Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación

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(1),. TECNOLOGICO DE MONTERREY® \. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey - Campus Ciudad de México División de Ingeniería y Arquitectura Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Monitoreo y control de signos vitales de - un pulmón para su conservación Autores:. Asesor(es):. / José M. Cortina González 'Edwin O. Sánchez Chiñas , Daniel Zetina Reyes. Dr. Jorge Eduardo Brieva Rico Dr. Pedro Ponce Cruz lng. José Juan Rosas Romero. México D.F. a 2 de diciembre de 2005.

(2) ,. Indice 1. Problemática ...............................................................................................................4. 2. Estado del Arte ............................................................................................................5 2.1. Antecedentes ...................................................................................................... 5. 2.2. Fisiología Pulmonar ............................................................................................ 7. 2.2.1. Funciones del sistema respiratorio .................................................................. 7. 2.2.2. Estructura del sistema respiratorio .................................................................. 7. 2.2.3. Mecánica de la Respiración .......................................................................... 1O. 2.2.4. Relación presión-volumen en el sistema respiratorio ..................................... 12. 2.2.5. Resistencia de las vías aéreas ...................................................................... 13. 2.2.6. Trabajo Respiratorio ...................................................................................... 13. 2.2.7. Anatomía Funcional de la circulación pulmonar ............................................ 15. 2.2.8. Edema Pulmonar .......................................................................................... 18. 2.2.9. Relación ventilación-perfusión e hipoxia ........................................................ 18. 2.3. Coeficiente de Filtrado Capilar .......................................................................... 20. 2.3.1. Método de Guyton y Lindsey ......................................................................... 20. 2.3.2. Método de Starling ........................................................................................ 23. 2.4. Estrategias actuales en preservación pulmonar ................................................ 26. 2.4.1. Mecanismos de daño pulmonar .................................................................... 26. 2.4.2. Consideraciones en preservación pulmonar .................................................. 27. 2.4.3. Mejoras ......................................................................................................... 32. 3. Objetivos ...................................................................................................................33. 4. Sistema propuesto .................................................................................................... 34. 5. Desarrollo ..................................................................................................................38 5.1. Instalación del sistema ...................................................................................... 38. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 1.

(3) 5.2. Caracterización de la tarjeta de adquisición de datos ........................................ 38. 5.3. Calibración y caracterización de transductores ................................................. 39. 5.3.1. Transductor y amplificador para la determinación del peso ........................... 39. 5.3.2. Transductor y amplificador para la determinación de flujo ............................. 39. 5.3.3. Transductor y amplificador para la determinación de presión ........................ 39. 5.4. Adquisición de datos por medio de la tarjeta DT302 ........................................ .40. 5.5 Desarrollo de un programa general que despliegue en tiempo real las variables de interés y al mismo tiempo permitir el cálculo de otras variables ............................... 40 5.6. Montaje de aislador de órganos ........................................................................ 41. 5. 7. Sistema de control sincronizado ........................................................................ 42. 5. 7.1. Creación de tarjetas separadas de circuito impreso ...................................... 42. 5. 7.2. Pruebas del sistema de control junto al pulmón artificial. .............................. 45. 5.8. Calibración del ventilador Servo 900 ................................................................. 45. 5.9. Manejo del pulmón artificial. .............................................................................. 46. 5.9.1. Caracterización de voltajes de un pulmón sano ............................................ 46. 5.9.2. Monitoreo de variables en diferentes características pulmonares ................. .46. 5.1 O. Despliegue del valor de PH en pantalla LCD ..................................................... 47. 5.10.1 5.11. Control de PH por medio de lógica difusa ......................................................... 47. 5.11.1 6. Programa para el despliegue del valor de PH en el LCD .......................... .47. Sistema de control de PH en Matlab ........................................................ .47. Resultados ................................................................................................................ 51 6.1. Gráficas en Dasy-LAB ....................................................................................... 51. 6.2. Resultados tarjeta de control ............................................................................. 53. 6.3. Resultados de lógica difusa .............................................................................. 55. 7. Trabajo Futuro ........................................................................................................... 57. 8. Conclusiones ......................................................................................... .................... 58. 9. Bibliografía ................................................................................................................ 59. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 2.

(4) 10 10.1. Apéndice ............................................................................................................... 61 Sección 1 .......................................................................................................... 61. .. •• •. • • 4. ...e. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 3.

(5) Capítulo 1 Problemática. 1 Problemática. Los pulmones sobreviven aproximadamente 30 minutos fuera de un cuerpo humano, a partir de la primera incisión realizada sobre éste. Esta situación es una limitación importante cuando se transplanta un pulmón de una persona a otra. En ocasiones es necesario mantener el pulmón fuera del donador en condiciones óptimas por más tiempo, debido a que el receptor del órgano no siempre está en el mismo lugar que el donador y además se tiene que preparar al paciente receptor para poder recibir el órgano. El transplante pulmonar presenta dos grandes limitaciones: la escasez de donadores y la falta de un método adecuado que permita la preservación de los pulmones por periodos prolongados sin dañar su funcionalidad. Numerosos estudios han demostrado que los métodos de preservación adecuados para los llamados órganos sólidos no funcionan en la preservación pulmonar. Debido a que el pulmón es el órgano encargado del intercambio gaseoso, ésta función ha retrasado y limitado el desarrollo de la metodología de preservación adecuada, pues el más ligero daño isquémico repercute en un mal funcionamiento. Los estudios sobre el daño pulmonar se efectúan en un órgano aislado y perfundido. Es importante desarrollar un modelo que permita determinar el daño que ha sufrido el pulmón y de esta manera, evaluar la viabilidad de efectuar un transplante.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 4.

(6) Capítulo 2 Estado del Arte. 2 Estado del Arte. 2.1. Antecedentes. Los transplantes llegaron a la medicina gracias a los trabajos de Alexis Carrel a principios del siglo pasado, trabajos que le valieron el Premio Nobel de medicina en 1912. Estos trabajos constituyen el antecedente inicial del transplante pulmonar. Él y Guthrie, como parte de sus experimentos en cirugía vascular, realizaron un transplante heterotípico describiendo que "los pulmones se edematizaron al poco tiempo". Cuarenta años después, Demikhov [Dem62], un fisiólogo ruso, realizo homoinjertos de lóbulos pulmonares en perros en 1947. Sin embargo, la cortina de hierro retrasó la divulgación de sus resultados por más de 15 años. Poco tiempo después, el francés Metras mostró mucha visión al modificar la técnica de transplante pulmonar incluyendo el uso de un rodete de aurícula derecha para la anastomosis de las venas pulmonares, así como la procuración y anastomosis de la arteria bronquial, preservando la preservación sistemática a la vía aérea de los perros. Los primeros intentos de transplante de pulmón se realizaron con un mínimo tiempo de isquemia y poca atención en preservación prolongada. Estudios preliminares en perros han revelado que el grado de daño pulmonar era dependiente de la duración de la isquemia. Específicamente, hay poca tolerancia después de 90 minutos. En los primeros transplantes en pacientes, los pulmones fueron implantados inmediatamente para minimizar el daño isquémico. No fue hasta que el primer transplante exitoso se realizó que el tema de la preservación fue considerado. El uso de perfusión arterial pulmonar se reportó por primera vez en 1966 y varias soluciones fueron desarrolladas en un intento por optimizar la preservación, usualmente combinada con enfriamiento. El tiempo de isquemia del injerto aceptado está clínicamente limitado entre 4 y 6 horas, aunque ha sido extendido hasta 8 horas. Los intentos para mejorar la preservación incluyen enfriamiento del órgano, aditivos a la perfusión, variar los grados de ventilación y oxigenación y la reducción del tiempo de isquemia.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 5.

