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La hemodinámica estudia las relaciones entre los principios físicos que controlan la presión, el flujo, la resistencia y la distensibilidad del sistema cardiovascular.
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Presión hidrostática (la altura genera presión). El peso de una columna de fluido produce una fuerza sobre las paredes del recipiente que la contiene. La magnitud de la presión que genera un fluido viene determinada por la ley de Pascal:
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donde d es la densidad del fluido, g la constante gravitacional (9.8 ms−2) y h es la altura del fluido. Por tanto, en cualquier punto del organismo, la sangre genera una presión sobre las paredes de los vasos denominada presión hidrostática. En consecuencia, la presión de una persona en posición erecta será máxima en la extremidad inferior (puede alcanzar los 90 mmHg en los tobillos) y mínima en la cabeza, mientras que en una persona en decúbito las diferencias de presión hidrostática serán mínimas. En general, el componente hidrostático, aunque puede contribuir de manera significativa a la presión arterial en función de dónde se mida, suele ignorarse. Por convención, y con el fin de evitar variaciones en función de la presión hidrostática, toda medida de presión debe hacerse a la altura del corazón. La presión hidrostática afecta de manera especial al territorio venoso, dado que la presión debida al flujo o presión hidrodinámica es baja.
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Flujo lineal, laminar y turbulento. El flujo sanguíneo se define como la cantidad de fluido que pasa a través de un vaso o una determinada sección del sistema circulatorio en la unidad de tiempo. En un sistema ideal, un fluido podría moverse sin rozamiento a través de un conducto, sin que existan fuerzas de contacto entre el fluido y la pared del conducto. La velocidad del flujo sería igual en todas las partes del conducto, y se dice que el flujo es lineal. En la práctica, el flujo lineal no existe, puesto que cualquier fluido (y, por supuesto, la sangre) al moverse roza con la superficie de contacto (los vasos). El rozamiento será máximo con las moléculas del fluido (y las células sanguíneas) más próximas al vaso, e irá disminuyendo poco a poco en las capas más alejadas. Así, en un fluido que atraviesa un conducto se pueden distinguir capas o láminas concéntricas que se mueven a distinta velocidad paralelamente y siguiendo el eje longitudinal; las capas más próximas a la pared se mueven con más lentitud debido a su rozamiento con el endotelio y las más internas más rápido. A este tipo de flujo se le denomina laminar. La velocidad de flujo laminar es mayor en los grandes vasos que en los de pequeño calibre, ya que en éstos, las capas de líquido se encuentran muy próximas a la pared vascular.
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En ocasiones, el flujo sanguíneo puede no comportarse de forma laminar y la sangre fluye tanto transversal como longitudinalmente, formándose remolinos o turbulencias. Se dice entonces que el flujo es turbulento. La figura 39-2 representa un esquema de los tres tipos de flujo. La aparición de flujo turbulento depende de la geometría del vaso, aumentando con el diámetro (D), la curvatura y la presencia de obstrucciones, y aumenta al incrementarse la velocidad del flujo (v) y la densidad (d) de la sangre, mientras que disminuye al aumentar la viscosidad (η) de la sangre.
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La relación entre factores pro y antiturbulencia se llama número de Reynold (Re), que se expresa de la siguiente manera:
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En la práctica, el flujo es turbulento en la raíz de la aorta y en las ramificaciones de las grandes arterias o en presencia de obstrucciones (una placa de ateroma o la oclusión de una arteria en el proceso de medida de la presión arterial), también se facilita cuando el flujo aumenta, como en el ejercicio físico cuando el hematócrito disminuye (anemias graves). En todos los casos se producen ruidos que pueden llegar a oírse incluso sin estetoscopio. La turbulencia es normal en los ventrículos, donde ayuda a mezclar la sangre y producir un contenido de gas arterial uniforme; también puede ocurrir en la raíz de la aorta durante el pico de flujo sanguíneo, creando un murmullo de eyección sistólica inocente.
