Simulación por computadora de la mecánica cardíaca

Autores: Dr. Armando Pacher * y Roberto Lombardo **


*Cardiología - Informática Médica. Profesor Titular de Fisiopatología, Bioingeniería
Director del Centro de Teleinformática de la Federación Argentina de Cardiología - FAC (CETIFAC)
Presidente del 1er Congreso Virtual de Cardiología.
Presidente Honorario y Presidente del Comité Técnico del 2do Congreso Virtual de Cardiología
Bioingeniería, Universidad Nacional de Entre Ríos - Federación Argentina de Cardiología
Paraná, Argentina

**Profesor Adjunto de Fisiopatología. Facultad de Ingeniería - Bioingeniería
CETIFAC - Federación Argentina de Cardiología
Universidad Nacional de Entre Ríos. Paraná, Entre Ríos, Argentina

 

Dr. Armando Pacher

 

Agradecimientos.

Agradecemos a las autoridades la invitación para participar en este congreso a desarrollarse en Internet. Nos referiremos a una herramienta pedagógica que hemos desarrollado y que colocamos gratuitamente a disposición de los interesados.

Introducción.

El conocimiento de la mecánica cardíaca resulta de interés primordial en la comprensión de diversas patologías que afectan al sistema cardiovascular, en el empleo de métodos diagnósticos, en la toma de conductas y en la evaluación de sus resultados. Para su estudio se utilizan tradicionalmente animales de experimentación o se realizan limitadas experiencias clínicas en humanos. Estos métodos resultan cruentos, costosos y no están disponibles ampliamente para ser empleados por los docentes de grado o postgrado.
Pero es posible desarrollar programas para computadoras personales para ser utilizados en la enseñanza de grado y postgrado. Constituyen herramientas que, sin sustituir a las tradicionales, pueden ser utilizadas en repetidas oportunidades, con experiencias personalizadas para cada usuario. Estas herramientas pedagógicas complementarias son incruentas, no ponen en riesgo a los pacientes, evitan el sufrimiento animal y para su utilización se necesita sólo una computadora personal.
Comenzamos a trabajar en 1991 teniendo como objetivo diseñar y desarrollar una simulación por computadora del comportamiento del sistema cardiovascular para ser empleada por docentes en la enseñanza de la mecánica cardíaca. Consideramos que debería simular características activas y pasivas basales, mostrar en forma continua curvas en función del tiempo, bucles de presión/volumen, stress/volumen y valores cuantitativos, simular alteraciones miocárdicas, valvulares, estructurales, agudas y crónicas, reproducir resultados experimentales, funcionar en computadoras personales y posibilitar su empleo en la enseñanza fisiológica y fisiopatológica.

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Desarrollo.

Haremos un breve comentario de la metodología empleada, sin profundizar en los aspectos técnicos (comentario que puede obviarse y pasar en forma directa a Características del programa, o profundizarse en www.fac.org.ar/fisiop/intgr/tesisap.zip). En relación a las variables cardiovasculares a simular, se analizaron las características de componentes eléctricos, electrónicos e hidráulicos. Las respuestas de diversos componentes eléctricos y electrónicos tienen ciertas semejanzas con diferentes propiedades del sistema cardiovascular. Los componentes hidráulicos, si bien comparten algunas de las propiedades del sistema, resultan limitados en sus respuestas. En términos simples, el ventrículo sería semejante a un capacitor variable. La carga del capacitor estaría representada por el llenado diastólico, y la descarga por la eyección. Un controlador de tiempo determinaría la duración de cada etapa. La acción de las fuerzas que se oponen a la eyección serían semejantes a resistencias variables y a reactancias. El flujo transvalvular unidireccional representaría el comportamiento de un diodo. Sin embargo, las semejanzas de las respuestas de estos componentes eléctricos y electrónicos no son suficientes para representar las condiciones activas y pasivas ventriculares, auriculares, valvulares y vasculares. Ya había en aquella época modelos simples que utilizaban una onda senoidal, rectificando la fase negativa, pero el desarrollo de fuerza, la relajación y las características viscoelásticas durante el llenado no se pueden representar por una simple onda senoidal. Por estos motivos se decidió modificar y adaptar sin límite las respuestas, utilizar libremente las equivalencias entre presión y voltaje, entre caudal y corriente y las similitudes de las resistencias hidráulicas y eléctricas, e integrarlos en un modelo matemático dinámico numérico.
Utilizamos a MS Visual Basic como lenguaje de programación y realizamos simplificaciones para permitir la ejecución de la simulación en tiempo real en computadoras de amplio acceso (ver más abajo Simplificaciones y limitaciones).
Simulamos 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 y 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.

Características del programa
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 3½".
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.

