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.
  • PA si riferisce alla pressione parziale alveolare di un gas, mentre Pa si riferisce alla pressione parziale di quel gas nel sangue arterioso.
  • Lo scambio di gas avviene per diffusione passiva perché PAO2 è maggiore di PaO2 nel sangue deossigenato.

Termini chiave

  • ventilazione: Il processo corporeo della respirazione, l’inalazione di aria per fornire ossigeno, e l’espirazione di aria esausta per rimuovere l’anidride carbonica.
  • pressione parziale: La pressione esercitata da un gas, sia in aria che disciolto, che indica la concentrazione di quel gas.

I tipi di velocità di ventilazione

In fisiologia respiratoria, la velocità di ventilazione è la velocità con cui il gas entra o lascia il polmone. La ventilazione è generalmente espressa come volume d’aria per una velocità respiratoria.

Il volume d’aria può riferirsi al volume corrente (la quantità inalata in un respiro medio) o a qualcosa di più specifico, come il volume dello spazio morto nelle vie respiratorie. I tre principali tipi di tassi di ventilazione usati in fisiologia respiratoria sono:

  1. Ventilazione al minuto (VE): La quantità di aria che entra nei polmoni al minuto. Può essere definita come \testo{VE}={Volume Mareale}{Testo Respiri al Minuto}
  2. Ventilazione alveolare (VA): La quantità di gas per unità di tempo che raggiunge gli alveoli e viene coinvolta negli scambi gassosi. È definita come \testo{VA}=sinistra(\testo{Volume di marea}- \testo{Volume dello spazio morto})\times{ Frequenza respiratoria}
  3. Ventilazione dello spazio morto (VD): La quantità di aria per unità di tempo che non è coinvolta nello scambio di gas, come l’aria che rimane nelle zone di conduzione. Si definisce come \text{VD}=\text{Volume dello spazio morto}=times{Tasso di respirazione}.

Inoltre, la ventilazione minuta può essere descritta come la somma della ventilazione alveolare e dello spazio morto, a condizione che il tasso respiratorio usato per ricavarli sia in termini di respiri al minuto.

I tre tipi di ventilazione sono matematicamente legati l’uno all’altro, quindi i cambiamenti di un tasso di ventilazione possono causare il cambiamento dell’altro. Questo è più evidente nei cambiamenti del volume dello spazio morto. Respirare attraverso un tubo per lo snorkeling e avere un’embolia polmonare aumentano entrambi la quantità di volume dello spazio morto (rispettivamente attraverso lo spazio morto anatomico e alveolare), che ridurrà la ventilazione alveolare.

La ventilazione alveolare è il tipo di ventilazione più importante per misurare quanto ossigeno entra effettivamente nel corpo, che può avviare meccanismi di feedback negativo per cercare di aumentare la ventilazione alveolare nonostante l’aumento dello spazio morto. In particolare, il corpo generalmente tenterà di combattere l’aumento dello spazio morto aumentando la frequenza dei respiri per cercare di mantenere livelli sufficienti di ventilazione alveolare.

Pressione parziale dei gas

Questo è un diagramma dello scambio di gas nei polmoni. Mostra gli aveoli che rimuovono l'anidride carbonica dal sangue e poi aggiungono ossigeno al sangue.

Scambio gassoso nei polmoni: Diagramma degli scambi gassosi nei polmoni.

Quando i gas si dissolvono nel sangue durante la ventilazione, sono generalmente descritti dalla pressione parziale dei gas. La pressione parziale si riferisce più specificamente alla concentrazione relativa di quei gas per la pressione che esercitano in uno stato dissolto.

In fisiologia respiratoria, PAO2 e PACO2, si riferiscono alle pressioni parziali di ossigeno e anidride carbonica negli alveoli.

PaO2 e PaCO2 si riferiscono alle pressioni parziali di ossigeno e anidride carbonica nel sangue arterioso. Le differenze nelle pressioni parziali dei gas tra l’aria alveolare e il flusso sanguigno sono la ragione per cui lo scambio di gas avviene per diffusione passiva.

In condizioni normali, la PAO2 è circa 100 mmHg, mentre la PaO2 è 80-100 mmHg nelle arterie sistemiche, ma 40-50 mmHg nel sangue deossigenato dell’arteria polmonare diretta ai polmoni.

Ricordiamo che i gas viaggiano da zone di alta pressione a zone di bassa pressione, quindi la maggiore pressione dell’ossigeno negli alveoli rispetto a quella del sangue deossigenato spiega perché l’ossigeno può diffondere passivamente nel flusso sanguigno durante lo scambio di gas.