(7) Capítulo 2 Estado del Arte. Staudacher, Bellinazzo y Pulin, fueron quienes realizaron el primer transplante pulmonar humano, el 11 de junio de 1963 en la Universidad de Mississippi. Las condiciones del receptor y del donador no eran las ideales. Sin embargo, el transplante se efectúo y a pesar de muchas dificultades técnicas, el paciente sobrevivió 18 días. Posteriormente la Universidad de Toronto desarrolló un programa experimental en el que se analizó el efecto de diferentes inmunosupresores sobre la cicatrización bronquial y se exploró la utilidad de la revascularización de la anastomosis bronquial. Gracias a los hallazgos en sus estudios experimentales, el grupo de Toronto regresó a la actividad clínica, realizando el primer transplante pulmonar exitoso el 7 de noviembre de 1983. El paciente inicial sobrevivió más de 6 años, marcando así la entrada del pulmón a la era moderna de los transplantes. En México, la primera vez que se logró realizar un transplante pulmonar fue el 24 de enero de 1989, cuando un paciente con fibrosis pulmonar se sometió a un transplante unilateral izquierdo en el Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 6.

(8) Capítulo 2 Estado del Arte. 2.2. Fisiología Pulmonar. Las principales funciones del sistema respiratorio son obtener oxígeno del ambiente externo para proporcionarlo a las células y eliminar del organismo el bióxido de carbono producido por el metabolismo celular. El sistema respiratorio está formado por los pulmones, las vías aéreas de conducción, las partes del sistema nervioso central relacionadas con el control de los músculos respiratorios y la pared torácica. La pared torácica de los músculos respiratorios, como el diafragma, y los músculos intercostales, así como de la caja torácica.. 2.2.1. Funciones del sistema respiratorio. Las funciones del sistema respiratorio comprenden el intercambio gaseoso, el equilibrio ácido-básico, la fonación, la defensa pulmonar, su metabolismo y el manejo de los materiales bioactivos. Aunque para esta investigación solo nos enfocaremos en los dos primeros. Intercambio gaseoso. El intercambio de bióxido de carbono por oxígeno se efectúa en los pulmones. El aire fresco que contiene oxígeno es inspirado hacia los pulmones a través de las vías aéreas de conducción por fuerzas generadas por los músculos respiratorios que actúan al recibir órdenes iniciadas en el sistema nervioso central. Al mismo tiempo, la sangre venosa mezclada de los diversos tejidos corporales es bombeada hacia los pulmones por medio del ventrículo derecho del corazón. En los capilares pulmonares, el bióxido de carbono se intercambia por oxígeno y la sangre sale de los pulmones, ahora con un alto contenido de oxígeno y con un contenido relativamente bajo de bióxido de carbono, se distribuye en los tejidos corporales por medio del lado izquierdo del corazón. Durante la espiración, el gas que contiene un gran contenido de bióxido de carbono es expelido del cuerpo. Equilibrio ácido-básico. El aumento de bióxido de carbono en el organismo conduce al aumento de la concentración de iones hidrógeno debido a la siguiente reacción:. De este modo, el sistema respiratorio puede participar en el equilibrio ácido-básico eliminando el C02 del cuerpo. El sistema nervioso central tiene sensores para los niveles de C0 2 en la sangre arterial y en el líquido cefalorraquídeo, los cuales envían información a los controladores de la respiración.. 2.2.2. Estructura del sistema respiratorio. El aire entra al sistema respiratorio a través de la nariz o la boca. El aire que entra por la nariz es filtrado, calentado a la temperatura corporal y humedecido a medida que pasa por la nariz y los cornetes nasales. El aire respirado a través de la nariz entra en las vías aéreas de conducción a través de la nasofaringe y el respirado por la boca por la orofaringe. Luego pasa por la glotis y la laringe y entra al árbol traqueo bronquial. Después de pasar por las vías aéreas de conducción, el aire inspirado entra en los Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 7.

(9) Capítulo 2 Estado del Arte alvéolos donde se pone en contacto íntimo con la sangre venosa mezclada de los capilares pulmonares.. Unidad alvéolo-capilar La unidad alvéolo capilar es el sitio de intercambio gaseoso del pulmón. Los alvéolos, cuyo número se calcula en aproximadamente 300 millones, están casi completamente envueltos en los capilares pulmonares. Puede haber hasta 280 mil millones de capilares pulmonares o casi 100 capilares pulmonares por alvéolo.. Superficie alveolar Esta está principalmente formada por una capa simple de células epiteliales escamosas, las células alveolares tipo l. intercaladas entre éstas se encuentran las células alveolares tipo 11, más grandes y cuboides, las cuales producen la capa una capa líquida que recubre a los alvéolos. Un tercer tipo de células, los macrófagos alveolares fagotitos libres, se encuentran en cantidades variables en el recubrimiento extracelular de la superficie alveolar. Estas células protegen la superficie alveolar y fagocitan las partículas inspiradas como las bacterias.. Endotelio capilar. Los capilares consisten en una capa simple de células epiteliales escamosas que se alinean para formar tubos, y esto es a lo que llamamos endotelio capilar.. Vías Aéreas Después de pasar a través de la nariz o la boca, la faringe y la laringe (vías aéreas superiores), el aire entra al árbol traqueo bronquial. Empezando con la tráquea, el aire puede pasar a través de solo 1O o hasta 23 generaciones (o ramificaciones) en su paso hasta los alvéolos. Las primeras 16 generaciones de las vías aéreas, la zona de conducción, no contiene alvéolos y por lo tanto, son anatómicamente incapaces de realizar intercambio gaseoso con la sangre venosa. Constituyen el espacio muerto anatómico. Los alvéolos empiezan a aparecer entre la décimo séptima y décimo novena generaciones, en los bronquiolos respiratorios, que constituyen la zona de transición. De la vigésima a la vigésimo segunda generaciones están recubiertas de alvéolos. Estos conductos alveolares y los sacos alveolares, que terminan el árbol traqueo bronquial, constituyen lo que se conoce como zona respiratoria.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 8.

(10) Capítulo 2 Estado del Arte. Figura 1 [Lev87] Representación esquemática de la ramificación de las vías aéreas. Estructura de las vías aéreas. La estructura de las vías aéreas varía en forma considerable, dependiendo de su localización en el árbol traqueo bronquial. La tráquea es un tubo fibromuscular sostenido ventralmente por cartílago en forma de C y completado dorsalmente por músculo liso. El cartílago de los bronquios grandes es semicircular, como el de la tráquea, pero a medida que los bronquios penetran en el pulmón, los cartílagos cartilaginosos desaparecen y son reemplazados por placas cartilaginosas de forma irregular. Rodean completamente los bronquios y dan a los bronquios intrapulmonares su forma cilíndrica. Estas placas, que ayudan a sostener las vías aéreas grandes, disminuyen progresivamente en las vías distales y desparecen en las vías aéreas de aproximadamente 1 mm. de diámetro. Por definición, las vías aéreas sin cartílago de denominan bronquiolos. Como los bronquiolos y los conductos alveolares no contienen apoyo cartilaginoso, están expuestos al colapso cuando se comprimen. Esta tendencia se contrarresta parcialmente por los tabiques alveolares, que contienen tejido elástico en sus paredes. A medida que las placas cartilaginosas se distribuyen irregularmente alrededor de las vías aéreas distales, la capa muscular rodea por completo estas vías aéreas. La capa muscular está entremezclada con fibras elásticas. A medida que los bronquiolos proceden hacia los alvéolos, la capa muscular se va adelgazando, si bien aún puede encontrarse músculo liso en las paredes de los conductos alveolares. La capa más externa de la pared bronquial está rodeada por tejido conectivo denso con muchas fibras elásticas. Las vías aéreas están recubiertas con ciertas sustancias y tejido que impiden el paso de algunas sustancias y partículas dañinas al cuerpo, sin embargo, no se va a profundizar en este tema.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 9.

