El trabajo respiratorio (WOB) es la energía gastada para inhalar y exhalar un gas respirable . Generalmente se expresa como trabajo por unidad de volumen, por ejemplo, julios/litro, o como tasa de trabajo (potencia), como julios/min o unidades equivalentes, ya que no es particularmente útil sin una referencia al volumen o al tiempo. Puede calcularse en términos de la presión pulmonar multiplicada por el cambio en el volumen pulmonar o en términos del consumo de oxígeno atribuible a la respiración. [1] [2]
En un estado de reposo normal, el trabajo respiratorio constituye aproximadamente el 5% del consumo total de oxígeno del cuerpo. Puede aumentar considerablemente debido a una enfermedad [3] o restricciones en el flujo de gas impuestas por los aparatos respiratorios , la presión ambiental o la composición del gas respirable .
El estado normal de relajación de los pulmones y el tórax es parcialmente vacío. Una mayor exhalación requiere trabajo muscular. La inhalación es un proceso activo que requiere trabajo. [4] Parte de este trabajo es para superar la resistencia por fricción al flujo, y parte se usa para deformar los tejidos elásticos y se almacena como energía potencial, que se recupera durante el proceso pasivo de exhalación. La respiración mareal es la respiración que no requiere actividad activa. Contracción muscular durante la exhalación. La energía necesaria la proporciona la energía elástica almacenada. [5]
Cuando hay una mayor resistencia al flujo de gas, la frecuencia respiratoria óptima disminuye.
Este trabajo (generalmente durante la fase de inhalación) se almacena como energía potencial que se recupera durante la exhalación.
Se requiere una diferencia de presión para superar la resistencia por fricción al flujo de gas debido a la viscosidad, la resistencia inercial debido a la densidad y para proporcionar componentes no elásticos de movimiento de los tejidos de las vías respiratorias para adaptarse al cambio de volumen pulmonar.
La compresión dinámica de las vías respiratorias ocurre cuando la presión intrapleural iguala o excede la presión alveolar , lo que provoca el colapso dinámico de las vías respiratorias pulmonares . Se denomina dinámica dado que la presión transpulmonar (presión alveolar - presión intrapleural) varía según factores que incluyen el volumen pulmonar , la distensibilidad , la resistencia , las patologías existentes, etc. [6] Ocurre durante la espiración forzada cuando la presión intrapleural es mayor que la presión atmosférica (positiva). valores barométricos ), y no durante la espiración pasiva cuando la presión intrapleural permanece en presiones subatmosféricas (valores barométricos negativos). Clínicamente, la compresión dinámica se asocia más comúnmente con el sonido de sibilancia durante la espiración forzada, como en personas con trastorno pulmonar obstructivo crónico (EPOC). [7] [8] La densidad del gas también influye en la reducción de presión en las vías respiratorias, y una mayor densidad provoca una mayor caída de presión para un caudal volumétrico determinado, lo que tiene consecuencias en el buceo con presión ambiental y puede limitar la ventilación a densidades superiores a 6 g/litro. Puede verse exacerbado por una carga pulmonar estática negativa. El efecto está modelado por la resistencia Starling [9]
El trabajo se define como una fuerza aplicada a lo largo de una distancia. La unidad de trabajo del SI es el Joule, equivalente a una fuerza de 1 Newton ejercida a lo largo de una distancia de 1 metro. En el flujo de gas a través de una sección constante, esto equivale a un volumen que fluye contra una presión: [nota 1]
Trabajo = Presión x Volumen
y Potencia = Trabajo/tiempo
con unidades SI para potencia: vatios = julios por segundo
El término "trabajo respiratorio" debería denominarse más exactamente "poder de respirar", a menos que se refiera al trabajo asociado con un número específico de respiraciones o un intervalo de tiempo determinado. Es importante diferenciar entre los términos "frecuencia respiratoria" y "frecuencia respiratoria". Aunque los dos se usan frecuentemente indistintamente, "frecuencia respiratoria" se refiere a la frecuencia respiratoria y se describe en respiraciones por minuto (BPM). Por otro lado, la "frecuencia respiratoria" se refiere a la composición de frecuencia de una sola respiración y se describe en hercios. [10]
