Fisiología del vuelo
Desde que la humanidad domina los cielos, se ha vuelto cada vez mas importante, entender los efectos de la altitud, la disminución en la presión de los gases, las fuerzas de aceleración en el cuerpo humano.
Volar produce una demanda de adaptación fisiológica, que para personas en buenas condiciones de salud y bajo situaciones operacionales normales no presentan problemas tales como la hipoxia, el barotraumatismo, la descompresión e hipotermia.
Para entender los cambios físicos en la cabina de vuelo, es necesario conocer la atmósfera, sus características y las leyes físicas que la rigen.
ATMÓSFERA
La atmósfera es una capa gaseosa con una composición uniforme hasta una altura de 70.000 pies; el nitrógeno con un 78,08% es su mayor componente, seguido del oxígeno con un 20,95%, y otros gases en muy pequeño porcentaje como el argón, dióxido de carbono, hidrógeno, neón, y helio. La atmósfera se divide desde el punto de vista físico en cinco capas, troposfera, estratosfera, mesosfera, ionosfera y exosfera y desde el punto de vista fisiológico en tres zonas: fisiológica, deficiente fisiológica, y equivalente espacial.
LEY ES DE LOS GASES
Cualquier consideración de la atmósfera en términos de sus propiedades físicas, composición química y comportamiento fisiológico requiere la comprensión de las leyes básicas de los gases.
La ley de Boyle afirma que cuando la temperatura permanece constante, el volumen de una masa de gas dado varía inversamente a su presión.
La ley de Charles afirma que cuando la presión es constante, el volumen de un gas es proporcionalmente muy cercano a su temperatura absoluta.
La ley de Dalton afirma que la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones individuales o parciales de todos los gases en la mezcla.
La ley de Henry afirma que la cantidad de un gas disuelto en 1 cm3 de un líquido es proporcional a la presión parcial de un gas en contacto con el líquido.
La traducción fisiológica de estas leyes es la siguiente: cuando una aeronave asciende y la altitud se incrementa, la presión barométrica decrece y el volumen de los gases atrapados en el cuerpo se expanden, lo contrario sucederá al descender. Esto explica los cuadros de barotrauma durante el vuelo (aerotitis, aerosinusitis, aerodontalgia, baropatía abdominal, expansión de neumotórax); y los efectos sobre equipos y materiales médicos(férulas inflables, balones de tubos endotraqueales y sondas urinarias). También explican la formación de burbujas de nitrógeno en el organismo conocida
como enfermedad por descompresión.
Esta disminución en la presión barométrica es la responsable de la hipoxia que se presenta a grandes altitudes, por que a medida que esta cae la presión parcial de oxígeno disminuye proporcionalmente manteniendo la proporción de 21% del total de la presión barométrica, siendo a nivel del mar de 159 mmHg.
Pero a 50.000 pies de solo 18 mmHg. Por otro lado aún a grandes alturas el dióxido de carbono es excretado al alveolo; y el vapor de agua del aire inspirado en el alveolo se mantiene en 47 mmHg si la temperatura
del cuerpo es normal sin importar la altura; estos dos factores diluyen el oxígeno en el alveolo afectando su concentración. En el caso del dioxido de carbono, a grandes altitudes la pco2 cae de un valor a nivel del mar de 40 mmHg a menores valores; en la persona aclimatada quien incrementa sus ventilaciones cinco veces la pco2 cae 7 mmHg por el incremento de las ventilaciones. Ahora veamos como las presiones de estos dos gases afectan la concentración de oxígeno alveolar.
Por un momento asumamos que la presión barométrica cae de el valor a nivel del mar de 760 mmHg a 253 mmHg, lo cual es el valor correspondiente a 29.028 pies correspondientes a la altura del monte Everest, 47 mmHg corresponden al vapor de agua, dejando solamente 206 mmHg para todos los otros gases. En la persona aclimatada, 7 mmHg de los 206 mmHg deben corresponder a dioxido de carbono, dejando solamente 199 mmHg.
De esto la quinta parte corresponde al oxígeno, o sea, aproximádamente
40 mmHg, el resto corresponde al nitrógeno. Dentro del alveolo, es absorbido una parte del oxigeno dejando una cantidad reducida en este, que correspondería a la presión intraalveolar de oxígeno; así solamente una persona aclimatada podría sobrevivir a esta altura respirando aire ambiente. Pero este efecto es muy diferente cuando respiramos oxígeno puro.
