El sistema respiratorio

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1 El sistema respiratorio 1 El sistema respiratorio Luis Puente Maestu Jefe de Sección de Pruebas Funcionales y Broncoscopia. Servicio de Neumología Hospital General Universitario Gregorio Marañón. Madrid Universidad Complutense de Madrid Introducción Las células del cuerpo requieren producir sin cesar la energía necesaria para crecer, repararse y mantener sus funciones vitales y, para ello, necesitan un suministro continuo de oxígeno; de hecho, una persona puede vivir sólo unos pocos minutos sin este elemento. El oxígeno procede de la capa gaseosa que envuelve la Tierra, la atmósfera; los niveles en los que se desarrolla la vida, la biosfera, contienen un 20,946% de oxígeno, un 78,084% de nitrógeno y, aproximadamente, 1% de vapor de agua, 0,934% de argón, 0,046% de dióxido de carbono y otros gases nobles en menor proporción, además de partículas en suspensión; a esta mezcla la llamamos aire. La función principal del sistema respiratorio es, por un lado, extraer oxígeno del aire y transferirlo a la sangre, la cual a su vez lo transporta a las células, y, por otro, excretar a la atmósfera el dióxido de carbono producido en el metabolismo; los puntos donde tiene lugar este proceso son los alveolos (parénquima pulmonar). El intercambio de gases ocurre de forma pasiva a favor de los gradientes de presión y químicos que existen entre el gas alveolar y la sangre de los capilares pulmonares e implica tanto la difusión a través de la membrana alveolocapilar como la combinación o disociación química con la hemoglobina presente en los capilares pulmonares. Al proceso conjunto de la difusión a través de la membrana alveolocapilar más la combinación química con la hemoglobina lo denominamos «transferencia de gases». Para mantener esta transferencia, el gas alveolar debe renovarse periódicamente con el aire que circula por las vías aéreas (la nariz y la boca, la faringe, la tráquea y los bronquios), el cual tiene que llegar en las cantidades necesarias, limpio, húmedo y a 37 C (temperatura corporal). El motor de esta renovación del gas alveolar, llamada ventilación, son los músculos respiratorios (diafragma e intercostales, auxiliares de la respiración, abdominales y faríngeos) (fig. 1). Una persona en reposo respira alrededor de 6 litros de aire por minuto (l/min). En un ejercicio intenso la cantidad puede aumentar a más de 75 l/min. Durante una jornada de 8 horas de actividad moderada, la cantidad de aire que se respira puede ser de hasta 8,5 m 3 [1]. Además, en el proceso de transporte a y desde las células al pulmón también están involucrados la sangre, el sistema cardiocirculatorio y el cerebro. La sangre lleva el oxígeno desde los pulmones al resto del cuerpo y devuelve el dióxido de carbono para ser eliminado, el corazón genera la fuerza para mover la sangre a la velocidad y presión adecuadas en todo el cuerpo y, finalmente, el buen funcionamiento de todo el sistema está dirigido por el cerebro y el sistema nervioso autónomo. Estructura El aire entra por la boca o la nariz, pasa por la faringe (garganta) y de ahí baja a la trá-

2 2 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias quea. Al llegar a los pulmones, la tráquea se divide en dos, los bronquios principales, uno hacia cada pulmón. A su vez, los bronquios se bifurcan dicotómicamente en varias ocasiones en bronquios cada vez de menor calibre, que a su vez se dividen en ramas más pequeñas llamadas bronquiolos. En conjunto, los bronquios y bronquiolos se denominan «árbol bronquial», debido a que su aspecto es similar a la ramificación de un árbol invertido. Después de un total de 23 divisiones, los bronquiolos terminan en los conductos alveolares, que contienen grupos de alveolos; son las zonas donde el oxígeno y el dióxido de carbono son finalmente transferidos a la circulación sanguínea [2,3] (fig. 2). La tráquea y, aproximadamente, la primera docena de divisiones de los bronquios, tienen anillos o, al menos, láminas de cartílago en sus paredes que impiden que se colapsen [2]. El resto de las vías aéreas y los alveolos no tienen cartílago y son deformables, variando su calibre cuando los pulmones se expanden y se contraen. Los vasos del sistema arterial pulmonar acompañan a bronquios y bronquiolos, y también se van ramificando hasta terminar en capilares, que están en contacto directo con los alveolos formando tupidos ovillos (fig. 3). La transferencia pasiva de gases, sobre todo la del oxígeno, es un proceso relativamente ineficiente, por lo que, para conseguir extraer suficiente oxígeno, la superficie alveolar de los pulmones es muy grande (28 m 2 en reposo y llega hasta 100 m 2 en una respiración profunda o en el ejercicio) [2,4]. Esta dimensión es incluso insuficiente para difundir la cantidad de oxígeno necesaria a la sangre en situaciones extremas, como es el caso de los deportistas a máximo rendimiento y, especialmente, a cierta altura sobre el nivel del mar, lo que se pone en evidencia porque la diferencia entre las presiones alveolar y arterial de oxígeno se eleva con respecto a la de reposo y la sangre no se satura [5]. Cier- Figura 1. El sistema respiratorio Laringe Tráquea Nariz Boca Pulmón derecho Lóbulo superior derecho Lóbulo medio Lóbulo iinferior derecho Bronquios Pulmón izquierdo Lóbulo superior izquierdo Lóbulo inferior izquierdo

3 Parte TEÓRICA El sistema respiratorio 3 Figura 2. Diagrama esquemático de la vía aérea Estructura Diámetro (mm) Cilios Cartílago Músculo liso Células caliciformes Laringe Tráquea Forma de C Bronquios principales Anillos Bronquios lobulares Láminas Bronquios segmentarios Otros bronquios Láminas Láminas Bronquiolos 0, Bronquiolos terminales < 0, Figura 3. Alveolos con su vascularización Arteria pulmonar Vena pulmonar Bronquiolo Alveolo

