BIOFISICA DA RESPIRAÇÃO

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO- UEMA
CENTRO DE ESTUDOS SUPERIOS DE CAXIAS-CESC
CURSO DE CIENCIAS LIC.-HAB. EM BIOLOGIA
CAXIAS-MA
2015
Biofísica 
da
 Respiração
INTRODUÇÃO
Os animais necessitam de oxigênio para a manutenção dos processos metabólicos que lhes garantem a vida.
Respiração celular
Respiração externa
Biofísica da Respiração
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A ATMOSFERA TERRESTRE
Características da atmosfera terrestre
-21% oxigênio, 0,03% de gás carbônico e 79% é uma mistura de gases;
Biofísica da Respiração
Compressibilidade 
Atmosfera terrestre não é homogênea
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 O APARELHO RESPIRATÓRIO
Vias aéreas
Boca, cavidades nasais, e faringe, laringe e traqueia
Biofísica da Respiração
Figura 1: Vias aéreas
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Fonte: www.scielo.br
45% da função respiratória deve-se ao pulmão esquerdo.
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Biofísica da Respiração
Figura 2 Pulmões
Fonte: www.scielo.br
Pulmões
 O APARELHO RESPIRATÓRIO
Pulmões
Biofísica da Respiração
Figura 3:Aparelho respiratório
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Muito extensíveis
Redes de fibras elásticas
Parênquima pulmonar
Acúmulo de energia potencial elástica
Fonte: www.scielo.br
Biofísica da Respiração
Os pulmões são mantidos expandidos no interior da cavidade torácica devido à pressão negativa do espaço pleural.
Fonte: www.scielo.br
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Figura 4: Pleura
Biofísica da Respiração
Pele, tecido celular subcutâneo, arcos costais, esterno, clavícula, coluna dorsal, ligamentos, músculos, pleura parietal, vasos e nervos.
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A parede torácica
Estrutura elástica que, junto com os movimentos do diafragma, promove as variações de volume da caixa torácica
Figura 5: Parede torácica
Fonte: www.scielo.br
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Diafragma, intercostais externos e grande peitoral
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Músculo de inspiração
Figura 6: Músculo de inspiração
Fonte: www.scielo.br
Grandes esforços inspiratórios
esternoclidomastóideo
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A contração dos músculos expiratórios aumenta a pressão intratorácica
Figura 7: Músculo de expiração
Compressão exercida pelas vísceras abdominais sobre o diafragma, do encurvamento do tronco e do rebaixamento dos arcos costais.
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Músculo de expiração
Transverso do abdômen, Oblíquos externo e interno, reto abdominal, triangular do esterno e intercostais internos
Fonte: www.scielo.br
Expansão pulmonar e pressão pleural
-Durante as pausas a pressão pleural => -2cmH2O a -5cmH2O;
Na inspiração a pressão pleural => -4cmH2O a -8cmH2O;
Situações de exercícios ou doença obstrutiva=> -135cmH2O.
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A MECÂNICA DA RESPIRAÇÃO
A movimentação pulmonar e pressão pleural
Figura 8: Relação de pressões e expansão pulmonar
Fonte: www.scielo.br
A prensa abdominal
Na expiração a pressão pleural => -2 a -4cmH2O;
 Valores ligeiramente positivos => expiração é forçada
-Músculos expiratórios abdominais.
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Figura 9: Relação de pressão e compressão pulmonar
Fonte: www.scielo.br
 aumento da resistência ao fluxo, ventilação pulmonar > 400ml/min.; tosse, espirro, vômito
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Pressão intrapulmonar (760mmHg)
Pressão intrapleural (756mmHg)
Pressão atmosférica (760mmHg)
754mmHg
757mmHg
763mmHg
757mmHg
diafragma
Inspiração
Expiração
Figura 10: Ciclo Respiratório
Ppul < Patm
Ppul > Patm
Ppul = Patm
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repouso
Fonte: www.scielo.br
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Frequência respiratória
Varia com a idade , com o exercício e está alterada em alguns estados patológicos.
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Tabela 1- A Variação De Frequência Respiratória com Idade
A pressão pleural
Medida da pressão pleural
Duas técnicas para medir a pressão da cavidade pleural:
1.Punciona-se a parede torácica até alcançar o espaço pleural e, então conecta-se um manômetro à agulha; 
2.Coloca-se no terço inferior do esôfago uma sonda dotada de balonete longo. O balonete e inflado com agua e a sua pressão é monitorada com o auxilio de um manômetro.
