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Ventilación: Mecánica de la Respiración

Ventilación: Mecánica de la Respiración

Las células humanas dependen principalmente del metabolismo aeróbico. Por lo tanto, es de vital importancia obtener oxígeno del medio ambiente y llevarlo a los tejidos de manera eficaz, mientras se excreta el subproducto de la respiración celular (dióxido de carbono). La respiración implica tanto al sistema respiratorio como al circulatorio. Hay 4 procesos que suministran O2 al cuerpo y eliminan el CO2. El sistema respiratorio participa en la ventilación pulmonar y la respiración externa, mientras que el sistema circulatorio es responsable del transporte y la respiración interna. La ventilación pulmonar (respiración) representa el movimiento de entrada y salida de aire de los pulmones. La respiración externa está representada por el intercambio de O2 y CO2 entre los pulmones y la sangre.

Última actualización: Ene 31, 2024

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Contenido

Anatomía del Sistema Respiratorio que interviene en la Ventilación

La ventilación, o respiración, implica la acción y los movimientos de las estructuras que se encuentran en el cuello y la cavidad torácica y que pertenecen a los sistemas pulmonar, muscular esquelético y cardíaco.

  • Zona de conducción:
    • Función:
      • Proporciona un conducto para que el aire fluya hacia los pulmones
      • Humidifica y calienta el aire entrante
    • Estructuras:
      • Faringe
      • Laringe
      • Tráquea
      • Bronquios principales derecho e izquierdo
      • Bronquiolos
  • Zona respiratoria:
    • Función: lugar donde se produce el intercambio de gases
  • Componentes musculares esqueléticos:
    • Función:
      • Proporcionar un marco sólido para los pulmones
      • Generar las fuerzas mecánicas necesarias para la respiración
    • Estructuras:
      • Caja torácica
      • Músculos respiratorios: diafragma, intercostales externos, porciones de intercostales internos
      • Membranas pleurales
      • Cavidad pleural: espacio entre la pleura pulmonar y la torácica
Sagittal view of the head and neck showing the location of the pharynx and its anatomical landmarks

The anatomy of the upper respiratory tract and adjacent structures

Image: “2303 Anatomy of Nose-Pharynx-Mouth-Larynx” by OpenStax College. License: CC BY 3.0, edited by Lecturio.
The anatomy of the lower respiratory tract

The anatomy of the lower respiratory tract

Image by Lecturio.

Videos relevantes

7:14
Lower Airways – Lung Anatomy

Relaciones de presión en la cavidad torácica

  • Presión atmosférica (Patm):
    • Presión ejercida por el aire que rodea al cuerpo
    • A nivel del mar, la Patm es de 760 mm Hg.
  • Presión respiratoria:
    • En relación con Patm
    • La presión respiratoria negativa es < Patm.
    • La presión respiratoria positiva es > Patm.
    • Presión respiratoria cero = Patm.
  • Presión intrapulmonar (intraalveolar) (Ppul):
    • Presión en los alvéolos
    • Fluctúa con la respiración
    • Siempre se iguala con Patm
  • Presión intrapleural (Pip):
    • Presión dentro de la cavidad pleural
    • Fluctúa con la respiración
    • Siempre una presión negativa
    • La tubería se genera por fuerzas opuestas:
      • 2 fuerzas internas que promueven el colapso pulmonar (retroceso elástico de los pulmones y tensión superficial en los alvéolos)
      • 1 fuerza hacia fuera (elasticidad de la pared torácica que tira del tórax hacia fuera)
  • Presión transpulmonar (Ppul – Pip):
    • Mantiene las vías respiratorias abiertas; los pulmones se expanden cuando la presión transpulmonar ↑
    • Si Pip ≥ Ppul, los pulmones se colapsarán.

