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Vol. 11 No. 3
ISSN 0120-568150
CARDIOLOGÍA DEL ADULTO - TRABAJOS LIBRES
(1) Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia.
(2) Clínica Cardiovascular Santa María, Medellín, Colombia.
(3) Escuela de Ingeniería de Antioquia, Medellín, Colombia.
Correspondencia: John Bustamante Osorno, MD., Ph.D. Grupo de
Investigación Dinámica Cardiovascular, Universidad Pontificia Bolivariana y
Clínica Cardiovascular Santa María. Tel. 4159015, Cir. 1ª No. 70 - 01, Medellín-
Colombia. Correo electrónico: johnb@upb.edu.co
(Rev. Col. Cardiol. 2004; 11: 150-156)
Modelo físico del sistema cardiovascular
-DYNASIM-
Tercer puesto Premio "Ramón Atalaya" Miembro de Número, Trabajos de Concurso , XX Congreso
Colombiano de Cardiología, Cartagena 2003
John Bustamante, MD., Ph.D.(1, 2); Juan F. Barros, Ing., MSc.(3); Alejandro Roldán, Ing.(1); Sylvana García, Ing.(1)
Medellín, Colombia
El modelo físico del sistema cardiovascular «Dynasim» pretende simular varios aspectos del
sistema cardiovascular. Determinados parámetros del dispositivo se controlan desde un computador.
Con sensores electrónicos se adquieren datos de presión en diferentes puntos, los cuales se proce-
san y analizan vía software; para ello se desarrolló una interfaz que comunica los componentes de
hardware y software con el dispositivo simulador. El modelo es de accionamiento hidráulico y trabaja
con un sistema de bombeo neumático. Sus materiales son transparentes, lo que permite la visualiza-
ción de los fenómenos. El objetivo principal es su utilización en docencia e investigación, ya que puede
simular diferentes situaciones fisiológicas y patologías.
PALABRAS CLAVE: sistema cardiovascular, modelado y simulación, dinámica cardiovascular.
The Physical Model of the Cardiovascular System «Dynasim» claims to simulate several aspects
of the cardiovascular system. Certain parameters of the device are controlled by a computer. Pressure
data from different points are acquired with electronic sensors , which are processed and analyzed via
software. An interphase that communicates the hardware and software components with the simulation
device was developed for this purpose. The model is hydraulically operated and works with a pneumatic
bombing system. Its materials are transparent, which permits the phenomena visualization. The prin-
cipal objectives are teaching and research, due to its capability to simulate different physiologic and
pathologic situations.
KEY WORDS: cardiovascular system, modelling and simulation, cardiovascular dynamics.
Introducción
La dinámica del corazón y de la circulación sanguí-
nea involucra conceptos de volumen, flujo, velocidad,
presión, resistencia, capacitancia, inertancia, entre otros,
temas que toca la mecánica de fluidos y la física en
general, y que se relacionan entre sí siguiendo principios
biomecánicos conocidos, pero los cuales en ocasiones
son difíciles de comprender por parte de los profesiona-
les del área de la salud.
Los simuladores cardiovasculares han tenido una
gran utilidad en el proceso de prueba de válvulas
cardíacas protésicas y otros dispositivos endovasculares
(1-3). Estos modelos se han ido desarrollando de acuer-
do con las necesidades y basándose en avances tecno-
lógicos que han permitido un acercamiento cada vez
más preciso del funcionamiento del sistema cardiocircu-
latorio humano (4).
Pocos simuladores tienen objetivos docentes, aunque
de hecho son muy útiles para los estudiantes de las áreas
de la salud, ya que permiten interactuar con las variables
del sistema cardiovascular y analizar cómo afectan el
sistema en diferentes situaciones fisiológicas o estados
patológicos. El docente en estas áreas acude entonces a
ayudas audiovisuales, programas computacionales o
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maniquíes que demuestren el funcionamiento del siste-
ma cardiovascular. Sin embargo, estos elementos se
quedan cortos al momento de querer explorar de forma
interactiva los distintos fenómenos que se dan en el
sistema, sea interviniendo distintas variables o pertur-
bando algún elemento. La iconografía da ideas gene-
rales del sistema y ubica al estudiante en un entorno
didáctico básico; los medios computacionales permiten
evaluar respuestas e interactuar con el sistema pero sólo
de forma virtual (4-6), un maniquí es estático y limita el
aprendizaje al conocimiento morfológico.
