Biofísica de los fluidos

Viscosidad sanguínea y perfiles de flujo

Viscosidad

Es lo opuesto de fluidez; puede definirse de modo simplificado, como la mayor o menor resistencia que ofrece un líquido para fluir libremente. Todos los líquidos poseen algo de viscosidad.

En términos generales la viscosidad de un líquido es independiente de su densidad o gravedad específica, pero si depende de la temperatura a que se encuentre, siendo inversamente proporcional a esta.

La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad. De ahí que los fluidos de alta viscosidad presentan resistencia al fluir, mientras que los de baja viscosidad fluyen con más facilidad.

Viscosidad en fluidos

Para explicar el fenómeno en los fluidos primero imaginemos que tenemos un grupo de cartas de esas que se usan en los juegos de poker, colocamos el mazo completo unas sobre las otras perfectamente colocadas, luego aplicamos una fuerza tangencial sobre la carta que se encuentra arriba y ¿qué ocurre? Podemos apreciar una deformación en el mazo completo.

En los fluidos las capas se distribuyen de la forma que muestra el esquema unas sobre las otras y las que están en contacto directo o más próximas a la fuerza que provoca el movimiento se desplazarán más rápido que las restantes, la velocidad irá disminuyendo de forma paulatina, marcada por el pequeño rozamiento que existe entre ellas, o sea, la viscosidad. Si tomamos un recipiente y lo llenamos de agua aplicando una fuerza tangencial en su superficie las capas superficiales se moverán mas rápido y este moviendo ira disminuyendo a medida que nos alejamos del lugar donde se aplique la fuerza.

La viscosidad solo es posible apreciarla en fluidos, o sea, en presencia de movimiento, si el sistema esta en reposo no hay oposición al movimiento en este caso la superficie del líquido permanecerá plana y en reposo oponiéndose a la única fuerza que actúa sobre el mismo, la gravedad.

En el caso de que la viscosidad sea muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes también sería muy grande, por lo que no habría movimiento de unas respecto a las otras o este sería muy pequeño, por tanto, se estaría en presencia de un sólido. Y si la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido, que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos, ejemplo: el nitrógeno líquido a temperatura y presión atmosférica.

La viscosidad es característica de todos los fluidos, líquidos y gases, aunque, en los gases su efecto suele ser despreciable, por lo que están más cerca de ser fluidos ideales.

Viscosidad en algunas sustancias

Los coloides por lo general poseen una viscosidad elevada, entre ellos podemos mencionar la gelatina y el agar agar sustancias que mientras están calientes poseen una viscosidad determinada, y que al enfriarse forman geles en forma de masa elástica no fluída. Otros ejemplos de coloides: La leche, la pectina y la sangre.

Ejemplos de viscosidad

A lo largo del texto se han nombrado varios ejemplos de fluidos en los cuales se puede observar su viscosidad, como la miel, la sangre, lubricantes, entre otros.

A continuación se expondrán otros ejemplos de sustancias viscosas que acostumbramos a emplear a diario.

El aceite es una sustancia líquida, si es comestible, se obtiene luego de procesar un conjunto de semillas, y si es aceite combustible, se obtiene tras refinar el petróleo. Estos líquidos aceitosos se caracterizan por su viscosidad, en especial el aceite combustible.
El gel de cabello o champú son líquidos muy viscosos, es decir, sus moléculas se resisten al flujo de su movimiento. Mientras más se agiten, mayor viscosidad pierden. En el caso contrario, de no agitarse, hasta pueden solidificarse.
La glicerina es otra sustancia líquida viscosa que se encuentra en la grasa animal o vegetal. Se emplea en la elaboración de cosméticos, jabones, detergentes, entre otros.
El mercurio es un elemento químico metálico cuya condición estándar es la líquida. Es una sustancia ampliamente utilizada, gracias a su viscosidad, en diversos procesos industriales e, incluso, de salud.
Los jarabes son líquidos viscosos por su composición química y también porque están compuestos de azúcar.

Viscosidad de la sangre

A pesar de que la sangre es levemente más pesada que el agua, es muchísimo más gruesa/viscosa. La viscosidad de la sangre es una medida de la resistencia al flujo es entre 3,5 a 5,5 veces la del agua. La viscosidad del plasma es ceca de 1,5 a 1m8 veces la del agua.

La viscosidad de la sangre se incrementa a medida de la cantidad de células disueltas en ella aumenta, así como cuando aumenta la cantidad de proteínas.

Una sangre más viscosa es más resistente al movimiento, lo cual implica que se requiere una mayor presión sanguínea para que esta se mueva a través de los vasos sanguíneos.

Adicionalmente, una alta viscosidad sanguínea es un factor que predispone a coagulaciones no controladas. En las personas sanas, un incremento en la viscosidad sanguínea causada por una producción de células sanguíneas de tipo defensivo y a la deshidratación causada por la fiebre por enfermedades leves como la gripe es fácilmente tolerable.

Sin embargo, en pacientes con sangre de por sí muy viscosa, como aquellos con enfermedades pulmonares, in incremento adicional puede conllevar a la coagulación sanguina, al taponamiento de las arterias y por lo tanto a infartos obstructores o a derrames internos.

