| | | | | |
PNEUMO - BIOFÍSICA MED 2005


Introdução


Principais Funções do Sistema Respiratório. A função básica do sistema respiratório é suprir o organismo com oxigênio e, dele, remover o produto gasoso do metabolismo celular, o gás carbônico. Nos mamíferos os pulmões são os órgãos encarregados de fornecer oxigênio ao organismo e, através dele fazer a remoção do gás carbônico. Possuímos cerca de 70-100 metros quadrados de área pulmonar com 300 milhões de alvéolos pulmonares. Os pulmões não apenas fornecem o espaço para troca gasosa como também participam do equilíbrio térmico, manutenção do pH plasmático e do processo de fonação. O aparelho respiratório humano é composto por uma área de condução de ar ("espaço morto" - área de shunt pulmonar) e por uma área de troca gasosa (sacos alveolares). O espaço morto umidifica o ar já que por todo esse espaço há uma pressão de vapor de água correspondente a 47mmHg. O espaço morto sobre diversas ramificações a partir da traquéia, brônquios principais e lobares, aumentando sua área de secção transversa facilitando a troca de ar. A inervação do sistema respiratório é basicamente autonômica não havendo sensibilidade dolorosa neste órgão. O tônus parassimpático é o responsável pela broncoconstrição enquanto que o simpático, é responsável pela broncodilatação.

Mecânica Respiratória. A entrada de ar no organismo é decorrente da pressão atmosférica e, feita através da negatividade da pressão no interior do tórax, tornando possível a entrada de ar por diferença de pressão parcial de cada um dos gases. Essa diferença pressórica ocorre devido a mecanismos específicos que serão discutidos a seguir: na inspiração a caixa torácica é ampliada nos seus três eixos: longitudinal, sagital e transversal, promovendo assim uma pressão inspiratória. O aumento do eixo longitudinal é determinado pela contração do músculo diafragma que, devido a posição em que se encontra, ao se contrair, aumenta o tórax no sentido súpero-inferior. Já o aumento do diâmetro sagital é determinado pelo movimento das costelas (2ª a 6ª) que articulam-se com o osso esterno e com os corpos vertebrais, propiciando uma elevação do osso esternal, aumentando o tórax no sentido ântero-posterior, movimento que denominamos "braço de bomba", contando também com os músculos intercostais. O último movimento que o tórax realiza conta com a sétima, oitava, nona e décima costela num movimento denominado "alça de balde", aumentando o diâmetro transversal do tórax (eixo látero-lateral). A pleura deve sempre ser considerada quando falamos em mecânica respiratória, já que estas, tanto a visceral (aderida aos pulmões) quanto a parietal (aderida ao tórax), possuem um espaço entre si (virtual) contendo líquido que, através da tensão superficial, traciona os pulmões (figura 1).



Figura 1. Mecânica respiratória mostrando os movimentos do tórax ("alça de balde" e "braço de bomba") e pleuras viscerais e parietais.

Pressão Pleural. Entre a pleura pulmonar e a pleura da parede torácica, existe um líquido cuja pressão é chamada de pressão pleural. Essa pressão é, no início da inspiração, cerca de -5 centímetros de água, caracterizada pela sucção necessária para manter os pulmões abertos em seu nível de repouso. Durante a inspiração, essa pressão torna-se ainda mais negativa, cerca de -7,5 centímetros de água, devido à expansão da caixa torácica, que puxa os pulmões para fora com força ainda maior (ver figura 2). Enquanto, na inspiração, a pressão pleural cai de -5 centímetros de água para -7,5 centímetros de água, há um aumento de 0,5 litro de volume pulmonar. Na expiração, ocorre o contrário (figura 2). No pneumotórax há perda dessa pressão negativa pleural, logo, o pulmão não se distenderá seguindo o movimento torácico (figura 2).



Figura 2. O entendimento da mecânica pulmonar fica facilitado quando consideramos duas "molas": a torácica e a pulmonar.

