BIOFÍSICA Impartida por: Ing. Cesar Fernando Alonso Cuevas. -HEMODINÁMICASALTILLO, COAHUILA A 08/05/2023 Por: DIEGO ARTURO MARÍN ORTEGA. En la carrera de: Ingeniero en BIOTECNOLOGÍA. ¿QUÉ ES LA HEMODINÁMICA? La Hemodinámica es la parte de la Biofísica que estudia el flujo de la sangre en el sistema circulatorio, basándose en los principios físicos de la dinámica de fluidos. Podemos definir la circulación de la sangre en el sistema arterial como la de un fluido real, no newtoniano, en régimen pulsátil en las grandes arterias y prácticamente estacionario y laminar en arteriolas y capilares. Este flujo es susceptible de desarrollar turbulencias de forma fisiológica en las bifurcaciones y, patológicamente, por efectos de estenosis. En la hemodinámica, como se ha mencionado, se aplican principios de hidrodinámica, así como de hidrostática, se deben manejar los temas y conceptos tales como presión, ley de pascal, el principio de Arquímedes, la ecuación de continuidad y la ecuación de Bernoulli. Ahora, en hemodinámica no podemos trabajar sobre una situación ideal por lo que ahora consideramos también lo que es: Capilaridad: Se denomina capilaridad al fenómeno que hace que la superficie de un fluido, al estar en contacto con un cuerpo sólido, suba o baje de acuerdo a si moja o no al elemento en cuestión. Este efecto es muy importante en biología ya que el agua sube por capilaridad, desde las raíces de un árbol hasta las hojas más altas de su follaje; también por capilaridad se lleva a cabo la irrigación de parte del organismo de los animales de sangre caliente; en el cuerpo humano se llevan a cabo multitud de fenómenos por capilaridad, sobre todo a nivel celular. Hasta ahora sólo han sido consideradas situaciones estáticas para los fluidos, pero el comportamiento de ellos cambia ante situaciones dinámicas. Campo de esfuerzos: Los esfuerzos en un continuo son el resultado de fuerzas que actúan en alguna parte del medio. El concepto de esfuerzo constituye una forma apropiada para describir la manera en que las fuerzas que actúan sobre las fronteras del medio se transmiten a través de él. Puesto que tanto la fuerza como el área son cantidades vectoriales, podemos prever que un campo de esfuerzos no resulta un campo vectorial: veremos que, en general, se necesitan nueve cantidades para especificar el estado de esfuerzos en un fluido. (El esfuerzo es una cantidad tensorial de segundo orden). Fuerzas superficiales y fuerzas volumétricas: Las superficiales y las volumétricas. Las fuerzas superficiales son aquellas que actúan sobre las fronteras del medio a través del contacto directo. Las fuerzas que actúan sin contacto físico, y que se distribuyen sobre el volumen del fluido, se denominan fuerzas volumétricas. Ejemplos de éstas, que actúan sobre un fluido, son las fuerzas gravitacionales y las electromagnéticas. La fuerza gravitacional que actúa sobre un elemento de volumen, dV, está dada por: ρ. g. dV donde ρ es la densidad (masa por unidad de volumen) y g es la aceleración local de la gravedad. Así, la fuerza volumétrica gravitacional por unidad de volumen es p.g y la fuerza volumétrica gravitacional por unidad de masa es g. Fluidos no Newtonianos: Se considera que un fluido es newtoniano cuando el coeficiente de viscosidad ƞ se mantiene constante a lo largo de la conducción. Sin embargo, este fenómeno que podrímos considerar cierto para fluidos como el agua, no sucede en la práctica en el sistema arterial. Cuando se hace circular sangre en condiciones experimentales por tubos rígidos de menos de 0,4 mm de diámetro, se comprueba que el valor de ƞ´ (coeficiente de viscosidad aparente o relativo) depende del gradiente de presión y del diámetro de la conducción. Este fenómeno, característico de los fluidos no newtonianos, puede explicarse por el alineamiento relativo de las partículas en suspensión (elementos formes de la sangre) a medida que aumenta la velocidad. La disminución de ƞ´ constituye el objetivo de determinados tratamientos reológicos (hemodilución, expansores del plasma, antiagregación plaquetar o aumento de la deformabilidad de los