Sistema RespiratórioSistema Respiratório
Simulação em Matlab
Modelos dos Processos Fisiológicos no Homem
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__________________________________________________________________Sistema Respiratório - Introdução
Biofísica Pulmonar
Simulação Computacional
Dinâmica Respiratória de um Paciente
ConteúdosConteúdos
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Sistema RespiratórioSistema Respiratório
• O sistema respiratório é constituído por:
• - par de pulmões• - fossas nasais • - boca, • - faringe, • - laringe, • - traqueia, • - brônquios, bronquíolos e
os alvéolos, todos localizados nos pulmões.
• O sistema respiratório é constituído por:
• - par de pulmões• - fossas nasais • - boca, • - faringe, • - laringe, • - traqueia, • - brônquios, bronquíolos e
os alvéolos, todos localizados nos pulmões.
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Anatomia do PulmãoAnatomia do Pulmão
• O pulmão é um órgão esponjoso que executa a respiração. Tem aproximadamente 25 cm de comprimento e 700 g de peso, situado na cavidade torácica
• O pulmão é um órgão esponjoso que executa a respiração. Tem aproximadamente 25 cm de comprimento e 700 g de peso, situado na cavidade torácica
. • A cavidade torácica esta dividida em três partes : cavidade pleural direita cavidade pleural esquerda e mediastino
• A cavidade torácica esta dividida em três partes : cavidade pleural direita cavidade pleural esquerda e mediastino
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Anatomia do PulmãoAnatomia do Pulmão
• O pulmão direito é ligeiramente maior que o esquerdo e está dividido em três lóbulos; já o pulmão esquerdo tem apenas dois lóbulos
• O pulmão direito é ligeiramente maior que o esquerdo e está dividido em três lóbulos; já o pulmão esquerdo tem apenas dois lóbulos
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Anatomia PulmonarAnatomia Pulmonar
• Nos pulmões os brônquios ramificam-se profusamente, dando origem a tubos cada vez mais finos, os bronquíolos. O conjunto altamente ramificado de bronquíolos é a árvore brônquica ou árvore respiratória. Cada bronquíolo termina em pequenas bolsas recobertas por capilares sanguíneos, denominadas alvéolos pulmonares.
• Nos pulmões os brônquios ramificam-se profusamente, dando origem a tubos cada vez mais finos, os bronquíolos. O conjunto altamente ramificado de bronquíolos é a árvore brônquica ou árvore respiratória. Cada bronquíolo termina em pequenas bolsas recobertas por capilares sanguíneos, denominadas alvéolos pulmonares. Extraído de http://www.getbodysmart.com
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Alvéolo PulmonarAlvéolo Pulmonar
• Cada brônquio respiratório que está dentro do lóbulo pulmonar dá origem aos ductos alveolares. Projectando-se para fora das finas paredes dos ductos alveolares e dos brônquios respiratórios estão numerosos alvéolos cada um com um diâmetro aproximadamente entre 0,2 e 0,5mm. É nos alvéolos que se dá as trocas gasosas
• Cada brônquio respiratório que está dentro do lóbulo pulmonar dá origem aos ductos alveolares. Projectando-se para fora das finas paredes dos ductos alveolares e dos brônquios respiratórios estão numerosos alvéolos cada um com um diâmetro aproximadamente entre 0,2 e 0,5mm. É nos alvéolos que se dá as trocas gasosas Extraído de http://www.getbodysmart.com
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Trocas GasosasTrocas Gasosas
• Nos alvéolos pulmonares o gás oxigénio do ar difunde-se para os capilares sanguíneos e penetra nas hemácias, onde se combina com a hemoglobina, enquanto o gás carbónico (CO2) é liberado para o ar (processo chamado hematose).
• Nos alvéolos pulmonares o gás oxigénio do ar difunde-se para os capilares sanguíneos e penetra nas hemácias, onde se combina com a hemoglobina, enquanto o gás carbónico (CO2) é liberado para o ar (processo chamado hematose).
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HemoglobinaHemoglobina
• Proteína tetramérica com estrutura quaternária é composta de quatro cadeias polipeptídicas Há quatro complexos heme-ferro.
• Proteína tetramérica com estrutura quaternária é composta de quatro cadeias polipeptídicas Há quatro complexos heme-ferro.
