Sistema Respiratório
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Modelos dos Processos Fisiológicos no Homem Sistema Respiratório Simulação em Matlab Trabalho Elaborado Por: Luís Filipe Ferreira Neves [email protected] Marisa Leal Ferreira [email protected] Ricardo Miguel H. Soares Costa Conteúdos _________________________________ Sistema Respiratório - Introdução Biofísica Pulmonar Simulação Computacional Dinâmica Respiratória de um Paciente Licenciatura em Eng.ª Biomédica 2 Sistema Respiratório •• •• •• •• •• •• •• •• Extraído dehttp://www.afh.bio.br/ O O sistema sistema respiratório respiratório éé constituído constituído por: por: -- par par de de pulmões pulmões -- fossas fossas nasais nasais -- boca, boca, -- faringe, faringe, -- laringe, laringe, -- traqueia, traqueia, -- brônquios, brônquios, bronquíolos bronquíolos ee os os alvéolos, alvéolos, todos todos localizados localizados nos nos pulmões. pulmões. Licenciatura em Eng.ª Biomédica Extraído dehttp://www.afh.bio.br/ 3 Anatomia do Pulmão •• . O O pulmão pulmão éé um um órgão órgão esponjoso esponjoso que que executa executa aa respiração. respiração. Tem Tem aproximadamente 25 cm de aproximadamente 25 cm de comprimento comprimento ee 700 700 g g de de peso, peso, situado situado na na cavidade cavidade torácica torácica •• A A cavidade cavidade torácica torácica esta esta dividida dividida em em três três partes partes :: cavidade cavidade pleural pleural direita direita cavidade cavidade pleural pleural esquerda esquerda ee mediastino mediastino Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 4 Anatomia do Pulmão •• O O pulmão pulmão direito direito éé ligeiramente ligeiramente maior maior que que o o esquerdo esquerdo ee está está dividido dividido em em três três lóbulos; lóbulos; já já o o pulmão pulmão esquerdo esquerdo tem tem apenas apenas dois dois lóbulos lóbulos Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 5 Anatomia Pulmonar •• Nos Nos pulmões pulmões os os brônquios brônquios ramificam-se ramificam-se profusamente, profusamente, dando dando origem origem aa tubos tubos cada cada vez vez mais mais finos, finos, os os bronquíolos. bronquíolos. O conjunto altamente O conjunto altamente ramificado ramificado de de bronquíolos bronquíolos éé aa árvore árvore brônquica brônquica ou ou árvore árvore respiratória. respiratória. Cada Cada bronquíolo bronquíolo termina termina em em pequenas pequenas bolsas bolsas recobertas recobertas por por capilares capilares sanguíneos, sanguíneos, denominadas denominadas alvéolos alvéolos pulmonares. pulmonares. Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 6 Alvéolo Pulmonar •• Cada Cada brônquio brônquio respiratório respiratório que que está está dentro dentro do do lóbulo lóbulo pulmonar dá origem pulmonar dá origem aos aos ductos ductos alveolares. alveolares. Projectando-se Projectando-se para para fora fora das finas paredes dos das finas paredes dos ductos ductos alveolares alveolares ee dos dos brônquios brônquios respiratórios respiratórios estão estão numerosos numerosos alvéolos alvéolos cada cada um um com com um um diâmetro diâmetro aproximadamente aproximadamente entre entre 0,2 0,2 ee 0,5mm. 0,5mm. É É nos nos alvéolos alvéolos que que se se dá dá as as trocas trocas gasosas gasosas Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 7 Trocas Gasosas • Nos alvéolos pulmonares o gás oxigénio do ar difundese para os capilares sanguíneos e penetra nas hemácias, onde se combina com a hemoglobina, enquanto o gás carbónico (CO2) é liberado para o ar (processo chamado hematose). Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 8 Hemoglobina •• Proteína Proteína tetramérica tetramérica com com estrutura estrutura quaternária quaternária éé composta composta de de quatro quatro cadeias cadeias polipeptídicas polipeptídicas Há Há quatro quatro complexos complexos hemehemeferro. ferro. •• A A sua sua principal principal função função éé o o transporte transporte ee fornecimento fornecimento aos aos tecidos tecidos de de O O22 Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 9 Saturação O22 Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 10 Pleura •• •• Os Os pulmões pulmões são são envoltos envoltos por por duas duas membranas, membranas, denominadas denominadas pleuras. pleuras. Entre Entre as as pleuras há um espaço, pleuras há um espaço, preenchido preenchido por por líquido. líquido. A A tensão superficial deste tensão superficial deste líquido líquido mantém mantém unidas unidas as as duas duas pleuras, pleuras, mas mas permite permite que que elas elas deslizem deslizem uma uma sobre sobre aa outra, outra, durante durante os os movimentos movimentos respiratórios. respiratórios. A A pleura pleura forma forma também também uma uma barreira que ajuda os barreira que ajuda os pulmões pulmões aa protegerem-se protegerem-se contra contra infecções infecções que que possam possam ocorrer na cavidade torácica ocorrer na cavidade torácica Licenciatura em Eng.ª Biomédica Extraído de http://lpig.doereport.com/ 11 Fisiologia da Respiração •• A A inspiração, inspiração, que que promove promove aa entrada entrada de de ar ar nos nos pulmões, pulmões, dádáse pela contracção da se pela contracção da musculatura musculatura do do diafragma diafragma ee dos dos músculos músculos intercostais. intercostais. O O diafragma baixa e as costelas diafragma baixa e as costelas elevam-se, elevam-se, promovendo promovendo o o aumento aumento da da caixa caixa torácica, torácica, com com consequente consequente redução redução da da pressão pressão interna interna (em (em relação relação àà externa), externa), forçando forçando o o ar ar aa entrar entrar nos nos pulmões. pulmões. Extraído de http://lpig.doereport.com/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica 12 Fisiologia da Respiração •• A A expiração, expiração, que que promove promove aa saída saída de de ar ar dos dos pulmões, pulmões, dá-se dá-se pelo relaxamento da pelo relaxamento da musculatura musculatura do do diafragma diafragma ee dos dos músculos músculos intercostais. intercostais. O O diafragma eleva-se e as diafragma eleva-se e as costelas costelas abaixam, abaixam, oo que que diminui diminui oo volume volume da da caixa caixa torácica, torácica, com com consequente consequente aumento aumento da da pressão pressão interna, interna, forçando forçando oo ar ar aa sair sair dos dos pulmões. pulmões. Extraído de http://lpig.doereport.com/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica 13 Volumes Pulmonares Espirometria Volume Volume Corrente Corrente (TV) (TV) ≈≈ 0,5 0,5 L/min L/min Volume Volume de de reserva reserva inspiratória inspiratória (IRV) (IRV) ≈≈ 3L/min 3L/min Volume Volume de de reserva reserva expiratória expiratória (ERV) (ERV) ≈≈ 1.1L/min 1.1L/min Volume Volume residual residual (RV) (RV) ≈≈ 1.2L/min 1.2L/min Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 14 Capacidades Pulmonares •Capacidade inspiratória > TV+IRV (3.5L/min) •Capacidade residual funcional > RV+ERV (2.3L/min) •Capacidade vital (VC) > IRV+ERV+TV (4.6L/min) •Capacidade pulmonar total (TLC) >IRV+ERV+TV+RV (5.8L/min) Licenciatura em Eng.