BIOMECÂNICABiofísica da Respiração

Prof. Adriana Paula Braz de Souza

Respiração

• Os seres vivos, com relação ao uso de oxigênio, se dividem em duas classes principais:

• Aeróbios – que usam oxigênio;• Anaeróbios – que não utilizam, ou usam oxigênio em

circunstâncias especiais.

• Os animais necessitam de oxigênio para a manutenção dos processos metabólicos que lhes garantem a vida;

• Os gases, trocados ao nível pulmonar, são transportados pelo sangue, e nas células, o oxigênio é usado para a produção da água endógena, um processo que neutraliza hidrogênio protônico e que se chama respiração celular.

• A troca de gases ao nível pulmonar é também chamada de respiração externa.

Atmosfera terrestre

• A atmosfera da Terra é uma camada de gases que envolve o planeta e que a ele se mantém presa em virtude da gravidade;

• Desses gases, aproximadamente 21% é oxigênio, 0,03% é gás carbônico e 79% outros gases.

• A pressão atmosférica varia com a altitude, reduzindo-se à medida que ela aumenta.

Hemiciclo• 1º hemiciclo – Inspiração – ar atmosférico é inspirado

para uma estrutura bem permeável, o pulmão, onde entra em contato com o sangue. O₂ é absorvido.

• 2º hemiciclo – Expiração – o ar pulmonar é expelido para o ambiente, carreando o CO₂ e outros componentes para fora.

• Com a sequência Inspiração x Expiração, o sistema respiratório realiza a troca rápida de O₂ e CO₂ , no pulmão. A circulação se encarrega de levar O₂ aos tecidos e trazer CO₂ ao pulmão.

Respiração• Na inspiração, o ar (≈ 80% N₂; ≈ 20% O₂) entra pelo nariz e faz

o seguinte caminho: boca, traqueia, brônquios, bronquíolos e alvéolos (com aproximadamente 0,2 mm de diâmetro).

• Na expiração, o gás alveolar (≈ 80% N₂; ≈ 16% O₂; ≈ 4% CO₂) faz o mesmo caminho, mas inversamente.

Respiração

• Na inspiração, aumenta-se o volume da cavidade torácica, o que reduz a pressão do ar dentro do tórax com relação à pressão atmosférica. O ar é então sugado até chegar aos alvéolos.

• Na expiração normal o volume da cavidade torácica é reduzido, a pressão alveolar ultrapassa a pressão atmosférica e o ar flui dos pulmões para a atmosfera.

Hipóxia• A hipóxia tissular ocorre primeiro nos tecidos que, em virtude

do seu metabolismo, consomem grande quantidade de oxigênio;

• Baixa pressão parcial de oxigênio podem apresentar sintomas visuais, miocárdicos e neurológicos;

• Visuais: Redução da visão em ambiente escuro;• O coração: Aumento da frequência cardíaca, pode ocorrer

crise de angina do peito do paciente com coronariopatia;• Neurológicos: Confusão mental, incoordenação motora,

distúrbios do comportamento, que vão da euforia à ira. • Respiração ofegante, levando a alcalose respiratória com

náuseas e dores de cabeça, além de edemas (raros).

Sistema Respiratório

• O aparelho respiratório é composto por um tubo, a traqueia que leva ar ao pulmão onde esse ar entra em contato íntimo com o sangue.

• Os pulmões estão encerrados dentro de uma caixa ósseo-muscular, o tórax, que se dilata e contrai através dos músculos intercostais e do diafragma.

• Entre o pulmão e a caixa torácica há um duplo folheto seroso, formado pela pleura visceral, colada ao pulmão, e pleura parietal, aderida ao tórax.

Pulmões

• Os pulmões estão envolvidos pela pleura visceral e ocupam cerca 4/5 do volume da cavidade torácica. No adulto, após uma expiração normal, o volume de ar contido em cada pulmão é de 2.500ml a 3.000ml;

• Os pulmões são órgãos muito extensíveis;• Os pulmões são mantidos expandidos no

interior da cavidade torácica graças a pressão negativa do espaço pleural.