Incluso, la resistencia al movimiento de la sangre puede llegar a ser tan alto que el musculo cardíaco o miocardio puede llegar a ser insuficiente para empujar la sangre, lo que conlleva a un infarto del miocardio.

En condiciones normales, los cambios de la viscosidad sanguínea no alteran en grado apreciable el flujo sanguíneo cerebral. El determinante más importante de la viscosidad sanguínea es el hematocrito. Un descenso de éste disminuye la viscosidad y puede mejorar el flujo cerebral. Sin embargo, una reducción del hematocrito también reduce la capacidad de transporte del oxígeno, y así puede limitar el aporte de oxígeno a los tejidos. La elevación del hematocrito, como sucede en la policitemia, aumenta la viscosidad de la sangre y puede reducir el flujo sanguíneo cerebral.

Flujo sanguíneo

El cuerpo humano está compuesto aproximadamente en un 65% por líquidos. Entre ellos, la sangre juega un papel vital muy importante para el correcto funcionamiento del organismo. El flujo sanguíneo es el movimiento que la sangre realiza por el cuerpo.

El flujo sanguíneo circula por dos grandes circuitos:

- Las arterias transportan la sangre rica en oxigeno hacia todas las partes del cuerpo, que necesitan realizar un trabajo.
- Las venas transportan la sangre sin oxígeno que tu cuerpo ya consumió.

Para que este flujo sanguíneo circule correctamente, tu cuerpo necesita el óptimo funcionamiento de dos grandes bombas:

- El corazón, es la bomba responsable de que la sangre oxigenada que circula por tus arterias llegue a todas las partes del cuerpo.
- El diafragma, es la bomba responsable de que la sangre sin oxígeno que circula por las venas, regrese a tus pulmones para oxigenarse.

Un cuerpo sano está bien oxigenado y alimentado. Una vez entiendas la importancia del oxígeno es importante que comprendas como se absorben los nutrientes que también circulan en el flujo sanguíneo.

El primer objetivo que tienes al comer es el de triturar la comida ingerida. Desmenuzarla lo máximo posible para que el intestino delgado absorba la mayor parte de los nutrientes. Desde el intestino delgado, los nutrientes, pasan a la sangre. Circulan por el flujo sanguíneo hasta el Hígado, donde cambiará químicamente la naturaleza de estos nutrientes para que tu cuerpo los pueda utilizar según sus necesidades. Desde el Hígado volverán a la sangre para circular hacia el corazón. En el corazón serán bombeados hacia el resto del cuerpo para ser utilizados en sus diferentes funciones.

Flujo, presión y resistencia

Desde luego, la sangre fluye de las áreas de mayor presión a las de menor presión, excepto en ciertos casos cuando la inercia. La relación entre el flujo medio, la presión media y la resistencia en los vasos sanguíneos es análoga, en general, a la relación entre corriente, la fuerza electromotriz y la resistencia en un circuito eléctrico expresada por la ley de Ohm: Corriente (I) = fuerza electromotriz (E)/ resistencia (R) Flujo (F) = presión (P)/resistencia (R) En cualquier porción del sistema vascular, el flujo es igual a la presión de perfusión efectiva en esa porción, dividida entre la resistencia. La presión de perfusión efectiva es la presión intraluminal media en el extremo arterial menos la presión media en el extremo venoso.

Circulación sanguínea

El cuerpo de un adulto contiene cerca de 40 L de agua; de ellos, 25 están en las células, 12 entre ellas (como plasma intersticial) y 3 en la sangre (como plasma sanguíneo). Dos litros de agua celular corresponden a los globulos sanguíneos. El volumen de sangre de un adulto es, por tanto, de unos 5 L. Pero esos 5 L no son bombeados en un sistema rígido y cerrado. Los vasos varían constantemente de volumen y una parte de ellos tiene fugas. Las arterias y las venas pueden dilatarse y encogerse; las entradas y salidas de las redes venosas locales se abren y se cierran.

En las redes capilares, en las que tenemos siempre cerca del 5% de nuestra sangre, están las fugas; a través de las paredes de los capilares pasa la sangre, de modo que el plasma sanguíneo, el intersticial y el agua celular mantengan un constante equilibrio. Se calcula que toda el agua del plasma (3 L) se cambia una vez por minuto. Podemos apreciar fácilmente estas fugas. Si se está parado mucho tiempo, se acumula la sangre en las piernas. El aumento de presión en sus capilares puede entonces hacer salir de ellos cerca de un litro de sangre y la parte inferior de la pierna se hincha hasta que el aumento de presión en los tejidos detiene el paso.

