El Corazón como Máquina Hidráulica: Funcionamiento y Eficiencia

Capítulo 14: El corazón como máquina hidráulica:

La sangre fluye a través del sistema impulsado por la contracción del corazón (sistema mecánico). Se analiza en 3 partes: *El fluido: (sangre) que es el medio de transporte de masa. *La red de conductos:( vasos sanguíneos), a través de los cuales se desplaza el fluido. *Unidad de bombeo:(Corazón), provee la energía necesaria para impulsar el fluido y vencer las pérdidas de presión.

No hay máquina que se asemeje al corazón (contiene la cámara de bombeo y la energía para impulsar la sangre). El corazón se puede comparar con una bomba de desplazamiento positivo (BDP) para efectos de analizar su desempeño. Lado hidráulico: establece la relación entre la capacidad de contracción y la presión intracavitaria generada, y la relación entre la presión de expulsión y el debido cardíaco. Lado energético: establece la cantidad de energía que consume para expulsar la masa sanguínea a una presión específica.

Comportamiento del Miocardio:

Los biosólidos están compuestos por diversos tejidos que se entrecruzan, dispuestos en capas con diferentes estructuras y orientación, y con cada una adquieren nuevas propiedades mecánicas. Es por esto que no hay una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación, como lo hace la ley de Hooke para sólidos inertes. A esto se agrega el fenómeno activo de reclutamiento de fibras que responde ante una tensión determinada, presente en un sistema dinámico como el corazón.

Cuando se le aplica una fuerza al biosólido, el esfuerzo inducido disminuye con el tiempo, efecto denominado relajación, y si la fuerza se mantiene aplicada induciendo un esfuerzo constante, el sólido continúa deformándose, se denomina fluencia. De otra manera, cuando enfrenta una carga cíclica, la deformación es dependiente del periodo y de las condiciones de aplicación de la fuerza, acumulando parte de la energía de deformación, que no es disipada durante el proceso de liberación; este fenómeno se denomina histéresis.

ESTOS 3 FENÓMENOS - - > comportamiento viscoelástico del miocardio. El comportamiento viscoelástico del miocardio es esencial para el llenado y vaciado de la sangre de las cámaras cardiacas: las respuestas elástica y viscosa combinadas de la pared ajustan el bombeo pulsante a las demandas de flujo sanguíneo, ya que intervienen en la regulación de las relaciones esfuerzo-deformación y presión-flujo.

Tensión de la Pared Ventricular:

Es un indicador de la resistencia que se opone al comportamiento de las fibras miocárdicas durante la expulsión y al estiramiento durante el llenado. Según la ley de Laplace, la tensión de la pared (T) varía con los cambios de la presión interna del flujo (Pi) y el radio (R) de la cámara: T=PiR.

Se puede calcular la tensión, suponiendo la geometría cardiaca como un elipsoide, con diámetro menor o transversal (d) y diámetro mayor o longitudinal (D), con un espesor de pared (h), en la que la presión intracavitaria (P) genera tensión en 2 direcciones: Una tensión circunferencial (TC) y una tensión meridional (TM).

La geometría ventricular es un factor muy importante en el FC. Los cambios de geometría elipsoidal normal a esferoidal implican generación de mayor tensión en la pared, efecto que por sí mismo agrava el estado funcional del corazón.

El Corazón como Bomba Eyectiva:

El corazón se presenta como un fenómeno periódico que incluye una activación eléctrica, seguida de eventos mecánicos (contracción + bombeo), denominado acoplamiento electromecánico.

