Características gerais do sistema cardiovascular

O sistema cardiovascular é formado por um órgão propulsor de sangue, coração, e uma rede vascular de distribuição. Excitados periodicamente, os músculos do coração se contraem impulsionando o sangue através dos vasos a todas as partes do corpo. Os vasos condutores do sangue para fora do coração são as artérias. Estas ramificam-se tornando-se progresivamente de menor calibre terminando em diminutos vasos denominados arteriolas. A partir destes vasos o sangue é capaz de realizar suas funções de nutrição e absorção atravesando uma rede de vasos denominados capilares de paredes muito finas e permeáveis a troca de substâncias entre o sangue e os tecidos. Dos capilares o sangue é coletado em vênulas que progressivamente coalescem em veias de diámetros progressivamente maiores alcançando novamente o coração. Esta passagem do sangue através do coração e dos vasos sanguíneos é chamada de circulação do sangue ([36], [34]). Quando o sangue retorna ao coração através das veias cavas superior e inferior penetra no átrio direito e é em seguida impulsionado para o ventrículo direito. Daqui e bombeado para os capilares dos pulmões através das artérias pulmonares sendo purificado libertando dióxido de carbono e absorvendo oxigênio. Retorna pelas veias pulmonares para o átrio esquerdo que conduce o sangue para o ventrículo esquerdo. O ventrículo esquerdo impulsiona o sangue através da aorta, artérias sistémicas e dos capilares e, de volta ao coração, através das veias. A Figura 3 apresenta de maneira esquemática a anatomia do coração e a Figura 4 representa esquemáticamente o Sistema Circulatório.

Figure 3: O Coração.

A circulação através do coração direito e dos pulmões é denominada circulação pulmonar ou pequena circulação. A circulação através do coração esquerdo e conhecida como circulação sistémica, também chamada grande circulação ou circulação periférica por suprir com o fluxo sanguíneo todos os tecidos do corpo exceto os pulmões, ver Figura 4. Embora o circuito saindo do coração e de novo voltando a ele envolva praticamente apenas uma ordem de capilares, encontra-se uma exceção nos vasos dos órgãos abdominais. O sangue fornecido ao baço, pâncreas, estômago e intestinos pelas artérias sistémicas é coletado por uma grande véia, a véia porta. Esta véia penetra no fígado ramificando-se em seu interior. À medida que o sangue passa através de sinusóides semelhantes a capilares, troca substâncias nutrientes com as células hepáticas sendo então coletado pelas véias hepáticas, que o lançam na véia cava inferior [34].

Figure 4: Sistema Circulatório.

O volúme de sangue bombeado para a circulação sistémica por unidade de tempo é o débito cardíaco, também chamado volume-minuto cardíaco já que é dado pelo produto da freqüencia cardíaca pelo débito sistólico que é o volume de sangue bombeado em cada contração (cerca de $85 ml$). A perfução de um dado órgão, ou seja, a parcela do débito cardíaco que cada órgão recebe, depende de suas necessidades metabólicas e da sua função. Por exemplo, os rins, que desempenham parte importante no recondicionamento do sangue, processam um volúme correspondente a aproximadamente 25% do total. Veja a Tabela 3 onde são apresentadas as porcentagems (aproximadas) do débito cardíaco processado em diferentes órgãos.

Table 3: Porcentagem do débito cardíaco processados em diferentes órgãos

	Porcentagem do
Órgão	débito cardíaco
Rins	25%
Coração	10%
Fígado	10%
Cérebro	18%

Durante a fase diastólica de cada ciclo, os ventrí culos direito e esquerdo (separados por um septo muscular), são enchidos por sangue proveniente dos respectivos átrios direito e esquerdo (Figura 3.2). A medida que estes ventrículos são enchidos a corrente sanguínea diminue sua velocidade acontecendo um aumento de pressão em cada um destes ventrículos (Figura 3.2). Quando as respectivas pressões equilibram as pressões existentes nos átrios termina-se por produzir o fechamento das válvulas tricúspide (que comunica o átrio direito com o ventrículo direito) e mitral (que comunica o átrio esquerdo com o ventrículo esquerdo) (Figura 3). Neste momento os músculos dos ventrículos se contraem (denominada contração isovolumétrica já que todas as válvulas do coração estão fechadas e ainda admíte-se que o sangue é incompressível) aumentando ainda mais a pressão existente em estes ventrículos. Quando a pressão no ventrículo esquerdo supera a pressão existente no ramo ascendente da aorta e quando a pressão no ventrículo direito excede a pressão da artéria pulmonar, a válvula aórtica no ventrículo esquerdo e a válvula pulmonar no ventrículo direito se abrem e o sangue é impulsionado para a aorta e os pulmões respectivamente (Figura 3). Esta é a fase sistólica (Figura 6). A ejeção continua até que, novamente, a desaceleração da corrente sanguínea conduce a um aumento da pressão que fecha as válvulas. Neste momento os músculos relaxam, a pressão decrece e a fase diastólica novamente têm inicio.

