Mecànica de la respiració (ventilació)

Per tal que la funció respiratòria es desenvolupi adequadament, cal que hi hagi un moviment constant d’entrada i sortida d’aire als pulmons, anomenat ventilació.

Aquest moviment d’aire cap als pulmons —o des dels pulmons— és possible gràcies al fet que tant aquests òrgans com les parets toràciques són estructures elàstiques, capaces d’expandir-se i de contreure’s. L’entrada i la sortida d’aire a través de les vies respiratòries fins als pulmons es realitza gràcies a uns moviments mecànics produïts per la contracció i la relaxació dels músculs respiratoris. L’activitat de la musculatura respiratòria produeix els moviments de la caixa toràcica, que modifiquen la pressió interior dels pulmons, la qual cosa fa que l’aire hi entri o en surti. Les contraccions musculars són controlades pel sistema nerviós, on s’originen alternativament estímuls amb efectes oposats que donen lloc a les dues fases de la respiració: la inspiració, que és l’entrada d’aire, i l’expiració, que n’és la sortida. Una persona adulta efectua entre 12 i 18 moviments respiratoris per minut, en cadascun dels quals inhala i expulsa, alternativament, uns 500 ml d’aire. Això vol dir que, cada minut, entren i surten de l’aparell respiratori entre 6 i 9 litres d’aire, que aporten O2 a la sang en els alvèols i en recullen CO2.

La inspiració, o l’entrada d’aire de l’exterior als pulmons, és un procés actiu que es produeix per la contracció de diversos músculs. Els principals músculs implicats són el diafragma i els intercostals externs; també n’hi col·laboren d’altres, com l’esterno-clido-mastoïdal o els serrats anteriors. El diafragma, que constitueix la base de la caixa toràcica, en contreure’s es desplaça cap avall, amb la qual cosa augmenta el diàmetre vertical del tòrax. La contracció dels intercostals externs eleva les costelles inferiors i empeny l’estern cap endavant, cosa que augmenta el diàmetre toràcic àntero-posterior. Els altres músculs són accessoris i contribueixen a elevar el tòrax quan la inspiració és profunda i difícil. En conjunt, la contracció de tots aquests músculs produeix una distensió dels elements que constitueixen la caixa toràcica, que alhora empenyen la pleura parietal que s’hi adhereix. Al mateix temps, com que la pressió existent a la cavitat pleural és negativa, és a dir, inferior a la pressió atmosfèrica, la pleura visceral es desplaça amb la parietal, i també s’expandeix. Consegüentment, com que la pleura visceral es troba adherida a la superfície pulmonar, els pulmons també es dilaten. En augmentar el volum dels pulmons, es redueix la pressió interna dels alvèols, inferior a la pressió de l’aire atmosfèric. Per tal de compensar aquesta diferència, l’aire tendeix a entrar per les vies respiratòries cap als pulmons, i es produeix un flux d’aire inspiratori.

L’expiració, o la sortida de l’aire dels pulmons cap a l’exterior, en condicions de repòs és, pràcticament, un procés passiu que té lloc gràcies a les propietats elàstiques dels pulmons. S’inicia en concloure la inspiració, quan es produeix la relaxació dels músculs inspiratoris. En desaparèixer la força que els mantenia dilatats, els pulmons tendeixen a retreure’s, per causa de la retracció de les fibres musculars contingudes als seus teixits. Aquesta retracció té, però, un límit, i en condicions normals els pulmons no arriben a col·lapsar-se completament; la causa d’això és la pressió negativa intrapleural, que manté la pleura visceral a tocar de la paret toràcica, i l’efecte de l’agent tensioactiu alveolar, que redueix la tensió superficial dels alvèols i n’impedeix el col·lapse. Quan cal incrementar la força de l’expiració, poden entrar en acció diversos músculs: els intercostals interns, que empenyen les costelles cap avall, i els músculs de la paret abdominal, que, en augmentar la pressió intraabdominal, empenyen el diafragma cap amunt. Per tant, la retracció passiva i la contracció dels músculs expiratoris provoquen la retracció dels pulmons. En conseqüència, la pressió als alvèols s’incrementa, fins que se supera la pressió atmosfèrica, la qual cosa fa que l’aire dels pulmons surti cap a l’exterior.

Amb cada inspiració entra als pulmons una determinada quantitat d’aire, el volum corrent o volum de ventilació pulmonar, que en l’home adult és d’uns 500 ml. En condicions d’esforç, es pot realitzar una inspiració forçada per tal d’aprofitar tot el volum útil dels pulmons possible amb la inhalació d’una quantitat suplementària d’aire, anomenada volum de reserva inspiratòria, que és d’uns 3 l en l’home i d’uns 21 en la dona. La suma del volum corrent i del volum de reserva inspiratòria es denomina capacitat inspiratòria i correspon a la màxima quantitat d’aire que pot ésser inspirada després d’una expiració normal.

En condicions de repòs, amb cada expiració surt la quantitat d’aire corresponent al volum corrent. A més, en condicions d’esforç, pot efectuar-se una expiració forçada, i s’expulsa una quantitat d’aire suplementària, denominada volum de reserva expiratòria, que és d’1 en l’home i d’uns 700 ml en la dona.

La suma de la capacitat inspiratòria i el volum quantitat d’aire que es pot moure en condicions de màxim esforç respiratori, i s’anomena capacitat vital. Tanmateix, ni tan sols en aquestes condicions no arriba a expulsar-se tot l’aire contingut als pulmons, ja que, normalment, els alvèols mai no arriben a col·lapsar-se del tot. Per aquest motiu, en condicions normals sempre resta una petita quantitat d’aire retinguda als pulmons: l’anomenat volum residual, que en l’home és d’uns 1.200 ml i en la dona d’uns 1.000 ml. Si al volum residual s’afegeix el volum de reserva expiratòria, s’obté l’anomenada capacitat residual funcional, que correspon a la quantitat d’aire continguda als pulmons al final d’una expiració normal.

Després d’una inspiració forçada els pulmons poden arribar a contenir una quantitat màxima d’aire que correspon a la suma de la capacitat vital i del volum residual i que és anomenada capacitat pulmonar total, d’uns 6 l en l’home i d’uns 4,2 l en la dona.

Tanmateix, no tot el volum d’aire inspirat participa en l’intercanvi de gasos entre l’aire i la sang. Una bona part de l’aire ocupa espais de les vies aèries, on no es produeix cap intercanvi gasós. Es considera, doncs, que a les vies respiratòries hi ha un espai mort anatòmic que, en l’home adult i en condicions normals, és aproximadament de 150 ml. Com que el volum inspirat és d’uns 500 ml d’aire, només els 350 ml que entren als pulmons després d’una inspiració normal arriben a ocupar els alvèols. En condicions normals, tot l’aire que entra als alvèols participa en l’intercanvi de gasos; però pot succeir que, a causa d’un trastorn, alguns alvèols estiguin alterats i no rebin el flux sanguini adequat i que, per tant, no s’hi produeixi intercanvi gasós. En aquest cas, el volum d’aire que no hi participa no es limita a l’anterior, ja que hi cal afegir l’espai mort fisiològic.