Para evaluar el desempeño del corazón, se usa la relación presión-volumen (P-V), estableciendo una analogía entre el ciclo cardiaco y el ciclo de desplazamiento positivo de las bombas mecánicas, que consta de 4 fases:

• Compresión (tramo CD): se cierra la válvula de entrada y el émbolo empieza a comprimir el fluido contra el cilindro; mientras que el corazón se acorta la longitud de las fibras y se aumenta el espesor de la pared, disminuyendo el volumen de la cámara.
• Descarga: (tramo DA). Se abre la válvula de salida y el fluido es expulsado: en la bomba mecánica a presión constante y en el corazón a presión variable.
• Descompresión: (tramo AB). Se cierra la válvula de salida y el émbolo empieza a retroceder, produciendo una rápida reducción de la presión. En el corazón ocurre un proceso semejante por relajación de la pared.
• Llenado (tramo BC). Se abre la válvula de entrada y se llena la cámara de fluido, a presión constante en el caso mecánico. En el corazón, este proceso se debe a la interacción entre los fenómenos elásticos de la pared y de flujo de retorno sanguíneo.

La Compliancia Cardíaca:

La compliancia o capacitancia es la capacidad de acumular determinado volumen sanguíneo sin provocar aumentos considerables de tensión. Viene definida por la relación de los cambios de volumen (DV) que sufre la cámara ante los cambios de presión (DP).

Por el carácter viscoelástico de la pared, la tensión generada por el cambio de volumen disminuye con el tiempo, debido a la relajación. Es decir, de acuerdo con la ley de Laplace, mientras el volumen sea el mismo (radio constante), la presión interna también disminuye en el tiempo; de esta manera la tensión parietal se reduce, evitando que la pared acumule esfuerzo de deformación.

La disfunción diastólica genera la incapacidad para el llenado adecuado de la cámara ventricular; debido tanto a alteración de las propiedades pasivas (compliance) como de los procesos activos (desactivación dependiente de energía). La alteración de las propiedades pasivas de la pared ventricular puede ser debida a procesos que varían la composición de la pared: la enfermedad coronaria crónica puede llevar a fibrosis miocárdica difusa, mientras que la hipertrofia concéntrica anormal puede generar marcada rigidez de la cámara por exagerado desarrollo muscular. De otro lado, la alteración de los procesos activos (relajación) puede verse en la cardiomiopatía hipertrófica y en la enfermedad coronaria; en la primera, por enlentecimiento de la relajación y en la segunda, por déficit de disposición de oxígeno, que retarda y disminuye el grado de relajación.

La Contractilidad Cardíaca:

El proceso más relevante del corazón, como órgano de bombeo, es el proceso de contractilidad: acortamiento de las fibras miocárdicas y su relación con la generación de tensión en la pared cardíaca para producir la presión de bombeo. La contractilidad es afectada por las condiciones de llenado de las cámaras cardíacas. La capacidad del corazón para llenarse y su habilidad para vaciarse pueden interpretarse con la ley de Frank-Starling, la cual establece que: “un incremento de la distensión cavitaria previa a la contracción, aumenta el volumen expulsado”.

La reducción de la capacidad contráctil ventricular conlleva la incapacidad de la pared miocárdica para acortarse contra una carga impuesta, tornándose incompetente para expulsar sangre hacia el sistema vascular. Las variaciones de contractilidad miocárdica bajo distintas circunstancias y estados fisiológicos, unidas a los fenómenos compensatorios del lecho vascular, hacen difícil detectar las reducciones leves de la contractilidad al comienzo del proceso patológico, y el diagnóstico sólo es posible cuando existen signos obvios de la disfunción avanzada.

El Débito y el Trabajo Cardíaco:

La bomba cardíaca opera con el principio de desplazamiento positivo según el cual la expulsión se produce por reducción del volumen de la cámara. En las bombas de pared elástica, como el corazón, el débito cardíaco (CO) varía con los cambios de frecuencia (HR) y de volumen de expulsión (V(t)): CO=HR x V(t).

El débito cardíaco depende de:

1. Precarga: relacionada con el volumen ventricular de fin de diástole.
2. Postcarga: relacionada con la resistencia vascular periférica o presión vascular.
3. Contractilidad: capacidad del miocardio para compensar la pre y postcarga.

En la función de bombeo, la pared cardíaca desarrolla dos procesos. Actúa como transformador biofísico de energía, convirtiendo la energía química en mecánica; y actúa como bomba, cambiando de forma y contrayéndose para producir la expulsión sanguínea. Esto convierte al corazón en una bomba singular, en la cual la fuente de energía y la unidad de bombeo están integradas.