• A parede torácica é formada por pele, tecido celular subcutâneo, arcos costais, esterno, clavículas, coluna dorsal, ligamentos, músculos, pleura parietal, vasos e nervos.

• É uma estrutura elástica que, em combinação com os movimentos do diafragma, promove as variações de volume da cavidade do tórax.

Parede torácica

Músculo da Inspiração

• Diafragma, intercostais e grande peitoral.• Alguns músculos colaboram com a inspiração,

reduzindo a resistência das vias aéreas (digástrico, músculo da asa do nariz, musculatura das bochechas, elevador do palato, músculos laríngeos, língua e músculos posteriores do pescoço).

Músculos Expiratórios

Os principais músculos expiratórios são: • musculatura da parede abdominal• transverso do abdômen • oblíquos externos • oblíquos internos• reto abdominal• musculatura da parede torácica• triangular do esterno• intercostais internos

O ato de respirar

• Ventilação pulmonar:1. A ventilação, isto é, a entrada e saída de ar em condições

normais, é puramente passiva. Um indivíduo com as vias aéreas obstruídas, pode dilatar ou contrair o tórax, que nenhum movimento de ar se verifica.

2. Não há trabalho muscular na expiração em repouso, e inconsciente. Os músculos se relaxam. Existe trabalho na inspiração (contração muscular). Quando a respiração é forçada, há trabalho muscular no ciclo completo.

A mecânica da respiração

• Expansão pulmonar e pressão pleuralOs pulmões permanecem expandidos por causa da

pressão pleural que, durante as pausas compreendidas entre a expiração e a inspiração, é de -2cmH2O a -5cmH2O.

As forças do espaço pleural equilibram as forças elásticas intrapulmonares que tendem a promover o colapso do órgão. Assim, durante as pausas respiratórias, a pressão intra-alveolar (ou intrapulmonar) é igual à pressão atmosférica.

Não havendo gradiente pressórico, o fluxo de ar nas vias aéreas, nesses instantes é nulo.

• Na inspiração, o volume da capacidade torácica é aumentada, reduzindo a pressão pleural, que passa a variar entre -4cmH2O e -8cmH2O.

• O aumento da pressão negativa no espaço pleural reduz a pressão alveolar e promove, assim, a entrada de ar pelas vias aéreas, enchendo os pulmões.

• Em situações de exercício ou de doença obstrutiva, a pressão pleural pode alcançar valores muito mais negativos, podendo chegar a -135cmH2O.

A prensa abdominal

• Campbell (1958), estudando a ação dos músculos abdominais na expiração, mostrou que a prensa abdominal não é ativada enquanto a resistência do fluxo expiratório é menor do que 10cmH2O, quando essa resistência está levemente aumentada, o homem pode respirar sem auxílio da musculatura do abdômen.

• Os músculos expiratórios abdominais são ativados quando a resistência ao fluxo está muito aumenta ou quando a ventilação pulmonar ultrapassa 400ml/min.

• Eles também se manifestam na tosse, no espirro, no vômito e na manobra compressiva.

• Durante a expiração, a queda de negatividade na pressão pleural favorece as forças de colapso pulmonar. Estas colaboram para aumentar a pressão intra-alveolar, fazendo que o ar dos pulmões seja expulso. Os músculos expiratórios podem elevar e manter a 160cmH2O a pressão intratorácica.

Frequência respiratória

• A respiração pulmonar é um processo rítmico. • A frequência dos ciclos respiratórios, no entanto, varia com a idade, com o exercício e está alterada em alguns estados patológicos.

Idade(anos)

Freqüência respiratória(ciclos/min)

0-1 44

5 26

15-20 20

20-25 18

25-30 16

30-50 18

Quetelet - Variação da freqüência respiratória com a idade.

• Durante a inspiração, os pulmões seguem o movimento da parede torácica graças a uma fina camada de fluido que se encontra no espaço pleural;

• Quando o tórax se expande na inspiração, a aderência e a inexpansibilidade da camada de líquidos existente entre as pleuras mantêm os pulmões solidários aos movimentos da parede torácica.

• A fluidez da água, todavia, permite que as duas superfícies,unidas pela película líquida, possam mover-se com facilidade, quando submetidas a esforços longitudinais.