Debido a que medir el trabajo respiratorio requiere instrumentación compleja, medirlo en pacientes con enfermedades agudas graves es difícil y arriesgado. En cambio, los médicos determinan si el trabajo respiratorio aumenta mediante gestalt o examinando al paciente en busca de signos de mayor esfuerzo respiratorio. Estos signos incluyen aleteo nasal, contracción del esternomastoideo y paradoja toracoabdominal . [11]
El trabajo respiratorio se ve afectado por varios factores en el buceo submarino a presión ambiental. Existen efectos fisiológicos de la inmersión, efectos físicos de la presión ambiental y la mezcla de gases respirables, y efectos mecánicos del sistema de suministro de gas. [9]
Las propiedades del pulmón pueden variar si existe una diferencia de presión entre el suministro de gas respirable y la presión ambiental en el pecho. La presión interna relajada en los pulmones es igual a la presión en la boca, y en el buceador sumergido, la presión en el pecho puede variar de la presión en la boca dependiendo de la actitud del buceador en el agua. Esta diferencia de presión es la carga pulmonar estática o desequilibrio hidrostático. [12]
Se produce una carga pulmonar estática negativa cuando la presión del suministro de gas es menor que la presión ambiental en el pecho y el buceador necesita aplicar más esfuerzo para inhalar. El pequeño diferencial de presión negativa dentro de las vías respiratorias induce la ingurgitación sanguínea de los vasos sanguíneos pulmonares distensibles, lo que reduce la distensibilidad del tejido pulmonar y hace que el pulmón sea más rígido de lo normal, por lo que se requiere más esfuerzo muscular para mover un volumen determinado de gas a través de las vías respiratorias. Este efecto puede ocurrir en un buceador erguido de circuito abierto, donde el tórax es más profundo que el regulador, y en un buceador con rebreather si el tórax es más profundo que el contrapulmón y aumentará el trabajo respiratorio y, en casos extremos, provocará una compresión dinámica de las vías respiratorias. . Los efectos de la carga pulmonar estática positiva en estas circunstancias no se han demostrado claramente, pero pueden retrasar este efecto. [12] [9]
La densidad de una mezcla de gases determinada es proporcional a la presión absoluta a una temperatura constante en todo el rango de presiones respirables, y la resistencia al flujo es función de la velocidad, densidad y viscosidad del flujo. [9]
A medida que aumenta la densidad, aumenta la cantidad de diferencia de presión necesaria para impulsar un caudal determinado. Cuando la densidad excede aproximadamente 6 g/litro, la tolerancia al ejercicio del buceador se reduce significativamente [12] y en 10 g/litro es marginal. En esta etapa, incluso el esfuerzo moderado puede causar una acumulación de dióxido de carbono que no puede revertirse mediante una mayor ventilación, ya que el trabajo requerido para aumentar la ventilación produce más dióxido de carbono del que se elimina mediante una mayor ventilación, y el flujo puede verse obstruido por los efectos de la dinámica de las vías respiratorias. compresión. En algunos casos la persona puede recurrir a la tos y la exhalación para intentar aumentar el flujo. Este efecto se puede retrasar utilizando gas de menor densidad, como helio, en la mezcla respiratoria para mantener la densidad combinada por debajo de 6 g/litro. [9]
Con aire o nitrox, la ventilación máxima cae aproximadamente a la mitad a 30 m, lo que equivale a 4 bar absolutos y una densidad del gas de aproximadamente 5,2 g/litro. El límite suave recomendado de 6 g/litro se produce aproximadamente a 36 m y para el límite de profundidad recomendado para buceo recreativo de 40 m, la densidad del aire y el nitrox alcanza los 6,5 g/litro [9]
En la industria del buceo , el funcionamiento de los aparatos respiratorios a menudo se denomina trabajo respiratorio. En este contexto, generalmente significa el trabajo externo de una única respiración promedio tomada a través del aparato especificado para condiciones dadas de presión ambiental, ambiente subacuático, caudal durante el ciclo respiratorio y mezcla de gases; los buzos submarinos pueden respirar gas respirable rico en oxígeno para reducir el riesgo de enfermedad por descompresión , o gases que contengan helio para reducir los efectos narcóticos . [13] [14] [15] El helio también tiene el efecto de reducir el trabajo respiratorio al reducir la densidad de la mezcla, aunque la viscosidad del helio es fraccionariamente mayor que la del nitrógeno. [16] [17] Existen estándares para estas condiciones y para hacer comparaciones útiles entre los aparatos respiratorios, deben probarse con el mismo estándar.