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5:35
Ventilation – Lung Physiology

Inspiración y Espiración

La respiración consta de 2 fases:

  • Inspiración: flujo de gases hacia los pulmones
  • Espiración: flujo de gases hacia fuera de los pulmones

Inspiración y espiración:

  • Procesos mecánicos causados por la contracción de los músculos respiratorios
  • Causa cambios de volumen en la cavidad torácica
  • Los cambios de volumen provocan el movimiento de los gases según la ley de Boyle (la presión varía inversamente al volumen):
    • Los cambios de volumen provocan cambios de presión.
    • Los cambios de presión hacen que el flujo de gases iguale la presión.
Cambios en las relaciones de presión en la cavidad torácica durante la respiración

Cambios en las relaciones de presión en la cavidad torácica durante la respiración:
Durante la inspiración, los músculos se mueven para crear una presión intrapleural negativa (línea verde). Esta presión negativa se transfiere a los pulmones, haciendo que la presión intrapulmonar sea más negativa (línea azul) en relación con la presión atmosférica. El aire fluye hacia los pulmones por este gradiente de presión, aumentando el volumen respiratorio (línea púrpura). Con la exhalación, el proceso se invierte, dando lugar a la salida de aire de los pulmones.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0
Mechanics of breathing

Diagrama que muestra la mecánica de la respiración


PA: presión alveolar; PB: presión barométrica; Ppl: presión pleural

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0
Alveolar pressure throughout the respiratory cycle

Gráfico que muestra la presión alveolar a lo largo del ciclo respiratorio:
Tenga en cuenta la necesidad de una presión negativa durante la inspiración para que el aire sea aspirado.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0

Inspiración

La inspiración es un proceso activo:

  • Los músculos inspiratorios se contraen, tirando de la caja torácica hacia fuera, disminuyendo el Pip y aumentando el volumen torácico.
  • Las fuerzas adhesivas tiran de la membrana pleural, que a su vez tira del parénquima pulmonar.
  • Los pulmones se estiran y el volumen intrapulmonar ↑.
  • Ppul baja, quedando por debajo de Patm.
  • El aire fluye hacia los pulmones por el gradiente de presión hasta que Ppul = Patm.

Espiración

La espiración (en reposo) es un proceso pasivo:

  • Los músculos inspiratorios se relajan.
  • El volumen de la cavidad torácica ↓ debido al retroceso elástico.
  • Volumen intrapulmonar ↓
  • Ppul se eleva por encima de Patm.
  • El aire sale de los pulmones por el gradiente de presión hasta que Ppul = Patm.
  • Espiración forzada:
    • Proceso activo
    • Músculos espiratorios utilizados para ↓ volúmenes torácicos
    • ↑ Velocidad de salida del aire de los pulmones

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4:29
Respiratory Cycle – Breathing and Lung Mechanics

Volúmenes y capacidades pulmonares

Volúmenes pulmonares

Los volúmenes pulmonares son volúmenes específicos de aire contenidos por diferentes porciones de los pulmones en puntos específicos del ciclo respiratorio.

  • Volumen corriente (VC): volumen de aire inhalado o exhalado con cada respiración en condiciones de reposo
  • Volumen residual (VR): volumen de aire que queda en los pulmones después de una espiración forzada
  • Volumen de reserva espiratoria (VRE): volumen de aire que puede exhalarse con fuerza tras una espiración de volumen corriente normal
  • Volumen de reserva inspiratoria (VRI): volumen de aire que se puede inhalar con fuerza tras una inhalación de volumen corriente normal
Fisiología respiratoria: volúmenes y capacidades pulmonares

Volúmenes y capacidades pulmonares

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0

Capacidades pulmonares

Las capacidades pulmonares son una combinación de 2 o más volúmenes.

  • Capacidad pulmonar total (CPT):
    • Volumen máximo de aire contenido en los pulmones tras un esfuerzo inspiratorio máximo
    • TLC = VC + VR + VRE + VRI
  • Capacidad vital (CV):
    • Volumen máximo de aire que una persona puede mover dentro o fuera de los pulmones
    • CV = VC + VRI + VRE
  • Capacidad residual funcional (CRF):
    • Volumen de aire que queda en los pulmones después de la espiración corriente
    • CRF = VRE + VR
  • Capacidad inspiratoria (CI):
    • Volumen máximo de aire que se puede inspirar tras una espiración normal
    • CI = VC + VRI

Espacio muerto

El espacio muerto es el aire que entra y sale de los pulmones pero no llega a las zonas donde puede producirse el intercambio de gases.