4 4 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias tas enfermedades pulmonares que afectan a los alveolos, los capilares o a la hemoglobina, pueden interferir con la difusión y reducir la cantidad de oxígeno que llega al torrente sanguíneo. La necesidad de una superficie de intercambio tan grande tiene dos implicaciones importantes: en primer lugar, como la estructura pulmonar es la repetición del diseño básico del que evolucionó, es decir, un saco (alveolo) con un conducto (vía aérea) en el que no se produce intercambio de gases, obliga a un exceso de capacidad ventilatoria (volumen de aire que entra en los pulmones en 1 min), parte de la cual (aproximadamente un 15% en ejercicio y un 35% en reposo) entra y sale sin haber participado en el intercambio gaseoso (espacio muerto) [6] y, en segundo lugar, aumenta la exposición del sistema respiratorio al daño causado por inhalación de materiales tóxicos e irritantes o a amenazas biológicas, como alérgenos, inmunógenos y agentes infecciosos [2]. Músculos respiratorios Para mover el aire desde el exterior del organismo a las unidades de intercambio debe hacerse la fuerza suficiente para vencer la elasticidad e inercia del sistema respiratorio, y que la cavidad torácica se expanda para crear una presión negativa (inferior a la atmosférica) en el alveolo que produzca una corriente de aire hacia el interior de los pulmones (inspiración). Normalmente, la fuerza se genera por contracción de los músculos inspiratorios (el principal es el diafragma), pero, en circunstancias especiales, puede ser un sistema de soporte ventilatorio (un respirador). En cualquier caso, el volumen de gas que llega a los alveolos para una determinada presión viene determinado por las propiedades mecánicas de la pared torácica, el parénquima pulmonar y las vías aéreas. Durante una inspiración máxima, el diafragma se contrae hacia abajo, presionando las vísceras abdominales; para hacer palanca hacia arriba, mueve las costillas, lo que aumenta el diámetro de la cavidad torácica (los músculos intercostales externos tienen el mismo efecto al contraerse durante la inspiración). Cuando se necesitan ventilaciones extremadamente elevadas o cuando hay dificultad respiratoria también pueden actuar como músculos inspiratorios los escalenos y los esternocleidomastoideos del cuello [2]. La espiración es básicamente un proceso pasivo, como veremos más adelante, pero, cuando se necesitan ventilaciones elevadas, por ejemplo, al hacer ejercicio, los músculos intercostales internos y los músculos abdominales se contraen para reducir el volumen pulmonar al final de la espiración (volumen teleespiratorio), más allá de lo que lo hace en reposo, consiguiendo por un lado que el volumen corriente (el volumen movilizado durante una respiración) sea mayor sin aumentar la resistencia elástica y, por otro, almacenar fuerza como en un resorte, ya que, por debajo del 60% de la capacidad vital, la tendencia de la caja torácica es expandirse (o sea, inspiratoria) [1]. Propiedades estáticas Tanto los pulmones como la pared torácica son estructuras elásticas que, de forma simplificada, pueden considerarse como globos, porque al igual que éstos, se requiere cierta presión para distenderlos y, cuando se deja de aplicar, se desinflan hasta recuperar la forma original [1,2,7-10]. En condiciones fisiológicas ambas están perfectamente acopladas por la presión pleural, que mantiene los pulmones expandidos contra la pared torácica, de forma que, en ausencia de cambios en el contenido sanguíneo del interior del tórax, las variaciones de volumen de ambos son idénticos [8]. Las presiones que se necesitan para inflar y desinflar el tórax se pueden derivar de la relación descrita en la figura 4. Los músculos inspiratorios son los responsables de inflar el tórax por encima del punto de equilibrio (también llamado capacidad funcional

5 Parte TEÓRICA El sistema respiratorio residual o FRC, en las siglas internacionales) y, como hemos dicho, los músculos espiratorios son capaces de llevar al tórax por debajo de la FRC [1,2,7-10]. Estos conceptos sobre la elasticidad del sistema respiratorio son útiles, porque permiten deducir los cambios funcionales en pacientes con alteraciones restrictivas, sea por causa de debilidad de los músculos respiratorios, por alteraciones de la pared torácica o por mayor elasticidad (rigidez) de los pulmones (tabla 1). Dinámica pulmonar Para que el aire entre a los pulmones, los músculos respiratorios han de vencer no sólo la elasticidad del sistema, sino también su inercia y la de del gas que entra, así como la 5 resistencia al paso del aire por el árbol bronquial. A diferencia de la elasticidad, que no se afecta por el movimiento, las fuerzas que se requieren para vencer la resistencia y la inercia están marcadamente influidas por la velocidad del flujo de aire y, por tanto, las consideramos propiedades dinámicas [2,11]. En circunstancias normales, las fuerzas inerciales son despreciables y no hablaremos más de ellas pese a que tienen cierta relevancia en los pacientes con síndrome de obesidadhipoventilación y nos centraremos en las resistencias. En un fluido con flujo laminar el flujo (F) depende de la diferencia de presión entre el principio y el final del tubo (ΔP) y de la resistencia (R): F = ΔP / R (fórmula 1) Figura 4. Relaciones presión-volumen del sistema respiratorio (línea continua) obtenidas añadiendo las presiones elásticas del pulmón y de la pared torácica (línea discontinua) 100 Pared Pulmón 100 Capacidad pulmonar total (%) FRC Pared y pulmón Capacidad vital (%) Volumen residual Presión elástica (cmh2o) FRC: capacidad funcional residual.

