Briciole di Medicina (2° Puntata) - La spirometria

La spirometria è una tecnica che permette di investigare e ottenere dati che sono la spia della funzionalità di diversi apparati quali: l’apparato respiratorio, il metabolismo energetico e l’apparato cardiovascolare. Nella figura è schematizzato il classico spirometro di Benedict-Roth che fondamentalmente è costituito da:
1) Un cilindro scorrevole contenente aria atmosferica o ossigeno
2) Un boccaglio provvisto di doppia valvola che permette al soggetto di inspirare aria o ossigeno dal cilindro e espirare l’aria o l’ossigeno non utilizzati nel circuito in modo da poterli riutilizzare e di fissare la anidride carbonica espirata tramite calce sodata
3) Un chirografo, cioè un sistema di registrazione su carta posizionata su un cilindro rotante a velocità variabile e che permette la valutazione de volumi e delle capacità polmonari o del consumo di ossigeno in rapporto del tempo. Gli strumenti più moderni possono utilizzare due piccoli soffietto in gomma, chiamati concertine, anziché un cilindro metallico, e inoltre possono avere un sistema di registrazione basato su tavoletta spostabile sul piano orizzontale (e dunque non sul cilindro rotante).

Utilizzazione dello spirometro per studiare l’apparato respiratorio

Il soggetto, dopo pinzettamento del naso, fissa il boccaglio fra le arcate dentarie e inizia a respirare stando seduto, in piedi o camminando. E’ possibile registrare su carta la frequenza respiratoria (da 12 a 20 atti al minuti) e il volume corrente cosi come è possibile la registrazione del volume di aria ispirata o espirata forzatamente.

In un caratteristico grafico che prende il nome di spirogramma si possono evidenziare i seguenti volumi polmonari:

1. volume corrente (VC) = aria inspirata ad ogni atto respiratorio tranquillo (circa 500 ml)
2. volume di riserva inspiratoria (VRI) = volume di aria introdotta con una inspirazione forzata in aggiunta al volume corrente (circa 2S00 ml)
3. volume di riserva espiratoria (VRE) = volume di aria emessa con una espirazione forzata in aggiunta al volume corrente (circa 1200 mi)
4. volume residuo (VR) = volume che rimane nei polmoni dopo una espira¬zione forzata (circa 1200 ml)

Le capacità polmonari sono invece la risultante della somma di due o più volumi polmonari:

1. capacità inspiratoria = VC + VRI cioè volume corrente + volume di riserva inspiratoria.
2. capacità espiratoria = VC + VRE cioè volume corrente + volume di riserva espiratoria.
3. capacità vitale = VC + VRI + VRE cioè volume corrente + volume di riserva inspiratoria + volume di riserva espiratoria.
4. capacità funzionale residua = VR + VRE cioè volume residuo + volume di riserva espiratoria.
5. capacità totale = VC + VRI + VRE + VR cioè volume corrente + volume di riserva inspiratoria + volume di riserva espiratoria + volume residuo.

Dai dati precedenti è possibile risalire ai valori della ventilazione polmonare (volume di aria scambiate in un minuto dell'apparato respiratorio) e della ventilazione alveolare (volume di aria scambiato in un minuto a livello alveolare).

Tenendo presente che normalmente 150 millilitri di aria, dei 500 introdotti con il volume corrente, non raggiungono gli alveoli ma restano a livello delle vie aeree superiori (spazio morto anatomico SMA) avremo:

ventilazione polmonare = VC x freq. resp, = 500 x 12 = 6000 ml/min.
ventilazione alveolare = (VC-SMA) x freq. resp. = (500-150) x 12 = 4200 ml/min.

Sulla base di queste due espressioni è consequenziale che, aumentando la frequenza respiratoria si riduce il valore del volume corrente e quindi l'aria scambiabile a livello alveolare
freq. resp. = 24 volume corrente = 250 millilitri
vent. Pol. 250 x 24 = 6000 ml/min.
vent. alv. = (250 - 150) x 24 = 2.400 ml/min.

Pertanto ad una respirazione rapida e superficiale è preferibile una respirazione lenta e profonda.

Conoscendo il valore della ventilazione alveolare e possibile risalire al rapporto ventilazione/perfusione che rappresenta il quoziente tra il volume di aria scambiabile a livello alveolare e la quantità di sangue che perfonde il polmone (cioè la gittata cardiaca). Avremo quindi:

Rapporto “ventilazione alveolare/perfusione ematica” = 4,2 L/min./4,9 L/min. = 0,85

Questo rapporto è puramente teorico in quanto le diverse zone polmonari (aree di West) sono ventilate e perfuse in maniera diversa anche in rapporto alla diversa postura assunta dal soggetto.
Un altro parametro, di rilevante importanza, registrabile con la spirometria è il «volume espiratorio massimo al secondo, V.E.M.S.» che rappresenta il volume di aria che viene mobilizzato nel primo secondo di una espirazione forzata.