La quinta columna de la tabla n.4 muestra las po2 aproximadas en el alveolo de diferentes altitudes cuando respiramos aire ambiente en
TABLA 2. DIVISION FISIOLOGICA DE LA ATMOSFER A
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ZONAS
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ALTITUD(ft)
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PRESIONATMOSFERICA(mmHg)
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TIPO DE CABINA
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CAR ACTERISTICAS
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Fisiológica
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Nivel del mar-
12.000
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760-483
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No presurizada
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El cuerpo se adapta para volar en esta zona, sepresentan problemas por expansión yatrapamiento de gases, sequedad de mucosas. Fatiga y cefalea son comunes cuando se vuelapor periodos largos en el límite superior deesta capa
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Deficientefisiológica
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12.000 – 50.000
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483-87
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Presurizada (MD83, A320,EMB145,DO28,FOKKER50,KING200,CITATION, LEARJET)
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Gran Caída de la presión atmosférica y latemperatura, afectando funciones fisiológicasmanifestándose en hipoxia y descompresión.
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Equivalente
Espacial
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50.000 ft-1000 mi
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87-0
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Sellada (transbordadorespacial,
cápsulas espaciales, trajessellados)
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Ambiente hostil para el ser humano, línea dearmstrong:
63.000 pies, fenómeno de ebullismo, línea de VonKarman.
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personas aclimatados y no aclimatados.A nivel del mar, el po2 alveolar es 104 mmHg; a los 20.000 pies de altitud, esta cae a 40 mmHg en una persona no aclimatada pero solamente a 53 mmHg en un aclimatado.
También vemos la diferencia de las saturaciones de oxigeno dependiendo si se está respirando aire ambiente u oxígeno puro; a una altitud de 10000 pies, aun respirando aire ambiente, la saturación permanece en 90%, pero por arriba de 10000 pies cae rápidamente.
Cuando una persona respira oxígeno puro en vez de aire ambiente, la mayoría del espacio alveolar previamente ocupado por nitrógeno es ocupado por oxígeno. A los 30000 pies se tiene una po2 alveolar tan alta como 139 mmHg en vez de 18 mmHg respirando aire ambiente. En cuanto a la saturación, esta permanece arriba de 90% hasta una altitud de
39.000 pies donde cae rápidamente hasta cerca del 50% a los 47.000 pies.
TA BL A 3. EX PA NSIÓN DE LOS GASES SEGÚN A LTITUD
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ALTITUD (ft)
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PRESIÓN (mmHg)
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VOLÚMENAPROXIMADO
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35000
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155
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4.0
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18000
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379
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2.0
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10000
|
526
|
1.5
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8000
|
560
|
1.3
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Nivel del mar (NM)
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760
|
1.0
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OXIGENACIÓN A NORMAL
Con la complejidad en los sistemas de captación y transporte de oxígeno, la hipoxia o la deficiencia de oxígeno a nivel tisular, puede ser causada en la captación, transporte o utilización de este. La hiperoxia, una condición artificialmente inducida con los efectos fisiológicos dominados por la toxicidad de oxígeno.
HIPOXIA
Excepto los eritrocitos maduros, todos los tejidos requieren un aporte fijo de oxígeno, con el Sistema Nervioso Central(SNC) siendo particularmente susceptible a esta; la hipoxia causa síntomas insidiosos a nivel sistémico siendo las manifestaciones visuales, cognitivas y de alteración de conciencia las más importantes en el campo aeroespacial. En este campo se la ha dividido en 4 tipos:
HIPOXIA HISTOTÓXICA, caracterizada por la inhabilidad de la célula de usar el oxígeno, usualmente debida a la inhabilitación del sistema citocromo-oxidasa, ejemplos de esta son las intoxicaciones por monóxido de carbono y cianuro; la tensión arterial de oxígeno es normal, con cianosis ausente. El monóxido de carbono actua primariamente a través de esta clase de hipoxia por que compite exitosamente con el oxígeno por el citocromo c oxidasa cuando la tensión de oxígeno es baja.
HIPOXIA HIPÉMICA, resultante de la reducción de la capacidad de transporte del oxígeno por la sangre. También se ve en intoxicaciones por monóxido de carbono; como el oxígeno, el monóxido de carbono liga reversiblemente la hemoglobina, pero con una afinidad
200 veces mayor que este, dejando las moléculas de hemoglobina temporalmente inútiles.
