miércoles, 1 de marzo de 2017

BIOFÍSICA DE LOS FLUIDOS, HEMODINÁMICA Y RESPIRACIÓN


Contenido a desarrollar
1.      Biofísica de los fluidos; hemodinámica y respiración
2.      Hemodinámica
3.      Viscosidad
4.      Ley de poiseville
5.      Presión hidrostática
6.      Resistencia hemodinámica
7.      Gasto cardiacoFlujo sanguíneo
8.      Presión en el sistema sanguíneo
9.      Presión arterial alta
10.  Presión arterial bajaMecánica circulatoria
11.  Sístole ventricular
12.  Sístole auricular
13.  El pulsoLeyes de la circulación sanguínea
14.  Circulación sistémica
15.  Circulación pulmonarCirculación fetal
16.  Corazón artificial
17.  Sistema respiratorio
18.  Biofísica separatas
19.  Volúmenes y capacidades pulmonaresPresiones en el aparato respiratorio
20.  Vitalometría.

VISCOSIDAD SANGUÍNEA Y PERFILES DE FLUJO

A pesar de que la sangre es levemente más pesada que el agua, es muchísimo más gruesa/viscosa. La viscosidad de la sangre es una medida de la resistencia al flujo es entre 3,5 a 5,5 veces la del agua. La viscosidad del plasma es ceca de 1,5 a 1m8 veces la del agua.
La viscosidad de la sangre se incrementa a medida de la cantidad de células disueltas en ella aumenta, así como cuando aumenta la cantidad de proteínas.
Una sangre más viscosa es más resistente al movimiento, lo cual implica que se requiere una mayor presión sanguínea para que esta se mueva a través de los vasos sanguíneos. Adicionalmente, una alta viscosidad sanguínea es un factor que predispone a coagulaciones no controladas. En las personas sanas, un incremento en la viscosidad sanguínea causada por una producción de células sanguíneas de tipo defensivo y a la deshidratación causada por la fiebre por enfermedades leves como la gripe es fácilmente tolerable.



La viscosidad de la sangre en la salud.
Sin embargo, en pacientes con sangre de por sí muy viscosa, como aquellos con enfermedades pulmonares, in incremento adicional  puede conllevar a la coagulación sanguina, al taponamiento de las arterias y por lo tanto a infartos obstructores o a derrames internos. Incluso, la resistencia al movimiento de la sangre puede llegar a ser tan alto que el musculo cardíaco o miocardio puede llegar a ser insuficiente para empujar la sangre, lo que conlleva a un infarto del miocardio.
Flujo. _ Es el volumen de sangre bombeado en una unidad de tiempo. Se mide en mL/s o L/min.
Velocidad. _ La velocidad con que el flujo se desplaza (como se verá, flujo y velocidad no son sinónimos), o sea la distancia recorrida en la unidad de tiempo, se mide en cm/s o m/s.
El perfil de flujo está determinado, fundamentalmente, por tres factores: aceleración, factores geométricos y viscosidad.
1. Aceleración. Agrega un componente plano al perfil de flujo (Figura 2A). Esta es la causa principal del perfil plano de flujo en las arterias periféricas.
2. Factores geométricos.
 Un flujo convergente aplana el perfil. Esto ocurre, por ejemplo, en el nacimiento de la carótida primitiva izquierda; luego, gradualmente se transforma en perfil parabólico.
3. Viscosidad.
 El aumento de la viscosidad sanguínea estabiliza el patrón laminar de flujo y ocasiona un perfil parabólico más precozmente y más marcado.

LEY DE CONTINUIDAD

Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversal varía de una sección del conducto a otra

Entrando en la ecuación de continuidad
La ecuación de continuidad parte de las bases ideales siguientes:
1.- El fluido es incompresible.
2.- La temperatura del fluido no cambia.
3.- El flujo es continuo, es decir su velocidad y presión no dependen del tiempo.
4.- El flujo es laminar. No turbulento.
5.- No existe rotación dentro de la masa del fluido, es un flujo irrotacional.
6.- No existen pérdidas por rozamiento en el fluido, es decir no hay viscosidad.

 La ecuación de continuidad es un importante principio físico muy útil para la descripción de los fenómenos en los que participan fluidos en movimiento, es decir en la hidrodinámica. Para la formulación de la ecuación de continuidad de los fluidos se asumen un grupo de consideraciones ideales que no siempre se tienen en los fenómenos reales de movimientos de fluidos, de modo que en general, aunque la ecuación es clave para la interpretación de los fenómenos reales, los cálculos derivados de su uso serán siempre una aproximación a la realidad, sin embargo, en una buena parte de los casos con suficiente exactitud como para poder ser considerados como ciertos.

LEY DE POISEUILLE

La sangre fluyendo por los canales sanguíneos no es exactamente un flujo laminar. Pero aplicándose la ecuación de Poiseuille para esa situación se da una aproximación razonable en un primer momento, y conlleva implicaciones interesantes.
La ecuación de Poiseuille para la tasa de fluido (volumen por unidad de área), Q,  se da por donde P1-P2 es la diferencia de presión entre las extremidades del tubo, L es el largo del tubo, r es el rayo del tubo, y h es el coeficiente de viscosidad.

Esa es una buena razón para preocuparnos con los niveles de colesterol en la sangre, o cualquier obstrucción de las arterias. Un pequeño cambio en el rayo de las arterias puede significar un gran esfuerzo para el corazón el hacer bombear la misma cantidad de sangre por el cuerpo.
Bajo todas las circunstancias en que podemos verificar experimentalmente, la velocidad de un flujo real disminuye para cero cerca de la superficie de un objeto solido.

Una pequeña capa de fluido cercana a las paredes de un tubo posee velocidad cero. La velocidad del fluido aumenta con la distancia a las paredes del tubo. Si la viscosidad de un fluido es chica, o el tubo posee un gran diámetro, una gran región central fluirá con velocidad uniforme.

Para un fluido de alta viscosidad, la transición ocurre a lo largo de una gran distancia y en un tubo de pequeño diámetro la velocidad puede variar a lo largo del tubo.

