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El Sistema Cardiovascular
El sistema cardiovascular está compuesto principalmente por “bombas” que empujan activamente la
sangre al sistema a través de los “tubos” que la distribuyen a todos los órganos y devuelven la sangre a
las “bombas” para ser reciclada. En los principios básicos, estas bombas y tubos pueden considerarse
iguales a su equivalente mecánico, sin embargo, en muchos aspectos son mucho más complejos. La
función de las bombas puede ser controlada por sus propiedades internas o por señales externas. Los
tubos (vasos sanguíneos) no son rígidos ni fijos, sino que son elásticos y tienen músculo con propiedades
variables que se controlan por hormonas y otras sustancias o por el sistema nervioso. Las bombas
también pueden verse afectadas por el funcionamiento de los vasos sanguíneos. Adicionalmente, los
“tubos” varían entre sí en tamaño, propiedades internas y funciones.
Si se quisiera modelar este sistema matemáticamente, se tendría muchas funciones no lineares, lo que
complica mucho los cálculos. Es por esto que se ha estudiado cada parte por separada, haciendo
simplificaciones importantes.
Anatomía General
El sistema cardiovascular consiste de dos sistemas de circulación que se conectan y se cruzan en el
corazón: el pulmonar y el sistémico. Este cruce se da por cuatro bombas separadas: las dos aurículas y
los dos ventrículos. El sistema pulmonar lleva la sangre del ventrículo derecho hacia el pulmón a través
de la arteria pulmonar. La sangre oxigenada luego de pasar por los pulmones vuelve a la aurícula
izquierda por la vena pulmonar. La circulación sistémica lleva la sangre a todos los órganos y tejidos de
cuerpo, con excepción de los pulmones. La sangre sale del ventrículo izquierdo por la aorta y luego
regresa a la aurícula derecha por las venas. La sangre que regresa al corazón necesita ser re-oxigenada
por los pulmones. Es por esto que se dice que la sangre es reciclada.
El corazón se compone de cuatro cámaras: la aurícula derecha y el ventrículo derecho, y la aurícula
izquierda y el ventrículo izquierdo. Cada una de estas cámaras tiene una válvula (válvula
auriculoventricular derecha e izquierda, válvula pulmonar y válvula aórtica) que se abre y se cierra
sincronizadamente para dejar pasar/salir la sangre, y cada una de las cámaras se relajan o contraen con
excelente sincronización para permitir el correcto movimiento de la sangre por el corazón y los vasos
sanguíneos.
Las cuatro cámaras están rodeadas de una saco de colágeno llamada pericardio. Este saco se distiende
únicamente una cantidad definida, evitando una sobre distención y subsecuente daño a las células
cardíacas. El pericardio también tiene una pequeña capa de líquido que lubrica las superficies de las
cámaras cardíacas al moverse, evitando roces dañinos.
La estructura básica del corazón son las células miocardiacas. Cada una de estas células mide 15 um de
diámetro y 125 um de longitud y contienen toda la estructura necesaria para el funcionamiento correcto
del corazón. Estas fibras son una masa heterogénea de miofilamentos que contienen una unidad
contráctil, el sarcómero, mitocondria para proveer energía para las contracciones, retículo
endoplasmático para almacenamiento y desprendimiento de calcio, canales en la membrana para
mantener las concentraciones de iones necesarias, receptores en la membrana para comunicar con
señales químicas, y discos intercalados que son permiten la conducción eléctrica entre células vecinas.
Estas células obedecen ciertas relaciones físicas como las siguientes:

Relación fuerza-longitud: el rango de acción de las células cardiacas es muy reducido, por lo que
el músculo cardiaco no puede ser extendido más allá de cierto punto. Este es un mecanismo de
defensa para prevenir daño irreversible. La relación fuerza-longitud es altamente dependiente
del calcio. Para altas concentraciones de calcio, la relación es lineal.

Relación fuerza-velocidad: hay una relación hiperbólica entre la fuerza y la velocidad. La
intercepción con el eje de velocidad representa la máxima velocidad de contracción cuando no
hay carga en el músculo.
El sistema vascular:
Los vasos sanguíneos tienen una gama grande de tamaños y están compuestos por proporciones
variadas de células endoteliales, elastina (permite la deformación y cambio de tamaño), músculo liso
(ajusta el diámetro activamente contrayendo o relajando) y otros tejidos conectivos (sobre todo
colágeno). Las diferentes estructuras y tamaños de cada parte del sistema vascular permiten a los vasos
sanguíneos hacer su función específica. En general, el sistema vascular se va ramificando y reduciendo el
tamaño de los vasos; para la distribución de sangre en el cuerpo se inicia en las arterias, siguen las
arteriolas, los pre capilares, los capilares y las vénulas.