Así, durante varios años se han utilizado técnicas in vivo,
por medio de modelos animales, incluyendo el modelo de
corazón aislado y perfundido, circuitos cardiovasculares
instrumentados, modelos coronarios, etc. Estudios que
cada vez son más censurados por problemas éticos, ya que
son definidos como procedimientos puramente docentes, y
por lo tanto los resultados no se relacionan con aportes a
la ciencia y a la humanidad.
El modelo Dynasim es una propuesta desarrollada
por el Grupo de Dinámica Cardiovascular de la Uni-
versidad Pontificia Bolivariana y la Clínica Cardiovas-
cular Santa María, la Escuela de Ingeniería de Antioquia
y el Instituto de Ciencias de la Salud, que pretende
hacer énfasis en el aprendizaje al lograr la participación
del estudiante, al visualizar los fenómenos, variar los
parámetros y estar en contacto físico con el sistema. De
este modo, esta interacción busca lograr un mayor
interés del estudiante no solamente para entender los
fenómenos sino para cuestionarse en las distintas apli-
caciones.
Objetivo
Diseñar y construir un modelo físico del sistema
cardiovascular para docencia e investigación.
Materiales y métodos
La complejidad del sistema cardiovascular tanto por
las características de los elementos que lo constituyen y
sus interacciones, como por el sistema de autorregulación,
conlleva elementos funcionales muy dinámicos y versátiles,
que pueden variar de momento a momento dadas
diferentes situaciones del organismo (reposo, ejercicio,
miedo, pérdida de volumen circulatorio, etc.). Ello difi-
culta su estudio en sistemas rígidos, como es la red de
Hardy Cross utilizada frecuentemente para análisis hi-
drodinámicos (7-9).
El modelo físico del sistema cardiovascular - Dynasim-
pretende acercarse al sistema fisiológico humano, ini-
cialmente pretendido como una herramienta de docen-
cia, pero a futuro idealizado como una herramienta de
investigación. Por ello, la metodología constructiva debe
permitir al estudiante interactuar con el sistema, y así
ayudarle a comprender los fenómenos cardiovasculares
concernientes a la biomecánica de fluidos, haciendo
posible simular aspectos normales y algunos trastornos
desde el punto de vista hemodinámico, de la bomba
cardíaca o de la red vascular.
Sin entrar en detalles anatómico-funcionales, y sólo
con el fin de identificar el modelo general que se
aproxima al sistema cardiovascular, se define el tipo de
bomba que representa al corazón, identificada como
una bomba de desplazamiento positivo (10,11). En la
tabla 1 se muestran los elementos del símil entre el
sistema cardiovascular humano y el modelo físico del
sistema cardiovascular -Dynasim-.
Tabla 1
ANALOGÍA ENTRE EL SISTEMA CARDIOVASCULAR HUMANO Y
EL MODELO FÍSICO DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR -
DYNASIM
Sistema cardiovascular Modelo físico Dynasim
Sangre Fluido de pruebas
Contracción muscular cardíaca Aire comprimido
Válvulas cardíacas Válvulas de retención
Distensibilidad de paredes Cámaras de
arteriales complianza
Resistencia de arteriolas Sistema de resistencia
hidráulica
Frecuencia cardíaca Control de electroválvula
Barorreceptores Sensores y adquisición
Dynasim consta de tres partes principales: un sistema
que emula el corazón, que comprende el mecanismo de
bombeo y las válvulas cardíacas; un sistema circulatorio
que incluye cámaras de "compliance" y resistencia vascular;
y un sistema de instrumentación y control.
El dispositivo se enmarca en un modelo hidráulico
(Figura 1) controlado por una computadora, en el que
se visualizan datos de presión adquiridos con sensores
electrónicos ubicados en diferentes puntos del sistema.Es un aparato translúcido para permitir la visualización
del flujo y el funcionamiento de las válvulas. En la Figura
2 se muestra el circuito izquierdo del modelo físico.
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En el lado inferior de las cámaras ventriculares se
encuentra ubicado un diafragma de caucho, de tal
manera que una superficie está en contacto directo y
permanente con el fluido que emula el fluido hemático,
mientras que la otra superficie está en contacto con el
aire proveniente del compresor (Figura 3). Al activarse la
entrada de aire desde el compresor, el diafragma se
expande, generando un perfil en forma parabólica, lo
que produce una expulsión del fluido desde la cámara
ventricular hacia el circuito vascular.
Figura 1. Modelo físico del sistema cardiovascular -Dynasim-.
