IV. F�SICA DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR

EL SISTEMA cardiovascular est� formado por el coraz�n, la sangre y los vasos sangu�neos; cada uno desarrolla una funci�n vital en el cuerpo humano. Aqu� hablaremos s�lo de una parte de la f�sica involucrada en su funcionamiento.

La funci�n principal del sistema circulatorio es transportar materiales en el cuerpo: la sangre recoge el ox�geno en los pulmones, y en el intestino recoge nutrientes, agua, minerales, vitaminas y los transporta a todas las c�lulas del cuerpo. Los productos de desecho, como el bi�xido de carbono, son recogidos por la sangre y llevados a diferentes �rganos para ser eliminados, como pulmones, ri�ones, intestinos, etc�tera.

Casi el 7% de la masa del cuerpo se debe a la sangre. Entre sus componentes hay c�lulas muy especializadas: los leucocitos o c�lulas blancas est�n encargadas de atacar bacterias, virus y en general a todo cuerpo extra�o que pueda da�ar nuestro organismo; las plaquetas son las encargadas de acelerar el proceso de coagulaci�n, defensa del cuerpo cuando se encuentra una parte expuesta; los eritrocitos o c�lulas rojas llevan el ox�geno y el alimento a todas las c�lulas del cuerpo.

El coraz�n es pr�cticamente una doble bomba que suministra la fuerza necesaria para que la sangre circule a trav�s de los dos sistemas circulatorios m�s importantes: la circulaci�n pulmonar en los pulmones y la circulaci�n sistem�tica en el resto del cuerpo. La sangre primero circula por los pulmones y posteriormente por el resto del cuerpo.

Comenzaremos la descripci�n del funcionamiento del coraz�n considerando la sangre que sale al resto del cuerpo, por el lado izquierdo del mismo. La sangre es bombeada por la contracci�n de los m�sculos cardiacos del ventr�culo izquierdo a una presi�n de casi 125 mm de Hg en un sistema de arterias que son cada vez m�s peque�as (arteriolas) y que finalmente se convierten en una malla muy fina de vasos capilares. Es en ellos donde la sangre suministra el O₂ a las c�lulas y recoge el CO₂ de ellas.

Despu�s de pasar por toda la malla de vasos capilares, la sangre se colecta en peque�as venas (v�nulas) que gradualmente se combinan en venas cada vez m�s grandes hasta entrar al coraz�n por dos v�as principales, que son la vena cava superior y la vena cava inferior. La sangre que llega al coraz�n pasa primeramente a un reservorio conocido como aur�cula derecha donde se almacena; una vez que se llena se lleva a cabo una contracci�n leve (de 5 a 6 mm de Hg) y la sangre pasa al ventr�culo derecho a trav�s de la v�lvula tric�spide que se ilustra en la figura 9.

Figura 9. El coraz�n y sus partes principales

En la siguiente contracci�n ventricular, la sangre se bombea a una presi�n de 25 mm de Hg pasando por la v�lvula pulmonar a las arterias pulmonares y hacia los vasos capilares de los pulmones, ah� recibe O₂ y se desprende del CO₂ que pasa al aire de los pulmones para ser exhalado. La sangre reci�n oxigenada regresa al coraz�n por las venas de los pulmones, llegando ahora al reservorio izquierdo o aur�cula izquierda. Despu�s de una leve contracci�n de la aur�cula (7 a 8 mm de Hg) la sangre llega al ventr�culo izquierdo pasando por la v�lvula mitral. En la siguiente contracci�n ventricular, la sangre se bombea hacia el resto del cuerpo, y sale por la v�lvula a�rtica. En un adulto el coraz�n bombea cerca de 80 ml por cada contracci�n.

Es claro que las v�lvulas del coraz�n deben funcionar en forma r�tmica y acoplada, ya que de no ser as� el cuerpo puede sufrir un paro cardiaco. Actualmente, las v�lvulas pueden sustituirse si su trabajo es deficiente.

