Mecânica da Respiração (Ventilação)

Anatomia do Sistema Respiratório Envolvido na Ventilação

A ventilação, ou respiração, envolve a ação e os movimentos das estruturas encontradas no pescoço e na cavidade torácica pertencentes aos sistemas pulmonar, musculoesquelético e cardíaco.

• Zona de condução:
  • Função:
    • Fornece um canal para o fluxo de ar para os pulmões
    • Humidifica e aquece o ar que entra
  • Estruturas:
    • Faringe
    • Laringe
    • Traqueia
    • Brônquios principais direito e esquerdo
    • Bronquíolos
• Zona respiratória:
  • Função: local onde ocorrem as trocas gasosas
  • Estruturas:
    • Bronquíolos respiratórios
    • Alvéolos
• Componentes musculoesqueléticos:
  • Função:
    • Fornecer uma estrutura robusta para os pulmões
    • Gerar forças mecânicas necessárias para a respiração
  • Estruturas:
    • Caixa torácica
    • Músculos respiratórios: diafragma, intercostais externos, porções dos intercostais internos
    • Membranas pleurais
    • Cavidade pleural: espaço entre a pleura pulmonar e torácica

Relações de Pressão na Cavidade Torácica

• Pressão atmosférica (Patm):
  • Pressão exercida pelo ar ao redor do corpo
  • Ao nível do mar, a Patm é 760 mm Hg.
• Pressão respiratória:
  • Relativa à Patm
  • A pressão respiratória negativa é < Patm.
  • A pressão respiratória positiva é > Patm.
  • Pressão respiratória zero = Patm.
• Pressão intrapulmonar (intra-alveolar) (Ppul):
  • Pressão nos alvéolos
  • Flutua com a respiração
  • Equaliza-se sempre com a Patm
• Pressão intrapleural (Pip):
  • Pressão na cavidade pleural
  • Flutua com a respiração
  • É sempre uma pressão negativa
  • Pip é gerada por forças opostas:
    • 2 forças internas que promovem o colapso pulmonar (retração elástica dos pulmões e tensão superficial nos alvéolos)
    • 1 força externa (elasticidade da parede torácica a puxar o tórax para fora)
• Pressão transpulmonar (Ppul – Pip):
  • Mantém as vias aéreas abertas; os pulmões expandem-se assim que a pressão transpulmonar ↑
  • Se Pip ≥ Ppul, os pulmões entrarão em colapso.

Inspiração e Expiração

A respiração consiste em 2 fases:

• Inspiração: fluxo de gases para os pulmões
• Expiração: fluxo de gases para fora dos pulmões

Inspiração e expiração:

• Processos mecânicos causados pela contração dos músculos respiratórios
• Causam alterações de volume na cavidade torácica
• As mudanças de volume levam ao movimento do gás de acordo com a lei de Boyle (a pressão varia inversamente com o volume):
  • Mudanças de volume causam mudanças de pressão.
  • As mudanças de pressão fazem com que o fluxo de gases equalize a pressão.

Inspiração

A inspiração é um processo ativo:

• Os músculos inspiratórios contraem-se, puxando a caixa torácica para fora, diminuindo a Pip e aumentando o volume torácico.
• As forças adesivas puxam a membrana pleural, que por sua vez puxa o parênquima pulmonar.
• Os pulmões alongam-se e o volume intrapulmonar ↑.
• Ppul cai, tornando-se menor que a Patm.
• O ar flui para os pulmões a favor do gradiente de pressão até que Ppul = Patm.

Expiração

A expiração (em repouso) é um processo passivo:

• Os músculos inspiratórios relaxam.
• Volume da cavidade torácica ↓ devido ao recolhimento elástico.
• Volume intrapulmonar ↓
• Ppul sobe acima da Patm.
• O ar flui para fora dos pulmões a favor do gradiente de pressão até que Ppul = Patm.
• Expiração forçada:
  • Processo ativo
  • Músculos expiratórios usados para ↓ volumes torácicos
  • ↑ Velocidade do fluxo de ar para fora dos pulmões

Volumes e capacidades pulmonares

Volumes pulmonares

Os volumes pulmonares são volumes específicos de ar contidos por diferentes porções dos pulmões em pontos específicos do ciclo respiratório.

