volumenes pulmonares

Coordinador

J. L. Izquierdo Alonso

MECÁNICAMECÁNICA RESPIRARESPIRATTORIAORIA II II

Editores

J.M. Pino GarcíaF. García Río

PRESENTACIÓN

Dr. José Luis Izquierdo AlonsoServicio de NeumologíaHospital UniversitarioGuadalajara

Cuando Leonardo Da Vinci comparó los pulmones con un fuelle, definió un modelo quesigue siendo válido cinco siglos más tarde. De este modo, la parte mecánica del sistema respira-torio puede dividirse en un componente muscular que actúa como bomba, un sistema de conduc-ción que genera una resistencia al paso del aire, y el propio parénquima pulmonar como fuelle.

Las pruebas de función pulmonar constituyen una herramienta fundamental para evaluarel comportamiento mecánico de este sistema, tanto en condiciones normales como en el diag-nóstico y manejo clínico de los pacientes con trastornos que afecten al sistema respiratorio. Elgrado de utilidad de las diferentes pruebas de función pulmonar variará notablemente depen-diendo de la complejidad de cada proceso.

En todos los casos, el estudio de la mecánica pulmonar debe ser siempre un complementode la clínica, de manera que, aunque algunas pruebas como la espirometría pueden realizarse deforma rutinaria en amplias poblaciones, la realización de las técnicas descritas en esta monogra-fía es más compleja, por lo que habitualmente deberá plantearse de forma individualizada.

A lo largo de esta obra se describen de forma detallada los aspectos teóricos, los sistemasde medida y los aspectos clínicos más relevantes de los volúmenes, las resistencias y la elasti-cidad pulmonar. De forma deliberada se ha creado un cierto solapamiento que permite mante-ner un adecuado nivel de continuidad entre los diferentes temas. Este formato, unido al sólidoconocimiento que los autores muestran sobre la materia, ha permitido alcanzar el objetivo dehacer una obra completa y comprensible sobre un tema que pudiera parecer árido para los queno son especialistas en la materia.

ÍNDICE

Mecánica respiratoria II (Volúmenes pulmonares estáticos, resistencias y distensibili-dad pulmonar)

Capítulo 1. Volúmenes pulmonares ............................................................................Pilar de Lucas Ramos, Jose Miguel Rodríguez González-Moro, Soledad López Martín.Hospital General Universitario Gregorio Marañón.

Capítulo 2. Resistencias pulmonares: aspectos teóricos ............................................Luis Puente-Maestu, Yolanda Martínez Abad. Hospital General Universitario Gregorio Marañón.

Capítulo 3. Distensibilidad pulmonar ........................................................................Pablo V. Romero Colomer. Hospital Universitario de Bellvitge.

Capítulo 4. Sistemas de medidas de los volúmenes pulmonares estáticos ................Nicolás González Mangado. Fundación Jiménez Díaz - UTE.

Capítulo 5. Métodos de medición de las resistencias del sistema respiratorio ..........Pablo V. Romero Colomer. Hospital Universitario de Bellvitge.

Capítulo 6. Métodos de medida de la distensibilidad pulmonar ................................Guillermo Muñiz Albaiceta. Hospital Universitario Central de Asturias.

Capítulo 7. Volúmenes pulmonares estáticos, resistencias y distensibilidad pulmonaren la patología obstructiva. Estructura-función ......................................Carlos Almonacid Sánchez, José Luis izquierdo Alonso. Hospital Universitario de Guadalajara.

Capítulo 8. Volúmenes pulmonares estáticos, resistencias y distensibilidad pulmonaren la patología restrictiva ........................................................................Germán Peces-Barba Romero. Fundación Jiménez Díaz-UTE.

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CAPÍTULO 1

VOLÚMENES PULMONARES

PILAR DE LUCAS RAMOS JOSE MIGUEL RODRÍGUEZ GONZÁLEZ-MOROSOLEDAD LÓPEZ MARTÍN

Servicio de NeumologíaHGU Gregorio MarañónDr. Esquerdo 46, 28007 MadridCorreo electrónico: [email protected]

INTRODUCCIÓN

El aparato ventilatorio tóraco-pulmonar puede considerarse como un sistema elástico forma-do por dos estructuras en serie, que ejercen fuerzas opuestas: la caja torácica y los pulmo-nes. En condiciones normales, el espacio pleural tiene un carácter virtual, encontrándosepared torácica y pulmones en íntima aposición, por lo que existe una estrecha corresponden-cia en sus volúmenes. Aunque las características elásticas del pulmón y sus determinantessean el objeto de otro capítulo, no se puede hablar de los volúmenes pulmonares sin men-cionar esta circunstancia, dado que el volumen pulmonar de reposo, la capacidad residualfuncional, representa el punto de equilibrio entre las fuerzas elásticas de ambos componen-tes del sistema (1,2). Es a partir de este volumen de equilibrio desde donde ha de arrancarel análisis del resto de volúmenes pulmonares, tanto estáticos como dinámicos, y de las sub-divisiones de los mismos. Cuando, como consecuencia de la contracción de los músculosrespiratorios, se produce un cambio de volumen en la caja torácica, este va a ir seguido deun cambio de volumen en los pulmones. Por otra parte, no sólo el volumen estático de repo-so está determinado por las características elásticas del pulmón y de la pared torácica, sinoque el volumen de gas pulmonar depende en todo momento de estas, tanto como de la acti-vidad de los músculos inspiratorios y espiratorios.Aparte de las características mecánicas,otros factores van a modular la magnitud de los volúmenes pulmonares. Estos factores pue-den ser fisiológicos: edad, posición corporal, factores étnicos y antropométricos, o patoló-gicos: cambios en la morfología y características del tórax, alteraciones de los músculos res-piratorios o enfermedades pleuro-pulmonares (3-6).(Tabla I).

