Simulación del Corazón Izquierdo para Aplicaciones en Docencia e Investigación
DOI:
https://doi.org/10.24215/18509959.21.e05Palabras clave:
Modelos dinámicos, Simulación, Fisiología cardiocirculatoria, Efecto Windkessel, ExtendResumen
Un modelo es una descripción lógica de cómo un sistema funciona o cómo se comportan sus componentes. Las herramientas de la modelización dinámica facilitan mucho la construcción de los modelos. El objetivo de este artículo es mostrar el desarrollo y los resultados del funcionamiento de un modelo interactivo de la fisiología del sistema cardiocirculatorio para el uso de estudiantes y otros interesados en la fisiología cardiovascular. El sistema de simulación está compuesto por un modelo simple de cuatro componentes, y simula las siguientes variables y parámetros: a) variaciones del volumen aurícula izquierda (AI) y ventrículo izquierdo (VI); b) variaciones presión en AI, VI y aorta (Ao); c) flujo a través de válvula mitral (VM) y válvula aórtica (VAo), y d) reproduce el “efecto Windkessel” en Ao. Se utilizó el entorno de modelización Extend el cual provee una estructura integrada para la construcción de modelos de simulación y el desarrollo de nuevas herramientas de simulación. El corazón derecho y la circulación pulmonar no son considerados. Los resultados de este modelo simulan las características generales del corazón izquierdo y de la circulación arterial, considerando distintas situaciones fisiológicas y patológicas.
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[1] K. Sagawa, “The use of control theory and systems analysis in cardiovascular dynamics,” in Cardiovascular fluid dynamics, vol. 1, London: Academic Press, 1972, pp. 115-171
[2] K. Perktold, M. Resch and H. Florian, “Pulsatile non-Newtonian flow characteristics in a three-dimensional human carotid bifurcation model,” ASME J. Biomech. Eng., vol. 113, pp. 463-475, 1991
[3] C. Taylor, T. Hughes and C. Zarins, “Computational investigations in vascular disease”, Comput. Phys., vol. 10, pp. 224-232, 1996
[4] A. Quarteroni, M. Tuveri and A. Veneziani, “Computational vascular fluid dynamics: Problems, models and methods”, Comput. Visualisation Sci., vol. 2, pp. 163-197, 2000
[5] R. A. Wildhaber, F. Verrey and R. H. Wenger, “A graphical simulation software for instruction in cardiovascular mechanics physiology”, BioMedical Engineering OnLine, 10 : 8, 2011, https://doi.org/10.1186/1475-925X-10-8
[6] C. O. Cervino, “Modelos y Simulaciones del Sistema Cardiocirculatorio,” en Función Cardiopulmonar y sus Aspectos Clínicos y Terapéuticos. Valoración de los antiguos y nuevos paradigmas, M. del Río, Ed. Buenos Aires: Ed. Inter-Médica, 2009, pp. 27-33
[7] C. O. Cervino, “Left Ventricular Assist Device (LVAD),” Biofluidmechanics Laboratory, Humboldt University Berlin, Berlin, Germany. Final Rep. Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), Jul. 2002.