Conversamente, la PACO2 è 35 mmHg, mentre la PaCO2 è circa 40-45 mmHG nelle arterie sistemiche e 50 mmHg nell’arteria polmonare. La pressione parziale, e quindi la concentrazione di anidride carbonica, è maggiore nei capillari degli alveoli rispetto all’aria alveolare, quindi l’anidride carbonica si diffonde passivamente dal flusso sanguigno negli alveoli durante lo scambio di gas.

Inoltre, poiché la PaCO2 è un indicatore della concentrazione di anidride carbonica nel sangue arterioso, può essere usata per misurare il pH del sangue e identificare i casi di acidosi e alcalosi respiratoria.

Ispirazione

L’inspirazione è il flusso d’aria in un organismo che è dovuto a una differenza di pressione tra l’atmosfera e l’alveolo.

Obiettivo di apprendimento

Definire la meccanica dell’inspirazione

Punti chiave

Punti chiave

  • Negli esseri umani, l’inspirazione è il flusso d’aria in un organismo dall’ambiente esterno, attraverso le vie respiratorie e negli alveoli.
  • L’inspirazione inizia con l’inizio di una contrazione del diaframma, che ha come risultato l’espansione delle cavità toraciche e pleuriche e una diminuzione della pressione (chiamata anche aumento della pressione negativa).
  • Ci sono molti muscoli accessori coinvolti nell’inspirazione, come i muscoli intercostali esterni, i muscoli scaleni, il muscolo sternocleidomastoideo e il muscolo trapezio.
  • Respirare solo con i muscoli accessori invece che con il diaframma è considerato inefficiente, e fornisce molta meno aria durante l’inspirazione.
  • La pressione negativa nella cavità pleurica è sufficiente a tenere i polmoni aperti nonostante l’elasticità intrinseca del tessuto. La cavità toracica aumenta di volume causando un calo di pressione (un vuoto parziale) all’interno del polmone stesso.
  • Finché la pressione all’interno degli alveoli è inferiore alla pressione atmosferica, l’aria continuerà a muoversi verso l’interno, ma non appena la pressione si stabilizza il movimento dell’aria si ferma.

Termini chiave

  • ispirazione: L’aspirazione dell’aria nei polmoni, compiuta nei mammiferi attraverso l’elevazione delle pareti del torace e l’appiattimento del diaframma.
  • muscoli accessori: Muscoli che aiutano ad espandere piccole parti della cavità toracica, lavorando in aggiunta al diaframma o sostituendolo se il diaframma si ferisce.
  • pressione intrapleurica: La pressione all’interno della cavità pleurica, che è negativa rispetto all’aria esterna e diventa ancora più negativa durante l’inspirazione.

L’inspirazione si riferisce all’inalazione – è il flusso della corrente respiratoria in un organismo. Negli esseri umani è il movimento dell’aria ambiente attraverso le vie aeree e negli alveoli dei polmoni.

Il processo di inspirazione

L’inspirazione inizia con la contrazione del diaframma, che si traduce nell’espansione della cavità toracica e della cavità pleurica. La cavità pleurica ha normalmente una pressione più bassa rispetto all’aria ambiente (-3 mmHg normalmente e tipicamente -6 mmHg durante l’inspirazione), quindi quando si espande, la pressione all’interno dei polmoni si abbassa.

Pressione e volume sono inversamente correlati tra loro, quindi la caduta di pressione all’interno del polmone aumenta il volume dell’aria all’interno del polmone attirando l’aria esterna nel polmone. Quando il volume dell’aria all’interno del polmone aumenta, il polmone spinge indietro contro la cavità pleurica espansa come risultato della caduta della pressione intrapleurica (pressione all’interno della cavità pleurica).

La forza della pressione intrapleurica è anche sufficiente a tenere i polmoni aperti durante l’inspirazione nonostante il naturale rinculo elastico del polmone. Anche i sacchi alveolari si espandono per il fatto di essere riempiti d’aria durante l’inspirazione, il che contribuisce all’espansione all’interno del polmone.

Alla fine, la pressione all’interno del polmone diventa meno negativa mentre il volume all’interno del polmone aumenta e, quando la pressione e il volume si stabilizzano, il movimento dell’aria si ferma, l’inspirazione finisce e l’espirazione (espirazione) inizia. I respiri più profondi hanno volumi tidal più alti e richiedono una maggiore caduta della pressione intrapleurica rispetto ai respiri meno profondi.

