Lo scambio di gas è misurato attraverso diversi mezzi, tra cui
Capacità di diffusione del monossido di carbonio
Pulsossimetria
Emogasanalisi
Capacità di diffusione del monossido di carbonio
La capacità di diffusione nei polmoni del monossido di carbonio (DLCO) è una misura della capacità dei gas di passare dagli alveoli attraverso l'epitelio alveolare e l'endotelio capillare ai globuli rossi. La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) non dipende solamente dall'area e dallo spessore della barriera sangue-gas ma anche dal volume di sangue nei capillari polmonari. La misurazione viene influenzata anche dalla distribuzione del volume alveolare e dalla ventilazione.
La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) viene misurata campionando il monossido di carbonio (CO) nell'esalato di fine espirazione dopo aver fatto inspirare al paziente una piccola quantità di monossido di carbonio, aver trattenuto il respiro e quindi espirato. La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) misurata deve essere adattata al volume alveolare (stimato con la diluizione dell'elio) e all'ematocrito del paziente. La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) viene riportata in mL/min/mmHg e come percentuale del valore predetto sotto forma di z-score (1).
Patologie che riducono la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO)
Le condizioni che alterano soprattutto il circolo polmonare, come l'ipertensione polmonare primitiva e l'embolia polmonare, provocano una riduzione della capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO). Le condizioni che interessano diffusamente il polmone, come l'enfisema e la fibrosi polmonare, riducono sia la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) sia la ventilazione alveolare (VA). I pazienti sottoposti a resezione polmonare presentano una ridotta capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) a causa del minore volume polmonare totale, ma la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) risulta normale o addirittura superiore alla norma dopo la correzione per la ventilazione alveolare VA a causa dell'aumento della superficie dell'area vascolare nel polmone residuo. I pazienti con anemia hanno valori di capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) bassi, ma che si correggono quando standardizzati per i valori dell'emoglobina.
Condizioni che aumentano la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO)
Le condizioni che fanno sì che la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) sia superiore al predetto comprendono
Eritrocitemia
La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) aumenta nell'insufficienza cardiaca, probabilmente perché l'aumento delle pressioni polmonari venosa e arteriosa determina il reclutamento di ulteriori microvasi polmonari.
Nell'eritrocitemia, la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) è aumentata perché l'ematocrito è aumentato e a causa del reclutamento vascolare che si verifica con l'aumento delle pressioni polmonari a causa dell'aumentata viscosità.
Nell'emorragia alveolare, i globuli rossi nello spazio alveolare possono anche legare il monossido di carbonio, aumentando la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO).
Nell'asma, l'aumento della capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) è attribuito al presunto reclutamento vascolare; tuttavia, alcuni dati suggeriscono che potrebbe essere dovuto anche ai fattori di crescita stimolanti la neovascolarizzazione.
Riferimento per il DLCO
1. Graham BL, Brusasco V, Burgos F, et al. 2017 ERS/ATS standards for single-breath carbon monoxide uptake in the lung [published correction appears in Eur Respir J 2018 Nov 22;52(5):]. Eur Respir J 2017;49(1):1600016. doi:10.1183/13993003.00016-2016
Pulsossimetria
La pulsossimetria transcutanea stima la saturazione in ossigeno (SpO2) del sangue capillare tramite l'assorbimento della luce emessa, da diodi foto-emittenti posizionati su clip da dito o sonde adesive. Le valutazioni sono generalmente molto accurate e lo scarto con la reale saturazione arteriosa in ossigeno (SaO2) è < 5%. I risultati possono essere meno accurati nei pazienti con
Pelle altamente pigmentata
Aritmie
Ipotensione
Vasocostrizione sistemica profonda
I risultati della pulsossimetria sono anche meno accurati nei pazienti che hanno smalto per unghie.
La pulsossimetria è in grado di rilevare solo l'ossiemoglobina o l'emoglobina ridotta, ma non altri tipi di emoglobina; tuttavia, è imprecisa quando i livelli ematici di carbossiemoglobina sono aumentati, come avviene nell'intossicazione da monossido di carbonio e nella metaemoglobinemia.
Emogasanalisi
L'emogasanalisi viene eseguita per ottenere misurazioni precise della pressione parziale dell'ossigeno arterioso (PaO2), della pressione parziale di diossido di carbonio arteriosa (PaCO2) e del pH arterioso; queste variabili standardizzate con la temperatura del paziente permettono di calcolare il livello di bicarbonato (che può anche essere misurato direttamente nel sangue venoso) e la saturazione di ossigeno. L'emogasanalisi è anche in grado di misurare accuratamente la carbossiemoglobina e la metaemoglobina.
