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[ Scientific Activity - Actividad Científica ] [ Brief Communications - Temas Libres ]

Simulación por computadora de la mecánica cardíaca

Pacher Armando; Lombardo Roberto

Facultad de Ingeniería - Bioingeniería
Universidad Nacional de Entre Ríos
Paraná, Entre Ríos, Argentina

Abstract
Introducción
Objetivos
Material y Métodos
Resultados
Discusión
Conclusiones

Abstract
Objetivos: Diseñar y desarrollar una simulación por computadora del sistema cardiovascular para ser empleado en la enseñanza de la mecánica cardíaca.
Material y Métodos: Mediante ecuaciones matemáticas, utilizando Visual Basic como lenguaje de programación, se simularon automatismo y conducción, cámaras y válvulas cardíacas, territorios arteriales, capilares y venosos sistémicos, coronarios y pulmonares, y presorreceptores arteriales sistémicos, con simplificaciones para permitir su ejecución en tiempo real (TR).
Resultados: El programa funciona en computadoras personales. Opera en TR y grafica en forma continua y simultánea curvas de presiones, volúmenes, flujos volumétricos, derivadas, stress ventricular izquierdo, bucles de presión/volumen (P/V) de ventrículos izquierdo (VI) y derecho, bucle de stress/volumen (S/V) VI, bucle de presión/diámetro arterial, electrocardiograma, recta de fin de sístole, función de fin de diástole y valores numéricos de variables significativas y de índices de función sistólica y diastólica VI. Se accede a simulaciones en condiciones basales y ante modificaciones agudas y crónicas (cambios aislados o asociados en inotropismo, relajación, distensibilidad, acción pericárdica, acción de fármacos , calcio, precarga, resistencia periférica, elasticidad de grandes vasos, valvulopatías mitral y aórtica (agudas y crónicas), ciclos isovolúmicos con volúmenes fijos y variables, oclusión coronaria aguda, generación simultánea paso a paso de las curvas, bucles y electrocardiograma). Se lo utilizó como herramienta pedagógica complementaria para la enseñanza en pre y postgrado de la mecánica cardíaca.
Discusión: La simulaciones mediante computadora permiten aprender y practicar sin presiones emocionales y temporales, fuera de situaciones de crisis, con costos mínimos, siendo complementarias de los métodos convencionales.
Conclusión: No se detectaron simulaciones que muestren sus resultados en TR y en forma simultánea en forma de bucles de presión/volumen y stress/volumen y curvas de presiones, flujos, volúmenes, y stress instantáneo a lo largo del ciclo cardíaco. Su valor como herramienta pedagógica complementaria deberá analizarse mediante un protocolo de comparación.

Tope

Objetivos:

Diseñar y desarrollar una simulación por computadora del comportamiento del sistema cardiovascular para ser empleado en la enseñanza de la mecánica cardíaca, que simule características activas y pasivas basales, muestre en forma continua curvas en función del tiempo, bucles de presión/volumen, stress/volumen y valores cuantitativos, simule alteraciones miocárdicas, valvulares, estructurales, agudas y crónicas, reproduzca resultados experimentales, funcione en computadoras personales y sea empleado en la enseñanza fisiológica y fisiopatológica.

Tope

Material y Métodos:

Para la simulación de las diferentes características del sistema cardiovascular se emplearon ecuaciones matemáticas que se integraron en un algoritmo. Se utilizó a MS Visual Basic como lenguaje de programación. Se realizaron simplificaciones para permitir su ejecución en tiempo real en computadoras de amplio acceso.

Se simuló automatismo y conducción, válvulas cardíacas (VM, VA, VT, VP), cámaras cardíacas (AI, VI, AD, VD). En las cámaras se simularon las características activas (contractilidad, relajación), las viscoelásticas pasivas (distensibilidad) y su acoplamiento al sistema. Se simularon territorios arteriales, capilares y venosos sistémicos, coronarios y pulmonares, y presorreceptores arteriales sistémicos. Se programó para realizar cada 5 milisegundos en cada sector cálculos de valores instantáneos ((t)) de automatismo y conducción, elastancia, volumen, flujo volumétrico, presión, stress VI y calcular en cada ciclo índices de función sistólica y diastólica del VI.