La energía consumida en el bombeo sanguíneo supone dos clases de trabajo:

• Trabajo interno: El corazón consume gran parte de la energía en sostener funciones que no contribuyen con el bombeo, pero que son propias de su operación: metabolismo celular, activación electroquímica de las fibras y generación de tensión en la pared.
• Trabajo externo: Es la cantidad de energía consumida en impulsar la sangre, lo que incluye: vencer la inercia de la masa sanguínea, compensar el factor elástico de la red vascular y vencer las pérdidas de flujo producidas por la viscosidad sanguínea. Físicamente, el trabajo cardíaco (W) es resultado del producto de la presión alcanzada (P) por el volumen sanguíneo (V) en las cámaras durante la contracción. W = P V

La Eficiencia de la Bomba Cardíaca:

Es el rendimiento del corazón en términos del aprovechamiento de la potencia. De acuerdo con las formas de potencia, se pueden definir físicamente dos clases de eficiencia:

• Eficiencia hidráulica (OEH), relaciona la potencia hidráulica (PH) transmitida al fluido con la potencia mecánica (PM) disponible en la pared. Mide la capacidad de la bomba para transmitirle presión al fluido. Las bombas mecánicas de desplazamiento positivo alcanzan eficiencias hidráulicas altas, entre el 70 y 90%. OEH = PH / PM
• Eficiencia total (OET), relaciona la potencia hidráulica (PH) con la potencia consumida (PC), OET = PH / PC.

La eficiencia total es un indicador del desempeño integral de la bomba cardíaca, ya que considera la eficiencia hidráulica, la eficiencia mecánica y la energía perdida en calor y gastos metabólicos durante su operación.

Capítulo 15: Alteraciones que Afectan Eficiencia Hidráulica

Algunas malformaciones del corazón pueden constituirse en causa de FC. En esta patología, la fuerza contráctil se encuentra usualmente intacta, al menos en estadios iniciales, pero diferentes partes de la bomba cardíaca presentan anormalidades estructurales y funcionales. Comunicaciones anormales entre las cavidades y conexiones patológicas de los vasos principales son las más frecuentes condiciones de este grupo. En caso de estrechez de los tractos de salida ventricular o de las válvulas, aumenta la postcarga en el ventrículo correspondiente.

La función inadecuada de la bomba cardíaca también es causada por múltiples anomalías en las paredes ventriculares por afecciones miocárdicas, que pueden ser de tipo degenerativas, hipertróficas y anóxicas.

• Miocardiopatías degenerativas: acompañadas de fibrosis intersticial pueden ser causa de FC primaria. Se inician como un proceso inflamatorio, en el cual se puede encontrar hipocinesia ventricular, aumento de las presiones ventriculares al final de la diástole y reducción del índice cardíaco. A medida que la enfermedad avanza, sobreviene el proceso degenerativo miocárdico que lleva a un síndrome de dilatación del ventrículo (cardiomiopatía dilatada) causando disfunción sistólica y diastólica combinadas.
• La miocardiopatía hipertrófica: se caracteriza por un desarrollo exagerado de las fibras musculares (hipertrofia) casi siempre de tipo concéntrico. Con el crecimiento de la pared, las cavidades ventriculares se vuelven pequeñas y rígidas, ocasionando una disfunción diastólica. El hallazgo hemodinámico predominante es un incremento de presión en la aurícula y las venas correspondientes, como consecuencia de la elevada presión del ventrículo en la diástole.
• La miocardiopatía anóxica: debido a la disminución del flujo sanguíneo coronario, es una causa frecuente de FC primario. Aunque la disfunción de contracción y relajación de tipo anóxico también se observa en pacientes con cardiomiopatía hipertrófica o estenosis aórtica, aún con coronarias normales. En el caso extremo, la interrupción de sangre a través de las coronarias lleva a necrosis de la zona afectada, que es seguida de la pérdida de las funciones de contracción y relajación de la zona comprometida, convirtiéndola en una estructura pasiva que reduce la eficiencia del corazón.