Questo è un disegno schematico dell'intero tratto respiratorio, include dettagli interni come gli aveoli. Illustra il tratto respiratorio come un sistema complesso e collegato in cui la resistenza in qualsiasi parte di esso può causare problemi.

Sistema respiratorio: La resistenza in qualsiasi parte del tratto respiratorio può causare problemi.

Muscoli accessori dell’inspirazione

Il diaframma è il muscolo principale coinvolto nella respirazione, tuttavia diversi altri muscoli svolgono un ruolo in determinate circostanze. Questi muscoli sono chiamati muscoli accessori dell’inspirazione.

  • Muscoli intercostali esterni: Muscoli situati tra le costole che aiutano la cavità toracica e la cavità pleurica ad espandersi durante l’inspirazione tranquilla e forzata.
  • Muscoli scaleni: Muscoli nel collo che sollevano le costole superiori (e la cavità toracica intorno alle costole superiori) per aiutare la respirazione. Forniscono un meccanismo per l’ispirazione quando il diaframma è ferito e non può contrarsi normalmente.
  • Muscolo sternocleidomastoideo: Muscoli che collegano lo sterno al collo e permettono la rotazione e la rotazione della testa. Possono sollevare le costole superiori come i muscoli scaleni.
  • Muscolo trapezio: Muscoli nelle spalle che ritraggono la scapola ed espandono la parte superiore della cavità toracica.

I muscoli accessori aiutano la respirazione espandendo la cavità toracica in modo simile al diaframma. Tuttavia, espandono una parte molto più piccola della cavità toracica rispetto al diaframma. Perciò non dovrebbero essere usati come meccanismo primario di inalazione, perché assorbono molta meno aria rispetto al diaframma con un conseguente volume corrente molto più basso.

Per esempio, i cantanti hanno bisogno di molta aria per sostenere la potente produzione di voce necessaria per cantare. Un problema comune nei cantanti principianti è la respirazione con i muscoli accessori del collo, delle spalle e delle costole invece che con il diaframma, che dà loro un apporto d’aria molto più piccolo di quello che è necessario per cantare correttamente.

Espirazione

L’espirazione (o espirazione) è il flusso della corrente respiratoria fuori dall’organismo.

Obiettivo di apprendimento

Definire la meccanica dell’espirazione

Punti chiave

Punti chiave

  • Negli esseri umani, l’espirazione è il movimento dell’aria dai bronchi, attraverso le vie aeree, verso l’ambiente esterno durante la respirazione.
  • L’espirazione è un processo passivo a causa delle proprietà elastiche dei polmoni.
  • Durante l’espirazione forzata, i muscoli intercostali interni che abbassano la gabbia toracica e diminuiscono il volume toracico mentre i muscoli addominali spingono sul diaframma che fa contrarre la cavità toracica.
  • La distensione del diaframma toracico causa la contrazione della cavità pleurica che fa pressione sui polmoni per espellere l’aria.
  • Il controllo cerebrale dell’espirazione può essere suddiviso in controllo volontario e controllo involontario.

Termini chiave

  • Muscoli intercostali: I muscoli intercostali sono diversi gruppi di muscoli che corrono tra le costole, e aiutano a formare e muovere la parete toracica.
  • espirazione: L’atto o il processo di espirare, o di mandare fuori sotto forma di vapore; evaporazione.

L’espirazione, chiamata anche espirazione, è il flusso della corrente respiratoria fuori dall’organismo. Lo scopo dell’espirazione è quello di rimuovere le scorie metaboliche, principalmente l’anidride carbonica dal corpo dagli scambi gassosi. La via dell’espirazione è il movimento dell’aria fuori dalla zona di conduzione, verso l’ambiente esterno durante la respirazione.

Questo è un disegno schematico dell'intero tratto respiratorio, include dettagli interni come gli aveoli. Illustra l'apparato respiratorio come un sistema complesso e collegato in cui la resistenza in qualsiasi parte di esso può causare problemi.

Sistema respiratorio: Quando il diaframma si rilassa, la cavità pleurica si contrae, il che esercita una pressione sui polmoni, che riduce il volume dei polmoni mentre l’aria viene passivamente spinta fuori dai polmoni.