De lo anterior, es obvio que el coraz�n realiza un trabajo. Las presiones de las dos bombas del coraz�n no son iguales: la presi�n m�xima del ventr�culo derecho llamada s�stole es del orden de 25 mm de Hg, los vasos sangu�neos de los pulmones presentan poca resistencia al paso de la sangre. La presi�n que genera el ventr�culo izquierdo es del orden de 120 mm de Hg, mucho mayor que la anterior, ya que la sangre debe viajar a todo el cuerpo. Durante la fase de recuperaci�n del ciclo cardiaco o di�stole, la presi�n t�pica es del orden de 80 mm de Hg. La gr�fica de presi�n se muestra en la figura 10.

Durante una cirug�a o en terapia intensiva, es frecuente que la presi�n venosa central de la sangre se mida en forma directa, para lo cual se introduce un cat�ter (tubo flexible delgado) por una de las venas del brazo hasta llegar a la aur�cula, este cat�ter est� adem�s conectado a una botella de suero y a un tubo capilar graduado en cent�metros, que colocado verticalmente a la altura del coraz�n mide la presi�n venosa. El suero sube por el capilar hasta alcanzar una altura entre 20 y 25 cm. en caso de un adulto.

Figura 10. Gr�fica que muestra c�mo var�a la presi�n en el sistema circulatorio. N�tese que la presi�n venosa es muy peque�a.

Un m�todo para medir la presi�n arterial sist�lica y diast�lica es usar el esfigmoman�metro, que consiste en un manguito inflable de aproximadamente 13 cm. de ancho, que se coloca alrededor del brazo, conectado a un man�metro (medidor de presi�n) de mercurio, tubo que tiene un dep�sito de mercurio en su parte inferior y est� graduado en mil�metros. La presi�n de aire en el manguito se eleva hasta sobrepasar la presi�n sist�lica, logrando as� colapsar la arteria humeral e impidiendo el flujo de sangre por ella. Si se deja salir lentamente el aire del manguito, cuando la presi�n sobre la arteria alcance el valor de la presi�n sist�lica la sangre comenzar� a fluir a trav�s de la arteria, lo cual se puede detectar por medio del sonido que produce. La sangre fluir� en forma intermitente hasta alcanzar la presi�n diast�lica, lo cual se detecta porque el sonido desaparece.

La sangre tiene una densidad de 1.04 g/cm�, muy cercana a la del agua que es de 1.00 g/cm�, por lo que podemos hablar del sistema circulatorio como un sistema hidr�ulico donde las venas y las arterias son similares a mangueras. Como sucede con cualquier circuito hidr�ulico, la presi�n en el sistema circulatorio var�a a trav�s del cuerpo, la acci�n de la gravedad es muy notoria en las arterias donde la presi�n var�a de un punto a otro.

Sabemos de la f�sica, que los l�quidos en reposo trasmiten �ntegramente y en todas direcciones las presiones que se les aplican, lo que no sucede as� cuando �stos se hallan en movimiento a trav�s de un tubo. Este �ltimo es el caso cuando consideramos el sistema circulatorio: el fluido es la sangre y las arterias y venas los tubos del circuito. Si el l�quido fluye por un tubo recto en forma r�tmica, el flujo es laminar, es decir que puede imaginarse como un conjunto de l�minas conc�ntricas que se deslizan una sobre otra, la central ser� la de mayor velocidad mientras que la que est� tocando al tubo tendr� la m�nima velocidad. Si consideramos las velocidades de las diferentes capas de l�quidos en un tubo tendremos que el fluido que est� en contacto con la pared del tubo que lo contiene pr�cticamente no se mueve, las mol�culas del fluido que se mueven a mayor velocidad son las que se encuentran en el centro del tubo.

La energ�a necesaria para que el l�quido viaje por el tubo debe vencer la fricci�n interna de una capa sobre otra. Si el l�quido tiene una viscosidad h el flujo sigue siendo laminar, siempre y cuando el valor de la velocidad del fluido V por el di�metro del tubo d dividido entre el valor h no exceda de un valor cr�tico conocido como n�mero de Reynold si Re es mayor que 2 000, la corriente laminar se rompe y se convierte en turbulenta, es decir, forma remolinos, chorros y v�rtices.