Figure 5: Fase Diastólica - Inicio e Final.

Fig ( a )

Fig ( b )

Figure 6: Fase Sistólica.

Na circulação sistêmica, a pressão no ventrículo esquerdo varia entre aproximadamente zero (pressão atmosférica) (diastóle) e 120 mmHg o maior (sístole). A pressão na aorta é obviamente elevada mais sua flutuação é bem menor (120 mmHg na sístole e 80 mmHg na diástole). A distensibilidade elástica da aorta e das grandes artérias faz com que a pressão do sangue na rede arterial se mantenha suficientemente alta mesmo durante a diástole ventricular. Assim, o sangue continua correndo para a periferia diminuindo progressivamente a pressão arterial para cerca de 0 mmHg ao chegar ao fim das veias cavas no átrio direito como mostrado na Figura 7. A pressão nos capilares sistémicos varia entre o máximo de 35 mmHg, próximo as extremidades arteriolares, até 10 mmHg próximo às suas extremidades venosas, mas sua pressão média em muitos leitos vasculares é de aproximadamente 17 mmHg, pressão suficiente para que pouco plasma vaze dos capilares porosos ainda que os nutrientes possam difundir-se facilmente pelas células teciduais[36]. Na circulação pulmonar acontece algo similar, mas os níveis médios da pressão são bem menores. Nas artérias pulmonares a pressão é pulsátil (como na aorta) com pressão sistólica de cerca de 25 mmHg e diastólica de 8 mmHg sendo que a pressão capilar pulmonar é de aproximadamente 7 mmHg [36].

Figure 7: Distribuição esquemática da pressão na circulação sistémica. As línhas tracejadas denotam pressão média.

A resposta à questão de como a grande flutuação da pressão no ventrículo esquerdo era, na aorta, transformada por uma onda de pressão de valor médio alto e menor flutuação foi dada por Stephen Hales (1773) que se baseou na elasticidade da aorta estabelecendo uma analogia do sistema coração-artérias com as bombas manuais de ar comprimido que os bembeiros empregabam. Esta analogia foi também empregada por Otto Frank (1899) na sua teoria do sistema cardiovascular - Windkessel (em alemão vaso com ar comprimido) [28]. Nesta teoria, a aorta é representada por uma câmara elástica e os vasos periféricos por um tubo rigido fino com resistência constante. Em este caso, admitindo que o fluido é imcompressível, se terá que o fluxo de entrada no sistema, $\dot{Q}[cm^{3}/s]$, deve ser igual à soma da taxa de variação do volúme da câmara elástica, $\frac{dV}{dt}$, e do fluxo nos vasos periféricos $\dot{q}$

$$\dot{Q}=dV/dt+\dot{q}.$$ (5)

Assumindo que

$$\frac{dV}{dt} = K \frac{dp}{dt}, \;\; \dot{q} = \frac{p}{R},$$ (6)

onde $K$ é uma constante de proporcionalidade e $R$ é a resistência vascular periférica que se supõe também constante, obtem-se

$$\dot{Q} = K \frac{dp}{dt} + \frac{p}{R}$$ (7)

A solução desta equação diferencial está dada por

$$p(t) = \frac{1}{K} e^{-t/KR} \int^t_0 \dot{Q}e^{-\tau/KR} d\tau + p_0 e^{-%% \frac{t}{KR}}$$ (8)

onde $p_0$ é a pressão no instante $t=0$. A expressão anterior fornece a pressão na aorta em função da história do fluxo sangüíneo do ventrículo esquerdo $\dot{Q}(t)$. Embora as hipóteses muito simplificadoras empregadas para a obtenção da expressão (8), ela aproxima com bastante presição resultados experimentais obtidos durante a diástole [52].