(11) Capítulo 2 Estado del Arte. Músculos respiratorios y pared torácica.. Estos como elementos fundamentales del sistema respiratorio. Los pulmones no son capaces de inflarse por sí mismos, la misma fuerza para esto proviene de los músculos respiratorios. La pared torácica debe estar intacta y ser capaz de expandirse si va a entrar el aire a los alvéolos. La pared torácica comprende la caja torácica, los músculos intercostales internos y externos y el diafragma, que son los principales músculos de la respiración, y el recubrimiento de la pared torácica, la pleura visceral y parietal. Otros músculos respiratorios comprenden los músculos abdominales, incluyendo el recto abdominal, los músculos ínter cartilaginosos paraesternales y los músculos accesorios de la inspiración, el esternocleidomastoideo y el escaleno. Hay que recordar que todo el funcionamiento del sistema respiratorio depende de las señales enviadas por el sistema nerviosos central, es decir, es independiente de este, a diferencia de lo que hace el corazón al bombear la sangre al cuerpo. Sin embargo, estas funciones nerviosas no serán tratadas a profundidad en la presente investigación.. 2.2.3. Mecánica de la Respiración. El aire, al igual que otros fluidos, se mueve de una región de mayor presión a una de menor presión. Por lo tanto, para que el aire se mueva al interior y el exterior de los pulmones debe establecerse una diferencia de presión entre ka atmósfera y los alvéolos. Si no hay un gradiente de presión, no ocurrirá el flujo aéreo. En condiciones normales, la inspiración ocurre cuando la presión alveolar cae por debajo de la presión atmosférica. La presión atmosférica la consideraremos por convención como O cmH 20, la reducción de la presión alveolar por debajo de la presión atmosférica se conoce como respiración a presión negativa. Tan pronto como se establece un gradiente de presión suficiente para vencer la resistencia al flujo aéreo que ofrecen las vías aéreas de conducción entre la atmósfera y los alvéolos, el aire fluye hacia los pulmones. El aire fluye hacia fuera cuando la presión alveolar es lo suficientemente mayor que las presión atmosférica para vencer la resistencia al flujo aéreo que ofrecen las vías aéreas de conducción. Generación de un gradiente de presión entre la atmósfera y los alvéolos. Durante la respiración normal a presión negativa, la presión alveolar se vuelve menor que la de la atmósfera. Esto ocurre porque los músculos de la inspiración se contraen, con lo cuál aumenta el volumen de la cavidad torácica, disminuyendo la presión intrapleural y expandiéndose los alvéolos. Expansión pasiva de los alvéolos.. Los alvéolos no son capaces de expandirse por sí mismos. Se expanden pasivamente como respuesta a un aumento en la presión de distensión a través de la pared alveolar. Este aumento del gradiente de presión transmural generado por los músculos inspiratorios, abre los alvéolos altamente distensibles y por tanto, disminuye la presión alveolar. El gradiente de presión transmural se calcula por convención restando la presión externa (en este caso, la presión intrapleural) a la presión interna (la presión alveolar en este caso).. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 10.

(12) Capítulo 2 Estado del Arte Presión intrapleural negativa.. La presión en el espacio pleural (membrana) externo del pulmón es normalmente subatmosférica, aunque no haya músculos inspiratorios en contracción. Esta presión intrapleural negativa de -3 a -5 cmH20, es causada principalmente por la interacción mecánica entre el pulmón y la pared torácica. Al final de la espiración, cuando todos los músculos respiratorios están relajados, el pulmón y la pared torácica están actuando uno sobre el otro en direcciones opuestas. El pulmón tiende a reducir su volumen debido a la contracción elástica (retracción hacia adentro) de las paredes alveolares distendidas, y la pared torácica tiende a aumentar su volumen debido a la expansión elástica. De este modo, la pared torácica está actuando para mantener abiertos los alvéolos en oposición a contracción elástica. De manera similar el pulmón está actuando gracias a su contracción elástica, para mantener la pared torácica en una posición adecuada. En un principio, antes de que ocurra el flujo aéreo, la presión dentro de los alvéolos es la misma que la presión atmosférica, por convención O cmH 20. Los músculos de la inspiración actúan para aumentar el volumen de la cavidad torácica. A medida que los músculos inspiratorios se contraen, expandiendo el volumen torácico y aumentando la tensión hacia fuera del pulmón, la presión intrapleural se hace más negativa. Por lo tanto, el gradiente de presión transmural que tiende a distender la pared alveolar aumenta, y los alvéolos se alargan pasivamente, reduciendo la presión alveolar y estableciendo el gradiente de presión para el flujo aéreo hacia el pulmón. Músculos de la respiración. Músculos inspiratorios. Estos comprenden el diafragma, los intercostales externos y los músculos accesorios de la inspiración. El diafragma es un músculo grande en forma de cúpula que separa el tórax de la cavidad abdominal. Es una parte integral de la pared torácica y siempre debe de tomarse en cuenta para el análisis de la mecánica de la pared torácica. Es el principal músculo de la inspiración y regula aproximadamente dos terceras parte del aire que entra en los pulmones durante la respiración normal, tranquila (denominada eupnea). Los músculos intercostales externos se estimulan y se contraen para elevar y alargar la caja torácica. Esta acción aumenta el diámetro anteroposterior del tórax a medida que las costillas se elevan sobre su propio eje y también aumenta el diámetro transverso de la parte inferior del tórax. Músculos espiratorios. La espiración es pasiva durante la respiración tranquila normal y ningún músculo respiratorio se contrae. A medida que los músculos inspiratorios se relajan, el retroceso elástico aumentado de los alvéolos distendidos es suficiente para disminuir el volumen alveolar y elevar la presión alveolar por encima de la atmosférica. Ahora se ha establecido el gradiente de presión para que el aire salga del pulmón. Los músculos espiratorios son los músculos de la pared abdominal, que comprenden el recto abdominal, los músculos oblicuos externos e internos, el transverso del abdomen y los músculos intercostales internos. La contracción de los músculos intercostales internos deprime la caja torácica hacia debajo de una manera opuesta a las acciones de los intercostales externos.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 11.

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(14) Capítulo 2 Estado del Arte. 2.2.5. Resistencia de las vías aéreas. Es necesario vencer varios factores aparte de la contracción elástica de los pulmones y la pared torácica para hacer circular aire dentro y fuera de los pulmones. Estos factores comprenden la inercia del sistema respiratorio, la resistencia de fricción del pulmón y el tejido de la pared torácica y la resistencia de fricción de las vías aéreas al flujo de aire. Tanto la inercia del sistema como la resistencia pulmón-pared torácica son poco significativas. La resistencia del tejido pulmonar es producida por la fricción que se encuentra a medida que los tejidos pulmonares se mueven contra si mismos cuando el pulmón se expande. La resistencia de las vías aéreas de conducción más la resistencia del tejido pulmonar se llama resistencia pulmonar. La resistencia del tejido pulmonar puede normalmente aporta el 20% de la resistencia pulmonar, siendo la resistencia de las vías aéreas el otro 80%. En condiciones normales, la mayor resistencia al flujo aéreo se localiza en los bronquios de mediano calibre. La resistencia es mayor cuando se respira por la boca. Y es muy importante señalar que la resistencia de las vías aéreas disminuye con el aumento de volumen pulmonar. Esta resistencia es extremadamente alta con volúmenes pulmonares bajos. 2.2.6. Trabajo Respiratorio. El trabajo realizado en la respiración es proporcional al cambio de presión por el cambio de volumen. El cambio de volumen es el volumen de aire que circula dentro y fuera del pulmón, el volumen corriente. El cambio de presión es el cambio de presión transpulmonar necesario para vencer el trabajo elástico de la respiración y el trabajo de resistencia de la respiración. El trabajo elástico es el efectuado para vencer la retracción elástica de la pared torácica y el parénquima pulmonar y para vencer la tensión superficial de los alvéolos. El trabajo resistivo es el trabajo hecho para vencer la resistencia tisular y de las vías aéreas. En condiciones normales, la mayor parte del trabajo resistivo es el realizado para vencer la resistencia de las vías aéreas. 2.2.6.1 Ventilación Alveolar. La ventilación alveolar es el intercambio gaseoso entre los alvéolos y el medio ambiente externo. El proceso por medio del cual el oxígeno llega al pulmón desde la atmósfera y el bióxido de carbono de la sangre venosa mezclada de los pulmones es expulsado del cuerpo. 2.2.6.2 Volúmenes Pulmonares. El volumen de gas en los pulmones depende en cualquier momento de la mecánica de los pulmones y de la pared torácica, y de la actividad de los músculos de la inspiración y espiración, bajo cualquier condición específica. En general, los volúmenes pulmonares se expresan a la temperatura del cuerpo y presión ambiental y saturación del vapor de agua. Hay cuatro volúmenes pulmonares estándar, que ya no se subdividen y cuatro capacidades pulmonares estándar, que constan de dos o más volúmenes pulmonares estándar en combinación.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 13.

