Biofisica da Circulação

Prévia do material em texto

Biofísica da circulação
Hemodinâmica cardíaca
Forças e mecanismos físicos 
relacionados à circulação sanguínea
Biofísica 2019 / Ciências Biológicas / FCAV UNESP 
Sistema circulatório 
1) Sistema cardiovascular – coração, vasos sanguíneos, sangue,
sistema de controle (SN autônomo)
a) Coração - bomba impulsiona sangue pelos vasos para as células
do corpo e pulmões (5 litros / min).
b) Vasos sanguíneos – rede tubular liga coração a todas as células
em sentido de ida e volta. Artérias e veias.
c) Sangue – fluido de transporte.
2) Sistema linfático (sistema circulatório secundário) – vasos linfáticos
e tecidos linfoides (baço, timo, nódulos linfáticos, amídalas)
Eventos do ciclo cardíaco
Sístole e diástole
1) Metabolismo molecular – despolarização em células auto-excitáveis
2) Eventos elétricos – Potencial de Ação se propaga no coração
3) Eventos musculares – contração das fibras cardíacas
4) Eventos hidrodinâmicos – a massa sanguínea circula nos vasos 
Duas forças físicas 
determinam o ciclo 
cardíaco
1 2 3 4
Campo Eletromagnético Campo Gravitacional
Grande circulação
Pequena circulação
Aspectos 
anatômicos do 
sistema 
circulatório
Circulações sistêmica e pulmonar
Microcirculação - componentes
Sistema circulatório
A circulação sistêmica inclui a aorta, artérias, capilares, vênulas, veias e as veias cavas
A circulação pulmonar inclui as veias e artérias pulmonares
Direção do fluxo sanguíneo
Valvas 
cardíacas
Músculos papilares e cordas tendíneas
Valvas cardíacas - estruturas internas do coração; função - impedir o retorno do sangue.
Finos folhetos de tecido fibroso (cúspides), presos às paredes internas do músculo
cardíaco (músculos papilares), por cordas tendíneas (colágeno).
Abrem-se e fecham-se passivamente, sendo puxados durante a contração dos músculos
papilares e ventrículos.
1) válvula tricúspide, entre o
átrio e o ventrículo direitos;
2) válvula pulmonar
(semilunar), entre o ventrículo
direito e a artéria pulmonar;
3) válvula mitral (bicúspide),
entre o átrio e o ventrículo
esquerdos;
4) válvula aórtica (semilunar),
entre o ventrículo esquerdo e a
aorta;
1) 
3) 4) 
2) 
O sistema linfático 
Três funções inter-relacionadas:
(1) remoção dos fluidos em excesso dos tecidos corporais,
(2) absorção dos ácidos graxos e transporte da gordura para o sangue,
(3) produção de células imunes (monócitos, linfócitos e células produtoras de
anticorpos).
Os vasos linfáticos têm a função de drenar o excesso de líquido que sai do
sangue e se junta ao líquido intersticial. Esse excesso de líquido que circula
nos vasos linfáticos e é devolvido ao sangue é a linfa.
Linfa - líquido transparente e esbranquiçado, constituído essencialmente
pelo plasma sanguíneo, proteínas e por glóbulos brancos.
A linfa é transportada pelos vasos linfáticos em sentido unidirecional e
filtrada nos linfonodos (nódulos linfáticos ou gânglios linfáticos). Após a
filtragem, é lançada no sangue, desembocando nas grandes veias torácicas.
Relação dos sistemas sanguíneo e linfático
Relação dos sistemas sanguíneo e linfático
Estrutura dos vasos
Estrutura dos vasos da microcirculação
Diferença entre artéria e veia
Tamanho do coração – 0,6% peso corporal 
Variação - genética, taxa metabólica.
Volume sanguíneo – 8% peso corporal 
Relação entre a massa corpórea e o tamanho do coração
Distribuição do débito cardíaco
Distribuição do 
débito cardíaco 
durante repouso e 
exercício
Campo elétrico e a circulação
Sistema especializado de condução do coração (1 + 2 + 3 + 4)
1
3
2
4
Sequência da excitação cardíaca 
Células auto-excitáveis ou células marca-passo
• Feixe de Hiss e fibras de Purkinje - sistema condutor
especializado organiza as contrações cardíacas.
• Células musculares especializadas em condução elétrica -
transmitem impulsos elétricos a partir do nodo
atrioventricular.
