Biofísica

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Biofísica da respiraçãoA mecânica da respiração

Aneli AbeCatarina RochaDanilo CostaStéphanie DalmassaThalita Dalboni

Biofísica da respiração 2

Movimentação dos pulmões


Pleura pulmonar e a pleura da parede torácica

Pressão Pleural


Pressão negativa-2cmH2O a -5cmH2OEquilibra as forças elásticas

intrapulmonaresPausas respiratórias Pressão intra-alveolar = pressão

atmosférica

Pressão Pleural


Medição:Punciona-se a parede torácicaConecta agulha a um manômetro

ouSonda dotada de balonete longo (esôfago)Presão esofágica reflete a pleuralEsôfago transmite pressões externas

Pressão Pleural


volume da caixa torácida -4cmH2O a -8cmH2O pressão negativa Redução pressão alveolar Entrada de ar

Inspiração


Exercícios físicos ou doença obstrutivaP. Pleural: até -135 cmH2O

Inspiração


Compressão – parede torácica e músculos do abdômen (prensa abdominal)

Pressão pleural para valores negativos - 2cmH2O a -4cmH2OForçada: valores positivo

Expiração


Campbell: Prensa abdominal – não é ativada

enquanto a resistência ao fluxo respiratório é menor que 10cmH2O

Resistência , pode-se respirar sem auxílio da musculatura do abdômen

Acumulo de E.P. Elástica

Expiração


Músculos abdominais ativos quando: Resistência do fluxo Ventilação pulmonar 400ml/min Tosse, espirro, vômito

Queda da negatividade – Pressão pleural

Forças de colapso pulmonar Colaboram para pressão intra-alveolar

Saída do ar dos pulmões

Expiração


Expiração


Respiração pulmonar Processo rítmico

Frequência dos ciclos respiratórios Idade Exercício Alterada em estados patológicos

Frequência respiratória


Escoamento do ar nas vias aéreas


Equação de Poiseuille

Ф = ΔP. π . r4

8 . Ƞ .1

Ф = É o fluxo em unidade de volume/tempoΔP =É a diferença de pressão entre as extremidades do tubor = é o raio do tubol = é o comprimento do tubo ƞ = é a viscosidade do fluido


( delta P ) e (r ) , favorecem o desenvolvimento de grandes fluxo

( l ) e ( ƞ ) , oferecem grande resistência e dificuldade

( r ) maior influência na determinação do fluxo


A movimentação dos fluidos : região de > P para a de < P.

Inspiração = P do meio > P que alveolar

Expiração = P alveolar > P que do meio


Escoamento do ar nas vias aéreas

Inspiração

Expiração


Tipos de escoamento

Laminar ; fluido move-se em camadas

Turbulento ; fluido desenvolve redemoinhos, e não há organização mecânica

Misto ; envolve tanto o laminar como o turbulento


O número de Reynolds, dado pela expressão:

N= v . d . µ

ƞ

N= número de Reynolds v = velocidade média do fluidod = diâmetro do tudoµ = densidade do fluidoƞ = viscosidade cinemática do fluido


Forças envolvidas no escoamento

Forças elásticas ( parede torácica e dos pulmões)

Resistência ( viscosa do ar, turbulência, alteração de volume e forma dos órgãos)

Forças de atrito

Forças necessárias para vencer a inércia dos sistemas móveis


Descoberta de Bernoulli

Relação inversa entre (v) do fluxo aéreo e (P) que o gás exerce sobre a parede interna da tubulação

Brônquios estreitos, enfisema pulmonar


Medidas Espirográficas


Medida do ar que entra e sai do pulmão;Teste que auxilia na prevenção e permite diagnóstico e qualificação de distúrbios respiratórios;



1. Volume corrente:

volume de ar inspirado

durante um ciclo

respiratório;

± 500ml



2. Volume de reserva inspiratória: quantidade de ar que pode ser movimentada além do volume corrente durante esforço máximo

± 3000ml



3. Volume de reserva expiratória: é o

volume máximo adicional de ar que

pode ser eliminado por expiração

forçada, após o término da

expiração corrente.

± 1100ml



4. Volume residual: O ar que não pode ser expulso do pulmão.

± 1200ml



5. Capacidade pulmonar total = volume de reserva inspiratória + volume corrente + volume de reserva expiratória + volume residual

±

580

0m

l



6. Capacidade vital = volume de reserva inspiratória + volume corrente + volume de reserva expiratória

± 4

60

0m

l



7. Capacidade inspiratória = volume de reserva inspiratória + volume corrente

±

350

0m

l



8. Capacidade residual funcional = volume residual + volume de reserva expiratória

±

230

0m

l


Os volumes e capacidades variam com o

sexo, raça, idade, superfície corporal,

superfície cutânea, postura e em algumas

doenças.

Espirometria em doenças

Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC)

Pneumopatias Restritivas

Volume Residual e Capacidade residual funcionalCapacidade Vital normal ou diminuída

Capacidade Pulmonar Total e Capacidade Vital

Perda da extensibilidade e redução da complacência pulmonar

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Espirograma

Registro gráfico do volume de ar

expirado, em que o coeficiente angular da

curva determina a cada ponto a

velocidade do fluxo.


