viernes, 15 de diciembre de 2017
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Medicina de Rehabilitación BIOMECÁNICA


Aplicación de la biomecánica para el estudio clínico de las arteriopatías

La hemodinámica arterial, o sea el estudio de la circulación sistémica, abarca dominios muy diversos. Su campo de investigación podría resumirse como la descripción y comprensión de los fenómenos fisiológicos y fisiopatológicos en relación a la onda del presión y al flujo de sangre en las arterias. El conocimiento de la física (propiedades hidrodinámicas y mecánicas) del sistema cardiovascular, y su relación con datos fisiológicos y patológicos ha sido el objetivo de varios científicos desde tiempos muy remotos. Aristóteles (384-322 a.C.) fue un elocuente defensor de la relación entre la Física (que el entendía como la descripción general del Universo) y el estudio de las cosas vivientes. En 1615 William Harvey (1578-1658) describió la circulación en un descubrimiento que podría ser catalogado como teórico debido a que llegó a tamizar sus convicciones a través de razonamientos lógicos. La existencia de capilares se hizo efectiva por Marcello Malpigie (1628-1694) 45 años después que Harvey los describió como una necesidad lógica. Un contemporáneo de Harvey fue Galileo Galilei (1564-1642) que fue estudiante de medicina antes de trascender como un físico famoso.

El descubrió la constancia del periodo del péndulo y la utilizó para medir frecuencia cardíaca. Fue asimismo inventor del termoscopio y diseñador de un microscopio (en el sentido actual), pero su mayor contribución a este campo fue tal vez su prédica sobre estos tópicos en Padua donde Harvey era estudiante. Otro colega de Galileo fue Santorio Santorio (1531-1636) un profesor de medicina en Padua, quién a través de sus experimentos, podría ser el fundador del estudio moderno del metabolismo.

Las descubrimientos de Galileo y las demostraciones de Harvey y Santorio impulsaron la explicación de los procesos vitales mediante métodos físicos. Los fundamentos matemáticos de la fisiología inspiraron a René Descartes (1596-1650) quién en un libro publicado después de su muerte en 1662 propone una teoría fisiológica sobre bases mecánicas el cual se considera el primer libro moderno sobre éste enfoque de la fisiología. Sobre bases teóricas desarrolló un complicado modelo animal incluyendo las funciones nerviosas.

Estudios posteriores no pudieron comprobar la veracidad de este modelo lo cual provocó una gran pérdida de confianza en el enfoque de Descartes. A Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) celebre matemático, astrónomo y amigo de Galileo, se le atribuyó la escuela "iatrofísica" o "iatromatemática" (del griego iatós, médico) a partir de su libro On motion of Animals (1680). Robert Boyle (1627-1691) estudió los pulmones y Robert Hooke (1635-1703) obtuvo la famosa ley de la elasticidad y fue quién utilizó la palabra célula para designar las entidades fundamentales de la vida. De la propagación de ondas en arterias se ocupó Loenhard Euler (1707-1783) en 1775 y el creador del módulo de Young, Thomas Young (1773-1829) fue un célebre médico londinense. Sus trabajos sobre la teoría de la luz estaban dirigidos al astigmatismo en lentes y al color de la visión. Mientras era estudiante de medicina Jean Poiseuille (1799-1869) inventó el manómetro de mercurio para medir presión en la aorta de un perro y desarrolló su ley de flujos viscosos luego de la graduación. Pero quién ha recibido el título de Padre de la Bioingeniería ha sido Herrmann von Helmholtz (1821-1894) quién fue profesor de fisiología y patología en Konigsberg, profesor de anatomía y fisiología en Bonn, profesor de fisiología en Heidelberg y finalmente profesor de física en Berlín (1871). Sus contribuciones abarcaron la óptica, la acústica, la termodinámica, la electrodinámica, la fisiología y la medicina. Se deben mencionar otros nombres por demás conocidos en los ámbitos de la ingeniería y la fisiología, como por ejemplo Adolf Fick (1829-1901) autor de la ley que rige la transferencia de masa, mientras que Diederik Johanes Korteweg (1848-1941) y Horace Lamb (1849-1941) escribieron excelentes trabajos sobre la propagación de ondas en arterias. Otto Frank (1865-1944) trabajó sobre hidrodinámica cardíaca y Van der Pol (1929) modelizó el corazón con osciladores no-lineales para producir electrocardiogramas con semejanza a la realidad. Para completar esta amalgama entre la física y la biología sería interesante recordar a Thomas Young quién, cuando intentaba conocer la formación de la voz humana justificaba su licenciatura en física, diciendo que sin ella jamás hubiera podido escribir su disertación médica ni entender los temas referidos a ella.