(15) Capítulo 2 Estado del Arte Volumen corriente. Es el volumen de aire que entra o sale de la nariz o la boca en cada respiración. El volumen corriente es de aproximadamente 500 mi por respiración.. Volumen residual. Es el volumen de gas que queda en los pulmones después de una espiración forzada máxima. Este volumen es de aproximadamente 1.5 1 de aire. Este es muy importante para una persona sana, porque impide que los pulmones se colapsen a volúmenes pulmonares muy bajos.. Volumen de reserva espiratorio. Es el volumen de gas expulsado de los pulmones durante una espiración forzada máxima, la cual empieza al final de una espiración corriente normal. Este volumen es de aproximadamente 1.5 l. está dado por la diferencia entre la capacidad residual funcional y el volumen residual. Volumen de reserva inspiratorio. Es el volumen de gas inhalado hacia los pulmones durante una inspiración forzada máxima, la cuál empieza al final de una inspiración. corriente normal. Este volumen es de 2 l. es el volumen corriente más la capacidad residual funcional.. Capacidad residual funcional (CRFJ. Es el volumen de gas que queda en los pulmones al final de una espiración normal. Este consta del volumen residual más el volumen de reserva espiratorio. Es de aproximadamente 3 litros. Capacidad inspiratoria. Es el volumen de aire inhalado hacia los pulmones durante un esfuerzo inspiratorio máximo que empieza al final de una espiración corriente normal (la CRF). Es el volumen corriente más el volumen de reserva inspiratorio, es decir, aproximadamente 3 litros.. Capacidad pulmonar total. Es el volumen de aire en los pulmones después de un esfuerzo inspiratorio máximo. Consta del volumen residual, el volumen corriente y los volúmenes de reserva inspiratorios y espiratorios. Es de 6 litros aproximadamente.. Capacidad vital. Es el volumen de aire expelido de los pulmones durante una espiración forzada máxima, que empieza después de una inspiración forzada máxima. Es la capacidad pulmonar total menos el volumen residual o aproximadamente 4.5 l. La medición de los volúmenes pulmonares tiene importancia clínica porque muchos padecimientos pueden alterar los volúmenes pulmonares específicos o sus relaciones entre sí. En este caso en particular, nos interesa porque es la manera en que vamos a monitorear un nivel correcto de los volúmenes pulmonares en nuestro proyecto. Uno de los instrumentos con los que se puede medir los volúmenes de gas, es un espirómetro. Uno de estos instrumentos nos permite medir el volumen corriente, el volumen de reserva inspiratorio y el espiratorio, así como la capacidad inspiratoria y la capacidad vital. 2.2.6.3 Espacio muerto anatómico y ventilación alveolar. El volumen de aire que entra y sale de la nariz o la boca por minuto (el volumen minuto) no es igual al volumen de aire que entra y sale de los alvéolos por minuto. La ventilación alveolar es menor que el volumen minuto porque la última parte de cada inspiración permanece en las vías aéreas de conducción y no llega a los alvéolos. De la misma. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 14.

(16) Capítulo 2 Estado del Arte. forma, la última parte del aire en una espiración no sale del cuerpo y se queda en las vías aéreas. Debido a la estructura anatómica, no hay intercambio gaseoso en las vías aéreas de conducción, por lo tanto, estas vías se les conoce con el nombre de espacio muerto anatómico. El volumen al cual empieza el cierre de las vías aéreas se llama volumen de cierre. 2.2.6.4 Flujo Sanguíneo Pulmonar. El pulmón recibe la sangre a través de la circulación bronquial y la circulación pulmonar. El flujo sanguíneo bronquial constituye una pequeña porción del gasto del ventrículo izquierdo y abastece parte del árbol traqueo bronquial con sangre arterial sistémica. El flujo sanguíneo pulmonar constituye todo el gasto del ventrículo derecho y abastece al pulmón con sangre venosa mezclada que proviene de todos los tejidos del cuerpo. Esta sangre es la que intercambia gases con el aire alveolar en los capilares pulmonares. Como los ventrículos derecho e izquierdo están ordenados en serie, el flujo sanguíneo pulmonar es aproximadamente igual al 100% del gasto del ventrículo izquierdo. Es decir, el flujo sanguíneo pulmonar es igual al gasto cardíaco, en condiciones normales. 2.2.6.5 Circulación Bronquial. Las arterias bronquiales provienen de la aorta, abastecen de sangre arterial al árbol traqueo bronquial y otras estructuras del pulmón hasta el nivel de los bronquiolos terminales. Las partes del árbol traqueo bronquial distales a los bronquiolos terminales, incluyendo los bronquiolos respiratorios, conductos alveolares y sacos alveolares, reciben el oxígeno directamente por difusión del aire alveolar y los nutrientes de la sangre venosa mezclada de la circulación pulmonar. El flujo sanguíneo de la circulación bronquial constituye aproximadamente el 2% del gasto ventricular izquierdo. La presión sanguínea de las arterias bronquiales es igual que en otras arterias sistémicas. El drenaje venoso de la circulación bronquial varía ampliamente. Gran parte de la sangre venosa bronquial entra a las venas pulmonares. Si el flujo sanguíneo pulmonar a un área del pulmón está bloqueado por un émbolo pulmonar (oclusión), aumenta le flujo sanguíneo bronquial a esa área.. 2.2. 7 Anatomía Funcional de la circulación pulmonar La circulación pulmonar desde el principio hasta el fin, es de pared mucho más delgada que las partes correspondientes de la circulación sistémica. Esto se aplica particularmente a la arteria pulmonar principal y sus ramas. La arteria pulmonar se subdivide rápidamente en ramas terminales que tienen paredes más delgadas y diámetros internos mayores que las ramas correspondientes del árbol arterial sistémico. Hay mucho menos músculo liso vascular en las paredes de los vasos del árbol arterial pulmonar. No hay vasos altamente musculares que se correspondan con las arteriolas sistémicas. El árbol arterial pulmonar rápidamente se subdivide en una distancia corta, ramificándose finalmente en los 280 mil millones de capilares pulmonares, donde ocurre el intercambio gaseoso. Las paredes delgadas y la pequeña cantidad de músculo liso que encuentra en las arterias pulmonares tienen consecuencias fisiológicas importantes. Los vasos pulmonares ofrecen una resistencia mucho menor al flujo sanguíneo que los vasos arteriales y sistémicos. Estos factores conducen a presiones intravasculares mucho menores que las que se encuentran en las arterias sistémicas. Dado que los vasos pulmonares se localizan Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 15.