En el caso de fluidez suave (flujo laminar), el caudal de volumen está dado por la diferencia de presión dividida por la resistencia viscosa. Esta resistencia depende linealmente de la viscosidad y la longitud, pero la dependencia de la cuarta potencia del radio, es exageradamente diferente. La ley de Poiseuille se ha encontrado razonablemente de acuerdo, con experimentos para líquidos uniformes (llamados fluidos Newtonianos) en casos donde no hay apreciables turbulencias.

HEMODINÁMICA

La hemodinámica es aquella parte de la biofísica que se encarga del estudio anatómico y funcional del corazón mediante la introducción de catéteres finos a través de las arterias y venas de la ingle o del brazo.
(Pazmiño, 2012)
 Esta técnica conocida como cateterismo cardíaco permite conocer con exactitud el estado de las arterias del corazón, las presiones dentro de cada cámara cardiaca, el funcionamiento del músculo cardiaco (ventrículos), la presencia de anomalías congénitas y el funcionamiento de las válvulas cardiacas.


La resistencia depende de las dimensiones del tubo y de la naturaleza del fluido, y mide las fuerzas de rozamiento o fricción entre las propias moléculas del fluido y entre éstas y las moléculas de la pared del tubo.
La velocidad con la que circula la sangre en el interior de un tubo es directamente proporcional al flujo e inversamente proporcional al área transversal del tubo.
Tipos de Fluidos
1.Flujo laminar
En condiciones fisiológicas el tipo de flujo mayoritario es el denominado flujo en capas o laminar. El fluido se desplaza en láminas coaxiales o cilíndricas en las que todas las partículas se mueven sin excepción paralelamente al eje vascular. Se origina un perfil parabólico de velocidades con un valor máximo en el eje o centro geométrico del tubo.


En el caso del sistema vascular los elementos celulares que se encuentran en sangre son desplazados tanto más fuertemente hacia el centro cuanto mayor sea su tamaño.

2. Flujo turbulento
En determinadas condiciones el flujo puede presentar remolinos, se dice que es turbulento. En esta forma de flujo el perfil de velocidades se aplana y la relación lineal entre el gradiente de presión y el flujo se pierde porque debido a los remolinos se pierde presión.

Para determinar si el flujo es laminar o turbulento se utiliza el número de Reynolds (NR), un número adimensional que depende de:
       
Relaciones entre las variables hemodinámicas
El volumen de sangre situado en cada uno de los segmentos del árbol circulatorio no es equitativo. De los aproximadamente 5 litros de sangre del aparato circulatorio, en situación de pie, un 84 % se sitúa en el circuito mayor, un 9 % en el circuito menor y un 7 % en el corazón. De la sangre alojada en la circulación mayor el 75% se sitúa en el sistema venoso, descrito ya como sistema de capacitancia o reservorio.
La velocidad de la sangre depende del área total transversal de cada sección analizada. Así en aorta y grandes arterias, aunque el flujo es pulsátil la velocidad es alta (20cm/s), va disminuyendo a nivel de las arteriolas alcanzando su valor más bajo en los capilares (0,03 cm/s), este valor permite que haya tiempo suficiente para los intercambios que han de realizarse en esta sección. En las venas se alcanzan velocidades menores que en el mismo segmento arterial debido a que la sección transversal venosa siempre es mayor que la arterial.
El principal segmento vascular donde se observa un mayor descenso de la presión corresponde al segmento arteriolar, ya que es en este punto donde se miden los mayores valores de resistencia.

PRESIÓN EN EL SISTEMA CIRCULATORIO

La sangre fluye casi sin resistencia en todos los grandes vasos de la circulación, pero no en arteriolas y capilares. Para que la sangre pueda atravesar los pequeños vasos en que se presenta resistencia, el corazón manda sangre a las arterias a presión elevada (hasta aproximadamente 120 torr).
El aparato circulatorio puede constituir uno de los ejemplos más claros y más asombrosos de sistemas de flujo por tuberías que se puede encontrar ya sea hecho por la naturaleza o por el hombre.
Cada una de sus partes representa un objeto que ya ha sido estudiado por la mecánica de fluidos y por la hidráulica, a lo largo de la historia; tales objetos son bombas, válvulas, tuberías de diámetros constantes, cambios de diámetros en tuberías, la viscosidad en el fluido, la presión en una tubería, la velocidad del flujo, el caudal y el volumen total.
Se pretende dar una breve descripción de dicho aparato, enfocándolo desde la mecánica de fluidos y la hidráulica para ayudar a afianzar ciertos conceptos que tal vez se pueden comprender con mayor claridad cuando se tiene un ejemplo tan presente y tan real como es, en este caso, el aparato circulatorio.
La sangre es el fluido fundamental del aparato circulatorio. Circula por las venas y las arterias del cuerpo humano y ese movimiento de circulación se debe a la actividad coordinada del corazón, los pulmones y las paredes de los vasos sanguíneos.
Tiene un olor característico y una densidad relativa que oscila entre 1,056 y 1,066. En un adulto sano la cantidad de sangre en el cuerpo es una onceava parte del peso corporal, de 4,5 a 6 litros. Es un líquido viscoso que se compone de células (glóbulos) y plasma. Más del 99% de las células son glóbulos rojos lo que significa que los glóbulos blancos casi no tienen ningún papel en las características físicas de la sangre.

El corazón es la bomba que mantiene en funcionamiento todo el circuito a una presión constante y determinada que hace que la sangre circule tal y como debe. La medida de esta presión es lo que se denomina presión arterial. Las dos fuerzas fisiológicas que determinan la presión arterial son el gasto cardíaco (la cantidad de sangre que impulsa el corazón) y la resistencia vascular al flujo de sangre (resistencias periféricas).

PRESIÓN SANGUÍNEA

La presión sanguínea es la fuerza que se aplica contra las paredes de las arterias cuando el corazón bombea la sangre al cuerpo. La presión está determinada por la fuerza y cantidad de sangre bombeada y el tamaño y flexibilidad de las arterias.


La presión de la sangre disminuye a medida que la sangre se mueve a través dearterias, arteriolas, vasos capilares y venas.
El término presión sanguínea generalmente se refiere a la presión arterial, es decir, a la presión en las arterias más grandes, las arterias que forman los vasos sanguíneos que toman la sangre que sale desde el corazón.