Pressão Alveolar. É a pressão do ar no interior dos alvéolos pulmonares. Quando não há entrada nem saída de ar dos pulmões (glote aberta), as pressões em todas as partes da árvore respiratória são iguais à pressão atmosférica (zero centímetro de água). Durante a inspiração normal, a pressão alveolar diminui para cerca de -1 centímetro de água para que ocorra o fluxo de ar para o interior dos alvéolos. Durante a expiração, a pressão alveolar aumenta para cerca de +1 centímetro de água, o que determina a saída de 0,5 litro de ar inspirado pelos pulmões.

Pressão Transpulmonar. A diferença de pressão entre a pressão alveolar e a pleural é chamada de pressão transpulmonar. Esta fornece uma medida das forças elásticas.

Complacência dos Pulmões. A complacência refere-se ao grau de expansão dos pulmões que ocorre para cada unidade de aumento de pressão transpulmonar. No adulto normal, toda vez que a pressão transpulmonar aumenta em 1 centímetro de água, o volume pulmonar tem expansão de 200mL. No diagrama da complacência dos pulmões (ver figura 3), a relação entre as mudanças do volume pulmonar e pressão transpulmonar é diferente para inspiração e expiração. Cada curva é registrada ao se variar a pressão transpulmonar e ao se permitir que o volume pulmonar alcance seu nível de equilíbrio dinâmico entre as etapas sucessivas. As características do diagrama da complacência são determinadas pela força elástica do próprio tecido pulmonar e pelas forças elásticas causadas pela tensão superficial do líquido que reveste as paredes internas dos alvéolos e outros espaços aéreos dos pulmões. As forças elásticas do tecido pulmonar são determinadas, principalmente, pelas fibras de elastina e de colágeno entrelaçadas no parênquima pulmonar. Quando os pulmões estão expandidos, as fibras são estiradas e ficam desdobradas e, portanto, alongadas, embora ainda exerçam força elástica para retornar ao seu estado natural. As forças elásticas causadas pela tensão superficial são mais complexas e serão explicadas a seguir.

Tensão Superficial. Quando se forma interface entre água e ar, as moléculas de água situadas na superfície têm atração especialmente forte umas pelas outras. Como conseqüência, a superfície da água está sempre tentando contrair-se. Nas superfícies internas dos alvéolos, a superfície de água também está tentando se contrair, o que tende a forçar o ar para fora dos alvéolos e fazer com que os alvéolos entrem em colapso. O efeito final consiste na geração de força contrátil elástica de todo pulmão, denominada força elástica da tensão superficial. Os pneumócitos tipo II produzem surfactante (mistura de fosfolipídeos, proteínas e íons), que reduz a tensão superficial e encontra-se espalhado pela superfície de água que reveste os alvéolos. Se as vias aéreas dos alvéolos pulmonares forem bloqueadas, a tensão superficial que tende a causar colapso dos alvéolos irá criar pressão positiva no seu interior, procurando expelir o ar existente (PEEP). A quantidade de pressão gerada dessa maneira em um alvéolo pode ser calculada a partir da seguinte fórmula:



Se os alvéolos fossem revestidos apenas com água pura, o cálculo da pressão seria 4 vezes e meia maior do que nos alvéolos com surfactante. Assim, verificamos como o surfactante é importante para reduzir a quantidade de pressão necessária para expandir os pulmões.



Figura 3. Curvas relacionadas aos fenômenos físicos que propiciam a ventilação pulmonar. A histerese pulmonar é a relação entre as diferentes complacências pulmonares durante os processos de expiração e inspiração.