Puesto que el impacto que las diferentes enfermedades del sistema tóraco-pulmonarsobre los volúmenes pulmonares será desarrollado en otros capítulos de esta obra, dedicare-mos este a describir los diferentes volúmenes pulmonares y sus determinantes: la morfolo-gía funcional de la caja torácica y la mecánica tóraco-pulmonar, así como los factores fisio-lógicos que modifican aquellos.

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Tabla I. Mecanismos fisiológicos que determinan los volúmenes pulmonares y factores responsablesde la variabilidad fisiológica de los mismos.


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VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARESEl volumen total de gas pulmonar se denomina capacidad pulmonar total. Esta denomina-ción, capacidad, en lugar de volumen pulmonar total, nos introduce en la terminología uti-lizada para definir los volúmenes pulmonares, terminología que facilita la compresión de lamecánica ventilatoria y dentro de la cual podemos distinguir volúmenes y capacidades. Losvolúmenes son aquellas cantidades de gas pulmonar que ya no se subdividen, mientras quelas capacidades pulmonares corresponden a la suma dos o más volúmenes. Existen cuatrovolúmenes y cuatro capacidades pulmonares (Figura 1) (6).

Volúmenes pulmonaresLos volúmenes pulmonares fundamentales son: el volumen corriente, el volumen de reser-va inspiratorio, el volumen de reserva espiratorio y el volumen residual.

El volumen corriente (VT) es el volumen que entra y sale de pulmón con cada movi-miento respiratorio. Se trata de un volumen dinámico que dependerá de la función de losmúsculos respiratorios y de las condiciones elásticas de pulmón y de la caja torácica, aun-que al tratarse de un volumen no forzado esta dependencia esta en relación con la influen-cia que estas fuerzas musculares y elásticas ejercen sobre el patrón de la ventilación.

El volumen de reserva inspiratorio (IRV), es la cantidad de aire adicional al volumencorriente que se puede introducir con un esfuerzo inspiratorio máximo y, al igual que elvolumen corriente, depende de las características elásticas del sistema respiratorio y de lafunción de los músculos inspiratorios.

El volumen de reserva espiratorio(ERV), es la cantidad de aire que, por debajo del volu-men corriente, puede ser exhalado con un esfuerzo espiratorio forzado lento. Está determinado,fundamentalmente, por la función de los músculos espiratorios pero, también, por las caracte-rísticas elásticas del sistema respiratorio y por el grado de colapsabilidad de la vía aérea.

El volumen residual (RV) es la cantidad de aire que permanece en el interior del pul-món una vez que se ha realizado un esfuerzo espiratorio lento forzado. Se trata, por tanto,

DETERMINANTES DE LOS VOLÚMENES

Músculos respiratoriosElasticidad de la pared torácicaElasticidad pulmonarInteracción tóraco-pulmonar

FACTORES DE VARIABILIDAD

EdadPeso y TallaSexo RazaPosición corporalSueñoEjercicio EntrenamientoAltitud

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de una cantidad de aire intrapulmonar no movilizable, independientemente del esfuerzoespiratorio que se realice. Este volumen, que impide la colapsabilidad total del pulmón yasegura el mantenimiento de un intercambio gaseoso estable, está fundamentalmente deter-minado por las condiciones elásticas del pulmón, pero tambien depende de la función de losmúsculos espiratorios y de la colapsabilidad de la vía aérea.

Capacidades pulmonaresComo ya se ha mencionado, las capacidades del pulmón corresponden a la suma de dos omás volúmenes pulmonares. Se distinguen cuatro capacidades pulmonares: la capacidadresidual funcional, la capacidad inspiratoria, la capacidad vital y la capacidad pulmonartotal.

La capacidad funcional residual (FRC). Es el volumen de gas pulmonar existente alfinal de una espiración tranquila, espontánea. Se puede considerar el volumen de reposo delsistema tóraco-pulmonar y, con el sujeto relajado, es decir en ausencia del tono muscularinspiratorio, representaría el punto de equilibrio de las fuerzas elásticas opuestas de cajatorácica y pulmones. En condiciones habituales, es decir con el sujeto en respiración espon-tánea, no relajado, existe siempre un tono inspiratorio basal, de forma que, la FRC está


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Figura 1. Volúmenes y capacidades pulmonares. VT: Volumen corriente. ERV: Volumen de reservaespiratorio. IRV: Volumen de reserva inspiratorio. RV: Volumen residual. IC: Capacidad inspiratoria.FRC: Capacidad residual funcional. VC: Capacidad vital. TLC: Capacidad pulmonar total.

TLC

VC

IC

ERC

IRV

VT

ERV

RV

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determinada por las fuerzas elásticas centrípetas pulmonares y las fuerzas de oposición for-madas por la suma de las fuerzas elásticas centrífugas de la caja torácica y la ejercida por laactividad basal de los músculos inspiratorios. La cantidad de gas que constituye la FRCcorresponde a la suma del volumen residual y el volumen de reserva espiratorio. En el suje-to relajado, la capacidad residual funcional depende exclusivamente de las fuerzas elásticastóraco-pulmonares y se reconoce por las siglas Vr.

La capacidad inspiratoria (IC) es el volumen de gas inspirado como consecuencia deuna esfuerzo inspiratorio máximo realizado a continuación de una espiración tranquila, esdecir, cuando el sujeto se encuentra a capacidad funcional residual. Esta capacidad inspira-toria representa, por tanto, la suma del volumen corriente y el volumen de reserva inspira-torio y su magnitud va a depender de las características elásticas de los pulmones y de lacaja torácica y de la fuerza de los músculos inspiratorios.