Además a través de la naturaleza tetrámera de la hemoglobina, la afinidad del oxígeno por la restante hemoglobina no ligada es alterada; el resultado es que su curva de disociación es desplazada a la izquierda, y la liberación periférica de oxígeno es disminuida. Por ser el monóxido de carbono reversiblemente ligado a la hemoglobina, el tratamiento de su intoxicación consiste en oxigeno terapia. Oxígeno al 100% reduce la vida media de eliminación del monóxido de carbono de 4 horas a 1 hora, y con oxígeno hiperbárico en 2,5 atmósferas se reduce a 30 minutos.En esta clase de hipoxia el pO2 es normal, aunque su contenido está reducido. Excepto en los raros casos de metahemoglobinemia, la cianosis es inusual.
HIPOXIA POR INADECUADO FLUJO SANGUÍNEO, sea regional o sistémica, la tensión arterial de oxígeno y cianosis variables.Las causas comunes son el shock o la enfermedad vascular periférica, la enfermedad por descompresión, la aceleración induciendo depósito de sangre en determinadas áreas con déficit sanguíneo en las opuestas. Siendo las fuerzas G positivas más comúnmente encontradas, el cerebro es el órgano con menos tolerancia a la hipoxia más afectado por estas.
HIPOXIA HIPOXICA, es la deficiencia en la oxigenación alveolar, siendo la más comúnmente encontrada en aviación, y en este contexto la causa más probable es la reducción de la presión parcial de oxígeno en el aire inspirado.Tiene un subtipo que es la HIPOXIA POR ALTITUD, que es de importancia fisiológica cuando en cualquier momento un humano excede los 3.048 mts.(10.000 pies), dependiendo de su aclimatación.
EFECTOS DE L A HIPOX I A
La respuesta del sistema respiratorio se realiza a través de los quimiorreceptores en la carótida y aorta; estando no solamente limitada al aumento en el esfuerzo, se presenta vasoconstricción en los vasos pulmonares, aumentando la carga del corazón derecho; la respuesta cardiovascular es el aumento del gasto cardiaco, aumento de la extracción tisular del oxígeno, aumenta la irritabilidad eléctrica del músculo cardiaco. El SNC es desproporcionadamente afectado, es el primer tejido afectado por la hipoxia y el primero que sucumbe a la anoxia.
TA BL A 4. EFECTOS DE L A EX POSICIÓN AGUDA A BAJAS PR ESIONES ATMOSFÉR ICAS EN L AS CONCENTRACIONES DE GASES A LV EOL A R ES Y EN L A SATUR ACIÓN A RTER I A L DE OX ÍGENO
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Altitud(ft)
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Presiónbarométrica(mmHg)
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PO2 en elaire (mmHg)
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PCO2
en alveolo
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PO2
en alveolo
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SaO2
|
PCO2alveolo
|
PO2alveolo
|
SaO2
|
0
|
760
|
159
|
40(40)
|
104(104)
|
97(97)
|
40
|
673
|
100
|
10000
|
523
|
110
|
36(23)
|
67(77)
|
90(92)
|
40
|
436
|
100
|
20000
|
349
|
73
|
24(10)
|
40(53)
|
73(85)
|
40
|
262
|
100
|
30000
|
226
|
47
|
24(7)
|
18(30)
|
24(38)
|
40
|
139
|
99
|
40000
|
141
|
29
|
|
|
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36
|
58
|
84
|
50000
|
87
|
18
|
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24
|
16
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15
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El consumo de oxígeno por el cerebro se caracteriza por su relativa inconsistencia; es alto a nivel de reposo y no cambia con estados de ejercicio.
SIGNOS Y SÍNTOM AS DE L A HIPOX I A
Los síntomas de alarma de la hipoxia son vagos y de presentación insidiosa. El autoreconocimiento del deterioro se ve afectado por la disminución de la capacidad intelectual. Los signos y síntomas asociados a la hipoxia son debidos a la hipoxia misma o a la hipocapnia o ambas. Los signos objetivos incluyen taquipnea, hiperpnea, alteraciones en el comportamiento, como excitación y beligerancia, falta de coordinación y eventualmente inconciencia; los síntomas incluyen, disnea, cefalea, mareo, euforia, visión borrosa, los síntomas de la hipocapnia incluyen parestesias.
TR ATA MIENTO DE L A HIPOX I A
La hipoxia se previene, no se trata. Este es el principio fundamental en el transporte de pacientes y en el manejo de emergencias médicas a bordo. El reconocimiento de los signos y síntomas es secundario; es fundamental contar con pulsoxímetro. El uso de oxígeno en altas concentraciones es la clave del tratamiento sin importar su causa. Los sistemas de oxígeno a bordo de aeronaves comerciales para atención de pasajeros permiten flujos de 2 a 4 litros por minuto.