[8] T. G. Coleman, “Mathematical analysis of cardiovascular function”, IEEE Trans Biomed Eng., vol. 32(4), pp. 289-294, 1985
[9] V. K. Sud, R. S. Srinivasan, J. B. Charles and M. W. Bungo, “Mathematical modelling of the human cardiovascular system in the presence of stenosis”, Phys Med Biol., vol. 38(3), pp. 369-378, 1993
[10] D. Jaron, T. W. Moore and J. Bai, “Cardiovascular responses to acceleration stress: A computer simulation”, Proc of IEEE, vol. 6, pp. 700-707, 1988
[11] M. Ursino, “Computer analysis of the main parameters extrapolated from the human intracranial basal artery blood flow”, Comp and Biom Res., vol.23, pp. 542-559, 1990
[12] J. Bustamante y J. Valbuan, “Biomecánica cardiocirculatoria: análisis y modelado cardiovascular”, Rev. Col. Cardiol., vol. 10, pp. 229-239, 2003
[13] T. Kulhánek, M. Tribula, J. Kofránek and M. Mateják, “Simple models of the cardiovascular system for educational and research purposes”, MEFANET Journal, vol. 2(2), pp. 56-63, 2014
[14] M. del Río y J. Romero, Función cardiovascular. Conceptos de fisiología y fisiopatología. Aplicaciones clínicas y terapéuticas, Buenos Aires: Propulsora Literaria, 1992
[15] D. Liotta y M. del Río, Eds., Anatomía, Fisiología y Fisiopatología de la Práctica Médica (volumen I: Sistema Cardiovascular, 1ra Parte), Morón: Editorial de la Universidad de Morón, 1999
[16] M. del Río, D. S. Liotta and C. O. Cervino, “Physiology and Pathophysiology aspects in cardiovascular system,” in A Practical Textbook of Congenital and Acquired Diseases of the Aorta, D. S. Liotta, M. del Río, D. Cooley, C. Cabrol, Eds. Morón: Editorial de la Universidad de Morón, 2003, pp. 50-62
[17] M. del Río, Ed., Función Cardiopulmonar y sus Aspectos Clínicos y Terapéuticos. Valoración de los antiguos y nuevos paradigmas, Buenos Aires: Ed. Inter-Médica, 2009
[18] Extend: simulation software for the next millennium (Extend User´s Manual, version 4), Imagine That Inc., San Jose, CA, 1997
[19] D. Krahl, “Modeling with Extend,” in WSC '01 Proceedings of the 33nd conference on Winter simulation, Arlington, VA, 2001, pp. 217-225
[20] S. Nolan, “The normal mitral valve: patterns of instantaneous mitral valve flow and the atrial contribution to ventricular filling,” in The mitral valve: a pluridisciplinary approach, Massachusetts: Publishing Sciences Group, Inc., 1976, pp. 137-143
[21] R. Schmidt. and G. Thews. Physiologie des Menschen (27 Auflage), Berlin: Springer-Verlag, 1997
[22] A. Brunberg, S. Heinke, J. Spillner, R. Autschbach, D. Abel and S. Leonhardt, “Modeling and simulation of the cardiovascular system: a review of applications, methods, and potentials”, Biomed Tech (Berl), vol. 54, pp. 233–244, 2009
[23] T. Heldt, R. Mukkamala, G. B. Moody and R. G. Mark, “CVSim: An Open-Source Cardiovascular Simulator for Teaching and Research”, Open Pacing Electrophysiol Ther J. vol. 3, pp. 45–54, 2010
[24] S. Zenker, J. Rubin and G. Clermont, “From inverse problems in mathematical physiology to quantitative differential diagnoses”, PLoS Comput Biol, vol. 3(11), pp. e204, 2007, doi:10.1371/journal.pcbi.0030204
[25] D. Morley, K. Litwak, P. Ferber, P. Spence, R. Dowling, B. Meyns, B. Griffith and D. Burkhoff, “Hemodynamic effects of partial ventricular support in chronic heart failure: Results of simulation validated with in vivo data”, J Thorac Cardiovasc Surg, vol. 133, pp. 21-28, 2007, doi: 10.1016/j.jtcvs.2006.07.037
[26] J. R. Gohean, M. J. George, T. D. Pate, M. Kurusz, R. G. Longoria and R. W. Smalling, “Verification of a computational cardiovascular system model comparing the hemodynamics of a continuous flow to a synchronous valveless pulsatile flow left ventricular assist device”, ASAIO J, vol. 59(2), pp. 107–116, 2013, doi:10.1097/MAT.0b013e31827db6d4
[27] J. R. Gohean, M. J. George, K-W Chang, E. R. Larson, T. D. Pate, M. Kurusz, R. G. Longoria and R. W. Smalling, “Preservation of native aortic valve flow and full hemodynamic support with the Torvad™ using a computational model of the cardiovascular system”, ASAIO J., vol. 61(3), pp. 259–265, 2015, doi:10.1097/MAT.0000000000000190
[28] K. Hassania, M. Navidbakhshb and M. Rostami, “Simulation of the cardiovascular system using equivalent Electronic system”, Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub., vol. 150(1), pp. 105–112, 2006
[29] M Mirzaee, O Ghasemalizadeh and B Firoozabadi, “Modeling vessels in human cardiovascular system and calculating pressure wastes using lumped method, The Internet Journal of Bioengineering, vol. 3(2), pp. 1-11, 2008
[30] I. Kokalari, T. Karaja and M. Guerrisi, “Review on lumped parameter method for modeling the blood flow in systemic arteries”, J. Biomedical Science and Engineering, vol. 6, pp. 92-99, 2013, JBiSE http://dx.doi.org/10.4236/jbise.2013.61012
[31] P. Reymond, F. Merenda, F. Perren, D. Rufenacht, and N. Stergiopulos, “Validation of a one-dimensional model of the systemic arterial tree”, Am J Physiol Heart Circ Physiol, vol. 297, pp. H208–H222, 2009; doi:10.1152/ajpheart.00037.2009
[32] H. E. Cingolani, “Mecánica cardíaca. Fenómenos sistólicos y diastólicos,” en Fisiología Humana de Houssay, H. E. Cingolani y A. B. Houssay, Eds. Buenos Aires: Editorial El Ateneo, 2000, pp. 293-330.
