Biofísica do Sistema Respiratório

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BIOFÍSICA DO SISTEMA 
RESPIRATÓRIO
Paulo R. Fonseca
prfonseca@live.com
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POR QUE?
http://accessmedicine.mhmedical.com/MediaLibrary.aspx?termId=9034
http://web.carteret.edu/keoughp/LFreshwater/
CPAP/V-Q%20Relationships/VQClassNotes.htm
Chronic thromboembolic pulmonary hypertension is a rare sequela to an 
acute untreated or recurrent pulmonary embolism. The mechanisms that 
underlie the failure to resolve the thrombus are still uncertain. As most 
patients are not diagnosed until a relatively late stage, little is known about 
the course of their illness. We report the case of a 51-year-old woman who 
had previously been diagnosed with and operated on for endomyocardial
fibrosis of the right ventricle and who developed chronic thromboembolic 
pulmonary hypertension several years later.
http://www.archbronconeumol.org/en/chronic-
thromboembolic-pulmonary-hypertension-
associated/articulo/13050408/
Ventilation / Perfusion Scans
A. Very Low Probability of Pulmonary Embolism
B. High Probability of Pulmonary Embolism
http://www.massgeneralimaging.org/newsletter/july_2003/
Alteration in pulmonary perfusion due to 
iatrogenic pulmonary vein stenosis: A 
mimicker of pulmonary embolism
10.4103/2231-0770.90918
Fig 1: a) T1 map of a healthy volunteer acquired while breathing room air; b) T1 map 
of the same volunteer acquired while breathing pure oxygen; The bar on the left 
indicates the absolute T1 values for the T1 maps; c) T1 Difference map (arbitrary 
units).
http://bio.physik.uni-wuerzburg.de/lungimaging/
Fig 2: Left: a movie of wash-in 
and wash-out time course. 
Right: Time course curves of 
T1-drop from the upper and 
whole right lung of a volunteer
http://bio.physik.uni-wuerzburg.de/lungimaging/
Fig 3: Calculated T2* maps of one volunteer breathing room air (left) and 
breathing oxygen (right). T2* values greater than 2.5 ms are depicted in red.
http://bio.physik.uni-wuerzburg.de/lungimaging/
Fig 4: Comparison of MT-STIR-HASTE (left side) and conventional HASTE 
images of the lung (right side). All images were acquired with quiet breathing. 
The MT-STIR-HASTE image demonstrates the greatly improved visualization 
that is possible by suppression of the muscle and fat signal.
http://bio.physik.uni-wuerzburg.de/lungimaging/
GASES Um pouco de física
GASES
Estados da matéria
 Sólido
 Líquido
 Gasoso
 Plasma
GASES
Forças de repulsão são maiores que as forças de atração
 Moléculas se relem continuamente
 Tendência de se espalhar até o infinito, se não for contido num recipiente (volume)
GASES
Contínuo choque entre as moléculas do gás e o recipiente  pressão 
 Lembrando P=F/A
GASES
Três parâmetros definem o estado de um gás:
 Temperatura
 K (SI)
 Pressão
 Pa (SI)
 Volume
 m3 (SI)
UNIDADES – VOLUME
UNIDADES – TEMPERATURA 
Kelvin (absoluta)
𝐾 = 273 + 𝐶
Celsius (relativa)
UNIDADES – PRESSÃO
No SI, a unidade padrão é Pascal (N/m2)
1𝑃𝑎 = 7,5 10−3𝑡𝑜𝑟𝑟
1 𝑡𝑜𝑟𝑟 = 1𝑚𝑚𝐻𝑔 = 1,33 102𝑃𝑎
1 𝑃𝑎 = 9,9 10−6𝑎𝑡𝑚
1 𝑎𝑡𝑚 = 760 𝑚𝑚𝐻𝑔 = 1,01 105𝑃𝑎
CNTP
Mantendo 
 T = 0o C
 P = 1 atm
1 mol de gás ideal tem
 V = 22,4 l 
ESTRUTURA E FUNÇÃO DO 
APARELHO RESPIRATÓRIO
ANATOMIA
http://pt.wikipedia.org/wiki/Trato_respirat%C3%B3rio_superior#mediaviewer/Ficheiro:Illu_conducting_passages_pt.svg
http://pt.wikipedia.org/wiki/Seios_nasais#mediaviewer/Ficheiro:Seios_paranasais.svg
1. Faringe
2. Epiglote
3. Laringe
4. Esôfago
http://pt.wikipedia.org/wiki/Faringe#mediaviewer/Ficheiro:Head_lateral_mouth_anatomy.jpg
LARINGE
http://pt.wikipedia.org/wiki/Laringe#mediaviewer/Ficheiro:Laringe_externa_es.svg
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/
Respiratory_System.html
TRAQUÉIA
Conduz o ar até os pulmões
Subdivide-se em brônquios
http://www.highlands.edu/academics/divisions/scipe/biology/faculty/harnden/2122/images/trachea.jpg
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/
Respiratory_System.html
BRÔNQUIOS
Possuem cerca de 10 subdivisões 
(diâmetro e estrutura) 
Dividem-se em bronquíolos (6 a 
8 subdivisões). 