TENSIÓN ARTERIAL Y FLUJO SANGUÍNEO

La tensión arterial o presión sanguínea es esencial para que la sangre pueda circular por los vasos sanguíneos y cumpla su función de llevar a todos los tejidos del organismo el oxígeno y los nutrientes que necesitan para mantener correctamente su actividad. Se puede definir como la fuerza que la sangre ejerce sobre las paredes de las arterias, que es más alta (presión sistólica) cuando el corazón la bombea hacia las arterias y más baja (presión diastólica) entre un latido y otro del músculo cardiaco


Y éstos, el sistólico y el diastólico, son los valores que se utilizan para medir la tensión arterial, lo que es importante a la hora de evaluar el estado de salud general, ya que el caso de estar por encima de lo normal (hipertensión) puede significar un importante riesgo de sufrir enfermedades graves (enfermedades cardiacas, infarto cardiaco, ictus, insuficiencia renal, etc.). Cuando es baja (hipotensión) puede ocasionar estados de confusión, mareos, vértigo, desmayos, debilidad o somnolencia.
Hay que tener en cuenta que los valores de la tensión arterial no se mantienen inalterables a lo largo del día, sino que sufren oscilaciones en función de diferentes factores. Esta clasificación define la existencia o no de estados patológicos. Sin embargo, hay situaciones en las que se puede producir una elevación o disminución
puntual de la tensión arterial que no suponen necesariamente la existencia de un problema de tensión arterial.

MECÁNICA CIRCULATORIA, SÍSTOLE, DIÁSTOLE YPULSO

Sístole auricular

La sístole es la contracción del tejido muscular cardiaco auricular. Esta contracción produce un aumento de la presión en la cavidad cardiaca auricular, con la consiguiente eyección del volumen sanguíneo contenido en ella.
La contracción de las auriculas hace pasar la sangre a los ventrículos a través de las válvulas auriculo-ventriculares. Mediante la sístole ventricular aumenta la presión intraventricular lo que causa la coaptación de las válvulas auriculo-ventriculares e impiden que la sangre se devuelva a las aurículas y que, por lo tanto, salga por las arterias, ya sea a los pulmones o al resto del cuerpo. Después de la contracción el tejido muscular cardíaco se relaja y se da paso a la diástole, auricular y ventricular.

Sístole ventricular

La sístole ventricular es la contracción del tejido muscular cardiaco ventricular. Esta contracción provoca un aumento de presión en el interior de los ventrículos y la eyección de sangre contenida en ellos. Se impide que la sangre vuelva a las aurículas mediante el aumento de presión, que cierra las válvulas bicúspide y tricúspide. La sangre sale por las arterias pulmonares y aorta. Éstas también tienen las llamadas válvulas sigmoideas, que evitan el reflujo de la sangre.

Diástole

La diástole es el período en el que el corazón se relaja después de una contracción, llamado período de sístole, en preparación para el llenado con sangre circulatoria. En la diástole ventricular los ventrículos se relajan, y en la diástole auricular las aurículas están relajadas. Juntas se las conoce como la diástole cardíaca y constituyen, aproximadamente, la mitad de la duración del ciclo cardíaco, es decir, unos 0,5 segundos.

DIÁSTOLE AURICULAR

Durante la diástole las aurículas se llenan de sangre por el retorno venoso desde los tejidos por la vía de la vena cava superior e inferior y se produce un aumento progresivo de la presión intra-auricular hasta superar la presión intra-ventricular.



DIÁSTOLE VENTRICULAR

Durante la diástole ventricular, la presión de los ventrículos cae por debajo del inicio al que llegó durante la sístole. Cuando la presión en el ventrículo izquierdo cae por debajo de la presión de la aurícula izquierda, la válvula mitral se abre, y el ventrículo izquierdo se llena con sangre que se había estado acumulando en la aurícula izquierda.


PULSO

En medicina, el pulso de una persona es la pulsación provocada por la expansión de sus arterias como consecuencia de la circulación de sangre bombeada por el corazón. Se obtiene por lo general en partes del cuerpo donde las arterias se encuentran más próximas a la piel, como en las muñecas o el cuello e incluso en la sien.




Medición del pulso

El pulso se mide manualmente con los dedos índice y medio; el pulso no se debe tomar con el dedo pulgar, ya que éste tiene pulso propio que puede interferir con la detección del pulso del paciente. Cuando se palpa la arteria carótida, la femoral o la braquial se tiene que ser muy cuidadoso, ya que no hay una superficie sólida como tal para poder detectarlo. La técnica consiste en situar los dedos cerca de una arteria y presionar suavemente contra una estructura interna firme, normalmente un hueso, para poder sentir el pulso.
Puntos de pulso comunes:
·                Pulso radial, situado en la cara anterior y lateral de las muñecas, entre el tendón del músculo flexor radial del carpo y la apófisis estiloide del radio. (arteria radial).
·                Pulso ulnar, en el lado de la muñeca más cercano al meñique (arteria ulnar).
·                Pulso carotídeo, en el cuello (arteria carótida). La carótida debe palparse suavemente, ya que estimula sus baroreceptores con una palpación vigorosa puede provocar bradicardia severa o incluso detener el corazón en algunas personas sensibles.
·                Además, las dos arterias carótidas de una persona no deben palparse simultáneamente, para evitar el riesgo de síncope o isquemia cerebral.
·                Pulso braquial, entre el bíceps y el tríceps, en el lado medial de la cavidad del codo, usado frecuentemente en lugar del pulso carotídeo en infantes (arteria braquial).
·                Pulso femoral, en el muslo (arteria femoral).
·                Pulso poplíteo, bajo la rodilla en la fosa poplítea.
·                Pulso dorsal del pie o pedio, en el empeine del pie (arteria dorsal del pie).
·                Pulso tibial posterior, detrás del tobillo bajo el maléolo medial (arteria tibial posterior).
·                Pulso temporal, situado sobre la sien directamente frente a la oreja.
·                Pulso facial, situado en el borde inferior de la porción ascendente del maxilar inferior o mandíbula. (Arteria facial).