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Ley de Ohm. Concepto de resistencia (El flujo genera presión. Las diferencias de presión generan flujo). Las fuerzas de rozamiento entre la sangre y el vaso hacen que se genere una presión sobre la pared del vaso. Esta presión generada por el movimiento se denomina presión hidrodinámica (P), y depende del flujo sanguíneo (Q) y de la resistencia (R) que opone el vaso al paso de la sangre y viene definida por la ley de Ohm:
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Por tanto, la presión que soporta cualquier vaso depende de forma directamente proporcional del flujo que lo atraviesa (figura 39-3). El parámetro que establece la proporcionalidad entre presión y flujo es la resistencia, resultado de la fricción de la sangre con el vaso y de los componentes de la sangre entre sí.
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La ley de Ohm también puede expresarse de la siguiente manera:
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Por ello, el flujo sanguíneo es directamente proporcional a la diferencia o gradiente de presión entre los dos extremos de un vaso, e inversamente proporcional a las resistencias vasculares (R) que se oponen al desplazamiento de la sangre.
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De esta ecuación se puede extraer la conclusión fundamental de que si no existieran diferencias de presión en el sistema circulatorio, la sangre no se movería. Por tanto, el corazón ejerce dos funciones muy ligadas entre sí: generar un movimiento de la sangre (flujo) y establecer el gradiente de presiones entre las distintas secciones del sistema circulatorio. Por otro lado, dado que el flujo que entra en un conducto y el que sale del mismo debe mantenerse constante, la resistencia provoca una pérdida progresiva de la presión a lo largo del vaso.
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La conductancia es la medida del flujo sanguíneo que pasa a través de un conducto para una determinada diferencia de presiones, es decir, es la inversa de la resistencia (conductancia = 1/Resistencia).
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Cuando un líquido se desplaza por un tubo siguiendo un flujo laminar, la resistencia al paso de flujo depende de las características tanto del fluido como del vaso, y vienen determinadas por la ecuación de Poiseuille-Hagen:
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donde L y r son, respectivamente, la longitud y el radio del conducto, y η es la viscosidad de la sangre que puede definirse como la resistencia al movimiento de las moléculas de un fluido respecto a las moléculas vecinas.
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La resistencia del sistema circulatorio en conjunto, y de los distintos lechos vasculares en particular, no siempre es constante y puede variar en función de las necesidades del organismo. La longitud de los vasos sanguíneos es constante. La viscosidad sanguínea (1.9 veces mayor que la del plasma y 3 a 4 veces mayor que la del agua) depende de su contenido celular y en lo fundamental, por su mayor número, del porcentaje de hematíes (hematócrito), los cuales producen una fricción continua entre sí y con las paredes del vaso. En la figura 39-4 se puede observar cómo la variación del hematócrito modifica de manera considerable la viscosidad sanguínea. Sin embargo, los valores del hematócrito se mantienen en unos niveles relativamente estables para cada individuo. Por tanto, toda variación de resistencia de un vaso, de un lecho vascular o del sistema circulatorio en su conjunto se debe a cambios en el diámetro vascular. Dado que la resistencia depende inversamente de la cuarta potencia del radio vascular, por lo que pequeñas variaciones en el radio producen grandes cambios en la resistencia vascular. Así, si durante el ejercicio físico el radio vascular aumenta al doble de su valor inicial, las resistencias vasculares disminuyen 16 veces (24 = 16) y, si la presión se mantiene constante, el flujo aumenta también 16 veces.
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Sin embargo, la ecuación de Poiseuille-Hagen es válida sólo para tubos no ramificados con sección circular, cuando el flujo de la sangre es laminar y el fluido homogéneo. Éstas no son las condiciones del sistema circulatorio, donde los vasos se ramifican, los flujos son discontinuos o incluso turbulentos, y la sangre no es un fluido homogéneo. Todos estos factores aumentan en mayor o menor medida la resistencia al flujo. Así, cuando el flujo es turbulento, la resistencia es mucho mayor porque los remolinos aumentan en gran medida la fricción entre la sangre y el vaso.
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Otra excepción a la ecuación de Poiseuille-Hagen ocurre en los vasos de la microcirculación con un calibre inferior a 1.5 μm. En ellos, los eritrocitos tienden a agruparse en el centro de la luz del vaso y lo atraviesan rodeados de una cubierta de plasma que actúa como capa deslizante que disminuye la resistencia al flujo. Este fenómeno (conocido como efecto Fahraeus-Lindquist), que aumenta con la reducción del diámetro vascular, disminuye la viscosidad sanguínea en la microcirculación hasta casi la mitad de los valores existentes en los grandes vasos. Sin embargo, la viscosidad sanguínea aumenta según disminuye la velocidad de flujo, y dado que, como veremos más adelante, en la microcirculación se produce una marcada disminución de la misma, es posible que en ésta la viscosidad sanguínea aumente de manera significativa. En consecuencia, en la microcirculación aparecen efectos adicionales sobre la viscosidad sanguínea que se contrarrestan, por lo que la viscosidad sanguínea en la microcirculación se considera similar a la que existe en los grandes vasos.