Il rapporto percentuale VEMS/CV rappresenta il cosiddetto «indice di Tiffeneau» che, nel soggetto fisiologico, è pari al 75%.

Rapporto “volume espiratorio massimo al secondo / volume corrente” = 75% (fisiologico)

Ciò significa, in altri termini, che il soggetto sano riesce ad espellere nel primo secondo di una espirazione forzata il 75% della capacità vitale mentre, nei soggetti affetti da alterazioni della ventilazione di tipo «ostruttivo» (ostacolato flusso dell'aria consequenziale ad un aumento delle resistenze delle vie aeree), tale indice è sempre inferiore al 70%.

Nelle alterazioni della ventilazione di «tipo costrittivo» (diminuita capacità di escursione volumetrica consequenziale a ridotta distensibilità toracica o polmonare) la spirometria evidenzia invece una netta diminuzione del VRI, del VRE e, quindi, della CV

Utilizzazione dello spirometro per il metabolismo energetico.

In questo caso nei soffietti in gomma dello spirometro viene eliminata l'aria atmosferica, sostituita da ossigeno, utilizzando una bombola.
E’ definito come metabolismo basale (MB) «il dispendio energetico minimo necessario allo svolgimento dei processi vitali in condizioni di riposo psicofisico» espresso in Kcal/metroquadrato/tempo.

La misurazione del consumo di ossigeno viene effettuata utilizzando i seguenti criteri:
a) soggetto in condizioni di riposo psicofisico;
b) neutralità termica cioè temperatura ambientale alla quale non c'è scambio di calore tra soggetto-ambiente, 20°C;
c) digiuno assoluto da 12 ore (per evitare l'interferenza energetica dell'apparato digerente);
d) digiuno proteico da almeno 24-36 ore (per evitare l'azione dinamico-specifica delle proteine).

In un apposito grafico è reso visibile un tracciato del consumo di ossigeno in un soggetto maschio di 22 anni. La misurazione è stata protratta per un periodo di tempo di 4 minuti. Il grafico deve essere letto da destra a sinistra, nel senso che all'inizio della prova il volume di ossigeno contenuto nel soffietto è maggiore e diminuisce in rapporto al consumo energetico. La differenza nel nostro esempio è di 45 mm. Sapendo che 1 mm. corrisponde ad un consumo di ml 31,25 di ossigeno, avremo: 45 x 31,25 = 1.406 millilitri Ossigeno/4 min e 1406 x 15 = 21.090 millilitri Ossigeno/ora. Essendo la temperatura e la pressione atmosferica (misurati dagli indicatori incorporati nello spirometro) rispettivamente di 24°C e di 758 mmHg per riportarci alle condizioni standard (STPD) di 760 mmHg e O°C bisogna moltiplicare per un fattore di correzione, ricavabile da apposita tabella, pari a 0,91, quindi 21 litri/ora x 0,91 = 19 L/h

Quindi, ricapitolando, da un grafico relativo ai valori ricavati con analisi spirometrica da un soggetto di 22 anni in condizioni standardizzate di temperatura ambientale, pressione atmosferica, ect. si evince che questi consuma in un ora un quantitativo di ossigeno pari a circa 19 litri.

Conoscendo il valore calorico di un litro di ossigeno (4,82) in rapporto al tipo di materiale combusto (utilizzando il quoziente respiratorio: Q.R. = CO^2 prodotta/O^2 consumata) avremo:
19 l/h x 4,82 = 91 Cal/h quindi il soggetto per sostenere il suo metabolismo basale consuma un quantitativo di energia pari a 91 calorie per ogni ora trascorsa. Questo valore può essere espresso in relazione al metro quadrato di superficie o alla unità di peso corporeo. Dai valori altezza e peso si risale, tramite apposita tabella, alla superficie corporea (1,97 mq) e quindi esprimeremo il MB per un mq di superficie => 91 : 1,97 = 46 Cal/mq/h questo valore va ora riferito a quello di un soggetto standard dello stesso sesso ed età (41 Cal/mq/h), potremo pertanto esprimere il MB sia in valori assoluto in variazione percentuale (in questo caso, più 12%, rientra nei limiti delle variazioni fisiologiche comprese tra il più o meno 15%).