Il processo di espirazione

L’espirazione è tipicamente un processo passivo che avviene dal rilassamento del muscolo diaframma (che si è contratto durante l’ispirazione). La ragione principale per cui l’espirazione è passiva è dovuta al rinculo elastico dei polmoni. L’elasticità dei polmoni è dovuta a molecole chiamate elastine nella matrice extracellulare dei tessuti polmonari ed è mantenuta dal surfattante, una sostanza chimica che impedisce che l’elasticità dei polmoni diventi troppo grande riducendo la tensione superficiale dell’acqua. Senza il surfattante i polmoni collasserebbero alla fine dell’espirazione, rendendo molto più difficile inalare di nuovo. Poiché il polmone è elastico, tornerà automaticamente alle sue dimensioni più piccole quando l’aria lascerà il polmone.

L’espirazione inizia quando finisce l’inspirazione. Proprio come l’aumento della pressione negativa della cavità pluviale porta all’assorbimento dell’aria durante l’inspirazione, la cavità pleurica si contrae durante l’espirazione (a causa del rilassamento del diaframma), che esercita una pressione sui polmoni e fa sì che la pressione all’interno della cavità sia meno negativa. Un aumento della pressione porta ad una diminuzione del volume all’interno del polmone, e l’aria viene spinta fuori nelle vie respiratorie mentre il polmone ritorna alle sue dimensioni più piccole. La cavità pleurica è così importante per la respirazione perché la sua pressione cambia il volume dei polmoni, e fornisce uno spazio senza attrito per il polmone per espandersi e contrarsi durante la respirazione.

Mentre l’espirazione è generalmente un processo passivo, può anche essere un processo attivo e forzato. Ci sono due gruppi di muscoli che sono coinvolti nell’espirazione forzata.

  • Muscoli intercostali interni: Muscoli della cassa toracica che aiutano ad abbassare la cassa toracica, che spinge verso il basso la cavità toracica, causando l’espirazione forzata. Si noti che questi non sono gli stessi muscoli intercostali esterni coinvolti nell’inspirazione.
  • Muscoli addominali: Qualsiasi numero di muscoli nell’addome che esercitano pressione sul diaframma dal basso per espanderlo, che a sua volta contrae la cavità toracica, causando l’espirazione forzata.

Questo accade a causa delle proprietà elastiche dei polmoni, così come i muscoli intercostali interni che abbassano la gabbia toracica e diminuiscono il volume toracico. Quando il diaframma toracico si rilassa durante l’espirazione, fa sì che il tessuto che ha depresso salga superiormente e faccia pressione sui polmoni per espellere l’aria.

Controllo dell’espirazione

L’espirazione può essere volontaria o involontaria per servire diversi scopi per il corpo. Questi due tipi di espirazione sono controllati da centri diversi all’interno del corpo.

L’espirazione volontaria è controllata attivamente. È generalmente definita dal trattenere l’aria nei polmoni e rilasciarla ad un ritmo fisso, il che permette di controllare quando e quanta aria espirare. È necessaria per la produzione della voce durante il discorso o il canto, che richiede un controllo molto specifico dell’aria, o anche attività più semplici, come spegnere una candela per il proprio compleanno. Il componente del sistema nervoso che controlla l’espirazione volontaria è la corteccia motoria (la via respiratoria ascendente), perché controlla i movimenti muscolari, ma questa via non è completamente compresa, e ci sono molti altri possibili siti nel cervello che possono anche essere coinvolti.

L’espirazione involontaria non è sotto controllo cosciente, ed è una componente importante per la funzione metabolica. Gli esempi includono la respirazione durante il sonno o la meditazione. I cambiamenti nei modelli di respirazione possono anche verificarsi per motivi metabolici, come attraverso l’aumento della frequenza respiratoria in persone con acidosi da feedback negativo. Il principale centro di controllo neurale per l’espirazione involontaria è costituito dal midollo allungato e dal ponte, che si trovano nel tronco encefalico direttamente sotto il cervello. Mentre queste due strutture sono coinvolte nel controllo respiratorio neurale, hanno anche altre funzioni di regolazione metabolica per altri sistemi corporei, come il sistema cardiovascolare.

Modelli di respirazione

La respirazione è un processo autonomo che muove l’aria dentro e fuori i polmoni.

Obiettivo di apprendimento

Descrivere il processo della respirazione negli esseri umani

Punti chiave

Punti chiave

  • I modelli di respirazione consistono nel volume corrente e nella frequenza respiratoria in un individuo.
  • Un modello di respirazione medio è di 12 respiri al minuto e 500 mL per respiro.
  • L’euforia è la respirazione normale a riposo.
  • Ci sono tipi di modelli respiratori alterati che sono sintomi di molte malattie.
  • I modelli respiratori alterati si riferiscono a cambiamenti nella frequenza respiratoria o nella quantità di aria scambiata durante la respirazione, e non sempre indicano cambiamenti nella ventilazione alveolare.
  • Il meccanismo di generazione del modello ventilatorio coinvolge l’integrazione dei segnali neurali da parte dei centri di controllo respiratorio nel midollo allungato e nel ponte.