Resultados:

Las simplificaciones realizadas en el diseño de esta simulación permitieron obtener un programa que realiza cálculos y graficación en tiempo real en el entorno de computadoras personales de amplio acceso (PC-IBM Compatibles desde una configuración mínima de 386 con 4 MB de RAM), y desde disquetes de y 3½”.

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Fig. 1: Pantalla inicial de curvas y bucles, con barra de menúes, cuadro superior derecho de valores numéricos,
curvas (de arriba abajo) de volumen VI, presiones de raíz de aorta, ventrículo y aurícula izquierdos, ECG,
bucle P/V VI, recta de fin de sístole y función de fin de diástole. Condiciones basales.

Se grafican en forma simultánea en un continuo (Fig. 1 - Fig. 2 - Fig. 3) curvas en función del tiempo de:

presiones (AI, VI, raíz aórtica, nueve segmentos arteriales sistémicos, AD, VD, raíz de arteria pulmonar),
volúmenes (AI, VI, AD, VD),
stress instantáneo del VI,
flujos volumétricos (mitral, aórtico, tricuspídeo, pulmonar, venoso pulmonar, coronario [DA, CD]),
derivadas (dP/dt VI, dE/dt VI),
elastancias (VI, VD),

bucles de:

presión/volumen ventricular (VI, VD),
presión/diámetro arterial,
stress/volumen ventricular izquierdo,

valores numéricos:

VI: PFD, VFD, VFS, VEy, FEy, relación P/V de fin de sístole , área P/V, +dP/dtmax, +dP/dtmax /P, Stress (fin de diástole, inicio de eyección, máximo, fin de eyección), +dP/dtmax, -dP/dtmax, +dP/dtmax/-dP/dtmax, +dP/dtmax/P, Tau, Tiempo 1/2 de relajación,
volúmenes de doce sectores,

funciones:

de fin de sístole VI,
de fin de diástole VI.

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Fig. 2: Similar a Fig. 1, con el agregado de curva de stress instantáneo VI y bucle Stress/Volumen VI.
En el 3er y en el 4to ciclo se quitó la curva de presión aórtica para facilitar en análisis de la curva de
Stress instantáneo. Condiciones basales.

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Fig. 3: Similar a Fig. 2, con el agregado de (de arriba abajo): dP/dt VI, flujo volumétrico de
arteria coronaria descendente anterior izquierda, flujo volumétrico VM, presión VD,
presión AD. Condiciones basales.

Se accede a simulaciones en condiciones basales y ante modificaciones agudas y crónicas (cambios aislados o asociados en inotropismo, relajación, distensibilidad, acción pericárdica, acción de fármacos y calcio, precarga, resistencia periférica, elasticidad de grandes vasos, valvulopatías mitral y aórtica (agudas y crónicas), ciclos isovolúmicos con volúmenes fijos y variables, oclusión coronaria aguda, generación simultánea paso a paso de las curvas, bucles y electrocardiograma). Una opción (Basal > Mantiene la pantalla) permite comparar las consecuencias de los cambios aislados y asociados con las condiciones basales (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7).

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Fig. 4: Pantalla de bucles, con graficación simultánea de bucles P/V de VI (negro) y VD (rojo) en tres situaciones:
basal, disminución moderada y disminución severa de contractilidad ventricular izquierda. Se ha utilizado la opción
Basal > Mantiene la pantalla para la comparación de las situaciones. Cuadro de valores numéricos de situación basal.

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Fig. 5: Simulación de insuficiencia mitral aguda severa. Cuadro de valores numéricos de situación basal.

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Fig. 6: Modificación aislada de la distensibilidad ventricular izquierda. Cuadro de valores numéricos de situación basal.