La capacidad vital (VC) es el volumen de aire que puede ser inspirado con un esfuer-zo inspiratorio máximo realizado al término de una espiración máxima lenta, es decir, cuan-do el sujeto se encuentra a volumen residual. Su magnitud es igual a la suma del volumende reserva espiratorio, el volumen corriente y el volumen de reserva inspiratoria y estarádeterminada por la fuerza de los músculos respiratorios y por las características elásticas delpulmón y de la caja torácica. Tal como la hemos definido, esta capacidad vital corresponde-ría a la capacidad vital inspiratoria (IVC), para distinguirla de la denominada capacidadvital lenta (SVC), un concepto más nuevo, que corresponde a la suma de los mismos volú-menes, pero expresado de forma diferente, como la mayor cantidad de aire que puede serexhalado con un esfuerzo espiratorio lento máximo, al término de un esfuerzo inspiratoriomáximo. Actualmente se maneja en mayor medida el término de capacidad vital forzada(FVC), que se define como la cantidad de aire exhalado con un esfuerzo espiratorio máxi-mo forzado, realizado al término de una inspiración máxima, es decir, desde capacidad pul-monar total. Este término si corresponde a un concepto nuevo, ya que su magnitud dependeno solo de la fuerza de los músculos espiratorios y de las características elásticas del siste-ma, sino también y de forma importante, de la colapsabilidad de las vías aéreas un factorque no interviene o lo hace en un grado mucho menor, en la capacidad vital inspiratoria yen la capacidad vital lenta. Por este motivo, aunque en condiciones de normalidad, apenasexiste diferencias entre IVC, SVC y FVC, como veremos más adelante, en situaciones deenfermedad si que pueden existir variaciones significativas. La capacidad vital representa lamáxima capacidad de aire movilizable pulmonar.

La capacidad pulmonar total(TLC), la máxima cantidad de aire que pueden contenerlos pulmones, corresponde a la suma de volumen residual, volumen de reserva inspiratoria,volumen corriente y volumen de reserva inspiratorio, es decir, los cuatro volúmenes pulmo-nares. Se puede entender también como la suma de la capacidad de aire movilizable, la VC,y el volumen de aire no movilizable, el RV. Su magnitud depende de las características elás-ticas tóraco-pulmonares así como de las fuerzas musculares inspiratorias.

DETERMINANTES DE LOS VOLÚMENES PULMONARES

Los volúmenes pulmonares van a estar determinados por los movimientos de la pared torácicatorácica, muy dependientes de la anatomía funcional de esta y de la actividad muscular, y losmovimientos del pulmón, que siguen los cambios experimentados por la caja torácica y vienen


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matizados por las características elásticas del sistema (7). Sobre estas características mecánicasvan a incidir otros factores como son edad, raza, talla, peso, posición corporal, sueño y ejercicio.

Mecánica de la pared torácicaDesde un punto de vista funcional la pared torácica se encuentra constituida no solo por laestructuras músculo-esqueléticas del tórax (columna vertebral, costillas y músculos inter-costales y diafragma) sino que incluye también la pared anterior abdominal. Es preciso, portanto, diferenciar pared torácica de caja costal, teniendo en cuenta que todos los componen-tes de la primera interaccionan entre sí de forma armónica.

Como consecuencia de la contracción muscular, la pared torácica, experimenta dostipos de movimientos, el postural de flexo-extensión de la columna vertebral y los movi-mientos respiratorios. Los cambios de volumen de la caja torácica, producidos como conse-cuencia de los movimientos de la pared, vienen determinados por la interacción entre lasfuerzas que generan dichos movimientos, y que son la fuerza de contracción muscular, y lafuerza elástica de la pared (8).

ELASTICIDAD DE LA CAJA TORÁCICA

La pared torácica es una estructura elástica y, como tal, genera una fuerza que viene defini-da por la magnitud de la presión elástica. La presión elástica de la pared torácica, Pw, es elresultado de dos componentes, actuando en paralelo, la presión elástica de la pared abdomi-nal, Pab, y la presión elástica de la caja costal Pcr. La contribución de ambos componentesqueda definida por la siguiente ecuación, que fue expresada por Mead(9):

Prc = (1-k) Pw + kPab

La fuerza elástica del tórax, varia en función del volumen de este y, por tanto, a lo largodel ciclo respiratorio. Esta variación afecta tanto al sentido de la fuerza como a la magnitudde la misma. Durante la espiración, en situación de reposo y a lo largo de la mayor parte dela inspiración la fuerza elástica del tórax ejerce una tensión centrífuga, que tiende a la expan-sión del mismo y que va disminuyendo conforme se incrementa el volumen. Entre el 50 yel 50% de la capacidad vital, se alcanza la situación de reposo de la caja torácica y su pre-sión elástica es neutra, es decir 0 Por encima del 60% de la capacidad vital, la fuerza es yacentrífuga y se opone a la expansión del tórax.

La medida de la fuerza elástica del tórax y sus modificaciones en función del volumen delmismo, se lleva a cabo determinando la presión pleural, Ppl, a diferentes volúmenes de insufla-ción pulmonar, en situación de relajación. En estas condiciones, la presión transtorácica, es decirla diferencia existente entre la presión del espacio pleura pleural, Pp, y la de superficie corporal,Pbs, se corresponde con la Psw, Puesto que la presión en la superficie corporal es la presiónatmosférica, que consideramos 0, la Psw es igual y de signo contrario a la presión pleural.

Psw = Psb-Ppl; Psb = 0; Ppl = Psw

Las relaciones entre la presión elástica de la pared torácica y el volumen pulmonar se expli-can en la figura 2, en la cual tambien se representa la relación del volumen pulmonar con la pre-sión elástica de los pulmones, Psl, y con la presión elástica total del sistema respiratorio, Psr.