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Força Muscular 
-Ranh et al (1946) estudaram a variação da pressão pleural durante a inspiração e expiração máximas;
 
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 Tabela 2- Parâmetros respiratório
A capacidade vital representa a quantidade de ar que um individuo movimenta durante uma expiração forçada realizada após uma inspiração máxima.
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Escoamento do ar nas vias aéreas
-A equação de Poiseuille: a movimentação de ar aos tubos respiratórios obedece à equação de Poiseuille.
-o fluxo gasoso pode ser calculado pela expressão:
 
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Os tipos de escoamento
-Laminar: o fluido se move em camadas, a mais superficial esta em contato com a parede do tubo, possui velocidade muito pequena;
-Turbulento: o fluido desenvolve remoinhos e não há organização mecânica no movimento;
-Misto: envolve tanto o laminar e o turbulento.
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Figura 11: tipos de escoamento
Fonte: www.scielo.br
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Número de Reynolds
-Estudou o movimento de fluidos em tubos e concluiu que a tendência ao fluxo turbulento poderia ser prevista;
-O numero de Reynolds (N) é dado pela expressão:
Onde:
N- é o numero de Reynolds 
v- é a velocidade media do fluido
d- é o diâmetro do tubo
µ- e a densidade do fluido
η- é a viscosidade cinemática do fluido.
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Forças envolvidas no escoamento
-Forças elásticas (parede torácica e dos pulmões);
-Resistência (viscosa do ar, turbulência, alteração de volume de órgãos;
-Força de atrito;
-Forças necessárias para vencer a inércia dos sistemas móveis. 
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Descoberta de Bernoulli
-Relação inversa entre a velocidade(V) do fluxo aéreo e a pressão (P) que o gás exerce sobre a parede interna da tubulação que o contém.
-Brônquios estreitos e enfisema pulmonar
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Medidas espirográficas
Volumes e capacidades pulmonares
volume-corrente volume de ar inspirado durante um ciclo respiratório.
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Figura 12: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 500ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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volume de reserva inspiratória: quantidade de ar que, partindo do volume-corrente inspirado ,pode ser movimentada durante um esforço máximo.
Biofísica da Respiração
Figura 13: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 3000ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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volume de reserva expiratória: volume máximo adicional de ar que pode ser eliminado por expiração forçada.
Biofísica da Respiração
Figura 14: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 1.100ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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volume residual: O ar que não pode ser expulso dos pulmões.
Biofísica da Respiração
Figura 15: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 1.200ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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Capacidade pulmonar total: volumes de reserva inspiratória+ volume corrente + volume de reserva expiratória + volume residual.
Biofísica da Respiração
Figura 16: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 1.200ml
± 1.100ml
± 500ml
± 3000ml
± 5800ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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Capacidade vital: volumes de reserva inspiratória+ volume corrente + volume de reserva expiratória.
Biofísica da Respiração
Figura 17: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 1.100ml
± 500ml
± 3000ml
± 4.600ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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Capacidade Inspiratória: : volume de reserva inspiratória + volume corrente .
Biofísica da Respiração
Figura 18: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 500ml
± 3000ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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Capacidade residual funcional: volume de reserva expiratória + volume residual
Biofísica da Respiração
Figura 19: Curvas espirográficas identificando os volumes e as capacidades pulmonares
± 1.200ml
± 1.100ml
Fonte: Nogueira, 2014.
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Espirometria nas doenças
Biofísica da Respiração
Doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC)
patologias obstrutivas do aparelho respiratório
bronquite crônica, enfisema pulmonar, fibrose cística, etc.
O volume residual e a capacidade residual funcional estão aumentados.30
NOTA: CTP, capacidade pulmonar total; VRE, volume de reserva expiratória; VR, volume residual. Fonte:Nogueira, 2014.
Biofísica da Respiração
Figura 20: Espirometria nas doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC)
Figura21: Espirometria nas Pneumopatias Restritivas
NOTA: CTP, capacidade pulmonar total; VRE, volume de reserva expiratória; VR, volume residual. Fonte:Nogueira, 2014.
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Espirograma
-É o registro temporal do volume de ar expirado;
Figura 22: Espirograma mostrando as principais variáveis que devem ser conhecidas para permitir o diagnóstico de doenças.