(17) Capítulo 2 Estado del Arte. en el tórax y están sometidos a las presiones intrapleural y alveolar, otros factores diferentes del tono del músculo liso vascular pulmonar, pueden tener grandes efectos sobre la resistencia vascular pulmonar.. 2.2.7.1 Resistencia Vascular Pulmonar Las cantidades relativamente pequeñas de músculo liso vascular, presiones intravasculares bajas y alta distensibilidad de la circulación pulmonar hacen que los efectos extravasculares tengan una importancia mucho mayor sobre la resistencia vascular pulmonar. La gravedad, la posición del cuerpo, el volumen pulmonar, la presión alveolar e intrapleural, las presiones intravasculares y el gasto ventricular derecho pueden tener efectos importantes sobre la resistencia vascular pulmonar sin alguna alteración en el tono del músculo liso vascular pulmonar. Durante el ejercicio el gasto cardiaco puede aumentar varias veces sin el aumento correspondiente en la presión arterial pulmonar media. Aunque la presión arterial pulmonar media aumente, este aumento es sólo de unos cuantos milímetros de mercurio sin importar que el gasto cardiaco se duplique o se triplique. Como la caída de presión en la circulación pulmonar es proporcional al gasto cardiaco multiplicado por la resistencia vascular pulmonar, esto debe indicar una disminución en la resistencia vascular pulmonar. Hay dos mecanismos diferentes que pueden explicar esta disminución en la resistencia vascular pulmonar en respuesta al flujo sanguíneo elevado y la presión de perfusión y son el reforzamiento y la distensión. Para explicar el reforzamiento, debemos primero mencionar que en un estado de reposo de los gastos cardiacos, no todos los capilares pulmonares están prefundidos. Es probable que una gran parte de estos capilares estén sin perfundirse. Algunos pueden permanecer sin perfusión porque tienen una presión de apertura crítica relativamente alta. Es decir, estos vasos, por su gran tono muscular liso vascular, requieren una presión de perfusión mayor que la necesaria para vencer únicamente las fuerzas hidrostáticas. Al incrementar el flujo sanguíneo se incrementa la presión arterial y pulmonar media, que se opone a las fuerzas hidrostáticas y sobrepasa la presión de apertura crítica en los vasos con gran tono vascular. Esta serie de eventos hace que se abran nuevas vías paralelas para el flujo sanguíneo, con lo cual se reduce la resistencia vascular pulmonar. A esta apertura de nuevas vías se llama reforzamiento. Al disminuir el gasto cardiaco o la presión arterial pulmonar puede producirse un reforzamiento de los capilares pulmonares. A medida que aumenta la presión de perfusión, aumenta el gradiente de presión transmural de los vasos sanguíneos pulmonares, produciendo distensión de los vasos, esto aumenta sus radios y disminuye su resistencia el flujo sanguíneo. A esto es a lo que llamamos distensión. Ahora ¿Es el reforzamiento o la distensión lo que produce la disminución de la resistencia vascular pulmonar que se observa cuando la presión de perfusión está elevada? Pueden ser ambos factores. El reforzamiento de los capilares pulmonares probablemente ocurre a presiones vasculares pulmonares bajas y la distensión a presiones más elevadas.. 2.2.7.2 Distribución Regional del flujo sanguíneo pulmonar Las determinaciones de la distribución regional del flujo sanguíneo pulmonar han demostrado que la gravedad es un factor pasivo importante que afecta la resistencia vascular pulmonar local y la perfusión relativa de las diferentes regiones del pulmón. La Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 16.

(18) Capítulo 2 Estado del Arte. interacción de los efectos de la gravedad y las presiones extravasculares pueden tener un efecto importante sobre la perfusión relativa de las diferentes áreas del pulmón. La presión en la parte inferior de una columna de líquido es proporcional a la altura de la columna por la densidad del líquido por la gravedad. Por lo tanto, la presiones intravasculares en las partes más dependientes de la gravedad son mayores que las de las regiones superiores. Como las presiones son mayores en las regiones más dependientes de la gravedad en le pulmón, la resistencia al flujo sanguíneo es menor en las regiones inferiores del pulmón debido al reforzamiento o distensión de los vasos en estas regiones. Luego, no es sólo la gravedad sino también las características particulares de la circulación pulmonar lo que produce el aumento del flujo sanguíneo a las regiones más dependientes del pulmón. Después de todo, los mismos efectos hidrostáticos ocurren aún a un grado todavía mayor en el lado izquierdo de la circulación, pero las paredes gruesas de las arterias sistémicas no se afectan. Con un flujo sanguíneo bajo, la presión de la arteria pulmonar es baja, y las regiones más superiores del pulmón no reciben flujo sanguíneo. La perfusión del pulmón cesa en el punto en el que la presión alveolar se iguala a la presión arterial pulmonar. Arriba de este punto, no hay perfusión porque la presión transmural a través de las paredes capilares es negativa. Debajo de este punto, la perfusión por unidad de volumen aumenta proporcionalmente con el aumento de la distancia hacia abajo del pulmón. Por lo tanto, bajo presiones alveolares mayores que la presión de la arteria pulmonar en las partes superiores del pulmón, no ocurre flujo sanguíneo en esa región y se le denomina como zona l. Cualquier zona 1 está ventilada pero no prefundida, es el espacio muerto alveolar. Afortunadamente, durante la respiración tranquila normal en una persona con gasto cardiaco normal, la presión de la arteria pulmonar, aún en las regiones más altas del pulmón, es mayor que la presión alveolar por lo que no hay zona 1. La parte inferior del pulmón se llama zona 3. En esta región la presión de la arteria pulmonar y la presión de la vena pulmonar son ambas superiores a la presión alveolar. La presión que impulsa el flujo sanguíneo hacia el pulmón en esta región es simplemente la presión de la arteria pulmonar menos la presión de la vena pulmonar. Notemos, que esta presión impulsora permanece constante a medida que uno se dirige hacia abajo a la zona 3, porque los efectos de la presión hidrostática son los mismos tanto para las arterias como para las venas. La zona 2 es entonces la zona media del pulmón. En esta zona, la presión arterial pulmonar es mayor que la alveolar y por tanto no hay flujo sanguíneo. De cualquier modo, como la presión alveolar es mayor que la presión de la vena pulmonar, la presión impulsora eficaz para el flujo sanguíneo es la presión de la arteria pulmonar menos la presión alveolar en la zona. En la zona 2 el aumento del flujo sanguíneo por distancia hacia abajo del pulmón es mayor que en la zona 3. Esto se debe a que la presión impulsora hacia arriba, la presión de la arteria pulmonar, aumenta a medida que aumenta la presión hidrostática, pero la presión activa del flujo hacia abajo, la presión alveolar, es constante en todo el pulmón. Hay que recordar que las zonas dependen de las condiciones fisiológicas de cada persona, y no constituyen un punto de referencia anatómico fijo. Hay factores como los cambios en el volumen pulmonar, los cambios en la posición corporal o la respiración si se hace ejercicio, que harán que se afecte la distribución regional del flujo sanguíneo pulmonar y por lo tanto, se afectarán también los límites de las zonas pulmonares.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 17.