hematíes). En la hemodinámica un “principio” fundamental es: Flujo estacionario. Flujo pulsátil. Onda de Pulso: A. El flujo sanguíneo en arterias de gran y mediano calibre presenta un carácter pulsátil sincrónico con la contracción cardíaca. Sin embargo, este efecto sufre un proceso de amortiguado a lo largo del lecho capilar hasta hacerse prácticamente inapreciable en el territorio venoso post-capilar, 38 donde se transforma en un flujo continuo o estacionario: aquel en el que la velocidad con que circula el fluido en cada punto de la conducción se mantiene constante en el tiempo (aunque ésta pueda variar de un punto a otro de la misma) (6,7). B. La contracción cardíaca genera una onda de pulso (onda de presión) que se transmite a lo largo de las arterias gracias a su consistencia elástica (Fig 4). La velocidad de la onda de pulso en la raíz de la aorta es de alrededor de 5 m.s-1. Se puede deducir su longitud de onda mediante la ecuación Donde λ = longitud de onda (m); V= velocidad (m.s-1); u= frecuencia (s-1). Esto significa que la cabeza de la onda ya ha llegado a las arterias del pie antes de que la cola haya terminado de salir del ventrículo. La velocidad de propagación de la onda de pulso depende de la presión arterial, del radio de la arteria por la que se propaga y del espesor de su pared. Estos factores se integran en el módulo de elasticidad de Peterson (Ep), utilizado para estructuras cilíndricas como las arterias, y que se define como el aumento de presión necesario para conseguir un incremento teórico del radio del 100%: Donde Ep= módulo de elasticidad (N.m2); r= radio (m); p= presión (N.m-2). D. Su expresión inversa recibe el nombre de compliance (C) y es una medida de la “distensibilidad” arterial; disminuye con la edad, fibrosis y calcificación, fenómenos frecuentemente asociados a la arteriosclerosis: La velocidad con que se transmite la onda aumenta a medida que disminuye la compliance. Así pues, aunque a primera vista pueda resultar paradójico, la onda de pulso se transmite con mayor rapidez en las arterias rígidas que en las “jóvenes”. E. Hasta aquí hemos hecho referencia a la generación y transmisión de la onda de pulso. Ésta actúa como el “motor” capaz de movilizar la columna sanguínea en el interior del árbol arterial, pero ¿cómo se comporta el flujo en respuesta a esta onda de pulso? En arterias periféricas de mediano calibre y elevada resistencia, la curva de flujo consta de un ascenso rápido durante la sístole y una caída progresiva capaz de generar momentáneamente un flujo retrógrado (hacia el corazón) durante la diástole. Para entender este fenómeno, es necesario introducir el concepto de presión diferencial de McDonald. F. Consideremos en el interior de una arteria dos puntos A y B mínimamente separados entre sí. Para que se produzca el flujo de un líquido entre ambos es necesaria la existencia de un gradiente de presión. Cuando la presión en A es mayor que en B, el flujo es hacia delante o anterógrado. El flujo será retrógrado si en algún momento la presión en B supera la existente en A. Si representamos simultáneamente la curva de presión frente al tiempo (Fig. 5) a su paso por ambos, observamos que existe un cierto desfase entre ellas, cruzándose en tres puntos. En éstos, la diferencia de presión (presión diferencial) entre A y B es 0 y el flujo nulo. Hasta el punto 1, la presión en A es mayor que en B y el flujo anterógrado, pero entre los puntos 1 y 2, la presión en B es mayor que en A y el flujo, por tanto, retrógrado. En esta situación, la curva de presión diferencial reproduce prácticamente la curva de flujo. No obstante, en situaciones de baja resistencia periférica, el flujo retrógrado durante la diástole, puede no llegar a producirse. Retomando el ejemplo inicial, cabe hacerse la siguiente pregunta: ¿por qué no se transmite la onda de pulso más allá del territorio capilar? McDonald y Womersley demostraron que la curva de presión diferencial puede descomponerse matemáticamente (transformación de Fourier) en una serie de ondas sinusoidales armónicas de una onda fundamental (presión media). Cada una de ellas genera a su vez una curva de flujo (Fig. 6). Los cálculos de Womersley, le permitieron predecir los perfiles de velocidad para el flujo pulsátil en las arterias. La propagación de la onda de pulso desde el corazón a la periferia somete a estos componentes a una serie de cambios: 1. Atenuación por efecto de la visco elasticidad del árbol arterial. Es la responsable, por ejemplo, de la desaparición progresiva del dicrotismo (inflexión de la onda al principio de la diástole como consecuencia del cierre de las válvulas sigmoideas). 