Modelo mecánico del pulmón, ventilación pulmonar, sello de agua y su uso en neumotórax e hidrotórax

1. Fisiología base del sistema respiratorio

1.1 Organización anatómica de las vías aéreas

• El Sistema respiratorio = vías aéreas + pulmones. Por las vías aéreas el aire va a los pulmones; en los pulmones ocurre el intercambio de gases o hematosis.
• Vía aérea superior: nariz y boca → faringe → laringe → cuerdas vocales.
• Vía aérea inferior: tráquea y bronquios y sus ramificaciones (bronquiolos).
• La tráquea va de la laringe a los bronquios principales; éstos penetran en cada pulmón y se dividen en ramas cada vez más pequeñas (bronquiolos) que terminan en sacos llamados alvéolos, sitio del intercambio gaseoso.

1.2 Etapas de la respiración

1.3 Ventilación pulmonar: presiones y gradientes

• Ventilación pulmonar = intercambio de aire entre atmósfera y alvéolos, gracias a gradientes de presión entre alvéolos y atmósfera durante inspiración y espiración.
• Los pulmones tienen tendencia al colapso, determinada por:
  • Propiedades elásticas del tejido pulmonar (retroceso elástico).
  • Tensión superficial de los líquidos que recubren los alvéolos.
• Entre la pleura parietal (adherida a la pared torácica) y la pleura visceral/pulmonar existe un espacio virtual: el espacio intrapleural. Allí hay una presión negativa respecto a la atmosférica que distiende los pulmones y evita su colapso: la Presión intrapleural.
• En los alvéolos existe la presión intraalveolar (intrapulmonar), que antes de la inspiración y antes de la espiración es igual a la presión atmosférica (0 mmHg, en condiciones basales sin flujo).

Mecánica de la inspiración

• La contracción de los músculos inspiratorios distiende la cavidad torácica (aumenta su volumen). Las presiones intrapleural e intrapulmonar disminuyen simultáneamente; la intrapulmonar se hace negativa respecto a la atmosférica → gradiente que permite que el aire entre.

Mecánica de la espiración

• Al relajarse los inspiratorios, el volumen pulmonar tiende a disminuir por las propiedades viscoelásticas del tejido pulmonar y la tensión superficial alveolar → aumento momentáneo de la presión intrapulmonar respecto a la atmosférica → se invierte el gradiente y el aire sale. En reposo, la espiración es pasiva.

Ley de Boyle aplicada a la ventilación

• Los gases (fluido) se transportan pasivamente de mayor a menor presión. P ∝ 1/V: a menor volumen del recipiente, mayor presión, y viceversa.

1.4 Formación de las pleuras y analogía didáctica

• Modelo didáctico: el puño (pulmón) que se introduce en un globo lleno de aire o agua (saco pleural). Al presionar, el globo se adapta al puño, quedando "envuelto" por un espacio virtual.
• Dos hojas serosas del saco pleural: Pleura visceral (adherida al pulmón) y Pleura parietal (en contacto con la pared torácica).
• Entre ambas hay una delgada capa de líquido pleural → durante inspiración y espiración no hay fricción (rozamiento), solo deslizamiento.

1.5 Surfactante pulmonar

• Los alvéolos están recubiertos por una delgada capa de agua; sus moléculas tienden a unirse, generando tensión superficial (favorece el colapso alveolar — Ley de Laplace).
• Las células alveolares tipo II (neumocitos tipo II) secretan el factor surfactante, que rompe la tensión molecular del agua y permite que los alvéolos se distiendan con mayor facilidad durante la inspiración.
• Composición: Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) — componente principal; fosfatidilcolina y fosfatidilinositol (otros fosfolípidos); lípidos neutros; proteínas (proteínas del surfactante A, B, C, D); carbohidratos.

1.6 Volúmenes y capacidades pulmonares

• El estudio que determina estos parámetros = Espirometría. Fundamento del espirómetro de agua: campana flotante (floating drum), cámara de oxígeno, agua, contrapeso (counterbalancing weight), boquilla y tambor de registro.

Volúmenes

Capacidades (suma de dos o más volúmenes)

Espacio muerto = volumen de aire que no llega a las zonas respiratorias donde ocurre el intercambio gaseoso.

• Anatómico: aire que permanece en las vías aéreas de conducción (no respiratorias). ≈ 150 mL.
• Fisiológico: el anatómico más el aire que llega a alvéolos no perfundidos (no funcionales para el intercambio).

