Fisiologia della Respirazione 10.Scambi gassosiventilazione 2 Carlo Capelli – Fisiologia Facoltà di Scienze MotorieUniversità di Verona Obiettivi • Distribuzione zonale della ventilazione e della perfusione nel polmone • Rapporto V’A/Q’ nei distretti polmonari • Rapporto V’A/Q’ e scambi gassosi: RR e pressioni parziali di O2 e CO2 distrettuali • La disomogenietà del rapporto V’A/Q’ come causa di ipossiemia • Shunt veno-arterioso • Spazio morto alveolare e spazio morto fisiologico Soluzione simultanea delle equazioni per le iso-R di aria e sangue 0.5 50 0.8 1.0 1.5 2.0 PaCO2 (mmHg) 0.5 40 0.8 30 1.0 1.5 20 10 0 0 20 40 60 80 100 PaO2 (mmHg) 120 140 160 Soluzione simultanea delle equazioni per le iso-R di aria e sangue 0 PaCO2 (mmHg) 50 0.36 0.85 1.20 40 2.30 30 3.65 20 10 ∞ 0 0 20 40 60 80 100 PaO2 (mmHg) 120 140 160 PAO2, PACO2 e V’A/Q’ • In realtà, nel polmone i valori di V’A/Q’ sono distribuiti secondo un continuum di valori • Abbiamo, cioè, una vera e curva di distribuzione dei valori di V’ A/Q’ tra due estremi che corrispondono ad uno spazio morto (alveolare) e ad uno shunt • La distribuzione del rapporto V’A/Q’ può essere disomogenea in un polmone patologico; estese zone con V’A/Q’ vicino a 0 o infinito Rapporto V’A/Q’ Distribuzione regionale della ventilazione • Ricordiamo come è distribuita la ventilazione alveolare • L’aria inspirata non si distribuisce uniformemente nelle varie parti del polmone; • La ventilazione per unità di volume polmonare è maggiore nelle parti inferiori e minore in quelle superiori. Rapporto V’A/Q’ • Distribuzione regionale della perfusione polmonare Rapporto V’A/Q’ Distribuzione di V’A/Q’, PAO2 e PACO2 nel polmone APEX BASE V'A Q' V'A/Q' PAO2 PACO2 0,24 0,07 3,43 132 28 0,33 0,19 1,74 121 34 0,42 0,33 1,27 114 37 0,52 0,50 1,04 108 39 0,59 0,66 0,89 102 40 0,67 0,83 0,81 98 41 0,72 0,98 0,73 95 41 0,78 1,15 0,68 92 42 0,82 1,29 0,64 89 42 V’A/Q’ e RR nei diversi distretti Alveoli alla base (V’A/Q’ basso) Alta PACO2 e bassa PAO2: Il transfer di CO2 dal capillare all’alveolo non è molto grande, poiché il gradiente di pressione è solo di 13 mmHg (55- 42) RR = VCO2/VO2 VCO2/VO2 8/9 = 0,9 15/10 = 1.5 Alveoli agli apici (V’A/Q’ elevato) Bassa PACO2 (28 mm Hg) e alta PAO2: Il transfer di CO2 dal capillare all’alveolo è cospicuo, poiché il gradiente di pressioni di 27 mm Hg (55 - 28) La quantità di O2 trasferita dagli alveoli è praticamente identica nei due casi. Ciò e dovuto alla non-linearità della curva di dissociazione dell’ossiemoglobina RR nel polmone APEX BASE V'A Q' V'A/Q' PAO2 PACO2 RR 0,24 0,07 3,43 132 28 2,00 0,33 0,19 1,74 121 34 1,30 0,42 0,33 1,27 114 37 1,10 0,52 0,50 1,04 108 39 0,92 0,59 0,66 0,89 102 40 0,85 0,67 0,83 0,81 98 41 0,78 0,72 0,98 0,73 95 41 0,73 0,78 1,15 0,68 92 42 0,68 0,82 1,29 0,64 89 42 0,65 Curva di distribuzione localizzazione nel polmone PaCO2 (mmHg) 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 PaO2 (mmHg) 120 140 160 Distribuzione V’A/Q’ nel sano e nel patologico Maldistribuzione di V’A/Q’ e gradiente PAO2-PaO2 X Y • PAO2 = (2 * 81 + 4 * 125)/6 = 110 • CaO2 = (2 * 19.9 + 4 * 19.1)/6 = 19.4 • PaO2 = 92 mmHg • PAO2 - PaO2 = 110 - 92 = 18 mm Hg X Y TOT V’A 4 2 6 Q’ 2 4 6 V’A/Q’ 2 0.5 1 PAO2 125 81 110*** CcO2 19.9 19.1 19.4** PaO2 125 81 92* PACO2 31.7 41 34.8*** PaCO2 31.7 41 38* CCCO2 44.1 49.2 47.5** *PaO2; PaCO2 **CaO2; CaCO2 ***PETO2; PETCO2 Take home message • La conclusione che si deve ricordare è la seguente: sebbene esista un perfetto equilibrio sia per O2 che per CO2 in ciascuna zona tra aria alveolare e sangue all’uscita dei capillari, l’aria mista alveolare espirata ha una PO2 (PAO2) più alta (e una PCO2 più bassa, PACO2) del sangue arterioso a valle del polmone (PaO2, PaCO2) • In questo modo si instaura il cosiddetto gradiente alveolo-capillare di PO2 • Normalmente, in presenza di scarsa maldistribuzione del rapporto V’A/Q’ è molto basso (2 - 3mm Hg) • In vari tipi di patologie (BPCO), vi può essere una marcata maldistribuzione di V’A/Q’ ed il gradiente può essere molto ampio; si instaura iposseimia • La maldistribuzione del rapporto V’A/Q’ è la causa prevalente (70-80 %) di ipossiemia Shunt • Shunt: si riferisce al volume di sangue che entra nel sistema arterioso senza passare attraverso le aeree ventilate del polmone • Anche nel polmone normale un certo volume di sangue ritorna al sangue arterioso in parte impoverito di O2 attraverso le vene bronchali • Un’aliquota aggiuntiva proviene dal seno coronarico (vene di Tebesio) • In alcuni pazienti il volume di sangue venoso misto aggiunto non è trascurabile e si assiste ad una notevole caduta di PaO2 Shunt • Quando lo shunt è causato dall’aggiunta di sangue venoso misto è possibile calcolare il flusso di sangue attraverso lo shunt •C O = Q •C O + (Q −Q )•C O Q a 2 v 2 T T c' 2 S S Q Cc'O2 -CaO2 S = Cc'O2 − CvO2 Q T • Quando lo shunt è causato dall’aggiunta di sangue che non ha la stessa concentrazione di O2 del sangue venoso misto, è possibile calcolare lo shunt come se fosse dovuto dall’aggiunta di un volume di sangue venoso misto capace di causare lo shunt osservato Shunt • Nello shunt, l’ipossiemia non può essere abolita nemmeno inspirando O2 puro • Una piccola diminuzione di CaO2 procura una notevole caduta di PaO2 a causa della non-linearità della curva di dissociazione della Hb Shunt Quantificazione (“semplice”) della disomogeneità di V’A/Q’ Modello tri-compartimentale di Riley: 1. Alveoli ventilati, ma non perfusi 2. Alveoli perfusi, ma non ventilati 3. Alveoli idealmente perfusi e ventilati Modello di Riley Modello di Riley (cont.) 1. Ventilati non perfusi Comprendono lo spazio morto alveolare 2. Perfusi non ventilati Rappresentano uno shunt 3. Gli scambi gassosi possono avvenire solo nel compartimento “ideale” (R uguale a QR medio dell’organismo = V’CO2/V’O2) Gas respiratori nell’aria e nel sangue del compartimento ideale • Pressioni parziali dei gas negli alveoli e nei capillari dei diversi distretti: è necessario conoscere in quale modo i valori dei gas siano determinati da R 1. Aria Equazione dell’aria alveolare Per la maggior parte dei nostri fini, si può applicare una forma semplificata dell’equazione dell’aria alveolare che non tenga conto della lieve differenza ta volume inspirato e volume espirato ⎡ PACO - PICO ⎤ 2 2 ⎥ R = ⎢⎢ ⎥ P P AO2 ⎥⎦ ⎢⎣ IO2 PAO2 = PIO2 - PACO2 R Punto ideale • Le linee iso-R per il sangue e per il gas che rappresentano R dell’intero organismo si intersecano in unico punto ideale • Questo punto di intersezione identifica gli unici valori di PO2 e di PCO2 che potrebbero esistere omogeneamente in tutte le parti del polmone nelle quali avvengono gli scambi respiratori e senza che vi sia commistione di sangue venoso misto • Essi sono definiti i valori del compartimento ideale Determinazione del Punto ideale Il punto ideale può essere determinato senza conoscere il punto venoso misto: è sufficiente un campione di sangue arterioso PiCO2 ≈ PaCO2 Spazio morto alveolare E’ facile calcolare: 1. la frazione del volume corrente che non partecipa agli scambi respiratori: alveolare o in paralleo (VAlv) 2. Si sottolinea che la misura di VAlv include anche la ventilazione di alveoli relativamente poco perfusi la misura dello shunt include anche la perfusione di alveoli relativamente poco ventilati Frazioni end tidal • La parte finale dell’espirazione consiste di una miscela di gas del compartimento ideale e di gas che proviene dallo spazio morto alveolare. Un campione di questo gas prende il nome di campione di aria a fine espirazione (ET) • In un polmone sano la composizione di questo campione approssima quella dell’aria del compartimento ideale. Calcolo dello spazio morto alveolare PiCO2 - PETCO2 Valv = VE PETCO2 Calcolo dello spazio morto fisiologico • Si preferisce, però, calcolare lo spazio morto fisiologico, uguale alla somma dello spazio morto anatomico VD (o in serie) + spazio morto alveolare • Si sfrutta il fatto che la PaCO2 è praticamente uguale alla PICO2: curva iso R piatta vicino al punto ideale • PaCO2 ≈ PICO2 PaCO2 - PECO2 Vfis = VE PECO2 • Poiché VD non cambia, ogni variazione di Vfis misurata equivale ad una corrispondente modificazione di Valv Calcolo dello shunt • Anche nel caso del calcolo dello shunt (o commistione venosa) si preferisce semplificare ed utilizzare la PO2 (CO2) del punto ideale • Si parla di shunt fisiologico (shunt anatomico più aggiunta di sangue da alveoli molto perfusi e poco ventilati) Q S CiO2-CaO 2 = Q T CiO2-CvO2 Bibliografia • Fisiologia dell’Uomo, autori vari, Edi.Ermes, Milano Capitolo 12: Il polmone (Capitolo 12.10) • Fisiologia Medica, a cura di Conti F, seconda edizione, Edi.Ermes, Milano Capitolo 51: Scambi gassosi Capitolo 52: Rapporto ventilazione-perfusione • West JB, Fisiologia della Respirazione, IV edizione italiana, PICCIN, Padova • Dispensa “Scambi Gassosi”