Cors especials, atenció especial
2024/09/02 Aramburu Montenegro, Jorge - Ingeniaritza Aplikatuan doktorea eta TECNUN - Nafarroako Unibertsitateko irakasle eta ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria
El nostre cos és una màquina molt completa i eficient; el cor, el motor d'aquesta màquina. A vegades, no obstant això, el motor ve de la fàbrica amb alguna peculiaritat, per exemple amb alguna malaltia innata, com ocorre en 1 de cada 100 nens que neixen [1]. Això influeix directament en el funcionament del cos. En aquest article us referiré a la circulació de la sang de les persones nascudes amb un sol ventricle funcional, des del punt de vista de la mecànica de fluids.
El sistema cardiovascular és una estructura molt complexa que consta de tres components bàsics: cor, sang i vasos sanguinis. En general, el cor bomba la sang i els vasos sanguinis transporten la sang a totes les parts del cos per a realitzar diverses funcions de vital importància. Entre aquestes obligacions estan la de portar aliments i oxigen als teixits, combatre malalties, etc. Se sol dir que el cor és el nostre motor i, com si d'una bomba d'aigua es tractés, bomba sang al sistema circulatori. Quant a l'estructura, el cor pot dividir-se en dues parts, l'esquerra i la dreta, cadascuna amb una aurícula i un ventricle. Entre aurícules i ventricles hi ha vàlvules: vàlvula mitral en el cor esquerre i vàlvula tricúspide en el dret. Així mateix, en la sortida dels ventricles es disposa d'una vàlvula aòrtica en el ventricle esquerre i una vàlvula pulmonar en el ventricle dret (veure figura 1). La sang és també un fluid molt especial. El 55% del seu volum és fluït, el plasma —gairebé tot és aigua— i el 45% restant està format per partícules —gairebé totes són glòbuls vermells—. La direcció del flux o moviment d'aquest fluid, és a dir, el flux sanguini, és la que va de les zones d'alta pressió a les de menor pressió. Finalment, hi ha tres tipus de vasos sanguinis: artèries, venes i capil·lars. Les artèries transporten la sang del cor al cos, les venes del cos al cor i en els capil·lars s'intercanvien aliments i gasos entre la sang i els teixits. Unint aquesta última dada a la idea de pressió, en general la sang té més pressió en les artèries que en les venes.
En aquest sistema, els batecs cardíacs marquen el ritme del flux sanguini. De manera senzilla, podem descriure la trajectòria del flux sanguini en cada batec (veure figura 1). La contracció ventricular augmenta la pressió sanguínia dels ventricles. Quan aquesta pressió és superior a la de l'aorta i de les artèries pulmonars s'obren la vàlvula aòrtica i la vàlvula pulmonar, bombant sang al trànsit sistèmic i pulmonar respectivament. En el trànsit sistèmic es bomba sang amb una adequada saturació o quantitat d'oxigen des del ventricle esquerre fins a l'artèria aorta. Des d'aquí es distribueix a totes les parts del cos fins a arribar als capil·lars. Allí s'intercanvien aliments i gasos entre la sang i els teixits. En definitiva, la sang deixa l'oxigen en els teixits i es queda amb el diòxid de carboni. Després, la sang pansa dels capil·lars a les venes, d'aquí a les vetes de cava superior i inferior (SVC i IVC, en anglès superior vena cava i inferior vena cava) i, finalment, a l'aurícula dreta. En la circulació pulmonar, la sang que transporta CO₂ es canalitza des del ventricle dret a les artèries pulmonars esquerra i dreta (LPA i RPA, left pulmonary artery i right pulmonary artery), des de les artèries fins a les capil·lars situades en els alvèols pulmonars. En els Alvèols, la sang agafarà O2 de l'aire i s'enviarà CO₂. La sang passa dels capil·lars a les venes pulmonars i arriba a l'aurícula esquerra. La sang que ha arribat a les aurícules dreta i esquerra passa per la vàlvula tricúspide i la mitral als ventricles quan la pressió de les aurícules és superior a la dels ventricles. A continuació, amb el següent batec, es reprendrà la trajectòria del flux sanguini, i així successivament. En aquest sistema circulatori es troba ben diferenciada la circulació sistèmica i la circulació pulmonar, per la qual cosa la sang amb una gran quantitat d'O2 està ben separada i amb una gran quantitat de CO₂ (veure figura 1). Encara que en aquest article s'ha explicat el destí de la sang, en cada batec cardíac hi ha diverses fases que no s'explicaran aquí: contracció isobolumétrica, ejecció, etc. La seva explicació donaria per a un altre article.
Pacient monoventricular i trànsit en Fonta
A continuació, utilitzarem l'exemple d'un pacient que ha nascut amb hipoplàsia del cor esquerre per a explicar el sistema circulatori d'una persona amb un ventricle funcional únic (veure figura 2 (a)). En aquest cas, el ventricle esquerre no s'ha desenvolupat prou i no pot bombar sang. En conseqüència, el ventricle dret ha de bombar sang, tant a la circulació pulmonar com sistèmica, gràcies a la connexió existent entre les artèries pulmonars i l'aorta. A més, la paret que hi ha entre les aurícules sol estar perforada, per la qual cosa la circulació sistèmica i la circulació pulmonar no estan ben separades, ja que la sang de l'un i l'altre es confon (vegeu figura 2 (a)). D'aquesta manera, l'oxigen no es distribueix correctament a través del cos [2].
Amb l'objectiu de millorar l'estat d'aquests pacients, Fontan i Baudet van dissenyar en 1968 una operació per a separar la circulació sistèmica de la circulació pulmonar [3]. En ell, els cirurgians, com si fossin lampistes, creen una estructura en creu amb vasos sanguinis. De fet, les venes de cava superior i inferior s'uneixen a les artèries pulmonars esquerra i dreta, construint el que es coneix com a total cavopulmonary connection o TCPC. També uneixen l'aorta al ventricle (veure figura 2 (b))). Aquest nou sistema de circulació es coneix amb el nom de trànsit en Fontán.