O esforço nas Pleuras

Biofísica da ausculta pulmonar

• As principais fontes sonoras do tórax são o coração e os pulmões. Entretanto, traquéia, os brônquios, pleura, o pericárdio, os grossos vasos e o esôfago podem gerar sons importantes.

• A ausculta pulmonar é feita na região anterior, posterior e laterais do tórax. Sobre as escápulas os sons do pulmão podem estar atenuados devido à reflexão que ocorre quando a onda sonora passa do meio líquido para o meio ósseo.

Assim , quando são auscultadas as regiões posteriores do tórax, os ruídos pulmonares são ouvidos mais intensamente abaixo das escápulas e nas regiões paravertebrais. Também devem ser auscultadas as fossas supra e subclaviculares, regiões onde melhor se ouvem os sons dos ápices pulmonares.

Características Físicas dos Sons Pulmonares

• Trendelenburg, Willians, Dodge, Pierach, Landes, Cabot e outros estudaram a faixa de frequências dos sons que podem ser percebidos durante a ausculta clínica. Cabot e Dodge concluíram que os sons de interesse na ausculta estão abaixo de 1.000 Hz. Analisando os sons pulmonares e cardíacos, verificaram que:

• Os sons pulmonares têm, em relação aos cardíacos, uma quantidade menor de componentes de baixa frequência e são, por isso, mais agudos. No murmúrio vesicular é pequena a quantidade de harmônicos com frequência menor do que 240 Hz.

• Os sons da respiração brônquica estão entre 240 e 1.000 Hz.• As cavidades bucal, nasal, faríngea e laríngea apresentam

ressonância entre 300 e 500 Hz.

A origem dos sons se deve ao fenômeno físico do escoamento

dos fluidos• Quando o escoamento é laminar não há formação de

remoinhos no interior da massa fluida e o movimento se faz de forma silenciosa.

• Quando o escoamento é turbulento, ao contrário , o som é ruidoso, pois se caracteriza pela grande quantidade de turbilhões no interior do fluido. Na respiração forçada ou quando há obstáculos nas vias aéreas, o fluxo de ar nos tubos respiratórios é turbulento. Quanto maior for a velocidade dos turbilhões mais agudos, mais intensos serão os sons produzidos

Os sons normais da respiraçãoOs ruídos respiratórios normais são formados tanto nas

vias aéreas, como nos alvéolos pulmonares. Didaticamente, eles se classificam em:

• Som bronquial: Chamado também de ruído laringotraqueobrônquico, pois pode ser escutado nessas estruturas assemelha-se ao som que é produzido quando ar passa por um tubo longo e por isso é chamado de sopro tubário.

• Som broncovesicular: São resultados dos sons produzidos tanto ao nível dos brônquios, quanto alvéolos. Ele pode ser auscultado nos ápices pulmonares especialmente à direita, onde a presença de um brônquio calibroso situado perto da parede torácica, intensifica o ruído bronquial.

Os sons normais da respiração

• Murmúrio vesicular: É audível por toda a parede torácica, exceto sobre o precórdio, onde predominam os sons do coração. Ele é produzido pelo turbilhão aéreo que se forma durante o enchimento e o esvaziamento dos alvéolos pulmonares. Devido à pequena velocidade do fluxo de ar ao nível dos alvéolos se propaga como um ruído de tonalidade grave e fraco.

Normalmente, os sons das vias aéreas sofrem atenuação à medida que se aproximam dos alvéolos. Isso se deve às resistências de atrito e aos componentes de reatância elástica e de massa que existem no meio fluido e nas paredes dos tubos. Além do mais, o grande crescimento da área da árvore respiratória faz com que a velocidade do fluxo aéreo diminua à medida que a corrente de ar se aproxima dos alvéolos, reduzindo, assim, as intensidades dos sons formados e contribuindo para o aparecimento de sons graves.