Para circular con rápidez a través de los capilares, la sangre ha de bombearse a una cierta presión. La presión sanguínea se debe a la fuerza de los latidos del corazón y a la resistencia de las arterias. La fuerza de los latidos es mayor cuando las venas se contraen; la resistencia crece si las arterias se estrechan. Las presiones y velocidades de la sangre en las diversas partes de la circulación general se resumen en la siguiente figura. Las relaciones generales en la circulación pulmonar son semejantes, pero la presión en la arteria pulmonar es de 25/10 mmHg o incluso menor. Diagrama de los cambios de presión y de velocidad cuando la sangre fluye por la circulación general. TA, área total transversal de los vasos sanguíneos, la cual aumenta de 4.5 cm2 en la aorta a 4500 cm2 en los capilares. RR, resistencia relativa, la cual es máxima en las arteriolas.

Pulso arterial

La sangre impulsada hacia la aorta no solo mueve a la sangra hacia delante, sino también se establece una onda de presión que viaja por las arterias. La onda de presión expande las paredes arteriales al viajar y la expansión es palpable en forma de pulso. La velocidad a la que viaja la onda, que es independiente de y mucho más rápida que la velocidad del flujo sanguíneo, es de aproximadamente 4 m/seg en la aorta, 8 m/seg en las grandes arterias y 16 m/seg en las arterias pequeñas de adultos jóvenes.

La presión en la aorta, en la arteria branquial y otras grandes arterias normalmente sube, en un adulto joven, a un valor máximo de 120 mmHg aproximadamente durante cada ciclo cardiaco y cae a un valor mínimo de cerca de 70 mmHg. La presión del pulso, o sea la diferencia entre presiones máximas y mínimas, normalmente es de 50 mmHg. La presión media es la presión promedio durante todo el ciclo cardiaco, sólo puede ser determinada integrando el área de la curva de presión.

La presión cae muy ligeramente en las arterias de grueso y medio calibre porque su resistencia al flujo es pequeña; pero lo hace ligeramente en las arterias y arteriolas, que son los sitios principales de la resistencia periférica contra la que bombea el corazón. La presión del pulso también declina rápidamente hasta cerca de 5 mmHg al final de las arteriolas. La magnitud de la caída de la presión a través de las arteriolas varía considerablemente según si están dilatadas o contraídas.

Flujo en el sistema venoso

La pared de las venas tiene pocas fibras elásticas y es más fina que en el territorio arterial por eso resulta fácil mantener distendidas las venas y así actúan como reservorio de sangre (vasos de capacitancia). El número de venas es similar al de arterias pero su calibre es superior al de éstas, en consecuencia la velocidad de la sangre es menor (de 10 a 20 cm s-1 en las cavas) y el flujo es de tipo newtoniano. La resistencia que depende, inversamente, de la cuarta potencia del radio es claramente menor que en el sistema arterial y en cambio el volumen del contenido es superior en proporción al cuadrado del radio. El volumen de sangre en el sistema venoso es de unos 3,5 litros (70%). Se puede modificar cambiando el tono venomotor mediante la contracción y relajación del músculo liso de la pared.

En la posición de decúbito la presión sanguínea decae desde unos 15 mmHg en las vénulas, hasta valores de 5 mmHg en la vena cava inferior y llega a equilibrarse con la atmosférica en la aurícula derecha. Cuando se descansa de pie a estos valores hay que añadir la presión correspondiente al peso de la columna de sangre y en el caso de las venas intratorácicas el efecto sobre la presión intramural de la presión torácica subatmosférica y sus modificaciones con el movimiento respiratorio. Así cuando se pasa de decúbito a la bipedestación la presión en las venas del pie es de unos 90 mmHg, la sangre se acumula en las venas de las extremidades inferiores, disminuye el retorno venoso y en consecuencia el volumen sistólico lo cual ocasiona una disminución, transitoria, de la presión arterial que se denomina hipotensión postural o hipotensión ortostática.

Este efecto puede evitarse mediante la acción de bomba muscular que realiza la contracción de los músculos de las piernas comprimiendo las paredes de la venas, la sangre fluye así hacia el corazón gracias a que unas estructuras propias de las venas, que son las válvulas venosas, impiden el flujo retrógrado. También puede favorecerse el flujo hacia el corazón mediante la inspiración ya que el aumento de presión negativa intratorácica expande las venas y por su parte, el aumento de presión intraabdominal puede favorecer el movimiento de sangre hacia el corazón. Lo contrario ocurre en la espiración. El flujo en el sistema venoso no es pulsátil salvo en las grandes venas en su llegada al corazón a las cuales se transmite de forma retrógrada la pulsación de la aurícula derecha. En muchas personas cuando están acostadas es fácil observar esta pulsación en la vena yugular, a nivel del cuello.

Tipos de flujos

Flujo laminar

En condiciones fisiológicas el tipo de flujo mayoritario es el denominado flujo en capas o laminar. El fluido se desplaza en láminas coaxiales o cilíndricas en las que todas las partículas se mueven sin excepción paralelamente al eje vascular. Se origina un perfil parabólico de velocidades con un valor máximo en el eje o centro geométrico del tubo.
En el caso del sistema vascular los elementos celulares que se encuentran en sangre son desplazados tanto más fuertemente hacia el centro cuanto mayor sea su tamaño.

