Fisiología del Oído y los Pulmones

Oído

Introducción

La sensación auditiva en el ser humano es un proceso complejo que se basa en tres fases principales:

1. Captación y procesamiento de las ondas sonoras.
2. Conversión de la señal acústica en impulso nervioso y transmisión a los centros sensoriales del cerebro.
3. Procesamiento neural de la información codificada en impulsos nerviosos.

En otras palabras, el sonido entra por el conducto auditivo externo al oído, hace vibrar la membrana timpánica transmitiendo el sonido en forma de energía mecánica mediante la acción de palanca de los huesecillos hacia la ventana oval. Una vez en el oído interno, esa energía mecánica se transmite por los líquidos del oído interno, donde se transforma en energía eléctrica para viajar por el nervio vestíbulo-coclear hacia el sistema nervioso central, donde se analiza e interpreta como sonido en su forma final.

La captación, el procesamiento y la transducción de los estímulos sonoros se llevan a cabo en el oído propiamente dicho, mientras que la etapa de procesamiento neural, en la cual se producen las diversas sensaciones auditivas, se encuentra ubicada en el cerebro. Por lo tanto, podemos distinguir dos partes:

1. La periférica (el oído propiamente dicho).
2. La central (el cerebro).

El campo auditivo del hombre está entre los 16 y los 20.000 Hz. Por debajo de este rango no se percibe sonido, sino una sensación de empuje, y por encima, la vibración entra en el límite de los ultrasonidos, no perceptibles por el hombre, pero sí por la mayoría de los animales. Para entender la fisiología del oído, así como la función de los canales semicirculares del oído, es necesario un conocimiento básico sobre la anatomía.

Anatomía del oído

El oído se divide en 3 zonas: oído externo, medio e interno.

Oído externo

Es la parte más exterior, encargada de recoger las ondas sonoras y llevarlas al interior. Consta de:

• Pabellón auricular
• Conducto auditivo externo
• Tímpano

Las ondas son captadas por el pabellón auricular, recorren 2-3 cm por el canal auditivo externo hasta chocar con el tímpano, que es una membrana que constituye el límite entre el oído externo y el medio. Es tan sensible que, al percibir las ondas sonoras, vibra, transformando el sonido en energía mecánica.

Oído medio

Es el encargado de transmitir el sonido desde el oído externo al interno. Comprendido entre el tímpano y la membrana oval, está compuesto por:

• Tres huesos de muy pequeño tamaño: martillo, yunque y estribo.
• Ventana oval
• Ventana redonda
• Trompa de Eustaquio

Oído interno

Hasta este momento, el sonido se ha transmitido en forma de energía mecánica, pero ya en el oído interno se transforma en eléctrica para poder ser transmitida hasta la zona central. El oído interno está formado por:

• Laberinto óseo
• Laberinto membranoso

Laberinto óseo

Constituido por:

• Vestíbulo
• Conductos semicirculares óseos: anterior, posterior y lateral.
• Cóclea o caracol: conducto rígido en forma de espiral, lleno de fluido. El interior del conducto está dividido en sentido longitudinal por la membrana basilar y la membrana de Reissner, las cuales forman tres compartimientos o escalas: la escala vestibular y la escala timpánica contienen un mismo fluido (perilinfa), puesto que se interconectan por una pequeña abertura situada en el vértice del caracol, llamada Helicotrema. Por el contrario, la escala media se encuentra aislada de las otras dos escalas y contiene un líquido de distinta composición a la perilinfa (endolinfa). En el interior de la escala media se encuentra el órgano de Corti, el cual se extiende desde el vértice hasta la base de la cóclea y contiene las células ciliares que actúan como transductores de señales sonoras a impulsos nerviosos.

Laberinto membranoso

Formado por:

• Utrículo
• Sáculo
• Tres conductos semicirculares membranosos
• Conducto coclear

Dentro del laberinto membranoso está la endolinfa. Entre el laberinto membranoso y el óseo, la perilinfa.