La facilidad para palpar el pulso viene determinada por la presión sanguínea del paciente. Si su presión sistólica está por debajo de 90 mmHg el pulso radial no será palpable. Por debajo de 80 mmHg no lo será el braquial.

Presión arterial sistólica

Corresponde al valor máximo de la tensión arterial en sístole (cuando el corazón se contrae). Se refiere al efecto de presión que ejerce la sangre eyectada del corazón sobre la pared de los vasos.

Presión arterial diastólica

Corresponde al valor mínimo de la tensión arterial cuando el corazón está en diástole o entre latidos cardíacos. Depende fundamentalmente de la resistencia vascular periférica. Se refiere al efecto de distensibilidad de la pared de las arterias, es decir el efecto de presión que ejerce la sangre sobre la pared del vaso.

El número superior es la lectura de la presión arterial sistólica y representa la presión máxima ejercida cuando el corazón se contrae.

El número inferior es la lectura de la presión arterial diastólica y representa la presión en las arterias cuando el corazón se encuentra en reposo.

 LEYES DE LA VELOCIDAD Y DE LA PRESIÓN.


A) LEY DE LA VELOCIDAD. A medida que las arterias se alejan y se van dividiendo, aumenta la superficie de sección del sistema vascular. En otras palabras, al dividirse una arteria en dos ramas, la suma de la superficie de sección de éstas es mayor que la  superficie de sección de la arteria madre. De este modo, a medida que se aleja la sangre del corazón, va ocupando un lecho cada vez mayor, y tiene su amplitud máxima al nivel de los capilares. Podría representarse al sistema vascular por dos conos truncados que se miran por la base. Es fácil darse cuenta que, como en los ríos, la velocidad de la corriente será menor cuanto mayor sea la amplitud del lecho vascular. De allí que la velocidad de la sangre disminuye a medida que se aleja del corazón, llega a un mínimo en los capilares y aumenta otra vez progresivamente en las venas.



B) LEY DE LA. PRESION. La sangre circula en el sistema vascular debido a diferencias de presión. La periódica descarga de sangre por parte del corazón y la resistencia opuesta al curso de la sangre por el pequeño calibre de las arteriolas, crean en el sistema vascular una presión que es máxima en la aorta, cae bruscamente al nivel de las arteriolas y capilares y sigue, luego, cayendo paulatinamente al nivel de las venas para ser mínima al nivel de las aurículas.

VOLUMEN MINUTO CIRCULATORIO Y CIRCULACIÓN SISTÉMICA, PULMONAR Y FETAL.

El corazón, actuando como una bomba mecánica, impulsa la sangre por la aorta. El volumen de sangre que pasa en un minuto por la aorta es un flujo o caudal (Q)y como tal, se podrí medir en cualquiera de las unidades siguientes:
VOLUMEN / TIEMPO = V/T
Aunque es habitual hablar gasto cardiaco en litros por minuto. 5 L/min para el gasto cardíaco es también una cifra fácil de recordar, pero que sólo debe usarse como válida para un sujeto adulto en reposo ya que durante un ejercicio intenso puede aumentar hasta cinco veces su valor basal.
La aorta no es el único sitio donde se puede medir el gasto cardíaco. Si pasan 5 L/min por la aorta, ese será el caudal de la vena cava inferior y la vena cava superior sumado. Ese será también el caudal de la arteria pulmonar y el caudal de todas las venas pulmonares. Obviamente, si del ventrículo izquierdo salen 5 L/min, por todos los capilares pasan 5 L/min. Lo que sí no hay duda es que es más sencillo medir el flujo en la aorta que, al mismo tiempo, en todos los capilares y es por eso que, cuando se habla de gasto cardíaco se refiere, por lo general, a una medida hecha a la salida del ventrículo izquierdo.

Diferencias entre circulación fetal y adulto

Ø  Adaptada al intercambio de gases a través de la placenta
Ø  La mayor parte de los órganos que no son funcionales (pulmones intestino e hígado) no están irrigados
Ø  Lado derecho e izquierdo del corazón con circulación en paralelo


El corazón artificial, Abiocor, es un dispositivo de plástico y titanio, que puede durar en funcionamiento hasta 10 años, con una autonomía que permite a los pacientes, mantener una vida casi normal, sin necesidad de conexiones a maquinaria externa.
El nuevo corazón artificial, el Abiocor, no late como un corazón real, a diferencia de los corazones creados anteriormente. Puede durar hasta 10 años en funcionamiento sin presentar complicaciones, a diferencia de los otros que tenían una vida útil de 2 años, debido a la cantidad de piezas mecánicas que poseían. Este modelo posee un rotor que se mueve, lo que lo hace menos propenso a fallas mecánicas.
Este corazón fue implantado por primera vez en un ser humano, en julio del 2001, en el Hospital Judío de Louisville, Kentucky, Estados Unidos.
En 1982 fue implantado el primer corazón construido por el hombre, Jarvick-7, a un paciente norteamericano (Barney Clark), que vivió casi cuatro meses con la prótesis. El paciente que logró sobrevivir más tiempo con un dispositivo mecánico fur William Schroeder, que sobrevivió 620 días. Ambos aparatos se mantenían unidos por cables a una máquina externa, no tenían autonomía y requerían de una serie de aberturas en la piel, lo que debilitaba aún más las defensas del paciente


Existen muchos tipos de corazones artificiales, con características y funciones diferentes. Un equipo de profesionales entrenados decide cual es el dispositivo que mejor se adapta a las necesidades de cada paciente.
Algunos pacientes regresan a su hogar con un corazón artificial implantado, lo cual mejora la calidad de vida y facilita la recuperación. El seguimiento y cumplimiento estricto de las indicaciones del equipo profesional son fundamentales para un mejor resultado.