6 6 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias Esta ecuación es relevante para interpretar la espirometría, porque nos viene a decir que cualquier medición de flujo como, por ejemplo, el volumen espiratorio forzado en el primer segundo (FEV1), puede estar disminuido, tanto si aumentan las resistencias de la vía aérea como si disminuye la diferencia de presión entre el alveolo y la boca. Cuando el pulmón es menos elástico (o más distensible, la distensibilidad es la inversa de la elasticidad), como ocurre en el enfisema, también disminuyen los flujos espiratorios, ya que el pulmón tiene menor elasticidad y genera menor presión en el alveolo [1,2,11-14]. Volviendo a la resistencia, si el flujo es laminar, dependerá del número, longitud y sección global de las vías aéreas y de la viscosidad del gas. En la mayor parte de las vías respiratorias, los flujos son laminares, pero a flujos en la boca mayores de 0,5 l/s 1 empiezan a aparecer turbulencias en las vías aéreas centrales. Cuando el flujo es turbulento, la resistencia también depende de la densidad y el número de bifurcaciones [2,11], pero la modelización de los flujos turbulentos es muy compleja y, en definitiva, sólo afecta a la magnitud de la relación entre ΔP y flujo pero no cambia los conceptos generales del modelo de flujo laminar expresado por la fórmula 1, por lo que no entraremos en más detalles. La longitud de la vía aérea varía con el ciclo respiratorio de una persona a otra y, también, en una misma persona; sin embargo, dado que la resistencia aumenta de forma proporcional a la cuarta potencia del radio, el calibre de las vías aéreas es, con mucho, el factor más importante que determina las resistencias. El calibre de la vía aérea depende de la rigidez de su pared, del tono muscular liso, de la tracción radial ejercida por los alveolos vecinos (por los que se verá afectada por la elasticidad y el volumen del pulmón) y de la presencia de moco, edema, secreciones o compresiones de la pared. Una propiedad importante para comprender el fenómeno de atrapamiento aéreo es el comportamiento de las resistencias con el volumen. Las vías aéreas aumentan aproximadamente un 60% su diámetro y un 40% su longitud desde la máxima espiración (volumen residual) a la máxima inspiración (ca- Tabla 1. Causas de restricción Pérdida de fuerza muscular respiratoria Esclerosis lateral amiotrófica Distrofia muscular de Duchenne Distrofia miotónica de Steinert Alteraciones hidroelectrolíticas severas Miastenia gravis Poliomielitis Secciones medulares altas Aumento de la rigidez del tórax Grandes quemados Esclerodermia Cifoescoliosis Espondilitis anquilopoyética Toracoplastia Fibrotórax Aumento de la elasticidad pulmonar Enfermedades intersticiales Edema de pulmón Pérdida de volumen pulmonar Cirugía con resección Derrame pleural Neumotórax

7 Parte TEÓRICA El sistema respiratorio pacidad pulmonar total). En ausencia de tono muscular liso, prácticamente todo el aumento del diámetro se ha producido ya a FRC, a partir de la cual la mayor parte del aumento de resistencia se debe al alargamiento de las vías aéreas. Esto hace que las resistencias aumenten relativamente poco al expulsar aire desde capacidad pulmonar total hasta FRC y drásticamente por debajo de FRC, dando una relación hiperbólica entre la resistencia de la vía aérea y el volumen [2]. Compresión dinámica La compresión dinámica es un fenómeno de gran importancia para entender la maniobra espirométrica. La presión que empuja el aire fuera de los pulmones durante la espiración es la alveolar, que es la suma de la presión originada por la retracción elástica espontánea del pulmón (Pst) y la presión transmitida al espacio pleural por el efecto de la contracción de los músculos espiratorios y la retracción elástica de la pared torácica (Ppl) y viene descrita por la siguiente fórmula: Palv = Pst + Ppl (fórmula 2) Pst es siempre positiva 1, mientras que la presión pleural es habitualmente negativa en respiración corriente, aunque se hace positiva en las espiraciones vigorosas. Por tanto, durante la espiración forzada la presión alveolar es la suma algebraica de dos valores positivos, y es la presión que se disipa en vencer las resistencias desde el alveolo a la boca, donde la presión es 0 [1]; por tanto, como vemos en la figura 5, debe haber un punto en el que la presión dentro de la luz de las vías aéreas sea igual a la presión que las rodea; este punto en el que las presiones dentro y fuera de la vía aérea se igualan, se denomina «punto de igual presión» [1,2,9,11-14]. Proximal a este punto, la presión dentro 7 de la vía aérea es menor que la externa y se produce una compresión. Se ha podido determinar empíricamente que hay un punto a partir del cual los aumentos de presión pleural (hacer más fuerza espiratoria) no se traducen en aumentos de flujo espiratorio, es decir, el esfuerzo extra no consigue que se expulse el aire a mayor velocidad. La explicación más probable es que dichos esfuerzos espiratorios, al aumentar la presión pleural, por un lado aumentan la presión alveolar, pero por otro aumentan la compresión de la vía aérea, que eleva la resistencia en una magnitud equivalente y se cancelan [1,2,9,11-14]. En estas condiciones, la presión que empuja el gas alveolar en la región distal al punto de igual presión es Palv Ppl que, como podemos deducir de la fórmula 2, es Pst, y las resistencias Figura 5. Diagrama esquemático del concepto de punto de «igual presión» Punto de igual presión Ppl = 10 cmh2o Pst = 10 cmh2o Palv = 10 cmh2o +10 A un determinado volumen durante la espiración forzada, la presión pleural (Ppl) y la presión elástica del pulmón (Pst) son iguales a 10 cmh2o. La presión alveolar (Palv) es, por tanto, de 20 cmh2o. Esta es la presión que empuja el gas alveolar hacia la boca (donde la presión es 0), gas que se disipa circulando por los bronquios en este paso. En consecuencia, habrá un punto en el recorrido por las vías aéreas en el que la presión dentro y fuera de la pared será de «igual presión». Próxima al punto de igual presión, la vía aérea se comprime, al ser la presión externa superior a la interna. 1 Cabe recordar que en fisiología respiratoria se usa como referencia la presión atmosférica; así, decimos que una presión es positiva cuando es mayor que la atmosférica y negativa cuando es menor.