• Volume tidal/corrente (VT): volume de ar inspirado ou expirado a cada respiração em condições de repouso
• Volume residual (VR): volume de ar deixado nos pulmões após a expiração forçada
• Volume de reserva expiratório (VRE): volume de ar que pode ser expirado de forma forçada após a expiração normal do volume corrente
• Volume de reserva inspiratório (VRI): volume de ar que pode ser inalado de forma forçada após a inalação do volume corrente normal

Capacidades pulmonares

As capacidades pulmonares são uma combinação de 2 ou mais volumes.

• Capacidade pulmonar total (CPT):
  • Volume máximo de ar contido nos pulmões após um esforço inspiratório máximo
  • CPT= VT + VR + VRE + VRI
• Capacidade vital (CV):
  • Volume máximo de ar que uma pessoa pode mover para dentro ou para fora dos pulmões
  • CV = VT + VRI + VRE
• Capacidade residual funcional (CRF):
  • Volume de ar remanescente nos pulmões após a expiração corrente
  • CRF = VRE + VR
• Capacidade inspiratória (CI):
  • Volume máximo de ar que pode ser inspirado após uma expiração normal
  • IC = TV + IRV

Espaço morto

O espaço morto é o ar que entra e sai dos pulmões, mas não chega a áreas onde as trocas gasosas podem ocorrer.

• Espaço morto anatómico: ar nas vias aéreas que não atinge os alvéolos ou bronquíolos respiratórios
• Espaço morto alveolar: ar nos alvéolos que não pode ser absorvido pela corrente sanguínea devido a doenças pulmonares ou limitações do fluxo sanguíneo
• Espaço morto total = espaço morto alveolar + espaço morto anatómico

Ventilação e Trabalho Respiratório

Ventilação

A ventilação é o processo de entrada e saída de ar.

• Ventilação por minuto (V_E):
  • Volume de ar que entra e sai dos pulmões por minuto
  • V_E = frequência respiratória expressa em respirações/minuto (B_f ) × volume corrente (VT)
• Ventilação alveolar (V_A):
  • Volume de ar que atinge os alvéolos por minuto e está disponível para as trocas gasosas
  • V_A = B_f × (TV – espaço morto total)

“Trabalho de respiração”

O trabalho respiratório é a quantidade de energia que uma pessoa precisa para respirar.

• Trabalho elástico: feito para superar a retração elástica da parede torácica e do parênquima pulmonar e a tensão superficial dos alvéolos
• Trabalho de resistência: feito para superar a resistência das vias aéreas e tecidos

Fatores que Influenciam a Ventilação Pulmonar

Além das pressões que a musculatura torácica é capaz de criar, a ventilação é limitada pelas propriedades físicas das estruturas dos pulmões. As propriedades físicas mais importantes a serem levadas em consideração são:

• A resistência das vias aéreas
• A complacência do tecido pulmonar
• A tensão superficial dos alvéolos

Resistência

• Definição:
  • Resistência: força que se opõe ao fluxo (neste caso do ar)
  • Lei de Poiseuille: O fluxo de ar é inversamente proporcional à resistência.
• Efeito no sistema pulmonar:
  • A resistência impede o fluxo de ar para os pulmões.
  • ↑ Resistência = ↑ energia necessária para inspirar.
  • As vias aéreas geram 80% de resistência.
  • O diâmetro da via aérea é inversamente proporcional à resistência que ela produz.
• Implicações fisiológicas:
  • Em pacientes saudáveis, a resistência é insignificante, pois o diâmetro total das vias aéreas é grande:
    • Grandes diâmetros das vias aéreas no início da zona de condução
    • As vias aéreas menores mantêm uma área transversal total alta porque são muitas.
    • A resistência desaparece no bronquíolo terminal → a difusão impulsiona as trocas gasosas
  • Em certas doenças, ↓ diâmetro total das vias aéreas, ↑ resistência a superar para respirar:
    • Músculo liso das vias aéreas contrai-se (e.g., asma)
    • Obstrução mucosa das vias aéreas (e.g., doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC), bronquite, fibrose quística)
    • Obstrução de bronquíolos e alvéolos por material infecioso (e.g. pneumonia)