  • Espacio muerto anatómico: aire en las vías respiratorias que no llega a los alvéolos o bronquiolos respiratorios
  • Espacio muerto alveolar o fisiológico: aire en los alvéolos que no puede ser absorbido por el torrente sanguíneo debido a una enfermedad pulmonar o a limitaciones de flujo sanguíneo
  • Espacio muerto total = espacio muerto alveolar o fisiológico + espacio muerto anatómico

Ventilación y trabajo respiratorio

Ventilación

La ventilación es el proceso de entrada y salida de aire.

  • Ventilación mínima (VE):
    • Volumen de aire que entra y sale de los pulmones por minuto
    • VE = frecuencia respiratoria expresada en respiraciones/minuto (Bf) × volumen corriente (VC)
  • Ventilación alveolar (VA):
    • Volumen de aire que llega a los alvéolos por minuto y está disponible para el intercambio de gases
    • VA = Bf × (VC – espacio muerto total)

«El trabajo de respirar»

El trabajo de la respiración es la cantidad de energía que una persona necesita para respirar.

  • Trabajo elástico: realizado para superar el retroceso elástico de la pared torácica y el parénquima pulmonar y la tensión superficial de los alvéolos
  • Trabajo resistivo: realizado para vencer la resistencia de las vías respiratorias y los tejidos
Work of breathing in a healthy lung

Trabajo de respiración en un pulmón sano:
La presión puede verse en el eje x y el volumen en litros en el eje y. El orden en la inhalación es AECBA. El orden en la exhalación es ABCFA.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0
Total work of breathing is a composite of elastic and non-elastic work within the lungs

El trabajo total de la respiración es un compuesto de trabajo elástico y no elástico dentro de los pulmones:
La frecuencia respiratoria se ve en el eje x y el trabajo mecánico se ve en el eje y. La frecuencia respiratoria de un individuo corresponderá al menor trabajo necesario para respirar. La línea discontinua muestra la relación entre la menor cantidad de trabajo total y su correspondiente frecuencia respiratoria en la mayoría de los individuos (< 25 respiraciones por minuto). Una persona con una enfermedad pulmonar restrictiva tendría la línea desplazada hacia la derecha.

Imagen de Lecturio.CC BY-NC-SA 4.0/cite>
Work of breathing in a normal lung (left) compared to a lung with obstructive pulmonary disease (right)

Trabajo respiratorio en un pulmón normal (izquierda) comparado con un pulmón con enfermedad pulmonar obstructiva (derecha):
Como el flujo de aire está obstruido, la persona tiene que hacer un gran trabajo para inspirar y un trabajo aún mayor para espirar (expulsar) el aire.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0
Work of breathing in a normal lung (left) compared to a lung with restrictive pulmonary disease (right)

Trabajo respiratorio en un pulmón normal (izquierda) comparado con un pulmón con enfermedad pulmonar restrictiva (derecha):
Como su distensibilidad está disminuida, el pulmón restrictivo requiere más presión negativa para inflarse, lo que aumenta el trabajo necesario para respirar.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0

Videos relevantes

5:55
Pulmonary Ventilation – Breathing and Lung Mechanics
3:50
Work of Breathing — Breathing and Lung Mechanics

Factores que influyen en la ventilación pulmonar

Aparte de las presiones que la musculatura torácica es capaz de crear, la ventilación está limitada por las propiedades físicas de las estructuras de los pulmones. Las propiedades físicas más importantes a tener en cuenta son:

  • La resistencia de las vías respiratorias
  • La compliancia del tejido pulmonar
  • La tensión superficial de los alvéolos