É importante conhecer os dados:

1. Volume expiratório forçado no

primeiro segundo (VEF1);

2. Velocidade máxima do fluxo

expiratório (FEFmáx);

3. Velocidade máxima do fluxo

expiratório forçado médio

(FEF25%-75%), que é medido pela

inclinação da reta que liga os

pontos correspondentes a 25% e

75% do volume total expirado.


Alça fluxo-volume

Um registro feito estudando a função pulmonar, em que o fluxo expirado fica no eixo das ordenadas e o volume expirado na abcissa. É utilizado também para a detecção de doenças respiratórias.


Exemplo: Paciente com asma brônquica

Capacidade vital

Velocidade máxima do fluxo expiratório

Velocidade máxima do fluxo expiratório forçado médioVolume expiratório forçado

Volume expiratório máximo;

Fluxo máximo de ar expirado


O esforço das pleuras

Durante a inspiração, os pulmões seguem o movimento da caixa torácica graças ao líquido que se encontra no espaço pleural. Esse líquido é composto basicamente por água e sais.

Molhando as pleuras: as forças de adesão > as forças de coesão Força entre

molécula de líquido e da superfície

Força entre moléculas de líquido


O comportamento elástico das estruturas envolvidas com a respiração


A energia da contração dos músculos inspiratórios é gasta para acelerar o ar no interior das vias aéreas

Quando + Pulmão expandido > força elástica


A dependência entre a força elástica e

estiramento foi estudada por Hooke, que estabeleceu a clássica expressão:

F = - K . Δx

K = constante elástica da molaΔx = é a variação de comprimento da mola

determinada pelo efeito deformante


Os corpos elásticos, submetidos a esforços deformantes muito intensos, sofrem grande alteração de forma.

Força deformante limite e tensão de ruptura


Elasticidade X Extensibilidade

Elasticidade : propriedade que os corpos possuem de retomar a sua forma inicial.

Extensibilidade : Propriedade que permite aos corpos serem deformados


A constante elástica (k) , depende do esforço e da natureza e geometria do material :

K = ρ . S x₀

ρ = coeficiente de elasticidade específica do material

S= área da secção transversa do corpox₀ = comprimento inicial do corpo


O comportamento elástico dos corpos varia com o tipo de esforço a que ele está submetido:

TraçãoCompressãoFlexãoTorçãoCisalhamento


A COMPLACÊNCIA PULMONAR


Propriedade de órgãos ocos elásticos aumentarem de volume quando submetidos à uma determinada pressão.

Inversamente proporcional à constante elástica K do corpo

Medida em litros/ cm H2O

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COMPLACÊNCIA ESPECÍFICA

É valor da complacência no volume de pulmão disponível.


Em algumas patologias a parede dos alvéolos pode ser substituída por tecido fibroso reduzindo a capacidade de absorção de ar

Já o enfisema pulmonar faz com que a parede dos alvéolos perda o tônus elástico o que pode aumentar a complacência pulmonar


TENSÃO SUPERFICIAL

Todo líquido posto em contato com um gás, forma uma membrana elástica na interface gás-líquido.

As moléculas no interior do líquido sofrem atração entre si, onde todas as forças se anulam, porém as que estão na superfície sofrem apenas interações laterais e para baixo, formando uma tensão que forma uma película.


MEDIDA DA TENSÃO SUPERFICIAL

Experimento de Maxwell


Balança de Lecompte de Nouy

Balanças modernas

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TENSÃO SUPERFICIAL

2 casos:1º líquidos que molham superfícies

2º que não molham a superfície


Consideremos os dois casos

1º 2º

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No primeiro caso

O que faz o líquido aderir às paredes é a tensão superficial.

Esta força é tangente à superfície do líquido.


Ela pode ser decomposta em 2 forças

A componente horizontal é nula

A componete vertical pode ser expressa como:


Esta resultante é igual a força peso:

R = P


Como a densidade de um líquido é dada por:

Então:


Mas o volume de um líquido é dada pela área da base vezes a altura (h), então temos:

Logo:


Substituindo a 1ª equação temos:

Isolando temos:


Fatores que alteram a tensão superficial

Temperatura;

Adição de detergentes e sais.


Surfactante Alveolar

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Pressão total de retração pulmonar. é a soma produzida pelos componentes elásticos do parênquima pulmonar adicionada à pressao de retração produzida pela tensão superficial do líquido alveolar

Pt = Pe + Pts

Pt – pressão total de retração pulmonarPe- componentes elasticosPts-tensão superficial

.Os cálculos teóricos mostraram que Pts do líquido intra-alveolar é igual a 20.000d/ cm². Esse valor foi obtido considerando a proposição de Laplace para esferas elásticas e considerando os seguintes dados.

. Numero de alveolos – 300 milhões

. diametro dos alveolos- 300 um . ts do liquido intra alveolar- 50d / cm

Biofísica da respiração


Experimento de von Neegaard e de Clements.

A pressão traqueal capaz de equilibrar um pulmão com insuflação máxima vale 20cmH2O.Essa figura mostra dois comportamentos próprios desse órgão.