(19) Capítulo 2 Estado del Arte. 2.2.8. Edema Pulmonar. El edema pulmonar es la acumulación extravascular de líquido en el pulmón. Este estado patológico puede producirse por una o más anormalidades fisiológicas, pero el resultado es inevitablemente el trastorno de la transferencia gaseosa. A medida que se acumula el líquido de edema, primero en el intersticio y luego en los alvéolos, la difusión de los gases, especialmente de oxígeno, disminuye. Factores que influyen en el movimiento del líquido de los capilares pulmonares.. La ecuación de Starling describe el movimiento de líquidos a través del endotelio capilar:. Q1 = K 1 (Pe - P¡s) - (j(n pi. -. nis). Ecuación 2. Donde Qf = flujo neto líquido Kf = coeficiente de filtración capilar. Describe las características de permeabilidad de la membrana a los líquidos. Pe = presión hidrostática capilar Pis= presión hidrostática del líquido intersticial (j = Coeficiente de reflexión. Este describe la capacidad de la membrana para impedir la extravasación de partículas de soluto. n pi = presión coloidosmótica de plasma. nis = presión coloidosmótica del líquido intersticial Esta ecuación es muy útil para comprender las causas potencial es del edema pulmonar, aún cuando sólo pueda medirse adecuadamente la presión coloidosmótica del plasma. Cualquier líquido que pase por el intersticio pulmonar debe ser eliminado por el drenaje linfático del pulmón. El volumen de flujo linfático del pulmón humano es tan grande como el de otros órganos. En circunstancias normales y en condiciones patológicas es capaz de aumentar hasta 1O veces. Sólo cuando este gran factor de seguridad se sobrepasa ocurre el edema pulmonar. Algunos padecimientos que pueden conducir a edema pulmonar son la permeabilidad, la presión hidrostática de los capilares, la presión hidrostática intersticio, el coeficiente de reflexión, la presión coloidosmótica del plasma, la presión coloidosmótica intersticial, la insuficiencia linfática y algunos otros padecimientos relacionados con el edema pulmonar. El edema pulmonar suele asociarse con lesiones de la cabeza, sobredosis de heroína y grandes altitudes .. 2.2.9. Relación ventilación-perfusión e hipoxia. El intercambio gaseoso entre los alvéolos y la sangre capilar pulmonar ocurre por difusión. La difusión del oxígeno y del bióxido de carbono ocurre en forma pasiva, dependiendo de sus gradientes de concentración a través de la barrera alvéolo-capilar. Estos gradientes Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 18.

(20) Capítulo 2 Estado del Arte de concentraciones deben conservarse por medio de la ventilación de los alvéolos y la perfusión de los capilares pulmonares.. 2.2.9.1 Concepto de igualación de la ventilación y la perfusión. La ventilación alveolar lleva oxígeno a los pulmones y extrae bióxido de carbono de ellos. De manera similar, la sangre venosa mezclada lleva bióxido de carbono hacia el pulmón y capta el oxígeno alveolar. Así, la presión de 0 2 (P02) y la presión de C02 (PC0 2) alveolares están determinadas por la relación entre la ventilación y la perfusión alveolares. Las alteraciones en la relación ventilación-perfusión, llamada relación VA/Oc producirán cambios en la P02 y PC02 alveolares, así como cambios en el aporte o eliminación de gases del pulmón.. 2.2.9.2 Causas de Hipoxia Si una gran parte del pulmón presenta una ventilación-perfusión desigual, el intercambio gaseoso entre los alvéolos y los capilares pulmonares estará alterado. Es probable que esta alteración conduzca a una P0 2 arterial baja, y como este factor es el determinante principal de la combinación de oxígeno con la hemoglobina, el contenido de oxígeno de la sangre arterial también se reducirá, lo que podría conducir a hipoxia tisular. Hipoxia Hipóxica. Se refiere a padecimientos en los cuales la P0 2 arterial es anormalmente baja. Como la cantidad de oxígeno que se combinará con la hemoglobina está principalmente determinada por la P0 2, estos padecimientos pueden conducir a la disminución del aporte de oxígeno a los tejidos si los reflejos u otras respuestas no pueden aumentar adecuadamente el gasto cardiaco o la concentración de hemoglobina en la sangre: P0 2 alveolar baja, trastorno de difusión, desigualdad VA/Oc Hipoxia anémica. Esta es causada por una disminución en la cantidad de hemoglobina funcionante, que puede ser el resultado de la disminución de la hemoglobina o la producción de eritrocitos, la producción de hemoglobina anormal, la destrucción patológica de los eritrocitos o la interferencia con la combinación química del oxígeno y la hemoglobina. Este tipo de hipoxia ocasiona una disminución en el contenido de oxígeno cuando la P0 2 alveolar y la arterial son normales. La P0 2 venosa y el contenido de oxígeno están ambos disminuidos. Hipoxia por hipoperfusión. Ésta se debe al flujo sanguíneo bajo. Hipoxia histotóxica. Es la que se refiera a la intoxicación de la maquinaria celular que usa oxígeno para producir energía. La P0 2 venosa y el contenido de oxígeno están elevados porque no se utiliza el oxígeno. El edema o la fibrosis titulares pueden producir alteración en la difusión de oxígeno de la sangre a los tejidos. También es posible que el aporte de oxígeno a un tejido sea completamente normal, pero las demandas metabólicas del tejido aún son mayores y puede producirse hipoxia tisular. Esto se conoce como hipoxia por sobre utilización. La hipoxia puede producir lesión tisular irreversible o hasta la muerte tisular. El desenlace de un episodio hipóxico depende de si la hipoxia tisular es generalizada o localizada, o de la gravedad de la misma, la velocidad de desarrollo de la hipoxia y de la duración de ésta. Los diferentes tipos de células tienen diferentes susceptibilidades a la hipoxia, desafortunadamente, las células cerebrales y las cardiacas son las más susceptibles. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 19.

(21) Capítulo 2 Estado del Arte. 2.3. Coeficiente de Filtrado Capilar. Los intentos por desarrollar un método para determinar la presión capilar pulmonar y resistencias arterial y venosa han resultado en una variedad de técnicas experimentales. Entre los más importantes de estos, Hellems et al [Hel48] introdujeron la técnica para obtener las "presiones de peso" arterial como un indicador de la presión capilar pulmonar, y Agostoni y Piiper [Ago62] reportaron un método osmométrico para estimar la presión capilar en el pulmón aislado. Pappenheimer y Soto-Rivera [Pap48] introdujeron la técnica isogravimétrica para la determinación de la presión capilar y resistencias venosa y arterial en gatos y perros.. 2.3.1. Método de Guyton y Lindsey. La tasa a la cual un fluido atraviesa una membrana capilar por unidad de masa de tejido, esto es, el coeficiente de filtración (KFC), fue estimado para la membrana capilar pulmonar por Guyton y Lindsey [Guy59]. Estos investigadores estimaron la cantidad de fluido de tejido acumulado después de elevar la presión atrial izquierda utilizando razones de pulmón mojado a seco. Al graficar el exceso de fluido ganado por hora como función de la presión atrial izquierda, fueron capaces de estimar el KFC. Este método ha sido usado desde entonces por muchos investigadores quienes han obtenido resultados similares del KFC capilar pulmonar. El uso de un método isogravimétrico requiere de un dispositivo pesador sensible para el pulmón perfundido. El sistema de perfusión consiste de tubos de plásticos interconectados con el pulmón, un recipiente abierto a la atmósfera, un rotámetro, un intercambiador de calor, una bomba de perfusión que provee de flujo no pulsante, y una trampa arterial de burbuja cerrada, como se muestra en la Figura 3. RE9PIIIA TOfl. AftTERIAL Rf:StRVOIR. /. HEAT EXCHANGER. / flOTMY. ,uw. WEIGHT. PAN. Figura 3 [Dra77] Sistema de perfusión. El coeficiente de filtración de la membrana capilar pulmonar se puede determinar por el uso de métodos de extrapolación descritos por Taylor y Gaar [Tay68] [Tay69]. Este método consiste de la perfusión de un pulmón hasta que un estado isogravimétrico es alcanzado. Entonces la presión capilar se cambia, ya sea elevando o disminuyendo la presión arterial y la venosa en cantidades similares. El logaritmo de la razón de ganancia de peso pulmonar ( !1m / !1t ) se puede ser graficado como función del tiempo y la razón inicial de la filtración de fluido, esto es en el tiempo O, se puede estimar al extrapolar la componente lenta de la ganancia de peso pulmonar. Debido a que la única fuerza Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 20.