Funcionalidad del oído

Las ondas acústicas llegan por el conducto auditivo externo hasta el tímpano (oído externo), el cual vibra, y esas ondas acústicas se convierten en mecánicas, transmitiéndose gracias al martillo, yunque y estribo por todo el oído medio hasta la ventana oval, que separa la cóclea (oído interno) del oído medio. El sistema formado por el tímpano, la cadena de huesecillos (martillo, yunque y estribo) y la ventana oval es un adaptador de impedancia mecánica. Es decir, permite que se transmita la mayor cantidad de energía de la vibración sonora hacia el interior de la cóclea, el cual está lleno de fluido perilinfático.

Una vez en la cóclea (oído interno), el mecanismo se vuelve aún más complejo. Cuando las ondas mecánicas son transmitidas por la cadena de huesecillos a la ventana oval, se produce una perturbación en la membrana basilar que se transmite desde la base al ápex de la cóclea. Las propiedades mecánicas de la cóclea varían a lo largo de su longitud; esta perturbación se mueve a una velocidad y amplitud constantes, independientemente de la frecuencia. Esto se debe a que la rigidez de la membrana basilar cerca de la base es 100 veces mayor que en el ápex, variando en forma monótona. Otros parámetros mecánicos también cambian a lo largo de la membrana basilar, pero el cambio de rigidez es dominante y determina que la impedancia mecánica del sistema varíe en forma monótona desde la base hasta el ápex. Esto es importante porque hace que la cóclea sea un verdadero analizador de frecuencia.

Posteriormente, las neuronas de la cóclea que detectan esas vibraciones de la membrana basilar (células ciliadas internas) transforman esa energía mecánica en impulso nervioso, para su desplazamiento por el nervio vestíbulo-coclear hacia el sistema nervioso central.

Como hemos visto, la cóclea es la que produce y mantiene la función de audición en el oído interno, pero el oído interno no solo desempeña la función de audición, sino también la del equilibrio, en las que participa el vestíbulo (con utrículo y sáculo) y los conductos semicirculares, que detallaremos detenidamente a continuación.

Equilibrio

El oído interno, gracias a los canales semicirculares que contienen líquido (endolinfa) en su interior, el utrículo y el sáculo, se encarga del equilibrio, tanto estático como dinámico.

Equilibrio estático

Corre a cargo del utrículo y el sáculo; es decir, mantienen el equilibrio cuando el cuerpo está en reposo.

Utrículo y sáculo: son bolsas de membranas ubicadas en la base de los canales semicirculares. Poseen células ciliadas y, encima de ellos, otolitos (bolsas de calcio) que se mueven y hacen presión sobre los cilios cada vez que la cabeza está inclinada.

Equilibrio dinámico

Corre a cargo de los canales semicirculares.

Los canales semicirculares se encargan del equilibrio dinámico. Son tres y se encuentran orientados en tres direcciones del espacio. En ellos existe un líquido que se mueve cuando la cabeza lo hace; al ocurrir esto, los cilios (neuronas sensitivas) son estimulados y esto le permite al cerebro saber en qué posición nos encontramos.

Anatomía de los canales semicirculares del oído

Los canales semicirculares (tres: anterior, posterior y lateral) son los encargados del equilibrio dinámico, pues permiten apreciar los giros y movimientos de la cabeza. Cada conducto semicircular termina en cada uno de sus extremos en una ampolla, en el centro de la cual se encuentra la crista, lengüeta que contiene un conjunto de fibras sensibles, también en forma de pelos, que se extienden dentro de una sustancia gelatinosa llamada cúpula. La crista toca el extremo de la ampolla y se puede mover dentro de ella. Por otro lado, las fibras sensibles están unidas a fibras nerviosas que comunican con el cerebro.

Funcionamiento de los canales semicirculares

Cuando ocurre una rotación de la cabeza, el líquido que hay dentro de los conductos semicirculares tiende a quedarse atrás. Es decir, lo que exactamente ocurre es:

• El conducto semicircular experimenta un giro; en este momento, la perilinfa tiende a quedarse atrás y, por tanto, ejerce presión sobre su otro extremo, pero ese otro extremo está comunicado con su ampolla, que también tiene líquido. Esta presión empuja al líquido que está dentro de la ampolla; si esa presión se mantiene en el tiempo, desplaza la cúpula, las fibras sensibles experimentan una desviación que da lugar a una señal nerviosa.