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Unidades de resistencia
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La unidad de resistencia más empleada es la PRU (peripheral resistance unit), es la resistencia que produce una caída de 1 mmHg cuando el flujo es de 1 mL/min. También es frecuente la utilización de la unidad internacional kPa L−1 min o en el sistema cegesimal: dinas s−1 cm−5.
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Resistencias en serie y resistencias en paralelo
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El sistema circulatorio está formado por múltiples tubos ramificados. Las fuentes de resistencia en la circulación se disponen en circuitos en serie y en paralelo. Cuando dos conductos de distinta resistencia se conectan entre sí en serie (uno detrás del otro), la resistencia total del sistema es la suma de sus resistencias individuales (R1 y R2).
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Así, la resistencia total del sistema es el resultado de la suma de la resistencia de cada sección:
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Por otro lado, la presencia de ramificaciones en el sistema circulatorio determina un sistema en paralelo. La resistencia conjunta de este sistema viene determinada por la ecuación:
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Es decir, la resistencia de un sistema en paralelo no se corresponde con la suma de las resistencias individuales, sino más bien al contrario: cuanto mayor sea el número de vasos conectados en paralelo, menor será la resistencia del conjunto.
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Así, la inversa de la resistencia total (Rt) del sistema es el resultado de la suma de las inversas de las resistencias de todos los órganos y tejidos:
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La complejidad del sistema circulatorio hace que ni la resistencia del sistema en conjunto ni de un determinado lecho vascular se pueda determinar mediante la suma en serie y en paralelo de las resistencias de todos los conductos calculadas a partir de la ecuación de Poiseuille-Hagen. En la práctica, la resistencia se calcula mediante la ley de Ohm, conociendo el flujo y la diferencia de presiones a la entrada y salida de un circuito.
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Distensibilidad vascular (el sistema no es rígido). Hasta el momento se ha considerado que los vasos sanguíneos eran estructuras rígidas. Sin embargo, los vasos sanguíneos son estructuras flexibles y elásticas en mayor o menor medida y, modifican su diámetro en respuesta a los cambios que la presión sanguínea ejerce sobre ellos. A esta propiedad se le llama distensibilidad vascular, es decir, que un aumento de presión conduce a un aumento del diámetro y en consecuencia una disminución de la resistencia del vaso y viceversa. Por tanto, aunque la ley de Ohm sigue siendo válida, la situación es más compleja porque la resistencia de un sistema elástico no es constante, sino que varía en función de la presión. En la figura 39-3 se observa cómo en un tubo rígido, dado que la resistencia es constante, la relación entre presión y flujo es lineal. Sin embargo, en un tubo elástico el aumento de presión se corresponde con un aumento de flujo superior al que cabría esperar. La distensibilidad disminuye conforme disminuye el diámetro arterial, ya que el espesor de la pared aumenta en relación con el diámetro interno. La distensibilidad es 6 a 10 veces mayor en las venas que en arterias, y es mayor en las arterias pulmonares que en las sistémicas (tanto venas como arterias pulmonares presentan menor espesor de pared que las correspondientes arterias sistémicas). La distensibilidad vascular se expresa según la siguiente fórmula:
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Tono vascular (el sistema no es pasivo). En la sección precedente se ha añadido una variante a la ley de Ohm, la elasticidad de los vasos. En este apartado se considera que los vasos, además de ser elásticos, no son conductos pasivos. Los vasos arteriales, y en menor medida los venosos, contienen fibras de músculo liso. La contracción de la musculatura lisa vascular disminuye el diámetro vascular y la relajación tiene efectos opuestos. Por tanto, el tono de la musculatura lisa vascular produce cambios muy importantes en la resistencia (recuerde la dependencia de la resistencia con la cuarta potencia del radio vascular). Gracias a estos cambios de diámetro vascular, cada tejido u órgano puede regular su flujo sanguíneo en función de sus necesidades de cada momento. Las variaciones de la resistencia permiten que un lecho vascular pueda mantener niveles de flujo relativamente constantes incluso con variaciones grandes en la presión, “saltándose” la ley de Ohm, un fenómeno conocido como autorregulación y que se estudia en el siguiente capítulo.