Principales funciones de los vasos sanguíneos:
1. Conducción
Sirven como conductos para distribuir la sangre con sus nutrientes a donde es necesitada. Esta
función se logra a través de las ramificaciones. Es muy importante considerar que la conservación de
la masa se debe mantener en el sistema en equilibrio, por lo tanto, la cantidad de sangre que entra
al sistema debe ser igual a la cantidad de sangre que regresa al corazón. Si esto no sucede, significa
que hay acumulación de sangre en alguna parte del cuerpo. Como cada rama tiene un diámetro
considerablemente más pequeño que su “padre”, la resistencia al flujo de sangre se incrementa, y la
velocidad y presión del flujo de sangre disminuye.
2. Protección
El corazón late periódicamente produciendo un flujo intermitente en la entrada del sistema arterial.
Si los vasos principales fueran rígidos, la presión en la entrada sería extremadamente alta por lo que
prácticamente no habría flujo luego de cerrada la válvula aórtica, desconectando al corazón del
sistema arterial. Al ser los vasos elásticos, esto no ocurre, al contrario, cuando el corazón está
expulsando sangre a la aorta, la alta presión hace que la aorta se distienda. Entre mayor sea la
presión, más se distenderá el vaso sanguíneo. Una vez que la válvula aórtica se cierra, la energía
elástica almacenada en el vaso hace que este vuelva a su diámetro original. Como la válvula está
cerrada, la sangre únicamente puede moverse hacia abajo. Por lo tanto, los vasos sanguíneos
protegen de los cambios de presión y a la vez almacenan sangre temporalmente (funcionan como
un capacitor). Esta acción protectora resulta en alzas y bajas de la presión y el flujo en el ciclo
cardíaco.
3. Regulación de Flujo
Los esfínteres pre-capilares son bandas circunferenciales de músculo liso que están en los extremos
de las arteriolas y son los que permiten que los vasos puedan abrirse o cerrarse completamente.
Cuando un órgano necesita sangre, estos esfínteres se relajan y permiten que el vaso se extienda lo
más posible, permitiendo el máximo flujo de sangre. Una vez que reciben la señal que no se necesita
más sangre, se contraen, cerrando el paso de la sangre. Este control es muy rápido y preciso, y
ajusta minuto a minuto el flujo de sangre por las arteriolas.
Cómo se logra este control? Se logra a través de las señales de mecanosensores ubicados a lo largo
del sistema vascular que envía las señales a través del sistema nervioso.
Utilizando las propiedades que son medibles directamente en el sistema vascular, que son la presión, el
flujo y las propiedades geométricas es posible derivar parámetros que nos sirven para simular el sistema
matemáticamente. Dentro de estos parámetros derivables tenemos los siguientes:
Resistencia vascular: como la sangre fluye en respuesta a una gradiente de presión, bajo condiciones de
equilibrio, la relación entre presión y flujo es una relación igual a la propuesta por la Ley de Ohm para la
corriente como respuesta a una diferencia de voltaje:
R (RESISTENCIA) = P(PRESION)
Q(FLUJO)
Si consideramos el vaso sanguíneo como un cilindro, podemos usar las leyes de la mecánica de fluidos, y
por la Ley de Poiseuille’s tenemos que:
R = 8uL
πr4
donde u es la viscosidad de la sangre, L la longitud del vaso y r el radio. Es por esto que vemos que entre
menor sea el diámetro, mayor será la resistencia al flujo.
Velocidad de la onda: esta propiedad está relacionada a la rigidez del vaso sanguíneo, pero depende
también del tamaño, grosor de la pared y las propiedades de los fluidos que están dentro. Esta
propiedad tiene la particularidad que puede ser medida por métodos no invasivos, utilizando la
ecuación de Moens-Korteweg, que se basa en el módulo elástico (E), el grosor de la pared (h), el
diámetro (a) y la densidad del fluido (ρ), que nos dan c, la velocidad de la onda:
c = √(Eh/2 ρa)
Con estos y otros parámetros se han definido modelos para modelar el sistema vascular a base de
ecuaciones y equiparaciones con componentes mecánicos como resistencias, cámaras, y resortes. No
entraremos en detalles sobre estos modelos, pero es con base en ellos que se logran crear los
equipos/implantes/prótesis que pueden sustituir o reparar estos sistemas. El corazón también se ha
modelado como una esfera o un elipsoide, que nos dan aproximaciones muy buenas del funcionamiento
del corazón.