.um mesmo incremento de pressão traqueal produz maior variação do volume pulmonar quando o pulmão esta desinsuflado do que quando esta insuflado.

.a pressão de retração pulmonar máxima produzida pelos componentes elásticos do parênquima pulmonar foi aproximadamente metade daquela produzida quando havia tensão superficial alveolar


Quando o pulmão esta desinsuflado, a pressão total de retração pulmonar, é de 2 a 5cmH2O. Essa pressão é, 4 a 10 vezes menor que a pressão traqueal que mantém o pulmão cheio.

Como a pressão máxima de retração do pulmão insuflado é praticamente igual a pressão de retração de tensão superficial do liquido alveolar, pode-se concluir que no pulmão vazio, a tensão superficial do liquido alveolar é 4 a 10 vezes menor que a do pulmão cheio.

Raciocinando com esses fatores Clements concluiu que deveria existir no liquido alveolar uma substância tensoredutora. A função desse surfactante seria fazer variar a tensão superficial do liquido intra-alveolar de acordo com o volume do alvéolo


Para testar sua hipótese,Clements &Tierney(1965) contruiram um aparelho para medira tensão superficial de líquidos durante a expansão e compressão da sua superfície livre.

C - cubaE –êmbolo móvelP – placa de platinaT – transdutor de força

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Composição química do surfactante.O surfactante é composto por uma combinação de tensoredutoras, sendo 85% fosfolipídios, 5% de lipídeos neutros, 10% de proteínas.

Funções e produçao do surfactante. As proteínas de alto peso molecular exercem sua funçao em cooperação com os fosfolipidios para criar propriedades tensoredutoras. Os peptideos tem papel importante na manutenção do filme surfactante sobre o alveolo

Nos pneumócitos tipo II o surfactante é armazenado em organelas chamadas de corpos lamelares


Função –promover estabilidade dos alvéolos, bactericida

A liberação de surfactante é proporcional ao volume-corrente, mas não à freqüência respiratória.

Existência de dois “pools” de surfactante: o primeiro contém menor volume da substancia tensoredutora, responde pronta e rapidamente a agonistas edrenérgicos tipo B2, enquanto o segundo tem maior volume e responde mais lentamente.A liberação deste depende, basicamente, ao volume-corrente.

Mecanismo tensoredutor do surfactante.

Quando o alveolo esta comprimido, o surfactante presente na superficie livre é relativamente altae, pr isso, a tensçao do liquido alveolar é baixa.Todavia, quando o alveolo esta expandido, sua superficie interna é grande e a area de superficie livre do liquido alveolar tambem é grande.O liquido alveolar aumenta sua area livre trazendo moleculas de agua do seu interior para sua superficie.Com isso, a contribuiçao das moleculas do surfactante diminui, e os valores da tensao superficial fica próximo a 50d/cm


Experimentos de Laplace

Marquês de Laplace estudando o comportamento das bolhas de sabão, observou, que a parede de cada bolha é formada por duas superfícies que determinam esferas de raios diferentes.

Estabeleceu que:

P= T 1 + 1 R1 R2


Comportamento Laplaciano das bolhas de sabão

A bolha ao se formar na extremidade do tubo inicialmente decresce de raio. A partir de um determinado raio mínimo,o raio passa a crescer progressivamente a medida que ela vai sendo inflada.A curva do gráfico representa os valores da pressão interna, necessário para manter o volume da bolha. Inicialmente, a pressão cresce rapidamente, mas a partir de B , quanto maior se torna o volume da bolha, menor é a pressão necessária para estabilizá-la


Surfactante e ventilação dos alvéolos

Os alvéolos pequenos devem exercer uma pressão maior do que os alvéolos grandes , considerando que estes estão interconectados pelos tubos respiratórios,seria, impossível ventilar os alvéolos pequenos caso não existisse o surfactante pulmonar,pois a insuflação de ar expandiria, preferencialmente, os maiores.

Esse fenômeno seria alimentado por um feedback positivo, pois quanto mais aumentassem , menor seria a resistência para enche-los e mais ar seria por eles sequestrado.

Assim o surfactante ao reduzir a tensão superficial dos alvéolos pequenos e ao elevar a dos grandes, equilibra, e permite que o fluxo de ar seja constante

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Surfactante e síndromes patológicas

Distúrbios da produção ou eliminação de surfactante pulmonar:

Síndrome da membrana hialiana Proteinose alveolar Embolia pulmonar Pulmão de choque Na síndrome da membrana hialiana , a produção

de surfactante é deficiente em relçao a que ocorre no pulmão normal, tornando a força de retração alveolar alta, e dificultando a respiração


A proteinase alveolar tem causa desconhecida, esta associada a micose pulmonar.Nesta doença o surfactante encontra-se em excesso, devido a grande produção ou de uma menor eliminação.Como resultado disso, há uma maior passagem de líquido para os alveolos, produzindo-se edema pulmonar


O pulmão em choque e a Embolia pulmonar, levam a estados de hipóxia tissular, e interferem nos mecanismos de produção e eliminação do surfactante, conduzindo a alterações mecânicas e imunológicas da função normal do pulmão

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