2. Dispersión al propagarse los armónicos componentes a diferente velocidad. 3. Aumento progresivo de la impedancia característica (oposición del lecho vascular al flujo pursátil) a medida que nos acercamos a la periferia. 4. Anulación de componentes por reflexión de la onda en los puntos de bifurcación. Todos estos factores hacen que la onda de pulso quede reducida a una oscilación sinusoidal de escasa amplitud a la salida de las arteriolas, desapareciendo en el segmento venoso post-capilar. EL CORAZÓN, COMPOSICIÓN, FUNCIONAMIENTO Y SU RELACIÓN CON LOS FLUIDOS Composición: El corazón pesa entre 7 y 15 onzas (200 a 425 gramos) y es un poco más grande que una mano cerrada. Al final de una vida larga, el corazón de una persona puede haber latido (es decir, haberse dilatado y contraído) más de 3.500 millones de veces. Cada día, el corazón medio late 100.000 veces, bombeando aproximadamente 2.000 galones (7.571 litros) de sangre. El corazón tiene cuatro cavidades. Las cavidades superiores se denominan «aurícula izquierda» y «aurícula derecha» y las cavidades inferiores se denominan «ventrículo izquierdo» y «ventrículo derecho». Una pared muscular denominada «tabique» separa las aurículas izquierda y derecha y los ventrículos izquierdo y derecho. El ventrículo izquierdo es la cavidad más grande y fuerte del corazón. Las paredes del ventrículo izquierdo tienen un grosor de sólo media pulgada (poco más de un centímetro), pero tienen la fuerza suficiente para impeler la sangre a través de la válvula aórtica hacia el resto del cuerpo. Las válvulas cardíacas Las válvulas que controlan el flujo de la sangre por el corazón son cuatro: La válvula tricúspide controla el flujo sanguíneo entre la aurícula derecha y el ventrículo derecho. La válvula pulmonar controla el flujo sanguíneo del ventrículo derecho a las arterias pulmonares, las cuales transportan la sangre a los pulmones para oxigenarla. La válvula mitral permite que la sangre rica en oxígeno proveniente de los pulmones pase de la aurícula izquierda al ventrículo izquierdo. La válvula aórtica permite que la sangre rica en oxígeno pase del ventrículo izquierdo a la aorta, la arteria más grande del cuerpo, la cual transporta la sangre al resto del organismo. Funcionamiento y su relación con los fluidos: El sistema cardiovascular está formado por el corazón, la sangre y los vasos sanguíneos y, cada uno desarrolla una función vital en el cuerpo humano. Aquí hablaremos sólo de una parte de la física que se involucra en su funcionamiento. La función principal del sistema circulatorio es transportar materiales en el cuerpo; la sangre recoge el oxígeno en los pulmones y, en el intestino recoge nutrientes, agua, minerales, vitaminas y los transporta a todas las células del cuerpo. El sistema cardiovascular humano (y en general mamífero) es un circuito muy simple. Consta de dos bombas fusionadas en un solo corazón (inicialmente fue una sola bomba que evolutivamente se dividió en dos), que impulsan la sangre por un circuito cerrado, de esta manera el ventrículo izquierdo del corazón bombea la sangre oxigenada por la contracción de sus músculos a una presión de casi 125 mm de Hg por la arteria aorta y se reparte todos los órganos y tejidos del cuerpo a través del sistema arterial. En los lechos capilares la sangre hace su trabajo de intercambio de nutrientes y desechos y regresa por el sistema venoso, o sistema de retorno venoso 42. Después de pasar por toda la malla de vasos capilares, la sangre se colecta en pequeñas venas (vénulas) que gradualmente se combinan en venas