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MÚSCULOS RESPIRATORIOS

Los músculos respiratorios son morfológica y funcionalmente músculos esqueléticos cuyafunción principal es el desplazamiento rítmico de la pared torácica. Mientras que, en condi-ciones normales la espiración se realiza de forma pasiva al relajarse los músculos inspirato-rios, la inspiración exige la contracción muscular activa de forma rítmica. El diafragma esel principal músculo inspiratorio, pero es necesario considerar tambien los músculos de lacaja torácica, fundamentalmente los intercostales y los músculos abdominales accesorios dela respiración. Debe tenerse en cuenta que el trabajo de los músculos respiratorios se llevaacabo de forma coordinada e interdependiente (10).

El diafragma es un músculo anatómicamente singular en el sentido de que sus fibrasirradian de una estructura tendinosa central para insertarse periféricamente en estructurassólidas. Dependiendo de la naturaleza de estas estructuras sólidas podemos distinguir doscomponentes diafragmáticos.: (a) la porción crural que se inserta en la porción anterolateralde las 3 primeras vértebras lumbares y sobre la aponeurosis de los ligamentos arquatos. (b)la porción costal cuyas fibras se insertan sobre el apéndice xifoides y los márgenes superio-res de las 6 últimas costillas. A este nivel las fibras costales están directamente apuestas

Presión de resorte elástico (cm H2O)

- 40 + 40 cm.

Volumen pulmonar %

TLC

FRC

Pulmón

Pared torácica

Sistema respiratorio i

Figura 2.- Mecánica de la ventilación. Relaciones entre la elasticidad pulmonar y la elasticidad de la caja torácica como determiantes de los volúmenes pulmonares. TLC:Capacidad pulmonar total. FRC: Capacidad residual funcional.

Volumen

pul

monar

%

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sobre la caja costal. En relación a su función el diafragma puede ser considerado como uncilindro con una doble cúpula. Cuando el diafragma se contrae, la zona de aposición se acor-ta y la cúpula diafragmática baja, siendo este movimiento de pistón el responsable de lamayor parte del desplazamiento diafragmático. El descenso del diafragma expande caudal-mente la caja torácica, disminuyendo la presión intrapleural con lo que se inicia la inspira-ción. Además se produce una acción sobre las últimas costillas que sufren un movimientode rotación externa y elevación, dando lugar a una expansión del diámetro de la parte infe-rior de la caja torácica que también tiene consecuencias inspiratorias. Finalmente, hay queconsiderar que a nivel de la zona de aposición las costillas están sometidas a la presión queejerce la cavidad abdominal y por tanto al contraerse el diafragma y generarse una presiónabdominal positiva, son empujadas hacia afuera contribuyendo también a la inspiración.Hay que tener en cuenta que la contracción diafragmática ejerce un efecto espiratorio sobrela caja costal superior debido a que la caída de la presión pleural va a determinar un movi-miento de retracción pasiva.

Los músculos intercostales constituyen 2 finas capas musculares que ocupan los espa-cios intercostales. Clásicamente se ha considerado que los intercostales externos tenían unaacción inspiratoria, elevando las costillas, mientras que en los internos se distinguen dos par-tes, la región paraesternal, con acción inspiratoria, y la intercostal con acción espiratoria. Sinembargo actualmente deben considerarse como una unidad en la que la acción inspiratoriao espiratoria va a depender de la contracción de otros músculos, en el sentido de que si exis-te una fijación craneal de las costillas la acción será inspiratoria, mientras que si la fijaciónes caudal, será espiratoria.

Los escalenos se insertan en las apófisis transversas de la 5ª vértebra cervical y en elborde superior de 1a y 2a costilla. Su acción consiste en la elevación costal, siendo por tantoinspiratorios y, puesto que existe una actividad rítmica continua, no deben ser consideradoscomo accesorios, sino genuinamente inspiratorios. Los músculos accesorios de la inspira-ción son músculos que se extienden entre cabeza y caja costal, entre columna y cintura esca-pular o entre cintura escapular y caja costal; su contracción va a ocasionar elevación de lascostillas y por tanto tienen acción inspiratoria. Sin duda el más importante de estos múscu-los en el hombre es el esternocleidomastoideo, cuya acción es elevar el esternón y despla-zar el diámetro anteroposterior y transversal de la caja torácica. Otros músculos como tra-pecios, serratos e incluso algún músculo laríngeo, pueden tener acción inspiratoria.

Aunque los abdominales son músculos espiratorios, pueden asistir a la inspiración endos formas. En primer lugar, su contracción tónica a lo largo del ciclo respiratorio comple-to cuando el sujeto está en bipedestación, va a suponer una resistencia al diafragma que per-mite que este mantenga la longitud más adecuada para el desarrollo de su actividad. Ensegundo lugar, al contraerse durante la espiración van a empujar el diafragma y motivar unareducción del volumen pulmonar por debajo de la capacidad residual funcional. Al relajar-se al final de la espiración, dan lugar a un descenso pasivo del diafragma, causando un incre-mento de volumen independiente de la contracción inspiratoria.

DESPLAZAMIENTOS DE LA PARED TORÁCICA Y CAMBIO DE VOLUMEN

Como consecuencia de la contracción de los músculos respiratorios se va a producir un des-plazamiento de diafragma, pared costal y pared abdominal, el cual determina un cambio devolumen en la caja torácica. Las costillas experimentan dos tipos de movimientos de rotación

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PabPab

Figura 3. Movimientos de la pared torácica durante la inspiración: contribución del desplazamientode la pared costal y la pared abdominal. T: cavidad torácica. AB: cavidad abdominal. Ppl: presiónpleural. En A existe un desplazamiento normal, hacia abajo, del diafragma y como consecuencia lapared abdominal se desplaza hacia delante. En B existe un movimiento paradójico, hacia arriba,del diafragma. Como consecuencia la pared abdominal se desplaza hacia dentro y, recíprocamente,se produce un mayor desplazamiento hacia fuera de la pared costal.