Actividad eléctrica del corazón
El entender la actividad eléctrica del corazón es importante para poder asociar el funcionamiento
mecánico (fácilmente observable y reconocible) con esta actividad eléctrica; además, una de las
herramientas de diagnóstico más usada en cardiología es el electrocardiograma (ECG), que mide la
manifestación externa de la actividad eléctrica del corazón. El ECG es muy usado por ser no invasivo y
permitir fácilmente estudiar el ritmo y la conducción del corazón y determinar cómo puede estar
afectado. Muchas condiciones o anomalías anatómicas cardiacas se manifiestan como anomalías en la
señal del ECG.
El potencial de acción cardiaco
Al igual que los potenciales de acción nerviosos, el potencial de acción cardiaco es mantenido por la
acción de los canales y bombas de iones (principalmente calcio, sodio y potasio) en las membranas. La
rápida despolarización (fase 0 del potencial de acción) se debe a un rápido incremento en la corriente de
sodio hacia dentro de la célula. Esta corriente cae rápidamente (se cierran los canales) e inicia una fase
de despolarización continua (fase 2) causada por la entrada de corrientes de calcio. Cuando las células
cardiacas están polarizadas, los canales de calcio se encuentran cerrados. Una vez que el potencial de la
membrana llega a aproximadamente -30 mV se genera una pequeña entrada de calcio que se mantiene
constante durante la fase 2 del potencial de acción (corriente de calcio lenta entrante); en este mismo
momento, la corriente de potasio se incrementa e inicia una competencia entre el calcio y el potasio;
esta competencia es la que determina la duración de la fase 2. El inicio de la fase 3, la repolarización, es
causado por un rápido incremento en la corriente de salida de potasio y un decrecimiento de la
corriente de calcio entrante.
Es importante mencionar que el potencial de acción cardiaco varía dependiendo de la región del
corazón. En algunas zonas del corazón (por ejemplo los nódulos AV, o el nódulo SA) los potenciales de
acción tienen una amplitud menos y tienen potenciales de equilibrio más altos (menos negativos) que
en otras regiones. Además, en estas regiones tenemos despolarizaciones espontáneas, causadas por las
corrientes de calcio lentas entrantes. Como estas zonas de despolarizan automáticamente, los
potenciales de acción de estas regiones se les conoce como potenciales marcapasos.
El ECG
La actividad eléctrica del corazón tiene patrones distintivos que corresponden a la zona del corazón que
se está despolarizando o repolarizando. Es por esto que podemos medir esta actividad con electrodos
ubicados en posiciones específicas. El signo (+ o -) de la señal depende de la dirección de los dipolos (2
electrodos), una curva positiva significa que el electrodo b es positivo con respecto al electrodo a. El
tamaño de la señal es proporcional a la masa del tejido que genera la señal e inversamente proporcional
a la distancia desde el tejido hasta el punto de detección de la señal. La señal también es afectada por la
dirección de la onda en relación con el punto de detección.
Los potenciales de acción cardiacos están muy bien sincronizados, pues hay un camino especializado
que conduce la señal eléctrica desde su origina en el nódulo SA al resto del corazón. Una vez que las
células del nódulo SA se despolarizan, el potencial de acción es conducido por tejido auricular al nódulo
auriculoventricular (AV). La señal luego es conducida por el haz de His (un tracto intraventricular que
tiene ramificaciones hacia los ventrículos derecho e izquierdo) hacia los ventrículos, despolarizando
todas las células ventriculares. La despolarización ventricular inicia en el endocardio y termina en el
epicardio.
De acuerdo al orden de conducción del potencial de acción, se puede relacionar con las ondas e
intervalos mostrados en un ECG como la despolarización y repolarización de las diferentes regiones del
corazón. La onda P manifiesta la despolarización auricular. El intervalo P-R se debe al retraso en la
conducción en el nódulo AV. El complejo QRS refleja de despolarización y la onda T representa la
repolarización del ventrículo izquierdo (porque su masa es mucho mayor a la del ventrículo derecho). La
primera parte del complejo QRS refleja la conducción por el haz de His.
Algunos aspectos importantes a considerar en un ECG son:
1. Como la grabación del ECG se hace lejos del corazón, lo que se está midiendo es un vector
resultante, cuya magnitud y dirección representan la actividad eléctrica de todo el corazón.
2. Dependiendo de la colocación de los electrodos en el cuerpo, se van a observar diferentes
patrones de ECG.
3. Los amplificadores usados con el ECG definen el potencial de equilibrio de la membrana en cero,
por lo que únicamente se observan los cambios positivos o negativos con respecto al potencial
de equilibrio.
4. La amplitud de la onda depende de la masa del tejido. Como el ventrículo izquierdo es la
estructura más grande, una vez que empieza a despolarizarse, el ECG va a reflejar prácticamente
sólo la actividad del éste.
