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Mecánica de la respiración

(Se recomienda leer primero el artículo sobre la Anatomía de los pulmones)


Como todos conocemos la respiración tiene dos fases, la inspiración, durante la cual entra aire a los pulmones y la espiración, que contrariamente a la anterior, saca el aire de los pulmones. Ambos procesos se llevan a cabo aprovechando la elasticidad propia de los pulmones y de la cavidad torácica, así como modificando el volumen de las cámaras que encierran los pulmones a través del trabajo de músculos. Echemos un vistazo a este movimiento gaseoso.

Mecánica de los gases

Antes de comenzar la descripción del tema que nos ocupa debemos primero recordar algunos principios de la mecánica de los gases. La regla básica que rige idealmente la mecánica de los gases es la ley de Boyle-Mariotte, de la que podemos extraer resumidamente que cuando una cantidad de gas está confinado en una cámara cerrada a temperatura constante, existe una relación de proporcionalidad inversa entre el volumen de la cámara y la presión a la que se encuentra, es decir: Si el volumen aumenta, la presión del gas disminuye y en caso contrario, cuando disminuye el volumen la presión se incrementa.

 Expresión 1

Adicionalmente debemos tener en cuenta que los gases, como fluidos al fin, se mueven desde las zonas de mayor presión a las de menor presión a fin de igualar la presión en todas partes.

Estas dos afirmaciones relacionadas con los gases nos permite explicar las razones por las que, por ejemplo, un gas entra y sale por el vástago de un gotero cuando apretamos y soltamos el bulbo de goma elástica que tiene en un extremo. En estado de reposo, la presión en todas partes del gotero es la misma, e igual a la presión atmosférica exterior a la que está comunicada a través de la abertura en el final del vástago. Cuando apretamos el bulbo de goma lo que estamos provocando es una disminución del volumen de este, esto implica un aumento de la presión en el interior con el consiguiente desplazamiento del gas a lo largo del vástago para salir al exterior, que tiene una presión más baja. Al soltar el bulbo, la elasticidad propia del material hace que este tienda a retomar su forma original, ahora lo que se produce es un aumento del volumen, una caída interna de la presión y por tanto el retorno del gas a lo largo del vástago a llenar el bulbo que ahora está a una presión menor que la atmosférica. Este mismo proceso físico es el que se utiliza para respirar, aumentando o disminuyendo el volumen de la cavidad del tórax, donde están confinados los pulmones, se logra aumentar y disminuir la presión en su interior y con ello hacer que el aire atmosférico entre y salga de los pulmones dada su elasticidad natural.

Relación entre presiones en la cavidad torácica

Para comenzar debemos aclarar que la presión dentro de la cavidad torácica se considerará siempre relativa a la presión atmosférica. La presión atmosférica es aquella que ejercen los gases que nos rodean (aire) y que denominaremos Pat. A nivel del mar y en condiciones normales, el valor de esta presión es de 760 mm Hg, esto significa que la presión atmosférica normal equivale a la que produce una columna de mercurio de 760 mm de altura. Entonces, si decimos que la presión respiratoria es negativa, por ejemplo,  -3 mm Hg estamos diciendo que en esa área en particular la presión es menor que Pat en 3 mm Hg, es decir. 760 - 3 = 757 mm Hg. En el mismo sentido, cuando hablamos de presión respiratoria positiva nos referimos que la presión es mayor que la atmosférica y para presión respiratoria 0 ambas presiones son iguales.

Presión intrapulmonar

La presión intrapulmonar o intra-alveolar (Pal) es la presión dentro de los alveolos del pulmón y esta crece y disminuye con las diferentes fases de la respiración, pero siempre, en algún momento durante el ciclo será igual a la presión atmosférica.

Presión intrapleural.

Los pulmones están recubiertos por una membrana serosa de dos capas llamada pleura, el resquicio entre ambas capas se llama cavidad pleural y está lleno de fluido pleural segregado por la propia membrana, el que funciona como una suerte de lubricante para permitir el fácil deslizamiento mutuo de ambas capas.


La presión dentro de la cavidad pleural o presión intrapleural (Pip) también fluctúa con las fases respiratorias, sin embargo, esta presión será siempre alrededor de 4 mm Hg menor que la presión en los alveolos (Pal), es decir, siempre será negativa con respecto a la presión intrapulmonar y a la presión atmosférica (Pat). ¿Pero cómo se explica esa presión negativa? la respuesta está en las fuerzas externas que actúan sobre las dos capas de la pleura. Una de las capas es solidaria a la pared torácica (pleura parietal) mientras la otra los está a la superficie del pulmón (pleura visceral).

Veamos ahora cuales son las fuerzas que actúan sobre las capas de la pleura.

1.- Una de ellas es la fuerza ejercida por la elasticidad propia de los pulmones, que tiende siempre a hacer que este asuma el menor tamaño posible, es decir esté "recogido". A esta fuerza se suma la fuerza contractiva que resulta de la alta tensión superficial del fluido que recubre las paredes interiores de los alveolos pulmonares, la que a su vez hace que estas cámaras gaseosas tiendan a tener la menor dimensión posible. Evidentemente, ambas fuerzas tiran de la capa solidaria al pulmón hacia el interior.

2.- Por el otro lado las paredes del tórax tienden a hacer que este se expanda debido a la elasticidad natural de ellas, lo que implica que la capa de la pleura solidaria a las paredes torácicas sea halada hacia el exterior en oposición franca a la fuerza resultante sobre la otra capa.