Resistencia

  • Definición:
    • Resistencia: fuerza que se opone al flujo (en este caso de aire)
    • Ley de Poiseuille: El flujo de aire es inversamente proporcional a la resistencia.
  • Efecto sobre el sistema pulmonar:
    • La resistencia impide el flujo de aire hacia los pulmones.
    • ↑ Resistencia = ↑ energía necesaria para inspirar.
    • Las vías respiratorias generan el 80% de la resistencia.
    • El diámetro de la vía aérea es inversamente proporcional a la resistencia que produce.
  • Implicaciones fisiológicas:
    • En pacientes sanos, la resistencia es insignificante, ya que el diámetro total de las vías respiratorias es grande:
      • Grandes diámetros de las vías respiratorias en el inicio de la zona de conducción
      • Las vías respiratorias más pequeñas mantienen un área transversal total elevada porque son muchas.
      • La resistencia desaparece en el bronquiolo terminal → la difusión impulsa el intercambio de gases
    • En ciertas dolencias, ↓ diámetro total de las vías respiratorias, ↑ resistencia a superar para respirar:
      • El músculo liso de las vías respiratorias se contrae (e.g., asma)
      • Taponamiento mucoso de las vías respiratorias (por ejemplo, enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), bronquitis, fibrosis quística)
      • Obstrucción de bronquiolos y alvéolos por material infeccioso (por ejemplo, neumonía)
Chart describing the inverse proportion between airway resistance and the number of airways

Chart describing the inverse proportion between airway resistance and the number of airways:
Resistance decreases as the number of airways increases. Poiseulle’s law describes this relationship (seen at the top left corner).

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0
Chart showing normal changes in air volume

Chart showing normal changes in air volume

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0
Chart showing changes in air volume demonstrated by a person with obstructive lung disease

Chart showing changes in air volume demonstrated by a person with obstructive lung disease:
Note how the increase in resistance impedes properly timed outflow of air.

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0

Tensión superficial alveolar

  • Definición:
    • Propiedad derivada de la adhesión de las moléculas de agua
    • Las moléculas de agua se adhieren a otras moléculas de agua.
    • Resiste cualquier fuerza que tienda a ↑ la superficie del líquido
  • Efecto sobre el sistema pulmonar:
    • Se produce en los alvéolos debido a las moléculas de agua que hay en su interior
    • Si no se controla, evita que los alvéolos se estiren durante la inspiración
  • Implicaciones fisiológicas:
    • El surfactante ↓ la tensión superficial alveolar separando las moléculas de agua entre sí.
      • Los neumocitos de tipo II sintetizan el surfactante pulmonar.
      • El surfactante pulmonar está compuesto por un 85%-90% de fosfolípidos y moléculas anfipáticas
      • Los extremos polares están en contacto con el agua y ↓ la tensión superficial.
    • Permite una expansión más fácil durante la inspiración y evita que los alvéolos se colapsen durante la espiración
    • Cualquier cosa que destruya el surfactante puede causar una enfermedad pulmonar:
      • La falta de surfactante en los bebés prematuros provoca el síndrome de dificultad respiratoria infantil.
      • Los fumadores crónicos producen menos surfactante, lo que da lugar a los problemas observados en la EPOC.
Pulmonary surfactant annuls the law of laplace

Pulmonary surfactant annuls the Law of Laplace:
Without pulmonary surfactant, a scenario like the one shown on the left will occur: Larger air sacs will fill up more easily owing to their reduced surface tension. With pulmonary surfactant, all surface tension is reduced and, therefore, all alveoli inflate to their respective capacities.

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0
Reduction of surface tension by pulmonary surfactant

Reduction of surface tension by pulmonary surfactant:
The polar heads of the phospholipids in the pulmonary surfactant stand between the water molecules and reduce the surface tension.

