El trabajo respiratorio (WOB) es la energía que se gasta al 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. Se puede calcular 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 a limitaciones en el flujo de gas impuestas por el aparato respiratorio , la presión ambiental o la composición del gas respirable .
El estado normal de relajación del pulmón y el tórax es parcialmente vacío. La exhalación posterior requiere trabajo muscular. La inhalación es un proceso activo que requiere trabajo. [4] Parte de este trabajo es para superar la resistencia de fricción al flujo, y parte se utiliza para deformar los tejidos elásticos y se almacena como energía potencial, que se recupera durante el proceso pasivo de exhalación. La respiración de marea es una respiración que no requiere una contracción muscular activa durante la exhalación. La energía necesaria es proporcionada por la energía elástica almacenada. [5]
Cuando aumenta la 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 friccional 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 es igual o superior a la presión alveolar , lo que provoca un colapso dinámico de las vías respiratorias pulmonares . Se denomina dinámica dado que la presión transpulmonar (presión alveolar − presión intrapleural) varía en función de factores como 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 ( valores barométricos positivos ), y no durante la espiración pasiva cuando la presión intrapleural permanece a presiones subatmosféricas (valores barométricos negativos). Clínicamente, la compresión dinámica se asocia más comúnmente al sonido sibilante durante la espiración forzada, como en individuos con trastorno pulmonar obstructivo crónico (EPOC). [7] [8] La densidad del gas también influye en la reducción de la presión en las vías respiratorias, y una mayor densidad provoca una mayor caída de la presión para un caudal volumétrico determinado, lo que tiene consecuencias en el buceo a 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 se modela mediante 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 julio, 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: Watts = Julios por segundo
El término "trabajo respiratorio" debería denominarse más precisamente "poder respiratorio", 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 con frecuencia indistintamente, "frecuencia respiratoria" se refiere a la frecuencia respiratoria y se describe en respiraciones por minuto (BPM). Por otro lado, "frecuencia respiratoria" se refiere a la composición de frecuencia de una sola respiración y se describe en hertz. [10]
Dado que la medición del trabajo respiratorio requiere una instrumentación compleja, medirlo en pacientes con enfermedades graves agudas es difícil y riesgoso. En cambio, los médicos determinan si el trabajo respiratorio aumenta por gestalt o examinando al paciente en busca de signos de aumento del esfuerzo respiratorio. Estos signos incluyen el aleteo nasal, la contracción del esternocleidomastoideo y la 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 gases. [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 tórax. La presión interna relajada en los pulmones es igual a la presión en la boca y, en el buceador sumergido, la presión en el tórax puede variar con respecto a 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]
Una carga pulmonar estática negativa ocurre cuando la presión de suministro de gas es menor que la presión ambiental en el tórax y el buceador necesita aplicar más esfuerzo para inhalar. La pequeña diferencia de presión negativa dentro de los conductos de aire induce la congestión sanguínea de los vasos sanguíneos pulmonares distensibles, lo que reduce la elasticidad del tejido pulmonar y hace que el pulmón sea más rígido de lo normal, por lo que se requiere un mayor esfuerzo muscular para mover un volumen dado de gas a través de las vías respiratorias. Este efecto puede ocurrir en un buceador de circuito abierto en posición vertical, 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, conducirá a 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 dada es proporcional a la presión absoluta a una temperatura constante en todo el rango de presiones respirables, y la resistencia al flujo es una función de la velocidad del flujo, la densidad y la viscosidad. [9]
A medida que aumenta la densidad, aumenta la diferencia de presión necesaria para generar un caudal determinado. Cuando la densidad supera los 6 g/litro, la tolerancia al ejercicio del buceador se reduce significativamente [12] y, cuando se superan los 10 g/litro, es marginal. En esta etapa, incluso un esfuerzo moderado puede provocar una acumulación de dióxido de carbono que no se puede revertir con una mayor ventilación, ya que el trabajo necesario para aumentar la ventilación produce más dióxido de carbono del que se elimina con el aumento de la ventilación y el flujo puede verse obstaculizado por los efectos de la compresión dinámica de las vías respiratorias. En algunos casos, la persona puede recurrir a la exhalación tosiendo para intentar aumentar el flujo. Este efecto se puede retrasar utilizando un gas de menor densidad, como el helio, en la mezcla de respiración para mantener la densidad combinada por debajo de los 6 g/litro [9] .