Bronquíolos  alvéolos
http://pt.wikipedia.org/wiki/Pulm%C3%A3o#mediaviewer/Ficheiro:Lungs_diagram_simple.svg
ALVÉOLOS
Duas partes:
 Bronquíolo respiratório: entrada do 
alvéolo
 Ducto alveolar: Parte onde o ar circula 
dentro do alvéolo 
No alvéolo, uma membrana de 
apenas 4 µm separa os gases do 
sangue
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Bronchial_anatomy.jpg
ALVÉOLOS
Duas partes:
 Bronquíolo respiratório: entrada do 
alvéolo
 Ducto alveolar: Parte onde o ar circula 
dentro do alvéolo 
No alvéolo, uma membrana de 
apenas 4 µm separa os gases do 
sangue
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Bronchial_anatomy.jpg
TÓRAX
“caixa” ósse-muscular com 
propriedades de dilatação e 
contração
 Músculos intercostais (MI)
 Diafragma (D)
PLEURA
Pleura visceral (PV) 
 aderida ao pulmão
Pleura parietal (PP)
 aderida ao tórax
Espaço interpleural (EIP)
 Pressão negativa
PULMÕES
http://pt.wikipedia.org/wiki/Pulm%C3%A3o#
mediaviewer/Ficheiro:Lungs_open.jpg 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Pulm%C3%A3o#
mediaviewer/Ficheiro:Lungs_open.jpg 
ANATOMIA - PULMÃO
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/
Respiratory_System.html
RESPIRANDO
DUAS FASES
Inspiração (ar entra) Expiração (ar sai)
O ATO DE RESPIRAR
Dilatação do tórax leva à expansão do pulmão
 Costelas – elevação 
 Diafragma – abaixamento 
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/Res
piratory_System.html
O ATO DE RESPIRAR
Dilatação do tórax leva à expansão do pulmão
 Pressão negativa no EIP 
 260 a 1000 Pa
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/
Respiratory_System.html
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/
Respiratory_System.html
http://classes.midlandstech.com/carterp/Courses/bio211/chap22/Slide18.JPG
CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES
Ventilação (entrada e saída de ar) é um processo passivo
Não há trabalho muscular na expiração em repouso
 Trabalho é realizado somente na inspiração.
 Na expiração os músculos se relaxam
 Na respiração forçada, há trabalho no ciclo completo.
FATORES FÍSICOS QUE ALTERAM A 
RESPIRAÇÃO
http://classes.midlandstech.com/carterp/Course
s/bio211/chap22/chap22.htm
SISTEMA CIRCULATÓRIO X SISTEMA 
RESPIRATÓRIO
CONTROLE DA RESPIRAÇÃO
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/Respiratory_System.html
http://www.rci.rutgers.edu/~uzwiak/AnatPhys/Respiratory_System.html
UM CASO INTERESSANTE pneumotórax
PNEUMOTÓRAX
Resulta da alteração da pressão interpleural
http://en.wikipedia.org/wiki/Pneumothorax
http://www.radrounds.com/photo/pneumothorax-1-of-2-pedi
http://www.walgreens.com/marketing/librar
y/graphics/images/en/22702.jpg
Computed tomograph of the chest shows a large (70%) left-sided 
pneumothorax due to erroneous insertion of a central venous catheter.
Am J Crit Care July 2006 vol. 15 no. 4 415-419
http://pt.wikipedia.org/wiki/Pneumot%C3%B3rax#mediaviewer/Ficheiro:Pneumothorax_CT.jpg
VÍDEOS (ASSISTA EM CASA)
https://www.youtube.com/watch?v=tqllpaYqROw http://youtu.be/IjXtfWWt3jMVOLUMES E CAPACIDADES 
PULMONARES
VOLUMES E CAPACIDADES PULMONARES
INTERESSANTE NOTAR QUE
VC (Volume Corrente)
 Reflete necessidade de O2 no organismo. 
 Em repouso 0,15 l ficam nas vias superiores e 0,35 l penetram no alvéolo para 
realizar trocas gasosas. 
 Se for necessário mais oxigênio, aumenta-se o VRI  inspiração profunda ou ainda o 
VRE  expiração profunda.
INTERESSANTE NOTAR QUE
VRE 
 Está relacionado à força de compressão dos músculos torácicos (principalmente 
diafragma)
 Importância na fonação
INTERESSANTE NOTAR QUE
CRF
 Reflete o intervalo entre os dois ciclos
 Tempo suficiente para realizar trocas gasosas 
 CRF grande garante trocas mais eficientes.
Ding Y, Parham DF, Wang Z, Lee K (2012) Automatic Cycle Identification in Tidal Breathing Signals. J Bioengineer & 
Biomedical Sci 2:113. doi:10.4172/2155- 9538.1000113
Examples of tidal breath signals. Start and end points of each 
cycle are marked by the vertical dashed lines
VAMOS PENSAR UM POUCO?
O QUE ACONTECE DURANTE UM ATAQUE 
DE ASMA?
http://emedprimarycare.com/wp-content/uploads/2014/04/asthma-airways-jacksonville.jpg
http://staff.fcps.net/cverdecc/Adv%20A&P/No
tes/Respiratory%20ADAM/Pulmonary%20venti
lation/study_questions_on_pulmonary_ven.htm
Pressões típicas (a), razão de fluxo (b), e volumes pulmonares (c) durante uma 
respiração tranquila para um indivíduo normal (linha sólida) e um paciente com uma via 
respiratória estreita (linha tracejada). Note o acréscimo de pressão e o decréscimo da 
razão de fluxo durante a expiração no paciente com as vias respiratórias estreitadas
ht
tp
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http://www.zuniv.net/physiology/book/images/13-4.jpg
http://www.zuniv.net/physiology/book/images/13-6.jpg
BIBLIOGRAFIA
BIBLIOGRAFIA
OKUNO, Emico; CALDAS, Iberê Luiz; CHOW, Cecil. Física para 
ciências biológicas e biomédicas. Harbra, 1986.
HENEINE, Ibrahim Felippe. Biofísica básica. In: Biofísica básica; Basic 
Biophysics. Editora Atheneu, 2000.
New Human Physiology | Paulev-Zubieta
http://www.zuniv.net/physiology/book/index.htm