ª Biomédica 15 Ventilação Alveolar Ventilação Ventilação (V (VAA)– )– movimento movimento de de ar ar para para dentro dentro ee para para fora fora dos dos pulmões, pulmões, provocado provocado por por diferenças diferenças de de pressão. pressão. -- manter manter aa composição composição do do ar ar alveolar alveolar em em estado estado óptimo. óptimo. Ð Ð Volumes Volumes Pulmonares Pulmonares Extraído dehttp://www.marybird.org/ Os Os movimentos movimentos de de acordo acordo com com os os gradientes gradientes de de pressão pressão também também se se aplicam aplicam aos aos gases gases individuais, individuais, isto isto é, é, para para oo O O22 ee oo CO CO22.. Perfusão Perfusão (Q) (Q) –– passagem passagem de de O O22 para para oo fluxo fluxo sanguíneo. sanguíneo. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 16 Transporte de Gás nos Alvéolos >VA cI + Q cv = VA cE + Q cA >cE = cA VA (cI - cA) = Q (ca - cV) • Para ocorrer as trocas gasosas é necessário que: cI = cA. • A pressão nos alvéolos pode ser referida de acordo com a lei dos gases ideais: PA = K T cA ( cA = n/VA ). > A pressão intrapulmonar é inversamente proporcional ao volume dos alvéolos. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 17 Transporte de Gás nos Alvéolos Pela Lei de Henry: c a = σ Pa • σ representa o coeficiente de solubilidade, isto é, mede a facilidade com que o gás se dissolve no sangue. Em particular, no sangue arterial. • Em condições óptimas, Pa=PA. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 18 Transporte de Gás nos Alvéolos VA (cI - cA) = Q (ca - cV) • PO2 (ar inspirado) = 160 mm Hg • PO2 (alvéolos) = 100 mm Hg cI – cA < 0 , para o Co2 • PCO2 (ar inspirado) = 0 cI – cA > 0 , para O2 • PO2 (alvéolos) = 40 mm Hg Licenciatura em Eng.ª Biomédica 19 Relação Ventilação - Perfusão A partir das equações das concentrações alveolar e arterial, achamos a razão entre a ventilação e a perfusão, designada por r. cA = V A cI + Q cv VA + Qσ K T ca = σ K T r c I + cv r +σ KT VA r= Q Licenciatura em Eng.ª Biomédica 20 Correlação Ventilação vs Perfusão O parâmetro de heterogeneidade pulmonar β varia : 0<β<1 Quando: > β=0, a correlação entre a ventilação e a perfusão é constante. > β=1, não existe correlação entre a ventilação e a perfusão. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 21 Transporte de Gás nos Pulmões GRAVIDADE • Todos os parâmetros se mantém nos diferentes alvéolos, excepto a ventilação VA e a perfusão Q. Gradiente de concentração sanguínea >A parte inferior pulmonar: - tem maior fluxo sanguíneo; - maior ventilação; Licenciatura em Eng.ª Biomédica 22 Transporte de Gás nos Pulmões Ventilação: > Depende da diferença entre o máximo e o mínimo volumes nos alvéolos, durante o ciclo respiratório. Máximo Volume > Inspiração (uniforme nos pulmões); Mínimo Volume >Expiração (baixos na parte inferior dos pulmões) Licenciatura em Eng.ª Biomédica 23 Simulação Computacional Carregando... Extraído de http://www.bartleby.com/107/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de http://www.bartleby.com/107/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de http://www.bartleby.com/107/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de http://www.bartleby.com/107/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de http://www.bartleby.com/107/ Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de http://www.getbodysmart.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional do... Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Licenciatura em Eng.ª Biomédica Matlab – Aspectos Gerais Figura 1: Aspecto geral da janela do Simulink® / Matlab® Licenciatura em Eng.ª Biomédica 36 Simulação Computacional • • • Variáveis de Estado; Representação Gráfica: Ventilação vs. Perfusão; Simulação em Interface Gráfica (GUI) Licenciatura em Eng.ª Biomédica 37 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 38 Variáveis de Estado • • • • N.