Se aprecian los dos circuitos circulatorios.
Figura 2. Modelo físico. Se muestra el circuito izquierdo.
Funcionamiento mecánico
Sistema de bombeo: el modelo tiene dos cámaras
cilíndricas que hacen las veces de ventrículos. Se ha
desarrollado un sistema de bombeo neumático cuya
fuente de potencia es aire comprimido, que es propor-
cionado por un compresor de aire. Estas cámaras
reciben el fluido de otras dos que simulan las aurículas.
Figura 3. Cámara ventricular.
Válvulas: las válvulas de control de entrada y de
salida del fluido hacia y desde los ventrículos, respecti-
vamente, son válvulas de retención tipo bola, las cuales
basan su mecanismo de funcionamiento en el de las
válvulas protésicas que se utilizaban anteriormente (vál-
vulas de Starr-Edwards) (12). La construcción de las pare-
des de las válvulas se llevó a cabo mediante el maquinado
de un cilindro macizo de policarbonato.
El sistema de oclusión de la válvula se hace mediante
el desplazamiento de la esfera de acrílico dentro de una
cavidad lograda en policarbonato, en forma de copa:
un extremo tiene un diámetro mayor que el otro, el cual
a su vez es ligeramente menor que el de la esfera. En la
válvula de entrada ventricular, el extremo de menor
diámetro se comunica con la cámara auricular y el otro
extremo con la cámara ventricular. El fluido se mueve
libremente de la cámara auricular a la cámara ventricular,
pero cuando el fluido dentro de esta última se expulsa,
Válvula
de salida Válvula
de entrada
Cámara
ventricular
Entrada
de aire
Diafragma
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empuja la esfera hacia arriba (hacia el extremo de
menor diámetro), ocluyendo el conducto y evitando el
flujo desde la cámara ventricular hacia la cámara
auricular. El mismo mecanismo se aplica en la válvula de
salida, pero ésta se ubica en una posición invertida: el
extremo de menor diámetro se comunica con la cámara
ventricular mientras que el otro extremo se conecta al
sistema vascular. La esfera cuenta con una jaula de
acero inoxidable que limita sus movimientos y evita que
se desprenda de la cavidad valvular.
"Compliance" del sistema circulatorio: el modelo
Dynasim cuenta con dos cámaras de "compliance",
consistentes en cilindros en los que una de sus bases tiene
un diafragma de caucho que se distiende a medida que
aumenta el volumen de fluido dentro de la cámara
(Figura 4); las cuales emulan la distensibilidad de los
vasos con la expansión de la pared de caucho, y definen
la relación de las variables presión-volumen.
Resistencia del sistema circulatorio: la red vascular
está conformada por tramos de manguera plástica y
tubos de silicona de diferentes diámetros. Existen resis-
tencias variables en diferentes puntos de la red. Además,
Dynasim cuenta con un sistema de resistencia vascular
que consiste en un dispositivo que ocluye las mangueras
del circuito usando una válvula de compuerta que se
desplaza por la acción de un motor paso a paso. Al
movilizarse, la compuerta ocluye la manguera, disminu-
yendo su diámetro e incrementando la resistencia. El
motor se controla desde la computadora, proceso que
se detalla más adelante. En la figura 5 se ilustra la
resistencia hidráulica vascular del modelo.
Figura 4. Cámara de "compliance".
Cerca a la salida de cada cámara ventricular se
encuentra una cámara de "compliance", que simula las
propiedades y el comportamiento de la red vascular en
cada uno de los circuitos, mayor y menor. De esta
manera, igual que en el sistema arterial, las paredes de
las mangueras se distienden y almacenan energía. Al
recuperar su estado inicial, disipan esta energía ayudan-
do a impulsar la sangre en sentido anterógrado.
Uno de los objetivos de este sistema, en conjunto con
la resistencia arterial, es convertir el flujo pulsátil que sale
del corazón en flujo continuo a nivel de los capilares (9).
Figura 5. Sistema de resistencia hidráulica.
Instrumentación
Todos los programas del modelo físico del sistema
cardiovascular -Dynasim- se desarrollaron en LabVIEW,
una aplicación computacional de programación gráfi-
ca en lugar de comandos de texto: Laboratorio de
Instrumentos Virtuales en Ingeniería (Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench, LabVIEW); en la figu-
ra 6 se muestra el diagrama del controlador de la
resistencia vascular implementado. Esta aplicación tiene
como complemento un sistema de comunicación
(Measurements and Automation) entre el software y el
hardware (tarjeta de adquisición física National
Instruments, referencia PC6024E).