cada vez más gruesas hasta entrar al corazón por dos vías principales, la vena cava superior y la vena cava inferior. La sangre que llega al corazón pasa primeramente a un reservorio conocido como aurícula derecha donde se almacena; una vez que se llena se lleva a cabo una contracción leve (de 5 a 6 mm de Hg) y la sangre pasa al ventrículo derecho a través de la válvula tricúspide que se ilustra en la figura. Dependiendo del camino tomado, una vuelta completa puede tardar entre 10 y 60 segundos. En la siguiente contracción ventricular, la sangre se bombea a una presión de 25 mm de Hg pasando por la válvula pulmonar a las arterias pulmonares y hacia los vasos capilares de los pulmones, ahí recibe O2 y se desprende del CO2 que pasa al aire de los pulmones para ser exhalado. La sangre recién oxigenada regresa al corazón por las venas de los pulmones, llegando ahora al reservorio izquierdo o aurícula izquierda. Después de una leve contracción de la aurícula (7 a 8 mm de Hg) la sangre llega al ventrículo izquierdo pasando por la válvula mitral. En la siguiente contracción ventricular, la sangre se bombea hacia el resto del cuerpo, y sale por la válvula aórtica. En un adulto el corazón bombea cerca de 80 ml por cada contracción. Es evidente que las válvulas del corazón deben funcionar en forma rítmica y sincronizada, ya que de no ser así el cuerpo puede sufrir un paro cardiaco. Actualmente, las válvulas pueden sustituirse si su trabajo es deficiente. De lo anterior, es obvio que el corazón realiza un trabajo. PRESIÓN SISTOLICA Y DIASTOLICA La primera, llamada presión arterial sistólica, es la presión causada cuando el corazón se contrae y empuja la sangre hacia afuera. La segunda, llamada presión arterial diastólica, es la presión que ocurre cuando el corazón se relaja y se llena de sangre. ¿Cómo se mide la presión sistólica y diastólica? Un método para medir la presión arterial sistólica y diastólica es usar esfigmomanómetro, que consiste en un brazalete inflable de aproximadamente 13 cm. de ancho, que se coloca alrededor del brazo, conectado a un manómetro (medidor de presión) de mercurio, tubo que tiene un depósito de mercurio en su parte inferior y está graduado en milímetros. La presión de aire en el brazalete se eleva hasta sobrepasar la presión sistólica, logrando así colapsar la arteria humeral e impidiendo el flujo de sangre por ella. Si se deja salir lentamente el aire del dispositivo, cuando la presión sobre la arteria alcance el valor de la presión sistólica la sangre comenzará a fluir a través de la arteria, lo cual se puede detectar por medio del sonido que produce. La sangre fluirá en forma intermitente hasta alcanzar la presión diastólica, lo cual se detecta porque el sonido desaparece. La sangre tiene una densidad de 1.04 g/cm³, muy cercana a la del agua que es de 1.00g/cm³, por lo que podemos hablar del sistema circulatorio como un sistema hidráulico donde las venas y las arterias son similares a mangueras. Como sucede con cualquier circuito hidráulico, la presión en el sistema circulatorio varía a través del cuerpo, la acción de la gravedad es muy notoria en las arterias donde la presión varía de un punto a otro. Sabemos de la física, que los líquidos en reposo trasmiten íntegramente y en todas direcciones las presiones que se les aplican, lo que no sucede así cuando éstos se hallan en movimiento a través de un tubo. Este último es el caso cuando consideramos el sistema circulatorio: el fluido es la sangre y las arterias y venas los tubos del circuito. Si el líquido fluye por un tubo recto en forma rítmica, el flujo es laminar, es decir que puede imaginarse como un conjunto de láminas concéntricas que se deslizan una sobre otra, la central será la de mayor velocidad mientras que la que está tocando al tubo tendrá la mínima velocidad. Si consideramos las velocidades de las diferentes capas de líquidos en un tubo tendremos que el fluido que está en contacto con la pared del tubo que lo contiene prácticamente no se mueve, las moléculas del fluido que se mueven a mayor velocidad son las que se encuentran en el centro del tubo.