Espirometria. Para se estudar a ventilação pulmonar utiliza-se o espirômetro, aparelho que afere os volumes pulmonares. A espirometria avalia e registra os diferentes volumes de ar durante os processos de inspiração e expiração. O aparelho consiste numa campânula invertida sobre uma câmara de água, sendo a campânula contrabalançada por um peso. No interior desta, existe um gás inspirável - ar puro ou mesmo oxigênio - um tubo que conecta-se à boca do indivíduo que será testado. Quando o indivíduo expira ou inspira na câmara, a campânula sobe e desce, inscrevendo um registro gráfico. Assim, para facilitar a descrição dos eventos da ventilação pulmonar, as quantidades de ar presente em cada momento do ciclo pulmonar foram subclassificados em quatro volumes e quatro capacidades, sendo estas últimas, somas de alguns volumes assim denominadas: a) volume corrente (VC) - volume de ar inspirado e expirado em cada ciclo respiratório normal; b) volume de reserva inspiratório (VRI) - é o volume máximo adicional de ar que pode ser inspirado além do volume corrente normal; c) volume de reserva expiratória (VRE) - é o volume máximo adicional de ar que pode ser eliminado por expiração forçada após o término da expiração corrente normal; d) volume residual (VR) - é o volume de ar que permanece nos pulmões após esforço expiratório máximo. Dentre as classificações das capacidades citamos: a) capacidade respiratória (CR) - é a soma do volume corrente com o volume de reserva inspiratória; b) capacidade funcional residual - é a soma do volume de reserva expiratório com o volume residual; c) capacidade vital - classifica-se como a soma do volume de reserva inspiratória, volume corrente e com o volume de reserva expiratória; d) capacidade pulmonar total - configura-se na soma de todos os volumes discutidos acrescentando-se o volume residual.

Difusão dos gases. O sistema respiratório humano consiste na contínua renovação do ar nas vias aéreas, em diferentes pressões, nas proximidades dos vasos sangüíneos pulmonares. A troca gasosa ocorre por difusão na qual o movimento cinético das moléculas é grande. A figura abaixo ilustra as barreiras que o ar deve ultrapassar (difundir-se) para atingir o capilar sangüíneo e, a seguir, ser capturado pela hemoglobina (figura 4).



Figura 4. Barreira entre o ar atmosférico que atinge os alvéolos e o lúmen dos vasos sangüíneos.

Objetivos


O presente experimento apresenta como objetivos a verificação de volumes pulmonares, capacidades pulmonares bem como a importância do líquido surfactante na interferência da tensão superficial já que a ausência do mesmo promove dificuldades na ventilação pulmonar.

Materiais e Métodos


Foi utilizado para o experimento o espirômetro de Barnes FARMI-ITÁ, padronizado para aferição dos volumes pulmonares. Dois alunos foram recrutados para o experimento: sexos opostos, alturas bem variadas bem como massa corpórea.

No segundo experimento utilizou-se béquer com água, detergente e purpurina.

Dois alunos foram submetidos a testes com o espirômetro para, através de uma cânula oral, aferirmos: volume corrente, volume de reserva inspiratória e volume de reserva expiratória. A partir de três medidas subseqüentes realizou-se a média aritmética com a obtenção do valor correspondente. Após obtenção destes valores, calculou-se as capacidades pulmonares como: capacidade vital, ventilação alveolar e ventilação pulmonar, utilizando-se também da medida da freqüência respiratória (Figura 5 e 6).



Figura 5. Espirometria mostrando volumes pulmonares e capacidades pulmonares. Apresenta-se as fórmulas para os cálculos de tais capacidades a partir dos volumes obtidos.

A realização dos cálculos bem como os diversos volumes aferidos estão demonstrados na figura abaixo:



Figura 6. Apresentação dos cálculos matemáticos envolvendo os volumes obtidos no experimento para ambos os alunos.