El resultado neto de la oposición de ambas fuerzas es que la cavidad pleural esta sometida a dos fuerzas opuestas que tienden a hacerla mayor, pero esto no sucede, ya que el líquido pleural interpuesto produce una fuerte adherencia entre las capas parietal y pleural, tal y como sucede cuando usted pone una gota de agua entre dos vidrios apretados, ambos se pueden deslizar fácilmente uno sobre otro pero separarlos requiere de una gran fuerza. No obstante el resultado dinámico de la interacción de las fuerzas es una presión intrapleural negativa.

Para el razonamiento anterior hemos asumido que la cantidad de líquido pleural debe permanecer mínima para que se mantenga la presión intrapleural negativa. Para ello existe un mecanismo activo de drenaje del fluido pleural hacia los vasos linfáticos que funciona casi continuamente, de no existir, la cantidad de fluido puede crecer y la presión intrapleural podría ser positiva debido a la secreción de nuevo fluido por las membranas.

Mantener la presión intrapleural negativa es muy importante ya que induce un estrecho acoplamiento entre los pulmones y la pared torácica, cualquier evento que haga que la presión intrapleural se haga positiva conduce al colapso pulmonar, esto es, el pulmón se constriñe más de los normali.

Fases de la respiración

Veamos ahora algunos detalles sobre las fases inspiración o inhalación (entrada de aire) y espiración o exhalación (salida del aire).

Inspiración

Mecánica de la respiración
Figura 1. Cambios en la caja torácica que conducen a la respiración.

La inspiración se puede interpretar con facilidad si usted ve la cavidad torácica como un objeto hueco conectado al exterior por una tubuladura y cuyas paredes se puedan expandir para aumentar el volumen interior, con la consecuente caída de la presión interior y la entrada de aire desde la atmósfera dada la diferencia de presiones.

En el cuerpo humano real, el objeto hueco expandible es la cavidad torácica y la tubuladura al exterior es la tráquea. El aumento de volumen de la cavidad torácica en la respiración normal tranquila es consecuencia del trabajo de los músculos inspiratorios: el diafragma y los músculos intercostales exteriores. Veamos como se produce auxiliándonos de la figura 1:

1.- Acción del diafragma: cuando este músculo con forma de domo o cúpula se contrae, se mueve inferiormente aplanándose lo que da como resultado que la altura (distancia superior-inferior) de la cavidad torácica aumente con el consecuente aumento de volumen y la caída de presión interior.

2.- Acción de los músculos intercostales: cuando los músculos intercostales exteriores se contraen levantan la caja torácica y halan el esternón hacia adelante. Dada la posición oblicua de las costillas, inclinadas hacia abajo y curvadas lateralmente rodeando la caja torácica, esta elevación hace que ellas tiendan a colocarse más horizontalmente y con ello que aumente las dimensiones de la sección transversal del tórax, lo mismo lateralmente como en la dirección anterior-posterior. 

La expansión del tórax durante la respiración tranquila es de solo unos pocos milímetros en cada plano, pero esto es suficiente para incrementar el volumen torácico unos 500 ml, cantidad de aire comúnmente suficiente para este tipo de respiración. En el incremento de volumen el papel preponderante lo tiene el diafragma.

A medida que el volumen torácico aumenta durante la inspiración los pulmones se expanden, lo que implica que volumen intrapulmonar crece y como resultado la presión  intrapulmonar baja alrededor de -1 mm de Hg en relación con la atmósfera provocando que el aire fluya a los pulmones movido por el gradiente de presión. La inspiración termina cuando la presión dentro de los pulmones se equilibra con la atmosférica. En el trascurso de la inspiración la presión intrapleural declina a unos -6 mm Hg con respecto a la atmósfera.

Otro tipo de respiración se tiene cuando se realizan ejercicios vigorosos o hay alguna obstrucción pulmonar y  se conoce como inspiración profunda o forzada en la que participan además algunos otros músculos accesorios para incrementar todavía más el volumen torácico. Algunos de estos, como los escalenos y los esternocleidomastoideos del cuello, así como los pectorales menores del pecho levantan las costillas aun más que en la respiración tranquila. También algunos músculos de la espalda participan para extenderla y enderezarla lo que representa aumento de volumen adicional.

Espiración

En el proceso de espiración tranquila, es decir la salida del aire de los pulmones durante la respiración normal, la contracción de músculos es poco significativa y el proceso se desarrolla principalmente por la elasticidad de los pulmones que tiende a recuperar sus dimensiones cuando cesa la inspiración. Cuando los músculos que participan en la inspiración se relajan, la forma normal del diafragma se recupera y la caja torácica baja, de modo que la elasticidad natural de los pulmones hace que estos se constriñan expulsando el aire al exterior. Durante la expiración, tanto el volumen de la cavidad torácica como el intrapulmonar disminuyen. La disminución del volumen de los pulmones comprime los alveolos y su presión interior sube sobre 1 mm Hg por encima de la presión atmosférica, forzando a los gases a fluir al exterior.

Del mismo modo que la inspiración, la espiración puede ser forzada y este es un proceso producido principalmente por los músculos abdominales que contraen las paredes de la cavidad abdominal. Estas contracciones empujan los órganos abdominales contra el diafragma y bajan la caja torácica +.

Movimientos de aire no respiratorios

Existen otros movimientos de aire pulmonar que no tienen como objetivo la respiración pero que pueden modificar el ritmo normal de esta. La mayoría de estos movimientos se producen como actos reflejos pero otros pueden tener un origen voluntario. Los más comunes son:

1.- La tos y el estornudo: que reponden a la necesidad de limpiar los pasajes de aire de partículas y moco.

2.- La risa y el llanto: como respuestas a estados emocionales.

3.- El hipo: que son inspiraciones abruptas debido a espasmos del diafragma cuya explicación no está aun muy clara.

4.- El bostezo: una inspiración muy profunda que se produce con las mandíbulas muy abiertas y cuya necesidad no es evidente.


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