Corazóns especiais, atención especial
2024/09/02 Aramburu Montenegro, Jorge - Ingeniaritza Aplikatuan doktorea eta TECNUN - Nafarroako Unibertsitateko irakasle eta ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria
O noso corpo é unha máquina moi completa e eficiente; o corazón, o motor desta máquina. Ás veces, con todo, o motor vén da fábrica con algunha peculiaridade, por exemplo con algunha enfermidade innata, como ocorre en 1 de cada 100 nenos que nacen [1]. Isto inflúe directamente no funcionamento do corpo. Neste artigo vouvos a referir á circulación do sangue das persoas nadas cun só ventrículo funcional, desde o punto de vista da mecánica de fluídos.
O sistema cardiovascular é unha estrutura moi complexa que consta de tres compoñentes básicos: corazón, sangue e vasos sanguíneos. En xeral, o corazón bombea o sangue e os vasos sanguíneos transportan o sangue a todas as partes do corpo para realizar diversas funcións de vital importancia. Entre esas obrigacións están a de levar alimentos e osíxeno aos tecidos, combater enfermidades, etc. Adóitase dicir que o corazón é o noso motor e, coma se dunha bomba de auga tratásese, bombea sangue ao sistema circulatorio. En canto á estrutura, o corazón pode dividirse en dous partes, a esquerda e a dereita, cada unha cunha aurícula e un ventrículo. Entre aurículas e ventrículos hai válvulas: válvula mitral no corazón esquerdo e válvula tricúspide no dereito. Así mesmo, na saída dos ventrículos disponse dunha válvula aórtica no ventrículo esquerdo e unha válvula pulmonar no ventrículo dereito (ver figura 1). O sangue é tamén un fluído moi especial. O 55% do seu volume é fluído, o plasma —case todo é auga— e o 45% restante está formado por partículas —case todas son glóbulos vermellos—. A dirección do fluxo ou movemento deste fluído, é dicir, o fluxo sanguíneo, é a que vai das zonas de alta presión ás de menor presión. Por último, hai tres tipos de vasos sanguíneos: arterias, veas e capilar. As arterias transportan o sangue do corazón ao corpo, as veas do corpo ao corazón e nos capilar intercámbianse alimentos e gases entre o sangue e os tecidos. Unindo este último dato á idea de presión, en xeral o sangue ten máis presión nas arterias que nas veas.
Neste sistema, os latexados cardíacos marcan o ritmo do fluxo sanguíneo. De maneira sinxela, podemos describir a traxectoria do fluxo sanguíneo en cada latexado (ver figura 1). A contracción ventricular aumenta a presión sanguínea dos ventrículos. Cando esta presión é superior á da aorta e das arterias pulmonares ábrense a válvula aórtica e a válvula pulmonar, bombeando sangue ao tráfico sistémico e pulmonar respectivamente. No tráfico sistémico bombéase sangue cunha axeitada saturación ou cantidade de osíxeno desde o ventrículo esquerdo até a arteria aorta. Desde aquí distribúese a todas as partes do corpo até chegar aos capilar. Alí intercámbianse alimentos e gases entre o sangue e os tecidos. En definitiva, o sangue deixa o osíxeno nos tecidos e queda co dióxido de carbono. Despois, o sangue paso dos capilar ás veas, de aí a vétalas de cava superior e inferior (SVC e IVC, en inglés superior vea cava e inferior vea cava) e, finalmente, á aurícula dereita. Na circulación pulmonar, o sangue que transporta CO2 canalízase desde o ventrículo dereito ás arterias pulmonares esquerda e dereita (LPA e RPA, left pulmonary artery e right pulmonary artery), desde as arterias até as capilar situadas nos alvéolos pulmonares. Nos Alvéolos, o sangue collerá O2 do aire e enviarase CO2. O sangue pasa dos capilar ás veas pulmonares e chega á aurícula esquerda. O sangue que chegou ás aurículas dereita e esquerda pasa pola válvula tricúspide e a mitral aos ventrículos cando a presión das aurículas é superior á dos ventrículos. A continuación, co seguinte latexado, renovarase a traxectoria do fluxo sanguíneo, e así sucesivamente. Neste sistema circulatorio atópase ben diferenciada a circulación sistémica e a circulación pulmonar, polo que o sangue cunha gran cantidade de O2 está ben separada e cunha gran cantidade de CO2 (ver figura 1). Aínda que neste artigo explicouse o destino do sangue, en cada latexado cardíaco hai varias fases que non se van a explicar aquí: contracción isobolumétrica, eyección, etc. A súa explicación daría para outro artigo.
Paciente monoventricular e tráfico en Fonta
A continuación, utilizaremos o exemplo dun paciente que naceu con hipoplasia do corazón esquerdo para explicar o sistema circulatorio dunha persoa cun ventrículo funcional único (ver figura 2 (a)). Neste caso, o ventrículo esquerdo non se desenvolveu o suficiente e non pode bombear sangue. En consecuencia, o ventrículo dereito debe bombear sangue, tanto á circulación pulmonar como sistémica, grazas á conexión existente entre as arterias pulmonares e a aorta. Ademais, a parede que hai entre as aurículas adoita estar perforada, polo que a circulación sistémica e a circulación pulmonar non están ben separadas, xa que o sangue dun e outro se confunde (véxase figura 2 (a)). Desta maneira, o osíxeno non se distribúe correctamente a través do corpo [2].