(22) Capítulo 2 Estado del Arte. actuando a través de la membrana capilar inmediatamente después de la elevación de las presiones arterial y venosa, fue el cambio en Pe, el coeficiente de filtración de la cama de intercambio vascular se puede calcular como: Ecuación 3. Las presiones capilares fueron calculadas con el uso de la ecuación de Gaar et al [Gaa67] Pe Pv + 0.44 (Pa - Pv), donde Pe es la presión capilar y Pa y Pv son las presiones arterial y venosa respectivamente. Me para los experimentos reportados en este trabajo, para los cuales el KFC fue determinado por el procedimiento de extrapolación.. =. ):.~ l J O • ~. •E,. o _,_ ~ 110 n o ~. ·•. Figura 4 [Ker67] Procedimiento para calcular la presión capilar pulmonar. La técnica para obtener la presión capilar pulmonar puede ser explicada refiriéndose a la Figura 4. En el principio de la medición, la tasa de flujo se ajusta para obtener una presión arterial de 10-15 mm Hg. Después la presión venosa se ajusta rápidamente para obtener el primer nivel isogravimétrico, cuando no se detecta un cambio de peso. La presión arterial se baja en pasos y la presión venosa se ajusta después de cada paso hasta que se obtienen varios niveles isogravimétricos. La bomba de perfusión se apaga para la determinación final de tal manera que la presión isogravimétrica con flujo cero puede ser obtenida. Para poder determinar la presión capilar isogravimétrica, la presión venosa se graficó contra la tasa de flujo correspondiente. Una línea que conectara los puntos se traza y en el punto en el que se interseca con las ordenadas se considera la presión capilar isogravimétrica del pulmón. Resultados similares se obtienen al graficar la presión arterial con su correspondiente flujo. Nótese que las presiones arterial y venosa se igualan cuando el flujo se reduce a cero.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 21.

(23) Capítulo 2 Estado del Arte. 1min. 11). 111. I.S. ::, IIC. 0 ~:. 10. z .,, e ,. ~: e IL. O. Figura 5 [Ker67] Filtración capilar. El procedimiento para obtener coeficiente de filtración de la membrana capilar pulmonar se puede explicar al hacer referencia a la Figura 5. La tasa de flujo se ajusta en un nivel bajo (alrededor de 20 ml/min) y las presiones se ajustan acordemente para obtener un estado isogravimétrico. Las presiones arterial y venosa se elevan 5 mm Hg simultáneamente y el correspondiente cambio de peso se registra. Se puede ver que el cambio de peso consiste de un cambio rápido seguido por una pendiente positiva más gradual. Se ha concluido en varios estudios que el incremento inicial es debido a la alteración del volumen de sangre y el cambio gradual representa la filtración capilar. Un efecto similar se observa cuando se reducen las presiones 5 mm Hg, sólo que en la dirección contraria. Las pendientes graduales registradas de los pesos representan las tasas de filtración a través de las membranas capilares expresadas como gramos de fluido por minuto. Al dividir este factor entre el cambio de presión y el peso del pulmón se obtiene el coeficiente de filtración expresado en gramos por minuto por mm Hg por 100 g de tejido pulmonar.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 22.

(24) Capítulo 2 Estado del Arte. 2.3.2. Método de Starling. Las características de filtración de cualquier sistema se pueden describir en términos del coeficiente de filtración, KFC, que determina cuánto fluido se filtrará a través de la cama capilar cuando las fuerzas de Starling no están balanceadas. La ecuación modificada de Starling que relaciona estas fuerzas con la filtración capilar JVC es:. Donde Pe representa la presión hidrostática de los vasos de intercambio, Pt representa la presión hidrostática del tejido, lrc es la presión oncótica de plasma, ,rr la presión oncótica del tejido y del plasma.. a PD. se refiere al coeficiente de reflexión osmótico de las proteínas. La ecuación 4 fue usada por primera vez en un sistema por Pappenheimer y Soto-Rivera [Pap51], quienes determinaron el KFC para los vasos de intercambio de fluido en las extremidades de un animal al elevar la presión venosa y analizar el cambio resultante en el peso del órgano. El incremento del peso del órgano después de un cambio de presión venosa contiene dos componentes distintivas: 1) una componente rápida, que persiste sólo unos pocos segundos, la cual representa un llenado vascular; 2) una componente lenta que se asume representa filtración a través de los vasos de intercambio. La pendiente de la componente más lenta se dividió entre el cambio calculado en la presión capilar y el peso del órgano para obtener un parámetro que describa la razón a la cual se filtra el fluido hacia el intersticio para un cambio de presión capilar dado. Las unidades del KFC se expresan comúnmente como mililitros por minuto por mm de Hg por 100 g de tejido. Para comparar KFCs obtenidos de diferentes camas capilares, estos se convierten a conductancias de volumen (Lp, cm3/dyn-s) utilizando estimados de área por 1OOg de tejido. El acercamiento utilizado por Guyton y Lindsey [Guy59] para estimar el KFC de tejido pulmonar es complicado por un factor no presente en la preparación. Ya que el pulmón tiene más dos membranas en serie, la capilar y la alveolar, los cambios en la razón de peso de mojado a seco del pulmón después de una elevación de presión capilar reflejan fluido moviéndose hacia el alveolo, el intersticio pulmonar, o ambos. Un KFC estimado usando únicamente razones de peso mojado a seco no puede separar realmente la filtración capilar de la alveolar y es muy probable que subestime el coeficiente de filtración capilar debido al arreglo en serie de las membranas. Siguiendo la aproximación termodinámica desarrollada por Curran y Maclntosh [Cur62] y Patlak et al [Pat63] para un sistema de doble membrana, se pueden escribir las siguientes ecuaciones que relacionen flujo de volumen a través de las membranas alveolar y capilar del pulmón:. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 23.

(25) Capítulo 2 Estado del Arte. Donde J v.; es el volumen neto de fluido a través de las membranas, capilar y alveolar.. M¡ y !in; son las diferencias hidrostáticas y de presión osmótica coloidal efectiva respectivamente, a través de las membranas capilar y alveolar. LP.i es la conductancia de volumen capilar o arterial según sea el caso. Al multiplicar la ecuación 5 por LP.A y la ecuación 6 por LP.e y además tomar en cuenta que en estado estático J v.e = J v,A = J v, la ecuación resultante se puede organizar de tal manera que muestre la siguiente relación entre el flujo y las conductancias de dos membranas:. J = V. L L L. P,A P.e (M - !in ) +L C.A C.A P,A P.e. Ecuación 7. De acuerdo a la ecuación 7, la filtración no podrá ocurrir en los alvéolos a menos que Me.A > linc.A. Asumiendo que PA y n A= O y linc.A !in, Van't Hoff reduce la ecuación. =. 7 a:. =. L P.t. L L P.A P.e L L P,A + P.e. Ecuación 9. La ecuación 8 indica que no habrá filtración de fluido hacia los alvéolos a menos que Pe_,> n, y la ecuación 9 define la conductancia total medida durante el flujo de volumen a través del sistema de membrana doble. Para determinar el coeficiente de filtración de membrana capilar como se indica en la ecuación 3 es necesario saber la caída de presión a través de la membrana. En un estado isogravimétrico, en el cual lv =O, la suma de las presiones debe ser cero. El estimado del lv.e de Erdmann et al [Erd75] utilizando como modelo una oveja despierta es por lo menos un orden de magnitud más bajo que estimados del L P.e calculados anteriormente. Estos autores estimaron el LP.c usando un método que no requiere pesar el pulmón. La ecuación básica de Starling mostrada en la ecuación 3 fue usada para estimar LP.c al medir el flujo linfático (que se asume igual a 1 1.) y estimar las fuerzas de Starling en el lado derecho de la ecuación (presión del tejido, presión osmótica coloidal del tejido, presión capilar y presión osmótica coloidal del plasma). Para estimar el LP.c cada fuerza de Starling debe ser conocida con cierto grado de precisión. Cuando se utiliza esta ecuación el flujo linfático total debe ser conocido. En los estudios de Michel et al [Mic77] y de Hargens y Zweifach [Har76] se indica qué tan precisamente deben conocerse las fuerzas individuales de Starling, así como la razón de flujo linfático total. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 24.

