Fisiologia respiratória - FISIOLOGIA RESPIRATÓRIA
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A função da respiração é essencial à manutenção da vida e pode ser definida, de um modo simplificado, como uma troca de gases entre as células do organismo e a atmosfera. A respiração é um processo bastante simples nas formas de vida unicelulares, como as bactérias, por exemplo. Nos seres humanos, depende da função de um sistema complexo, o sistema respiratório. Embora viva imerso em gases, o organismo humano precisa de mecanismos especiais do sistema respiratório, para isolar o oxigênio do ar e difundí-lo no sangue e, ao mesmo tempo, remover o dióxido de carbono do sangue para eliminação na atmosfera.
O sistema respiratório pode ser representado, simplificadamente, por uma membrana com enorme superfície em que, de um lado existe o ar atmosférico e do outro lado o sangue venoso. Através da membrana, ocorrem as trocas gasosas.
Quando o ar passa pelo nariz, realizam-se três funções distintas pelas cavidades nasais: a. o ar é aquecido pela superfície dos cornetos e septo, que tem a área de cerca de 160 cm2; b. o ar é umedecido quase por completo, mesmo antes de passar além do nariz; c. o ar é filtrado. Essas funções, em conjunto, denominam-se condicionamento do ar das vias respiratórias superiores.
Os pulmões estão localizados na caixa torácica à direita e à esquerda do mediastino, ocupado pelo coração, grandes vasos, traquéia, timo esôfago e troncos nervosos. Os pulmões não são perfeitamente iguais. O pulmão direito
Fig. 4.1. Molde do pulmão humano injetado com plástico. O pulmão direito, mais claro, mostra a arborização brônquica, até os bronquíolos. O pulmão esquerdo mostra a arborização semelhante da artéria pulmonar e das veias pulmonares. Dessa forma, o pulmão direito ilustra a aeração e o pulmão esquerdo, a circulação.
é maior e é dividido por duas incisuras em três partes chamadas lobos, o lobo superior, o lobo médio e o lobo inferior. O pulmão esquerdo apresenta apenas uma incisura, formando dois lobos, um superior e outro inferior. Na face interna de cada pulmão existe o hilo pulmonar, através do qual penetram os brônquios e as artérias pulmonares e emergem as veias pulmonares.
O ar chega aos pulmões através das fossas nasais ou da boca e sucessivamente, atravessa o faringe, a laringe, a traquéia e os brônquios, que se ramificam, penetrando nos pulmões.
Externamente, cada pulmão é revestido por uma membrana transparente, a pleura, formada, na verdade por dois folhetos, separados por um espaço virtalmente nulo.
Os brônquios se ramificam à partir do hilo e cada ramo penetra num lobo. No interior do lobo os brônquios voltam a
82 - VOL I - FUNDAMENTOS DA CIRCULAÇÃO EXTRACORPÓREA se ramificar, estabelecendo ligações com os diversos segmentos que compõem cada lobo. Dentro deles, os ramos brônquicos, já chamados de bronquíolos, continuam a se ramificar até formarem os diminutos bronquíolos respiratórios, dos quais provém os condutos alveolares (Fig. 4.1). Estes se abrem em dilatações chamadas sáculos alveolares formados pelos alvéolos pulmonares, local onde se processa a oxigenação e a eliminação do dióxido de carbono do sangue. Chamamos de ácinos à estrutura em forma de cachos de uvas, conjuntos de condutos, sáculos e alvéolos. Essas estruturas são sustentadas por fina trama de fibras musculares e envoltas por vasos capilares.
A função respiratória se processa mediante três atividades distintas, mas coordenadas: a ventilação, através da qual o ar da atmosfera chega aos alvéolos; a perfusão, processo pelo qual o sangue venoso procedente do coração chega aos capilares dos alvéolos, e a difusão, processo em que o oxigênio do ar contido nos alvéolos passa para o sangue ao mesmo tempo em que o gás carbônico contido no sangue passa para os alvéolos.
