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Biofísica da circulação

Hemodinâmica cardíaca

Forças e mecanismos físicos

relacionados à circulação sanguínea

Biofísica 2019 / Ciências Biológicas / FCAV UNESP

Sistema circulatório

1) Sistema cardiovascular – coração, vasos sanguíneos, sangue,

sistema de controle (SN autônomo)

a) Coração - bomba impulsiona sangue pelos vasos para as células

do corpo e pulmões (5 litros / min).

b) Vasos sanguíneos – rede tubular liga coração a todas as células

em sentido de ida e volta. Artérias e veias.

c) Sangue – fluido de transporte.

2) Sistema linfático (sistema circulatório secundário) – vasos linfáticos

e tecidos linfoides (baço, timo, nódulos linfáticos, amídalas)

Eventos do ciclo cardíaco

Sístole e diástole

1) Metabolismo molecular – despolarização em células auto-excitáveis

2) Eventos elétricos – Potencial de Ação se propaga no coração

3) Eventos musculares – contração das fibras cardíacas

4) Eventos hidrodinâmicos – a massa sanguínea circula nos vasos

Duas forças físicas

determinam o ciclo

cardíaco

1 2 3 4

Campo Eletromagnético Campo Gravitacional

Grande circulação

Pequena circulação

Aspectos

anatômicos do

sistema

circulatório

Circulações sistêmica e pulmonar

Microcirculação - componentes

Sistema circulatório

A circulação sistêmica inclui a aorta, artérias, capilares, vênulas, veias e as veias cavas

A circulação pulmonar inclui as veias e artérias pulmonares

Direção do fluxo sanguíneo

Valvas

cardíacas

Músculos papilares e cordas tendíneas

Valvas cardíacas - estruturas internas do coração; função - impedir o retorno do sangue.

Finos folhetos de tecido fibroso (cúspides), presos às paredes internas do músculo

cardíaco (músculos papilares), por cordas tendíneas (colágeno).

Abrem-se e fecham-se passivamente, sendo puxados durante a contração dos músculos

papilares e ventrículos.

1) válvula tricúspide, entre o

átrio e o ventrículo direitos;

2) válvula pulmonar

(semilunar), entre o ventrículo

direito e a artéria pulmonar;

3) válvula mitral (bicúspide),

entre o átrio e o ventrículo

esquerdos;

4) válvula aórtica (semilunar),

entre o ventrículo esquerdo e a

aorta;

1)

3) 4)

2)

O sistema linfático

Três funções inter-relacionadas:

(1) remoção dos fluidos em excesso dos tecidos corporais,

(2) absorção dos ácidos graxos e transporte da gordura para o sangue,

(3) produção de células imunes (monócitos, linfócitos e células produtoras de

anticorpos).

Os vasos linfáticos têm a função de drenar o excesso de líquido que sai do

sangue e se junta ao líquido intersticial. Esse excesso de líquido que circula

nos vasos linfáticos e é devolvido ao sangue é a linfa.

Linfa - líquido transparente e esbranquiçado, constituído essencialmente

pelo plasma sanguíneo, proteínas e por glóbulos brancos.

A linfa é transportada pelos vasos linfáticos em sentido unidirecional e

filtrada nos linfonodos (nódulos linfáticos ou gânglios linfáticos). Após a

filtragem, é lançada no sangue, desembocando nas grandes veias torácicas.

Relação dos sistemas sanguíneo e linfático

Relação dos sistemas sanguíneo e linfático

Estrutura dos vasos

Estrutura dos vasos da microcirculação

Diferença entre artéria e veia

Tamanho do coração – 0,6% peso corporal

Variação - genética, taxa metabólica.

Volume sanguíneo – 8% peso corporal

Relação entre a massa corpórea e o tamanho do coração

Distribuição do débito cardíaco

Distribuição do

débito cardíaco

durante repouso e

exercício

Campo elétrico e a circulação

Sistema especializado de condução do coração (1 + 2 + 3 + 4)

1

3

2

4

Sequência da excitação cardíaca

Células auto-excitáveis ou células marca-passo

• Feixe de Hiss e fibras de Purkinje - sistema condutor

especializado organiza as contrações cardíacas.

• Células musculares especializadas em condução elétrica -

transmitem impulsos elétricos a partir do nodo

atrioventricular.