Termini chiave

  • modelli respiratori alterati: Modelli anormali di respirazione che indicano tipicamente una frequenza respiratoria troppo veloce o troppo lenta o un volume corrente troppo o troppo piccolo.
  • volume corrente: La quantità di aria spostata o scambiata in un singolo respiro.

I modelli di respirazione si riferiscono alla frequenza respiratoria, che è definita come la frequenza dei respiri in un periodo di tempo, così come la quantità di aria ciclata durante la respirazione (volume corrente). I modelli di respirazione sono un importante criterio diagnostico per molte malattie, comprese alcune che coinvolgono più del sistema respiratorio stesso.

Caratteristiche dei modelli di respirazione

La frequenza respiratoria è la frequenza dei respiri nel tempo. Il periodo di tempo è variabile, ma di solito espresso in respiri al minuto perché questo periodo di tempo permette di stimare la ventilazione minuta. Durante la respirazione normale, il volume d’aria ciclato attraverso l’inspirazione e l’espirazione è chiamato volume corrente (VT), ed è la quantità di aria scambiata in un singolo respiro. Il volume corrente moltiplicato per la frequenza respiratoria è la ventilazione minuta, che è uno degli indicatori più importanti della funzione polmonare. In un adulto umano medio, la frequenza respiratoria media è di 12 respiri al minuto, con un volume corrente di 0,5 litri e una ventilazione minuta di 6 litri al minuto, anche se questi numeri variano da persona a persona. I neonati e i bambini hanno tassi respiratori considerevolmente più alti degli adulti.

Curva di spirometria: La frequenza respiratoria normale si riferisce all’inspirazione ed espirazione ciclica del volume corrente (VT).

La frequenza respiratoria è controllata da processi involontari del sistema nervoso autonomo. In particolare, i centri respiratori del midollo allungato e del ponte controllano il ritmo respiratorio complessivo sulla base di una varietà di stimoli chimici provenienti dall’interno del corpo. L’ipotalamo può anche influenzare il ritmo respiratorio durante le risposte emotive e di stress.

Modelli di respirazione normali e alterati

Eupnea è il termine per il ritmo respiratorio normale per un individuo a riposo. Molti altri termini descrivono modelli di respirazione anormali che sono indicativi dei sintomi di molte malattie, molte delle quali non sono principalmente malattie respiratorie. Alcuni dei termini più comuni per i modelli di respirazione alterati includono:

  • Dispnea: comunemente chiamata mancanza di respiro. Descrive una drammatica diminuzione del volume corrente e a volte un aumento della frequenza respiratoria, che porta a una sensazione di mancanza di respiro. È un sintomo comune degli attacchi d’ansia, delle embolie polmonari, degli attacchi di cuore e dell’enfisema, tra le altre cose.
  • Ipernea: si riferisce all’aumento del volume d’aria ciclato per soddisfare le esigenze metaboliche del corpo, che può o non può comportare un cambiamento nella frequenza del respiro. È un sintomo dell’esercizio fisico e dell’adattamento all’alta quota, che generalmente non sono problematici, ma può anche essere visto in quelli con anemia o shock settico, che è problematico.
  • Tachipnea: descrive un aumento della frequenza respiratoria. Spesso un sintomo di avvelenamento da monossido di carbonio o pnuemonia.
  • Bradypnea: descrive la diminuzione della frequenza respiratoria. Spesso un sintomo di ipertensione, aritmie cardiache, o lento tasso metabolico da ipotiroidismo.
  • Apnea: Arresto transitorio della respirazione che ricomincia subito dopo. È il sintomo principale dell’apnea notturna, in cui la respirazione si ferma temporaneamente durante il sonno.

Questi termini descrivono tutti un modello di respirazione alterato attraverso l’aumento o la diminuzione (o l’arresto) del volume corrente o della frequenza respiratoria. È importante distinguere questi termini da iperventilazione e ipoventilazione, che si riferiscono ad anomalie nello scambio di gas alveolari (e quindi al pH del sangue) invece di un modello di respirazione alterato, ma possono essere associati a un modello di respirazione alterato. Per esempio la dispnea o la tachipnea si verificano spesso insieme all’iperventilazione durante gli attacchi d’ansia, anche se non sempre.

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