espirometro
DESCRIPTION
Volumenes y capacidades respiratorios, diseño de un espirómetro, aplicaciones físicas en medicina.TRANSCRIPT
-
Ulises M. Marcelino Villegas Barrios
Mara Teresa Padilla Espinosa
Sofa Villanueva Gaona
Mariana Escobedo Garca
Yahira Yesenia Texas
Divisin de Ciencias e Ingenieras
26 de Mayo de 2015
Proyecto Biofsica: Espirmetro
-
Resumen
Es importante realizar pruebas de
espirometra como medida preventiva y
para diagnostico de padecimientos en los
pulmones. En este proyecto se realiz un
espirmetro, con el fin de obtener los
volmenes y capacidades pulmonares de
varios sujetos utilizando conocimientos
bsicos de fsica. Las mediciones se
realizaron en hombres y mujeres
comparando con parametros ya
establecidos.
Introduccin
En 1681, Giovanni Alfonso Borelli trat
de medir el volumen de aire inspirado en una
respiracin, aspirando una columna de agua
en un tubo cilndrico y midendo el volumen
de aire desplazado por el agua. En su
experimento, Borelli se tap la nariz para
evitar que el aire entrara o saliera de sus
pulmones afectando la precisin de los
resultados. Esta tcnica es muy importante
an en el presente para conseguir los
parmetros de los volmenes pulmonares
correctos. [4]
Sin embargo, el origen prctico proviene
de los trabajos de John Hutchinson en 1844,
diseo del primer espirmetro sino que
tambin fue el primero en utilizar el trmino
de capacidad vital espiratoria y desarroll los
estndares normales .
La ventilacin pulmonar es el mecanismo por
el cual existe un intercambio de aire entre la
atmsfera y los alvolos pulmonares. Los
pulmones se pueden expandir y contraer en
conjunto con msculos que permiten el
aumento o acortamiento de la cavidad
torcica, esto con el fin de que sean posibles
los procesos de entrada y salida de aire.
La espirometra es una prueba bsica de
funcin mecnica respiratoria, es crtica para
el diagnstico y la vigilancia de
enfermedades pulmonares crnicas, como el
Asma y la enfermedad pulmonar obstructiva
crnica (EPOC), problemas de salud pblica
en todo el mundo.
Este sistema sirve para ver el tamao de los
pulmones y el calibre de los bronquios.
Cuando los pulmones son pequeos, por una
enfermedad pulmonar o por nacimiento, se
puede introducir y expulsar poco aire de los
mismos. Unos pulmones grandes pueden
recibir ms aire que unos pequeos lo que se
detecta por la espirometra. Al volumen de
aire (en litros) que se puede sacar de los
pulmones totalmente inflados se le llama
capacidad vital.
-
Marco Terico
Al ir registrando el movimiento de volumen
del aire que entra y sale de los pulmones, es
posible obtener un estudio de la ventilacin
pulmonar, lo que anteriormente denominamos
como espirometra [1].
Volmenes y capacidades pulmonares
Volmenes Estos volmenes son medias genricas para v
arones de 70 kg. En la figura 1 se muestra un
espirograma que indica los cambios del
volumen pulmonar en diferentes condiciones
de respiracin.
1. Volumen de respiracin pulmonar
en reposo: cantidad de aire que
inspiramos (o espiramos) en cada
respiracin en condiciones de
reposo (500 mL de aire).
2. Volumen de reserva inspiratorio:
cantidad mxima de aire que
logramos introducir en nuestros
pulmones despus de realizar una
inspiracin normal (2500 mL de
aire).
3. Volumen de reserva espiratorio:
cantidad mxima de aire que
logramos espirar despus de
finalizar una espiracin normal
(1200 mL de aire).
4. Volumen residual: cantidad de
aire que se queda en los pulmones
despus de finalizar una
espiracin mxima y profunda
(1200 mL de aire) [3].
Capacidades
En la descripcin de los acontecimientos del
ciclo pulmonar a veces es deseable considerar
dos o ms de los volmenes combinados.
Estas combinaciones se denominan
capacidades pulmonares.
1. Capacidad pulmonar total:
cantidad de aire que se encuentra
en nuestros pulmones despus de
realizar una inspiracin mxima y
profunda. La capacidad pulmonar
total es el producto de la
sumatoria de toso los volmenes
pulmonares (5400 mL de aire).
2. Capacidad vital pulmonar:
cantidad mxima de aire que
podemos respirar despus de
realizar una inspiracin mxima y
profunda (4200 mL de aire). Es el
resultado de la sumatoria de todos
los volmenes pulmonares,
exceptuando el volumen residual,
cantidad de aire que nunca
abandonar nuestros pulmones
por muy grande que sea nuestro
esfuerzo espiratorio.
-
2
3. Capacidad inspiratoria:
cantidad mxima de aire que
podemos inspirar despus de
finalizar una espiracin normal en
reposo (3000 mL de aire).
Equivale a la sumatoria del
volumen de ventilacin pulmonar
en reposo y del volumen de
reserva inspiratorio.
4. Capacidad funcional residual:
cantidad de aire que se encuentra
en nuestros pulmones despus de
finalizar una espiracin normal en
reposo (2400 mL de aire). Es la
sumatoria del volumen de reserva
espiratorio y del volumen residual
[3].
Figura 1. Espirograma
Mecanismo del espirmetro
Los espirmetros son los aparatos
utilizados para realizar estas pruebas,
normalmente estn hechos por un tambor
invertido sobre una cmara de agua, con el
tambor equilibrado por un peso. En el tambor
hay un gas respiratorio, habitualmente aire u
oxgeno; un tubo conecta la boca con la
cmara de gas. Cuando se respira hacia el
interior y el exterior de la cmara, el tambor
se eleva y desciende, y se hace un registro
adecuado en una hoja de papel en
movimiento [1].