[33] A. C. Guyton y J. E. Hall, Tratado de Fisiología Médica (11º edición), Madrid: Interamericana-McGraw-Hill, 2006
[34] B. Koeppen and B. Stanton. Berny y Levy. Fisiología (6ta edición). Madrid: Elsevier España SA, 2009.
[35] O. Frank, “La forma básica del pulso arterial. Primer tratado: análisis matemático. 1899”, J. Molec. Cellular Cardiology, vol. 22(3), pp. 255–277, 1990, doi: 10.1016/0022-2828 (90) 91460-O
[36] N. Westerhof, J. W. Lankhaar and B.E. Westerhof, “The arterial Windkessel”, Med Biol Eng Comput., vol. 47, pp. 131-141, 2009, doi: 10.1007/s11517-008-0359-2
[37] N. S. Peterson and K B. Campbell, “Simulated laboratory for teaching cardiac mechanics”, Physiologist, vol. 27, pp. 165-169, 1984
[2] K. Perktold, M. Resch and H. Florian, “Pulsatile non-Newtonian flow characteristics in a three-dimensional human carotid bifurcation model,” ASME J. Biomech. Eng., vol. 113, pp. 463-475, 1991
[3] C. Taylor, T. Hughes and C. Zarins, “Computational investigations in vascular disease”, Comput. Phys., vol. 10, pp. 224-232, 1996
[4] A. Quarteroni, M. Tuveri and A. Veneziani, “Computational vascular fluid dynamics: Problems, models and methods”, Comput. Visualisation Sci., vol. 2, pp. 163-197, 2000
[5] R. A. Wildhaber, F. Verrey and R. H. Wenger, “A graphical simulation software for instruction in cardiovascular mechanics physiology”, BioMedical Engineering OnLine, 10 : 8, 2011, https://doi.org/10.1186/1475-925X-10-8
[6] C. O. Cervino, “Modelos y Simulaciones del Sistema Cardiocirculatorio,” en Función Cardiopulmonar y sus Aspectos Clínicos y Terapéuticos. Valoración de los antiguos y nuevos paradigmas, M. del Río, Ed. Buenos Aires: Ed. Inter-Médica, 2009, pp. 27-33
[7] C. O. Cervino, “Left Ventricular Assist Device (LVAD),” Biofluidmechanics Laboratory, Humboldt University Berlin, Berlin, Germany. Final Rep. Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), Jul. 2002.