A troca de moléculas gasosas se processa através da parede alveolar, do líquido intersticial contido nos espaços entre alvéolos e capilares, da parede do capilar, do plasma sanguíneo e da membrana dos glóbulos vermelhos.
Os alvéolos são pequenas bolsas agrupadas em torno dos bronquíolos respiratórios, cuja forma e distribuição lembram uma colméia (Fig. 4.2). Graças à esta disposição, uma enorme superfície pode ocupar um volume comparativamente pequeno, à semelhança da distribuição da rede capilar. Assim, o alvéolo, a unidade funcional para a respiração, constitui-se de uma bolsa de tecido pulmonar, contendo ar e envolvida por capilares.
Separando o ar do sangue existe, portanto, uma "parede", constituida pela membrana do alvéolo e pela membrana do capilar. Esta parede é chamada membrana alvéolo-capilar, e as trocas gasosas se fazem através dela pelo processo de difusão.
Através a membrana alvéolo-capilar, o sangue recebe o oxigênio, cede o gás carbônico e prossegue pela outra extremidade do capilar em direção às vênulas e veias pulmonares onde, já oxigenado, vai ao átrio esquerdo e ventrículo esquerdo, para ser bombeado por todo o organismo.
O sangue que chega aos capilares pulmonares pelos ramos da artéria pulmonar destina-se, exclusivamente, às
Fig. 4.2. Esquema que demonstra a disposição dos alvéolos em torno dos bronquíolos respiratórios. A forma e a disposição simulam uma colméia.
FISIOLOGIA RESPIRATÓRIA - Vol I - 83 trocas gasosas. A nutrição do tecido pulmonar, à semelhança dos demais órgãos, é feita por um sistema arterial independente, originado das artérias brônquicas. A circulação brônquica supre o parênquima pulmonar com oxigênio para a sua nutrição. Cerca de 1/3 do sangue da circulação venosa brônquica retorna ao átrio direito pelas veias ázigos, hemiázigos e ramos intercostais. Os 2/3 restantes drenam na circulação pulmonar e retornam ao átrio esquerdo. Esta pequena mistura venosa é chamada de shunt verdadeiro.
A camada de sangue que se distribui pelos capilares pulmonares é extraordinàriamente fina, da espessura de apenas uma hemácia. A troca gasosa é, portanto, muito rápida, durando em média 0,5 segundo. O ar inspirado, que contém apenas 21% de oxigênio, cedeo às hemácias quase instantâneamente.
A enorme superfície disponível para as trocas gasosas permite que em um minuto o organismo possa captar cerca de 250 ml. de oxigênio e eliminar 200 ml. de gás carbônico.
Por esta grande capacidade de eliminar gás carbônico do sangue, o pulmão humano é o mais importante regulador do equilíbrio ácido-básico. A respiração pode manter o pH dentro dos limites normais, alterando a quantidade de gás carbônico eliminado.
Os pulmões tem capacidade suficiente para oxigenar até 30 litros de sangue venoso por minuto, se necessário, para suprir o organismo. Como, em condições normais, apenas 4 a 5 litros por minuto atravessam o coração, verificamos a grande reserva do pulmão humano para as condições de exercício físico.
Nenhum sistema de oxigenação artificial até hoje construido tem idêntica capacidade de oxigenação ou reserva. Entretanto, como as necessidades de oxigênio durante a cirurgia equivalem às do indivíduo em repouso absoluto, os oxigenadores são capazes de suprí-las integralmente.
A ventilação é o processo de conduzir o ar da atmosfera até os alvéolos pulmonares. Nas fossas nasais e no nasofaringe existem estruturas vasculares que aquecem e umidificam o ar inspirado. As vias aéreas superiores, acima dos bronquíolos respiratórios tem suporte cartilaginoso. São revestidas de epitélio colunar que tem um grande número de células produtoras de muco, que auxiliam na umidificação do ar e no transporte de partículas inaladas, para expulsão pelos movimentos ciliares e pela tosse. A partir dos bronquíolos, até as unidades respiratórias terminais não há suporte de cartilagem. As bifurcações ocorrem a curtos intervalos, até que os segmentos de bronquíolos atravessam a parede alveolar, para cada alvéolo individualmente.