• A sua principal função é o transporte e fornecimento aos tecidos de O2
• A sua principal função é o transporte e fornecimento aos tecidos de O2
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Saturação O2Saturação O2
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PleuraPleura
• A pleura forma também uma barreira que ajuda os pulmões a protegerem-se contra infecções que possam ocorrer na cavidade torácica
• A pleura forma também uma barreira que ajuda os pulmões a protegerem-se contra infecções que possam ocorrer na cavidade torácica
• Os pulmões são envoltos por duas membranas, denominadas pleuras. Entre as pleuras há um espaço, preenchido por líquido. A tensão superficial deste líquido mantém unidas as duas pleuras, mas permite que elas deslizem uma sobre a outra, durante os movimentos respiratórios.
• Os pulmões são envoltos por duas membranas, denominadas pleuras. Entre as pleuras há um espaço, preenchido por líquido. A tensão superficial deste líquido mantém unidas as duas pleuras, mas permite que elas deslizem uma sobre a outra, durante os movimentos respiratórios.
Extraído de http://lpig.doereport.com/
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Fisiologia da RespiraçãoFisiologia da Respiração
• A inspiração, que promove a entrada de ar nos pulmões, dá-se pela contracção da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma baixa e as costelas elevam-se, promovendo o aumento da caixa torácica, com consequente redução da pressão interna (em relação à externa), forçando o ar a entrar nos pulmões.
• A inspiração, que promove a entrada de ar nos pulmões, dá-se pela contracção da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma baixa e as costelas elevam-se, promovendo o aumento da caixa torácica, com consequente redução da pressão interna (em relação à externa), forçando o ar a entrar nos pulmões.
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Fisiologia da RespiraçãoFisiologia da Respiração
• A expiração, que promove a saída de ar dos pulmões, dá-se pelo relaxamento da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma eleva-se e as costelas abaixam, o que diminui o volume da caixa torácica, com consequente aumento da pressão interna, forçando o ar a sair dos pulmões.
• A expiração, que promove a saída de ar dos pulmões, dá-se pelo relaxamento da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma eleva-se e as costelas abaixam, o que diminui o volume da caixa torácica, com consequente aumento da pressão interna, forçando o ar a sair dos pulmões.
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Volumes Pulmonares -Espirometria
Volumes Pulmonares -Espirometria
Volume Corrente (TV) ≈ 0,5 L/min
Volume de reserva inspiratória (IRV) ≈
3L/min
Volume de reserva expiratória (ERV) ≈
1.1L/min
Volume residual (RV) ≈ 1.2L/min
Volume Corrente (TV) ≈ 0,5 L/min
Volume de reserva inspiratória (IRV) ≈
3L/min
Volume de reserva expiratória (ERV) ≈
1.1L/min
Volume residual (RV) ≈ 1.2L/min
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Capacidades PulmonaresCapacidades Pulmonares
•Capacidade inspiratória TV+IRV (3.5L/min)
•Capacidade residual funcional RV+ERV (2.3L/min)
•Capacidade vital (VC) IRV+ERV+TV (4.6L/min)
•Capacidade pulmonar total (TLC) IRV+ERV+TV+RV
(5.8L/min)
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Ventilação AlveolarVentilação AlveolarVentilação (VA)– movimento de ar para dentro e para fora dos pulmões,
provocado por diferenças de pressão.- manter a composição do ar alveolar em estado óptimo.
Volumes Pulmonares
Os movimentos de acordo com os gradientes de pressão também se aplicam aos gases individuais, isto é, para o O2 e o CO2.
Perfusão (Q) – passagem de O2 para o fluxo sanguíneo.
Ventilação (VA)– movimento de ar para dentro e para fora dos pulmões, provocado por diferenças de pressão.
- manter a composição do ar alveolar em estado óptimo.
Volumes Pulmonares
Os movimentos de acordo com os gradientes de pressão também se aplicam aos gases individuais, isto é, para o O2 e o CO2.
Perfusão (Q) – passagem de O2 para o fluxo sanguíneo.
Extraído dehttp://www.marybird.org/
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VA cI + Q cv = VA cE + Q cA
cE = cA
VA (cI - cA) = Q (ca - cV)
• Para ocorrer as trocas gasosas é necessário que: cI = cA.• A pressão nos alvéolos pode ser referida de acordo com a lei dos gases ideais: PA = K T cA ( cA = n/VA ).