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Fig. 7: Ejemplos de diferentes opciones: A. Ampliación de escala de presiones
y mayor velocidad de barrido para analizar presiones diastólicas de VI y AI; B.
Generación de ciclos isovolumétricos; C. Estenosis aórtica valvular crónica y
condiciones basales; D. Cambios del bucle P/V de VI durante el inflado del balón
en angioplastia coronaria; E. Bucles de P/V de VI y VD en condiciones basales
y en disminución aislada de contractilidad ventricular izquierda; F. Bucles P/V de VI
y VD en una comunicación interventricular sin hipertensión pulmonar significativa.

Se lo utilizó como herramienta pedagógica complementaria para la enseñanza en pre y postgrado de la fisiología y fisiopatología de la mecánica cardíaca. 

Tope

Discusión:

La simulaciones mediante computadora permiten aprender y practicar sin presiones emocionales y temporales, fuera de situaciones de crisis, con costos mínimos, permitiendo su amplio empleo, siendo complementarias de los métodos convencionales. Los programas disponibles generalmente no funcionan en tiempo real (cálculo y graficación simultáneos), salvo con computadoras de alta complejidad, no muestran simultáneamente curvas y bucles, stress instantáneo ni bucles de stress/volumen y las opciones de simulaciones y de cambios son acotadas.

Esta simulación está destinada a ser utilizada por docentes como herramienta pedagógica para el conocimiento del funcionamiento mecánico cardiovascular en condiciones basales y ante cuadros patológicos, empleando desde las posibilidades de generar paso a paso las diferentes curvas en función del tiempo y los bucles de presión/volumen y de stress/volumen, hasta la simulación de patologías agudas y crónicas. Se utilizó el programa en actividades teóricas y teórico-prácticas con estudiantes de medicina (Fisiología), Bioingeniería (Fisiología y Fisiopatología) y con asistentes a cursos de Postgrado de Cardiología (Ecocardiografía).

Si bien la validación de un modelo es parte del proceso de modelización, en el caso de simulaciones destinadas a la enseñanza las contrastaciones no representan el objetivo principal y se asume que las simplificaciones realizadas para permitir su amplia utilización originan respuestas que disminuyen su exactitud. Se considera que las diferencias entre las respuestas obtenidas por esta simulación y las de resultados experimentales conocidos (recta de fin de sístole linear en todas las condiciones de simulación; modificación sólo de la pendiente y no de la ordenada al origen de la RFS ante cambios del estado contráctil; cambios de postcarga que no modifican ni la pendiente ni la ordenada al origen de RFS; cambios secundarios a isquemia que modifican sólo la pendiente de la RFS; simplificación del acoplamiento ventrículo - arterial; velocidad de relajación no dependiente de la postcarga, respuestas periféricas limitadas a cambios en la resistencia arteriolar; cambios de frecuencia discretos y estáticos) o las esperadas (variables biauriculares y ventriculares derechas de menor complejidad que las ventriculares izquierdas, graficación en intervalos continuos y no discretos) no afectan su utilización como herramienta pedagógica. Estas limitaciones conocidas se listan en una ventana del programa para que sean también conocidas y asumidas por el instructor que lo utilice y los alumnos. En la revisión realizada en la literatura no se encontraron programas que reúnan estas características.

Tope

Conclusiones:

No se detectaron programas que muestren sus resultados en tiempo real y en forma simultánea en forma de bucles de presión/volumen, bucles de stress/volumen y curvas de presiones, flujos, volúmenes, y stress instantáneo a lo largo del ciclo cardíaco. Su valor como herramienta pedagógica complementaria deberá analizarse mediante un protocolo de comparación.

Tope

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Preguntas a los Autores, comentarios y aportes: envíe un e-mail escrito en Español, Portugués o Inglés (de hasta 15 líneas, sin archivos agregados) a heartfail-pcvc@pcvc.sminter.com.ar

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Dic/22/1999