(26) Capítulo 2 Estado del Arte. En experimentos en los cuales edema intra alveolar se desarrolla, la medición de la conductancia de volumen es complicada por el sistema de membrana doble. La conductancia medida en este tipo de experimentos es la conductancia de la membrana capilar alveolar dada en la ecuación 9. Debido a que la conductancia de dos membranas en serie es siempre menor que la conductancia de cualquier membrana sola, entonces los valores de LP,, serían menores que los valores de LP.c. De los datos de Vreim et al [Vre76] se puede postular que el LP., medido durante la formación del edema intra alveolar se puede aproximar al mínimo valor de LP.c de la pared capilar, debido a que los fluidos del tejido y alveolar tienen concentraciones de proteínas similares. Es posible que algunas estimaciones del LP.c puedan ser afectadas por cambios de volumen de sangre, pero como el LP., estimado con los cambios en la concentración de proteínas no son muy diferentes que aquellos calculados con los cambios de peso, cualquier error asociado con los cambios del volumen de sangre debe ser pequeño. Se cree que las diferencias entre LP,c y LP., se pueden atribuir a cambios en las fuerzas del tejido y la filtración que ocurre a través de la membrana capilar alveolar total. Se concluye que el valor de Lp e no puede ser medido exactamente, sin embargo, debe caer en rangos establecidos. Es muy probable que el valor más grande al final de ese rango represente de mejor manera LP.c debido a que este estimado no se ve influido por los cambios en las fuerzas del tejido y representa un cálculo termodinámicamente más correcto.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 25.

(27) Capítulo 2 Estado del Arte. 2.4. Estrategias actuales en preservación pulmonar. El desarrollo de PGF (primary graft failure) o FPIP (fracaso primario del injerto pulmonar) continua siendo un problema difícil en el periodo post operativo y aún ocurre en un 15 20% de los transplantes. Es una causa significativa de mortalidad temprana post operativa, así como un contribuyente mayor de complicaciones posteriores. En un esfuerzo por disminuir el PGF, la atención debe concentrarse en la preservación del pulmón para reducir el impacto de la extirpación, isquemia y reperfusión en pulmón transplantado.. 2.4.1. Mecanismos de daño pulmonar. El mecanismo del daño pulmonar en PGF es extremadamente complejo y todos los componentes del daño aún tienen que ser completamente explicados. En el transplante las oportunidades de lesión significativa ocurren con la isquemia, hipotermia, perfusión y reperfusión Actividad fisiológica de los vasodilatadores endógenos. El mejor camino para mantener una perfusión adecuada el pulmón entero es optimizar la vasodilatación y mantener integridad endotelial. En el funcionamiento vascular normal, las células endoteliales sintetizan muchas sustancias activas, como fibronectina, sulfato de heparina, promotores de crecimiento, prostaciclina, óxido nítrico y endotelina. La producción de estas sustancias se modula por los cambios en la concentración de los mensajeros intracelulares como el cAMP, cGMP y calcio, y por interacciones entre las células del endotelio y glóbulos blancos, plaquetas y componentes del plasma. Los principales mediadores de la vasodilatación son el óxido nítrico y la prostaciclina. El óxido nítrico incrementa la producción de cGMP, mientras que la prostaciclina incremente el cAMP intracelular. Ambos son metabolizados rápidamente y por lo tanto actúan localmente para reducir el tono muscular vascular y decrementar la susceptibilidad a la agregación de plaquetas.. 2.4.1.1 El papel de la hipoxia El mecanismo por el cual la hipoxia causa daño en el tejido pulmonar ha sido estudiado extensivamente. Es claro que hay un balance delicado entre los mediadores activos derivados del endotelio y el tejido pulmonar que se ve afectado adversamente por la hipoxia. La respuesta vascular a la hipoxia es la vasoconstricción, que se regula en parte por mecanismos dependientes del endotelio. Vasoconstricción y la agregación de plaquetas impiden la entrega de oxígeno al endotelio, incrementan el edema del tejido y promueven trombosis en el sistema vascular pulmonar. Estudios realizados indican que bajos niveles de cAMP, guanilata ciclasa y porstaciclina promueven la hipoxia. Con el entendimiento de estos componentes, soluciones de preservación se han desarrollado para contraatacar la respuesta isquémica al incrementar la vasodilatación a través de la adición de un cGMP análogo a la solución.. 2.4.1.2 Isquemia - Reperfusión El daño del tejido pulmonar en un transplante resulta de la producción de radicales libres de oxígeno, la cual es iniciada por reperfusión después de la isquemia o por la isquemia Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 26.

(28) Capítulo 2 Estado del Arte. sola. La disfunción del endotelio es un evento crítico durante la reperfusión y puede ser activada en 2 o 3 minutos por la generación de una gran cantidad de radicales. Esto es resultado de dos eventos separados que coinciden en formar radicales libres. Los radicales libres son altamente reactivos y la causa primaria de lesiones a través de la peroxidación de la membrana lípida. Fisher et al [Fis91] demostraron que el daño pulmonar puede ocurrir únicamente con la isquemia y que la fase de reperfusión no es necesaria para el daño pulmonar por oxidación. El daño en la membrana resulta entonces en una permeabilidad incrementada y edema del tejido. La presencia de radicales libres es una causa significante de disrupción de la membrana celular, pero no de vasoconstricción. Un paso crítico en la amplificación de la lesión es la interacción entre el endotelio dañado y los leucocitos durante la reperfusión, ya que estos producen mediadores humorales que dañan el endotelio y las células epiteliales. Estas segregan una segunda generación de radicales libres de oxígeno que inducen aún más disfunción. El daño endotelial resulta en una incrementada permeabilidad capilar, tono vascular alterado y fracaso del injerto posterior. Los radicales libres promueven la formación de agentes inflamadores que reclutan y activan glóbulos blancos, que después escalan el proceso de lesión. Eppinger et al (Epp97] postularon que las daños en la primera etapa es causada por productos de macrófagos pulmonares activados, mientras que el daño posterior es mediado por productos de glóbulos blancos activados y agregados. El entendimiento del mecanismo de amplificación del daño es crítico para desarrollar métodos efectivos para controlar o posiblemente eliminar el daño celular causado por isquemia-reperfusión.. 2.4.1.3 Hipotermia En el proceso de transplante, se utiliza la hipotermia para disminuir la actividad metabólica celular y preservar la función pulmonar. Sin embargo, también puede incrementar el daño causado por isquemia-reperfusión. Feeley [Fee85] demostró que la técnica de preservación hipotérmica por sí sola resulta en un desorden pulmonar con edema pulmonar asociado, así como incremento en el fluido extravascular y vasoconstricción, lo que contribuye a disminuir el intercambio de oxígeno e incrementar la resistencia vascular. Sin embargo, el grado de daño depende de múltiples factores, lo que hace difícil determinar la contribución precisa de hipotermia sola. Por esta razón, la hipotermia continúa siendo un componente central de las técnicas de preservación pulmonar. Al parecer su contribución a bajar la actividad metabólica es más significativa que la inestabilidad que genera.. 2.4.2. Consideraciones en preservación pulmonar. 2.4.2.1 Temperatura de preservación A pesar el daño celular que se le puede atribuir a la hipotermia, ésta sigue siendo crítica en la preservación del órgano. Hipotermia suprime la actividad de encimas degenerativas que pueden llevar a una pérdida rápida de viabilidad celular durante la isquemia. El simple enfriamiento del pulmón por inmersión ha sido satisfactorio hasta por 5 horas. Este método de mantener hipotermia a 4ºC resulta en una excelente función pulmonar y es superior al método más convencional de perfusión con solución EC antes del almacenamiento hipotérmico.. Monitoreo y control de signos vitales de un pulmón para su conservación. 27.