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0

Compliancia

  • Definición:
    • Medida del cambio de volumen con un cambio dado en la presión transpulmonar
    • Determinado por las propiedades de tracción del tejido pulmonar
    • Simplemente, la rigidez de los pulmones
  • Efecto sobre el sistema pulmonar:
    • ↑ Rigidez de los pulmones, ↑ energía para estirarlos durante la inspiración:
      • La ventilación es más eficiente en las zonas del pulmón con ↑ conformidad.
      • Las zonas con un cumplimiento ↓ se expanden menos.
    • La complacencia de los pulmones también está influenciada por la gravedad:
      • Vértice posee compliancia ↓.
      • La base posee compliancia ↑.
  • Implicaciones fisiológicas:
    • En los pulmones sanos, ↑ cumplimiento por:
      • Distensibilidad del tejido pulmonar
      • ↓ Tensión superficial alveolar
    • ↓ La compliancia pulmonar aparece en:
      • Fibrosis (por ejemplo, síndrome de dificultad respiratoria aguda del surfactante, cicatrización después de la quimioterapia)
      • ↓ Producción de surfactante (por ejemplo, pulmones prematuros, EPOC)
      • ↓ Flexibilidad de la caja torácica (por ejemplo, escoliosis, parálisis cerebral)
Chart of transpulmonary pressure (x-axis) and change in lung volume in liters (y-axis)

Chart of transpulmonary pressure (x-axis) and change in lung volume in liters (y-axis):
This chart compares the normal compliance of a healthy lung with the increased compliance seen in pulmonary emphysema and the reduced compliance of pulmonary fibrosis.

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0
Influence of gravity on lung compliance

Influence of gravity on lung compliance:
The apex of the lung is less compliant owing to gravity stretching its elastic fibers, while the base is more compliant owing to the same pull of gravity and the limits of the thoracic cavity that compress its elastic fibers.

Image by Lecturio. License: CC BY-NC-SA 4.0

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4:01
Pulmonary Surface Tension – Breathing and Lung Mechanics
7:48
Airway Resistance – Breathing and Lung Mechanics

Relevancia Clínica

  • Enfermedad pulmonar obstructiva: grupo de afecciones que aumentan la resistencia de las vías respiratorias, ya sean pequeñas o grandes: La enfermedad pulmonar obstructiva provoca el estrechamiento de las vías respiratorias. El aumento de la resistencia crea un mayor trabajo que debe superarse, por lo que los pacientes suelen presentar un aumento de la frecuencia respiratoria y del trabajo respiratorio. Los pacientes suelen ser incapaces de expulsar completamente el aire durante la exhalación. A menos que la obstrucción sea generalizada, estos pacientes pueden seguir teniendo una saturación de oxígeno normal o casi normal. Los hallazgos del examen pulmonar dependen de la ubicación de la obstrucción en las vías respiratorias. Algunos ejemplos son el asma, la bronquitis crónica, el enfisema, la apnea obstructiva del sueño y los cuerpos extraños en las vías respiratorias
  • Enfermedad pulmonar restrictiva: grupo de afecciones que provocan una disminución de la distensibilidad de los pulmones, aumentando la cantidad de trabajo necesario para expandir y contraer los pulmones: Los pacientes son incapaces de estirar completamente los pulmones para respirar suficiente aire. La enfermedad pulmonar restrictiva suele afectar a todo el parénquima pulmonar y se presenta con un aumento de la frecuencia respiratoria y del trabajo respiratorio, así como con una disminución de las saturaciones de oxígeno. Algunos ejemplos son el síndrome de dificultad respiratoria neonatal, la fibrosis pulmonar y la sarcoidosis.
  • Enfermedad pulmonar mixta: Las enfermedades pulmonares suelen tener elementos de patologías restrictivas y obstructivas. El ejemplo más común de enfermedad pulmonar mixta es la fibrosis quística, en la que las vías respiratorias se estrechan y el parénquima pulmonar se endurece.

Referencias

  1. Hall, J. E. (2015). Guyton and hall textbook of medical physiology, 13th ed.. W. B. Saunders.
  2. OpenStax College. (2013). Anatomy and physiology. OpenStax. http://cnx.org/content/col11496/latest/
  3. Levitzky, M. G. (2017). Mechanics of breathing. Chapter 2 in Pulmonary Physiology, 9th ed. New York: McGraw-Hill Education. https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2288&sectionid=178856534
  4. Levitzky, M. G. (2017). Alveolar ventilation. Chapter 3 in Pulmonary Physiology, 9th ed. New York, NY: McGraw-Hill Education. https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2288&sectionid=178856748
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