Solitamente viene utilizzata l'arteria radiale. Poiché la puntura arteriosa porta in rari casi a una perfusione alterata del tessuto distale ed alla trombosi, può essere effettuato il test di Allen per valutare l'adeguatezza del circolo collaterale. Con tale manovra, si occludono contemporaneamente le arterie radiali e ulnari fino a che la mano del paziente non diventa pallida. Si rilascia quindi la compressione dell'arteria ulnare mentre viene mantenuta la pressione su quella radiale. Se l'intera mano ritorna al colore di base entro 7 secondi dal rilascio del polso ulnare, questo suggerisce un flusso adeguato nell'arteria ulnare.
In condizioni sterili, un ago da 22-25 connesso a una siringa trattata con eparina viene inserito appena prossimalmente al massimo impulso del polso dell'arteria radiale e avanzato distalmente nell'arteria con cautela fino alla comparsa di sangue pulsatile. La pressione arteriosa sistolica di solito è sufficiente per spingere all'indietro lo stantuffo della siringa. Dopo aver raccolto 3-5 mL di sangue, l'ago viene prontamente rimosso e viene applicata una decisa pressione sulla sede di puntura per facilitare l'emostasi. Contemporaneamente, il campione per l'emogasanalisi viene posto in ghiaccio al fine di ridurre il consumo di ossigeno e la produzione di diossido di carbonio da parte dei globuli bianchi e viene inviato al laboratorio.
Ipossiemia
Si definisce ipossiemia la riduzione della pressione parziale dell'ossigeno (PO2) nel sangue arterioso.
L'ipossia è una diminuzione della PO2 nel tessuto.
L'emogasanalisi valuta accuratamente la presenza dell'ipossiemia, definita come una PaO2 sufficientemente bassa da determinare una SaO2 < 90% (ossia, PaO2 < 60 mmHg). Nonostante una PaO2 adeguata, le anomalie dell'emoglobina (p. es., metaemoglobina), le elevate temperature, i valori bassi del pH e gli elevati livelli di 2,3-difosfoglicerato riducono la SaO2 dell'emoglobina, come indicato dalla curva di dissociazione dell'ossiemoglobina (vedi figura Curva di dissociazione dell'ossiemoglobina).
Curva di dissociazione dell'ossiemoglobina
La saturazione arteriosa di ossiemoglobina è messa in relazione con la PO2. PO2 al 50% di saturazione (P50) è normalmente 27 mmHg. La curva di dissociazione è spostata verso destra dall'aumento della concentrazione di idrogenioni (H+), dall'aumento del contenuto di 2,3-difosfoglicerato nei globuli rossi, dall'aumento della temperatura e dall'aumento della PCO2. Ridotti livelli di H+, difosfoglicerato, temperatura e PCO2 spostano la curva a sinistra. L'emoglobina caratterizzata da uno spostamento a destra della curva ha una ridotta affinità per l'ossigeno e quella caratterizzata da uno spostamento a sinistra ha un'aumentata affinità per l'ossigeno. |
Le cause di ipossiemia possono essere classificate a seconda che il gradiente alveolo-arterioso di PO2 [(A-a)DO2], definito come la differenza tra la tensione alveolare in ossigeno (PAO2) e la PaO2, sia elevato o normale (vedi tabella Equazioni per il calcolo della pressione dell'ossigeno alveolare e del gradiente dell'ossigeno alveolare-arterioso).
Per i pazienti a livello del mare e in aria ambiente, FiO2 = 0,21, e la (A-a)DO2 può essere semplificata.
Tenuto conto di questi effetti risulta corretto stimare un valore normale di (A-a)DO2 se < (2,5 + [FiO2 × età in anni]) o come inferiore al valore assoluto della FiO2 (p. es., < 21 respirando in aria ambiente; < 30 con 30% di FiO2).