1.7 Regulación de la respiración

• Control voluntario: vía piramidal (hablar, contener la respiración).
• Control involuntario (automático): neuronas respiratorias (grupos "RRN") en el centro respiratorio, situado en el núcleo del tracto solitario (bulbo raquídeo), formando el complejo pre-Bötzinger. Aferencias principales: nervios craneales IX (glosofaríngeo) y X (vago).

Grupos neuronales del centro respiratorio

Quimiorreceptores respiratorios

Reflejo de Hering-Breuer: el pulmón tiene receptores de distensión que se comunican por el nervio vago con el centro respiratorio. Cuando la distensión es excesiva (insuflación exagerada) se activa el reflejo, que envía una señal para acortar la rampa inspiratoria y terminar la inspiración. Función protectora: previene la sobredistensión pulmonar y el daño estructural.

2. El modelo mecánico del pulmón

Estructuras que representan las partes más importantes del sistema respiratorio responsables de la ventilación. Cada componente tiene un correlato anatómico-funcional real.

2.1 Correspondencia estructura–función

Fig. 1 (del manual): frasco de vidrio (tórax), diafragma (membrana elástica), pulmón (globo/condón), tubos en ├ para nariz, vía intrapulmonar y vía intrapleural, conectados a llaves de 3 vías y a transductores de presión del MP150.

2.2 Sistema de tres botellas (sello de agua)

Tres botellas de vidrio transparente de 1 litro: dos con 500 mL de agua coloreada de azul (colorante vegetal); la tercera vacía. Cada botella con tapón de dos orificios, interconectadas con mangueras de venoclisis:

1. Botella 1 (vacía): por un orificio se conecta un tubo del extremo largo del tubo ├ del espacio intrapleural hasta el fondo de la botella 1.
2. Por el otro orificio de la botella 1: tubo que conecta el espacio aéreo de la botella 1 con el fondo de la botella 2 (llena con agua coloreada).
3. Otro tubo conecta el espacio aéreo de la botella 2 con el fondo de la botella 3 (también con agua), pasando por un orificio del tapón 2 y uno del tapón 3.
4. El orificio restante del tapón 3 queda abierto a la atmósfera.

Fig. 2 (del manual): la botella 1 recolecta el líquido/aire del espacio intrapleural; la botella 2 es el sello de agua propiamente dicho (impide el retorno de aire hacia el paciente/modelo); la botella 3 regula la presión negativa transmitida y queda comunicada con la atmósfera.

2.3 Objetivos de la práctica

1. Armar el modelo mecánico del pulmón.
2. Correlacionar estructura y funcionamiento de las partes del sistema respiratorio con las del modelo.
3. Con el MP150 y AcqKnowledge: registrar, medir y correlacionar los cambios de presión intrapulmonar e intrapleural durante inspiración y espiración de un ciclo respiratorio.
4. Observar cómo afecta a la ventilación un aumento en la resistencia de las vías respiratorias.
5. Medir la presión máxima que puede alcanzar un sujeto normal en inspiración y espiración forzada.
6. Conocer el principio del sello de agua y su utilización en neumotórax y hemotórax.

2.4 Material y equipo

• Modelo mecánico: frasco de vidrio abierto por la base; membrana de hule (globo) = diafragma; condón = pulmón; dos tubos en "├"; ligas y cinta canela; tapón de hule con dos orificios; cuatro llaves de 3 vías; dos pinzas hemostáticas fuertes; mangueras de látex; tubos de venoclisis; soporte universal; pinza de nuez.
• Registro de presiones: dos canales del MP150 + AcqKnowledge 4.1; unidad de adquisición MP150; Módulo de Interfase Universal; dos amplificadores DA100C; dos transductores de presión TSD104A; cuatro boquillas (jeringas limpias de 10 mL).
• Sello de agua: tres botellas de 1 L (dos con 500 mL de agua azul); tres tapones con dos orificios; mangueras de venoclisis.