Biofísica da Respiração
NOTA: VF1, volume expiratório forçado no primeiro segundo; FEFmáx, volume expiratório forçado no primeiro velocidade máxima do fluxo de ar expirado; FEF25%,75%, velocidade do fluxo expiratório forçado, como uma média de 25% e75% do volume expirado.
Fonte: Nogueira, 2014.
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Alça fluxo-volume:
 
-registro importante que estuda a função pulmonar, em que o fluxo expirado fica no eixo das ordenadas e o volume expirado na abcissa.
Biofísica da Respiração
Figura 23: Alça fluxo-volume
Fonte: Nogueira, 2014.
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.
Figura 24: Espirograma de um paciente normal e de outro com asma brônquica. Nota-se a redução em todas as variáveis espirométricas.
Figura 25: Alça fluxo-volume de um paciente normal e de outro com asma brônquica.
Fonte: Nogueira, 2014.
Fonte: Nogueira, 2014.
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O esforço nas pleuras
Biofísica da Respiração
Fina camada de líquido
espaço pleural
Água e sais
Molha as pleuras
Força de adesão > força de coesão
Figura 26: inspiração
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Fonte: www.scielo.br
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Líquidos
Incompressíveis
Inexpansíveis
Mantêm os pulmões solidários aos movimentos da parede torácica
Aderência +
Figura 27: Expansão do tórax
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Fonte:www.scielo.br
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Biofísica da Respiração
O comportamento elástico das estruturas envolvidas com a respiração
A equação de Hooke
Energia => acelerar o ar 
-Vencer resistência ao fluxo gasoso;
-Sobrepujar a resistência oferecida pelos elementos elásticos;
-Tensão superficial
+ Expandido, maior força elástica
Estiramento de diversas estruturas
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Biofísica da Respiração
Hooke=> ut tensio sic vis = deformação é proporcional ao esforço.
F= -K.ΔX
K- constante elástica da mola;
ΔX- Variação de comprimento da mola, determinada pelo efeito deformante.
Elasticidade e extensibilidade
possam ser deformados
retornar a sua forma inicial
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A complacência pulmonar
Propriedade que os corpos ocos elásticos possuem de aumentar de volume quando submetidos a uma determinada pressão. 
Figura 28: Medida da complacência de um Balão.
NOTA: , variação de pressão aplicada; ,variação de volume. Fonte: Nogueira, 2014.
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-Medindo a complacência pulmonar em seres humanos:
Na inspiração a pressão cai, refletindo a pressão interpleural;
O volume de ar expelido é medido com um expirômetro;
Complacência= 
=
=Varição de volume do gás
=Variação da pressão
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Figura 29: Complacência pulmonar específica.
Fonte: Nogueira, 2014.
A complacência pulmonar específica => constante característica do parênquima pulmonar estudado.
complacência
complacência
Pressão
Volume
=
CP normal 0,20L/cmH2O
Diminuída fibrose (0,01L/cmH2O);
Aumentada Enfisema
A complacência pulmonar está indissoluvelmente ligada à complacência do tórax.
Abaixo dos valores normais , não facilita a respiração
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fibrose
-Murray et al (1972) estudaram as curvas pressão-volume de pacientes normas e enfisematosos.
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Complacência pulmonar não é constante para qualquer variação da pressão de insuflação.
Distendido estiver o pulmão > Complacência
Ar inflado
Líquido inflado
Ar 
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Figura 30: Experimento de von Neergaard com pulmões de gato
Forças responsáveis pela retração pulmonar
Tecidos =>fibras elásticas
Tensão superficial=> interalveolar
Neergaard (1929): + fácil distender os pulmões insuflando-os com solução salina.
tensão superficial
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Volume (ml)
Pressão (cmH2O)
Líquido
Fonte: Nogueira, 2014.
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A tensão superficial
-é uma força que une compactamente a camada monomolecular da superfície de um líquido.
Figura 31: Tensão superficial 
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Fonte:www.scielo.br
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2 efeitos no pulmão:
Tensão superficial da água =71x10-3N.m-1
tensoativas
No pulmão= 4 a 15x10-3N.m-1
Barreira de difusão: < tensão + difícil se torna as trocas gasosas.
Figura 32: alvéolo e camada de fluido. 
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dipalmitoil lectina
Fonte:www.scielo.br
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 Fechamentos dos alvéolos:
Figura 33: Alvéolo e Fechamentos dos alvéolos
Quanto maior a tensão superficial maior é tendência ao fechamento dos alvéolos.
