Ventiladores pulmonares e respiração: um olhar físico sobre os processos

*Por Márcio Miranda, professor de Física do Anglo Vestibulares

Dispneia é o termo médico que descreve a falta de ar em pacientes acometidos por doenças respiratórias, problemas cardíacos ou crises de ansiedade. Esse também é um dos sintomas da covid-19. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), a dificuldade de respirar está relacionada a 19% a 35% dos casos confirmados da doença. Embora a maioria das pessoas afetadas por covid-19 (aproximadamente 80%) se recupera da doença sem a necessidade de tratamento especial, uma em cada seis torna-se gravemente doente e desenvolve a dificuldade de respirar.

Para respirar normalmente, há uma demanda energética do corpo humano, que corresponde de 3% a 5% do metabolismo. Durante a inspiração, os principais músculos exigidos são diafragma, intercostais externos e grande peitoral. Eles promovem a expansão dos pulmões, que são órgãos muito elásticos. Toda vez que os pulmões são insuflados, dois fenômenos físicos destacam-se: (1) o volume interno aumenta, provocando uma diminuição da pressão que determina um fluxo de ar de fora para dentro, e (2) há um acúmulo de energia potencial elástica, que é fundamental para promover a retração do órgão durante a expiração.

Quando há dispneia, como no caso da covid-19, o escoamento do ar pelas vias aéreas é turbulento. Nessa condição, a passagem do ar experimenta uma força de arrasto oposta à velocidade com que a massa de ar se desloca, dificultando sua movimentação. Por meio de um estetoscópio, o médico percebe vibrações típicas na ausculta do paciente. Na expiração, a compressão exercida pela parede torácica e pelos músculos do abdômen aumenta a pressão intrapulmonar, expulsando os gases decorrentes das trocas gasosas realizadas nos alvéolos pulmonares. Nessa fase, a diminuição do volume determina o aumento da pressão interna. A frequência com que esses movimentos se repetem denomina-se frequência respiratória e varia com idade do paciente. Para se ter uma ideia, ocorrem cerca de 20 ciclos por minuto para indivíduos entre 15 e 20 anos.

A ventilação mecânica ou artificial tem como objetivo prover o fornecimento de ar ao paciente parcial ou completamente, mantendo as trocas gasosas que foram descritas anteriormente. Dessa forma, o ventilador mecânico (equipamento que realiza a ventilação) deve seguir algumas etapas:

• fase inspiratória: estabelece-se uma diferença de pressão entre a entrada das vias aéreas e alvéolos pulmonares;
• pausa inspiratória: fecham-se as válvulas inspiratória e expiratória simultaneamente ao final da inspiração, mantendo dentro dos pulmões o volume corrente;
• fase expiratória: abre-se a válvula expiratória para o ambiente possibilitando que os pulmões voltem ao volume inicial, expulsando parcialmente os gases no seu interior;
• pausa expiratória: fecha-se a válvula expiratória e abre-se a válvula inspiratória dando início a primeira fase e recomeçando o ciclo.

Em função da avaliação médica das condições do paciente, o ventilador mecânico pode suprir todas as necessidades agindo em todas as etapas da respiração ou atuar de forma controlada durante a fase inspiratória ou expiratória. Ainda é possível controlar o ventilador a partir da fixação de parâmetros como volume (ventilação com volume controlado) ou pressão (ventilação com pressão controlada), além de ser opcional fixar ou não a frequência respiratória.

Uma equipe multidisciplinar da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP) desenvolveu um protótipo de ventilador pulmonar de baixo custo, com tecnologia totalmente nacional, a partir de componentes existentes no mercado brasileiro evitando a importação ou a necessidade de desenvolvimento de novas peças. O protótipo chama-se INSPIRE e pode ser acessado através do endereço https://www.poli.usp.br/inspire/diario-de-bordo-projeto-inspire.

Os conteúdos curriculares da disciplina de Física associados à respiração e ao ventilador mecânico que podem estar presentes nos exames vestibulares deste ano são transformações gasosas e lei geral dos gases. Quando uma amostra de gás ideal experimenta uma transformação entre dois estados A e B, tem-se:

na qual N representa o número de mols da amostra e p, V e T correspondem às variáveis de estado pressão, volume e temperatura, respectivamente.