8 8 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias son las ofrecidas por las vías aéreas entre los alveolos y el punto en el que se inicia la compresión a partir del cual la velocidad de salida del aire está limitada, no puede ser mayor por mucha fuerza que hagamos. Esta limitación explica la reproducibilidad de los flujos espiratorios en la espirometría, pues no depende de la colaboración del paciente, que, si ha realizado el llenado máximo inicial de los pulmones (lo que maximiza Pst) obtiene aproximadamente el mismo FEV1, ya que la espiración es un proceso pasivo resultante de la tendencia natural a la retracción (elasticidad o retracción elástica) del pulmón y la pared torácica expandidos y de las resistencias de las vías aéreas distales al punto de igual presión, o sea que, si el llenado pulmonar ha sido máximo, la mayor o menor fuerza espiratoria mejora algo el pico de flujo máximo, pero no el FEV1. Otra consecuencia del punto de igual presión es que, a medida que el pulmón se desinfla, la Pst baja, al estar los alveolos menos distendidos la compresión de la vía aérea ocurre más y más distal, por lo que los flujos a bajos volúmenes pulmonares son lo más representativo de las vías aéreas más periféricas. A diferencia de la espiración, la entrada del aire en la inspiración no está limitada, pues durante la inspiración la Ppl es negativa y cuanto más esfuerzo inspiratorio se hace más se distiende la vía aérea. Por este motivo, las enfermedades de la vía aérea sobrecargan los músculos inspiratorios, ya que la adaptación fisiológica a una reducción en el flujo espiratorio es intentar prolongar la espiración y el flujo máximo espiratorio no se puede aumentar más, reduciendo el tiempo que dura la inspiración; para ello, se aumenta la velocidad de la inspiración, lo que obliga a una contracción más rápida y enérgica de los músculos inspiratorios, que pueden llegar a fatigarse [1,2,9,11-14]. Si el pulmón es más distensible (menos elástico) de lo fisiológico, como ocurre en el enfisema, se vuelve menos capaz de volver a su tamaño normal durante la espiración, produciendo una mayor limitación al flujo espiratorio indistinguible de un aumento de la resistencia de la vía aérea a la espiración. Si el pulmón se hace menos distensible (enfermedades inspiratorias) se facilita la espiración, pero hay que hacer más trabajo para aumentar el volumen (inspirar) [1]. Atrapamiento aéreo La limitación al flujo espiratorio también puede afectar a los volúmenes pulmonares. La mayoría de las enfermedades pulmonares incide de forma heterogénea en distintas zonas del pulmón y, por tanto, su elasticidad y la resistencia de las vías aéreas a las que están unidos también se afectan heterogéneamente. Tanto al aplicar presión para llenar los pulmones como al vaciarlos el volumen aumenta o disminuye de una forma exponencial (más rápido al principio y más lento al final) y la velocidad depende de la elasticidad y, sobre todo, de la resistencia 2 [1,11]. La curva volumen/tiempo de la espiración forzada tiene forma exponencial, al ser la suma de los comportamientos de todas las unidades alveolares (fig. 6); algunas unidades de vaciado muy lento pueden no tener tiempo suficiente para vaciarse en una espiración normal. En consecuencia, al contener más gas alveolar del fisiológico al final de la espiración, el volumen residual es mayor y la capacidad vital menor, lo que hace que la capacidad vital pueda estar disminuida por factores dinámicos y, por tanto, no ser siempre un buen reflejo de la capacidad pulmonar total (TLC), por lo que el «patrón restrictivo» en la espirometría debe confirmarse con la medición de la TLC o con un cuadro clínico compatible. 2 En sistemas que siguen la fórmula 1, y asumiendo una resistencia (R) y una compliancia (C) fijas, la ecuación que describe el cambio de volumen con el tiempo es: V(t) = Palv C e t/rc, donde V(t) es el volumen en un momento dado de la espiración y RC la constante de tiempo, es decir, el determinante de la velocidad.

9 Parte TEÓRICA El sistema respiratorio Obstrucción de las vías aéreas centrales Aunque estas lesiones eran raras en el pasado, hoy en día se ven con alguna frecuencia casos de estenosis de las vía aéreas centrales (tráquea y bronquios principales) por tumores como consecuencia de intubaciones prolongadas, traqueotomías, reflujo o enfermedades reumáticas. En general hay dos tipos de obstrucciones, las fijas y las variables, que pueden ser intra- o extratorácicas. En sujetos normales, los flujos inspiratorios son mayores que los espiratorios, por lo que el flujo espiratorio al 50% de la capacidad vital es aproximadamente el 0,8 del inspiratorio. 9 Esto se debe a que, como explicamos anteriormente, durante la inspiración se produce una distensión de la vía aérea, mientras que durante la espiración se produce una compresión. En pacientes con obstrucción variable extratorácica, el estrechamiento producido por la estenosis empeora en inspiración, porque la disminución de presión dentro de la vía aérea causa que la presión atmosférica que la rodea la comprima; durante la espiración el sitio de la obstrucción se dilata al haber una presión mayor que la atmosférica dentro de la vía aérea. En consecuencia, el flujo espiratorio al 50% de la capacidad vital llega a ser mayor de 2 veces el inspiratorio. En pacientes con obstrucción variable intra- Figura 6. Diagrama esquemático del vaciamiento de las unidades alveolares Normal Volumen espiratorio (%) Lenta Muy lenta Tiempo espiratorio (s) El vaciado de las unidades alveolares no es instantáneo y sigue un patrón exponencial decreciente, como el que vemos en la figura. Una unidad normal se vacía rápidamente y en 1 s se ha vaciado del 80 al 85%. Las unidades más lentas tardan más tiempo y a los 6 s (línea discontinua), el tiempo mínimo que dura una espiración correcta en una maniobra de espirometría forzada aún tiene cierta cantidad de gas. Este fenómeno se llama atrapamiento aéreo. A medida que la espiración es más breve, como ocurre cuando el paciente muestra taquipnea, como en el ejercicio, no se pueden vaciar más unidades y el volumen de las unidades lentas es cada vez mayor (línea de puntos). Este fenómeno se denomina «hiperinsuflación dinámica».