Mentre nel passato la determinazione del MB veniva anche utilizzata come dice di funzionalità tiroidea (valori elevati Ipertiroidismo, valori bassi Ipotiroidismo), oggi la misurazione del tasso ematico degli ormoni tiroidei (T3 e T4) consente una migliore valutazione dell’attività di questa ghiandola. Il consumo di ossigeno resta invece strumento indispensabile per il calcolo qualitativo e quantitativo dell'introito alimentare in condizioni fisiologiche e patologiche (obesità. diabete, etc.)

Spirometria e apparato cardiovascolare

È noto che il volume di sangue immesso in un minuto dal ventricolo sinistro nell'aorta, o dal ventricolo destro nell'arteria polmonare, rappresenta la portata cardiaca o, meglio, la Gittata Cardiaca. La gittata cardiaca rappresenta, funzionalmente, l'adattamento emodinamico del cuore alle diverse richieste dei tessuti periferici. E’ la risultante del prodotto del volume di sangue emesso, da uno dei due ventricoli, nella singola sistole (circa 70 ml) e dal numero di sistoli/minuto (frequenza cardiaca da 60 a 80), pertanto,avremo che
Gittata Cardiaca = Volume sistolico x Frequenza cardiaca (70 ml x 70) = 4.900 ml/min.

La determinazione della gittata cardiaca può essere effettuata utilizzando il “Principio di Fick” che può cosi essere enunciato: la quantità di sostanza X sottratta al sangue da un organo nell'unità di tempo è in relazione al flusso dell'organo e alla differenza artero-venosa della sostanza X, Qx = (Ax - Vx) * F
Qx = quantità di sostanza x sottratta al sangue o che si aggiunge al sangue;
Ax = concentrazione della sostanza x nel sangue arterioso;
Vx = concentrazione della sostanza x nel sangue venoso;
F = flusso di sangue in ml/min

dalla formula si può ricavare => Flusso = Qx/(Ax - Vx)

l'organo che prendiamo in considerazione è il polmone e quindi la seconda formula ci permette di
calcolare la portata del ventricolo destro che, come già detto in precedenza, è uguale alla portata del ventricolo sinistro. Qx rappresenta il volume di ossigeno assunto dal polmone in un minuto, valore misurabile con lo spirometro come già descritto, pari a circa 250 millilitri; Ax è la quantità di ossigeno del sangue arterioso, pari a circa 190 ml/litro, misurabile a livello di un qualsiasi distretto arterioso; Vx è la quantità di ossigeno del sangue venoso, pari a circa 140 ml/litro, misurabile su un campione di sangue venoso misto ottenuto con il cateterismo cardiaco; pertanto l'espressione tratta dalla seconda formula diventa: F = 250 ml/min / (190-140) ml/l = 5 litri al minuto

Tabella riassuntiva dei principali parametri respiratori
volumi e capacità valori normali (oscillazione fra valori minimi e valori massimi)
volume corrente 400 - 600
volume riserva inspiratoria 1600 - 3000
volume riserva espiratoria 1000 - 1400
capacità vitale 3000 - 5000
capacità inspiratoria 2000 - 3100
frequenza respiratoria 12 - 20
ventilazione a riposo 6 - 11
consumo di ossigeno 200 - 250
volume espiro massimo sec. 2400 - 3600
Indice di Tiffenau 75%


È opportuno ricordare che 1 g di emoglobina è capace di legare 1,34 ml di ossigeno. Poichè il contenuto medio di Hb è di 15 g / 100 ml avremo che 15 x 1,34 = 20 millilitri di ossigeno su 100 ml di sangue arterioso; l'Hb presente nel sangue arterioso sistemico non è saturo di ossigeno al 100% a causa dello scarico di sangue venoso refluo dal circolo bronchiale e coronarico, nel cuore sinistro, per cui il valore predetto di 201 ml/Litro di sangue si abbassa a circa 190 millilitri su litro di sangue, valore utilizzato nell'espressione di cui sopra. È importante infine ricordare che, così come il MB viene riferito al mq di superficie corporea, anche la gittata cardiaca viene riferita all'unità di superficie: il valore ottenuto rappresenta «l'indice cardiaco».

La gittata cardiaca, oltre che con la metodica descritta in questa nota, può essere determinata con:
1) «il principio della diluizione di un indicatore»; utilizzando un colorante come “il blu Evans” o “il verde indocianina” oppure “albumina marcata con Iodio 131”; 2) «la ballistocardiografia»; Entrambe le metodiche risultano però più laboriose e meno precise rispetto al metodo del consumo di ossigeno.