A pressão intrapulmonar é inversamente proporcional ao volume dos alvéolos.
Transporte de Gás nos AlvéolosTransporte de Gás nos Alvéolos
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Pela Lei de Henry:
aa Pc σ=
• σ representa o coeficiente de solubilidade, isto é, mede a facilidade com que o gás se dissolve no sangue. Em particular, no sangue arterial.
• Em condições óptimas, Pa=PA.
Transporte de Gás nos AlvéolosTransporte de Gás nos Alvéolos
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• PO2 (ar inspirado) = 160 mm Hg
• PO2 (alvéolos) = 100 mm Hg
• PCO2 (ar inspirado) = 0
• PO2 (alvéolos) = 40 mm Hg
cI – cA < 0 , para o Co2
cI – cA > 0 , para O2
VA (cI - cA) = Q (ca - cV)
Transporte de Gás nos AlvéolosTransporte de Gás nos Alvéolos
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A partir das equações das concentrações alveolar e arterial, achamos a razão entre a ventilação e a perfusão, designada por r.
TKQVcQcV
cA
vIAA σ+
+=
TKrccr
TKc vIa σ
σ+
+= Q
Vr A=
Relação Ventilação - PerfusãoRelação Ventilação - Perfusão
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O parâmetro de heterogeneidade pulmonar β varia :
0 < β < 1
β=0, a correlação entre a ventilação e a perfusão é constante.
β=1, não existe correlação entre a ventilação e a perfusão.
Quando:
Correlação Ventilação vs PerfusãoCorrelação Ventilação vs Perfusão
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• Todos os parâmetros se mantém nos diferentes alvéolos, excepto a ventilação VA e a perfusão Q.
GRAVIDADE
A parte inferior pulmonar:
- tem maior fluxo sanguíneo;
- maior ventilação;
Transporte de Gás nos PulmõesTransporte de Gás nos Pulmões
Gradiente de concentração sanguínea
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Ventilação:
Depende da diferença entre o máximo e o mínimo
volumes nos alvéolos, durante o ciclo respiratório.
Máximo Volume Inspiração (uniforme nos pulmões);
Mínimo Volume Expiração (baixos na parte inferior dos pulmões)
Transporte de Gás nos PulmõesTransporte de Gás nos Pulmões
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Simulação ComputacionalSimulação Computacional
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Extraído de http://www.bartleby.com/107/
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Simulação ComputacionalSimulação Computacional
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Simulação ComputacionalSimulação Computacional
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Simulação ComputacionalSimulação Computacional
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Simulação ComputacionalSimulação Computacional
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Matlab – Aspectos GeraisMatlab – Aspectos Gerais
Figura 1: Aspecto geral da janela do Simulink® / Matlab®
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Simulação ComputacionalSimulação Computacional
• Variáveis de Estado;• Representação Gráfica: Ventilação vs.
Perfusão;• Simulação em Interface Gráfica (GUI)
• Variáveis de Estado;• Representação Gráfica: Ventilação vs.
Perfusão;• Simulação em Interface Gráfica (GUI)
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Variáveis de EstadoVariáveis de Estado
• N.º de Alvéolos;• Correlação Ventilação / Perfusão
(V/P);• Taxa de Consumo de O2;• Concentração de O2;
• N.º de Alvéolos;• Correlação Ventilação / Perfusão
(V/P);• Taxa de Consumo de O2;• Concentração de O2;
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Variáveis de EstadoVariáveis de Estado
• Concentração de Hemoglobina no Sangue;
• Concentração de Hemoglobina no Sangue;
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Parâmetros StandardParâmetros Standard
• Concentração do O2 :Nível marítimo• Temperatura: 37ºC• Concentração do O2 :Nível marítimo• Temperatura: 37ºC
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InterpretaçãoInterpretação
• Correlação Ventilação / Perfusão (V/P)
• Correlação Ventilação / Perfusão (V/P)
Se V/P = 0, estamos perante um modelo linear, que admite que o pulmão é homogéneo;
Se 0<V/P≤1, estamos perante um modelo não linear, que admite que o pulmão é heterogéneo;
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InterpretaçãoInterpretação
• V/P = 0: o fluxo de O2 e o fluxo sanguíneo estão numa proporção fixa, isto é, a taxa de ventilação em função da perfusão é constante ao longo do pulmão;
• V/P = 1: o fluxo de O2 e o fluxo sanguíneo são independentes – alguns alvéolos conseguem alta perfusão com baixa ventilação.