Equazioni per il calcolo della pressione dell'ossigeno alveolare e del gradiente dell'ossigeno alveolare-arterioso
Calcolo della PAO2 FiO2 è la frazione di ossigeno inspirata (p. es., 0,21 in aria ambiente), Patm è la pressione ambientale (p. es., 760 mmHg a livello del mare), PH2O è la pressione parziale del vapore acqueo (p. es., generalmente 47 mmHg), PaCO2 è la pressione parziale arteriosa misurata di diossido di carbonio, e R è il quoziente respiratorio, che si presume essere di 0,8 in un paziente a riposo con un'alimentazione normo-metabolica. |
Semplificazione del gradiente alveolare-arteriale PO2 (A-a)DO2 (A-a)DO2 è il gradiente di PO2 alveolo-arterioso. (A-a)DO2 è tipicamente < 20, ma aumenta con l'età (a causa del declino della funzionalità polmonare relativo all'età) e con l'aumento della FiO2 (perché, nonostante Hb diventi satura al 100% a un PaO2 di circa 150 mmHg, l'ossigeno è solubile nel sangue, e il contenuto di ossigeno del plasma continua ad aumentare quando la FiO2 aumenta). |
Ipossiemia con (A-a)DO2 aumentata
L'ipossiemia con (A-a)DO2 aumentata è provocata da
Basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) (un tipo di squilibrio V/Q)
Shunt destro-sinistro
Grave compromissione della capacità di diffusione
Un basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) è una delle cause di ipossiemia più frequenti e contribuisce all'ipossiemia che accompagna l'asma e la broncopneumopatia cronica ostruttiva. Nei polmoni normali, la perfusione regionale corrisponde alla ventilazione regionale perché la vasocostrizione arteriolare si verifica in risposta all'ipossia alveolare. In corso di malattia, le alterazioni portano a far sì che siano perfuse unità alveolari ventilate meno del normale (alterazione del rapporto scintigrafia di ventilazione/perfusione [V/Q]). Per tali motivi, il sangue venoso sistemico passa attraverso i capillari polmonari senza raggiungere i normali livelli di PaO2. Il disallineamento V/Q può anche verificarsi quando vi è un aumento del flusso sanguigno anche quando la ventilazione è normale, come nella malattia del fegato. L'ossigeno supplementare è in grado di correggere l'ipossiemia dovuta all'abbassamento del rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) aumentando la PAO2, sebbene persista l'incremento della (A-a)DO2.
Lo shunt destro-sinistro è un caso estremo di basso rapporto della scintigrafia di ventilazione/perfusione (V/Q). Con lo shunt, il sangue non ossigenato proveniente dalle arterie polmonari raggiunge il cuore sinistro senza passare attraverso segmenti di polmone ventilato. Lo shunt si può verificare attraverso il parenchima polmonare, attraverso anomali connessioni tra circolazione polmonare arteriosa e venosa o attraverso una comunicazione intracardiaca (p. es., pervietà del forame ovale). Tutte le forme di ipossiemia non rispondono al trattamento con ossigeno supplementare, tranne lo shunt destro-sinistro.
Una capacità di diffusione alterata raramente è un dato isolato; solitamente si accompagna a un basso rapporto della scintigrafia di ventilazione/perfusione (V/Q). Poiché occorre un certo tempo di contatto tra il sangue e i gas alveolari affinché l'ossigeno saturi completamente l'emoglobina, l'ipossiemia secondaria a ridotta capacità di diffusione avviene solo quando la gittata cardiaca aumenta (p. es., durante l'esercizio fisico), quando la pressione barometrica è bassa (p. es., a elevate altitudini) o quando > 50% del parenchima polmonare risulta distrutto. Analogamente a un basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) la (A-a)DO2 è aumentata, ma è possibile aumentare rapidamente la PaO2 attraverso l'aumento della FiO2. L'ipossiemia causata dalla ridotta capacità di diffusione risponde all'ossigeno supplementare.
Ipossiemia con (A-a)DO2 normale
Ipossiemia con (A-a)DO2 normale è provocata da
Ipoventilazione
Bassa pressione parziale di ossigeno inspirato (PIO2)
L'ipoventilazione (ridotta ventilazione alveolare) diminuisce la PAO2 e aumenta la PaCO2, diminuendo quindi la PaO2. In casi di ipoventilazione pura, la (A-a)DO2 è normale. Le cause di ipoventilazione comprendono la riduzione della frequenza o dell'ampiezza del respiro (p. es., dovute alle malattie neuromuscolari, all'obesità grave, all'overdose di farmaci o alla compensazione per alcalosi metabolica) o un aumento dello spazio morto in soggetti già prossimi al loro limite di ventilazione massimale (p. es., esacerbazione di una broncopneumopatia cronica ostruttiva grave). L'ipossiemia da ipoventilazione risponde all'ossigeno supplementare.
Una ridotta PIO2 è una rara causa di ipossia che nella maggior parte dei casi si verifica solo ad alte quote. Sebbene la FiO2 non cambi con l'altitudine, la pressione atmosferica diminuisce esponenzialmente; così come la PIO2. Per esempio, la PIO2 è di soli 43 mmHg in cima al monte Everest (altitudine 8848 m). La (A-a)DO2 rimane normale. La stimolazione ipossica del drive respiratorio aumenta la ventilazione alveolare e diminuisce il livello di PaCO2. Questo tipo di ipossiemia risponde all'ossigeno supplementare.
Ipercapnia e ipocapnia
La pressione parziale di CO2 (PCO2) viene normalmente mantenuta tra 35 e 45 mmHg. Una curva di dissociazione simile a quella per l'ossigeno esiste anche per il diossido di carbonio ma a valori di PaCO2 fisiologici è quasi lineare. La PCO2 anomala è quasi sempre legata a disturbi della ventilazione (a meno che non si verifichi come compensazione a un'anomalia metabolica) e si accompagna sempre ad alterazione dell'equilibrio acido-base.