º de Alvéolos; Correlação Ventilação / Perfusão (V/P); Taxa de Consumo de O2; Concentração de O2; Licenciatura em Eng.ª Biomédica 39 Variáveis de Estado • Concentração de Hemoglobina no Sangue; Licenciatura em Eng.ª Biomédica 40 Parâmetros Standard • • Concentração do O2 :Nível marítimo Temperatura: 37ºC Licenciatura em Eng.ª Biomédica 41 Interpretação • Correlação Ventilação / Perfusão (V/P) Se V/P = 0, estamos perante um modelo linear, que admite que o pulmão é homogéneo; Se 0<V/P≤1, estamos perante um modelo não linear, que admite que o pulmão é heterogéneo; Licenciatura em Eng.ª Biomédica 42 Interpretação • • V/P = 0: o fluxo de O22 e o fluxo sanguíneo estão numa proporção fixa, isto é, a taxa de ventilação em função da perfusão é constante ao longo do pulmão; V/P = 1: o fluxo de O22 e o fluxo sanguíneo são independentes – alguns alvéolos conseguem alta perfusão com baixa ventilação. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 43 Interpretação / Conclusão • • Influência da correlação V/P, no estudo da heterogeneidade pulmonar; Modelo com uma inicialização aleatória, evidenciando a imprevisibilidade dos fenómenos biológicos Licenciatura em Eng.ª Biomédica 44 Interpretação / Conclusão “Será este modelo, adequado ao que se verifica na realidade?” “Possui limitações?” “Vantagens / Desvantagens” Licenciatura em Eng.ª Biomédica 45 Interpretação / Conclusão • O modelo considera, por questões de simplificação, que a totalidade do ar inspirado alcança as superfícies alveolares; No entanto existe volume residual, residual ao longo do tracto respiratório (‘dead space’) Licenciatura em Eng.ª Biomédica 46 Interpretação / Conclusão • • Taxa de ventilação variável de acordo com a região pulmonar; Consequência prática: o organismo deve aumentar a ventilação total, o débito cardíaco ou ambos com o fim de assegurar níveis normais de transporte gasoso a pressões parciais normais. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 47 Interpretação / Conclusão • • O modelo permite o estudo de soluções gasosas simples (depende do tipo de gás em estudo); Evidência do estudo compartimental / funcional. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 48 Interpretação / Conclusão • O modelo tem apenas em conta o O2 ligado à hemoglobina, desprezando o O2 dissolvido; Respiração de O2 (100%) – câmara hiperbárica Licenciatura em Eng.ª Biomédica 49 Interpretação / Conclusão • • Ventilação Alveolar Esperada(5 l/min); Perfusão Alveolar Esperada(5.6 l/min); Erros não significativos Licenciatura em Eng.ª Biomédica 50 Interpretação / Conclusão • O modelo possui um algoritmo, que entra em conta com um factor de correcção dos dados (valores médios) No entanto o modelo pode ser optimizado Licenciatura em Eng.ª Biomédica 51 Interpretação / Conclusão Métodos de Optimização Licenciatura em Eng.ª Biomédica 52 Algumas aplicações práticas... • • • • Estudos de actividade física; Altitude; Anemia ou policitemia; Ou outras combinações, destas condições. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 53 Influência da Altitude Diminuição do oxigénio; Logo, a concentração de Hemoglobina deve ser maior, Mas... Em um anémico, a situação é inversa Logo, agrava a sua it ã lí i Extraído de http://www.corbis.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 54 Anemia Extraído de www.dpcweb.com/medical/ anemia/anemia.html Extraído dehttp://health.allrefer.com/health/iron-deficiency-anemiachildren-hemoglobin.html Licenciatura em Eng.ª Biomédica 55 Referências Bibliográficas Extraído dehttp://www.mathworks.com Licenciatura em Eng.ª Biomédica 56 Trabalho Elaborado Por: • • • Luís Filipe Ferreira Neves Marisa Leal Ferreira Ricardo Miguel H. Soares Costa 2005 © Licenciatura em Eng.ª Biomédica 57