A

T

AB

Ppl Ppl

AB

T

de las articulaciones condro-costales, un movimiento elevador, que incrementa el diámetroantero-posterior del tórax, y un movimiento lateral, que incrementa el diámetro lateral. Encuanto al diafragma, se produce un desplazamiento hacia abajo del mismo, el cual , a su vez,determina en un desplazamiento hacia fuera de la pared anterior del abdomen por incrementode presión intraabdominal. Existe una relación entre los desplazamientos experimentados porcaja costal, diafragma y pared abdominal, de forma que, en aquellas circunstancias en que seexiste un movimiento paradójico del diafragma, con elevación durante la inspiración se pro-duce un mayor desplazamiento anteroposterior de la caja torácica (Figura 3).

El cambio de volumen de la cavidad torácica, va a depender del desplazamiento de lacaja costal y del desplazamiento de la pared abdominal que pueden ser considerados comoun generador de presión operando en serie. La magnitud de los desplazamientos de la super-ficie corporal, es decir la caja costal y la pared abdominal, se corresponde con el cambioexperimentado en el volumen de la caja torácica y, por ende, en el volumen pulmonar, deforma que:

∆ Vw = ∆ Vrc + ∆ Vab

siendo Vw, el volumen de la caja torácica, Vrc, el volumen del desplazamiento costal,y Vav el volumen del desplazamiento abdominal. Como ya se mencionó, el desplazamiento

B

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de la pared anterior del abdomen se produce como consecuencia del descenso del diafrag-ma y, por tanto, refleja el experimentado por el diafragma. De esta forma, se puede asumir,como hace Mead, que el cambio de volumen debido al desplazamiento del diafragma, Vdi,equivale a Vab, si bien esto conduce a una ligera infraestimación del cambio de volumen.

Aunque estudios iniciales de Wade asumían que la contribución costal y diafragmática alcambio de volumen torácico era igual, estudios posteriores llevados a cabo por Agostoni pusie-ron de manifiesto que la contribución al cambio de volumen por parte del desplazamiento deldiafragma es mayor que el del desplazamiento de la caja costa, sobre todo en sedestación (11).Por otra parte, existe una relación entre el desplazamiento del componente abdominal y el des-plazamiento del componente torácico están relacionados. Esta relación fue estudiada por Meady Konno (12), midiendo de forma simultánea el desplazamiento abdominal y costal en distin-tos puntos, al mismo nivel de volumen pulmonar y realizando las mediciones a lo largo delespectro de volumen pulmonar. De acuerdo con sus resultados, enunciaron las siguientes reglas:

- Para un volumen determinado, la relación entre el desplazamiento de la pared abdo-minal y el de la pared torácica, medido en diferentes puntos, es constante.

- Las líneas de relación de isovolumen, entre el desplazamiento de la caja costal y la paredabdominal son rectas, paralelas y equidistantes para incrementos de volumen iguales.

- La relación de desplazamiento de cada parte, para diferentes patrones de comporta-miento muscular, pueden obtenerse gráficamente, moviendo uno de los componentesy manteniendo el otro fijo, a lo largo de las líneas de iso-volumen (Figura 4).

Figura 4. Relación entre los desplazamientos de la pared costal y la pared abdominal para undeterminado volumen pulmonar, de acuerdo con diferentes patrones de contracción muscular, segúnel modelo de Konno-Mead. Se representan las líneas de isoflujo correspondientes a las variacionesde volumen corriente. Vrc: volumen de la caja costal; Vabw: volumen abdominal. VT: volumencorriente. a, b, c, d, e, f: modificación de los desplazamientos de pare costal en función de diferentespatrones de contracción, asumiendo pared abdominal fija. La línea discontinua, línea de relajación,expresa el comportamiento de ambos desplazamientos en relajación.

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A

∆Vrc

∆Vabw

VT

fd

b

ea

c

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- La contribución al cambio de volumen de cada componente puede calcularse de acuer-do con la ecuación anteriormente expresada, de dos variables con un grado de libertad.

Aunque los movimientos de flexo-extensión de la columna son de carácter postural, sícondicionan una modificación de los volúmenes pulmonares para un determinado nivel dedesplazamiento tóraco-abdominal, introduciendo un tercer grado de libertad en la ecuación.Así, el cambio de volumen observado disminuye conforme se incrementa la flexión toráci-ca y disminuye la distancia cráneo-caudal del tórax (Figura 5).

La magnitud del desplazamiento de la pared torácica y, por tanto, del cambio de volu-men de la caja torácica, depende de la presión que genera el movimiento, la presión muscu-lar, y de la distensibilidad de la pared, de acuerdo con la ecuación:

∆ Vw= ∆ P * C we introduciendo los distintos componentes, costal y abdominal, de acuerdo con los tra-

bajos de Mead y Konno, la contribución de estos componentes queda definida por lasiguiente ecuación:

=

en la que rc es pared costal, ab es pared abdominal anterior, V es volumen, C es disten-sibilidad y P es presión.

Crc * ∆ PrcCab * ∆ Pab

∆Vrc∆Vab

Figura 5. Impacto de la posición de flexo-extensión torácica en el desplazamiento tóraco-abdomi-nal. Las líneas de isovolumen en porcentaje de la capacidad vital (%VC) representan la relaciónexistente entre la suma de los diámetros anteroposteriores abdominal y torácico y el grado de fle-xión medido por la distancia entre la sínfisis púbica y el apéndice xifoides.

