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