Los factores que influyen en el trabajo de respiración de un aparato respiratorio subacuático incluyen la densidad y la viscosidad del gas, los caudales, la presión de apertura (el diferencial de presión necesario para abrir la válvula de demanda) y la contrapresión sobre las válvulas de escape. [12] La orientación del buzo afecta las profundidades relativas de los pulmones y el regulador o circuito respiratorio, lo que puede provocar una variación entre la respiración con presión positiva y negativa.
El trabajo respiratorio de un buceador tiene un componente fisiológico además del componente del equipo. Para una determinada mezcla de gases respirables, la densidad aumentará con el aumento de la profundidad. Una mayor densidad del gas requiere más esfuerzo para acelerar el gas en las transiciones entre la inhalación y la exhalación. Para minimizar el trabajo respiratorio se puede reducir la velocidad del flujo, pero esto reducirá el RMV a menos que se aumente la profundidad de la respiración para compensar. La respiración lenta y profunda mejora la eficiencia de la respiración al aumentar la renovación de gas en los alvéolos, y el esfuerzo debe limitarse para igualar la posible transferencia de gas desde el RMV, que puede mantenerse cómodamente durante largos períodos. Exceder este esfuerzo máximo continuo puede provocar una acumulación de dióxido de carbono, lo que puede provocar una frecuencia respiratoria acelerada, con mayor turbulencia, lo que lleva a una menor eficiencia, una reducción del RMV y un mayor trabajo respiratorio en un circuito de retroalimentación positiva. A profundidades extremas, esto puede ocurrir incluso con niveles de esfuerzo relativamente bajos, y puede resultar difícil o imposible romper el ciclo. El estrés resultante puede ser causa de pánico, ya que la percepción es de un suministro de gas insuficiente debido a la acumulación de dióxido de carbono, aunque la oxigenación puede ser adecuada. [18] [9]
La carga pulmonar estática negativa aumenta el trabajo respiratorio y puede variar según la profundidad relativa del diafragma regulador a los pulmones en equipos de circuito abierto y la profundidad relativa del contrapulmón a los pulmones en un rebreather. [12]
La densidad del gas a presión ambiental es un factor limitante en la capacidad de un buceador para eliminar eficazmente el dióxido de carbono en profundidad para un trabajo respiratorio determinado. [12] A mayor presión ambiental, el aumento de la densidad del gas respirable provoca una mayor resistencia de las vías respiratorias. La ventilación máxima de ejercicio y la ventilación máxima voluntaria se reducen en función de la densidad, que para una mezcla de gases determinada es proporcional a la presión. La ventilación voluntaria máxima se aproxima mediante una función de raíz cuadrada de la densidad del gas. El caudal de exhalación está limitado por el flujo turbulento independiente del esfuerzo. Una vez que esto ocurre, nuevos intentos de aumentar el caudal son activamente contraproducentes y contribuyen a una mayor acumulación de dióxido de carbono. Los efectos de la carga pulmonar estática negativa se ven amplificados por el aumento de la densidad del gas. [19] [9]
Para reducir el riesgo de hipercapnia, los buceadores pueden adoptar un patrón de respiración que sea más lento y profundo de lo normal en lugar de rápido y superficial, ya que esto proporciona el máximo intercambio de gases por unidad de esfuerzo al minimizar la turbulencia, la fricción y los efectos del espacio muerto. [20]