0

Perímetro abdominal + Perímetro torácico

Dis

tanc

ia x

ifoid

ea-p

úblic

a

Flexión

20 40 60 80 100 % vc

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Movimientos pulmonares. Interacción tóraco-pulmonar y volúmenes pulmonaresLos desplazamientos tóraco-abdominales y los consiguientes cambios de volumen de la cajatorácica, generan unos cambios de presión en la cavidad virtual pleural Pl, los cuales, se vana transmitir a los alveolos, dando lugar a un gradiente de presión entre alvéolos y boca afavor del cual se produce un flujo de aire y el consiguiente cambio en el volumen alveolar.La fuerza responsable del cambio de volumen pulmonar es, por tanto la Ppl que depende dela contracción muscular y la elasticidad de la caja torácica, pero el cambio de volumen pro-ducido por dicha presión va a estar también condicionado por las características elásticas delpulmón.

ELASTICIDAD PULMONAR Y CAMBIO DE VOLUMEN

Al igual que ocurre con la caja torácica, el parénquima pulmonar es una estructura elástica y,como tal, está caracterizada por presentar una resistencia a los cambios de forma y por la capa-cidad de, cuando aquellos se producen como consecuencia de la aplicación de una fuerza exter-na, recuperar su forma y posición originales. Como ocurría con la caja torácica, la magnitud delas fuerzas elásticas pulmonares se mide a través de la presión que ejercen, es decir la presiónelástica pulmonar Psl. La Psl y su comportamiento a los diferentes volúmenes pulmonares sepuede calcular por su relación con la presión pleural(13) Se denomina presión transpulmonar,Ptp, al gradiente de presión existente entre la boca, Pb, y la pleura, Ppl, gradiente determinadopor las fuerzas elásticas del pulmón y por las fuerzas inelásticas de oposición al flujo aéreo. LaPtp se puede desglosar en dos componentes, la diferencia entre la Ppl y la presión alveolar, Pav,y la diferencia entre la Pav y la Pb. El primer componente representa a la Psl. En ausencia deflujo aéreo, la Pav es igual a la Pb y la presión transpulmonar, Ptp, es igual a La Psl, que puedeasí ser calculada de acuerdo con las siguientes fórmulas.

Ptp = Pb - Ppl = (P b- Pav) + (Pav - Ppl)Flujo aéreo = 0 Pb = Pav Ptp = Psl = Pb - Ppl

El cambio de volumen producido en los pulmones como consecuencia de los cambiosen la presión pleural, depende de su distensibilidad o “compliance” Cl, que no es sino lainversa de la elasticidad. Este cambio de volumen corresponde a la siguiente ecuación:

∆ V = ∆ Ppl * Cl

INTERACCIÓN TÓRACO-PULMONAR Y VOLÚMENES PULMONARES

La relación entre las fuerzas elásticas del tórax y del pulmón a lo largo del ciclo respirato-rio va a ser el determinante fundamental de los volúmenes pulmonares en un momento dado(14). Las fuerzas elásticas del pulmón son de carácter centrípeto, es decir tenderían a colap-sarlo. Por otra parte, las fuerzas elásticas de la caja torácica son de carácter centrífugo hastaun 70% de la TLC y, por tanto, ejercen una tracción sobre el pulmón favoreciendo su expan-sión. Por encima de dicho volumen adquieren también carácter centrípeto y se oponen a laexpansión pulmonar. La figura 2 explica las relaciones existentes entre las fuerzas elásticasde pulmón y caja torácica y como van a determinar los volúmenes pulmonares.

El punto en el cual la fuerza elástica centrípeta pulmonar es igual y de signo opuesto ala de la caja torácica representa el punto de equilibrio del sistema y corresponde a la capa-


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cidad residual funcional. La inspiración se produce como consecuencia de la contracción delos músculos inspiratorios y al nivel del volumen corriente se ve favorecida por las fuerzaselásticas del tórax, mientras que debe vencer las fuerzas elásticas del pulmón. Por encimadel 70% de la capacidad pulmonar las fuerzas elásticas torácicas también se oponen a laexpansión pulmonar y, por tanto, el esfuerzo muscular necesario para realizar una inspira-ción máxima debe vencer tanto las fuerzas elásticas pulmonares como las torácicas. Así, lacapacidad pulmonar total representa el volumen máximo alcanzable como consecuencia dela inspiración, es decir, aquel en el cual un esfuerzo inspiratorio mayor ya no es capaz devencer la fuerza elástica opuesta por el sistema respiratorio.

A volumen corriente, la espiración se produce de forma espontánea al cesar la contrac-ción muscular, en virtud de las fuerzas elásticas pulmonares. Esto es así hasta que se alcan-za el nivel de capacidad residual funcional. Por debajo de esta, la espiración exige la con-tracción de los músculos espiratorios a fin de generar la presión necesaria para vencer lasfuerzas elásticas de la caja torácica. La existencia del volumen residual, que como ya semencionó representa la cantidad de aire que queda en el pulmón después de un esfuerzoespiratorio máximo, se debe a las características tenso-activas del fluido de revestimientoalveolar y a las fuerzas elásticas del tórax.

Las características elásticas del pulmón dependen de la estructura de la integridad delparénquima pulmonar (15). La destrucción del parénquima pulmonar se asocia a un incre-mento de la FRC, mientras que los procesos de fibrosis del mismo determinan una reduc-ción de aquella. Así mismo, el incremento de cargas elásticas pulmonares se acompaña deuna reducción en la capacidad inspiratoria y, por ende, en la capacidad vital. Por otra parte,la pérdida de elasticidad de la pared torácica se asocia a una reducción de la FRC pero tam-bién a una reducción de la capacidad vital.