Quatro momentos da contração:

1) Célula do marca-passo SA despolariza

2) PA se propaga para o átrio esquerdo

3) PA passa pelo Feixe de Hiss e atinge o ápice ventricular

4) PA se espalha pelas fibras de Purkinje

Correlação entre os eventos elétricos e iônicos

Eventos mecânicos

Contração da musculatura cardíaca

• Músculo cardíaco estriado. Particularidade - músculo sincicial

Registro dos eventos elétricos

Base do ECG

O eletrocardiograma (ECG) é o registro dos sinais elétricos emitidos

durante a atividade cardíaca.

Reflete a atividade do coração e fornece informações sobre os

impulsos que coincidem com cada fase da estimulação cardíaca.

O coração, durante sua atividade, age como um gerador de

correntes elétricas que se espalham no sistema condutor (músculo

cardíaco), gera potenciais elétricos cuja evolução no tempo pode ser

prevista.

Registro dos eventos elétricos

Base do ECG

Einthoven estabeleceu 3 derivações dispostas de modo a formar os

lados de um triângulo equilátero (Triângulo de Einthoven).

Derivação - linha que une dois eletrodos. Uma derivação corresponde ao

registro obtido por um eletrodo posicionado em qualquer ponto do corpo.

Normalmente, os eletrodos são colocados na superfície do tórax e dos

membros, mas existem situações onde se usam eletrodos no interior

do esôfago, no interior do coração ou na superfície do coração.

Derivações

bipolares

Derivações

unipolares

ECG - eletrocardiograma

ECG

Células de Purkinje

e

Normal

Bloqueio

parcial

Bloqueio

completo

Cálculo da frequência cardíaca

Taxa metabólica é proporcional à frequência cardíaca.

Tempo de circulação do volume sanguíneo:

• Elefante – 140 segundos

• Homem – 50 segundos

• Camundongo – 7 segundos

Peso do coração (0,6%)

x

Frequência cardíaca

Ciclo cardíaco – sístole e diástole

Sístole

Diástole

Eventos no AE, VE

e aorta durante o

ciclo cardíaco

Elétricos

Mecânicos

Sonoros

Sons

cardíacos

Origem dos sons cardíacos

Fechamento das válvulas AV (mitral) e semilunar aórtica

produzem sons audíveis na superfície corporal

2º som

1º som

Campo gravitacional e a circulação

Energia potencial

Energia cinética

Energia gravitacional

Atrito

Pressão

Viscosidade

Mecânica circulatória

Circulação sanguínea – sistema fechado, com o volume circulatório

em regime estacionário (mamíferos)

Sistema fechado, com o volume circulatório em regime estacionário

Propriedades de um fluxo em regime estacionário

Fluxo – volume que se movimenta (ml/min)

Ec - energia cinética

Ep - Pressão lateral (energia potencial)

1) Regime estacionário - volume que entra no sistema é o mesmo que sai

2) Energética – A velocidade de circulação (energia cinética - Ec) diminui à

medida que o diâmetro aumenta.

3) Pressão lateral aumenta, porque a soma de Ep+Ec é constante. Ep cresce

às custas da Ec.

Qual a relação entre as condições de fluxo estacionário e a

fisiologia circulatória?

Quebra do regime (consequência?)

Ex. 1 - Edema pulmonar - Quantidade de sangue que entra na circulação

pulmonar é maior que a que sai. Acúmulo da sangue (estase) –

extravasamento de plasma nos alvéolos - impede a troca gasosa, afoga o

paciente no próprio plasma.

Causas – falha da bomba cardíaca

Processo agudo – estase de 1% por 10 minutos mata o paciente.

Ex. 2 – Hemorragia – aguda é uma condição grave (estancar sangramento,

repor líquido perdido); crônica (restabelecimento da volemia).

Hemorragia arterial e venosa.

Padrões anormais de fluxo sanguíneo – quebra do RE

Fístulas

Relação entre a velocidade de circulação e o diâmetro dos

vasos?

Área dos segmentos vasculares é muito variável, fluxo é

obrigatoriamente constante - velocidade de circulação varia.......

Relação entre a energética de fluxo e a pressão lateral

Em um sistema líquido que se movimenta em tubos, pelo trabalho de

uma bomba, a energia total (ET) do fluido é dada por 4 componentes

(equação de Bernoulli):

ET = Ep + Ec + Ed + Eg

Ep - pressão lateral

Ec – deslocamento do fluido

Ed – atrito

Eg – energia posicional (gravidade)

Vasos que levam sangue aos tecidos

Pressão cai ao longo do vaso e diminui a força de irrigação dos tecidos.

Qual a estratégia do organismo para compensar?