Fonte:www.scielo.br
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Capilaridade
Os líquidos podem ou não molhar as superfícies com as quais estão em contato.
Figura 34: Gota de água e mercúrio sobre o vidro.
Fonte:www.scielo.br
Ar
vidro
< 90°
Menisco convexo
Menisco côncavo
Ar
vidro
> 90°
O surfactante alveolar
-Pressão e retração produzida pelos componentes elásticos do parênquima pulmonar.
Reduz a tensão superficial
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Figura 35: Pressão de retração produzida pela tensão superficial do liquido alveolar.
Fonte:www.anatomiaaplicada.com
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Pressão total de retração pulmonar
 
Pt= pressão total de retração pulmonar
Pe=componente elásticos
Pts=tensão superficial
Pt= Pe +Pts
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Composição química e propriedades do surfactante
-Composto por uma combinação de várias substâncias tensorredutoras:
85% fosfolipídios
5% de lipídios neutros
10% de proteínas
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OS PRINCIPAIS CONSTITUINTES DO SURFACTANTE SÃO:
Lecitinas saturadas e insaturadas
Lisolecitina
Colesterol
Ácidos graxos livres
Fosfatidiletanolamina
Glicerídeos
Fosfatidilglicerol + serina
Proteínas específicas
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Função e produção do surfactante
Proteínas especificas pneumócitos tipo II.
Proteínas (SP-A e SP-D) função em cooperação com os fosfolipídios para criar as propriedades tensorredutoras.
Nos pneumócitos tipo II o surfactante é armazenado em organelas chamadas de corpos lamelares.
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Figura 36– Esquema do metabolismo intracelular do surfactante
Fonte:www.scielo.br
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Mecanismos tensorredutor do surfactante
-Quando o alveolar está comprimido, a população de surfactante presente é relativamente alta , e com isso a tensão do líquido é baixa.
- Quando o alvéolo está expandido, sua superfície interna é grande e a área da superfície livre do líquido alveolar também é grande .
-As moléculas de surfactante diminui, elevando a tensão superficial do líquido alveolar.
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A lei de Laplace- relação entre tensão superficial
-Sistemas de tubos com as torneiras A,B e C , dois balões de borracha (ou bolhas de sabão);
-Quando a torneira A é fechada, B e C abertas, o balão menor se esvazia no maior.
-Raio menor, e a tensão maior;
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Figura 37 – Experimento de Laplac
Fonte:www.scielo.br
Surfactante e ventilação dos alvéolos
-Os experimentos de MEAD (1961) mostraram que os alvéolos pequenos devem exercer uma pressão de retração maior do que os alvéolos grandes;
-Os alvéolos estao interconectados pelos tubos respiratórios ventilar os alvéolos pequenos o surfactante pulmonar, a insuflação de ar expandiria ,os alvéolos maiores;
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-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 da eliminação do surfactante alveolar:
Síndrome da membrana hialina.
Proteinose alveolarEmbolia pulmonar
Pulmão choque
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Síndrome da membrana hialina
-Crianças recém –nascidas ;
Produção de surfactante é deficiente;
A força de retração alveolar é alta e dificulta a respiração é difícil
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Fonte:www.anatomiaaplicada.com
Figura 38: Variação da tensão superficial 
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Proteinose alveolar
-Causa desconhecida micose pulmonar;
-O surfactante está aumentado por causa de uma maior produção ou de uma menor eliminação;
-A consequência é a maior passagem de líquido para a cavidade alveolar produzindo edema pulmonar;
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Pulmão de choque e a embolia pulmonar
-Levam estados de hipóxia tissular.
-Interferem com os mecanismos de produção e da eliminação do surfactante.
-Conduz alterações mecânicas e imunológicas da função normal do pulmão.
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REFERÊNCIAS
Centro de Referências Para o Ensino De 
Física. Disponível: <htt:www.if.ufrgs.br>. Acesso em :27/06/2015.
HENEINE, I. F. Biofísica Básica. São Paulo: Editora Atheneu, 2010.
NOGUEIRA, Romildo. Biofísica: Respiração e Excreção. Universidade Federal Rural de Pernambuco.
Sistema Respiratório. Disponível :www.anatomiaaplicada.com. Acesso em : 27/06/2015.
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BOA NOITE
 E 
OBRIGADA!
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