En la circulació de la Fontana, el ventricle que treballa en cada batec bomba a l'aorta una sang amb la quantitat adequada d'O2 que arribi als teixits del cos perquè es produeixi l'intercanvi O2/CO2. Aquesta sang arribarà per les venes al TCPC i per les venes cava es dirigirà a les artèries pulmonars sense passar pel cor. Així, la sang que porta CO₂ es traslladarà als pulmons i es produirà l'intercanvi de CO2/O2 en els pulmons. Finalment, la sang amb la quantitat adequada d'O2 arriba al cor per les venes pulmonars. En el cor, la sang passa de l'aurícula al ventricle i el ventricle bomba a l'aorta. Com es pot observar, el trànsit sistèmic està separat del dels pulmons. Un altre punt important és que en la circulació de Fontán el treball dels dos ha de ser realitzat per un sol ventricle, ja que la sang ha de passar per la circulació sistèmica i per la circulació pulmonar, la qual cosa augmenta considerablement el treball del ventricle.
La millora de la qualitat de vida dels pacients en Fontan
Després de la intervenció, i només llavors, cal analitzar el correcte funcionament de la circulació a la Fontana analitzant diverses mètriques. En qualsevol cas, avui dia és possible predir, en part, com serà la circulació a la Fontana. Una de les maneres de fer-ho és mitjançant simulacions de flux de sang per ordinador o simulacions de CFD (computational fluïu dynamics) [4]. De fet, un expert en dinàmica de fluids, per exemple, un enginyer mecànic, seria capaç de dissenyar el TCPC òptim en col·laboració amb els cirurgians. D'aquesta manera, el cirurgià es veuria obligat a realitzar una intervenció compatible amb aquest disseny i a garantir el correcte sistema circulatori del pacient.
A continuació es mostra un exemple que utilitza simulacions CFD. Per a això, analitzarem dos models. Un, el model basat en el TCPC d'un pacient real (d'ara endavant, el model A). L'altra, igual que el model A, però amb la unió de l'artèria pulmonar esquerra a 27 mm. més a baix (d'ara endavant, model B) (vegeu la figura 3 (a))). Les simulacions es realitzaran a partir del flux sanguini (ml/s) i la pressió (mmHg) mesurats en el pacient real i s'analitzaran els resultats en funció de dues característiques. D'una banda, la pèrdua d'energia del flux sanguini en el TCPC. Quant a la pèrdua d'energia, recordem que un sol ventricle fa el treball i que el TCPC és una estructura creada pel cirurgià; si la unió no es realitza correctament, es pot produir una pèrdua d'energia important. D'altra banda, la distribució del flux sanguini en les artèries pulmonars. És important que el flux sanguini es distribueixi de forma equilibrada entre les artèries pulmonars de l'esquerra i la dreta, entorn del 50% cadascuna. També és important repartir equilibradament els fluxos sanguinis procedents de les venes de cava superior i inferior en les dues artèries pulmonars. Per exemple, és important que aproximadament el 50% de l'artèria pulmonar esquerra procedeixi de la vena cava inferior i que l'altra meitat sigui la superior [4].
Els resultats de les simulacions es poden veure en la figura 3 (b i c). Quant a la pèrdua d'energia, en el model A se produeix una pregunta del 2,6% i en el model B del 2,2%. El model B sembla, per tant, millor, però si s'analitza la distribució dels fluxos sanguinis per les venes de cava, s'observa que en el model B tot el flux sanguini que circula per la cava superior es dirigeix a l'artèria pulmonar dreta, per la qual cosa la sang que circula per la cava superior no va al pulmó esquerre, la qual cosa pot causar problemes. Per tant, el model A és més adequat, encara que la pèrdua d'energia és major que en el model B, on la pèrdua d'energia és del 2,6%, encara que pot considerar-se molt baixa.
Això demostra que la geometria del TCPC generat pel cirurgià influeix en el sistema de circulació del pacient i que les simulacions CFD per ordinador poden ser útils per al disseny del TCPC òptim. No obstant això, són nombroses les disciplines que combinen l'enginyeria i la medicina a través de simulacions CFD. Per exemple, en un article anterior es va explicar que en un tractament contra el càncer de fetge, en la radioembolització, el treball dels enginyers podia ser important [5].
Finalment, cal subratllar que la interdisciplinarietat, en general, és molt important i necessària perquè es produeixin avanços en tots els àmbits. Perquè la interdisciplinarietat és la pluralitat i la diversitat és sempre la riquesa.
Referències
[1] Liu I., Chen S., Zühlke L., Black G. C., Choy M., Li N. i Keavney B. -Caramba, senyor! 2019. “Global birth prevalence of congenital heart defects–2017: updated systems ematic review and meta-analysis of 260 studies”. International Journal of Epidemiology, 48, 455–463.
[2] Barron D. J., Kilby M. D., Davies B., Wright El doctor G. C., Jones T. J. i Brawn W. J. 2009. Hypoplastic left heart syndrome. Lancet, 374, 551-564.
[3] Fontan F. i Baudet E. 1971. “Surgical repair of tricuspid atrèsia”. Thorax, 26, 240-248.
4] Slesnick T. El gran C. 2017. “Role of computational modelling in planning and executing interventional procedures for congenital heart disease”. Canadian Journal of Cardiology 33, 1159-1170.
[5] Aramburu J. 2018. “Sumant forces en la lluita contra el càncer de fetge”. Elhuyar, 329, 68-72.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