-
Una ley importante que rige el mecanismo del
espirmetro es la ley de Dalton, la cual se
define de la siguiente manera:
La presin total de una mezcla es igual a
la suma de las presiones parciales de sus
componente [2].
Se puede hacer una definicin de la teora
mediante la aplicacin de matemticas, la
presin de una mezcla de gases puede
expresarse como una suma de presiones
mediante: !"!#$ = !!!!! o igual !"!#$ = ! + ! ++ ! (1)
Donde P1, P2, Pn representan la presin
parcial de cada componente en la mezcla. Se
asume que los gases no tienen reacciones
qumicas entre ellos, el caso ms ideal es
con gases nobles.
Pi = Ptotal (2)
Donde Xi es la fraccin molar del i-simo
componente de la mezcla total de los m
componentes. La relacin matemtica as
obtenida es una forma de poder determinar
analticamente el volumen basado en la
concentracin de cualquier gas
individualmente en la mezcla.
= ! !!,!!!,!!! (3)
Donde la expresin: Ci es la concentracin
del i-simo componente de la mezcla
expresado en unidades de ppm [2].
Consideraciones para la medicin
Los gases son prcticamente insolubles en el
agua, en la figura 2 podemos apreciar la
solubilidad del oxgeno y en la figura 3 la
solubilidad del CO2, est ultima aunque es
mayor que la del oxgeno, resulta ser
despreciable en las pruebas de espirometra.
Adems la suma de las presiones
individuales de los gases en el aire ser igual
la presin atmosfrica (Patm), en el caso de
recipientes cerrados la presin total es menor
a la presin atmosferica, por la ley de Dalton
anteriormente mencionada, entonces la
ecuacin para el experimiento realizado
quedara expresada como:
Ptotal= P1 + P2 + P3 +
Ptotal= Pgas +PH2O ; Ptotal Patm (4)
Figura 2. Solubilidad del oxgeno en agua
-
Figura 3. Solubilidad del ! en agua
Metodologa Materiales
Botella de plstico grande
Un balde
Manguera
Probeta
Procedimiento
Primero realizamos calibracin del
espirmetro, con una probeta marcamos cada
200 ml.
Se llen la botella de agua,
invertimos en el balde tambin con agua.
Se introduce la manguera.
Se realiza soplado por el sujeto.
Se determina el volumen pulmonar.
En las siguientes imgenes se observan el
diagrama de cmo se realiz nuestro
espirmetro.
Figura 5. Metodologa espirmetro
Figura 4. Materiales para el espirmetro
-
Resultados
Los valores referencia promedio se muestran
en la siguiente tabla:
Tabla 1. Vlumenes pulmonares en individuos sanos
Para cada uno de los integrantes del equipo se
realizaron mediciones volumen corriente y de
capacidad vital, los valores obtenido se
enumeran en la siguiente tabla:
NOMBRE VOLUMEN CAPACIDAD
MARCELINO 500 5200
MARA TERESA 400 3200
SOFA 400 3400
MARIANA 400 2800
YAHIRA 400 3200
Tabla 2. Volumenes y capacidades en el equipo
Es evidente que aunque el principio fsico
bajo con el que se realizo el espirometro se
utiliza en cada sujeto, la variacin respecto a
la tabla de parmetros es debida a la talla y
peso de la persona. Segn nuestros datos
obtenidos podemos decir que el volumen
corriente y capacidad vital dependen de la
fisiologa de cada persona. Por ejemplo
nuestra compaera que obtuvo una capacidad
de 2800 es de una complexin delgada y es
de estatura baja; en cambio nuestro
compaero que obtuvo una capacidad de
5200 es muy alto y de complexin robusta.
No se puede utilizar de manera directa el
espirmetro para medir la capacidad residual
funcional, que como mencionamos es la suma
del volumen de reserva espitatoria mas el
volumen residual, porque el aire del volumen
residual de los pulmones no se puede
expulsar hacia el espirmetro, y este volumen
constituye aproximadamente la mitad de la
capacidad residual funcional.
Se toma en cuenta el resultado mayor
obtenido (valor pico) ya que en cualquiera de
los casos se hace el mejor intento en la
expulsion del aire y por esto no se hace una
estsdistica como tal.
Conclusiones
El espirmetro es un claro ejemplo la
fsica y su relacin con el cuerpo humano, si
bien como antes explicamos, este funciona
bajo leyes vistas en cursos anteriores y en el
curso de biofsica, en este abordamos el tema
de las leyes de los gases ideales, ahora
vemos como la parte terica nos permiti
realizar la medicin de volumenes y
capacidades pulmonares.
-
2
En ste instrumento tambin est
involucrada la ley de Dalton ya que la presin
total con la que se desplaza el lquido es igual
a la presin parcial de agua ms la presin
parcial del aire que introducamos al bote.
Con nuestro espirmetro se pueden
apreciar las bases fsicas que rigen a este
instrumento. Hoy en da los espirmetros son
digitales pero las bases fsicas son las
mismas.
Bibliografa
[1] Ventilacin pulmonar, Cap. 37. Tratado
de Fisiologa Mdica, Guyton. Hall. 12va Ed.
[2] Ley de Dalton, Qumica General.
[3]Espirometra:
http://www.nationalasthma.org.au/uploads/co
ntent/211spirometer_handbook_naca.pdf.
ltima Revisin: 2008
[4]http://es.wikipedia.org/wiki/Espirmetro