A tensão superficial foi verificada através do experimento utilizando-se um béquer com água. Foi observado o efeito da tensão superficial apenas pela borda de água superior ao volume que o béquer é capaz de reter, este volume "adicional" corresponde à capacidade de tensão superficial da água. Numa interface sólido-líquido ou mesmo líquido-ar, observa-se esse fenômeno físico. No decorrer do procedimento, foi adicionada purpurina na superfície de água, já descrita anteriormente. A purpurina é mais pesada em relação à água, isto é, possui uma maior densidade. O fenômeno esperado seria a queda da purpurina para o fundo do béquer. No entanto, devido a agregação das moléculas de água (tensão superficial), a purpurina ficou retida e espalhada na superfície do béquer. No momento em que é introduzido uma gota de detergente na borda do béquer, há um aumento do volume da superfície com aglutinação da purpurina na porção contra-lateral ao local onde a gota foi derramada. Com o passar do tempo, o detergente diminui a tensão superficial propiciando a queda da purpurina para o fundo do béquer, força da gravidade (figura 7).



Figura 7. Experimento realizado nos laboratórios de biofísica do Centro Universitário Nove de Julho onde a tensão superficial é inicialmente verificada. Com a adição do detergente a tensão diminui muito favorecendo a queda da purpurina para o fundo do béquer.

Discussão


Um método simples para estudar a ventilação pulmonar é através do espirômetro, ou mesmo espirometria, movimentos de inspiração e expiração pulmonar. Os volumes pulmonares são divididos em volume corrente (VC), isto é, volume inspirado e expirado a cada ciclo respiratório normal (valor aproximado de 500mL); volume de reserva inspiratório (VRI) constituindo-se no volume máximo adicional de ar que pode ser inspirado além do volume corrente normal, sendo em geral igual a 3000mL. O volume de reserva expiratório (VRE) é o volume máximo adicional de ar que pode ser eliminado por expiração forçada, após o término da expiração corrente normal (o volume esperado fica em torno de 1100mL), enquanto que o volume residual (VR) é o volume de ar que permanece nos pulmões após o esforço expiratório máximo (esse volume fica em torno de 1200mL).

Em algumas situações é importante considerar dois ou mais dos volumes em conjunto, essas combinações são denominadas capacidades pulmonares. A capacidade vital é igual à soma do volume de reserva inspiratória com o volume corrente e volume de reserva expiratório (aproximadamente 4600mL). A capacidade pulmonar total é aferida pela soma da capacidade vital com o volume residual (aproximadamente 5800mL). Importante notar que todos os volumes e capacidades são 20-25% menores em mulheres do que em homens.

Nos indivíduos onde verificou-se os volumes e as capacidades pulmonares, no sexo masculino, encontramos um VC igual a 400mL ± 100, sendo a referência para idade e altura, 500mL. O possível "erro" deve-se a ausência de adequada calibração do equipamento bem como a imprecisão na medida do mesmo. O VRI foi igual a 3433,3mL, sendo o esperado valores, em torno de 3000mL. O VRE foi igual a 1633,3mL, sendo o esperado 1100mL, o que também se justifica pela ausência de calibração adequada do aparelho ou mesmo na medida dos volumes. A FR foi verificada de forma manual, por simples observação, erros são possíveis devido ao conhecimento por parte do aluno de que sua FR estaria sendo observada, o ideal é que a medida fosse realizada de forma indireta. O VP foi calculado através da multiplicação do VC pela FR sendo igual a 8000mL/min e o volume alveolar (VA) igual a 2/3 desse valor, já que desconsidera-se o espaço morto, sendo portanto, 5333,3mL/min. Por fim foi verificada a capacidade vital (CV) através da soma dos VRI, VC e VRE, obtendo-se um valor igual a 5466,6mL/min.

Na aluna do sexo feminino, foram encontradas os seguintes dados: VC = 100mL; VRI = 1900mL; VRE = 1000mL; FR = 22cpm; VP = 2200mL; VA = 1466,6mL. A CV foi igual a 3000mL/min. Novamente as variações ocorreram devido a falta de calibração adequada do aparelho bem como a possíveis erros na execução do procedimento.