Flujo turbulento

En determinadas condiciones el flujo puede presentar remolinos, se dice que es turbulento. En esta forma de flujo el perfil de velocidades se aplana y la relación lineal entre el gradiente de presión y el flujo se pierde porque debido a los remolinos se pierde presión.
En la circulación sanguínea en regiones con curvaturas pronunciadas, en regiones estrechadas o en bifurcaciones, con valores por encima de 400, aparecen remolinos locales en las capas limítrofes de la corriente. Cuando se llega a 2000-2400 el flujo es totalmente turbulento. Aunque la aparición de turbulencias no es deseable por el riesgo que tienen de producir coágulos sanguíneos, se pueden utilizar como procedimientos diagnósticos, ya que mientras el flujo laminar es silencioso, el turbulento genera ruidos audibles a través de un estetoscopio.

Número de Reynolds

Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería.
El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento.

Flujo laminar con respecto al NR

A valores bajos de flujo másico, cuando el flujo del líquido dentro de la tubería es laminar, se utiliza la ecuación demostrada en clase para calcular el perfil de velocidad (Ecuación de velocidad en función del radio). Estos cálculos revelan que el perfil de velocidad es parabólico y que la velocidad media del fluido es aproximadamente 0,5 veces la velocidad máxima existente en el centro de la conducción

Flujo turbulento con respecto al NR

Cuando el flujo másico en una tubería aumenta hasta valores del número de Reynolds superiores a 2100 el flujo dentro de la tubería se vuelve errático y se produce la mezcla transversal del líquido. La intensidad de dicha mezcla aumenta conforme aumenta el número de Reynolds desde 4000 hasta 10 000. A valores superiores del Número de Reynolds la turbulencia está totalmente desarrollada, de tal manera que el perfil de velocidad es prácticamente plano, siendo la velocidad media del flujo aproximadamente o,8 veces la velocidad máxima.

Continuidad de la sangre

Ecuación de continuidad: Conocida como la ley de conservación de las masas, es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos o ductos con diámetro variable. En estos casos, la velocidad del flujo cambia debido a que el área transversal varía de una sección del ducto a otra.

Esto es: A1.V1 = A2.V2. El flujo de entrada es igual al flujo de salida. Siendo A1 y A2 las áreas de las secciones rectas; V1 y V2 las velocidades respectivas en cada sección. Se mide en m3/s en el sistema internacional. Si se considera un fluido con un flujo a través de un volumen fijo como un tanque con una entrada y una salida; la razón por la cual el fluido entra en el volumen debe ser igual a la razón con la que el fluido sale del volumen, para que se cumpla el principio fundamental de conservación de masa.

Casi siempre la sangre tiene flujo laminar, solo en determinadas condiciones es turbulento, sin embargo los principios de la hidrodinámica no aplican en la sangre debido a 2 razones:

Los conductos sanguíneos no son tubos rígidos. Y ya que son elásticos pueden ocurrir cambios que varíen algunas propiedades.

La sangre es un fluido no newtoniano, ya que su viscosidad aumenta cuando hay mas presencia de hematocrito, y además la viscosidad de la sangre varía cuando cambia la temperatura.

Ley de Stokes

La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.

Para los objetos muy pequeños domina la fuerza de rozamiento. La ley de Stokes nos da dicha fuerza para una esfera: Fr= 6πηvr, donde r es el radio de la esfera. Cuando una disolución precipita, la velocidad de sedimentación está determinada por la ley de Stokes y vale:

v=(2r2(ρ0−ρ)g)/9η

Conociendo las densidades de la esfera, el líquido y la velocidad de caída se puede calcular la viscosidad a partir de la fórmula de la ley de Stokes. Para mejorar la precisión del experimento se utilizan varias bolas. La técnica es usada en la industria para verificar la viscosidad de los productos, en caso como la glicerina La ley de Stokes también es importante para la compresión del movimiento de microorganismos en un fluido, así como los procesos de sedimentación debido a la gravedad de pequeñas partículas y organismos en medios acuáticos.

Otras aplicaciones

Diseño de sedimentadores
Diseño de desaladoras de petróleo crudo (para quitarle el agua con sal que tiene emulsionada)
En estudio de aerosoles.
En muchos tipos de caracterización de materiales como catalizadores sólidos, polímeros, etc.

Ley de Poiseuille

La ley de Poiseuille se vincula con el caudal de fluido que circula por un conducto. En la figura 1 se muestra un tramo de tubo bajo la presión P1 en el extremo izquierdo y la presión P2 en el extremo derecho y esta diferencia de presiones es la que hace moverse al fluido a lo largo del tubo. El caudal (volumen por unidad de tiempo) depende de la diferencia de presiones (P1 - P2), de las dimensiones del tubo y de la viscosidad del fluido. La relación entre estas magnitudes fue determinada por el francés J. L. Poiseuille asumiendo un flujo laminar y a esta relación se le conoce como Ley de Poiseuille.

Dicho con palabras, la ley expresa que el caudal crece son el aumento de la diferencia de presiones y con el radio del tubo, pero disminuye al aumentar la viscosidad del fluido y la longitud del tubo. Estos resultados coinciden con la observaciones que cualquiera de nosotros haya podido hacer en las situaciones que nos rodean vinculadas a flujo de fluidos. Note que el radio del tubo influye en el caudal a la potencia 4 de modo que la disminución del radio del conducto es muy influyente en el caudal.