El dióxido de carbono es un producto del metabolismo celular que se elimina mediante el intercambio de gases en los pulmones durante la respiración. La tasa de producción varía con el esfuerzo, pero existe un mínimo básico. Si la tasa de eliminación es menor que la tasa de producción, los niveles aumentarán y producirán síntomas de toxicidad como dolor de cabeza, dificultad para respirar y deterioro mental, y eventualmente pérdida del conocimiento, que puede provocar ahogamiento. En el buceo hay factores que aumentan la producción de dióxido de carbono (esfuerzo) y factores que pueden perjudicar la eliminación, haciendo a los buceadores particularmente vulnerables a la toxicidad del dióxido de carbono. [20]
Se consume oxígeno y se produce dióxido de carbono en las mismas cantidades bajo el agua que en la superficie para la misma cantidad de trabajo, pero respirar requiere trabajo, y el trabajo respiratorio puede ser mucho mayor bajo el agua, y el trabajo respiratorio es similar a otras formas de trabajo en la producción de dióxido de carbono. [20]
La capacidad de un buceador para responder a aumentos en el trabajo respiratorio es limitada. A medida que aumenta el trabajo respiratorio, el dióxido de carbono adicional que se produce al realizar este trabajo aumenta la necesidad de una tasa de eliminación más alta, que es proporcional a la ventilación, en el caso de que el dióxido de carbono sea insignificante en el aire inspirado. [20]
La producción de dióxido de carbono por los tejidos es una función simple del metabolismo tisular y del consumo de oxígeno. Cuanto más trabajo se realice en un tejido, más oxígeno se consumirá y más dióxido de carbono se producirá. La eliminación de dióxido de carbono en los alvéolos depende del gradiente de presión parcial para la difusión del dióxido de carbono entre la sangre y el gas alveolar. Este gradiente se mantiene eliminando el dióxido de carbono de los alvéolos durante la respiración, lo que depende de reemplazar el aire en los alvéolos con más dióxido de carbono por aire con menos dióxido de carbono. Cuanto más aire entra y sale de los alvéolos durante la respiración, más dióxido de carbono se elimina y mayor es el gradiente de presión entre la sangre venosa y el gas alveolar que impulsa la difusión del dióxido de carbono desde la sangre. El mantenimiento de los niveles correctos de dióxido de carbono depende fundamentalmente de una ventilación pulmonar adecuada, y existen múltiples aspectos del buceo que pueden interferir con una ventilación pulmonar adecuada. [20]
La retención de dióxido de carbono como consecuencia de un trabajo respiratorio excesivamente alto puede causar síntomas directos de toxicidad por dióxido de carbono y efectos sinérgicos con la narcosis por nitrógeno y la toxicidad por oxígeno del SNC, que se agrava por la vasodilatación cerebral debido a los altos niveles de dióxido de carbono que causan un aumento de la dosis de oxígeno al cerebro. [9]
La máquina ANSTI se utiliza para pruebas automatizadas de aparatos respiratorios subacuáticos. [21]
La ventilación voluntaria máxima y la capacidad respiratoria son aproximadamente inversamente proporcionales a la raíz cuadrada de la densidad del gas, que para un gas determinado es proporcional a la presión absoluta. El uso de un gas de baja densidad como el helio o el hidrógeno para sustituir el nitrógeno en la mezcla ayuda no sólo a reducir los efectos narcóticos, sino también la densidad y, por tanto, el trabajo respiratorio. Para que no sea combustible, debe haber menos del 4% en volumen de oxígeno mezclado con hidrógeno. [ se necesita aclaración ] [22]
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