En el transporte de pacientes se deben utilizar sistemas con flujos de oxígeno de 10 a 15 litros por minuto para garantizar concentraciones del 100%.Como norma, cualquier avión presurizado, en vuelos de desplazamiento normal y habitual a altitudes superiores a 15.000 pies, presentan presión de cabina semejante a la que existe y equivale a 8.000 pies. Las aeronaves no presurizadas no deberán ascender a altitudes superiores a los 10.000 pies; efectuando en consecuencia sus vuelos en altitudes promedio de 8.000 pies. En cabinas no presurizadas la velocidad de ascenso no debe superar los 500 pies por minuto.
BAROTAUMATISMOS
Se producen por la expansión y compresión de los gases atrapados en las cavidades corporales como oído medio, senos paranasales, tracto gastrointestinal, pulmones lo cual es ocasionado por la disminución y aumento de la presión atmosférica cuando se asciende o se desciende respectivamente. A nivel pulmonar se pueden presentar desarrollo de neumotórax en pacientes con bulas o neumotórax pequeños no tratados. En oído medio y senos paranasales se produce por la presión diferencial entre estos y el medio ambiente, en personas con procesos infecciosos y cuadros gripales.
La barodoltalgia afecta dientes con caries y tratamientos de endodoncia incompletos, abscesos periapicales. La baropatía abdominal produce distensión de asas intestinales, por alimentos, cirugías intestinales, obstrucciones, colostomías.
TA BL A 5. FASES DE L A HIPOX I A
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FASE
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ALTITUD (ft)
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SAO2 EFECTOS
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Crítica
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20000-
25000
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60-70% Inconciencia y muerte
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Deterioro
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15000-
20000
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Mecanismos compensato-
70-80% rios agotados
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Compensatoria
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10000-
15000
|
80-90% Signos y síntomas dehipóxia
|
Indiferente
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NM-10000
TROPOSFERA
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Solo hay síntomas en
90-98% personas con mecanismoscompensatorios agotados
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Nivel del mar-
12Km
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20ºC a
-60ºC
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Se realizan los vueloscomerciales, el gradiente detemperatura es de – 2ºC porcada 1.000 pies de altitud.
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ENFER MEDA D DESCOMPR ESI VA
Consiste en la formación de burbujas de nitrógeno en el organismo como consecuencia de la disminución de la presión atmosférica. Casi nunca se presenta por debajo de los 18.000 pies y si por encima de25.000 pies. A bajas altitudes se presenta en personas que practican buceo antes del vuelo, por lo que un buzo debe permanecer 24 horas en tierra antes de volar. En aeronaves presurizadas comerciales la presión de cabina en un vuelo comercial es de 5500 a 8000 pies, suficiente para que se presente la enfermedad descompresiva en personas con factores condicionantes. Se presenta durante o después del vuelo.
Se clasifica en dos tipos: la tipo I con manifestaciones articulares de dolor y cutáneas de parestesias, cambios tróficos que requieren descanso y en algunos casos cámara hiperbárica. En la tipo II, las manifestaciones pulmonares de disnea, dolor torácico y tos seca; neurológicas con cefalea, vértigo, alteraciones visuales. Colapso cardiovascular, y en forma tardía necrosis aséptica del hueso. Estas manifestaciones siempre requieren cámara hiperbárica.
HUMEDAD
Con la altura la temperatura y el vapor de agua disminuyen. Aunque las cabinas presurizadas generan un espacio confortable y seguro, tiene un nivel muy bajo de humedad, lo cual produce en vuelos muy largos deshidratación. Se presenta sequedad de mucosas, sensación de sed, las secreciones del aparato respiratorio se tornan más secas dificultando su remoción, obstruyendo la vía aérea y ocasionando una pérdida en el eficiencia del intercambio gaseoso, lo que contribuye a la hipoxia. Existen factores que exacerban la deshidratación en vuelo como el café y el alcohol.
RUIDO
Es un factor muy estresante en el medio aéreo. El ruido afecta el desempeño de tripulantes, produce cefalea, fatiga, sordera a largo plazo sin protección, disminución en la capacidad de concentración y deterioro en la capacidad de trabajo. En el transporte aeromédico es importante por su interferencia en el cuidado del paciente, pues dificulta la auscultación, enmascara el ruido de las alarmas de los equipos médicos y dificulta la comunicación. Tanto los tripulantes como los pasajeros deben utilizar protectores auditivos, lo cual es más importante en aviones no presurizados.