Principios de Pascal

En física, el principio o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que podemos resumir así: La presión ejercida en un fluido incompresible y contenido en un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad por todos los puntos del fluido.

El aparato circulatorio puede constituir uno de los ejemplos más claros y más asombrosos de sistemas de flujo por tuberías que se puede encontrar ya sea hecho por la naturaleza o por el hombre.

Principio de Arquímedes

Es un principio físico que afirma que: «un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en Newton(en el sí).

Donde es el empuje , ρf es la densidad del fluido, v el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m lamasa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descritas de modo simplificado) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

Los fluidos se definen como aquellas sustancias que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes. Cuando sometemos un cuerpo sólido a la acción de un sistema de esfuerzos cortantes, experimenta una deformación bien definida; por el contrario, los fluidos se deforman continuamente bajo la acción de los esfuerzos cortantes. De una forma muy general, podemos clasificar los fluidos de acuerdo con la relación existente entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de deformación que se produce en el fluido en: newtonianos y no newtonianos.

Hemodinámica

En este tema se definirán las variables que miden los sistemas de instrumentación en el sistema cardiovascular, explicándolas desde el punto de vista biomédico.

Asimismo se estudiarán las características físicas del flujo de la sangre en los vasos sanguíneos, y finalmente se explicarán los fenómenos acústicos generados por la actividad cardíaca.

Para el estudio de las características del flujo de sangre a través del sistema cardiovascular se hará una analogía con un circuito eléctrico, que puede resultar útil para comprender su funcionamiento.

Debemos tener en cuenta sin embargo que al tratarse de un organismo vivo tiene características que hacen difícil encontrar un modelo adecuado para su estudio: los vasos conductores no son rígidos y poseen en cada porción características diferentes, están sujetos como el resto del sistema a la regulación por el sistema endocrino y nervioso, su funcionamiento se adapta a las necesidades del organismo en cada momento.

Presión en el sistema circulatorio

El sistema cardiovascular está formado por el corazón, la sangre y los vasos sanguíneos; cada uno desarrolla una función vital en el cuerpo humano. Aquí hablaremos sólo de una parte de la física involucrada 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. Los productos de desecho, como el bióxido de carbono, son recogidos por la sangre y llevados a diferentes órganos para ser eliminados, como pulmones, riñones, intestinos, etcétera.

Casi el 7% de la masa del cuerpo se debe a la sangre. Entre sus componentes hay células muy especializadas: los leucocitos o células blancas están encargadas de atacar bacterias, virus y en general a todo cuerpo extraño que pueda dañar nuestro organismo; las plaquetas son las encargadas de acelerar el proceso de coagulación, defensa del cuerpo cuando se encuentra una parte expuesta; los eritrocitos o células rojas llevan el oxígeno y el alimento a todas las células del cuerpo.

El corazón es prácticamente una doble bomba que suministra la fuerza necesaria para que la sangre circule a través de los dos sistemas circulatorios más importantes: la circulación pulmonar en los pulmones y la circulación sistemática en el resto del cuerpo. La sangre primero circula por los pulmones y posteriormente por el resto del cuerpo.

Circulación mayor

Es el recorrido que efectúa la sangre oxigenada que sale del ventrículo izquierdo del corazón y que, por la arteria aorta llega a todas las células del cuerpo, donde se realiza el intercambio gaseoso celular o tisular: deja el O2 que transporta y se carga con el dióxido de carbono, por lo que se convierte en sangre carboxigenada. Esta sangre con CO2 regresa por las venas cavas superior e inferior a la aurícula derecha del corazón.

Circulación menor

Es el recorrido que efectúa la sangre carboxigenada que sale del ventrículo derecho del corazón y que, por la arteria pulmonar, llega a los pulmones donde se realiza el intercambio gaseoso alveolar o hematosis: deja el CO2 y fija el O2. Esta sangre oxigenada regresa por las venas pulmonares a la aurícula izquierda del corazón.

Circulación fetal

El corazón y el sistema circulatorio del feto comienzan a formarse inmediatamente después de la concepción. Al término de la quinta semana, el corazón del feto es capaz de bombear sangre al cuerpo. No obstante, como los pulmones no desempeñarán su función hasta después del parto, cuando el bebé respira por primera vez, la madre debe suministrar sangre rica en oxígeno al feto.

Al igual que el corazón de un adulto, el corazón del feto comprende cuatro cámaras y cuatro válvulas. Sin embargo, debido a que los pulmones del feto no se utilizarán hasta después del parto, la sangre debe desviarse de los pulmones.

El corazón del feto desarrolla dos estructuras que permiten conducir la sangre alrededor de los pulmones: el foramen oval y el conducto arterioso. El foramen oval es un orificio que se encuentra entre la aurícula izquierda y la aurícula derecha. El conducto arterioso es un vaso sanguíneo que conecta la aorta con la arteria pulmonar.