La energ�a requerida para mantener una corriente turbulenta es mucho mayor que la necesaria para mantener una corriente laminar. La presi�n lateral ejercida sobre el tubo aumenta. Aparecen vibraciones que pueden ser detectadas como sonido. En la circulaci�n humana normal el flujo es laminar, rara vez es turbulento, con excepci�n de la aorta y bajo condiciones de ejercicio intenso.

Los gl�bulos rojos de la sangre en una arteria no est�n uniformemente distribuidos, hay m�s en el centro que en los lados, lo cual produce dos efectos: uno, cuando la sangre entra a un conducto peque�o a un lado del conducto principal, el porcentaje de gl�bulos rojos que pasan ser� ligeramente menor que en la sangre que se encuentra en el conducto principal; el segundo efecto es m�s importante, debido a que el plasma sangu�neo se mueve m�s lentamente a lo largo de las paredes de los vasos que los gl�bulos rojos, la sangre en las extremidades tiene un porcentaje mayor de gl�bulos rojos que cuando deja el coraz�n, el cual es aproximadamente del orden de un 10%.

En el estudio del movimiento de los l�quidos, el gasto o caudal es una cantidad importante. El gasto Q es el volumen de l�quido V que fluye por el conducto estudiado dividido entre el tiempo t que tarda en fluir: . Para un tubo r�gido dado, de radio r y longitud 1, el volumen del l�quido de viscosidad h est� relacionado con el gradiente de presi�n de un extremo a otro del tubo (Pl - P2). El matem�tico franc�s Poiseville encontr� que el gasto est� relacionado con estos par�metros as�:

como la resistencia R al paso del l�quido es el gradiente de presi�n entre el gasto, la ecuaci�n puede expresarse como:

donde PI - P2 est� en N/m�, en y R est�n en m.

Esta ecuaci�n nos dice que si duplicamos el radio del tubo dejando iguales los otros par�metros, el gasto aumenta 16 veces; esto es muy importante aun cuando es s�lo una aproximaci�n en el caso del flujo sangu�neo, ya que la ecuaci�n es v�lida para el caso de tubos r�gidos y las arterias tienen paredes el�sticas las cuales se expanden ligeramente con cada pulso cardiaco, adem�s, la viscosidad de la sangre cambia ligeramente con la velocidad del flujo.

Como se indica en la figura 10, la ca�da de presi�n m�s alta en el sistema cardiovascular ocurre en la regi�n de las arteriolas y capilares. Los capilares tienen paredes muy delgadas que permiten la difusi�n del ox�geno y del di�xido de carbono de manera f�cil. Para entender por qu� no revientan, debemos ver c�mo se relaciona la presi�n dentro del tubo P, con el radio del tubo R y la tensi�n que siente debido al fluido T en sus paredes. La presi�n es la misma en las paredes, de modo que la fuerza por unidad de longitud que empuja hacia fuera es R P. Por otro lado, existe una fuerza de tensi�n T por unidad de longitud que mantiene unido al tubo. Debido a que el sistema (pared-fluido) est� en equilibrio se debe cumplir: T = RP as� si el radio del tubo es muy peque�o, la tensi�n tambi�n lo es.

Las enfermedades del coraz�n son una de las mayores causas de mortandad en el mundo. Muchas de ellas incrementan la carga de trabajo del coraz�n o reducen su habilidad para trabajar a la velocidad normal.

El trabajo hecho por el coraz�n es aproximadamente la presi�n promedio por el volumen de sangre bombeado. Aquello que incrementa la presi�n o el volumen de sangre bombeado incrementar� el trabajo hecho por el coraz�n; por ejemplo, una alta presi�n sangu�nea (hipertensi�n) causa que la tensi�n muscular se incremente en proporci�n a la presi�n, o bien una r�pida actuaci�n del coraz�n (taquicardia) tambi�n incrementa la carga de trabajo.