V IBR ACIÓN
Las fuentes más comunes de vibración en una aeronave son los motores y la turbulencia. La exposición a una vibración moderada ocasiona un incremento de la rata metabólica (aumento de la frecuencia cardiaca, respiratoria y tensión arterial); las vibraciones de baja frecuencia pueden ocasionar fatiga, dolor torácico y abdominal, visión borrosa y vértigo. De igual manera, afectan el funcionamiento de los equipos médicos, especialmente los de monitoreo.
ACELER ACIÓN
Cuando un piloto o pasajero está simplemente sentado en su silla, la fuerza con la cual el está siendo presionado contra el asiento resulta de la fuerza de gravedad y es igual a su peso. La intensidad de esta fuerza es igual a1 G positiva por que es igual a la fuerza de gravedad; pero si ésta fuerza durante una aceleración es 5 veces su peso es igual a 5G positivas.
Pero si la aeronave se dirige en un viraje externo y la persona es mantenida en su silla por su cinturón, una fuerza G negativa es aplicada al cuerpo; si esta es igual al peso del cuerpo es una fuerza 1 G negativa.
El más importante efecto de estas fuerzas está en el sistema circulatorio, por que la sangre móvil puede ser desplazada por estas fuerzas. Cuando un tripulante es sometido a G positivas, la sangre va hacia las partes más bajas del cuerpo. Así, si la fuerza es de 5G positivas y la persona está inmovilizada en una posición de pie, la
presión en las venas de los miembros inferiores se incrementa (cerca de 450 mmHg); en posición sedente es cerca de 300 mmHg.
Y como la presión en los vasos de la parte inferior del cuerpo se incrementa, estos vasos pasivamente se dilatan así una porción grande del volumen sanguíneo de la parte superior del cuerpo es llevad a los vasos sanguíneos de los miembros inferiores.
El corazón disminuye su gasto cardiaco, manifestándose inmediatamente por disminución de la presión arterial; si una persona es sometida a unas fuerza G positiva de 4 o 6 la visión sufre un fenómeno blackout y puede tornarse inconsciente y si continua la aceleración puede fallecer. Una fuerza de aceleración puede inclusive fracturar las vértebras, siendo el umbral 20G positivas. Los efectos de la fuerza G negativa en el cuerpo son menos dramáticos agudamente pero más deletéreos a largo plazo que las positivas.
Una fuerza súbita de 4 ó 5 G negativas puede ser soportada por un tripulante sin sufrir permanente daño pero si, una momentánea hiperemia cefálica, llevando a un desorden psicótico de 15 ó 20 minutos como resultado de una edema cerebral.
Ocasionalmente estas fuerzas pueden alcanzar las 20 g negativas alcanzando una presión arterial cerebral de 300-400 mmHg, ocasionando la ruptura de algunos vasos sanguíneos de la superficie craneana; sin embargo, y a pesar de estas altas presiones los vasos intracerebrales tienen menos tendencia a la ruptura debido a que el líquido cefalorraquídeo es centrifugado hacia la cabeza al mismo tiempo que la sangre es llevada hacia los vasos craneales y el gran incremento en la presión de líquido cefalorraquídeo actúa como un cojín en la periferia del cerebro evitando la ruptura de los vasos intracraneales.
Los ojos no están dentro de este plan protector, intensa hiperemia se desarrolla durante estas fuerzas y desarrollan temporalmente el fenómeno de red-out. Los pilotos de aviones a reacción tratan de contrarrestar estas fuerzas de aceleración usando trajes antiG, soportando fuerzas hasta de 10g. Las fuerzas de aceleración y desaceleración normalmente encontradas en la aviación comercial no son significativas para la salud de las personas que se encuentran sentadas ya que estas son bien toleradas.
Por el contrario, en pacientes en posición horizontal las fuerzas son paralelas al eje axial del cuerpo y pueden ser muy significativas. En un despegue con la cabeza del paciente hacia la nariz del avión, éste percibirá una fuerza de aceleración G positiva(cabeza-pies) la cual ocasiona que la sangre se dirija hacia los pies, disminuyendo el riego sanguíneo al cerebro y el retorno de la sangre al corazón.
Las aceleraciones son más importantes durante el despegue y no tiene tanta importancia durante el aterrizaje. Los pacientes siempre debe ubicarse paralelos al eje longitudinal del avión, lo cual expone el eje del paciente G positivas cabeza pies y G negativas pies cabeza. La posición de la cabeza del paciente en relación con la nariz y la cola de la aeronave debe estar de acuerdo con la enfermedad de éste. Cabeza en dirección a la cola, pacientes en shock. Cabeza en dirección a la nariz: pacientes con lesiones cerebrales traumáticas o sangrados intracerebrales.
1ra. edición del Salamandra Medical Journal
Dr Ramon REYES, MD,
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