BIOFISICA DA RESPIRACAO

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Biofísica da respiração
A mecânica da respiração
Aneli Abe
Catarina Rocha
Danilo Costa
Stéphanie Dalmassa
Thalita Dalboni
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Movimentação dos pulmões
Biofísica da respiração
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Pleura pulmonar e a pleura da parede torácica
Pressão Pleural 
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Biofísica da respiração
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Pressão negativa
-2cmH2O a -5cmH2O
Equilibra as forças elásticas intrapulmonares
Pausas respiratórias 
Pressão intra-alveolar = pressão atmosférica
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Biofísica da respiração
Pressão Pleural 
Medição:
Punciona-se a parede torácica
Conecta agulha a um manômetro
ou
Sonda dotada de balonete longo (esôfago)
Presão esofágica reflete a pleural
Esôfago transmite pressões externas
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Biofísica da respiração
Pressão Pleural 
 volume da caixa torácida
-4cmH2O a -8cmH2O
 pressão negativa 
Redução pressão alveolar 
Entrada de ar
Inspiração 
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Biofísica da respiração
Exercícios físicos ou doença obstrutiva
P. Pleural: até -135 cmH2O
 
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Biofísica da respiração
Inspiração 
Compressão – parede torácica e músculos do abdômen (prensa abdominal)
 Pressão pleural para valores negativos
- 2cmH2O a -4cmH2O
Forçada: valores positivo
Expiração 
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
Expiração 
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Biofísica da respiração
Expiração 
Respiração pulmonar
Processo rítmico
Frequência dos ciclos respiratórios
Idade
Exercício
Alterada em estados patológicos
Frequência respiratória 
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Biofísica da respiração
Escoamento do ar nas vias aéreas
Biofísica da respiração
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Equação de Poiseuille
Ф = ΔP. π . r4 
 8 . Ƞ .1
 
Ф = É o fluxo em unidade de volume/tempo
ΔP =É a diferença de pressão entre as extremidades do tubo
r = é o raio do tubo
l = é o comprimento do tubo 
ƞ = é a viscosidade do fluido
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Biofísica da respiração
 ( 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
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
Escoamento do ar nas vias aéreas
Inspiração 
Expiração
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
O número de Reynolds, dado pela expressão:
 
N= v . d . µ
 ƞ
N= número de Reynolds 
v = velocidade média do fluido
d = diâmetro do tudo
µ = densidade do fluido
ƞ = viscosidade cinemática do fluido
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
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 
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
Biofísica da respiração
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Medida do ar que entra e sai do pulmão;
Teste que auxilia na prevenção e permite diagnóstico e qualificação de distúrbios respiratórios;
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
Volume corrente: volume de ar inspirado durante um ciclo respiratório;
± 500ml
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
2. Volume de reserva inspiratória: quantidade de ar que pode ser movimentada além do volume corrente durante esforço máximo
± 3000ml
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
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
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
4. Volume residual: O ar que não pode ser expulso do pulmão.
± 1200ml
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
5. Capacidade pulmonar total = volume de reserva inspiratória + volume corrente + volume de reserva expiratória + volume residual
± 5800ml
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
6. Capacidade vital = volume de reserva inspiratória + volume corrente + volume de reserva expiratória
± 4600ml
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
7. Capacidade inspiratória = volume de reserva inspiratória + volume corrente
± 3500ml
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Biofísica da respiração
Medidas Espirográficas
8. Capacidade residual funcional = volume residual + volume de reserva expiratória
± 2300ml
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Biofísica da respiração
Os volumes e capacidades variam com o sexo, raça, idade, superfície corporal, superfície cutânea, postura e em algumas doenças. 
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Biofísica da respiração
Espirometria em doenças
Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC)
Pneumopatias Restritivas
Volume Residual e Capacidade residual funcional
Capacidade 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. 
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Biofísica da respiração
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.
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Biofísica da respiração
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.
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Biofísica da respiração
Exemplo: Paciente com asma brônquica
Capacidade vital
Velocidade máxima do fluxo expiratório
Velocidade máxima do fluxo expiratório forçado médio
Volume expiratório forçado
Volume expiratório máximo;
Fluxo máximo de ar expirado
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
O comportamento elástico das estruturas envolvidas com a respiração
Biofísica da respiração
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A energia da contração dos músculos inspiratórios é gasta para acelerar o ar no interior das vias aéreas
Quando + Pulmão expandido > força elástica
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Biofísica da respiração
 
A dependência entre a força elástica e estiramento foi estudada por Hooke, que estabeleceu a clássica expressão:
F = - K . Δx
K = constante elástica da mola
Δx = é a variação de comprimento da mola 
 determinada pelo efeito deformante
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Biofísica da respiração
Os corpos elásticos, submetidos a esforços deformantes muito intensos, sofrem grande alteração de forma.
Força deformante
limite e tensão de ruptura
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Biofísica da respiração
Elasticidade X Extensibilidade
Elasticidade : propriedade que os corpos possuem de retomar a sua forma inicial.
Extensibilidade : Propriedade que permite aos corpos serem deformados
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Biofísica da respiração
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 corpo
x₀ = comprimento inicial do corpo
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Biofísica da respiração
O comportamento elástico dos corpos varia com o tipo de esforço a que ele está submetido:
Tração
Compressão
Flexão
Torção
Cisalhamento 
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Biofísica da respiração
A COMPLACÊNCIA PULMONAR
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Biofísica da respiração
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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Biofísica da respiração
COMPLACÊNCIA ESPECÍFICA
É valor da complacência no volume de pulmão disponível.
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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
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Biofísica da respiração
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.
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Biofísica da respiração
MEDIDA DA TENSÃO SUPERFICIAL
Experimento de Maxwell
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Biofísica da respiração
Balança de Lecompte de Nouy
Balanças modernas
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Biofísica da respiração
TENSÃO SUPERFICIAL
2 casos:
1º líquidos que molham superfícies
2º que não molham a superfície 
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Consideremos os dois casos
 1º 2º
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Biofísica da respiração
No primeiro caso
O que faz o líquido aderir às paredes é a tensão superficial.
Esta força é tangente à superfície do líquido.
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Ela pode ser decomposta em 2 forças
A componente horizontal é nula
A componete vertical pode ser expressa como:
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Biofísica da respiração
Esta resultante é igual a força peso:
R = P
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Biofísica da respiração
Como a densidade de um líquido é dada por:
Então: 
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Biofísica da respiração
Mas o volume de um líquido é dada pela área da base vezes a altura (h), então temos:
Logo: 
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Biofísica da respiração
Substituindo a 1ª equação temos:
Isolando temos:
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Biofísica da respiração
Fatores que alteram a tensão superficial
Temperatura;
Adição de detergentes e sais.
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Biofísica da respiração
Surfactante Alveolar
Biofísica da respiração
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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 pulmonar
Pe- componentes elasticos
Pts-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
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Biofísica da respiração
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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
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
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 - cuba
E –êmbolo móvel
P – placa de platina
T – transdutor de força
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Biofísica da respiração
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
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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
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
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
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Biofísica da respiração
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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Biofísica da respiração
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
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 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
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Biofísica da respiração
 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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Biofísica da respiração
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