Biofísica dos sons anormais da respiração

Sons na asma e no enfisema pulmonar

• Na asma brônquica há uma redução da luz brônquica. Esta é produzida por contração da musculatura lisa dos pequenos brônquios e dos bronquíolos. No enfisema, ao contrário, a doença caracteriza-se pela destruição da camada muscular dos bronquíolos, tornando essas estruturas mais facilmente deformáveis. Em ambos os casos, no entanto, a expulsão do ar dos alvéolos para os brônquios está dificultada. Assim, os alvéolos, mantidos em regime permanente de alta pressão interna, acabam por se dilatar. Esse aumento de volume reflete-se nas dimensões do tórax, que por sua vez, aumenta de volume, adquirindo uma geometria de aspecto característico e conhecida como tórax enfisematoso ou asmático.

Estertores• Os sons anormais do aparelho respiratório aparecem

associados aos ruídos normais, mas por sua vez, podem substituí-los numa determinada região do pulmão.

• Os sibilos são sons longos, agudos e musicais que se formam em regiões de fluxo aéreo de alta velocidade. A presença desse sinal acústico reflete, geralmente, a redução do diâmetro bronquiolar.

• Os roncos são ruídos longos, graves e musicais, gerados pelo turbilhão aéreo que se forma com a movimentação de muco e de líquido dentro da luz das vias aéreas. A baixa frequência do som dos roncos indica que a fonte sonora está acoplada a um ressonador de grande dimensão. Esses sons geralmente são formados em brônquios de grosso calibre.

• Os crépitos são sons explosivos (estalidos) gerados principalmente pela abertura dos alvéolos que são colapsados ou ocluídos por líquido viscoso. São inspiratórios e possuem a mesma intensidade e timbre (monofônicos). Não são alterados pela tosse.

• Os estertores ressonantes possuem características musicais. São por isso chamados de estertores consonantes. Entre eles, estão os cavernosos, que são produzidos no interior de cavernas pulmonares, bem como nas dilatações brônquicas (bronquiectasias). Apresentam sons graves de timbre musical. Quando existe líquido no interior da caverna, os estertores consonantes podem apresentar sons tipo gargarejo. Esses podem expressar um timbre anfórico quando a caverna possui raio maior do que 6 cm.

Sopros a nível torácico

• Várias doenças do parênquima pulmonar levam à proliferação de tecido fibroso em substituição aos tecidos normais do pulmão.

• Assim acontece nas inflamações graves desse órgão. Em geral, os sólidos transportam ondas sonoras com menor atenuação e maior velocidade do que os corpos fluidos. Isso se deve a uma menor impedância oferecida à propagação das ondas sonoras. Por isso, o endurecimento do pulmão produzido pela fibrose, permite o aparecimento de vias de baixa resistência à propagação e, como consequência, os sons bronquiais(sopro tubário) podem chegar à superfície pulmonar, tornando-se audíveis sobre a parede torácica.

Atrito pleural

• Os pulmões estão envolvidos pelas pleuras. Há uma pleura aderida ao pulmão (pleura visceral) e outra aderida à parede torácica(pleura parietal). Entre elas existe um espaço virtual denominado de espaço pleural. Durante os movimentos respiratórios as pleuras deslizam uma sobre a outra sem originar som, pois suas superfícies são lisas e se encontram lubrificadas pelo líquido pleural. Algumas doenças, no entanto, alteram essa condição e tornam essas superfícies ásperas. Nesses casos, quando as pleuras se movem, dão origem a um som chamado de atrito pleural, que se assemelha ao que é produzido quando duas superfícies de couro são atritadas. Ele é geralmente rude, quase nunca musical, não se modifica por ação da tosse e aumenta de intensidade se o tórax é comprimido. Devido à sua proximidade com a pele, o atrito pleural pode ser percebido pelo tato, fenômeno ao qual se denomina de frêmito pleural .

Sons normais

• Vídeo

Sons anormais

• Vídeo

• DURAN, J. E. R. Biofísica: Fundamentos e Aplicações. São Paulo: Prentice Hall Brasil, 2005.

• HEINENE, I. F. Biofísica Básica. São Paulo: Atheneu Editora, 2002.

• GARCIA, E. A. C. Biofísica. São Paulo: Sarvier, 2002. • SING, Glenan. Fisiologia Dinâmica. São Paulo: Atheneu, 2001.

Bibliografia