Cómo funciona el corazón artificial:

El Abiocor está fabricado por la empresa Abiomed Incorporated, de Massachusetts, bajo autorización de la FDA (Food and Drug Administration), para experimental con cinco pacientes terminales, con una esperanza de vida menor de 30 días, y sin posibilidades de recibir un trasplante de un corazón humano.
El Abiocor es una bomba de plástico y titanio, alimentada por una batería que suministra la energía a un microcircuito de control, que se implanta en el pecho del paciente.
El tamaño del corazón artificial es similar al de un pomelo y pesa cerca de un quilo. Es un aparato autónomo, pues funciona con una batería adherida a la piel, lo que permite al implantado, realizar una vida casi normal, con cierta autonomía de movimientos. No requiere entonces conectarse a ningún dispositivo extracorpóreo, como los corazones anteriores de la década del 80.
Este modelo fue testeado en animales vacunos. Su motor interno le permite mover una bomba hidráulica que hace circular la sangre con ritmo regular. Las válvulas fueron diseñadas especialmente para evitar problemas de coagulación y/o ataques.

ESTRUCTURAS DEL APARATO RESPIRATORIO.


Estructura del aparato respiratorio
El aparato respiratorio se divide en dos partes desde el punto de vista funcional

§  a) Sistema de conducción o vías aéreas.
§  b) Sistema de intercambio o superficie alveolar.

A. Vías respiratorias o sistema respiratorio conductor
§  Vías aéreas altas: fosas nasales y faringe.
§  Vías aéreas bajas: laringe, tráquea y bronquios.
La faringe es un conducto complejo que conecta la cavidad nasal y la cavidad oral con el esófago y con la laringe. Es una zona de paso mixta para el alimento y el aire respirado.
La laringe tiene una región denominada la glotis, formada por dos pares de pliegues o cuerdas vocales, siendo los pliegues superiores las cuerdas vocales falsas y los pliegues inferiores las cuerdas vocales verdadera. Las cuerdas vocales verdaderas son las responsables de la emisión de los sonidos propios del habla al vibrar cuando entre ellas pasa el aire espirado.
 La tráquea es un conducto de unos 12 cm de longitud y 2,5-3,5 cm de diámetro, que conecta la laringe con los bronquios. Su mucosa tiene células pseudoestratificadas y ciliadas, que actúan de línea defensiva frente a la entrada de partículas. Contiene unos 16-20 anillos de cartílago hialino en forma de C o de U localizados uno encima de otro. La porción abierta de los anillos se orienta hacia atrás, donde está el esófago, permitiendo su distensión durante la deglución de los alimentos. La tráquea se divide en dos conductos o bronquios primarios, uno dirigido hacia el pulmón izquierdo y otro dirigido hacia el derecho. Dentro de cada pulmón, los bronquios primarios van subdividiéndose en bronquios secundarios, terciarios y así sucesivamente hasta llegar a las vías aéreas de conducción de menor calibre o bronquiolos terminales.

 Pulmones
Los pulmones son dos masas esponjosas situadas en la caja torácica, formados por los bronquios, bronquiolos y alvéolos, además de los vasos sanguíneos para el intercambio. El pulmón derecho es mayor que el izquierdo y presenta tres lóbulos. El izquierdo es más pequeño debido al espacio ocupado por el corazón y sólo tiene dos lóbulos.


El número total de alvéolos en los pulmones oscila entre 300-600 millones; al final de la espiración, su diámetro medio es de unas 100 μ, lo cual hace que la superficie o área total conjunta para el intercambio gaseoso sea de 100 m2, área de tamaño suficientemente grande como para garantizar los intercambios con toda eficacia.
Los alvéolos son estructuras en forma esférica, llenas de aire, y de pared muy fina donde se realiza el intercambio de gases.
Pleura
Es una membrana serosa que tapiza los pulmones doblada sobre sí misma. Dispone de dos hojas, la externa o parietal, adherida a la cara interna de la pared costal; y la interna o visceral, que se encuentra adherida firmemente a los pulmones. Entre ellas prácticamente no hay separación, tan sólo un poco de líquido que las mantiene aún más adheridas entre sí.
El espacio pleural (también denominado intra o interpleural) separa ambas pleuras unas 5-10 μ y está relleno de unos 20 ml de líquido pleural, obtenidos por ultrafiltración del plasma, que se están renovando continuamente. Este espacio intrapleural es virtual, pero cuando entre las hojas aparece aire o líquido, se separan y puede apreciarse la existencia individualizada de cada hoja. La pleura tiene dos funciones: a) mantener en contacto el pulmón con la pared torácica, de forma que sus movimientos vayan al unísono, y actuar como lubricante permitiendo que las hojas resbalen entre sí y no haya mucha fricción en un órgano en continuo movimiento. La presencia de esa pequeña cantidad de líquido favorece de forma extraordinaria la adherencia. La presión en la cavidad pleural es negativa, y puede mantenerse gracias a los capilares linfáticos que drenan el líquido y generan con su aspiración una presión negativa. La entrada de aire a la cavidad pleural elimina la presión negativa, provocando el colapso del pulmón y limitando de forma importante la respiración.
Funciones del sistema de conducción
En las cavidades nasales la presencia de los cornetes da lugar a un incremento de superficie recubierta por un epitelio columnar ciliado y con gran cantidad de células mucosas. Además también hay pelos o vibrisas y una densa red de capilares a nivel de la submucosa. Estas características estructurales, permite que el aire al penetrar en las fosas nasales, desarrolle, por lo tortuoso de su recorrido, un flujo turbulento que golpea contra las paredes, permitiendo así las funciones siguientes:
§  Filtrado del aire inspirado, eliminando las partículas en suspensión que tengan un diámetro superior a las 4-6 micras.
§  Calentamiento del aire, por contacto con el flujo sanguíneo, pudiendo elevarse la temperatura del aire de 2 a 3ºC.
§  Humidificación del aire, el recorrido por las vías aéreas altas produce una saturación de vapor de agua (100%).
§  Protección, ya que la presencia de terminaciones nerviosas sensoriales del nervio trigémino detectan la presencia de irritantes y produce el reflejo del estornudo.
La faringe es un conducto que conecta la cavidad nasal con la laringe, y también la cavidad oral con el esófago y la cavidad nasal con el oído medio. La faringe es una encrucijada de paso tanto para el aparato respiratorio como para el digestivo, durante la deglución el alimento procedente de la cavidad bucal es desviado de la laringe por una lengüeta cartilaginosa, la epiglotis. La laringe es una estructura cartilaginosa tapizada también por una mucosa ciliada que ayuda a limpiar, humidificar y calentar el aire. Por su estructura y posición protege de la entrada de sólidos o líquidos al aparato respiratorio y en ella se realiza la fonación o formación de sonidos.