La interacción tóraco-abdominal no solo determina los cambios de volumen pulmonarsino que es la principal responsable de las diferencias regionales de esos cambios de volu-men entre las distintas zonas del pulmón. Efectivamente, la presión pleural no tiene unamagnitud uniforme en todos los puntos de la cavidad, sino que existe un gradiente desde elvértice hasta la base del pulmón de manera que es más negativa en el vértice, con una dife-rencia en torno a los 5 cm de H20. Este gradiente que inicialmente se creyó que se relacio-naba en su totalidad con el efecto de la gravedad, actualmente se sabe que no es así y, aun-que sin duda la gravedad juega un papel, está fundamentalmente relacionado con las dife-rencias existentes entre la morfología del tórax y la morfología del pulmón.

La consecuencia del gradiente de presión pleural es que a un nivel determinado devolumen pulmonar, los alvéolos del vértice están más distendidos. Por el contrario, el cam-bio producido en los volúmenes como consecuencia de la actividad de los músculos respi-ratorios es mayor en los alvéolos de la base. Así, los alvéolos de la base contribuyen menosa mantener la FRC y el RB, pero más a alcanzar la TLC1 (16). (Figura 6).

Impacto de los factores determinantes en los diferentes compartimentos de volumenLos volúmenes y capacidades pulmonares, de formar global son el resultado de la interac-ción de todas las fuerzas que han sido descritas: muscular, elasticidad torácica y elasticidadpulmonar (17-19). Sin embargo, existen algunas diferencias entre la participación de uno uotro factor en la magnitud de los diferentes volúmenes estáticos o dinámicos.

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Figura 6. Distribución regional de la participación de los volúmens pulmonares de las diferenteszonas del pulmón. en la capacidad pulmonar total Distancia: distancia desde el vértice a la base.RVr: volumen residual regional. FRCr: capacidad residual funcional. VCr: capacidad vital regional.

Aunque inicialmente se pensó que los mecanismos de cierre y apertura de la glotis podí-an jugar un papel en el valor de los volúmenes pulmonares extremos, se ha visto que esto no esasí. En relación con los volúmenes máximos, los factores limitantes dependen tanto de la fuer-za de contracción muscular, que disminuye en el volumen extremo como de las fuerzas deretracción elásticas pulmonares y de la pared, que a dichos niveles de volumen son máxi-mas(20). En cuanto a los volúmenes respiratorios mínimos, estos están limitados por el balan-ce entre las fuerza de contracción de los músculos espiratorios por un lado y la suma de presiónelástica del tórax con la ejercida por la contracción de los músculos antagonistas, por otro(15,21).

La FRC está fundamentalmente determinada por la retracción elástica centrípeta delpulmón y la retracción elástica centrífuga de la pared torácica, con una pequeña participa-ción del tono inspiratorio basal. En el adulto joven sano, la FRC equivale al 50% de a TLC.

El valor del RV, además de por el resorte elástico centrífugo del sistema respiratorio,está en relación con la fuerza de los músculos espiratorios. Además, en adultos mayores, seproducen fenómenos de atrapamiento aéreo secundario a la compresión dinámica de las víasaéreas que incrementan dicho valor así como una contracción abrupta de los músculos ins-piratorios que finaliza la espiración.

La capacidad vital, además de por el resorte elástico, centrípeto, del sistema respirato-rio, está determinada por la fuerza de contracción de los músculos inspiratorios.

La TLC, el volumen máximo pulmonar, va a depender de todos los factores menciona-dos, pero, en sentido estricto, representa el punto de equilibrio entre la fuerza centrífuga

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0

10

20

300 20 40

(% TLCr)

60 80 100

FRCr

RVr VCr

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máxima generada por los músculos inspiratorios y la fuerza elástica centrípeta del sistema,que a dicho nivel de volumen alcanza su valor máximo, mientras que las fibras musculares,mas cortas a ese nivel de volumen, han perdido su relación longitud / fuerza óptima y portanto, su máxima capacidad de generar fuerza.

FACTORES MODULADORES DE LOS VOLÚMENES PULMONARES

Aunque, como ya se ha desarrollado, los volúmenes pulmonares están determinados por lascaracterísticas mecánicas y musculares de la pared torácica, numerosos factores fisiológicosvan a determinar variaciones individuales en la magnitud de dichos volúmenes (22,23).

EdadEl recién nacido presenta una caja torácica muy distensible, mientras que la presión elástica delpulmón es menor que la observada en adultos. Estas circunstancias deberían ir asociadas a unadisminución muy significativa de la FRC, pero esto no se confirma en la práctica, probablemen-te por incremento de tono de la musculatura inspiratoria y por el patrón ventilatorio rápido quepresentan (24,25). De hecho, la capacidad residual funcional relajada, o Vr, es muy baja, entorno al 10% de la TLC, a diferencia de lo que ocurre en los adultos, en los cuales Vr y FRCson prácticamente iguales. Después de los primeros días tras el nacimiento, la magnitud de losdiferentes volúmenes pulmonares aumenta hasta los 18-20 años, de acuerdo con el crecimien-to corporal (26). A partir de dicha edad, en los adultos jóvenes no se observan modificacionesy en edades más avanzadas se va produciendo un decremento progresivo. Sin embargo, la evo-lución no es igual para los diferentes volúmenes pulmonares. Así, comparados con los adultosjóvenes, los sujetos de mayor edad muestran un incremento en la FRC y sobre todo en el RV.Estos cambios traducen el impacto del envejecimiento en la estructura del parénquima pulmo-nar y en la colapsabilidad de las vías aéreas (15,18,19).

Factores antropométricosLa magnitud de los volúmenes pulmonares depende del peso y, fundamentalmente de la talla(27). En cuanto al peso, se relaciona en forma inversa con FRC, probablemente por acciónsobre las fuerzas elásticas de la caja torácica y por el efecto masa ejercido sobre esta, unaspecto que será comentado al describir el impacto de la obesidad sobre los volúmenes pul-monares. Sin embargo, en estados nutricionales normales, no existe relación entre el peso yel RV, aunque este se encuentra elevado en situaciones de desnutrición severa, probablemen-te por alteración en las fuerzas elásticas del pulmón.