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A expansão e a retração dos pulmões promove a entrada e a saída de ar do seu interior, à semelhança de um fole. Dois mecanismos são responsáveis pela movimentação dos pulmões: 1. Os movimentos do diafragma, para cima e para baixo, que fazem variar o volume da caixa torácica. Para a inspiração o diafragma traciona a superfície inferior dos pulmões para baixo; para a expiração, o diafragma simplesmente se relaxa e a retração elástica dos pulmões, da caixa torácica e as estruturas abdominais comprime os pulmões. 2. A elevação e o abaixamento das costelas aumenta ou diminui o diâmetro antero-posterior da caixa torácica, afastando o esterno da coluna e tornando as costelas mais horizontais, alavancadas pelos músculos intercostais.
A movimentação da caixa torácica produz variações na pressão das vias respiratórias. Na inspiração, a pressão intra-alveolar torna-se ligeiramente negativa em relação à pressão atmosférica, alcançando cerca de -1mmHg. Isso faz o ar penetrar através das vias respiratórias. Na expiração normal, a pressão intra-alveolar se eleva aproximadamente +1mmHg, fazendo o ar sair através das vias respiratórias. Durante a respiração forçada as pressões podem alcançar o valor de 100mmHg, durante uma expiração máxima com a glote fechada. Pode ainda alcançar -80 mmHg, durante uma inspiração forçada.
A tendência natural dos pulmões é de colapsar e se afastar da parede torácica. Esta tendência se deve a dois fatores. O primeiro são as fibras elásticas abundantes no tecido pulmonar, que se estiram com a insuflação pulmonar e retomam seu comprimento original, logo em seguida. O segundo é a tensão superficial do líquido que reveste internamente os alvéolos, que faz com que os mesmos mantenham a tendência ao colapso. Esse efeito decorre da atração entre as moléculas do líquido que, continuamente, tendem a diminuir a superfície de cada alvéolo. As fibras elásticas contribuem com um terço da tendência de retração pulmonar, enquanto a tensão superficial contribui com os dois terços restantes.
O espaço pleural mantém permanentemente uma pressão negativa no seu interior, que impede o colapso dos pulmões. Esta pressão negativa oscila em torno de -4mmHg. Na inspiração profunda a pressão negativa intrapleural pode atingir a -18mmHg, que promove a expansão pulmonar máxima.
A tendência à retração determinada pela fina camada líquida que reveste a superfície dos alvéolos é contrabalançada por uma mistura de lipoproteinas chamada surfactante, secretada por células especiais, existentes no epitélio de revestimento dos alvéolos. O surfactante contém um fosfolipídeo, o dipalmitol lecitina; tem a propriedade de diminuir a tensão superficial do líquido que reveste os alvéolos, favorecendo a sua expansão. Na ausência de surfactante a expansão pulmonar torna-se difícil e exige pressões pleurais muito negativas, da ordem de - 25mmHg, para superar a
FISIOLOGIA RESPIRATÓRIA - Vol I - 85 tendência ao colabamento dos alvéolos. O surfactante forma uma camada monomolecular sobre o líquido que reveste os alvéolos e evita a existência de uma interface água-ar, que possui uma tensão superficial duas a 14 vezes maior do que a interface surfactante-ar.
Alguns recém-natos, principalmente os prematuros, não secretam quantidades adequadas de surfactante, o que torna muito difícil a expansão pulmonar. Sem tratamento imediato e cuidadoso, a maioria destes bebês morre logo após o nascimento, devido à ventilação pulmonar inadequada. Essa condição denomina-se membrana hialina ou síndrome de angústia respiratória do recém-nato.