3. Procedimiento y maniobras experimentales

3.1 Calibración y preparación del sistema de registro

1. Calibrar 2 canales del MP150 con los transductores de presión (según la práctica "Ciclo Cardiaco en el Perro"). Canal 1 = presión intrapulmonar; Canal 2 = presión intrapleural.
2. Conectar la manguera lateral del primer tubo ├ (pulmón–atmósfera) al transductor del Canal 1. El extremo hacia la atmósfera = nariz, con tubo de látex de ~5 cm cerrado con pinza fuerte.
3. Conectar la manguera lateral del segundo tubo ├ (espacio pleural) al transductor del Canal 2. Cerrar con pinza fuerte la manguera del extremo externo de este tubo.
4. Con ambas mangueras abiertas a la atmósfera, calibrar de modo que la presión atmosférica = 0. Aislar los transductores cerrando la llave B de cada uno, y aislar la cavidad pleural cerrando la manguera. Velocidad de registro: 10 segundos/división. Verificar que la "nariz" permanezca abierta a la atmósfera.
5. Con la manguera intrapleural abierta, aspirar el aire de la cavidad para crear vacío que distienda el globo (pulmón) mientras el diafragma se abomba hacia dentro. Aspirar hasta que el globo llene una cuarta parte del frasco, cerrar la pinza para separar el espacio intrapleural de la atmósfera y cuantificar la presión negativa intrapleural. En estas condiciones (nariz abierta + presión negativa intrapleural) el sistema está en reposo.

3.2 Maniobra 1 — Ciclo respiratorio normal

• Lentamente jalar el diafragma hacia afuera (inspiración activa) y soltarlo para que regrese solo (espiración pasiva). Repetir hasta ~10 ciclos. Observar cambios de volumen del globo y los ruidos respiratorios.
• Detener el registro; con AcqKnowledge identificar y medir las presiones intrapulmonar e intrapleural al inicio y al final de la inspiración y de la espiración de un ciclo (hoja de resultados 6.1).

3.3 Maniobra 2 — Ciclo respiratorio forzado

• Reiniciar el registro con los mismos parámetros; jalar (inspiración) y empujar (espiración) el diafragma en ambos sentidos, un poco más rápido. Notar el mayor esfuerzo físico y los mayores cambios de presión en ambos espacios.
• Detener y medir los cambios máximo y mínimo de presión intrapulmonar e intrapleural al aumentar la frecuencia respiratoria.

3.4 Maniobra 3 — Efecto de incrementar la resistencia de las vías aéreas

• Simulando ciclos normales, con una pinza hemostática cerrar gradualmente la manguera de la nariz (la que une pulmón/globo con atmósfera). Simula enfermedades obstructivas: obstrucción parcial de la nariz en el resfriado común o EPOC.
• Detener y medir los cambios máximos en las presiones intrapulmonar e intrapleural.

Fundamento físico: Resistencia de la vía aérea

• Es la resistencia que imparten las estructuras de la vía aérea al flujo de aire (análogo a pasar por una puerta parcialmente bloqueada). Flujo descrito aproximadamente por la fórmula del fisiólogo francés Jean Léonard Marie Poiseuille:

Factores que modifican la resistencia (tal como los presenta la guía)

• En la maniobra, al pinzar gradualmente la "nariz" se reduce el diámetro → ↑ resistencia. El sujeto (u operador) requiere mayor esfuerzo sobre el diafragma para movilizar la misma cantidad de aire (o menos). En el registro: presiones intrapleural e intrapulmonar más negativas/más amplias a pesar del mayor esfuerzo, por la obstrucción al flujo.

3.5 Maniobra 4 — Presiones respiratorias máximas en el humano (PImax y PEmax)

• Evalúan la fuerza de los músculos respiratorios: el sujeto genera la máxima presión inspiratoria (desde el volumen residual) y espiratoria (desde la capacidad pulmonar total) contra un sistema ocluido.
  • PImax: evalúa principalmente la fuerza diafragmática.
  • PEmax: evalúa principalmente intercostales y abdominales.
• Las presiones respiratorias máximas (PRM) son útiles para el diagnóstico y seguimiento de enfermedades neuromusculares u otras que afectan los músculos respiratorios.

Procedimiento

1. Desconectar los transductores por el lado que conecta con el tubo en T.
2. Elegir un transductor y calibrar el registro a 50 mmHg/división.
3. Conectar una jeringa de 10 mL sin émbolo al extremo libre del tubo que conecta con el transductor.
4. Registrar a 10 seg/división.
5. PEmax: explicar al sujeto la maniobra; glotis abierta durante toda la maniobra; pinza nasal; extremo ancho de la jeringa en la boca; que inspire la mayor cantidad de aire posible seguido de una espiración forzada máxima, sin fugas por los labios y sin usar los músculos de las mejillas. Detener y medir la presión espiratoria máxima.
6. PImax: después de una espiración forzada, colocar la jeringa en la boca y realizar una inspiración forzada máxima (mismas condiciones). Detener y medir.
7. Trasladar a la hoja de resultados y comparar con los valores de referencia del libro de texto.

4. Neumotórax, hidrotórax, hemotórax y sello de agua

4.1 Definiciones

La entrada de aire o líquido provoca un mayor o menor colapso pulmonar, con repercusión en la mecánica respiratoria e incluso en la situación hemodinámica del paciente.