Podemos concluir entonces que los conductos semicirculares solamente tienen la capacidad de detectar cambios en los movimientos rotatorios, es decir, lo que en física se llaman aceleraciones.

Pulmones

Introducción

Los objetivos de la respiración son fundamentalmente dos:

1. Suministrar oxígeno a los tejidos.
2. Eliminar el dióxido de carbono que estos producen.

Para ello, deben realizarse una serie de etapas como la ventilación pulmonar (que introduce el aire en los pulmones), la difusión de oxígeno y CO₂ (desde los alvéolos a la sangre y desde la sangre a los alvéolos), el transporte de estos dos elementos desde el pulmón hasta las células en la sangre y, por supuesto, la regulación de todas las etapas.

Anatomía

El aire entra en los pulmones a través de las fosas nasales; desde allí llega a la tráquea, conducto de 10 cm de longitud y 2 cm de ancho que está formada por cartílagos en “C” y transcurre entre la laringe y la carina. Su función es atrapar partículas de 3 a 10 micras.

A continuación, el aire pasa a los bronquios (3 derechos y 2 izquierdos) que dan lugar a los bronquiolos, donde encontramos las células claras, pequeñas células con función endocrina. De aquí salen los bronquiolos terminales y respiratorios. Ambos son las últimas conducciones de aire y se diferencian entre sí porque los últimos tienen la pared interrumpida por alvéolos.

Los conductos alveolares y los sacos alveolares constituyen el 85 % del volumen pulmonar, están formados por neumocitos y finalizan en unos 300 millones de alvéolos. Tienen un tamaño de unas 200 micras y están conectados entre sí por unos espacios denominados poros de Kohn. El intercambio de gases se realiza a partir de los bronquiolos respiratorios.

Volúmenes y capacidades pulmonares

La ventilación pulmonar se mide en función de los volúmenes y las capacidades pulmonares.

• Volumen tidal o corriente: es el volumen de aire que se moviliza en una inspiración-espiración habitual.
• Volumen de reserva espiratorio: es el volumen adicional en una espiración forzada.
• Volumen residual: es el volumen de aire que queda en el pulmón que no se moviliza tras la inspiración o la espiración forzada.
• Volumen de reserva inspiratorio: es el volumen de aire que se moviliza en una inspiración forzada.

Las capacidades se obtienen con la suma de los volúmenes:

• Capacidad inspiratoria: volumen tidal + volumen de reserva inspiratorio.
• Capacidad residual funcional: volumen de reserva espiratorio + volumen residual.
• Capacidad vital: volumen tidal + volumen de reserva inspiratorio + volumen de reserva espiratorio.
• Capacidad total: suma de todos los volúmenes.

Física de la respiración: Respiración útil

El gas útil en la respiración es el oxígeno, de forma que lo primero que tenemos que calcular es la presión parcial del gas en el aire ambiente:

P_gas = F_gas x P_atm

Por convenio, lo expresamos sin humedad:

PO₂ = 0.21 x 760 = 160 mmHg

Además, debemos tener en cuenta la presión parcial de un gas en el aire inspirado:

Aire inspirado = aire inhalado (a una temperatura de 37º y completamente humidificado).

PI_gas = F_gas (P_atm - P_H2O)

PIO₂ = 0.21 (760 - 47) = 150 mm Hg

De esta manera, las presiones en el alvéolo y en el capilar a su entrada y salida del alvéolo quedarían de la siguiente manera:

Factores que afectan las presiones alveolares de CO₂

• Ventilación alveolar:
  • Hiperventilación: disminuye la PACO₂. Cuando la ventilación alveolar es el doble, la PACO₂ disminuye a la mitad.
  • Hipoventilación: aumenta la PACO₂. Si la ventilación alveolar disminuye a la mitad, la PACO₂ dobla su valor.
• Ratio metabólica: en las situaciones en las que existe un aumento de producción de CO₂ y no se produce una hiperventilación, se produce un aumento de la PACO₂ y viceversa. Esta situación sucede durante el ejercicio físico. Existe una excepción: la fiebre y la hipotermia; con la hipotermia disminuye la PACO₂ y con la hipertermia la PACO₂ aumenta.