No pulmão normal, quando há quantidades adequadas de surfactante, a tensão superficial é grande o bastante para afastar o líquido da parede com uma pressão média de -3mmHg. Na ausência de surfactante, essa força pode elevar-se até -10 ou -20mmHg, suficiente para causar filtração maciça de líquido dos capilares para dentro dos alvéolos. Isto constitui edema pulmonar, em consequências da falta de surfactante. Na síndrome de angústia respiratória do recém-nascido, um grande número de alvéolos está cheio de líquido, constituindo um fator de agravamento do quadro respiratório.
Para expandir os pulmões é necessário um mínimo de esforço, que ocorre naturalmente, na atividade da respi- ração. A maior ou menor capacidade de expansão pulmonar é conhecida como complacência. Quando a capacidade de expandir está diminuida, diz-se que o pulmão tem a complacência reduzida, ou, em outras palavras, um pulmão com a complacência reduzida se expande com mais dificuldade.
Condições que destroem o tecido pulmonar, produzem fibrose ou edema, ou que, impeçam a expansão e retração pulmonar, diminuem a complacência. As alterações produzidas pela cirurgia na caixa torácica contribuem para reduzir a complacência do tórax. A circulação extracorpórea por mecanismos diversos também contribui para reduzir a complacência pulmonar, no pósoperatório imediato.
A ventilação pulmonar pode ser medida pela determinação dos volumes de ar existente nos pulmões, em diferentes circunstâncias. O estudo das alterações nos volumes pulmonares é feito pela espirometria.
Para avaliar a ventilação consideramse os seguintes volumes pulmonares: volume corrente, volume de reserva inspiratório, volume de reserva expiratório e o volume residual.
Volume corrente (VC) é o volume de ar inspirado ou expirado em cada respiração normal. Corresponde a aproximadamente 500ml em um adulto médio, do sexo masculino. Volume de reserva inspiratório (VRI)
86 - VOL I - FUNDAMENTOS DA CIRCULAÇÃO EXTRACORPÓREA é o volume extra de ar que pode ser inspirado, além do volume corrente normal, durante a inspiração máxima forçada. Corresponde a cerca de 3.0 ml. Isto significa que durante um período de respiração tranquila, se produzirmos uma inspiração máxima, chamada "suspiro", podemos inspirar um volume adicional de 3 litros de ar.
Volume de reserva expiratório (VRE) é a quantidade de ar que ainda pode ser expirada, por uma expiração forçada, após o final da expiração corrente normal. Este volume é de cerca de 1.100 ml.
Volume residual (VR) é o volume de ar que permanece nos pulmões após uma expiração forçada. Este volume é em média de 1.200ml.
A combinação de dois ou mais volumes é chamada de capacidade pulmonar. As principais capacidades pulmonares são: capacidade inspiratória, cpacidade residual funcional, capacidade vital e a capacidade pulmonar total.
Capacidade inspiratória é a quantidade de ar que pode ser inspirado, quando a inspiração começa ao nível expiratório normal e distende os pulmões ao máximo. Equivale a cerca de 3.500ml e corresponde à soma do volume corrente e do volume de reserva inspiratória.
Capacidade residual funcional é a quantidade de ar que permanece nos pulmões ao final de uma expiração normal. Equivale a cerca de 2.300ml e corresponde à soma do volume de reserva expiratório com o volume residual.
Capacidade vital é a quantidade máxima de ar que um indivíduo pode expelir dos pulmões após uma inspiração máxima, seguida de uma expiração máxima. Equivale a cerca de 4.600ml e corresponde à soma do volume de reserva inspiratório com o volume de reserva expiratório.
Capacidade pulmonar total é o volume máximo com o qual os pulmões podem se expandir com o maior esforço inspiratório possível. Corresponde a cerca de 5.800 ml.
Os volumes e as capacidades pulmonares são cerca de 20 a 25% menores no sexo feminino e são maiores nos indivíduos de maior porte físico e nos atletas.