Quatro momentos da contração:
1) Célula do marca-passo SA despolariza
2) PA se propaga para o átrio esquerdo
3) PA passa pelo Feixe de Hiss e atinge o ápice ventricular
4) PA se espalha pelas fibras de Purkinje
Correlação entre os eventos elétricos e iônicos
Eventos mecânicos
Contração da musculatura cardíaca
• Músculo cardíaco estriado. Particularidade - músculo sincicial
Registro dos eventos elétricos
Base do ECG
O eletrocardiograma (ECG) é o registro dos sinais elétricos emitidos
durante a atividade cardíaca.
Reflete a atividade do coração e fornece informações sobre os
impulsos que coincidem com cada fase da estimulação cardíaca.
O coração, durante sua atividade, age como um gerador de
correntes elétricas que se espalham no sistema condutor (músculo
cardíaco), gera potenciais elétricos cuja evolução no tempo pode ser
prevista.
Registro dos eventos elétricos
Base do ECG
Einthoven estabeleceu 3 derivações dispostas de modo a formar os
lados de um triângulo equilátero (Triângulo de Einthoven).
Derivação - linha que une dois eletrodos. Uma derivação corresponde ao 
registro obtido por um eletrodo posicionado em qualquer ponto do corpo.
Normalmente, os eletrodos são colocados na superfície do tórax e dos
membros, mas existem situações onde se usam eletrodos no interior
do esôfago, no interior do coração ou na superfície do coração.
Derivações 
bipolares
Derivações 
unipolares
ECG - eletrocardiograma
ECG
Células de Purkinje
e
Normal 
Bloqueio 
parcial
Bloqueio 
completo
Cálculo da frequência cardíaca
Taxa metabólica é proporcional à frequência cardíaca.
Tempo de circulação do volume sanguíneo:
• Elefante – 140 segundos
• Homem – 50 segundos
• Camundongo – 7 segundos
Peso do coração (0,6%) 
x
Frequência cardíaca
Ciclo cardíaco – sístole e diástole
Sístole
Diástole
Eventos no AE, VE 
e aorta durante o 
ciclo cardíaco
Elétricos
Mecânicos 
Sonoros
Sons 
cardíacos 
Origem dos sons cardíacos
Fechamento das válvulas AV (mitral) e semilunar aórtica 
produzem sons audíveis na superfície corporal
2º som
1º som
Campo gravitacional e a circulação
Energia potencial
Energia cinética
Energia gravitacional
Atrito 
Pressão
Viscosidade
Mecânica circulatória
Circulação sanguínea – sistema fechado, com o volume circulatório 
em regime estacionário (mamíferos)
Sistema fechado, com o volume circulatório em regime estacionário 
Propriedades de um fluxo em regime estacionário
Fluxo – volume que se movimenta (ml/min)
Ec - energia cinética
Ep - Pressão lateral (energia potencial)
1) Regime estacionário - volume que entra no sistema é o mesmo que sai
2) Energética – A velocidade de circulação (energia cinética - Ec) diminui à 
medida que o diâmetro aumenta. 
3) Pressão lateral aumenta, porque a soma de Ep+Ec é constante. Ep cresce
às custas da Ec.
Qual a relação entre as condições de fluxo estacionário e a 
fisiologia circulatória?
Quebra do regime (consequência?)
Ex. 1 - Edema pulmonar - Quantidade de sangue que entra na circulação
pulmonar é maior que a que sai. Acúmulo da sangue (estase) –
extravasamento de plasma nos alvéolos - impede a troca gasosa, afoga o
paciente no próprio plasma.
Causas – falha da bomba cardíaca
Processo agudo – estase de 1% por 10 minutos mata o paciente.
Ex. 2 – Hemorragia – aguda é uma condição grave (estancar sangramento,
repor líquido perdido); crônica (restabelecimento da volemia).
Hemorragia arterial e venosa.
Padrões anormais de fluxo sanguíneo – quebra do RE
Fístulas
Relação entre a velocidade de circulação e o diâmetro dos 
vasos?
Área dos segmentos vasculares é muito variável, fluxo é
obrigatoriamente constante - velocidade de circulação varia.......
Relação entre a energética de fluxo e a pressão lateral
Em um sistema líquido que se movimenta em tubos, pelo trabalho de
uma bomba, a energia total (ET) do fluido é dada por 4 componentes
(equação de Bernoulli):
ET = Ep + Ec + Ed + Eg
Ep - pressão lateral
Ec – deslocamento do fluido
Ed – atrito
Eg – energiaposicional (gravidade)
Vasos que levam sangue aos tecidos
Pressão cai ao longo do vaso e diminui a força de irrigação dos tecidos. 
Qual a estratégia do organismo para compensar? 
