Recientemente se ha emitido la ISO/TS 16976-4 que define el trabajo respiratorio y la resistencia respiratoria tomando como base los límites fisiológicos

El Comité Técnico de ISO/TC 94/SC 15, en colaboración con el Secretariado DIN responsable de la normativa EN para EPR en la Unión Europea, prepara Estándares Internacionales que revisan desde el inicio la normativa existente para que se adopten globalmente. Recientemente se ha emitido la ISO/TS 16976-4 que define el trabajo respiratorio y la resistencia respiratoria tomando como base los límites fisiológicos.

En este artículo sigo el orden de presentación que ofrece el texto para los nuevos parámetros que permiten fundamentar las bases fisiológicas de la respiración y la acción de los músculos, en las fases de inhalación y exhalación, que se utilizan durante un ciclo respiratorio.

La exposición finaliza con las recomendaciones sobre los esfuerzos adicionales que el usuario puede tolerar cuando precise vencer las resistencias, respecto al paso del caudal de aire y otras cargas respiratorias que ofrece un equipo de protección respiratoria.

En el documento se usan los términos cuyas definiciones a continuación se indican:

• Conformidad: cambio de volumen respecto a un cambio de presión, medido en litros por kPa. Este término se aplica normalmente en el comportamiento elástico de los pulmones y el pecho.
• Elastancia: cambio en presión para un volumen dado, medido en kPa por litro. Es un término aplicable al comportamiento elástico de un EPR. Es la inversa de la conformidad.
• Ventilación minuto: es el volumen de aire expulsado de los pulmones por minuto, medido en litros por minuto.
• Volumen relajado: el volumen pulmonar cuando los músculos respiratorios están relajados.
• Volumen tidal (V_T): volumen de una inhalación o exhalación, medido en litros.
• Capacidad vital (VC): volumen de la mayor inhalación que una persona puede tomar. Es la diferencia entre una máxima inhalación y una máxima exhalación.
• Trabajo de respirar (WOB): trabajo requerido para efectuar una inhalación, medido en Julios.
• Trabajo de respirar por el volumen Tidal (WOB/V_T): trabajo de respirar normalizado el cual es también la presión media por volumen, medido en Julios por litro = kPa.

Cambios de presión y volumen sin EPR

Durante una inhalación los músculos inhaladores se contraen, lo cual hace que el pecho se expanda y el diafragma se aplane. Esta acción hace que los pulmones se agranden a un gran volumen. Incluso sin resistencia al flujo de aire, se precisa una determinada fuerza o presión para expandir el pecho y los pulmones, que ofrecen una cierta conformidad, como si tratasen los pulmones a colapsarse, al igual que un balón hinchado trata de desinflarse. La conformidad del pecho actúa al tratar de expandirlo. Por consiguiente, en ausencia de esfuerzo muscular, las fuerzas del pecho y el pulmón se oponen una a otra y para un determinado volumen son iguales y opuestas. Cuando esto sucede se obtiene el volumen relajado.

En la fase de inhalación, se requiere un esfuerzo para vencer la conformidad del pecho y los pulmones, así como la resistencia interna ofrecida al paso del flujo de aire por las vías respiratorias. La figura 1 ilustra la presión generada y los correspondientes cambios de volumen.

En una persona los músculos generan la presión que a su vez comporta un cambio de volumen. La presión es la variable independiente y el volumen la dependiente. Al iniciar la inhalación (punto A) no hay presión (es el volumen de relajación). Al fin de la inhalación (punto B), se alcanza el mayor volumen (es el volumen Tidal, V_T). La línea a trazos muestra la interacción de la presión y el volumen entre las conformidades combinadas del pecho y los pulmones. Por ejemplo, en el punto C la conformidad requiere una presión de casi 0,8 kPa (cota 1) para cambiar el volumen al 50% de VC. La línea ADB corresponde a la presión total (conformidad mas presión debida a la resistencia interna al flujo de aire), generada por los músculos respiratorios y el cambio de volumen durante la inhalación. La exhalación sigue la otra línea BEA. Para alcanzar el volumen del 50% VC durante la inhalación, se requiere una presión total de 1,3 kPa. Por lo anterior, cerca de 0,8 kPa son debidos a la conformidad total (cota 1) y 0.5 kPa a cargo de la resistencia interna al flujo de aire (cota 2). Hacia el final de la inhalación el caudal disminuye y la presión también, debido a que la resistencia interna al flujo de aire es menor y la inhalación finaliza en el punto B donde el caudal es nulo. El volumen Tidal, V_T =70%VC – 30%VC, es decir igual a 40% VC.