LabVIEW tiene dos tipos de pantalla: el panel frontal
(front panel) que presenta la interfase entre el usuario y
el programa. Aquí se introducen datos y se visualizan
respuestas. En segundo lugar, el panel de diagrama
(block diagram) que contiene el código o diagrama de
flujo, en el que se procesan los datos introducidos en el
panel frontal.
Cámara de
"compliance"
Motor
Válvula
de compuerta
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Control de frecuencia cardíaca: Dynasim simula el
comportamiento pulsátil de las contracciones cardíacas
por medio del control de una electroválvula, la cual está
conectada en su entrada a la fuente de aire comprimido
y en su salida a las membranas ventriculares. Esta válvula
solenoide, al ser alimentada con electricidad, se abre
para dejar pasar el aire hacia el sistema y expandir las
membranas ventriculares (sístole) y al interrumpirse su
alimentación, se cierra para impedir la entrada de aire
y expulsar aquel de las membranas hacia la atmósfera
(diástole).
La electroválvula se controla desde una computado-
ra usando la aplicación computacional LabVIEW.
En condiciones normales, la diástole ocupa 70% del
tiempo total del ciclo cardíaco, mientras que la sístole
ocupa 30%. Sin embargo, cuando la frecuencia cardía-
ca aumenta, esta relación cambia (9). No se conocen
estudios del comportamiento de la relación temporal
diástole/sístole entre valores de frecuencia cardíaca
bajos y taquicardias marcadas, por lo que Dynasim
supone este cambio de manera lineal.
Se desarrolló un programa en LabVIEW que consiste
en generar un tren de pulsos y enviarlo a un canal de
la tarjeta de adquisición para abrir y cerrar la
electroválvula: el canal de la tarjeta se conecta a un
circuito electrónico que hace parte de una interfaz de
comunicación entre el software y el sistema físico. Este
circuito actúa como un interruptor para alimentar la
electroválvula de forma intermitente.
Control de resistencia
vascular: se emplea un
motor DC (corriente direc-
ta), el cual mueve la com-
puerta de la válvula men-
cionada con anterioridad,
ocluyendo una manguera de
la red circulatoria. El motor
se controla desde LabVIEW
usando un puente H (circui-
to electrónico característico
ubicado en la interfaz), con
el cual se determina el sen-
tido de giro del motor. El
nivel de resistencia se indica
en porcentaje de oclusión.
Un 100% de oclusión impe-
diría totalmente el flujo de
fluido.
Adquisición de datos: el modelo Dynasim tiene la
posibilidad de medir presiones en diferentes puntos del
sistema.Para esto se usan sensores electrónicos de
presión, los cuales miden la presión absoluta en un
rango de 0 psi a 60 psi. El programa desarrollado en
LabVIEW filtra la señal que se visualiza en un gráfico del
panel frontal. Los datos obtenidos en voltaje se procesan
mediante una ecuación de calibración para visualizar
las mediciones en mm Hg.
El programa ofrece al usuario escoger la tasa de
muestreo y el número de muestras, controlando así el
número de ciclos que se visualizarán en el panel frontal.
Cuando el usuario detiene el programa, se abre un
cuadro de diálogo para guardar los datos obtenidos
como archivo de texto.
Pruebas
Se pudieron analizar varios fenómenos de mecáni-
ca de fluidos involucrados en el sistema de estudio a
partir de la simulación de diferentes situaciones fisio-
lógicas y patológicas, con el dominio sobre todos los
parámetros de la aplicación. Fue posible explorar de
forma interactiva los distintos componentes hidrodi-
námicos que se dan en el sistema, sea interviniendo
distintas variables o perturbando algún elemento es-
tructural: el cambio de velocidades de flujo con respec-
to al cambio de diámetro de la red, la característica
del flujo con respecto a variaciones en las cámaras de
"compliance", las variaciones de presión relacionadas
Figura 6. Diagrama del controlador de la resistencia vascular.
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con la alteración de la resistencia hidráulica, el funcio-
namiento de las válvulas y su relación con la presión
de cierre.
Para ello se tomaron datos de presión en la cámaras
ventriculares, auriculares y red vascular. Algunas medicio-
nes se realizaron con un solo ventrículo en funcionamiento
con el fin de verificar fenómenos de mecánica de fluidos
relacionados con la fisiología cardiovascular. Para estas
mediciones se introdujo una presión de aire de 10 psi. Se
tomaron mediciones también con ambos ventrículos fun-
cionando: el izquierdo con 10 psi y el derecho con 5 psi.