• V/P = 0: o fluxo de O2 e o fluxo sanguíneo estão numa proporção fixa, isto é, a taxa de ventilação em função da perfusão é constante ao longo do pulmão;
• V/P = 1: o fluxo de O2 e o fluxo sanguíneo são independentes – alguns alvéolos conseguem alta perfusão com baixa ventilação.
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• Influência da correlação V/P, no estudo da heterogeneidade pulmonar;
• Modelo com uma inicialização aleatória, evidenciando a imprevisibilidade dos fenómenos biológicos
• Influência da correlação V/P, no estudo da heterogeneidade pulmonar;
• Modelo com uma inicialização aleatória, evidenciando a imprevisibilidade dos fenómenos biológicos
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
“Será este modelo, adequado ao que se verifica na realidade?”
“Possui limitações?”
“Vantagens / Desvantagens”
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• O modelo considera, por questões de simplificação, que a totalidade do ar inspirado alcança as superfícies alveolares;
No entanto existe volume residual, ao longo do tracto respiratório (‘dead space’)
• O modelo considera, por questões de simplificação, que a totalidade do ar inspirado alcança as superfícies alveolares;
No entanto existe volume residualvolume residual, ao longo do tracto respiratório (‘dead space’)
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• Taxa de ventilação variável de acordo com a região pulmonar;
• Consequência prática: o organismo deve aumentar a ventilação total, o débito cardíaco ou ambos com o fim de assegurar níveis normais de transporte gasoso a pressões parciais normais.
• Taxa de ventilação variável de acordo com a região pulmonar;
• Consequência prática: o organismo deve aumentar a ventilação total, o débito cardíaco ou ambos com o fim de assegurar níveis normais de transporte gasoso a pressões parciais normais.
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• O modelo permite o estudo de soluções gasosas simples (depende do tipo de gás em estudo);
• Evidência do estudo compartimental / funcional.
• O modelo permite o estudo de soluções gasosas simples (depende do tipo de gás em estudo);
• Evidência do estudo compartimental / funcional.
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• O modelo tem apenas em conta o O2ligado à hemoglobina, desprezando o O2 dissolvido;
Respiração de O2 (100%) – câmara hiperbárica
• O modelo tem apenas em conta o O2ligado à hemoglobina, desprezando o O2 dissolvido;
Respiração de O2 (100%) – câmara hiperbárica
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• Ventilação Alveolar Esperada(5 l/min);• Perfusão Alveolar Esperada(5.6 l/min);• Ventilação Alveolar Esperada(5 l/min);• Perfusão Alveolar Esperada(5.6 l/min);
Erros não significativos
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
• O modelo possui um algoritmo, que entra em conta com um factor de correcção dos dados (valores médios)
No entanto o modelo pode ser optimizado
• O modelo possui um algoritmo, que entra em conta com um factor de correcção dos dados (valores médios)
No entanto o modelo pode ser optimizado
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Interpretação / ConclusãoInterpretação / Conclusão
Métodos de OptimizaçãoMétodos de Optimização
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Algumas aplicações práticas...Algumas aplicações práticas...
• Estudos de actividade física;• Altitude;• Anemia ou policitemia;• Ou outras combinações, destas
condições.
• Estudos de actividade física;• Altitude;• Anemia ou policitemia;• Ou outras combinações, destas
condições.
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Influência da AltitudeInfluência da Altitude
Diminuição do oxigénio;
Logo, a concentração de Hemoglobina deve ser maior,
Mas...
Em um anémico, a situação é inversa
Logo, agrava a sua it ã lí i
Extraído de http://www.corbis.com
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AnemiaAnemia
Extraído de www.dpcweb.com/medical/ anemia/anemia.html Extraído dehttp://health.allrefer.com/health/iron-deficiency-anemia-children-hemoglobin.html
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Referências BibliográficasReferências Bibliográficas
Extraído dehttp://www.mathworks.com
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Trabalho Elaborado Por:Trabalho Elaborado Por:
• Luís Filipe Ferreira Neves• Marisa Leal Ferreira• Ricardo Miguel H. Soares Costa
• Luís Filipe Ferreira Neves• Marisa Leal Ferreira• Ricardo Miguel H. Soares Costa
2005 ©
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