Relação entre a energética de fluxo e a pressão lateral
Estratégia de compensação? A compensação se dá por segmentação das
artérias, criando área total maior.
Pressão de irrigação nas artérias distais é menor que nas artérias
proximais.
Anomalias de fluxo
O que ocorre com a pressão quando há anomalias de fluxo?
Aneurisma e Estenose - (AVC e infarto)
Onda de pulso e velocidade de circulação
Onda de pulso – dilatação das artérias, sincrônica com os batimentos
cardíacos (pulso). É energia mecânica – valor diagnóstico
Corrente sanguínea é deslocamento da massa de sangue (movimento das
hemácias).
A onda de pulso se propaga com velocidade 4 a 6 vezes maior que a
corrente sanguínea
Energética na sístole e diástole
Ec
Ep
Ep
Por que a pressão e o fluxo 
continuam durante a diástole?
Em nenhum momento do ciclo:
1) O fluxo se interrompe
2) A pressão se anula
Energia potencial armazenada nas 
paredes das artérias se transforma 
em energia cinética
Posição ereta – distância entre o coração e o cérebro.
Pássaros - Pam mais alta – sujeitos a variações maiores de P pela
aceleração da gravidade durante o voo.
Ao nível do coração
Ao nível do cérebro
(280 – 180)
(120 – 80)
(140 – 95)
Animais diferem nos níveis de P arterial média – forma e atividade
Cara, você é 
ridículo
Você tem ideia 
melhor?
Hipertensão de origem vascular e 
sua energética
Pressão nos capilares - Forças envolvidas
Capilares – parte do sistema circulatório onde ocorrem trocas metabólicas 
com os tecidos
Capilares
Comprimento médio - 0,5 a 1,2 nm (800.000 a 1.200.000 nm) 
Diâmetro - 8 a 8,5 µm
Velocidade – 0,4 mm/s (suficiente para permitir as trocas)
Parede – camada única de células endoteliais
Poros – 3 nm (cérebro; barreira hemato-encefálica) a 10 nm (fígado)
A qq instante – 5% do sangue 
(250ml) está no leito capilar
5 litros por minuto
Pressão e filtração nos capilares - Forças envolvidas
Pressão e filtração nos capilares - Forças envolvidas
O estado estacionário no capilar é importante. Se o fluido que sai for 
maior que o fluido que entra - edema
Tipos de fluxo sanguíneo – regime de escoamento
Relação com a circulação sanguínea
Laminar - silencioso 
Turbilhonar - ruidoso
Reologia (fluxo e deformações 
do fluxo)
Velocidade crítica
Distribuição das camadas do fluido
No fluxo laminar – velocidade das camadas é > no centro 
Próximos às paredes – acúmulo de elementos figurados 
Importância do conhecimento – colheita de sangue – vasos calibrosos -
não reflete a composição média do sangue
Regime de fluxo e medida da pressão arterial
Esfigmomanômetro 
Regime de fluxo e sopros circulatórios
Sopros circulatórios – mudança do regime circulatório
1) Ocorrência comum em crianças e em adultos após exercício físico
3) Estreitamento de válvulas cardíacas por lesão inflamatórias ou 
degenerativas – cicatrizes estenosantes – fluxos com velocidades 
acima da crítica (sistólicos ou diastólicos)
4) Abaixamento da viscosidade do sangue (anemia)
5) Fístulas arteriovenosas ou interventricular. Interatrial não tem som 
audível (pressão mais baixa) 
6) Aneurisma – jato de sangue ao passar pela área alterada (turbulência 
e ruído)
Fatores físicos que condicionam o fluxo
Equação de Poiseuille
F= π ΔP r4
8 ΔL η
Π e 8 - constantes de integração
P – diferença de pressão
r – raio do tubo
L – comprimento do tubo
η – viscosidade do sangue
viscosidade
raio
Fatores físicos que condicionam o fluxo
P – pressão
r – raio do tubo
L – comprimento do tubo
η – viscosidade do sangue
Alteração do número e volume de células
Relação entre pressão e tensão
Lei de Laplace
Complacência das paredes (capacidade de distensão)
Elasticidade – reação a forças deformantes (estrutura do vaso)
Diferença entre tensão e pressão
Pressão – força exercida pelo
sangue nos vasos
Tensão - medida indireta da
pressão considerando todas as
estruturas que envolvem as
artérias naturalmente (músculos,
tecido adiposo, pele).
Aula prática
Registro da atividade elétrica, pressão 
sanguínea arterial, sons cardíacos e 
pressão de pulso no homem