Las mediciones se realizaron con distintas frecuencias
cardíacas, entre 70 y 110 latidos por minuto.
Se modificó la capacitancia del sistema limitando la
expansión de la membrana de las cámaras de
"compliance" con distintos discos semi-rígidos. Se realiza-
ron oclusiones en el trayecto circulatorio tanto en la
circulación mayor como en la menor, entre otras pruebas.
Resultados
El sistema neumático de bombeo funcionó satisfacto-
riamente, y fue posible graduar la intensidad del despla-
zamiento para incrementar o disminuir el flujo. Las curvas
obtenidas tuvieron buena repetitividad y consistencia. En
la figura 7 se presenta una curva de presión registrada
en los ventrículos.
do la velocidad ante cambios de diámetro. A su vez,
cuando los vasos se bifurcan a medida que la red
vascular se hace más periférica, el área de sección
transversal de la totalidad del segmento es mucho mayor
que el área transversal del vaso madre, por ello en este
caso la velocidad se hace menor.
Se hizo evidente la disfunción de las válvulas cardía-
cas por insuficiencia, lo que permitía el reflujo de fluido
de una cámara a otra. Esto demostró que la masa y
densidad de las esferas no es equivalente a la sanguí-
nea, por lo que se genera un retardo en la oclusión.
Al disminuir la "compliance" de la red, la presión
media del sistema incrementó coherentemente con lo
que ocurre en el caso fisiológico: al tornarse rígidos los
vasos por cualquier causa, la presión media arterial
aumenta. En sistemas rígidos no se cuenta con el efecto
de absorción de energía en la cámara (por el flujo
radial) y por lo tanto la presión incrementa.
Se realizaron pruebas de oclusión de las mangueras
del sistema, incrementando la resistencia, permitiendo
observar los aumentos de presión antes de la obstruc-
ción, y los gradientes de presión resultantes tras ella. Se
observaron efectos postoclusión, derivados del descen-
so de la presión.
Conclusiones
El estudio por medio de un modelo como el presen-
tado en este artículo, tiene una gran ventaja sobre el
estudio in-vivo al menos para analizar ciertas condicio-
nes de tipo hidrodinámico, ya que el simulador permite
cambiar los parámetros y las variables sin alterar las
demás, mientras que en experiencias in-vivo las varia-
bles no son independientes, y existen además perturba-
ciones difíciles de controlar.
Se evidencia en el modelo, que el sistema
cardiovascular parte de un mecanismo altamente com-
plejo, en el que se relacionan la transferencia de energía
del músculo cardíaco a la sangre, una reología de la
sangre que varía con el hematocrito y una red vascular
extensa y con bifurcaciones consecutivas, con paredes
de características elásticas anisotrópicas. Sin embargo,
a pesar de la diferencia entre el modelo físico y el sistema
vivo, se pueden obtener resultados interesantes que
serán la base para posteriores avances.
El modelo Dynasim permite un control automático de
las variables, que facilita el análisis de resultados y su
Se pudo observar el fenómeno de la conversión de
flujo pulsátil a flujo continuo entre la red central y la red
periférica.
Tal como se describe por la ley de conservación de la
masa, al disminuir el diámetro de un conducto, se
aumenta la velocidad del fluido (9). Esto se verificó
inyectando una burbuja de aire en el sistema y evaluan-
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
Figura 7. Curva de presión en los ventrículos.
Tiempo
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manipulación general. Es posible implementarle bifurca-
ciones al modelo y usar materiales más elásticos que se
acerquen a las características de los tejidos biológicos.
El modelo Dynasim es un trabajo en curso, en el
cual se pretenden implementar nuevos desarrollos y
mejoras. El alcance esperado para el proyecto es
que sea un sistema en el cual sea posible evaluar
nuevos dispositivos cardiovasculares, permitiendo
disminuir la experimentación en fases iniciales en
animales o en humanos. Podría, así mismo, ser la
base para el desarrollo de un sistema de bombeo en
máquinas de circulación extracorpórea o incluso,
idealizando, de asistencia cardiocirculatoria para
pacientes en falla (13).
Agradecimientos
Los autores expresan su agradecimiento al ingeniero
electrónico Róbinson Alberto Torres, por sus aportes y
apoyo al proyecto.
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