Mucho más importante es la relación existente entre volumen pulmonar y la talla, demanera, que todas las subdivisiones de la TLC están directamente relacionadas con la altu-ra de sujeto.

SexoA igualdad de peso y talla los volúmenes pulmonares son menores en las mujeres que en loshombres. Las razones para estas diferencias no han sido totalmente aclaradas pero probable-mente se relacionan con diferencias en el comportamiento elástico tóraco-pulmonar asícomo en la fuerza generada consecuencia de la contracción muscular.

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Factores étnicosLos valores de los volúmenes pulmonares no son los mismos para todos los grupos raciales,probablemente por factores genéticamente determinados, un hecho que es necesario tener encuenta a la hora de interpretar los resultados obtenidos con las pruebas que se realizan parasu medida y que se comentan en otro apartado (28-30).

PosiciónLos volúmenes pulmonares se ven afectados por la posición corporal, aunque en sujetos nor-males esta afectación se refleja fundamentalmente en la FRC, siendo más escasa la repercu-sión en TLC y VC (31,32). La FRC, por el contrario, disminuye en decúbito supino y estedescenso está motivado por dos razones. En primer lugar, el efecto gravitacional ejercidosobre el contenido abdominal hace que este ejerza un cierto grado de compresión sobre lacavidad torácica disminuyendo el volumen de relajación. Además, en decúbito se va a pro-ducir un incremento del volumen sanguíneo intra pulmonar que condiciona una aumento delas fuerzas de resorte elástico pulmonares. La consecuencia de estos cambios es que la FRCen decúbito es un 20 a 25% más baja que la que se observa en sedestación. Las modifica-ciones en el RV muestran mucha mayor variabilidad, habiéndose comunicado cambios entreel 0 y el 20% al pasar de sedestación a decúbito.

En cuanto a la VC, en decúbito supino se produce una disminución que, en condicio-nes normales se sitúa en torno al 7,5%. Este cambio está fundamentalmente determinada porla desviación del volumen sanguíneo desde las piernas al tórax (33).

SueñoIndependientemente de la posición corporal, el sueño incide sobre los volúmenes pulmona-res, de manera que se ha observado que tanto en las fases REM como no REM se produceuna caída de la FRC en torno al 15% (34,35).

Ejercicio En adultos normales la FRC durante el ejercicio presenta valores inferiores a los observados enreposo, por incremento de la actividad de los músculos espiratorios (36,37). En sujetos mayo-res este comportamiento es variable. En general, no se producen modificaciones en la TLC,mientras que el RV muestra un comportamiento variable, pero sin grandes cambios (38).

EntrenamientoSe dispone de estudios transversales y longitudinales llevados a cabo al objeto de estudiarlos efectos del entrenamiento físico sobre los pulmones, la mayoría de los cuales han sidorealizados en nadadores. Se ha observado que los niños y adolescentes entrenados presen-tan un aumento de volúmenes pulmonares, tanto FRC como FVC y TLC, cuando se compa-ran con una población de las mismas características antropométricas (39). Además, estudiosllevados a cabo a lo largo de largos períodos de actividad deportiva, han puesto de manifies-to un progresivo incremento de los volúmenes pulmonares (40,41), el cual persiste años des-pués de que la actividad se haya interrumpido (42) Puesto que no se han objetivado cambiossignificativos en la distensibilidad pulmonar, se ha especulado con un posible incremento en


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el número de alvéolos. Esta posibilidad se ve apoyada por el hecho de que, en sujetos adul-tos, no se han observado cambios en los volúmenes pulmonares en relación con el entrena-miento (43).

AltitudMientras que no se observan cambios en los volúmenes pulmonares entre el nivel del mar ylos 1800 metros (44-45), si que se ha encontrado un incremento de aquellos en sujetos queviven en grandes alturas, por encima de los 3000 m, sin que pueda atribuirse a factores étni-cos o de tamaño corporal(46,47). El incremento del la TLC se sitúa en torno al 7%, funda-mentalmente a expensas de una mayor FRC y RV, mientras que la FVC muestra cifrasmenores. Estos cambios en los volúmenes afectan sobre todo a nativos de las grandes altu-ras y a aquellos que se aclimataron a vivir en ellas durante su crecimiento, mientras que lossujetos que se han aclimatado en edades adultas muestran volúmenes menores (48-50). Estecomportamiento hace pensar que se trata no de un rasgo genético sino de una adaptación ala hipoxia durante el crecimiento y que, probablemente, refleja un incremento en el númeroy tamaño de los alvéolos.

RESUMENLos volúmenes pulmonares están determinados por las características mecánicas de los pul-mones y de la caja torácica así como por la función de los músculos respiratorios. En situa-ción de reposo, la relación entre las fuerzas elásticas torácicas y pulmonares, determina elvolumen de equilibrio, es decir la capacidad residual funcional. La contracción de los mús-culos respiratorios origina un desplazamiento de la pared torácica que se traduce en un cam-bio de volumen de la caja torácica y, por ende, del volumen pulmonar. Este cambio de volu-men depende de la fuerza de contracción muscular pero tambien de la mecánica del siste-ma. Mientras que los valores pulmonares máximos están sobre todo condicionados por ladistensibilidad pulmonar, los valores mínimos se relacionan más estrechamente con la dis-tensibilidad torácica. Diferentes factores fisiológicos, como son la edad, la raza, la posicióncorporal, el sueño o el ejercicio determinan cambios en la magnitud de los volúmenes pul-monares.

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volumenes pulmonares

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