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Presiones externas. En algunos territorios especiales, el diámetro vascular y, por tanto, su resistencia y flujo sanguíneos, se pueden ver muy influidos por presiones externas al vaso. Así, en la musculatura esquelética o en el miocardio, la contracción del tejido circundante ejerce una presión sobre el vaso que reduce su diámetro e incluso puede llegar a ocluirlo totalmente. De hecho, los vasos coronarios subendocárdicos sólo permiten el flujo durante la diástole (véase el capítulo de Circulación coronaria). De la misma manera, en los pulmones los vasos alveolares disminuyen su calibre cuando se insufla el pulmón (véase el capítulo de Circulación pulmonar). Por otro lado, la contracción muscular rítmica puede favorecer la circulación actuando como una segunda bomba circulatoria, que es muy importante para facilitar el retorno venoso en las extremidades inferiores (véase el capítulo 42).
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Área transversal y velocidad de flujo. El agua que lleva un río aumenta su velocidad cuando el río se estrecha, aunque la cantidad de agua que pasa por minuto sea igual en cualquiera de sus tramos. De manera análoga, aunque el flujo sea constante en las distintas secciones del sistema circulatorio, la velocidad de flujo varía inversamente con el área transversal de la sección. El área transversal aumenta coincidiendo con el aumento del número de ramificaciones según se muestra en la figura 39-5 y el cuadro 39-1. La velocidad de flujo en la aorta es de casi 33 cm/s, mientras que se va haciendo progresivamente más lenta a medida que disminuye la luz vascular hasta alcanzar los 0.3 cm/s en los capilares. Por tanto, es importante distinguir el concepto de flujo (volumen de fluido por unidad de tiempo) y que es constante en todas las secciones del sistema, del de velocidad de flujo (espacio recorrido por unidad de tiempo).
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Onda de pulso (el flujo no es continuo). Hasta el momento se había considerado que el flujo sanguíneo era continuo y la presión arterial constante. Sin embargo, el corazón actúa de forma pulsátil, expulsa la sangre sólo durante la fase de sístole ventricular, y con cada latido se produce una nueva oleada de sangre que dilata la aorta. Después de la fase de eyección, la pared arterial distendida se contrae elásticamente y la presión disminuye a medida que la sangre se desplaza hacia las arterias periféricas. En consecuencia, la presión arterial no es constante, sino que varía en función del ciclo cardíaco. Esta variación de presión arterial durante el ciclo cardíaco se conoce como onda de presión u onda de pulso arterial. La incisura (caída rápida seguida de ascenso) que se puede observar en la onda de pulso se debe al cierre de la válvula aórtica (figura 39-6). Después de la sístole, la presión es superior en la aorta que en el ventrículo, por lo que la sangre tiende a retornar hacia éste, favoreciendo el cierre de la válvula aórtica; el choque de la sangre con la válvula hace que aumente de nuevo la presión y se produzca la incisura. A partir de la aorta abdominal, la caída rápida de la presión diastólica se continúa con una segunda onda ascendente, que es consecuencia de que la onda de pulso anterior se transmite de forma retrógrada. La morfología de la onda de pulso se determina por dos factores: el volumen de eyección del corazón y la distensibilidad de las arterias. Cuanto mayor sea el volumen de sangre expulsado en cada latido y menor la distensibilidad de las arterias, mayor será el incremento de presión en la onda de pulso. Es importante destacar que la onda de pulso se transmite por el árbol vascular a mayor velocidad que la velocidad de la sangre. Es decir, que la onda de pulso llega a una arteria distal antes de que llegue la sangre correspondiente a ese latido.
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Capacitancia vascular. La capacitancia vascular se define como la capacidad o volumen de sangre que se puede aumentar en un vaso o un territorio vascular en función de un cambio de presión, es decir, de la fracción de la volemia que puede albergar.
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La capacitancia vascular depende del volumen del vaso y de la distensibilidad vascular según la ecuación:
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La capacitancia da una idea del volumen global de sangre que se acumula en un determinado territorio.