INTERCAMBIO DE GASES

El aire entra al cuerpo primero a través de la boca o la nariz, se desplaza rápidamente por la faringe (garganta) pasa a través de la laringe, entra a la tráquea, que se divide en bronquios derecho e izquierdo en los pulmones y luego se divide aún más en ramas cada vez más pequeñas llamadas bronquiolos. Los bronquiolos más pequeños terminan en pequeños sacos de aire llamados alvéolos, los cuales se inflan durante la inhalación y se desinflan durante la exhalación.
El intercambio de gases es la provisión de oxigeno de los pulmones al torrente sanguíneo y la eliminación de dióxido de carbono del torrente sanguíneo a los pulmones. Esto tiene lugar en los pulmones entre los alvéolos y una red de pequeños vasos sanguíneos llamados capilares, los cuales están localizados en las paredes de los alvéolos.
(Fuentes, 2015)
Las paredes de los alvéolos en realidad comparten una membrana con los capilares en la cual el oxígeno y el dióxido de carbono se pueden mover libremente entre el sistema respiratorio y el torrente sanguíneo. Las moléculas de oxígeno se adhieren a los glóbulos rojos, los cuales regresan al corazón. Al mismo tiempo, las moléculas de dióxido de carbono en los alvéolos son expulsadas del cuerpo con la siguiente exhalación.
El mecanismo de intercambio gaseoso correcto del organismo con el exterior presenta dos etapas:
1. La ventilación pulmonar
Ésta consiste en la inspiración, o entrada de aire a los pulmones. Este mecanismo es diferente en distintos grupos de vertebrados

B.El intercambio de gases en los pulmones
Se realiza debido a la diferente concentración de gases que hay entre el exterior y el interior de los alvéolos; por ello, el O2 pasa al interior de los alvéolos y el CO2 pasa al espacio muerto (conductos respiratorios).
A continuación se produce el intercambio de gases entre el aire alveolar y la sangre.
Cuando la sangre llega a los pulmones tiene un alto contenido en CO2 y muy escaso en O2. El O2 pasa por difusión a través de las paredes alveolares y capilares a la sangre. Allí es transportada por la hemoglobina, localizada en los glóbulos rojos, que la llevará hasta las células del cuerpo donde por el mismo proceso de difusión pasará al interior para su posterior uso.

 PRESIONES RESPIRATORIAS.
a) Presión atmosférica. En fisiología respiratoria convencionalmente se la considera como punto de referencia de valor cero, expresándose las demás presiones como diferencias positivas o negativas respecto a ella.
b) Presión en la boca o entrada del aparato respiratorio. En situación estática, sin flujo de aire y con la boca y glotis abiertas, es de cero, o sea igual a la atmosférica y a la de las vías aéreas y alvéolos. Cuando hay movimientos respiratorios, oscila levemente por encima o por debajo de la presión atmosférica según la fase de la respiración.
c) Presión en las vías aéreas. Es la que impulsa el flujo aéreo, según la dirección de éste, es decreciente hacia el alvéolo o hacia la boca según la fase de la respiración.
d) Presión alveolar. En condiciones estáticas y con la glotis abierta es igual a la presión atmosférica. Por efecto de los movimientos del tórax, se hace mayor o menor que la de la boca, generando el flujo aéreo a través de las vías aéreas.
e) Presión pleural (Ppl). En la respiración espontánea es habitualmente subatmosférica o negativa, porque el tamaño de reposo del pulmón es menor que el del tórax.
 A diferencia del aparato circulatorio en el que el movimiento del fluido se realizaba mediante la acción de una bomba situada en serie con el circuito, en el sistema respiratorio la entrada y salida de aire se produce por la acción de una bomba situada en el exterior del sistema. El aire se mueve por gradiente de presión. Si la presión externa es superior a la interna o pulmonar, se produce la entrada de aire; si la presión externa es inferior a la interna se produce la salida de aire. En condiciones normales la presión externa o medioambiental se mantiene constante alrededor de 760 mm Hg que se considera el nivel de referencia o presión 0. Este hecho significa que, para llevar a cabo los flujos, la presión que debe modificarse es la presión interna, que ha de disminuir o aumentar para lograr el flujo aéreo en un sentido y otro. Si se considera el nivel de referencia 0, la creación de una presión negativa dará lugar a la aspiración o entrada de aire como un mecanismo de succión. La creación de una presión positiva producirá el empuje hacia fuera del aire o espiración.
MECANISMO QUE LLEVAN Y SE OPONEN AL COLAPSO PULMONAR.

Los factores que se oponen al colapso pulmonar son:
Ø  La sustancia tensionactiva o surfactante
Ø  La presión negativa intrapleural
Mientras los que favorecen el colapso son:
Ø  La elasticidad de las estructuras toracopulmonares y la tensión superficial de los           líquidos que revisten la superficie alveolar.
Para lograr expandir los pulmones venciendo la elasticidad del tórax y los pulmones, los músculos inspiratorios deben ejercer una fuerza determinada lo que nos lleva al concepto del trabajo respiratorio.

VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES.