Tensão superficial alveolar

• Definição:
  • Propriedade derivada da adesão de moléculas de água
  • As moléculas de água aderem a outras moléculas de água.
  • Resiste a qualquer força que tende a ↑ a área de superfície do líquido
• Efeito no sistema pulmonar:
  • Ocorre nos alvéolos devido às moléculas de água dentro deles
  • Se não for controlado, impede que os alvéolos se estiquem durante a inspiração
• Implicações fisiológicas:
  • Surfactante ↓ a tensão superficial alveolar separando as moléculas de água umas das outras.
    • Os pneumócitos tipo II sintetizam surfactante pulmonar.
    • O surfactante pulmonar é composto por 85%–90% de fosfolípidos e moléculas anfipáticas
    • As extremidades polares ficam em contacto com a água e ↓ a tensão superficial.
  • Permite uma expansão mais fácil durante a inspiração e evita o colapso dos alvéolos durante a expiração
  • Qualquer coisa que destrua o surfactante pode causar doença pulmonar:
    • A falta de surfactante em prematuros leva à síndrome do desconforto respiratório infantil.
    • Fumadores crónicos produzem menos surfactante, levando aos problemas observados na DPOC.

Complacência

• Definição:
  • Medida da mudança de volume com determinada mudança na pressão transpulmonar
  • Determinado pelas propriedades de tração do tecido pulmonar
  • Simplesmente: quão rígidos são os pulmões
• Efeito no sistema pulmonar:
  • ↑ da rigidez dos pulmões, ↑ da energia para alongá-los durante a inspiração:
    • A ventilação é mais eficiente em áreas do pulmão com complacência ↑.
    • As áreas com ↓ da complacência expandem-se menos.
  • A complacência dos pulmões também é influenciada pela gravidade:
    • No ápice pulmonar há ↓ da complacência.
    • Na base pulmonar há ↑ da complacência.
• Implicações fisiológicas:
  • Em pulmões saudáveis, ↑ da complacência devido a:
    • Distensibilidade do tecido pulmonar
    • ↓ da tensão superficial alveolar
  • ↓ da complacência pulmonar surge no caso de:
    • Fibrose (por exemplo, síndrome do desconforto respiratório agudo do surfactante, cicatrizes após quimioterapia)
    • ↓ da produção de surfactante (por exemplo, pulmões prematuros, DPOC)
    • ↓ da flexibilidade da caixa torácica (por exemplo, escoliose, paralisia cerebral)

Relevância Clínica

• Doença pulmonar obstrutiva: grupo de condições que aumentam a resistência das vias aéreas, pequenas ou grandes: A doença pulmonar obstrutiva causa um estreitamento das vias aéreas. O aumento da resistência cria mais trabalho que precisa de ser superado, de modo que os pacientes apresentam geralmente um aumento da frequência respiratória e do trabalho respiratório. Os pacientes muitas vezes são incapazes de expelir completamente o ar durante a expiração. A menos que a obstrução seja generalizada, esses pacientes podem continuar a ter uma saturação de oxigénio normal ou quase normal. Os achados do exame pulmonar dependem de onde a obstrução está ao longo da via aérea. Exemplos incluem asma, bronquite crónica, enfisema, apneia obstrutiva do sono e corpos estranhos nas vias aéreas
• Doença pulmonar restritiva: grupo de condições que causa diminuição da complacência dos pulmões, aumentando a quantidade de trabalho necessária para expandir e contrair os pulmões: os pacientes são incapazes de esticar completamente os pulmões para respirar ar suficiente. A doença pulmonar restritiva geralmente afeta todo o parênquima pulmonar e apresenta-se com um aumento da frequência respiratória e do trabalho respiratório, bem como diminuição da saturação de oxigénio. Exemplos incluem síndrome do desconforto respiratório neonatal, fibrose pulmonar e sarcoidose.
• Doença pulmonar mista: as doenças pulmonares geralmente têm elementos de patologias restritivas e obstrutivas. O exemplo mais comum de doença pulmonar mista é a fibrose quística, em que as vias aéreas estão estreitadas e o parênquima pulmonar mais endurecido.