Un ataque cardiaco se produce por el bloqueo de una o m�s arterias al m�sculo cardiaco causando que una porci�n del coraz�n quede sin irrigaci�n y muera (infarto).

Otra enfermedad del coraz�n es la falla por congestionamiento, caracterizada por agrandamiento del coraz�n y reducci�n de su capacidad para proporcionar una circulaci�n adecuada cosa que puede explicarse por lo visto anteriormente, ya que si el radio del m�sculo cardiaco aumenta al doble, la tensi�n en el m�sculo debe aumentar al doble para mantener constante la presi�n, sin embargo, debido a que el m�sculo cardiaco est� distendido, no se produce la fuerza suficiente para una circulaci�n normal. El tratamiento m�dico consiste en reducir la carga de trabajo del coraz�n, o bien remplazarlo ya sea por otro o por uno artificial.

Cuando las se�ales el�ctricas que activan el m�sculo cardiaco son inadecuadas, se puede ayudar al enfermo con un marcapasos que sirve para regular el ritmo cardiaco.

Otro problema frecuente es el mal funcionamiento de las v�lvulas cardiacas. Hay dos tipos de defectos: cuando la v�lvula no abre lo suficiente (estenosis) o cuando no cierra bien (insuficiencia). En el caso de la estenosis el trabajo se incrementa ya que gran parte de �l se hace contra la obstrucci�n de la abertura estrecha y se reduce el suministro de sangre a la circulaci�n general; en el caso de insuficiencia, parte de la sangre bombeada fluye hacia atr�s reduciendo la sangre en la circulaci�n. Estos problemas son ahora corregidos por medio de v�lvulas artificiales o bien remplaz�ndolas por v�lvulas humanas que previamente han sido esterilizadas por radiaci�n.

Es importante aclarar que en caso de tener que introducir cualquier dispositivo al cuerpo humano, �ste tiene que ser compatible, es decir, debe estar hecho con un material que no cause rechazo del organismo, lo cual ha dado lugar a numerosas investigaciones sobre nuevos materiales que cumplan con los requisitos necesarios.

Otro tipo de enfermedades del sistema cardiovascular tiene que ver con los vasos sangu�neos; quiz� el m�s problem�tico es la formaci�n de un aneurisma, sobre todo si �ste se presenta en el cerebro. Un aneurisma es un peque�o globo que se forma al incrementarse el di�metro de una arteria en alguna secci�n, como resultado de un debilitamiento de las paredes de la arteria. El incremento en el di�metro aumenta la tensi�n en la pared. El rompimiento del aneurisma frecuentemente es mortal, especialmente si esto ocurre en el cerebro.

La formaci�n de placas escler�ticas sobre las paredes de la arteria causa que el flujo sea turbulento, ya que angosta el interior del tubo provocando que aumente la velocidad de la sangre. Algunas veces, una placa puede desprenderse de la pared y viajar con la sangre hasta quedar atrapada en alguna arteria peque�a impidiendo as� el paso del flujo para la irrigaci�n de alguna parte del organismo. Cuando sucede en el cerebro, causa la muerte.

Otra enfermedad frecuente son las venas varicosas o v�rices que no s�lo constituyen un problema de est�tica, sino que pueden causar complicaciones serias. Se deben a que las v�lvulas venosas, que deber�an permitir el flujo de sangre s�lo en un sentido (hacia el coraz�n), no funcionan bien y dejan que la sangre circule en ambos sentidos. Generalmente se presenta este problema en las venas largas de las piernas y se resuelve quitando estas venas: la sangre regresa al coraz�n por otras v�as.

Actualmente, la ciencia y la t�cnica han alcanzado un desarrollo que permite no s�lo detectar sino tratar las enfermedades del sistema cardiovascular. Tan s�lo hace 25 a�os un ataque cardiaco no ten�a remedio y una gran parte de la gente que lo sufr�a mor�a como consecuencia, ahora se cuenta con equipo que detecta el tipo de problema y equipo que lo resuelve.

