Frequenza respiratoria 2: anatomia e fisiologia della respirazione

Introduzione

Per capire il processo della respirazione è importante avere familiarità con l’anatomia del torace e la fisiologia del sistema respiratorio. La respirazione ha due componenti essenziali:

• Ventilazione: il processo di spostare fisicamente l’aria dentro e fuori i polmoni;
• Scambio di gas: il processo di far entrare l’ossigeno (O2) nel corpo e far uscire l’anidride carbonica (CO2).

Anatomia e fisiologia

I polmoni sono situati all’interno della cassa toracica racchiusa da due membrane pleuriche (Fig 1). Alla base del torace, che lo separa dalla cavità addominale, si trova il diaframma. Questo è il muscolo principale dell’ispirazione, ed è innervato dal nervo frenico.

I polmoni sono costituiti da grandi e piccole vie aeree – la trachea è la più grande e la prima di 23 generazioni di vie aeree. Le vie aeree di ogni generazione derivano dalla precedente da un sistema di rami dicotomici irregolari (Davies e Moore, 2010). Le vie aeree più piccole (bronchioli respiratori) contengono alveoli nelle loro pareti. Gli alveoli sono la sede dello scambio di gas e la loro presenza aumenta man mano che le vie aeree diventano più piccole. Questo permette alla superficie totale del polmone di aumentare esponenzialmente permettendo la massima opportunità di scambio di gas.

Ricettori centrali e periferici sensibili all’ipossia (bassi livelli di O2) e all’ipercapnia (aumento di CO2) controllano la spinta a respirare (Davies e Moore, 2010).

Ventilazione

L’aria si muove naturalmente da una zona di alta pressione a una zona di bassa pressione. Durante la respirazione normale, l’inspirazione avviene tramite la contrazione e l’appiattimento del diaframma e la contrazione dei muscoli intercostali esterni, causando un aumento e un movimento verso l’esterno della cassa toracica. Questo aumenta le dimensioni della cavità toracica. Questi cambiamenti fanno sì che lo strato pleurico parietale dei polmoni si muova con la gabbia toracica e il diaframma, creando una pressione negativa. Lo strato pleurico viscerale attaccato alla superficie dei polmoni segue e i polmoni si espandono, attirando aria all’interno.

L’espirazione a riposo è un processo in gran parte passivo; i muscoli inspiratori si rilassano e c’è un rinculo elastico dei polmoni che dà luogo a uno stato di equilibrio della pressione prima che il ciclo ricominci (Bourke e Burns, 2015). Questo movimento della parete toracica si osserva quando si misura la frequenza respiratoria (RR). I cambiamenti nella RR si verificano in risposta all’esercizio, alle emozioni e durante il sonno; i cambiamenti nella RR associati all’esercizio e all’ansia possono essere maggiori di 25 battiti al minuto, ma di solito ritornano alla normalità in uno stato di riposo e calma.

Scambio gassoso

Il processo di ventilazione porta l’aria agli alveoli dove avviene lo scambio gassoso attraverso un semplice processo di diffusione. Un gas si sposta da un’area di alta concentrazione a un’area di bassa concentrazione. La pressione parziale di O2 nell’atmosfera è più alta rispetto a quella nel corpo e il flusso sanguigno contiene una pressione parziale di CO2 più alta rispetto all’atmosfera. Affinché avvenga un efficace scambio di gas, l’aria respirata nei polmoni deve viaggiare fino alla membrana alveolare dove le pareti capillari sono sottili e c’è una grande superficie complessiva.

Che cos’è un RR di base?

Quando la ventilazione e gli scambi gassosi avvengono, il range normale di saturazione di ossigeno del sangue (SpO2) è 94-98% (O’Driscoll et al, 2017) e questo può essere mantenuto a riposo con un RR di 12-20 respiri al minuto.

La figura 2 mostra la curva di dissociazione dell’ossiemoglobina. Questo illustra come i fattori fisiologici possono portare a un cambiamento della RR come risultato di un cambiamento della SpO2. Per esempio, se c’è una diminuzione dell’O2 atmosferico disponibile (PO2) in altitudine, la SpO2 diminuirà, innescando un aumento della RR. Nelle malattie in cui la temperatura o i livelli di pH del sangue sono alterati, spostando la curva di dissociazione dell’ossiemoglobina a destra o a sinistra, la RR sarà influenzata dal tentativo del corpo di ripristinare l’omeostasi.

Effetto della cattiva salute sulla RR basale

È importante chiedersi se la RR come parte del National Early Warning System (NEWS) (Royal College of Physicians, 2017) sia più utile nei pazienti che non hanno alcuna condizione respiratoria nota, dove un punteggio di 0 (12-20 respiri al minuto) è una vera linea base.

In condizioni polmonari in cui lo scambio di gas e/o la ventilazione sono compromessi a riposo, le spinte ipossiche e ipercapniche aumenteranno la RR per mantenere la SpO2. Lo scarso scambio di gas, come si vede in condizioni quali la fibrosi polmonare o l’enfisema (causati rispettivamente da un ispessimento della parete alveolare e dalla distruzione del tessuto polmonare), si traduce in una RR a riposo più elevata. È quindi importante considerare la linea di base “normale” del paziente.

Le comuni condizioni polmonari ostruttive come la broncopneumopatia cronica ostruttiva o l’asma sono caratterizzate da una maggiore resistenza al flusso d’aria, poiché le piccole vie aeree sono ristrette, riducendo l’apporto di ossigeno agli aveoli. Durante le esacerbazioni acute questa resistenza è aumentata portando ad un aumento del RR. La somministrazione di broncodilatatori rilassa la muscolatura liscia nella parete delle vie aeree, riducendo la resistenza e riportando il RR a livelli normali.

Le condizioni neuromuscolari che colpiscono i polmoni spesso portano all’ipoventilazione perché i meccanismi necessari per la normale ventilazione non funzionano correttamente. In questo caso un basso RR (bradipnea) può portare all’insufficienza respiratoria.

Durante l’intervento chirurgico e il recupero post-operatorio, l’RR deve essere monitorato attentamente perché gli anestetici, che di solito contengono oppioidi, possono deprimere la respirazione e ridurre l’RR (Koo e Eikermann, 2011). Essi agiscono sui chemorecettori centrali sopprimendo l’impulso a respirare.

È importante ricordare che la pulsossimetria misura la saturazione di ossigeno mentre la RR misura la ventilazione. Durante le prime fasi del deterioramento, la SpO2 dei pazienti può sembrare essere nel range normale, ma la RR aumenterà in risposta all’inadeguato scambio gassoso. I cambiamenti nella RR sono spesso il primo segno di deterioramento (vedi parte 1).

Il futuro

La RR è un’indicazione precoce del deterioramento del paziente, e l’identificazione precoce del cambiamento assicura che i pazienti ricevano interventi clinici significativi. Affinché l’RR sia utile come segnale di allarme precoce in pazienti con malattie respiratorie note, dobbiamo sapere cosa è normale per quel paziente.

Come sarà discusso più avanti nella serie, ci sono tecnologie che possono misurare oggettivamente l’RR a riposo di un paziente e dobbiamo considerare se queste debbano essere usate di routine nella pratica come la misurazione della SpO2 o della pressione sanguigna.