Al finalizar la inhalación (punto B) la presión está almacenada debido a la conformidad total. En el caso de una respiración pausada esta presión es suficiente para expulsar el aire durante la consiguiente exhalación. En este caso la exhalación es pasiva. Cuando se desea mayor ventilación, la presión debido a la conformidad no basta y los músculos de exhalación deben tomar parte activa.

Cambios de presión y volumen al usar un EPR con resistencia respiratoria

Un EPR impone una resistencia adicional al caudal de aire, la cual esta presente tanto en la inhalación como en la exhalación, aunque no suele ser de la misma magnitud. Por ejemplo, un EPR filtrante podrá tener una mayor resistencia a la inhalación. En la figura 2 se ilustra como las resistencias internas y externas al flujo se adicionan. La presión necesaria para alcanzar un volumen del 50% VC lleva ahora la presión al punto E. En este punto la resistencia externa al caudal requiere una presión adicional de 0,7 kPa (cota 3), para una presión total de casi 2 kPa (cotas 1, 2 y 3). El área interna FGAF representa el trabajo efectuado por los músculos exhaladores.

Cambios de presión y volumen al usar un EPR a presión estática

Algunos EPR están diseñados para tener una presión positiva que incrementa la protección contra los contaminantes (en el caso de pequeñas fugas en la pieza facial). La figura 3 muestra como tal presión influye en la mecánica pulmonar. En el esquema se supone una presión estática de 0,5 kPa. Sin la presión positiva la inhalación se inicia en el punto A y la presión estática desplaza 0,5 kPa horizontalmente al nuevo volumen de relajación (punto A'). La curva de conformidad determina el movimiento vertical que representa el 10% VC. Por consiguiente, la presión estática es suficiente para desplazar el volumen de relajación del 30% VC al 40% VC.

Cambios de presión y volumen al usar un EPR a resistencia respiratoria y presión estática

Para este tipo de EPR la presión estática cambia el volumen de relajación. Usando el mismo valor que en la figura 3, el nuevo punto de inicio está en el 40% VC. La figura 4 ilustra los cambios correspondientes a la presión y el volumen. Al comparar las figuras 2 y 4 observamos que la única diferencia notable son los puntos de inicio y fin de la inhalación (puntos A' y B').

Efectos de una alta presión positiva

Como puede observarse en la figura 4, una alta presión estática desplazará el fin de la inhalación (punto B') hacia mayores volúmenes pulmonares y restringe al volumen Tidal tanto como el punto B' se acerca al 100% VC. Además, con altos volúmenes pulmonares la conformidad disminuye por lo cual resulta más penoso alcanzar el volumen deseado al finalizar la inhalación.

La presión diastólica típica del torrente sanguíneo en el pulmón oscila entre 0,7 kPA a 1,1 kPa. Por consiguiente, una excesiva presión positiva puede también causar indeseados efectos en el flujo sanguíneo pulmonar.

Trabajo Fisiológico versus Trabajo Físico

Hay una diferencia entre el trabajo fisiológico y el trabajo físico, lo cual particularmente se nota entre el trabajo estático y cuando se realiza sobre materiales elásticos.

El trabajo estático se efectúa cuando un músculo es activo, pero no desarrolla movimiento, por ejemplo, cuando mantenemos un brazo extendido. Puede ser fatigoso el hacerlo. Este es trabajo fisiológico puesto que el músculo esta gastando energía. Sin embargo, desde el punto de vista físico no hay trabajo puesto que se efectúa sin movimiento.