Como la función de las válvulas cardíacas es fijar el sentido del flujo pulsante en una dirección, alteraciones del mecanismo valvular producen disfunciones cardíacas de dos tipos según el daño de la válvula. En la estenosis, la alteración del mecanismo valvular provoca alto consumo energético y reducción del flujo en dirección anterógrada, mientras que en la insuficiencia hay reflujo sanguíneo a la cámara anterior (regurgitación), reduciendo en ambas la eficiencia hidráulica.

Factores Extracardíacos:

Disfunción cardíaca secundaria: aquel FC relacionado con fenómenos externos al corazón, pero que traen como consecuencia un FC. La mayoría de las veces relacionan un incremento en la resistencia al flujo, aumento de la masa sanguínea circulante, expansión del lecho vascular o impedimentos externos al llenado ventricular, como las afecciones pericárdicas, ya que este tiene una elasticidad limitada.

Sistema vascular: El aumento súbito de presión que genera el corazón con el volumen sanguíneo expulsado en cada contracción, es amortiguado por la viscoelasticidad de la pared arterial aórtica y pulmonar, que reacciona con una amplia dilatación disminuyendo considerablemente la resistencia hidráulica a la expulsión. Esta respuesta viscoelástica tiene como resultado una reducción del trabajo externo y, por tanto, una disminución de la tensión que debe desarrollar el miocardio durante la sístole. Así, una reducción del amortiguamiento, como ocurre por aumento de la rigidez causada en los procesos arterioescleróticos, tiene consecuencias sobre la carga ventricular y la tensión parietal.

Relación entre las ondas de pulso y flujo: Con la energía suministrada por el corazón a la sangre, se superponen dos eventos en el árbol vascular: parte de la energía de expulsión se equilibra con la tensión del vaso, convirtiéndose en presión, produciendo la dilatación aórtica y pulmonar; y la energía restante impulsa la columna de sangre, convirtiéndose en velocidad, produciendo el flujo. Con la primera se genera la onda de pulso que se propaga por la pared del vaso, mientras que con la segunda se genera la onda de flujo que se propaga por la sangre.

Comportamiento viscoso: La sangre completa se comporta como un fluido no newtoniano debido a su contenido celular; sin embargo, en la macrocirculación el flujo sanguíneo exhibe un comportamiento que se aproxima al newtoniano, gracias a una propiedad dinámica importante del eritrocito en virtud de la cual adquiere forma hidrodinámica que reduce la perturbación del flujo, denominada flexibilidad eritrocitaria, y que participa en la mecánica de la circulación sanguínea. Los flujos que se caracterizan por fuerzas inerciales predominantes sobre las fuerzas viscosas tienen tendencia a la turbulencia. Es el caso del flujo sanguíneo que se da a través de los vasos mayores y las cámaras del corazón, con grandes áreas de flujo y considerable masa sanguínea. Este tipo de flujo consume mayor cantidad de energía y puede traducirse en un momento dado en una alteración de la eficiencia.

Sobrecarga y remodelación cardíaca: La sobrecarga hemodinámica, ya sea de presión o de volumen, induce una remodelación de las paredes como parte de los mecanismos de adaptación del miocardio, denominada remodelación ventricular, definida por los cambios de masa, tamaño y forma que llevan a una variación de la relación masa-volumen del ventrículo. Los mecanismos de adaptación del corazón le permiten soportar las sobrecargas de presión o volumen por largo tiempo sin deterioro de la función ventricular, aunque más tarde estos mecanismos serán insuficientes, con la consiguiente alteración de la función. Las sobrecargas de presión implican mayor tensión sistólica del corazón y ello induce fundamentalmente hipertrofia sin dilatación, mientras que las sobrecargas de volumen implican mayor tensión diastólica e inducen dilatación de la cámara.

