Sistema Respiratório. Simulação em Matlab

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1 Modelos dos Processos Fisiológicos no Home Sistema Respiratório Simulação em Matlab

2 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 2 Conteúdos Sistema Respiratório - Introdução Biofísica Pulmonar Simulação Computacional Dinâmica Respiratória de um Paciente

3 Sistema Respiratório O sistema respiratório é constituído por: - par de pulmões - fossas nasais - boca, - faringe, - laringe, - traqueia, - brônquios, bronquíolos e os alvéolos, todos localizados nos pulmões. Extraído dehttp:// Extraído dehttp:// Licenciatura em Eng.ª Biomédica 3

4 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 4 Anatomia do Pulmão O pulmão é um órgão esponjoso que executa a respiração. Tem aproximadamente 25 cm de comprimento e 700 g de peso, situado na cavidade torácica. A cavidade torácica esta dividida em três partes : cavidade pleural direita cavidade pleural esquerda e mediastino Extraído de

5 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 5 Anatomia do Pulmão O pulmão direito é ligeiramente maior que o esquerdo e está dividido em três lóbulos; já o pulmão esquerdo tem apenas dois lóbulos Extraído de

6 Anatomia Pulmonar Nos pulmões os brônquios ramificam-se profusamente, dando origem a tubos cada vez mais finos, os bronquíolos. O conjunto altamente ramificado de bronquíolos é a árvore brônquica ou árvore respiratória. Cada bronquíolo termina em pequenas bolsas recobertas por capilares sanguíneos, denominadas alvéolos pulmonares. Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 6

7 Alvéolo Pulmonar Cada brônquio respiratório que está dentro do lóbulo pulmonar dá origem aos ductos alveolares. Projectando-se para fora das finas paredes dos ductos alveolares e dos brônquios respiratórios estão numerosos alvéolos cada um com um diâmetro aproximadamente entre 0,2 e 0,5mm. É nos alvéolos que se dá as trocas gasosas Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 7

8 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 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 8

9 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 9 Hemoglobina Proteína tetramérica com estrutura quaternária é composta de quatro cadeias polipeptídicas Há quatro complexos hemeferro. A sua principal função é o transporte e fornecimento aos tecidos de O2 Extraído de

10 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 10 Saturação O2 Extraído de

11 Pleura Os pulmões são envoltos por duas membranas, denominadas pleuras. Entre as pleuras há um espaço, preenchido por líquido. A tensão superficial deste líquido mantém unidas as duas pleuras, mas permite que elas deslizem uma sobre a outra, durante os movimentos respiratórios. A pleura forma também uma barreira que ajuda os pulmões a protegerem-se contra infecções que possam ocorrer na cavidade torácica Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 11

12 Fisiologia da Respiração A inspiração, que promove a entrada de ar nos pulmões, dáse pela contracção da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma baixa e as costelas elevam-se, promovendo o aumento da caixa torácica, com consequente redução da pressão interna (em relação à externa), forçando o ar a entrar nos pulmões. Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 12

13 Fisiologia da Respiração A expiração, que promove a saída de ar dos pulmões, dá-se pelo relaxamento da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma eleva-se e as costelas abaixam, o que diminui o volume da caixa torácica, com consequente aumento da pressão interna, forçando o ar a sair dos pulmões. Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 13

14 Volumes Pulmonares - Espirometria Volume Corrente (TV) 0,5 L/min Volume de reserva inspiratória (IRV) 3L/min Volume de reserva expiratória (ERV) 1.1L/min Volume residual (RV) 1.2L/min Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 14

15 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 15 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)

16 Ventilação Alveolar Ventilação (V A ) movimento de ar para dentro e para fora dos pulmões, provocado por diferenças de pressão. - manter a composição do ar alveolar em estado óptimo. Extraído dehttp:// Volumes Pulmonares Os movimentos de acordo com os gradientes de pressão também se aplicam aos gases individuais, isto é, para o O 2 e o CO 2. Perfusão (Q) passagem de O 2 para o fluxo sanguíneo. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 16

17 Transporte de Gás nos Alvéolos V A c I + Q c v = V A c E + Q c A c E = c A V A (c I -c A ) = Q (c a -c V ) Para ocorrer as trocas gasosas é necessário que: c I = c A. A pressão nos alvéolos pode ser referida de acordo com a lei dos gases ideais: P A = K T c A ( c A = n/v A ). A pressão intrapulmonar é inversamente proporcional ao volume dos alvéolos. Licenciatura em Eng.ª Biomédica 17

18 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 18 Transporte de Gás nos Alvéolos Pela Lei de Henry: c = σ a P a 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, P a =P A.