De todo o sangue existente no corpo humano, 84% de seu volúme está contido na circulação sistémica com 64% nas veias, 13% nas artérias e 7% nas arteríolas e capilares sistémicos. O coração tem 7% a 10% e 9% os vasos pulmonares [36].

Quando uma artéria o véia se ramifica, a área da seção transversal do conjunto de seus ramos é maior que a do vaso inicial. O número de vasos formados por esse processo de ramificação pode ser visto na Tabela 4 onde também são apresentados o tamanho (diámetro) dos vasos, as respectivas quantidades (ramificações), a área transversal total dos mesmos, o espessor de suas paredes e a relação diámetro - espessor. Como o volúme de sangue que flui através da aorta é o mesmo que flui por todos os vasos, a velocidade média diminue inversamente com a área da seção transversal. Assim, a velocidade média na aorta é de aproximadamente 33 cm/s, enquanto que nos capilares é de 0.03 cm/s. Como os capilares são muito curtos (comprimento típico de 0.3 a 1 mm aproximadamente), o sangue permanece neles por apenas 1 a 3 segundos contudo, este tempo é suficiente para a ocorrência de toda a troca de substâncias entre o sangue e as células dos tecidos.

Table 4: Comparação entre diferentes vasos do sistema circulatório

	Diámetro		Área Transversal	Espessor	Diámetro
Vaso	[$cm$]	Quantidade	Total [$cm^2$]	[$cm$]	$\times$ Espessor
Aorta	$2.5$	$1$	$4.9$	$0.2$	12.5
Artérias	$0.4$	$159$	$20$	$0.1$	4.0
Arteriólas	$3.0 \times 10^{-3}$	$5.7 \times 10^{7}$	$400$	$2.0 \times 10^{-3}$	1.5
Capilares	$6.0 \times 10^{-4}$	$1.6 \times 10^{10}$	$4500$	$1.0 \times 10^{-4}$	6.0
Vênulas	$2.0 \times 10^{-3}$	$1.3 \times 10^{9}$	$4000$	$2.0 \times 10^{-4}$	10.0
Veias	$0.5$	$200$	$40$	$0.05$	10.0
Veia Cava	$3.0$	$2$	$8$	$0.15$	20.0

Observando a Figura 7, a diferença de pressão entre a aorta e as cavas é determinante para o movimento do sangue. Esta diferença deve-se a variações na energia cinética e/ou potencial do sangue e dissipação de energia por efeitos viscosos dos mais variados. Entretanto, nóta-se que a perdida de pressão média na circulação sistémica é muito maior nos segmentos que representam os vasos de menor calibre. Isto pode ser visto em maior detalhe na Tabela 5. A Resistência periférica ou Resistência sistémica Total, RST, está dada pelo quociente entre a diferença de pressão média entre a Aorta (por exemplo 100 mmHg) e as Veias Cavas (por exemplo 5 mmHg) e o débito cardíaco (por exemplo 100 ml/s):

$$RST = \frac{p_{aorta} - p_{cava}}{\mbox{d\'ebito card\'{\i}a... ...5}{100} \cdot \frac{mmHg \, s}{ml} = 0.95 \frac{mmHg \, s}{ml}$$ (9)

O mesmo raciocínio aplicado à circulação pulmonar demonstra uma resistência vascular pulmonar de cerca de $20 \%$ da RST. Finalmente o exame da Figura 7 e da Tabela 5 mostra que a queda de pressão média efetiva é maior ao nível de arteríolas do que em qualquer outro distrito da circulação. Conclui-se assim, que as arteríolas, em seu conjunto, são o sítio de maior resistência na rede vascular. A princípio, a afirmativa pode parecer contraditória pois o diâmetro de um capilar é menor que o de uma arteríola. Isto é compensado em termo de resistência do conjunto pelo fato de corresponder uma seção transversal muito maior a nivel de capilares.

Table 5: Perda da pressão em diversos segmentos da Circulação Sistémica

Segmento	Pressão média no	Queda de pressão
Vascular	início do segmento	no segmento
	[mmHg]	[mmHg]
Aorta e grandes artérias	100	5
Pequenas artérias	95	10
Arteríolas	85	55
Capilares	30	15
Vênulas	15	8
Véias	7	5
Veia Cava e Átrio Direito	2-5	-