El trabajo fisiológico también se efectúa contra materiales elásticos. Considere una banda de goma, cuando se estira la energía se acumula y puede recuperarse cuando retorna a su longitud original. Por consiguiente, no se realiza trabajo físico neto (si ignoramos cualquier pérdida). Si un músculo se utiliza para alargar la banda entonces el esfuerzo se gasta en el músculo. Si permitimos a la banda retornar a su longitud original emplearemos también un esfuerzo. En otras palabras, la energía almacenada en la banda no se retorna al músculo, al contrario, consumimos energía tanto durante la fase de alargamiento como en la de retorno. Puesto que la fuerza generada es siempre en la misma dirección, pero la dirección del movimiento resultante cambia, cuando la banda de goma se acorta, el producto puede ser positivo o negativo.

Desde el punto de vista físico el trabajo negativo puede ser considerado como un retorno de la energía. Sin embargo, desde una perspectiva fisiológica, tanto el trabajo físico positivo como el negativo consumen energía. El coste fisiológico del trabajo negativo es inferior que en el trabajo positivo.

Determinación del WOB en la inhalación

El WOB en la fase de inhalación puede calcularse mediante los registros de la presión y el volumen resultante. Podemos subdividir el trabajo en tres partes: trabajo contra la conformidad, la resistencia interna y la resistencia externa al paso del flujo de aire. El trabajo contra la conformidad puede apreciarse en la Figura 5 como el triángulo formado por ACBFA. El trabajo contra la resistencia interna corresponde al área formada por ADBCA y de igual forma el trabajo contra la resistencia externa al flujo de aire como el área formada por AEBDA. Por consiguiente, el trabajo total en la inhalación es el área comprendida entre AEBFA.

Determinación del WOB en la exhalación

El trabajo en la fase de exhalación puede apreciarse en la figura 5 dividido en dos partes. La presión almacenada expulsa el aire, pero los músculos inhaladores están generando una presión para controlar el flujo exhalado. Una parte del trabajo viene representada por el área formada por BFGB, puesto que la presión generada es positiva, pero como el caudal ha cambiado de dirección el trabajo físico es negativo. El trabajo físico positivo es generado por los músculos exhaladores y corresponde al área GHAG.

Determinación del WOB total

El cálculo del WOB total es la suma del trabajo físico efectuado en la inhalación y en la exhalación. En la figura 5 el trabajo físico positivo por los músculos inhaladores es el área AEBFA. El trabajo negativo por los músculos inhaladores es BFGB. El trabajo positivo por los músculos exhaladores es el área GHAG.

Es evidente que el WOB para un EPR y su usuario es difícil de predecir y calcular. Los parámetros necesarios (p.e. resistencia al flujo, conformidad y trabajo negativo) son complejos de cuantificar en todas las situaciones y varían entre individuos. Además, la carga de trabajo del cuerpo cambia desde el descanso a una actividad pesada. No es práctico proporcionar cálculos teóricos para todas las situaciones, Sin embargo, están disponibles datos empíricos para estimar niveles aceptables de trabajo respiratorio.

Si se desea determinar el WOB correspondiente sólo al EPR, se presupone que hay un vínculo entre el ciclo presión-volumen de un EPR con el ciclo volumen-presión de la persona. También es valioso considerar que en un EPR el flujo de aire lo impone el usuario y esto causa un cambio de presión. Por consiguiente, para un EPR, el volumen es la variable independiente y la presión la dependiente.

La figura 6 muestra un ejemplo del ciclo respiratorio de sólo el EPR. En abscisas se indican los cambios de volumen y en ordenadas las variaciones de presión. La respiración se inicia en el punto E y sigue la línea EGF finalizando en el punto F. El volumen Tidal es la diferencia entre volúmenes en C y en F. La exhalación sigue la línea FHE. El trabajo (WOB) en la inhalación viene representado por el área I limitada por EGFE. El WOB en la exhalación es el área J limitada por FHEF. Si hubiera en el EPR un comportamiento elástico, se mostraría como diferencia de presión entre puntos E y F.