En la irrigación sanguínea normal durante el embarazo, la sangre rica en oxígeno es distribuida desde el cuerpo de la madre, a través de la placenta y el cordón umbilical, a la vena cava inferior del feto. La vena cava también recibe sangre deficiente en oxígeno desde el cuerpo del feto. Tanto la sangre rica en oxígeno como la sangre deficiente en oxígeno se desplazan a la aurícula derecha, a través de la vena cava.

La mayor parte de la sangre mezclada en la aurícula derecha es bombeada a la aurícula izquierda a través del foramen oval. Desde allí, pasa al ventrículo izquierdo, que bombea la sangre a la aorta. La aorta luego distribuye la sangre al cuerpo del feto. La sangre restante en la aurícula derecha ingresa al ventrículo derecho, que la bombea a la arteria pulmonar, en dirección a los pulmones.

Pero, dado que los pulmones no están en funcionamiento, la sangre es conducida desde la arteria pulmonar a la aorta, a través del conducto arterioso. Nuevamente, la aorta distribuye la sangre al cuerpo del feto. Después del parto, el foramen oval y el conducto arterioso se cierran cuando el bebé comienza a respirar.

La sangre deficiente en oxígeno en el lado derecho del corazón ahora es bombeada a los pulmones, a través de la arteria pulmonar. La sangre rica en oxígeno se desplaza al lado izquierdo del corazón y es bombeada al resto del cuerpo del recién nacido, a través de la aorta.

Presión sanguínea

La presión sanguínea es la presión existente en los vasos sanguíneos y en el corazón necesaria para mantener la circulación de la sangre en el organismo y, por tanto, para suministrar oxígeno a todo el cuerpo.

La presión arterial (presión sanguínea en las arterias) puede registrarse fácilmente, sin esfuerzo y de manera indolora, lo que supone una ventaja tanto para los pacientes como para los médicos. Además la medición de la presión arterial tiene un coste mínimo. Estos factores convierten los controles de la presión en un método de reconocimiento disponible y aplicable en prácticamente cualquier lugar. La presión sanguínea se mide en mmHg (milímetros de mercurio). Los valores de presión arterial normales en los adultos se sitúan aproximadamente en 120/80 mmHg, a partir de 140/90 mmHg se habla de hipertensión arterial. La primera cifra se denomina “valor sistólico”; la segunda es el “valor diastólico”.

Flujo sanguíneo

Las células que constituyen el cuerpo de todos los animales, excepto el de los multicelulares viven en un "mar interior" de líquido extracelular (LEC) encerrado dentro de los tegumentos del animal. En los animales que poseen un sistema vascular cerrado, el LEC está dividido en dos compartimientos: el líquido intersticial y el plasma sanguíneo circulante. El plasma y los elementos celulares de la sangre, principalmente eritrocitos, llenan el sistema vascular y, en conjunto, constituyen el volumen sanguíneo total.

Mecánica circulatoria

Sístole
La contracción de las aurículas hace pasar la sangre a los ventrículos a través de las válvulas auriculo-ventriculares. Mediante la sístole ventricular aumenta la presión interventricular lo que causa la coaptación de las válvulas auriculo-ventriculares e impiden que la sangre se devuelva a las aurículas y que, por lo tanto, salga por las arterias, ya sea a los pulmones o al resto del cuerpo. Después de la contracción el tejido muscular cardíaco se relaja y se da paso a la diástole, auricular y ventricular.
La sístole es la contracción del tejido muscular cardiaco auricular.

Esta contracción produce un aumento de la presión en la cavidad cardiaca auricular, con la consiguiente eyección del volumen sanguíneo contenido en ella.

Diástole

La diástole es el período en el que el corazón se relaja después de una contracción, llamado período de sístole, en preparación para el llenado con sangre circulatoria. En la diástole ventricular los ventrículos se relajan, y en la diástole auricular las aurículas están relajadas.
Juntas se las conoce como la diástole cardíaca y constituyen, aproximadamente, la mitad de la duración del ciclo cardíaco, es decir, unos 0,5 segundos.
Durante la diástole las aurículas se llenan de sangre por el retorno venoso desde los tejidos por la vía de la vena cava superior e inferior y se produce un aumento progresivo de la presión intra-auricular hasta superar la presión intra-ventricular.
Durante la diástole ventricular, la presión de los ventrículos cae por debajo del inicio al que llegó durante la sístole.
Cuando la presión en el ventrículo izquierdo cae por debajo de la presión de la aurícula izquierda, la válvula mitral se abre, y el ventrículo izquierdo se llena con sangre que se había estado acumulando en la aurícula izquierda.

Un 70% del llenado de los ventrículos ocurre sin necesidad de sístole auricular. Igualmente, cuando la presión del ventrículo derecho cae por debajo del de la aurícula derecha, la válvula tricúspide se abre, y el ventrículo derecho se llena de la sangre que se acumulaba en la aurícula derecha.

Pulso

En medicina, el pulso de una persona es la pulsación provocada por la expansión de sus arterias como consecuencia de la circulación de sangre bombeada por el corazón. Se obtiene por lo general en partes del cuerpo donde las arterias se encuentran más próximas a la piel, como en las muñecas o el cuello e incluso en la sien.