La Biomecánica es la mecánica aplicada a la Biología. La biomecánica, término acuñado por Lamarck (1744-1829), es en otras palabras el estudio de las propiedades mecánicas de los tejidos, órganos y sistemas fisiológicos de los seres vivos. La complejidad de los sistemas biológicos necesita numerosas hipótesis simplificadoras para su representación física y matemática, y sólo a partir de entonces puede lograrse su desarrollo permitiendo un conocimiento cada vez más realista de un determinado sistema. Este último está en estrecha relación con la evolución de los métodos de medición utilizados para obtener informaciones sobre la fisiopatología del sistema. En otras palabras la riqueza de la información contenida en los nuevos métodos de mediciones hemodinámicas no puede ser extraída ni extrapolada, sino lo es a partir de modelos físico-matemáticos cuyo grado de elaboración deseable es función del objetivo esperado. De aquí resulta que la capacidad de resolver la mayoría de los problemas encontrados en los centros de exploración funcional cardiovascular estaría en relación con el desarrollo de los diferentes modelos teóricos y físicos desarrollados en los centros de hidrodinámica cardiovascular.

Por todo lo expuesto la aplicación de la mecánica al estudio de las arterias, permite un enfoque que complementa y amplia los ya existentes, suministrando un marco conceptual al análisis fisiopatológico. Por lo tanto no se debe considerar al uso de principios físico-matemáticos para explicar fenómenos biológicos como una invasión de otro campo sino como la utilización de lo que siempre debió haberse aplicado.

La aplicación de la mecánica al estudio de los grandes troncos arteriales, es consecuencia de razones técnicas y de necesidades fisiológicas. Con el advenimiento de los más modernos métodos de medición se ha logrado conocer las variaciones de flujo, presión y deformación de las arterias de mediano y grueso calibre sobre todo del tipo de las arterias humeral, femoral y carótida. Para asociar este progreso a la fisiología se debe recordar que la macrocirculación (o sea el territorio arterial de grueso y mediano diámetro) está dominada por el efecto amortiguador de la función capacitiva de estas arterias y la microcirculación por el efecto disipativo debido a la predominancia resistiva del lecho arteriolar. Es decir que todo fenómeno dinámico como la propagación de la pulsatilidad y los fenómenos de ella derivados deberían ser analizados en grandes arterias donde se concentra más del 70% de la capacitancia del árbol arterial. En concordancia con ello, existe evidencia experimental que estos vasos de capacitancia, es decir aorta y grandes arterias, podrían además tener un rol primario en la génesis de la hipertensión arterial y por lo tanto en los trastornos que la misma determina. Para cerrar este anillo de fundamentos sobre el análisis de las propiedades mecánicas de la pared aórtica debe establecerse que las modernas teorías que tratan la transferencia óptima de energía entre la bomba cardíaca y la carga arterial toman en consideración principalmente las características viscoelásticas de la pared aórtica junto a las propiedades contráctiles del ventrículo izquierdo.

La Biomecánica permite un estudio del sistema circulatorio desde dos diferentes aspectos, la mecánica de medios continuos y la mecánica de los fluidos. Es decir que un análisis racional incluye por un lado el estudio de la pared arterial y por otro el de la sangre que está contenida en su interior. Con la ayuda de la mecánica de los medios continuos, la pared arterial, material heterogéneo y anisotrópico por excelencia, se estudia como un material compuesto por fluido y tejido en el que se consideran tres características principales: elasticidad, viscosidad e inercia. La pared arterial puede sufrir alteraciones generadas en forma pasiva, que son extrínsecas, como lo son el aumento o la disminución de la presión arterial, lo que produce modificación en sus dimensiones, y por otro lado puede sufrir alteraciones intrínsecas, habitualmente mediadas por estímulos nerviosos y humorales, o provocadas farmacológicamente por un sinnúmero de elementos químicos. Si bien este material esta regido por las mismas leyes de la conservación de la masa, del momento de fuerzas, del balance energético y la entropía como cualquier otro material, lo que lo distingue de otro material común de uso en la ingeniería es la ecuación constitutiva. Es ésta una de las causas más comunes de fracaso entre los mecánicos analíticos: la falta de información para la construcción de las relaciones tensión-deformación de los tejidos vivientes. Por tal motivo el informe de situación es complejo: los materiales biológicos son sistemas multifase, no homogéneos, y anisotrópicos; los fluidos son no Newtoneanos, los sólidos son no Hookoneanos, y están sujetos a una deformación finita en condiciones de vida normal. Las dificultades de trabajos con estos materiales son obvias.

Como cada avance científico en la historia se vio fuertemente influenciado por una nueva herramienta teórica o experimental es de esperar que la aplicación de las herramientas analíticas de la mecánica a la fisiología pueda abrir un nuevo horizonte en la medicina y la biología como ya lo ha hecho en la ingeniería. Vaya entonces estos trabajos como una humilde contribución al vigoroso impulso llevado a cabo por Helmholtz, Young, y otros investigadores, a la aplicación de la mecánica a la sistemas biológicos.

Fuente: Ricardo Armentano, Fundación Favaloro, Buenos Aires, Argentina

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