Dos dados obtidos, devido à diferença de altura e peso dos alunos, como observado nas figuras 5 e 6, fisiologicamente seria esperado que o indivíduo com maior índice de massa corpórea (IMC) possuísse uma maior área torácica, como observado no experimento.

O último experimento realizado incluía a verificação da tensão superficial. Essa tensão mostra-se fundamental para a tração da pleura visceral e pleura parietal nas incursões pulmonares. O mecanismo de ventilação pulmonar incluindo, especialmente, a inspiração, necessita da interface líquido-ar para que o tórax se expanda levando consigo o pulmão. No experimento executado, observou-se o efeito da tensão superficial da água ao evitar que uma partícula mais densa (purpurina) fluísse por sua superfície atingindo o fundo do béquer. No momento em que foi colocado detergente (simulando a presença do líquido surfactante), houve redução da tensão superficial, com penetração da purpurina por entre as moléculas de água (figura 8).



Figura 8. As figuras acima mostram o experimento realizado. A. mostra fragmentos de papel alumínio, mais densos do que a água porem não vencendo a tensão superficial. B. Coloca-se detergente na margem do recipiente, com diminuição da tensão superficial (papel do líquido surfactante pulmonar. C. Fragmentos de alumínio começam a vencer a tensão superficial indo para o fundo do recipiente. D. A água foi substituída mas os fragmentos de papel alumínio estão embebidos pelo detergente, note a facilidade com que os fragmentos vencem a tensão superficial e vão para o fundo do béquer.

Conclusão


Os volumes e as capacidades pulmonares mostraram-se diferentes quando comparamos índices de massas corpóreas diferentes (superfície corpórea) bem como sexo.

No aluno do sexo masculino (23a, 1,97m e 89Kg) o VC foi igual a 400mL, VRI de 3433,3mL , VRE igual a 1633,3mL e FR de 20 incursões por minuto. A partir destes dados o VP foi igual a 8000mL/min enquanto que o VA foi de 5333,3mL/min. Por fim a CV = 5466,6mL/min. Na aluna do sexo feminino (20a, 1,55m e 47Kg) os seguintes volumes foram registrados: VC = 100mL; VRI = 1900mL e VRE = 1000mL. As capacidades foram calculadas a partir destes valores, sendo: FR = 22 incursões por minuto; VP = 2200mL; VA = 1466,6mL e CV = 3000mL/min.

Através do modelo utilizando-se béquer e purpurina no experimento original e papel alumínio na repetição do experimento demonstrou-se a importância do líquido surfactante na diminuição da tensão superficial, permitindo assim uma maior troca entre os gases presentes no ar atmosférico e aquele presente no interior dos vasos sangüíneos.

Referências Bibliográficas


1. Guyton A e Hall J. Tratado de Fisiologia Médica. Ventilação Pulmonar - Página 406-416, Capítulo 37, 2002.

2. Zin, WA e Rocco, PRC. Fisiologia. Volumes e Capacidades Pulmonares, Espaço Morto e Ventilação Alveolar. Capítulo 45, páginas 507.

3. Zin, WA e Rocco, PRC. Fisiologia. Mecânica Respiratória. Capítulo 46, página 515.

4. Zin, WA e Rocco, PRC. Fisiologia. Distúrbios da Ventilação, da Perfusão e da Relação Ventilação-Perfusão Mecânica Respiratória - Capítulo 47.

5. Levitzky MG. Fisiologia Pulmonar. Mecânica da Respiração - Capítulo 02 - Páginas 11-51. Editora Manole, 2004.

6. Levitzky MG. Fisiologia Pulmonar. Ventilação Alveolar - Capítulo 03 - Páginas 54-83. Editora Manole, 2004.

7. Levitzky MG. Fisiologia Pulmonar. Mecânica da Respiração - Capítulo 04 - Páginas 86-110. Editora Manole, 2004.