4.2 Etiología del neumotórax

• Ingreso de aire desde el exterior por herida penetrante del tórax.
• Rotura del árbol traqueobronquial.
• Rotura de vísceras que contienen aire (esófago, estómago).
• Iatrogénica: pacientes con ventilación mecánica con barotrauma, punciones pleurales, colocación de accesos vasculares centrales.
• Raramente, acumulación de gas producido por microorganismos productores de gas.

4.3 Etiología del hemotórax

• Hematocrito en el líquido pleural ≥ 5% ya da apariencia hemática; el diagnóstico de hemotórax se establece cuando el hematocrito pleural es ≥ 50% del hematocrito de la sangre periférica (también debe medirse el hematocrito sanguíneo).

4.4 Diagnóstico

• Definitivo del hemotórax: cuantificación del hematocrito en el líquido pleural.
• Auxiliares de imagen: radiografía de tórax, TAC, ultrasonido (ecografía torácica).
• Muestra de líquido pleural: toracocentesis (inserción de aguja/catéter para aspirar líquido pleural).

4.5 Mecanismos protectores normales contra el colapso pulmonar

• Dos pleuras (visceral y parietal) con una cavidad virtual que contiene una pequeña cantidad de líquido pleural (se produce y reabsorbe continuamente), que facilita el deslizamiento y contribuye a la adherencia del pulmón a la caja torácica.
• El otro fenómeno protector: la presión negativa de la cavidad pleural.

4.6 Fundamento histórico del sello de agua

• Primera descripción escrita del drenaje torácico: textos hipocráticos, siglo V a.C.; el empiema fue la primera patología quirúrgica no urgente del tórax tratada con drenaje abierto. Hasta finales del siglo XIX la cirugía torácica era muy limitada: abrir el tórax producía colapso pulmonar.
• Principios del siglo XX: cámaras de baja presión ("bunker de Sauerbruch"): el paciente sacaba la cabeza por un orificio, aislado de la presión negativa con rodetes de goma; el anestesista (cloroformo inhalado por mascarilla, sin intubación) permanecía en la cabecera.
• Sello de agua: descrito por primera vez por Playfair en 1875; un año después Bulau divulgó su uso para el empiema, sustituyendo el drenaje abierto → frasco de Bülau. Sistema unidireccional: permite la salida de aire/líquido y facilita la reexpansión progresiva del pulmón. 1910: Robinson propuso añadir una bomba de succión.

4.7 Principios fisiológicos del drenaje pleural

• Dentro del tórax existe normalmente presión inferior a la atmosférica (intrapleural negativa).
• Solo durante una inspiración forzada muy intensa puede alcanzarse presión intrapleural positiva.
• Si se abre el tórax a la presión atmosférica, los pulmones disminuyen su volumen casi a la mitad.
• Por eso un drenaje torácico debe conectarse a una válvula que mantenga la presión intrapleural negativa (o al menos impida que se vuelva excesivamente positiva de forma sostenida).

4.8 Frasco de Bülau (válvula de una botella)

Botella con tapón perforado por dos varillas:

• Varilla larga: sumergida en agua ≈ 2 cm; el otro extremo se conecta al drenaje del paciente/modelo.
• Varilla corta: abierta a la atmósfera, sin tocar el agua = toma de aire.
• La oscilación del nivel del líquido en la varilla larga (sello de agua) durante la respiración sirve para evaluar el correcto funcionamiento del drenaje. El frasco debe permanecer por debajo del nivel del tórax (para que el líquido no se vacíe hacia el paciente por gravedad).

• La varilla debe permanecer cubierta por ~2 cm de agua. En derrame pleural abundante, interponer una segunda botella para que el nivel del sello no varíe con el líquido drenado (esta tiene dos varillas cortas: una al paciente y otra como toma de aire).
• Para acelerar la evacuación, la varilla corta del frasco de Bülau puede conectarse a una fuente externa de aspiración regulada (vacío de pared).

4.9 Sistema de tres botellas (el del laboratorio)

• Algunos sistemas incluyen una válvula unidireccional adicional (impide el retorno de fluidos incluso si el sistema se eleva por encima del paciente) y un medidor de flujo aéreo ("medidor de fugas").