19 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 19 Transporte de Gás nos Alvéolos V A (c I -c A ) = Q (c a -c V ) PO 2 (ar inspirado) = 160 mm Hg PO 2 (alvéolos) = 100 mm Hg PCO 2 (ar inspirado) = 0 PO 2 (alvéolos) = 40 mm Hg c I c A < 0, para o Co 2 c I c A > 0, para O 2

20 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 20 elação Ventilação - Perfusão A partir das equações das concentrações alveolar e arterial, achamos a razão entre a ventilação e a perfusão, designada por r. c c a A = V V A A c I + Q c v + Q σ K T V r c I + c Q v = σ K T r + σ K T r = A

21 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 21 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.

22 Transporte de Gás nos Pulmões Todos os parâmetros se mantém nos diferentes alvéolos, excepto a ventilação V A e a perfusão Q. GRAVIDADE Gradiente de concentração sanguínea A parte inferior pulmonar: - tem maior fluxo sanguíneo; - maior ventilação; Licenciatura em Eng.ª Biomédica 22

23 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 23 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)

24 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de

25 Simulação Computacional Carregando... Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica

26 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de

27 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de

28 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando... Extraído de

29 Simulação Computacional Carregando... Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica

30 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando...

31 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando...

32 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando...

33 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional Carregando...

34 Licenciatura em Eng.ª Biomédica Simulação Computacional do...

35 Simulação Computacional Licenciatura em Eng.ª Biomédica

36 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 36 Matlab Aspectos Gerais Figura 1: Aspecto geral da janela do Simulink / Matlab

37 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 37 Simulação Computacional Variáveis de Estado; Representação Gráfica: Ventilação vs. Perfusão; Simulação em Interface Gráfica (GUI)

38 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 38

39 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 39 Variáveis de Estado N.º de Alvéolos; Correlação Ventilação / Perfusão (V/P); Taxa de Consumo de O 2 ; Concentração de O 2 ;

40 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 40 Variáveis de Estado Concentração de Hemoglobina no Sangue;

41 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 41 Parâmetros Standard Concentração do O 2 :Nível marítimo Temperatura: 37ºC

42 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 42 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;

43 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 43 Interpretação V/P = 0: o fluxo de O 2 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 O 2 e o fluxo sanguíneo são independentes alguns alvéolos conseguem alta perfusão com baixa ventilação.

44 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 44 Interpretação / Conclusão Influência da correlação V/P, no estudo da heterogeneidade pulmonar; Modelo com uma inicialização aleatória, evidenciando a imprevisibilidade dos fenómenos biológicos

45 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 45 Interpretação / Conclusão Será este modelo, adequado ao que se verifica na realidade? Possui limitações? Vantagens / Desvantagens

46 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 46 Interpretação / Conclusão O modelo considera, por questões de simplificação, que a totalidade do ar inspirado alcança as superfícies alveolares; No entanto existe volume residual, ao longo do tracto respiratório ( dead space )

47 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 47 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.

48 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 48 Interpretação / Conclusão O modelo permite o estudo de soluções gasosas simples (depende do tipo de gás em estudo); Evidência do estudo compartimental / funcional.

49 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 49 Interpretação / Conclusão O modelo tem apenas em conta o O 2 ligado à hemoglobina, desprezando o O 2 dissolvido; Respiração de O 2 (100%) câmara hiperbárica

50 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 50 Interpretação / Conclusão Ventilação Alveolar Esperada(5 l/min); Perfusão Alveolar Esperada(5.6 l/min); Erros não significativos

51 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 51 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

52 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 52 Interpretação / Conclusão Métodos de Optimização

53 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 53 Algumas aplicações práticas... Estudos de actividade física; Altitude; Anemia ou policitemia; Ou outras combinações, destas condições.

54 Influência da Altitude Diminuição do oxigénio; Logo, a concentração de Hemoglobina deve ser maior, Mas... Em um anémico, a situação é inversa Extraído de Licenciatura em Eng.ª Biomédica 54

55 Anemia Extraído de anemia/anemia.html Extraído dehttp://health.allrefer.com/health/iron-deficiency-anemiachildren-hemoglobin.html Licenciatura em Eng.ª Biomédica 55

56 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 56 Referências Bibliográficas Extraído dehttp://

57 Licenciatura em Eng.ª Biomédica 57 Trabalho Elaborado Por: Luís Filipe Ferreira Neves Marisa Leal Ferreira Ricardo Miguel H. Soares Costa 2005