Los ECG se graban utilizando posiciones definidas de los electrodos, llamadas derivaciones. Hay 3
derivaciones básicas, en las que los electrodos se colocan en las extremidades del paciente. Esta
colocación está basada en el triángulo de Einthoven, y estas tres señales se les conocen como
derivaciones bipolares I, II y III.
Estas derivaciones generan dipolos, y obtenemos diferencia de voltaje entre el electrodo de referencia y
el de medición. De acuerdo con este triángulo de Einthoven:
VI = VBI – VBD
VII = VPI – VBD
VIII = VPI – VBI
VII = VI + VIII
Donde, BI = brazo izquierdo, BD = brazo derecho y PI = pierna izquierda.
Actualmente se utilizan 12 derivaciones, con el afán de obtener la mayor cantidad de información
posible. A partir de las primeras tres derivaciones se obtiene un vector resultante (V) que se ubica en el
centro del pecho. Las otras 6 derivaciones vienen de las diferencias de potencial entre este vector V y
las derivaciones I, II y III (aVR, aVL y aVF) y 6 electrodos colocados en el pecho (V1, V2, V3, V4, V5, V6). La
señal medida con el ECG va a variar dependiendo de la derivación que se está utilizando, pues depende
de la conducción del potencial de acción con respecto a la posición de los electrodos, por lo que la señal
puede variar en signo, amplitud y forma de las ondas (cómo se relacionan cada una de estas señales con
la despolarización del corazón). Estas 6 derivaciones son unipolares, pues la señal resultante viene de un
único electrodo positivo que se referencia contra varios electrodos negativos.
COLOCACION DE LOS ELECTRODOS
DERIVACION
REFERENCIA (-)
MEDICION (+)
I
Brazo derecho
Brazo izquierdo
II
Brazo derecho
Pierna izquierda
III
Brazo izquierdo
Pierna izquierda
aVR
Brazo y pierna izquierdas
Brazo derecho
aVL
Brazo derecho y pierna izquierda
Brazo izquierdo
aVF
Brazo derecho y brazo izquierdo
Pierna izquierda
V1
Derivaciones de extremidades combinadas
4º espacio intercostal derecho, línea paraesternal derecha
V2
Derivaciones de extremidades combinadas
4º espacio intercostal izquierdo, línea paraesternal izquierda
V3
Derivaciones de extremidades combinadas
5º espacio intercostal izquierdo, línea paraesternal izquierda
V4
Derivaciones de extremidades combinadas
5º espacio intercostal izquierdo, línea medioclavicular
V5
Derivaciones de extremidades combinadas
5º espacio intercostal izquierdo, línea anterior axilar
V6
Derivaciones de extremidades combinadas
5º espacio intercostal izquierdo, línea axilar media
Funcionamiento mecánico del corazón
El proceso de despolarización genera un ciclo cardiaco recurrente compuesto por contracciones y
relajaciones auriculares y ventriculares. Este ciclo se divide en dos fases: el período de contracción
ventricular en la que la sangre es expulsada (sístole) y el período de relajación ventricular y llenado
(diástole). Tomando en cuenta un ritmo cardiaco normal de 72 latidos/minuto, cada ciclo dura
aproximadamente 0.8 segundos, 0.3 segundos en sístole y 0.5 segundos en diástole.
Tanto sístole como diástole pueden dividirse en dos períodos. Durante la primera parte de sístole, los
ventrículos se están contrayendo pero todas las válvulas están cerradas, por lo que no puede evacuarse
la sangre. Este período se conoce como contracción ventricular isovolumétrica, porque el volumen
ventricular es constante. Una vez que la presión en los ventrículos exceda la presión en las arterias, las
válvulas pulmonar y aórtica se abren, y ocurre el período de sístole llamado evacuación ventricular.
Durante la primera parte de diástole, los ventrículos comienzan a relajarse, pero las válvulas aórtica y
pulmonar están cerradas. Asimismo, las válvulas auriculoventriculares también están cerradas, por lo
que no hay flujo de sangre en los ventrículos. A este período se le llama relajación ventricular
isovolumétrica (volumen es constante en los ventrículos). Luego abren las válvulas AV, y ocurre el
período de diástole de llenado ventricular.
Es importante recalcar que la contracción auricular ocurre al final de diástole, luego de que el llenado
ventricular está casi terminado, por lo que el ventrículo recibe sangre a lo largo de diástole y no sólo al
contraerse la aurícula.
Referencias
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Hurst, J.W. y Logue, R.B. The Heart. McGraw-Hill Book Co., New York, 1970.
Widmaier, E., Raff, H. y Strang, K. Human Physiology, The Mechanisms of Body Function. McGraw-Hill,
New York, 2004.