10 10 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias torácica ocurre lo contrario. Al generar presión negativa intratorácica se dilata la estrechez, que empeora cuando la presión pleural es positiva, como ocurre en la espiración; así, la relación flujo espiratorio al 50% de la capacidad vital llega a ser menor de 0,3. Cuando la obstrucción es fija o se localiza en el opérculo torácico afecta tanto en inspiración como en espiración [2]. Mecanismos de protección de los pulmones contra los agentes inhalados Los contaminantes en el aire pueden ser en forma de gases (vapores), líquidos (aerosoles o nieblas) o sólidos (humos y polvos). Los productos químicos tóxicos y los materiales irritantes que se inhalan pueden dañar el árbol bronquial o los pulmones y causar daños en otras partes del cuerpo, al permitir los pulmones el paso de algunas moléculas químicas a la sangre [2]. La primera línea defensiva está en las vías aéreas, que impiden la llegada de todas, salvo de las partículas más pequeñas, a alveolos. Las partículas de tamaño mayor de 10 µm se depositan en la nariz [2]. Para poner esta cifra en perspectiva diremos que normalmente podemos ver a simple vista partículas menores de 50 µm (media décima de milímetro). Las partículas de 10 µm sólo son perceptibles al microscopio, aunque a veces se pueden ver cuando la luz se refleja en ellos (los clásicos haces de luz que se filtran por la ventana). La deposición de las partículas en el aparato respiratorio depende de su tamaño, masa y forma. Las que se depositan en los alveolos tienen un diámetro aerodinámico entre 0,5 y 2 µm, las partículas mayores se depositan en los bronquios por sedimentación o inercia [2], y las menores lo hacen por difusión, ya que son sensibles a los movimientos brownianos de los gases del aire. El movimiento de las moléculas de gas en las vías aéreas terminales no es por convención, sino que se produce básicamente por difusión entre el gas de las vías aéreas y el de los alveolos; esta difusión es varios órdenes de magnitud menor para las partículas pequeñas y se produce también radialmente, con la diferencia de que las partículas quedan atrapadas en la pared y el oxígeno y el anhídrido carbónico fluyen hacia o desde la sangre [2,15]. Los pulmones tienen varios mecanismos para protegerse de la contaminación por partículas y agentes infecciosos. El vello de la nariz proporciona la primera barrera mediante la filtración de las partículas grandes de polvo y otros materiales. Sin embargo, cuando las personas hacen ejercicio o trabajan duro, tienen que respirar por la boca para coger aire suficiente, imposibilitando así el filtrado nasal [2]. Siempre que los materiales irritantes toquen las paredes de las vías respiratorias, se desencadena tos refleja, que fuerza al gas en los pulmones a salir rápidamente, lo que generalmente expulsa el irritante. Además, toda la superficie de la nariz, la tráquea, los bronquios y los bronquiolos más grandes está recubierta de células ciliares, que tienen unas finas vellosidades en su superficie y están cubiertas con una fina capa de moco que atrapa material extraño. La capa de moco está compuesta de una doble capa sol-gel en la superficie del epitelio: la capa pegada es líquida sol y la más externa está formada por placas más viscosas e impermeables, para impedir la deshidratación de los cilios. Éstos se mueven rítmicamente hacia la laringe en la capa sol del moco y sus puntas rozan por debajo las placas de moco viscoso desplazándolas y, con ellas, las partículas que haya atrapado. Este proceso se denomina «ascensor mucociliar» (fig. 7) [2,3]. Los macrófagos alveolares fagocitan las partículas que se depositan más allá del límite de los cilios y se mueven proximalmente hasta

11 Parte TEÓRICA El sistema respiratorio 11 Figura 7. Representación esquemática del funcionamiento del epitelio ciliado En este esquema se observan los cilios moviéndose sincronizadamente, formando olas que baten la lámina mucosa líquida (sol). Las puntas de los cilios golpean la superficie interna de las placas de gel moviéndolas hacia la laringe. alcanzar dicho límite para «coger» el ascensor mucociliar. Los macrófagos también vuelven a entrar en el intersticio para volver a salir por los bronquiolos, presumiblemente en los puntos en los que se encuentran los agregados linfáticos de la unión entre los bronquios y los bronquiolos terminales; ocasionalmente entran en los linfáticos, desde donde pueden distribuirse por todo el organismo. Cierta evidencia sugiere que esto sólo ocurre cuando la carga de partículas es muy grande y desborda la capacidad del tráfico superficial e intersticial hacia el ascensor mucociliar [2]. Las partículas bioactivas desencadenan una respuesta inflamatoria que también contribuye a su eliminación, aunque con frecuencia deja secuelas estructurales y funcionales. La tos generalmente elimina las partículas irritantes al instante y el ascensor mucociliar puede precisar unas pocas horas; sin embargo, en las áreas más distales de los pulmones puede necesitar mucho más tiempo para limpiar las partículas extrañas [2]. En los pulmones sanos, la exposición temporal a partículas o materiales irritantes aumenta la producción de moco y macrófagos alveolares según sea necesario para eliminar la materia extraña, para luego volver a niveles normales. Cuando los pulmones se enfrentan a una exposición prolongada o repetida de contaminantes del aire, al final pueden verse desbordados y, como consecuencia, se acumulan los contaminantes, causando las enfermedades pulmonares por exposición [2]. El hábito de fumar contribuye a la enfermedad pulmonar de diversas maneras: daña mecanismos de defensa naturales, inhibiendo los macrófagos y el movimiento ciliar; activa los

12 12 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias macrófagos, induciendo reacciones inflamatorias en el intersticio y en la vía área que cambian su estructura, y aumenta la producción de moco de los pulmones, irritando las vías respiratorias, y la inhibición de la obra de los macrófagos y la escalera mucociliar [2]. Bibliografía 1. Younes M. Determinants of thoracic excursions during exercise. En: Whipp BJ, Wasserman K, eds. Exercise: pulmonary physiology and patophysiology. New York: Dekker; p Murray JF. Respiration. En: Smith-Thier, eds. Pathophysiology: the biological principles of disease. Philadelphia: Saunders; p Horsfield K. The structure of the tracheobronquial tree. En: Scadding JG, Cumming G, Thurlbeck WM, eds. Scientific foundations of respiratory medicine. London: Heinemann; p Warren PM. Gas exchange between alveolus and capillary. En: Scadding JG, Cumming G, Thurlbeck WM, eds. Scientific foundations of respiratory medicine. London: Heinemann; p Hughes JMB. Diffusive gas exchange. En: Whipp BJ, Wasserman K, eds. Exercise: pulmonary physiology and patophysiology. New York: Dekker; p Whipp BJ, Wasserman K. Coupling of ventilation to pulmonary gas exchange during exercise. En: Whipp BJ, Wasserman K, eds. Exercise: pulmonary physiology and patophysiology. New York: Dekker; p Konno K, Mead J. Static volume-pressure characteristics of the rib cage and abdomen. J Appl Physiol. 1968; 24(4): Agostoni E. Mechanics of the pleural space. Physiol Rev. 1972;52(1): Mead J. Mechanical properties of lungs. Physiol Rev. 1961;41: Rahn H, Otis AB. The pressure-volume diagram of the thorax and lung. Am J Physiol. 1946;146(2): Green M, Pride NB. Normal respiratory mechanics. En: Scadding JG, Cumming G, Thurlbeck WM, eds. Scientific foundations of respiratory medicine. London: Heinemann; p Mead J, Turner JM, Macklem PT, Little JB. Significance of the relationship between lung recoil and maximum expiratory flow. J Appl Physiol. 1967;22(1): Pedley TJ, Schroter RC, Sudlow MF. Energy losses and pressure drop in models of human airways. Respir Physiol. 1970;9(3): Pride NB, Permutt S, Riley RL, Bromberger-Barnea B. Determinants of maximal expiratory flow from the lungs. J Appl Physiol. 1967;23(5): Chang HK, Cheng RT, Farhi LE. A model study of gas diffusion in alveolar sacs. Respir Physiol. 1973;18(3):