Factores que afectan las presiones alveolares de O₂

• Ecuación del gas alveolar: PAO₂ = (P_atm - 47)FIO₂ - PACO₂/R
  • P_atm: se considera 760 mmHg a nivel del mar. Cuanto más alta es la localización, menor es la P_atm.
  • FIO₂: se considera que el aire de una habitación contiene una fracción de inspiración de oxígeno de 0.21. Cambios en la concentración de O₂ pueden producir cambios en la FIO₂.
  • PACO₂: normalmente es de 40 mmHg. Aumentos de la PACO₂ disminuyen la PO₂ y viceversa.
  • R: tasa de intercambio respiratorio: normalmente 0.8-1. En una persona a nivel del mar respirando aire normal: PAO₂ = (P_atm - 47)FIO₂ - PACO₂/R
    PAO₂ = (760 - 47)0.21 - 40/0.8 = 100 mmHg

De manera paralela, influyen también la ley de Fick y la capacidad de difusión del pulmón.

• La ley de Fick habla de la difusión simple, que es un proceso de intercambio de gas entre la membrana del alvéolo y del capilar y depende de:
  • La superficie de intercambio (que se modifica con algunas enfermedades como el enfisema o incluso con el ejercicio).
  • El grosor de la membrana: que se ve modificado con enfermedades como la fibrosis pulmonar.
  • La solubilidad del gas: ya que el CO₂ es más soluble que el O₂.
  • La diferencia de presiones del gas: a mayor diferencia, mayor difusión simple.
• La capacidad de difusión del pulmón hace referencia a la dinámica de transferencia de sustancias entre el intersticio y el capilar y puede ser perfusión limitada (si existe equilibrio entre el capilar y el intersticio) o difusión limitada si la sustancia no se equilibra. El CO o monóxido de carbono es el único gas que nunca se puede equilibrar entre el intersticio y el capilar, por lo que está siempre en una situación de difusión limitada y por esto se usa como índice estructural.

Situación normal

En condiciones normales, la PACO₂ es de aproximadamente 40 mmHg y la PAO₂ de 100 mmHg. El gradiente o diferencia de presión que existe entre el alvéolo y el capilar suele ser de 5-10 mmHg. Cuando es superior, significa que hay un problema o patología.

Esto sucede en los casos de hipoventilación, alteración de la difusión, shunt pulmonar, shunt cardíaco y alteraciones de la relación entre la ventilación y perfusión.

Hipoventilación

En esta situación, sabemos que lo que se produce es un aumento de la PACO₂ y una disminución de la PAO₂, de forma que no existe alteración del gradiente A-a. La solución en estos casos es un aporte de O₂, ya que habitualmente la patología no se encuentra en el pulmón.

Alteración de la difusión

La presión de O₂ es inferior a la PAO₂ y la PaO₂ es inferior a la PAO₂, por lo que existe un aumento del gradiente A-a. Traduce un problema del pulmón y el oxígeno extra puede aliviar la situación, pero no soluciona el problema.

Shunt pulmonar

La sangre no pasa por el alvéolo y, por tanto, no se oxigena. Esto sucede en el caso de las atelectasias. Existe aumento del gradiente A-a y, dado que los glóbulos rojos no acceden al alvéolo, el aporte de O₂ no corregirá el problema.

Shunt cardíaco

La sangre se mezcla de manera patológica en los dos circuitos, habitualmente a nivel del corazón. No obstante, no es el objeto de este tema.

Alteraciones de la ventilación/perfusión

En condiciones normales, la ventilación y la perfusión deben estar equilibradas, de tal forma que las unidades ventiladas deben estar perfundidas. Si no es así, podemos tener unidades ventiladas pero no perfundidas (ej. en el tromboembolismo pulmonar) o unidades perfundidas pero no ventiladas (atelectasias).