Ipercapnia
L'ipercapnia è definita da una PCO2 > 45 mmHg. Le cause di ipercapnia sono le stesse dell'ipoventilazione (p. es., disturbi che riducono la frequenza respiratoria o la profondità o aumentano la frazione di spazio morto di ventilazione nei pazienti già al limite massimo di ventilazione). Disturbi che aumentano la produzione di diossido di carbonio (p. es., ipertiroidismo, febbre) quando combinati con l'incapacità di aumentare la ventilazione possono anche causare ipercapnia.
Ipocapnia
L'ipocapnia è definita da una PCO2 < 35 mmHg. L'ipocapnia è sempre causata da un'iperventilazione dovuta a condizioni correlate a
Polmoni (p. es., edema polmonare, embolia polmonare)
Cuore (p. es., insufficienza cardiaca)
Metabolismo (p. es., acidosi)
Farmaci (p. es., aspirina, progesterone)
Sistema nervoso centrale (p. es., infezione, tumore, sanguinamento, aumento della pressione endocranica)
Condizioni fisiologiche (p. es., dolore, gravidanza)
Si ritiene che l'ipocapnia aumenti direttamente la broncocostrizione e riduca la soglia ischemica del cuore e dell'encefalo, forse attraverso il suo effetto sull'equilibrio acido-base.
Carbossiemoglobinemia
Il monossido di carbonio si lega all'emoglobina con un'affinità 210 volte maggiore rispetto all'ossigeno, impedendo il trasporto dell'ossigeno. I livelli di carbossiemoglobina clinicamente tossici sono il più delle volte provocati dall'inalazione di fumo o dall'esposizione a gas di scarico, sebbene i fumatori presentino valori di carbossiemoglobina rilevabili.
I pazienti con avvelenamento da CO si possono presentare con sintomi atipici come malessere generale, cefalea e nausea. Dato che l'avvelenamento si verifica spesso durante i mesi più freddi (a causa dell'uso domestico di stufe a combustibile), i sintomi possono essere confusi con quelli di sindromi virali come l'influenza. I medici devono valutare la possibilità dell'avvelenamento da CO e misurare i livelli di carbossiemoglobina qualora sia indicato. La carbossiemoglobina può essere misurata direttamente dal sangue venoso: un campione arterioso non è necessario. La saturazione di ossigeno determinata dalla pulsossimetria sarà normale o elevata (perché la pulsossimetria standard non è in grado di distinguere l'ossiemoglobina dalla carbossiemoglobina) e non può essere utilizzata per lo screening dell'avvelenamento da monossido di carbonio. La carbossiemoglobina può essere misurata mediante co-ossimetria.
Il trattamento consiste nella somministrazione di ossigeno al 100% (che accorcia l'emivita della carbossiemoglobina) e a volte nell'utilizzo di una camera iperbarica.
Consigli ed errori da evitare
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Metaemoglobinemia
La metaemoglobina è l'emoglobina nella quale l'atomo di ferro è ossidato dal suo stato ferroso (Fe2+) al suo stato ferrico (Fe3+). La metaemoglobina non trasporta ossigeno e sposta a sinistra la normale curva di dissociazione dell'ossiemoglobina (vedi figura Curva di dissociazione dell'ossiemoglobina), riducendo quindi il rilascio di ossigeno ai tessuti.
La metaemoglobinemia è causata da alcuni farmaci (p. es., dapsone, anestetici locali, nitrati, primachina, sulfamidici) o, più raramente, da alcune sostanze chimiche (p. es., coloranti dell'anilina, derivati del benzene).
Il livello di metaemoglobina può essere misurato direttamente mediante la co-ossimetria (che emettendo luce a 4 lunghezze d'onda ed è in grado di rilevare la metaemoglobina, la carbossiemoglobina [COHb]), l'emoglobina (Hb) e l'ossiemoglobina (HbO2). La saturazione di ossigeno misurata con la pulsossimetria sarà imprecisa in presenza di metaemoglobinemia.
I pazienti affetti da metemoglobinemia il più delle volte hanno una cianosi senza altri sintomi. Nei casi gravi, l'apporto di ossigeno è ridotto a un livello tale da causare i sintomi dell'ipossia tissutale, come la confusione, l'angor e i dolori muscolari.
Spesso è sufficiente interrompere il farmaco o l'esposizione chimica causale. Raramente è necessario infondere blu di metilene (una sostanza riducente; soluzione all'1%, 1-2 mg/kg somministrata lentamente per EV) o exsanguinotrasfusione.