El electrocardiograma es una de las herramientas m�s �tiles en el diagn�stico de las enfermedades del coraz�n, es el registro sobre la piel de los potenciales el�ctricos del coraz�n. Los nervios y los m�sculos, como ya vimos antes, trabajan por medio de corrientes el�ctricas; los correspondientes al coraz�n est�n adem�s encerrados en un conductor el�ctrico que es el torso, de modo que a trav�s de la piel podemos registrar en diferentes partes del cuerpo los potenciales el�ctricos generados por el coraz�n.

Cada contracci�n del m�sculo cardiaco se lleva a cabo por un flujo de corriente el cual provoca una diferencia de potencial en la parte externa de las fibras del m�sculo y la superficie del cuerpo. La corriente se establece mientras el potencial de acci�n se propaga o durante el periodo de recuperaci�n.

Las diferencias de potencial son registradas por medio de electrodos colocados sobre la piel y amplificados para poder graficarse dando como resultado el electrocardiograma (ECG). Si los electrodos se colocan en diferentes posiciones sobre el cuerpo, la se�al registrada sufrir� cambios, es por ello que el registro del ECG se lleva a cabo en lugares anat�micos bien definidos.

Resulta muy interesante el desarrollo de los electrodos adecuados para el registro del ECG. No puede usarse cualquier metal. Actualmente se usan electrodos de plata con una capa de cloruro de plata depositada en la cara que est� en contacto con la piel; presentan una baja resistencia y no producen se�ales de ruido indeseable para un buen registro.

En pacientes que han sufrido un ataque cardiaco puede presentarse un cambio repentino en el ritmo: el orden de las contracciones asociadas con el bombeo normal del coraz�n cambian produciendo una fibrilaci�n (contracci�n no coordinada) ventricular que da�a la acci�n de bombeo; el paciente puede morir en minutos a menos que sea desfibrilado.

La desfibrilaci�n consiste en hacer pasar una corriente de 20 amperes a trav�s del coraz�n durante 5 seg, como se muestra en la figura 11, para lograr que todas las fibras del m�sculo cardiaco se contraigan simult�neamente, despu�s de lo cual el coraz�n puede iniciar de nuevo su ritmo normal.

La aur�cula y el ventr�culo est�n separados por una capa gruesa que no conduce electricidad ni propaga los pulsos nerviosos, es el n�dulo atrioventricular el que tiene a su cargo la funci�n de conducir los impulsos de la aur�cula a los ventr�culos, lo cual conforma la acci�n de bombeo del coraz�n. Si este n�dulo es da�ado, los ventr�culos no reciben ninguna se�al de la aur�cula y como consecuencia no paran de bombear; sin embargo, hay centros de paso naturales en los ventr�culos que proveen un pulso si no se ha recibido ninguno de la aur�cula por un lapso de 2 segundos, el resultado es que el coraz�n trabaja a un ritmo de 30 pulsos-minuto. El paciente no se muere, pero lleva una vida de semiinv�lido.

Este problema ya tiene soluci�n: actualmente se implanta a estos pacientes un marcapasos que consiste en un generador que proporciona 72 pulsos/minuto, coloc�ndoselo como se muestra en la figura 12.

Como ya hemos dicho, todos los dispositivos que se introducen en el cuerpo humano deben estar cubiertos por un material que no sea rechazado por �ste, ni provoque infecci�n; esto abre un campo de investigaci�n para la b�squeda de materiales adecuados. Los marcapasos cardiacos est�n hechos de elementos electr�nicos de la m�s alta calidad, ya que de ellos depende la vida del paciente, cubiertos por un armaz�n de acero con superficie de titanio. Las partes flexibles se recubren con silastic. Se ha encontrado que estos materiales no causan problemas y pueden permanecer en el interior del cuerpo por a�os, ya que tampoco los da�an los l�quidos internos.

Figura 11. Aplicaci�n de un desfibrilador.

Figura 12. Colocaci�n de un marcapasos cardiaco.