MAESTRÍA EN INGENIERÍA BIOMÉDICA

Transcripción

1 MAESTRÍA EN INGENIERÍA BIOMÉDICA Bases Físico-Matemáticas de los Sistemas Biológicos Docentes: Msc. Ing. Sandra Wray Dr. Ing. Ricardo L. Armentano Dr. Ing. Leandro J. Cymberknop 2015

2 Las células cardíacas (fibras musculares) se encuentran consituidas por unidades contráctiles básicas denominadas sarcómeros. Estas últimos, conformados por miofilamentos de actina (proteína, delgados) y miofilamentos de miosina (proteína, gruesos), se dezlizan unos sobre otros para generar la contracción muscular.. Esencialmente, a contracción se encuentra regulada por: Sistema Nervioso Concentración de Ca 2+ Los sarcómeros se vinculan a través de los discos o líneas Z. Se distinguen zonas isótropas (I) y anisótropas (A)

3 Músculo Cardíaco y Características Funcionales del Músculo: Excitabilidad: Capacidad de responder a un estímulo (un neurotransmisor produce un impulso y una contracción) Contractilidad: Capacidad de contraerse o acortarse Extensibilidad: Capacidad de ser extendido o estirado Elasticidad: Capacidad de recuperar su longitud tras ser estirado Una neurona motora libera acetilcolina (neurotransmisor, ACh) desde su axón terminal. Los receptores de ACh en la fibra muscular receptora disparan en consecuencia un potencial de acción. Ingresan entonces iones de Ca 2+ a la membrana celular, que se adhieren al filamento de actina (a través de la troponina, que desplaza a la tropomiosina) permitiendo un enlace de esta última con la miosina generando la contracción. El proceso finaliza al agotarse el calcio.

4 Músculo Cardíaco y Concentración del calcio intracelular y fuerza isométrica (tensión sin movimiento del músculo): La magnitud de la fureza de contracción del sacómero depende esencialmente de: Su longitud Concentración de iones de Calcio ([Ca] i ) como consecuencia del ingreso de Ca 2+ El comportamiento responde a una curva sigmoidea. La energía de la contracción es función de la longitud inicial de la fibra (ley de Frank-Starling)

5 Presión-Volumen en Presión-Volúmen en Ventrículo Izquierdo () Series temporales correspondientes a un ciclo cardíaco: ECG: Señal electrocardiográfica LVP: Presión ventricular izquierda LVV: Volumen ventricular izquierdo En la figura inferior se observa la conformación del bucle Presión-Volumen, que representa globalmente la función cardíaca. Al final de la diástole, se genera una contracción isovolúmétrica (válvulas cerradas) hasta la apertura de la válvula aórtica que da inicio a la eyección.

6 Presión-Volumen en Presión-Volúmen en : Ciclo Cardíaco 1 y 4 indican el cierre y apertura de la válvula mitral, mientras que 2 y 3 la apertura y cierre de la válvula aórtica. El área encerrada por el bucle denota el trabajo ventricular. A y C constituyen el llenado y vaciado ventricular, mientras que B y D la contracción y relajación de tipo isovolumétrico. BC corresponde a la sístole ventricular mientras que DA delimita la diástole ventricular.

7 Presión-Volumen en Presión-Volúmen en : Ciclo Cardíaco ESV determina el volumen de fin de sístole, mientras que EDV el de fin de diástole. La diferencia entre ambos, constituye el volumen ventricular (SV). Posteriormente se analizará detenidamente la relación de volumen de fin de sístole (ESPVR) y la relación de volumen de fin de diástole (EDPVR)

8 Presión-Volúmen en : La cuantificación del área encerrada dentro del bucle P-V constituye el trabajo ventricular (W), que corresponde al trabajo realizado por el músculo con el fin de vencer su carga vascular. La potencia entregada se determina a partir del área encerrada por el producto entre la presión ventricular (Pv) y el flujo eyectado en aorta (Q AO ) (energía por ciclo). La energía total (E) corresponde a: E W P( t) Q( t) dt 1, 2J Durante la eyección, P V (t) y P AO (t) son prácticamente iguales, por lo que pueden ser utilizadas indistintamente como P(t)

9 Presión-Volúmen en : Ejerciendo una la oclusión gradual de la vena cava (maniobra de precarga) se observan cambios en el llenado ventricular, denotados por diferentes ciclos que se inician en valores diferentes de presión y volumen de fin de diástole. EDPVR conforma la curva inferior donde descansan dichos bucles, mientras que ESPVR delimita el movimiento superior izquierdo. Puede definirse entonces la elastancia ventricular (E LV ), como a la pendiente en cualquier punto del bucle: E LV P V

10 Presión-Volúmen en : EDPVR delimita el llenado ventricular pasivo y su pendiente corresponde a E MIN. Por otra parte, la pendiente de ESPVR corresponde a una medida de la contractilidad miocárdica (E MAX ): V 0 es la intersección de ESPVR con el eje de abscisas y se define como el volumen a partir del cual el ventrículo ha perdido capacidad para generar presión. Debe tenerse presente que tanto ESPVR como EDPVR son en realidad curvas de carácter no lineal, si bien pueden ser aproximadas linealmente dentro de cierto rango. E LV MAX V P FS FS V 0

11 Presión-Volúmen en : Considerando la frecuencia cardíaca constante y seleccionando el mismo instante temporal para cada ciclo de presión ventricular, se obtienen puntos en cada bucle que pueden ser unidos por una recta, denominada isócrona. Su pendiente constituye la elastancia ventricular en dicho instante. Bajo esta premisa, puede determinarse la elastancia ventricular en función del tiempo E LV (t): E( t) PV ( t) V ( t) V V 0

12 Presión-Volúmen en : El comportamiento de la bomba cardíaca puede analizarse considerando flujo medio de salida (volumen minuto) en términos de: Presión Consumo de oxígeno Potencia Eficiencia Si la carga arterial resulta elevada, se genera bajo flujo y alta presión, ocurriendo lo contrario para cargas pequeñas. Es por ello que potencia y eficiencia presentan un máximo.

13 Presión-Volúmen en : Dichos máximos, no ocurren simultáneamente al mismo flujo medio. Bajo condiciones fisiológicas normales, el corazón bombea en torno a su máxima potencia y eficiencia. Que la bomba cardíaca trabaje a potencia óptima ó eficiencia óptima dependerá esencialmente del estado de la misma y de la estructura arterial: ACOPLAMIENTO VENTRICULO- ARTERIAL (AVA)

14 Presión-Volúmen en : Evidentemente, el corazón varía su rigidez (elastancia variable) a lo largo del ciclo cardíaco, independientemente de su carga. Potencia Producida (P E ): P V.Q AO Potencia Consumida (P I ): Consumo O 2 EFICIENCIA=P E /P I El músculo eyecta sangre de modo de maximizar potencia y obtener eficiencia. Puede observarse que mientras ESPVR caracteriza al ventrículo a través de la elastancia E es, la pendiente E a (P es /SV) representa la elastancia efectiva arterial. El acoplamiento VA resulta entonces: E a /E es 1 Maximiza Trabajo E a /E es 0,5 Maximiza Eficiencia