Co obxectivo de mellorar o estado destes pacientes, Fontan e Baudet deseñaron en 1968 unha operación para separar a circulación sistémica da circulación pulmonar [3]. Nel, os cirurxiáns, coma se fosen fontaneiros, crean unha estrutura en cruz con vasos sanguíneos. De feito, as veas de cava superior e inferior únense ás arterias pulmonares esquerda e dereita, construíndo o que se coñece como total cavopulmonary connection ou TCPC. Tamén unen a aorta ao ventrículo (ver figura 2 (b))). Este novo sistema de circulación coñécese co nome de tráfico en Fontán.
Na circulación da Fontana, o ventrículo que traballa en cada latexado bombea á aorta un sangue coa cantidade axeitada de O2 que chegue aos tecidos do corpo para que se produza o intercambio O2/CO2. Este sangue chegará polas veas ao TCPC e polas veas cava dirixirase ás arterias pulmonares sen pasar polo corazón. Así, o sangue que leva CO2 trasladarase aos pulmóns e producirase o intercambio de CO2/O2 nos pulmóns. Por último, o sangue coa cantidade axeitada de O2 chega ao corazón polas veas pulmonares. No corazón, o sangue pasa da aurícula ao ventrículo e o ventrículo bombea á aorta. Como se pode observar, o tráfico sistémico está separado do dos pulmóns. Outro punto importante é que na circulación de Fontán o traballo dos dous debe ser realizado por un só ventrículo, xa que o sangue debe pasar pola circulación sistémica e pola circulación pulmonar, o que aumenta considerablemente o traballo do ventrículo.
A mellora da calidade de vida dos pacientes en Fontan
Tras a intervención, e só entón, hai que analizar o correcto funcionamento da circulación na Fontana analizando varias métricas. En calquera caso, hoxe en día é posible predicir, en parte, como vai ser a circulación na Fontana. Unha das formas de facelo é mediante simulacións de fluxo de sangue por computador ou simulacións de CFD (computational fluíde dynamics) [4]. De feito, un experto en dinámica de fluídos, por exemplo, un enxeñeiro mecánico, sería capaz de deseñar o TCPC óptimo en colaboración cos cirurxiáns. Deste xeito, o cirurxián veríase obrigado a realizar unha intervención compatible con devandito deseño e a garantir o correcto sistema circulatorio do paciente.
A continuación móstrase un exemplo que utiliza simulacións CFD. Para iso, analizaremos dous modelos. Un, o modelo baseado no TCPC dun paciente real (en diante, o modelo A). A outra, igual que o modelo A, pero coa unión da arteria pulmonar esquerda a 27 mm. máis abaixo (en diante, modelo B) (véxase a figura 3 (a))). As simulacións realizaranse a partir do fluxo sanguíneo (ml/s) e a presión (mmHg) medidos no paciente real e analizaranse os resultados en función de dúas características. Por unha banda, a perda de enerxía do fluxo sanguíneo no TCPC. En canto á perda de enerxía, lembremos que un só ventrículo fai o traballo e que o TCPC é unha estrutura creada polo cirurxián; se a unión non se realiza correctamente, pódese producir unha perda de enerxía importante. Doutra banda, a distribución do fluxo sanguíneo nas arterias pulmonares. É importante que o fluxo sanguíneo distribúase de forma equilibrada entre as arterias pulmonares da esquerda e a dereita, en torno ao 50% cada unha. Tamén é importante repartir equilibradamente os fluxos sanguíneos procedentes das veas de cava superior e inferior nas dúas arterias pulmonares. Por exemplo, é importante que aproximadamente o 50% da arteria pulmonar esquerda proceda da vea cava inferior e que a outra metade sexa a superior [4].
Os resultados das simulacións pódense ver na figura 3 (b e c). En canto á perda de enerxía, no modelo A prodúcese unha pregunta do 2,6% e no modelo B do 2,2%. O modelo B parece, por tanto, mellor, pero si analízase a distribución dos fluxos sanguíneos polas veas de cava, obsérvase que no modelo B todo o fluxo sanguíneo que circula por cávaa superior diríxese á arteria pulmonar dereita, polo que o sangue que circula por cávaa superior non vai ao pulmón esquerdo, o que pode causar problemas. Por tanto, o modelo A é máis axeitado, aínda que a perda de enerxía é maior que no modelo B, onde a perda de enerxía é do 2,6%, aínda que pode considerarse moi baixa.
Isto demostra que a xeometría do TCPC xerado polo cirurxián inflúe no sistema de circulación do paciente e que as simulacións CFD por computador poden ser útiles para o deseño do TCPC óptimo. Con todo, son numerosas as disciplinas que combinan a enxeñaría e o medicamento a través de simulacións CFD. Por exemplo, nun artigo anterior explicouse que nun tratamento contra o cancro de fígado, na radioembolización, o traballo dos enxeñeiros podía ser importante [5].
Por último, hai que subliñar que a interdisciplinariedad, en xeral, é moi importante e necesaria para que se produzan avances en todos os ámbitos. Porque a interdisciplinariedad é a pluralidade e a diversidade é sempre a riqueza.
Referencias
[1] Liu E., Chen S., Zühlke L., Black G. C., Choy M., Li N. e Keavney B. -Caramba, señor! 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 O doutor G. C., Jones T. J. e Brawn W. J. 2009. Hypoplastic left heart syndrome. Lancet, 374, 551-564.
[3] Fontan F. e Baudet E. 1971. “Surgical repair of tricuspid atresia”. Thorax, 26, 240-248.
4] Slesnick T. O 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. “Sumando forzas na loita contra o cancro de fígado”. Elhuyar, 329, 68-72.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