Relação entre a energética de fluxo e a pressão lateral

Estratégia de compensação? A compensação se dá por segmentação das

artérias, criando área total maior.

Pressão de irrigação nas artérias distais é menor que nas artérias

proximais.

Anomalias de fluxo

O que ocorre com a pressão quando há anomalias de fluxo?

Aneurisma e Estenose - (AVC e infarto)

Onda de pulso e velocidade de circulação

Onda de pulso – dilatação das artérias, sincrônica com os batimentos

cardíacos (pulso). É energia mecânica – valor diagnóstico

Corrente sanguínea é deslocamento da massa de sangue (movimento das

hemácias).

A onda de pulso se propaga com velocidade 4 a 6 vezes maior que a

corrente sanguínea

Energética na sístole e diástole

Ec

Ep

Ep

Por que a pressão e o fluxo

continuam durante a diástole?

Em nenhum momento do ciclo:

1) O fluxo se interrompe

2) A pressão se anula

Energia potencial armazenada nas

paredes das artérias se transforma

em energia cinética

Posição ereta – distância entre o coração e o cérebro.

Pássaros - Pam mais alta – sujeitos a variações maiores de P pela

aceleração da gravidade durante o voo.

Ao nível do coração

Ao nível do cérebro

(280 – 180)

(120 – 80)

(140 – 95)

Animais diferem nos níveis de P arterial média – forma e atividade

Cara, você é

ridículoVocê tem ideia

melhor?

Hipertensão de origem vascular e

sua energética

Pressão nos capilares - Forças envolvidas

Capilares – parte do sistema circulatório onde ocorrem trocas metabólicas

com os tecidos

Capilares

Comprimento médio - 0,5 a 1,2 nm (800.000 a 1.200.000 nm)

Diâmetro - 8 a 8,5 µm

Velocidade – 0,4 mm/s (suficiente para permitir as trocas)

Parede – camada única de células endoteliais

Poros – 3 nm (cérebro; barreira hemato-encefálica) a 10 nm (fígado)

A qq instante – 5% do sangue

(250ml) está no leito capilar

5 litros por minuto

Pressão e filtração nos capilares - Forças envolvidas

Pressão e filtração nos capilares - Forças envolvidas

O estado estacionário no capilar é importante. Se o fluido que sai for

maior que o fluido que entra - edema

Tipos de fluxo sanguíneo – regime de escoamento

Relação com a circulação sanguínea

Laminar - silencioso

Turbilhonar - ruidosoReologia (fluxo e deformações

do fluxo)

Velocidade crítica

Distribuição das camadas do fluido

No fluxo laminar – velocidade das camadas é > no centro

Próximos às paredes – acúmulo de elementos figurados

Importância do conhecimento – colheita de sangue – vasos calibrosos -

não reflete a composição média do sangue

Regime de fluxo e medida da pressão arterial

Esfigmomanômetro

Regime de fluxo e sopros circulatórios

Sopros circulatórios – mudança do regime circulatório

1) Ocorrência comum em crianças e em adultos após exercício físico

3) Estreitamento de válvulas cardíacas por lesão inflamatórias ou

degenerativas – cicatrizes estenosantes – fluxos com velocidades

acima da crítica (sistólicos ou diastólicos)

4) Abaixamento da viscosidade do sangue (anemia)

5) Fístulas arteriovenosas ou interventricular. Interatrial não tem som

audível (pressão mais baixa)

6) Aneurisma – jato de sangue ao passar pela área alterada (turbulência

e ruído)

Fatores físicos que condicionam o fluxo

Equação de Poiseuille

F= π ΔP r4

8 ΔL η

Π e 8 - constantes de integração

P – diferença de pressão

r – raio do tubo

L – comprimento do tubo

η – viscosidade do sangue

viscosidade

raio

Fatores físicos que condicionam o fluxo

P – pressão

r – raio do tubo

L – comprimento do tubo

η – viscosidade do sangue

Alteração do número e volume de células

Relação entre pressão e tensão

Lei de Laplace

Complacência das paredes (capacidade de distensão)

Elasticidade – reação a forças deformantes (estrutura do vaso)

Diferença entre tensão e pressão

Pressão – força exercida pelo

sangue nos vasos

Tensão - medida indireta da

pressão considerando todas as

estruturas que envolvem as

artérias naturalmente (músculos,

tecido adiposo, pele).

Aula prática

Registro da atividade elétrica, pressão

sanguínea arterial, sons cardíacos e

pressão de pulso no homem