4.10 Sistemas comerciales ("sistema seco")

• Sustituyen la cámara de aspiración acuática (3ª botella) por un regulador giratorio de aspiración en seco (menos ruido del burbujeo). Se fija habitualmente en −20 cm de agua, ajustable típicamente de −10 a −40 cm de agua. Conservan los tres compartimentos:
  • Cámara recolectora (= 1ª botella): mide cantidad y características del líquido drenado.
  • Cámara de sello de agua (= 2ª botella): válvula anti-retorno; permite salida de aire pero impide su entrada.
  • Cámara reguladora de aspiración en seco (= 3ª botella): fuelle o regulador giratorio con ventana indicadora de si hay aspiración activa.

4.11 Indicaciones del drenaje pleural (sello de agua)

• Evacuar un depósito de fluidos del tórax secundario a: traumatismo torácico, patología pulmonar de base, patología pleural, y prevención de acumulación de fluidos tras cirugía torácica (toracotomía, esternotomía).
• Se emplea para drenar: neumotórax (aire), derrame pleural (líquido no hemático), hemotórax (sangre), quilotórax (linfa/grasa) o combinaciones (hemoneumotórax).
• Algoritmo clínico de colocación: confirmar la indicación → evaluar riesgos (p. ej. bulas) → consentimiento informado → premedicación → posicionamiento y localización del sitio → asepsia y antisepsia → anestesia local → inserción del tubo → cuidados continuos del sistema.

5. Maniobra 5 — Neumotórax e hidro/hemotórax en el modelo

5.1 Neumotórax

1. Colocar las botellas del sello de agua en el piso.
2. Registrar con el modelo en reposo: presiones intrapulmonar e intrapleural basales.
3. Inducción del neumotórax: con el registro corriendo, abrir la manguera que conecta el espacio intrapleural con la atmósfera. Observar el colapso pulmonar en el frasco y, en pantalla, la disminución de la presión negativa intrapleural hasta igualarse con la atmosférica.
4. Función del sello de agua: conectar la manguera del tubo en T de la presión intrapleural con la botella vacía (botella 1). Verificar conexiones herméticas. Botellas en el piso con diferencia de altura de al menos 1 metro entre el modelo (sobre la mesa) y el sello (en el piso).
5. Con registro a 10 seg/división, iniciar movimientos respiratorios (empujar y sacar el diafragma). Observar cambios de presión y el burbujeo en las botellas durante la espiración; la columna de agua en la manguera tiende a regresar durante la inspiración.
6. Observar cómo, al disminuir la presión intrapleural, el globo (pulmón) se distiende paulatinamente con cada ciclo. Continuar hasta que el pulmón se distienda por completo y la presión de reposo intrapleural sea igual a la previa al neumotórax.

5.2 Hemotórax (simulado como hidrotórax hemático)

1. Retirar con cuidado el tapón del frasco; observar la manguera del tubo intrapleural (drena el líquido del fondo). Verter ~300 mL de agua teñida de rojo (simula sangre). Recolocar el tapón. Observar el pulmón colapsado.
2. Registrar y medir presiones iniciales: ambas cercanas o iguales a cero.
3. Asegurar que el sello de agua esté herméticamente cerrado.
4. A 10 seg/división, movimientos respiratorios: con cada espiración se drena un poco de líquido a la botella vacía y las botellas burbujean; en cada respiración se drena un poco de "sangre" atrapada en el sello; la presión intrapleural se hace progresivamente más negativa y el pulmón se distiende.
5. Continuar hasta eliminar el líquido por completo y que las presiones regresen a reposo.

6. Hoja de resultados

6.1 Presiones durante el ciclo respiratorio normal

• ¿En qué momento se alcanzaron los cambios máximos de presión? a) al inicio ( ) b) a la mitad ( ) c) al final ( )

6.2 Ciclo respiratorio forzado

• Explicar las causas de las diferencias en las presiones al aumentar la frecuencia respiratoria. → ver #3.3 Maniobra 2 — Ciclo respiratorio forzado.

6.3 Efecto de incrementar la resistencia de las vías aéreas

• ¿Qué pasó con el esfuerzo físico requerido para respirar? → ver #3.4 Maniobra 3 — Efecto de incrementar la resistencia de las vías aéreas.

6.4 Presión inspiratoria y espiratoria máximas en el humano

6.5 Neumotórax

• Explicar las causas del colapso pulmonar durante la inducción del neumotórax.

6.6 Hemotórax

7. Cuestionario (con respuestas)

Notas Relacionadas

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• Práctica 1 - BIOPAC MP150 y AcqKnowledge — calibración de transductores de presión (TSD104A).
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• Presión intrapleural · Presión intrapulmonar · Presión transpulmonar · Ley de Boyle · Ley de Poiseuille · Surfactante pulmonar · Espirometría · Neumotórax · Hemotórax