Dependiendo de los diferentes niveles de profundidad de las fases inspiratoria y espiratoria de la respiración, se pueden diferenciar varios volúmenes de aire que se encuentran en nuestros pulmones en un momento determinado. Igualmente se puede hacer referencia a las diferentes capacidades pulmonares, cuando se suman varios valores.
Volumen de respiración pulmonar en reposo: cantidad de aire que inspiramos (o espiramos) en cada respiración en condiciones de reposo (500 mL de aire).
Volumen de reserva inspiratorio: cantidad máxima de aire que logramos introducir en nuestros pulmones después de realizar una inspiración normal (2500 mL de aire).
Volumen de reserva espiratorio: cantidad máxima de aire que logramos espirar después de finalizar una espiración normal (1200 mL de aire).
Volumen residual: cantidad de aire que se queda en los pulmones después de finalizar una espiración máxima y profunda (1200 mL de aire).
Capacidad pulmonar total: cantidad de aire que se encuentra en nuestros pulmones después de realizar una inspiración máxima y profunda. La capacidad pulmonar total es el producto de la sumatoria de toso los volúmenes pulmonares (5400 mL de aire).
Capacidad vital pulmonar: cantidad máxima de aire que podemos respirar después de realizar una inspiración máxima y profunda (4200 mL de aire). Es el resultado de la sumatoria de todos los volúmenes pulmonares, exceptuando el volumen residual, cantidad de aire que nunca abandonará nuestros pulmones por muy grande que sea nuestro esfuerzo espiratorio.
Capacidad inspiratoria: cantidad máxima de aire que podemos inspirar después de finalizar una espiración normal en reposo (3000 mL de aire). Equivale a la sumatoria del volumen de ventilación pulmonar en reposo y del volumen de reserva inspiratorio.
Capacidad funcional residual: cantidad de aire que se encuentra en nuestros pulmones después de finalizar una espiración normal en reposo (2400 mL de aire). Es la sumatoria del volumen de reserva espiratorio y del volumen residual.
Para la Fisiología del Deporte o del Ejercicio Físico, la capacidad más importante es la Capacidad Vital Pulmonar (CVP), por cuanto es un índice fisiométrico, susceptible de ser mejorado mediante el entrenamiento; la CVP es un índice informativo del estado de entrenamiento en ciertos deportes, tales como la maratón y las distancias medias en atletismo, actividades o ejercicios físicos deportivos que demandan altas ventilaciones pulmonares durante tiempos prolongados.
La capacidad vital pulmonar (CVP), depende en mucho del desarrollo de la musculatura respiratoria. Los nadadores, por ejemplo, obligados a realizar la espiración debajo del agua, poseen una poderosa musculatura respiratoria y por ende presentan, entre los diferentes deportistas, los calores más altos de la capacidad vital pulmonar. En una persona sana no deportista la CVP puede ser de alrededor de los 4200 mL de aire; e un deportista muy bien entrenado la CVP puede oscilar entre los 6500-7500 mL de aire.
Los cantantes de ópera pueden presentar valores muy altos de la capacidad vital pulmonar. La CVP se puede medir con la ayuda de un espirómetro.

IMPORTANCIA DEL VOLUMEN RESIDUAL

La conservación de un cierto volumen de aire en las vías respiratorias cuando ya no somos capaces de expulsar más aire en la espiración forzada, es esencial para mantener un equilibrio en la presión interna de los alvéolos, aspecto vital para que los pulmones puedan mantener su actividad con normalidad.
Si nuestros pulmones no conservaran permanentemente un cierto volumen de aire residual, los alvéolos se vaciarían normalmente, acabando aplastados y con ello colapsados por el aumento de la presión de succión que se produce en su interior para compensar este vacío.
(Caseres, 2014)
Este volumen de aire residual oscila entre 1 y 1,2 litros de aire según las personas.

FORMAS QUÍMICAS EN QUE SE TRANSPORTA EL CO2.

El CO2 se produce a nivel las mitocondrias, como producto final del metabolismo celular. Desde las mitocondrias atraviesa el citoplasma, pasa a la sangre en los capilares tisulares y es llevado por la sangre al alvéolo, desde donde se elimina a la atmósfera gracias a la ventilación alveolar.
El CO2 es transportado en la sangre, tanto en combinaciones químicas como en solución física. Debido a que tiene la propiedad de hidratarse, formando ácido carbónico en una reacción reversible, el transporte de CO2 y su eliminación son parte fundamental del equilibrio ácido-base.
La cantidad total de CO2 en la sangre arterial es de aproximadamente 48 volúmenes en 100ml de sangre.

Transporte en el plasma:
Se realiza en tres formas:
1.- Parte se mantiene disuelta físicamente en el plasma, dependiendo de la presión parcial de CO2 y de su coeficiente de solubilidad.
2.- Otra parte forma compuestos carbamínicos con las proteínas plasmáticas en una reacción rápida que no requiere de catalizador:
R-NH2 + CO R-NHCOO- + H+
3.- Una pequeña cantidad reacciona con el agua para formar ácido carbónico e implicarse en el equilibrio ácido-base:
CO2 + H2 H2CO3 H+ + HCO3-


La mayor parte del CO2 que difunde desde los tejidos hacia los capilares entra al glóbulo rojo, donde se transporta en las siguientes formas:
 1.-Una pequeña fracción permanece disuelta en el líquido dentro del glóbulo

.2.-Parte del CO2 se combina con los grupos amino de la hemoglobina para formar compuestos carbamínicos.

3.-La mayor parte del CO2 que penetra al glóbulo rojo a nivel tisular se hidrata como en el plasma, pero a mayor velocidad, ya que en el eritrocito existe una alta concentración de la enzima anhidrasa carbónica que cataliza la reacción. El bicarbonato que se forma se disocia en H+y HCO3. Los iones H+son captados por la hemoglobina y los aniones HCO3 salen del glóbulo rojo hacia el plasma, donde la concentración de este ión es menor, intercambiándose por el anión cloro (efecto Hamburger)

Unidad Respiratoria

La unidad funcional respiratoria consta de 3 partes:
1.- Alveolo.
2.-Capilares.
3.- Espacio intersticial.
Cada alveolo está rodeado por varios capilares y separados de ellos por un espacio intersticial.
Los capilares pulmonares son las últimas divisiones de la arteria pulmonar que reciben sangre con hb reducida, se produce en ellos la hematosis (entra o2 y sale co2), y drenan hacia la aurícula izquierda a través de las 4 venas pulmonares, llevando sangre con Hb oxigenada.
Espacio intersticial esta entre la pared del alveolo y la pared del capilar, normalmente es muy estrecho, de menos de 1 micra de ancho para evitar que exista una gran distancia entre alveolo y capilar y se mantenga una gran velocidad de difusión de gases.
El espacio intersticial drena vía capilares linfáticos, al conducto torácico y a la aurícula derecha. Se calcula que su capacidad máxima de drenaje es cuando existen 25 mmHg de presión en el espacio intersticial.
Si aumenta el volumen y la presión de líquido por encima de esta cifra, rompen las paredes de los alveolos y capilares produciéndose una acumulación de una mezcla de aire, líquido y glóbulos rojos llamada hemoptisis  que al ser expulsada por las vías respiratorias sale en forma de espuma sanguinolenta.
Durante la espiración el aire recorre el mismo camino pero en sentido inverso, haciendo salir aire de los alveolos al exterior.
Para lograr esto la caja Torácica debe realizar movimientos inspiratorios y espiratorios determinados por varios músculos que elevan la caja Torácica o la comprimen.