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 Þ 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).
Dependiendo de los objetivos, es posible trabajar a varios niveles de complejidad. En forma básica puede emplearse para estudiar las fases del ciclo cardíaco, correlacionando los fenómenos mecánicos y eléctricos en curvas en función del tiempo de presiones y volúmenes, bucle de presión volumen y electrocardiograma. Es posible avanzar en el ciclo en forma discreta y en forma continua, pudiendo asociar diferentes curvas (presiones, volúmenes, stress, flujos, derivadas), bucles (P/V, stress/volumen) y el electrocardiograma. En forma discreta se comienza en un momento del ciclo (por ejemplo, a fin de diástole) y se analizan las relaciones temporales y de amplitudes entre las diferentes curvas, los bucles (P/V, stress/volumen) y el electrocardiograma. Al oprimir un botón se avanza en el ciclo paso a paso, reanalizando las variables en cada etapa.
Otro modo de emplearlo es repetir la experiencia desarrollada en los trabajos prácticos de Fisiopatología Cardiovascular de la asignatura Fisiopatología, correspondiente al cuarto año de la Carrera de Bioingeniería de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Entre Ríos, Paraná, Argentina ( ).
En el esquema actual, el alumno realiza dos trabajos prácticos de dos horas y media de duración cada uno, separados por una clase teórica y una semana. Durante el primer trabajo práctico se analizan los cambios de precarga, postcarga y contractilidad. Se distribuyen tres a cuatro alumnos por cada computadora y el instructor comienza explicando el funcionamiento general del programa y los comandos básicos. Hace un recordatorio de la cronología del ciclo cardíaco empleando las curvas de volumen y de presión en función del tiempo ventriculares izquierdas, de presiones en función del tiempo de raíz aórtica y de aurícula izquierda y el bucle de presión/volumen ventricular izquierdo. Dibuja y muestra en la pizarra la generación de las curvas y bucles, las relaciones temporales e identifica los períodos, los volúmenes, la recta de fin de sístole, la función de fin de diástole y la determinación de la fracción de eyección. A continuación, cada grupo de alumnos realiza un dibujo en sus carpetas de las curvas y el bucle, identificando las variables mencionadas. Se orienta a los alumnos durante la confección del dibujo y, una vez que se considera adecuado el nivel de comprensión, se comienza a trabajar con el modelo.
La configuración inicial es la predeterminada, que muestra las curvas mencionadas, el bucle de presión/volumen y el cuadro de valores numéricos (fig. 1). La primera rutina consiste en generar paso a paso las curvas y el bucle (en el programa, esto de obtiene mediante: Maniobras Þ Generación de curvas y bucles); los alumnos hacen avanzar el programa oprimiendo el botón Próximo paso mientras observan las relaciones cronológicas y de amplitud. Se prescinde de lo relatado hasta aquí cuando los alumnos ya han empleado el modelo en los trabajos prácticos de Fisiología con Biofísica.
Seguidamente se comienza a trabajar introduciendo cambios, primero en precarga, luego en postcarga (ambos con aumento y disminución) y finalmente en contractilidad (disminución). El instructor plantea un problema: "aumento agudo de precarga, ¿cuál sería su etiología y cuáles serían los cambios en las curvas y en los bucles?". Se hace razonar a los alumnos, a continuación cada grupo dibuja en el papel la predicción y se la contrasta con la respuesta del modelo (Modificaciones Þ Precarga Þ Aumenta). Se analizan las respuestas utilizando los calibres (Pausa Þ Calibres), se hace hincapié en los cambios correlativos de curvas y bucles, y en el análisis de las funciones sistólica y diastólica. Alcanzado un nivel de comprensión adecuado se pasa, con la misma metodología, a la siguiente experiencia y así sucesivamente. Se enfatiza en que los cambios no son aislados ("Si disminuye la contractilidad aumenta el volumen de fin de diástole {aumenta la precarga}") y que sólo se los analiza de esta manera como recurso pedagógico.
Una vez comprendidas las respuestas ante los tres cambios básicos, se proponen cambios combinados: "disminución de contractilidad y aumento de postcarga, etc." y se continúa avanzando de acuerdo al nivel de comprensión. Agotados estos cambios, se completa el trabajo práctico con la producción de ciclos isovolúmicos ("¿Qué ocurre cuando una prótesis valvular aórtica no se abre para permitir la eyección, ya sea por trombosis o rotura?") y de cambios transitorios del estado inotrópico ("Se infla un balón de angioplastia en el origen de la arteria coronaria descendente anterior izquierda, ¿qué cambios se observarán en las curvas y en el bucle?").
Alcanzados los objetivos, se permite a los alumnos utilizar libremente la simulación y se realiza finalmente una evaluación del nivel de comprensión alcanzado.
Durante la clase teórica posterior se reafirman los conceptos y se introducen los temas de función diastólica, valvulopatías, miocardiopatías y cardiopatías estructurales, que serán desarrollados durante el segundo trabajo práctico. En éste, para el estudio de los cambios en la función diastólica se cuenta con cambios en la velocidad de relajación activa, en la distensibilidad pasiva y en la restricción pericárdica. Se predicen y se dibujan las modificaciones y se analizan las respuestas del modelo, enfatizando en los cambios de la relación +dP/dtmax/-dP/dtmax, de tau y de la función de fin de diástole y la repercusión en el llenado ventricular.
A continuación se pasa al estudio de valvulopatías, primero agudas y luego con los cambios producidos por la adaptación crónica. Se agrega a las curvas el flujo (caudal transvalvular o volumen en función del tiempo) transvalvular aórtico y/o mitral, según corresponda.
Se predicen y dibujan las variables correspondientes a una estenosis valvular aórtica aguda (como en el caso de una alteración de una prótesis valvular aórtica que disminuye bruscamente su apertura por trombosis protésica o rotura de componentes) y se contrastan con las respuestas de la simulación (Modificaciones Þ Valvulopatías Þ Aórticas Þ Estenosis Þ Severa aguda). Se predicen los cambios que se encontrarán en una estenosis valvular aórtica severa crónica (mayor fuerza, mayor gradiente, menor velocidad de relajación, aumento de la rigidez de cámara) y se repiten los pasos habituales. Se introduce el concepto de la relación entre área valvular, gradiente transvalvular y estado inotrópico y se demuestra como, sin modificar el área, disminuye el gradiente transvalvular cuando disminuye la contractilidad.
Con similar metodología son examinadas las modificaciones introducidas por estenosis mitral, insuficiencias aórtica y mitral. Se analiza el porqué de la falta de períodos isovolúmicos en el caso de reflujos valvulares y se generan asociaciones (por ejemplo estenosis aórtica e insuficiencia mitral, estenosis aórtica y estenosis mitral pre y post comisurotomía mitral, etc.).
Dependiendo del nivel de comprensión alcanzado y de atención logrado se propone como hipótesis de razonamiento hemodinámico los cambios que se producirían ante una solución de continuidad en el tabique interventricular. Se utiliza la opción de mostrar simultáneamente los bucles de presión/volumen de ambos ventrículos y se analizan sus relaciones y diferencias en condiciones basales. Se origina una comunicación interventricular y se comprueban los cambios.
Para finalizar, los alumnos utilizan libremente el modelo y se realiza una evaluación final.
Se utilizó el modelo como herramienta pedagógica complementaria del tema "Evaluación de la función ventricular" en cursos de postgrado de Ecocardiografía y de Ecocardiografía Doppler. Se comprobó la dificultad inicial de los asistentes para relacionar en forma simultánea los acontecimientos auriculares y ventriculares izquierdos y aórticos, vincularlos con los sucesos en el plano presión-volumen y trasladarlos a las imágenes generadas por los ultrasonidos. La utilización de la generación paso a paso de curvas y bucles constituyó una herramienta que facilitó la enseñanza y la comprensión de esos fenómenos. Para el desarrollo de los diferentes temas se mostraron en forma dinámica las variaciones de la función ventricular ante diferentes situaciones fisiopatológicas y las maneras con las que el estudio ultrasónico intenta su determinación.

