupnea es el término que designa la frecuencia respiratoria normal de un individuo en reposo. Varios otros términos describen patrones respiratorios anormales que son indicativos de síntomas de muchas enfermedades, muchas de las cuales no son principalmente enfermedades respiratorias. Algunos de los términos más comunes para los patrones respiratorios alterados incluyen:

        • Disnea: comúnmente llamada falta de aire. Describe la disminución drástica del volumen corriente y, a veces, el aumento de la frecuencia respiratoria, lo que provoca una sensación de falta de aire. Es un síntoma común de los ataques de ansiedad, las embolias pulmonares, los infartos de miocardio y el enfisema, entre otros.
        • Hipernea: se refiere al aumento del volumen de aire ciclado para satisfacer las necesidades metabólicas del organismo, que puede implicar o no un cambio en la frecuencia respiratoria. Es un síntoma del ejercicio y de la adaptación a la altitud, que generalmente no son problemáticos, pero también puede observarse en aquellas personas con anemia o shock séptico, que es problemático.
        • Taquipnea: describe el aumento de la frecuencia respiratoria. A menudo es un síntoma de intoxicación por monóxido de carbono o de neumonía.
        • Bradipnea: describe una disminución de la frecuencia respiratoria. A menudo es un síntoma de hipertensión, arritmias cardíacas o ritmo metabólico lento por hipotiroidismo.
        • Apnea: Parada transitoria de la respiración que se reinicia poco después. Es el principal síntoma de la apnea del sueño, en la que la respiración se detiene temporalmente durante el sueño.
        • Todos estos términos describen una alteración del patrón respiratorio mediante el aumento o la disminución (o la detención) del volumen corriente o la frecuencia respiratoria. Es importante distinguir estos términos de la hiperventilación y la hipoventilación, que se refieren a anomalías en el intercambio de gases alveolares (y, por tanto, en el pH de la sangre) en lugar de a una alteración del patrón respiratorio, pero pueden asociarse a un patrón respiratorio alterado. Por ejemplo, la disnea o la taquipnea suelen ocurrir junto con la hiperventilación durante los ataques de ansiedad, aunque no siempre.

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