13 Parte TEÓRICA El sistema respiratorio Generalidades de la espirometría 13 María Jesús Rodríguez Nieto Laboratorio de Función Pulmonar. Servicio de Neumología Fundación Jiménez Díaz-Capio. Madrid Objetivos Los objetivos de este capítulo son: a) conocer los parámetros que se utilizan de forma rutinaria en las espirometrías y ser capaces de identificar dónde se realizan estas medidas, y b) establecer el valor diagnóstico y pronóstico de esta prueba en la evaluación de los pacientes respiratorios. Terminología de la espirometría La espirometría es una prueba que mide, en condiciones controladas, el volumen de aire (litros) que un sujeto puede inspirar y espirar en función del tiempo. Es importante recordar los distintos volúmenes y capacidades pulmonares, tal como está representado en la figura 1. Se trata de un gráfico donde vemos el volumen que moviliza un sujeto en función del tiempo, siendo la línea ascendente la inspiración y la descendente la espiración. Al principio, el sujeto respira en reposo, movilizando una cantidad de aire en cada ciclo que denominamos «volumen corriente» (VC) o «volumen tidal» (VT); después, se le indica que expulse todo el aire hasta vaciarse y, desde esta situación, que llene completamente el pecho. La cantidad de aire que queda en el pulmón tras una espiración al máximo o forzada se llama «volumen residual» (RV), el cual no se puede medir con una espirometría. El volumen de aire que entra o sale del pulmón, al inspirar desde RV o espirar desde la situación en la que el pulmón está completamente lleno, se conoce como «capacidad vital inspiratoria o espiratoria» (VC ins o esp). El volumen de reserva espiratorio es la cantidad de aire que se expulsa desde la espiración a Vc hasta RV, y el volumen de reserva inspiratorio es la cantidad de aire que se introduce en el pulmón desde la inspiración a Vc hasta el punto de máxima inspiración. El volumen de aire que contiene el pulmón en el punto de máxima inspiración es la capacidad pulmonar total (TLC). El volumen de aire que contiene el pulmón al final de la espiración a Vc es la capacidad residual funcional (FRC). Estos dos volúmenes (TLC y FRC) tampoco se pueden medir con una espirometría. Los valores espirométricos se obtienen de una maniobra espiratoria forzada de capacidad vital, que requiere que el paciente expulse el aire rápidamente desde el punto de máxima inspiración. De esta maniobra espiratoria forzada se obtienen los parámetros más importantes de la espirometría. Estos parámetros son: Capacidad vital forzada (FVC). Es el volumen de aire que el sujeto exhala en una maniobra espiratoria forzada después de una inspiración máxima. Se expresa en litros en condiciones BTPS (Body Temperature and Pressure Saturated with water vapor), es decir, corregido para la temperatura corporal y presión ambiental saturada con vapor de agua.

14 14 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias Figura 1. Trazado del volumen que moviliza un sujeto en función del tiempo, con los distintos volúmenes y capacidades pulmonares Volumen de reserva inspiratorio Volumen corriente Volumen de reserva espiratorio Volumen residual Capacidad vital inspiratoria Capacidad residual funcional Capacidad pulmonar total Volumen espiratorio forzado en el primer segundo (FEV1). Es el máximo volumen de aire exhalado en el primer segundo de una espiración máxima, realizada después de una inspiración máxima. Se expresa también en litros (BTPS) Estandarización del FEV1 sobre la FVC (FEV1/FVC). Es el porcentaje de la FVC que el paciente puede espirar en el primer segundo de una espiración forzada, realizada después de una inspiración máxima. Se expresa en %. Está característicamente disminuido en la patología obstructiva. Pico de flujo espiratorio (PEF). Es el flujo más alto alcanzado en la espiración forzada, comenzando la maniobra sin pausa desde una inspiración máxima. Se genera antes de haber expulsado el 15% de la FVC. Se expresa en litros por segundo (l/s) o en litros por minuto (l/min). Este parámetro se puede medir también de una forma sencilla con unos dispositivos portátiles utilizados, sobre todo, en el tratamiento del asma (peak flow meter). FEF25-75%. Es el flujo espiratorio forzado medio entre el 25 y el 75% de la FVC; también se conoce como flujo mesoespiratorio. Se expresa en l/s. Este parámetro es sensible pero no específico de la patología obstructiva. Volumen espiratorio forzado a los 6 s (FEV6). Es el máximo volumen de aire exhalado a los 6 s de una espiración máxima realizada tras una inspiración máxima. Se expresa en litros (BTPS). Se puede utilizar en vez de la FVC y para normalizar el FEV1

15 Parte TEÓRICA Generalidades de la espirometría (FEV1/FEV6). Es reproducible y supone un menor esfuerzo para los pacientes, pero su empleo está menos extendido. Además de estos valores, el informe de las espirometrías contiene un gráfico con los flujos espiratorios (a veces también inspiratorios) en función del volumen (curva flujo-volumen). Este gráfico aporta información valiosa sobre la mecánica respiratoria del sujeto y permite identificar algunos errores en la maniobra. Como veremos ahora, en esta curva aparecen la mayoría de estos parámetros. Maniobra espiratoria forzada Trazados volumen-tiempo y flujo-volumen 15 El resultado de la espirometría se representa de forma gráfica con dos trazados: curva volumen-tiempo y curva flujo-volumen (fig. 2). La curva volumen-tiempo de un sujeto normal permite ver cómo la mayor parte de la FVC se exhala en el primer segundo, con una pronunciada caída del volumen al principio de la maniobra. En este gráfico podemos comprobar los errores de la maniobra en cuanto a su finalización: para que sea correcta, el sujeto debe mantener la espiración más de 6 s o que en el trazado se observe una meseta, es decir, que espira < 0,025 l en 1 s. La curva flujo-volumen, como hemos comentado antes, nos informa de la mecánica respiratoria, cambiando claramente su morfología en la patología obstructiva. La evaluación del trazado de esta curva es sensible a problemas para aceptarla como correcta en cuanto al inicio (el pico de flujo debe estar al principio de la maniobra) y problemas durante la maniobra, que limitan el flujo espiratorio y hacen que el resultado no sea aceptable (cierre de glotis, tos, esfuerzo submáximo u obstrucción de la boquilla). Para una correcta evaluación de la espirometría es necesario disponer de estos dos trazados, ya que se complementan en la información que aportan. Identificación de los diferentes parámetros en los trazados En la figura 3 vemos ambas curvas para un sujeto normal. La FVC se identifica bien en las dos, ya que es el punto de mayor volu- Figura 2. Curvas flujo-volumen y volumen-tiempo de una maniobra espiratoria forzada de capacidad vital de un sujeto sano Volumen Flujo Tiempo Curva flujo-volumen Volumen Curva volumen-tiempo