Medición del pulso

El pulso se mide manualmente con los dedos índice y medio; el pulso no se debe tomar con el dedo pulgar, ya que éste tiene pulso propio que puede interferir con la detección del pulso del paciente. Cuando se palpa la arteria carótida, la femoral o la braquial se tiene que ser muy cuidadoso, ya que no hay una superficie sólida como tal para poder detectarlo. La técnica consiste en situar los dedos cerca de una arteria y presionar suavemente contra una estructura interna firme, normalmente un hueso, para poder sentir el pulso.

Puntos de pulso comunes

Pulso radial, situado en la cara anterior y lateral de las muñecas, entre el tendón del músculo flexor radial del carpo y la apófisis estiloide del radio. (arteria radial).
Pulso ulnar, en el lado de la muñeca más cercano al meñique (arteria ulnar).
Pulso carotídeo, en el cuello (arteria carótida). La carótida debe palparse suavemente, ya que estimula sus baroreceptores con una palpación vigorosa puede provocar bradicardia severa o incluso detener el corazón en algunas personas sensibles.
Además, las dos arterias carótidas de una persona no deben palparse simultáneamente, para evitar el riesgo de síncope o isquemia cerebral.

Pulso braquial, entre el bíceps y el tríceps, en el lado medial de la cavidad del codo, usado frecuentemente en lugar del pulso carotídeo en infantes (arteria braquial).
Pulso femoral, en el muslo (arteria femoral).
Pulso poplíteo, bajo la rodilla en la fosa poplítea.
Pulso dorsal del pie o pedio, en el empeine del pie (arteria dorsal del pie).
Pulso tibial posterior, detrás del tobillo bajo el maléolo medial (arteria tibial posterior).
Pulso temporal, situado sobre la sien directamente frente a la oreja.
Pulso facial, situado en el borde inferior de la porción ascendente del maxilar inferior o mandíbula. (Arteria facial).

La facilidad para palpar el pulso viene determinada por la presión sanguínea del paciente. Si su presión sistólica está por debajo de 90 mmHg el pulso radial no será palpable. Por debajo de 80 mmHg no lo será el braquial.

Por debajo de 60 mmHg el pulso carótido no será palpable. Dado que la presión sistólica raramente cae tan bajo, la falta de pulso carótido suele indicar la muerte. Sin embargo, se conoce de casos de pacientes con ciertas heridas, enfermedades u otros problemas médicos que estaban conscientes y carecían de pulso palpable.

Ley de la velocidad

A medida que las arterias se alejan y se van dividiendo, aumenta la superficie de sección del sistema vascular. En otras palabras, al dividirse una arteria en dos ramas, la suma de la superficie de sección de éstas es mayor que la superficie de sección de la arteria madre. De este modo, a medida que se aleja la sangre del corazón, va ocupando un lecho cada vez mayor, y tiene su amplitud máxima al nivel de los capilares.

Podría representarse al sistema vascular por dos conos truncados que se miran por la base. Es fácil darse cuenta que, como en los ríos, la velocidad de la corriente será menor cuanto mayor sea la amplitud del lecho vascular. De allí que la velocidad de la sangre disminuye a medida que se aleja del corazón, llega a un mínimo en los capilares y aumenta otra vez progresivamente en las venas.

De acuerdo con la del caudal y recordando que cuando mas grandes es una sección menor es la velocidad (velocidad media = densidad sobre área)
Entonces la ley de la velocidad exige que en las secciones completas de mayor área la velocidad sanguínea de cada uno de los vasos sea menor y viceversa. La sección completa de mayor área son los capilares mientras la de menor área es la aorta. La velocidad de la sangre va disminuyendo desde la aorta en su orden atravesando de las arterias y capilares para luego aumentar el diámetro hacia las venas.

Ley de la presión

La sangre circula en el sistema vascular debido a diferencias de presión. La periódica descarga de sangre por parte del corazón y la resistencia opuesta al curso de la sangre por el pequeño calibre de las arteriolas, crean en el sistema vascular una presión que es máxima en la aorta, cae bruscamente al nivel de las arteriolas y capilares y sigue, luego, cayendo paulatinamente al nivel de las venas para ser mínima al nivel de las aurículas.

Gasto cardíaco

El gasto cardiaco (volumen sanguíneo eyectado por el corazón por minuto) es el producto de la frecuencia cardiaca (FC) y el volumen sistólico (VS).

GC = FC x VS

El primer mecanismo compensatorio para aumentar el aporte de oxígeno a los tejidos es un incremento de la frecuencia cardiaca. Las variables que afectan al volumen sistólico son la precarga, la poscarga y la función contráctil.

Precarga

La precarga es una medición o estimación del volumen ventricular telediastólico (final de la diástole) y depende del estiramiento del músculo cardiaco previo a la contracción. Se relaciona, por tanto, con la longitud de los sarcómeros, pero como esta magnitud no puede determinarse, se utilizan otros índices para estimar la precarga. Es el caso del volumen telediastólico final o la presión telediastólica final.