Con aire o nitrox, la ventilación máxima se reduce a aproximadamente la mitad a 30 m, lo que equivale a 4 bares absolutos y una densidad de gas de aproximadamente 5,2 g/litro. El límite blando recomendado de 6 g/litro se produce a unos 36 m y, cuando se alcanza el límite de profundidad recomendado para el buceo recreativo de 40 m, la densidad del aire y el nitrox alcanza los 6,5 g/litro [9].
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 reemplazar el nitrógeno en la mezcla ayuda no solo a reducir los efectos narcóticos, sino también la densidad y, por lo tanto, el trabajo respiratorio. Para que una mezcla rica en hidrógeno sea incombustible, debe haber menos del 4% en volumen de oxígeno. La presencia y concentración de otros diluyentes como el nitrógeno o el helio no afectan el límite de inflamabilidad en una mezcla rica en hidrógeno. [13] [14]
En la industria del buceo , el rendimiento de los aparatos respiratorios se conoce a menudo como trabajo respiratorio. En este contexto, generalmente significa el trabajo externo de una sola respiración promedio tomada a través del aparato especificado para determinadas condiciones de presión ambiental, entorno submarino, caudal durante el ciclo respiratorio y mezcla de gases; los buceadores submarinos pueden respirar gas respirable rico en oxígeno para reducir el riesgo de enfermedad por descompresión , o gases que contienen helio para reducir los efectos narcóticos . [15] [16] [17] El helio también tiene el efecto de reducir el trabajo respiratorio al reducir la densidad de la mezcla, aunque la viscosidad del helio es fraccionalmente mayor que la del nitrógeno. [18] [19] Existen estándares para estas condiciones y para hacer comparaciones útiles entre aparatos respiratorios, deben probarse con el mismo estándar.
Sistemas de flujo libre: En un equipo de respiración de flujo libre , el usuario respira desde el volumen de gas a presión ambiental frente a la cara. Si el suministro es adecuado, el gas exhalado se elimina mediante el flujo de gas fresco y solo se inhala gas fresco; no hay espacio muerto. El trabajo respiratorio se ve afectado por la densidad del gas debido a la presión y la composición del gas, y puede haber una carga pulmonar estática positiva o negativa, pero no hay trabajo respiratorio externo adicional debido al flujo de aire a través del equipo de respiración. Los buceadores con suministro desde la superficie que trabajarán intensamente bajo el agua a menudo utilizan sistemas de flujo libre por este motivo.
Sistemas de demanda:
Sistemas de recirculación: El trabajo respiratorio de un rebreather tiene dos componentes principales: El trabajo respiratorio resistivo se debe a la restricción del flujo de los conductos de gas que provoca resistencia al flujo del gas respirable, y existe en todas las aplicaciones donde no hay ventilación externa. El trabajo respiratorio hidrostático solo es aplicable a aplicaciones de buceo y se debe a la diferencia de presión entre los pulmones del buceador y los contrapulmones del rebreather. Esta diferencia de presión se debe generalmente a una diferencia de presión hidrostática causada por una diferencia de profundidad entre el pulmón y el contrapulmón, pero se puede modificar lastrando el lado móvil de un contrapulmón de fuelle . [20]
El trabajo respiratorio resistivo es la suma de todas las restricciones al flujo debido a curvas, corrugaciones, cambios de dirección del flujo, presiones de agrietamiento de válvulas, flujo a través de medios depuradores, etc., y la resistencia al flujo del gas, debido a la inercia y la viscosidad, que están influenciadas por la densidad, que es una función del peso molecular y la presión. El diseño del rebreather puede limitar los aspectos mecánicos de la resistencia al flujo, particularmente mediante el diseño del depurador , los contrapulmones y las mangueras de respiración. Los rebreathers de buceo están influenciados por las variaciones del trabajo respiratorio debido a la elección de la mezcla de gases y la profundidad. El contenido de helio reduce el trabajo respiratorio y el aumento de la profundidad aumenta el trabajo respiratorio. El trabajo respiratorio también puede aumentar por la humedad excesiva del medio depurador, generalmente como consecuencia de una fuga en el circuito de respiración, o por el uso de un tamaño de grano de absorbente demasiado pequeño. Ambos factores causan restricciones al flujo de gas. [21]
Los sistemas de rebreather semicerrados desarrollados por Drägerwerk a principios del siglo XX como suministro de gas para el equipo de buceo estándar , que utiliza oxígeno o nitrox, y el casco Mark V Heliox de la Marina de los EE. UU. desarrollado en la década de 1930 para buceo profundo, hicieron circular el gas respirable a través del casco y el depurador mediante un sistema de inyector donde el gas agregado arrastraba el gas del bucle y producía una corriente de gas depurado más allá del buzo dentro del casco, lo que eliminaba el espacio muerto externo y el trabajo resistivo de la respiración, pero no era adecuado para frecuencias respiratorias altas. [22]