Simplificaciones y limitaciones:
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 por los alumnos.
De acuerdo a lo expuesto, pensamos que la utilidad principal de la esta simulación consiste en su empleo como herramienta pedagógica complementaria para la enseñanza de grado y de postgrado de la fisiología y la fisiopatología de la mecánica cardiovascular. No reemplaza a la experimentación animal ni a la observación en humanos, pero tiene la ventaja de estar siempre a disposición del educador, ser repetitiva, de bajo costo, sin riesgos para los pacientes y sin sufrimiento animal. Este tipo de simulaciones permite 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 hasta ese momento (1997) generalmente no funcionaban en tiempo real (cálculo y graficación simultáneos), salvo con computadoras de alta complejidad, no mostraban simultáneamente curvas y bucles, stress instantáneo ni bucles de stress/volumen y las opciones de simulaciones y de cambios eran acotadas. 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).
Se puede obtener el programa en forma gratuita en la dirección http://www.fac.org.ar/fisiop/tpex/modcv.htm Si no se tiene acceso a la Web, ver abajo las instrucciones para obtenerlo mediante FTPMail.
Para finalizar, esta simulación está destinada a ser utilizada por docentes (no por alumnos solos) y su real valor como herramienta pedagógica complementaria deberá determinarse mediante un protocolo de comparación.
Muchas gracias.

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Obtención del programa mediante FTPMail:

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Última actualización: 16 de Mayo del 2002
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