Método de diagnóstico de las patologías pulmonares

• Pulxiosímetro: fue descrito por primera vez en 1935 y comercializado por HP en 1964. Comenzó a utilizarse por los cirujanos en 1975. Mide la longitud de onda roja e infrarroja. Estas longitudes de onda pasan del emisor hasta el detector a través del paciente y miden la absorbancia de la longitud de onda causada por la sangre arterial (pulsátil). Gracias a ello, podemos calcular la saturación de O₂ en la sangre. Puede diferenciar la hemoglobina oxigenada de la no oxigenada, ya que absorbe y refleja distintas ondas de luz. El espectro rojo está en los 660 nm y el infrarrojo en los 920 nm. El cálculo se realiza mediante la fórmula: SaO₂ = HbO₂/HbO₂ + Hb. Como inconvenientes, está la problemática de pacientes de color y aquellos en los que la tinción ungueal no permite el correcto paso de las ondas.
• Gasometría: consta de varios electrodos que detectan los H⁺, el O₂ disuelto en la sangre y el bicarbonato sódico mediante electrodos de pH, electrodo de Clark, electrodo de Stow-Severinghaus y la cooximetría. Presenta como ventajas frente a la pulsioximetría que es más sensible y completa, que aporta datos sobre la ventilación del paciente, sobre el pH. Pero es una técnica más invasiva y en los enfermos críticos la perfusión periférica es mala, lo que hace más difícil su obtención. Sin embargo, la pulsioximetría es instantánea y continua, transportable, económica y no invasiva y, por tanto, no dolorosa.
• Rx de tórax.
• TC de tórax.

Tratamiento de enfermedades pulmonares

Dentro del aporte de oxígeno para algunas de las patologías pulmonares, encontramos la ventilación mecánica. Esta puede ser invasiva si conlleva la intubación, u otra no invasiva si no implica la intubación.

• Ventilación mecánica no invasiva (VMNI): es aquella terapia en la que no es necesaria la intubación del paciente. Puede funcionar en 3 modos:
  • Ventilación espontánea temporizada: si se adapta a las necesidades del paciente.
  • BIPAP: ejerce niveles de presión diferentes, que coinciden con la inspiración y la espiración.
  • CPAP: flujo de aire positivo.

El dispositivo consta de un ventilador (que produce el flujo de aire), un filtro bacteriano (que realiza una filtración mecánica por tamaño), una tubuladura (que conduce el aire hasta el sujeto), un interfaz (que conecta la tubuladura con la mascarilla), una válvula respiratoria (que gestiona los flujos de entrada y salida de aire), un caudalímetro (que mide esos flujos) y un arnés (que fija la mascarilla a la cabeza del paciente).

De manera adicional, debe tener una conexión para obtener el O₂ de su fuente.

Se utiliza en pacientes con EPOC, SAOS, enfermedades neuromusculares, asma… Sus complicaciones principales son: lesiones faciales, congestión nasal, dolor facial, sequedad de mucosas, irritación ocular, aerofagia y distensión gástrica…

• Ventilación mecánica invasiva (VMI) o respiradores artificiales: utilizan una fuente de oxígeno, necesitan una turbina para generar el flujo, y válvulas y tubos para conducir el aire y diferenciar los flujos de entrada y salida del paciente. El contenido de O₂ que pueden generar es variable en función de las necesidades del paciente y puede oscilar desde un 21 % hasta un 100 % (oxígeno puro). Necesitan una batería con reserva para varias horas.

Se puede utilizar en modo controlado (continuo, intermitente o espontáneo) o de soporte, de forma que se activa si la ventilación del paciente fracasa. Sus complicaciones son múltiples: desde traumatismos de la vía aérea superior, aumento de la presión intracraneal, aspiración…

• Pulmón artificial: son dispositivos que reemplazan la función de los pulmones y se conocen también con el nombre de membranas oxigenadoras. Su uso es temporal hasta la resolución de la patología pulmonar o hasta que el paciente recibe un trasplante. Precisa de un procedimiento complejo de instalación y de un seguimiento estricto.
• Neopulmón: se puede realizar de dos formas: o bien tomando los pulmones de un cadáver que no hayan sido válidos para trasplante, descelularizándolos (quitando todas sus células) y repoblando solo con células sanas, o bien fabricando pulmones en impresoras 3D en diferentes capas con una sujeción que se denomina biopapel. Está aún en fase de experimentación.