Los factores que influyen en el trabajo respiratorio de un aparato de respiración subacuático incluyen la densidad y la viscosidad del gas, los caudales, la presión de apertura (la diferencia de presión necesaria para abrir la válvula de demanda) y la contrapresión en las válvulas de escape. [12] La orientación del buzo afecta las profundidades relativas de los pulmones y el regulador o circuito de respiración, lo que puede provocar variaciones 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 mezcla de gases de respiración dada, la densidad aumentará con un aumento de la profundidad. Una mayor densidad de gas requiere un mayor 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 el recambio de gas en los alvéolos, y el esfuerzo debe limitarse para que coincida con la transferencia de gas posible desde el RMV, que se puede mantener cómodamente durante largos períodos. Superar este esfuerzo continuo máximo puede provocar una acumulación de dióxido de carbono, lo que puede provocar una frecuencia respiratoria acelerada, con un aumento de la turbulencia, lo que conduce a una menor eficiencia, una reducción del RMV y un mayor trabajo respiratorio en un ciclo de retroalimentación positiva. A profundidades extremas, esto puede ocurrir incluso con niveles relativamente bajos de esfuerzo, y puede ser 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. [23] [9]
La carga pulmonar estática negativa aumenta el trabajo respiratorio y puede variar dependiendo de la profundidad relativa del diafragma del regulador con respecto a los pulmones en un equipo de circuito abierto, y de la profundidad relativa del contrapulmón con respecto a los pulmones en un rebreather. [12]
La densidad de los gases a presión ambiental es un factor limitante de la capacidad de un buceador para eliminar eficazmente el dióxido de carbono a una profundidad determinada para un determinado trabajo respiratorio. [12] A mayor presión ambiental, mayor densidad de los gases respiratorios provoca una mayor resistencia de las vías respiratorias. La ventilación máxima durante el ejercicio y la ventilación voluntaria máxima 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, los intentos adicionales 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 amplifican con el aumento de la densidad del gas. [21] [9]
Para reducir el riesgo de hipercapnia, los buzos pueden adoptar un patrón de respiración más lento y profundo de lo normal en lugar de rápido y superficial, ya que esto proporciona un intercambio máximo de gases por unidad de esfuerzo al minimizar los efectos de turbulencia, fricción y espacio muerto. [24]
El dióxido de carbono es un producto del metabolismo celular que se elimina por intercambio de gases en los pulmones durante la respiración. La tasa de producción varía con el esfuerzo, pero hay 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, falta de aliento y deterioro mental, y finalmente pérdida de conciencia, lo 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, lo que hace que los buceadores sean particularmente vulnerables a la toxicidad del dióxido de carbono. [24]
El oxígeno se consume y el dióxido de carbono se produce en las mismas cantidades bajo el agua que en la superficie con 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. [24]
La capacidad de un buceador para responder a los aumentos del trabajo respiratorio es limitada. A medida que aumenta el trabajo respiratorio, el dióxido de carbono adicional producido al realizar este trabajo aumenta la necesidad de una mayor tasa de eliminación, que es proporcional a la ventilación, en el caso de que el dióxido de carbono en el aire inspirado sea insignificante. [24]
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 realiza en un tejido, más oxígeno se consume y más dióxido de carbono se produce. La eliminación de dióxido de carbono en los alvéolos depende del gradiente de presión parcial para la difusión de dióxido de carbono entre la sangre y el gas alveolar. Este gradiente se mantiene mediante la eliminación de dióxido de carbono de los alvéolos durante la respiración, lo que depende de la sustitución del 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 de dióxido de carbono desde la sangre. El mantenimiento de los niveles correctos de dióxido de carbono depende críticamente de una ventilación pulmonar adecuada, y hay múltiples aspectos del buceo que pueden interferir con la ventilación adecuada de los pulmones. [24]
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 narcosis por nitrógeno y toxicidad por oxígeno en el SNC que se agrava por la vasodilatación cerebral debido a que los altos niveles de dióxido de carbono provocan un aumento de la dosis de oxígeno al cerebro. [9]
La máquina ANSTI se utiliza para pruebas automatizadas de aparatos de respiración subacuáticos. [25]
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