La precarga puede verse alterada por:

Retorno venoso
Disfunción diastólica cardiaca. Esta alteración se caracteriza por la necesidad presiones elevadas para conseguir llenar con normalidad el ventrículo. Se debe a una pérdida de distensibilidad de las paredes del corazón, sobre todo en el contexto de isquemia miocárdica o hipertensión arterial crónica.
Alteración constrictiva cardiaca. Lleva también a una dificultad en el llenado. Se produce en casos de constricción pericárdica o derrame pericárdico (siendo el taponamiento cardiaco la situación extrema) Una presión intratorácica excesiva tiene las mismas consecuencias; es el caso de un neumotórax (neumotórax a tensión como situación extrema) o presión positiva al final de la espiración (PEEP) elevada durante la ventilación mecánica.

Es posible que la equivalencia implícita entre la presión medida y el volumen en las cámaras ventriculares no sea correcta, ya que depende en gran parte de la distensibilidad del ventrículo. La disfunción diastólica disminuye el volumen telediastólico ventricular, pero se asocia por el contrario con mayores presiones de llenado. En consecuencia, se pueden malinterpretar las mediciones de la presión que indiquen un “adecuado” volumen de llenado.

Postcarga

La postcarga es la presión de la pared miocárdica necesaria para vencer la resistencia o carga de presión que se opone a la eyección de sangre desde el ventrículo durante la sístole. A mayor postcarga, más presión debe desarrollar el ventrículo, lo que supone más trabajo y menor eficiencia de la contracción.

La postcarga se relaciona primariamente con la resistencia periférica total o resistencia vascular sistémica, y esta a su vez con cambios en el diámetro de los vasos de resistencia (pequeñas arterias, arteriolas y venas de pequeño tamaño)

Existen dos situaciones en las que se produce una obstrucción directa al flujo de salida de sangre; a nivel de la válvula aórtica en casos de estenosis aórtica, y a nivel de la circulación pulmonar en casos de embolismo pulmonar.

Corazones artificiales

Es una prótesis que, implantada en el cuerpo, cumple las mismas funciones que un corazón biológico. Este tipo de prótesis pueden ser utilizadas para reemplazos temporarios, en los casos de pacientes en lista de espera de donante, o en situaciones en las que se debe detener el corazón biológico para realizar algún tipo de cirugía. Existen dos tipos de corazones artificiales, los TAH (Corazón Artificial Total) y los VAD (Dispositivo de Asistencia Cardíaca), que se dividen en LVAD (asistencia ventricular izquierda) y RVAD (asistencia ventricular derecha).

Un TAH es un reemplazo completo del corazón biológico y requiere de la misma intervención que se realiza para un trasplante de corazón por el de un donante.
El VAD es un dispositivo que se coloca junto al corazón para dar soporte y asistencia al órgano que por algún motivo, necesita de este tipo de complemento para funcionar o recuperarse de alguna situación.

Dicho esto, procedemos a viajar un poco a través de la historia de los médicos y científicos que, en gran parte rechazados por las sociedades de sus tiempos, avanzaron en el desarrollo de un corazón artificial que pudiera finalmente cumplir con el anhelado objetivo de prolongar la vida de las personas.

Tipos De Corazones Artificiales

Corazón artificial parcial

Se aplica "en serie" en relación a la acción del ventrículo izquierdo, con objeto de derivar sangre desde la aurícula izquierda, y de conducirla a la aorta descendente. El modelo se aplica "en paralelo" a la acción del ventrículo izquierdo, derivando la sangre de la aorta ascendente y conduciéndola hasta la descendente.

En el siguiente modelo, la bomba está constituida no por un tubo, sino por una esfera dividida en dos secciones por una membrana elástica que, movida por la presión de un fluido externo, determina el movimiento de progresión pulsatoria de la sangre. En todos los casos se sincroniza la acción del corazón artificial parcial con la del corazón del paciente mediante un mecanismo electrónico que utiliza una onda especial del electrocardiograma para regir la bomba de presión externa.

Corazón artificial permanente

El primer corazón artificial permanente fue implantado el 1 de diciembre de 1982. El paciente padecía una miocardiopatía dilatativa y una neumopatía obstructiva. Posteriormente se realizarían otros tres trasplantes. Gracias a estos estudios, en los que el corazón artificial permanente permitió mantener con vida a los pacientes durante un total de 1,557 días (duración máxima: 620 días), se ha podido aprender mucho en torno al funcionamiento y a la resistencia del corazón artificial: errores que favorecían la aparición de episodios tromboembólicos, infecciones provocadas por el aparato y posibilidad de garantizar una calidad de vida aceptable durante periodos prolongados.

En todos los pacientes el corazón artificial ha permitido la estabilización del cuadro hemodinámico mediante autorregulación. En dos sujetos se ha podido detectar un aumento espontáneo del volumen cardíaco (hasta un máximo del 30 %) durante el esfuerzo en el cicloergómetro.

Referencias Bibliográficas

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Biofísica UG CII 2018-2019 G1