WOB fisiológicamente aceptable

En el estándar se lista una extensa bibliografía de autores que históricamente han propuesto límites para el esfuerzo respiratorio del EPR. Estos límites se expresan como trabajo respiratorio normalizado, por ejemplo WOB dividido por volumen Tidal, que equivale al volumen-presión media y se expresa en unidades de presión (kPa).

Muchos EPR ofrecen diferencias entre las resistencias al flujo en la inhalación y en la exhalación, por lo cual siempre debe calcularse el WOB separadamente. En la figura 7 se ilustran los valores máximos recomendados para los ocho valores de ventilación por minuto estándar adoptados por ISO (puntos sobre las líneas del gráfico). Recomendaciones para valores límite del WOB/V_T.

• Para un ejercicio de larga duración (hasta 1 hora) la inhalación no debe exceder de 0,9 kPa.
• En cortos periodos, para personas entrenadas, con ventilaciones de 110 l/min, se admite un limite en la inhalación de 1,3 kPa.
• Si la ventilación excede 130 l/ min, la inhalación debe ser menor que 1,6 kPa.
• Otros autores señalan que la presión pico en la inhalación no exceda de 1,2 kPa para ventilaciones hasta 110 l/ min, y se limite a 1,8 kPa para ventilaciones entre 110 a 130 l/min, mientras que con ventilaciones excediendo 130 l /min, no debe sobrepasarse los 2,0 kPa.

Figura 7: Niveles aceptables fisiológicamente de WOB/V_T.

Describo brevemente otras cargas respiratorias relacionadas con el uso del EPR, que a lo largo del artículo se han mencionado, pero no cuantificado.

• En los EPR con presión positiva se ha indicado que el volumen de relajación se desplaza y altos valores pueden afectar al volumen Tidal. Se recomienda que los valores de la presión estática, durante una intervención, sea entre +1 a 1,5 kPa y no sea más negativa que -1kPa.
• Un EPR con la máscara o traquea que se deforma a alto ritmo respiratorio presenta elastancia (concepto opuesto a la conformidad con que actúa la elasticidad del pecho y los pulmones), puesto que la presión cambia el volumen. Un estudio al respecto recomienda valor aceptable 0,7 kPa/l, pero no se acepta el valor de 1,4 kPa /l.
• Un mal diseño en el arnés del EPR puede forzar al usuario cambiar la postura del cuerpo y restringir la respiración, por variación en el comportamiento del pecho y pulmones.
• Un pobre diseño del espacio muerto en la máscara, incrementa el CO₂ en la inhalación, debiendo por consiguiente aumentar el ritmo respiratorio (ventilación por minuto). Igual efecto produce el peso de un EPR con el correspondiente aumento del WOB nominal.

No es evidente como la carga total respiratoria soportada por el usuario del EPR es la adición de la resistencia al paso del flujo de aire (máxima a la mitad de cada fase), a la presión estática (presente en todo el ciclo respiratorio) y la carga elástica (al fin de la inhalación principalmente a grandes volúmenes). Sin embargo, una forma sencilla de sumar las cargas es expresando cada carga en términos de su máximo valor relativo cuando actúa sola (total% = % resistencia al flujo de aire + % presión estática + % carga elástica). Si la suma porcentual es mayor que 100% el usuario se considera sometido a una restricción respiratoria

Como conclusión: el WOB fisiológicamente aceptable debe considerarse por separado para una inspiración y una exhalación. Los WOB máximos aceptables para cada WOB/V_T inspiratorio y espiratorio depende del flujo de aire por minuto.

Bibliografía

• ISO/TS 16976-4: Respiratory protective device – Human Factors – Part 4: Work of breathing and breathing resistance; Physiologically limits.
• Figuras copiadas del estándar.