Sobrecarga de presión: El incremento de presión generado por la cámara ventricular durante la contracción, prolonga el tiempo de eyección y aumenta el trabajo cardíaco. Todo esto condiciona el desarrollo de una hipertrofia concéntrica del miocardio que altera la relación masa-pared-funcionalidad y consume más energía de la que dedica al trabajo externo, incrementando las necesidades energéticas del corazón. Al avanzar la hipertrofia, se da una proliferación de capilares que, cuando alcanza el nivel crítico de aporte coronario de oxígeno, desencadena los fenómenos de anoxia miocárdica. Por último, también se da un fenómeno de hiperplasia de fibroblastos y producción de colágeno en el miocardio que disminuye la distensibilidad/contractilidad de la pared ventricular. En última instancia se manifiesta el FC porque el espesor de la pared no aumenta en proporción a la tensión que sufre/alteración de la distensibilidad ventricular.

Sobrecarga de volumen: Es típico de comunicaciones arteriovenosas y enfermedad valvular que represente reflujo a las cámaras ventriculares. La sobrecarga de volumen conlleva dilatación de la cámara e hipertrofia de tipo excéntrica. Ello origina un cambio de geometría del corazón que puede interferir en el funcionamiento.

Modelos Biomecánicos del Fallo Cardíaco (FC):

Para evaluar el comportamiento dinámico normal o patológico del sistema cardiovascular se pueden elaborar modelos obtenidos por comparación con sus homólogos hidráulicos, que pueden ser físicos o matemáticos.

• Modelos físicos: son aproximaciones en símiles hidráulicos, mientras que los modelos matemáticos son una representación del sistema real mediante ecuaciones que caracterizan las funciones y elementos de operación.

Para la construcción del modelo cardíaco se debe considerar las características de los elementos biomecánicos, como la configuración de redes en las secciones vasculares, el aparato valvular, la viscoelasticidad de los componentes y las propiedades de la sangre; así como, el comportamiento hemodinámico del sistema. El modelo se puede simplificar suponiendo que bajo condiciones fisiológicas la sangre mantiene la densidad constante, por lo tanto se evalúa como un fluido incompresible. De otro lado, en la macrocirculación la sangre se comporta como un fluido con viscosidad uniforme, por lo tanto se puede considerar como fluido newtoniano.

Existe evidencia clínica que entre corazones de similar espesor y tamaño, los que tienen forma globular están asociados con baja eficiencia para realizar trabajo eyectivo y mayor probabilidad de desarrollar insuficiencia cardíaca. a través de modelos computacionales es posible predecir los cambios en la geometría cardíaca para que un procedimiento quirúrgico de remodelación ventricular tenga mayor eficacia.

Bomba de Circulación Extracorpórea:

La circulación extracorpórea surge como solución frente a las situaciones durante operaciones quirúrgicas en las que es necesario paralizar completamente el corazón (cardioplejía) para operar sobre éste y así vencer la dificultad causada por el constante movimiento pulsátil, por ejemplo, durante la reparación de válvulas, bypass de arterias coronarias y otras estructuras del músculo cardíaco.

Además de estas funciones básicas, dependiendo de la operación, existe una determinada maquinaria adicional para la succión y el barrido de la sangre intracardiaca, para la filtración de partículas orgánicas e inorgánicas, particularmente émbolos, para la prevención de la formación de burbujas de aire y para el mantenimiento de la esterilidad.

Los componentes del dispositivo son los siguientes:

• Reservorio venoso: El reservorio venoso está colocado antes de la bomba arterial y sirve como un depósito para la sangre drenada desde las venas cavas. Se puede mover de 1 a 3 litros de sangre desde el paciente hasta el circuito cuando se inicia el bypass.
• Oxigenador: El encargado de reemplazar el pulmón dentro de la circulación extracorpórea. Realiza el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. En la actualidad existen dos tipos básicos de oxigenadores: los de interfase gaseosa directa, llamados oxigenadores de burbuja (en estos hay contacto directo entre el fluido circulante y el gas); y los de interfase gaseosa indirecta u oxigenadores de membrana (en los cuales hay poros entre el flujo circulante y el gas).
• Intercambiadores de temperatura: Este aparato controla la temperatura de perfusión, para alcanzar el enfriamiento o recalentamiento sistémico rápido, de acuerdo a las necesidades durante la circulación extracorpórea. La mayoría de intercambiadores de calor realizan esta acción mediante la colocación de tubos de agua a temperatura ideal, en yuxtaposición con la sangre en el circuito. Para evitar la injuria sanguínea, la diferencia de temperatura entre el agua y la sangre no debe superar los 14ºC, y en ningún momento la temperatura del agua debe exceder los 42ºC durante el recalentamiento.
• Bombas: De todos los elementos que componen el sistema de circulación extracorpórea, el componente diferenciador entre unos y otros va a ser la bomba de impulsión de líquido. El tipo de bomba que va a existir en el dispositivo va a ser seleccionada en función del tipo de flujo con el que se quiera dotar al mismo. Básicamente, las bombas que se utilizan pueden proporcionar dos patrones de flujo bien diferenciados: flujo pulsátil o flujo continuo. Independientemente del flujo que proporcionen, los sistemas de bombeo se pueden clasificar en tres tipos fundamentales: peristálticas, rotativas y de desplazamiento.
• Bombas peristálticas: Se basan en la compresión progresiva de un tubo elástico. Las más conocidas son las bombas de rodillos que se utilizan habitualmente en circulación extracorpórea (CEC) y hemodiálisis. Su funcionamiento es muy sencillo, un motor eléctrico mueve un cabezal provisto de dos a más rodillos que comprimen un tubo elástico contra una carcasa rígida. Tienen el inconveniente de su gran tamaño y el alto nivel de hemólisis que producen, lo que limita su utilización a unas horas. Generan flujo pulsátil.
• Bombas rotativas: Su funcionamiento se basa en el giro de un rotor, producen, por tanto, flujo continuo. Las más importantes son las bombas centrífugas. Están constituidas por una cámara de forma más o menos cónica con un tubo de salida tangencial y un tubo de entrada central. En el interior de esta cámara se mueve un rotor que hace que el líquido gire a gran velocidad y sea impulsado, gracias a la fuerza centrífuga, por el tubo de salida. Las bombas rotativas producen menor hemólisis que las bombas de rodillos y algunas de ellas están diseñadas para asistencias de larga duración. Proporcionan flujo continuo y no requieren válvulas. Son de tamaño pequeño.
• Bombas de desplazamiento: tratan de imitar el funcionamiento normal del corazón, producen flujo pulsátil y están provistas de válvulas de entrada y de salida. La cámara sanguínea se dilata y se comprime en cada latido, aspirando el líquido a través de la válvula de entrada e impulsándola hacia la válvula de salida.
• Filtros: El filtrado de los distintos fluidos y gases utilizados durante la circulación extracorpórea puede llevarse a cabo en diferentes lugares del circuito de circulación con la utilización de filtros apropiados para cada tipo de fluido y gas. Existen dos tipos principales de filtros que se usan durante la circulación extracorpórea, son los de profundidad y los filtros de pantalla.
• Succión de Cardiotomía: Para devolver la sangre del campo quirúrgico hacia el oxigenador para su recirculación se utilizan tres líneas de succión.
• Cánulas, tuberías y conexiones - Soluciones de cebado: Actualmente el volumen de cebado de una máquina es de aproximadamente 1500 a 2000 cm3. Se utiliza solución salina dextrosada que contiene electrolitos balanceados; a la solución se le agregan agentes oncóticos (dextrano de bajo peso molecular, manitol o albúmina) para ayudar a mantener la presión oncótica del plasma y preservar la función renal durante la cirugía.
• Sistemas para cardioplejía: El sistema para cardioplejía fue desarrollado para permitir la parada y la protección continua del miocardio durante cirugías cardíacas con circulación extracorpórea. El propósito de la solución cardiopléjica es proteger al corazón del daño isquémico. Tienen la ventaja de proveer substratos energéticos, preservar la integridad celular, mantener el corazón inmóvil y relajado y facilitar la manipulación quirúrgica del mismo. La función esencial de una solución cardioplégica es, por lo tanto: detener el corazón rápidamente, crear un ambiente propicio para la producción continua de energía en el estado anaeróbico, y contrarrestar los efectos de la isquemia producida por la oclusión de la aorta.