MEMBRANA RESPIRATORIA

Es el conjunto de estructuras que deben cruzar los gases entre el alveolo y el capilar pulmonar. Está compuesta por 6 ítems que son los siguientes yendo desde el alveolo hacia el capilar:
1. Una monocapa de líquido que cubre la superficie interior del alveolo y que contiene el surfactante (dipalmitoillecitina).
2. El epitelio alveolar, formada por neumocitos tipo 1 y neumocitos tipo 2
Este último sintetiza el surfactante.
3. La membrana basal alveolar.
4. El espacio intersticial entre alveolo y capilar pulmonar.
Contiene una delgada capa de líquido. Drena vía capilares linfáticos – conducto torácico – vena cava superior – aurícula derecha.
5. membrana basal capilar.
6. endotelio capilar.
A pesar de ser 6 capas, la membrana respiratoria tiene un espesor muy delgado, solo de 0.5 micras, en cambio si tomamos en cuenta la superficie total de los 300 millones de alveolos, su área es muy amplia de 70 a 100 metros cuadrados.

REGULACIÓN DE LA RESPIRACIÓN


La respiración es un proceso automático y rítmico mantenido constantemente que puede modificarse bajo el influjo de la voluntad, pudiendo cambiar tanto la profundidad de la respiración como la frecuencia de la misma. La respiración no siempre es un proceso absolutamente regular y rítmico, ya que ha de ir adaptándose constantemente a las necesidades del organismo, para aportar el oxígeno necesario al metabolismo celular y eliminar el anhídrido carbónico producido durante el mismo.
La respiración rítmica basal, o eupnea, está regulada por los centros respiratorios nerviosos situados en el encéfalo que recogen información proveniente del aparato respiratorio y de otras partes del organismo, para dar lugar a una respuesta a través de los órganos efectores o musculatura respiratoria que determinará la profundidad de la respiración, o volumen corriente, y la frecuencia. La corteza cerebral también participa cuando se interviene de forma voluntaria en el proceso respiratorio.
SENSORES
Se encargan de recibir la información y enviarla a los controladores (centros respiratorios).
Sensores en el sistema nervioso central
1. Quimiorreceptores centrales
2. Receptores hipotalámicos (temperatura)
3. Centros en el prosencéfalo (funciones voluntarias)
Sensores fuera del SNC
1. Quimiorreceptores arteriales periféricos (fundamentalmente cuerpos carotídeos)
2. Receptores de las vías aéreas superiores: nasales, faríngeos, laríngeos
Receptores pulmonares
1. Receptores de estiramiento
2. Receptores de sustancias irritantes
3. Fibras C y receptores yuxtacapilares (receptores J)
Receptores de los músculos respiratorios (husos neuromusculares y órganos tendinosos de Golgi)
Receptores de las articulaciones costovertebrales
Los sensores detectan cambios en disímiles parámetros, tales como:
1. Presiones parciales de oxígeno (PO2)
2. Presiones parciales de dióxido de carbono (PCO2)
3. Concentración de iones H+
4. Grado de distensión pulmonar

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL CENTRO RESPIRATORIO Y VITALOMETRIA.

Centros respiratorios
A nivel central, la respiración está controlada por diversas zonas del tronco del encéfalo que se conocen con el nombre de centros respiratorios y que son:
Los centros bulbares inspiratorios._ Se localizan en la región ventrolateral y constituyen el grupo respiratorio dorsal (GRD). Los centros bulbares espiratorios se denominan grupo respiratorio ventral (GRV). Ambos centros son pares y de localización bilateral, con comunicaciones cruzadas lo que les permite actuar sincrónicamente para obtener movimientos respiratorios simétricos, es decir, si uno se activa el otro se inhibe, y viceversa, coordinando el proceso respiratorio.
El centro apnéustico._ Se sitúa en la región inferior de la protuberancia, estimula el grupo respiratorio dorsal o centro inspiratorio bulbar, e induce una inspiración prolongada o apneusis. En condiciones de respiración normal, este centro se encuentra inhibido por el centro neumotáxico situado en la región superior de la protuberancia, que es estimulado por el grupo respiratorio dorsal o centro inspiratorio bulbar.
La corteza cerebral._ Modifica la actividad de los centros bulbares y constituye la actividad voluntaria de la respiración, induciendo la hiperventilación o la hipoventilación. La corteza también coordina la actividad contráctil alternada de los músculos inspiratorios y espiratorios para que actúen coordinadamente. El sistema límbico y el hipotálamo influyen sobre el tipo de respiración que se presenta en situaciones de ira o miedo.

Los centros respiratorios tienen las siguientes funciones:
1. Establecer el ritmo de la respiración y actuar como generadores centrales del patrón respiratorio.
2. Transmitir ese ritmo central a las motoneuronas que inervan los músculos respiratorios.
3. Ajustar el ritmo respiratorio y de la respuesta motora a las necesidades metabólicas (funciones homeostáticas), así como para cubrir las funciones conductuales y voluntarias (funciones no homeostáticas).
4. Utilizar el mismo gasto de energía para llevar a cabo varias funciones.
EFECTORES
Finalmente, los controladores trasmiten a los efectores (músculos respiratorios) las órdenes adecuadas para que la respiración ejerza su acción homeostática (por ejemplo: para el control de la temperatura corporal) o conductual.
La contracción de los músculos respiratorios se debe a impulsos nerviosos originados en las motoneuronas correspondientes de la médula espinal. La inervación de dichos músculos es recíproca, es decir, tanto la contracción como el incremento del tono son concomitantes con la relajación de sus antagonistas. En otras palabras, la contracción de los músculos inspiratorios determina simultáneamente la disminución del tono de los espiratorios y viceversa.




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