16 16 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias Figura 3. FVC, FEV1 y PEF en curvas espirométricas FVC PEF FEV1 Volumen Flujo FEV1 Tiempo 6 s Volumen FVC men espirado. Es fácil ver el FEV1 en la curva volumen-tiempo, pero no en la flujo-volumen. Actualmente, la mayoría de los equipos marca un punto en el trazado de la curva flujovolumen, cerca de la FVC en sujetos normales, que corresponde al FEV1. El PEF sólo se ve en la curva flujo-volumen y, como ya se ha comentado, cabe estar atentos a que esté al comienzo de la espiración forzada. En la figura 4 está representado el cálculo del flujo mesoespiratorio, que sería Vm/Tm. Papel diagnóstico y pronóstico de la espirometría en las enfermedades respiratorias La espirometría desempeña un papel importante y diferencial en el cuidado de los pacientes con enfermedades respiratorias y, también, en su prevención. Ofrecen información objetiva de la función del pulmón, la cual se debe interpretar junto con los datos clínicos del paciente que muchas veces son subjetivos, p. ej., la disnea. Además, proporciona información reproducible, comparable en el tiempo, que permite controlar el curso o el tratamiento de estas enfermedades. Es realmente importante, porque como todos sabemos, los síntomas respiratorios correlacionan pobremente la gravedad de la enfermedad y su progresión. También son importantes para establecer el pronóstico tanto los valores basales (p. ej., en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, EPOC), como los cambios a lo largo del tiempo. Así, en la fibrosis pulmonar hay estudios que demuestran que cambios en 6-12 meses en la FVC (disminución de la FVC > 10%) predicen peor pronóstico. Figura 4. Cálculo del flujo espiratorio forzado entre el 25 y el 75% de la capacidad vital 75% 25% VC Volumen tm Vm FEF25-75% = Vm/tm Tiempo

17 Parte TEÓRICA Generalidades de la espirometría 17 Tabla 1. Indicaciones de la espirometría Diagnóstico Evaluación pulmonar Motivada por síntomas: tos, sibilancias, disnea Motivada por signos físicos: sibilancias, crepitantes, tiempo espiratorio alargado, cianosis, acropaquias, alteración en la caja torácica, alteración en la mecánica diafragmática, patrón respiratorio o frecuencia respiratoria alterados Motivada por otras pruebas diagnósticas: alteración en los gases sanguíneos, alteraciones radiológicas o en la oximetría Evaluación en enfermedades no pulmonares Enfermedades neuromusculares, sobre todo si hay debilidad muscular Enfermedades inflamatorias, incluidas las conectivopatías y la enfermedad inflamatoria intestinal Enfermedades por exposición Profesional Medioambiental Fármacos con toxicidad pulmonar Radioterapia (pulmón, cuello, cabeza y parte superior del abdomen) Control y seguimiento Enfermedades pulmonares: beneficio del tratamiento, progresión, pronóstico, detección de cambios subclínicos. Enfermedades sistémicas con afectación pulmonar Cribado Fumadores > 45 años o fumadores con síntomas respiratorios Personas expuestas en su trabajo Estudios de salud pública Evaluación de la incapacidad Estudio preoperatorio Resección pulmonar Cirugía toracoabdominal Estudios epidemiológicos de salud En la tabla 1 se resumen las numerosas indicaciones de la espirometría. Es esencial en el diagnóstico de algunas enfermedades, como el asma y la EPOC y, siendo estas enfermedades tan prevalentes, la utilización de espirometría intenta ampliar al ámbito de la atención primaria con el objetivo de diagnosticarlas mejor. Las enfermedades obstructivas (asma, EPOC, enfisema) muestran un patrón espirométrico diferente de las restrictivas (fibrosis, alteraciones de la pared torácica, patología pleural, etc.). En el caso de un patrón obstructivo, se puede realizar una prueba broncodilatadora, administrando después de la espirometría basal un broncodilatador y, tras unos minutos, repetir la espirometría. Esta prueba se define como positiva si mejora un 12% y 200 ml el FEV1 y/o la FVC. Sirve para poner de manifiesto la presencia de hiperreactividad bronquial, presente en enfermedades de la vía aérea y necesaria para el diagnóstico de asma. La espirometría es una técnica segura, barata y rápida comparada con otras pruebas diagnósticas, pero requiere la cooperación del paciente para que los datos sean válidos. El técnico que la realiza debe adquirir unos conocimientos y habilidades concretos para obtener pruebas válidas y familiarizarse con los equipos. Todas estas razones hacen que a veces sea difícil de implementar en atención primaria. Bibliografía Miller MR, Hankinson J, Brusasco V, et al.; ATS/ERS Task Force. Standardisation of spirometry. Eur Respir J. 2005;26: Pellegrino R, Viegi G, Brusasco V, et al. Interpretative strategies for lung function test. Eur Respir J. 2005;26:

18 18 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias Espirometría de calidad Felip Burgos Rincón Centro Diagnóstico Respiratorio. Servicio de Neumología (ICT) IDIBAPS - Universitat de Barcelona Hospital Clínic. Barcelona Introducción La espirometría forzada (EF) es una prueba esencial en el diagnóstico, control y manejo de las enfermedades respiratorias [1,2]. Diversas guías clínicas [3-5] nacionales e internacionales ponen el acento en la utilización extensiva de la espirometría como instrumento básico para la detección precoz de pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Esto es especialmente importante al constatarse que una gran proporción de pacientes con EPOC están sin diagnosticar, incluso en fases relativamente avanzadas de la enfermedad. La utilización de la espirometría está incrementándose día a día y de manera muy importante en diversos ámbitos externos a los laboratorios de función pulmonar (LFP), como la asistencia primaria. Diversos estudios han puesto énfasis en la importancia de garantizar la calidad de la espirometría en el ámbito de la atención primaria. Eaton et al. [6] evaluaron 30 centros en Nueva Zelanda y observaron que en el grupo de centros con entrenamiento se realizaban un mayor número de espirometrías correctas que en los centros sin adiestramiento; no obstante, los autores sugieren que, además de un aprendizaje específico en la realización de la espirometría, se deberían efectuar programas continuados de control de calidad. La problemática que se presenta en la realización de la espirometría en atención primaria puede ser minimizada con la implementación de nuevos espirómetros que contengan un software que permita un empleo más sencillo y apropiado que los diseñados en la actualidad. Los espirómetros deberían incluir mensajes cuando las maniobras no cumplan los criterios de calidad exigidos por las normativas y que permitieran al personal que la realiza mejorar la calidad de la espirometría. Aunque esta calidad todavía no se ha alcanzado, es un objetivo asumible, tal como se ha demostrado en estudios epidemiológicos [7,8]; no obstante, la falta de estrategias globales no ha permitido su generalización. Por lo tanto, es posible aspirar a una espirometría de calidad en todos los ámbitos asistenciales, incluso, en medios no sanitarios, como el domicilio del propio paciente y las farmacias [9]. Diversos autores han demostrado que un modelo centralizado [10-14] y con tecnología, basado en web, puede garantizar altos niveles de calidad [14]. En definitiva, el objetivo de conseguir una espirometría de calidad requiere la integración de estrategias diversas: formación [15,16], definición de estándares para la transmisión de la información [17], requerimientos técnicos en las adquisiciones de aparatos [17] y modelos de control de calidad centralizados [14]. El impacto creciente de las tecnologías de la información y comunicación (TIC) en medicina son una realidad, y no cabe duda de que la espirometría no será ajena a estos cambios tecnológicos; es preciso que esté en la anamnesis como se merece, por historia y utilidad clínica: sólo integrando la función pulmonar

19 Parte TEÓRICA Espirometría de calidad 19 Figura 1. Espirómetro de agua John Hutchinson (Museo de Historia de la Medicina, Londres) Tabla 1. Tipos de espirómetros De agua Espirómetros volumétricos Secos Pistón Medidores de flujo Fleisch Lilly en los registros informáticos podremos garantizar un adecuado control de calidad. Tipos de espirómetros. Espirómetro de oficina frente al de laboratorio La espirometría se conoce desde 1846, cuando John Hutchinson presentó el primer equipo para medir los volúmenes pulmonares en la publicación «On the capacity of the lungs and on the respiratory functions, with a view of establishing a precise and easy method of detecting disease by the spirometer» (fig. 1); en ella describía que la capacidad vital se relacionaba directamente con la altura e inversamente con la edad del individuo. Actualmente podemos dividir los espirómetros por la tecnología que emplean para medir los volúmenes pulmonares (tabla 1), Pitot Turbina Ultrasonidos Filamento caliente

20 20 Módulo 3 Espirometría y otras pruebas funcionales respiratorias Figura 2. Jeringa de calibración de 3 litros pero cada vez más se utiliza la división entre equipos de laboratorio y equipos de atención primaria (espirómetros de oficina); esta división no debería implicar una menor calidad de éstos por ser pequeños y más baratos, sino que todos ellos deberían cumplir con las Figura 3. Calibración con jeringa de 3 litros

21 Parte TEÓRICA Espirometría de calidad recomendaciones ERS/ATS (European Respiratory Society/American Thoracic Society), 2005 [18]. Calibraciones de los equipos Los espirómetros, como cualquier equipo de control y/o diagnóstico, pueden generar valores erróneos y, por tanto, información clínica sesgada; por ello, debemos calibrar o comprobar (check) para minimizar dichos errores. Una buena calibración debe realizarse diariamente con una jeringa de 3 l, y la desviación debe ser inferior a ± 3,5% (2,895 l - 3,105 l) (fig. 2). Para realizar la calibración deben seguirse la normas de cada fabricante, pero, como norma general, deberían efectuarse 2-3 desplazamientos de la jeringa para homogeneizar la temperatura entre el sensor y la jeringa, y entre 3 y 5 maniobras de calibración con un error inferior a ± 3,5% (fig. 3). Figura 4. Condiciones ambientales Temperatura C Presión atmosférica mmhg Humedad % Factores ambientales y técnicos relevantes 21 La temperatura es un elemento importante a tener en cuenta, dado que se utiliza para efectuar la corrección a valores BTPS (Body Temperature and Pressure Saturated with water vapor) en los que expresaremos los resultados finales de la EF; asimismo, se deberían introducir los valores de presión atmosférica y de humedad relativa (fig. 4). Actualmente muchos equipos incorporan sensores de estos parámetros. Control de la infección No hay evidencia científica de que la espirometría pueda producir transmisión infecciosa, aunque se puede especular que el riesgo de transmisión de microorganismos es inversamente proporcional a la frecuencia de limpieza y de cambio de las partes contaminables de los equipos. Como norma general deberíamos: a) usar boquillas desechables; b) desmontar, limpiar, desinfectar y secar perfectamente las piezas, tubos, etc., no desechables; c) evitar la acumulación de vapor de agua en los sensores y los tubos (fig. 5); d) cambiar, entre pacientes, las pinzas; e) limpiarnos las manos después de cada exploración y entre pacientes, y f) si se utilizan filtros, desecharlos entre pacientes. Precisión y reproducibilidad La precisión de los equipos debe cumplir los requerimientos de estandarización ERS/ATS [18]: «El espirómetro debe ser capaz de acumular volumen durante 15 s (se recomiendan tiempos más largos) y medir volúmenes 8 l (BTPS) con una precisión de, por lo menos, ± 3% del valor o ± 0,050 l el mayor de los dos valores, con flujos entre 0 y 14 l/s 1. La