[8] T. G. Coleman, “Mathematical analysis of cardiovascular function”, IEEE Trans Biomed Eng., vol. 32(4), pp. 289-294, 1985
[9] V. K. Sud, R. S. Srinivasan, J. B. Charles and M. W. Bungo, “Mathematical modelling of the human cardiovascular system in the presence of stenosis”, Phys Med Biol., vol. 38(3), pp. 369-378, 1993
[10] D. Jaron, T. W. Moore and J. Bai, “Cardiovascular responses to acceleration stress: A computer simulation”, Proc of IEEE, vol. 6, pp. 700-707, 1988
[11] M. Ursino, “Computer analysis of the main parameters extrapolated from the human intracranial basal artery blood flow”, Comp and Biom Res., vol.23, pp. 542-559, 1990
[12] J. Bustamante y J. Valbuan, “Biomecánica cardiocirculatoria: análisis y modelado cardiovascular”, Rev. Col. Cardiol., vol. 10, pp. 229-239, 2003
[13] T. Kulhánek, M. Tribula, J. Kofránek and M. Mateják, “Simple models of the cardiovascular system for educational and research purposes”, MEFANET Journal, vol. 2(2), pp. 56-63, 2014
[14] M. del Río y J. Romero, Función cardiovascular. Conceptos de fisiología y fisiopatología. Aplicaciones clínicas y terapéuticas, Buenos Aires: Propulsora Literaria, 1992
[15] D. Liotta y M. del Río, Eds., Anatomía, Fisiología y Fisiopatología de la Práctica Médica (volumen I: Sistema Cardiovascular, 1ra Parte), Morón: Editorial de la Universidad de Morón, 1999
[16] M. del Río, D. S. Liotta and C. O. Cervino, “Physiology and Pathophysiology aspects in cardiovascular system,” in A Practical Textbook of Congenital and Acquired Diseases of the Aorta, D. S. Liotta, M. del Río, D. Cooley, C. Cabrol, Eds. Morón: Editorial de la Universidad de Morón, 2003, pp. 50-62
[17] M. del Río, Ed., Función Cardiopulmonar y sus Aspectos Clínicos y Terapéuticos. Valoración de los antiguos y nuevos paradigmas, Buenos Aires: Ed. Inter-Médica, 2009
[18] Extend: simulation software for the next millennium (Extend User´s Manual, version 4), Imagine That Inc., San Jose, CA, 1997
[19] D. Krahl, “Modeling with Extend,” in WSC '01 Proceedings of the 33nd conference on Winter simulation, Arlington, VA, 2001, pp. 217-225
[20] S. Nolan, “The normal mitral valve: patterns of instantaneous mitral valve flow and the atrial contribution to ventricular filling,” in The mitral valve: a pluridisciplinary approach, Massachusetts: Publishing Sciences Group, Inc., 1976, pp. 137-143
[21] R. Schmidt. and G. Thews. Physiologie des Menschen (27 Auflage), Berlin: Springer-Verlag, 1997
[22] A. Brunberg, S. Heinke, J. Spillner, R. Autschbach, D. Abel and S. Leonhardt, “Modeling and simulation of the cardiovascular system: a review of applications, methods, and potentials”, Biomed Tech (Berl), vol. 54, pp. 233–244, 2009
[23] T. Heldt, R. Mukkamala, G. B. Moody and R. G. Mark, “CVSim: An Open-Source Cardiovascular Simulator for Teaching and Research”, Open Pacing Electrophysiol Ther J. vol. 3, pp. 45–54, 2010
[24] S. Zenker, J. Rubin and G. Clermont, “From inverse problems in mathematical physiology to quantitative differential diagnoses”, PLoS Comput Biol, vol. 3(11), pp. e204, 2007, doi:10.1371/journal.pcbi.0030204
[25] D. Morley, K. Litwak, P. Ferber, P. Spence, R. Dowling, B. Meyns, B. Griffith and D. Burkhoff, “Hemodynamic effects of partial ventricular support in chronic heart failure: Results of simulation validated with in vivo data”, J Thorac Cardiovasc Surg, vol. 133, pp. 21-28, 2007, doi: 10.1016/j.jtcvs.2006.07.037
[26] J. R. Gohean, M. J. George, T. D. Pate, M. Kurusz, R. G. Longoria and R. W. Smalling, “Verification of a computational cardiovascular system model comparing the hemodynamics of a continuous flow to a synchronous valveless pulsatile flow left ventricular assist device”, ASAIO J, vol. 59(2), pp. 107–116, 2013, doi:10.1097/MAT.0b013e31827db6d4
[27] J. R. Gohean, M. J. George, K-W Chang, E. R. Larson, T. D. Pate, M. Kurusz, R. G. Longoria and R. W. Smalling, “Preservation of native aortic valve flow and full hemodynamic support with the Torvad™ using a computational model of the cardiovascular system”, ASAIO J., vol. 61(3), pp. 259–265, 2015, doi:10.1097/MAT.0000000000000190
[28] K. Hassania, M. Navidbakhshb and M. Rostami, “Simulation of the cardiovascular system using equivalent Electronic system”, Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub., vol. 150(1), pp. 105–112, 2006
[29] M Mirzaee, O Ghasemalizadeh and B Firoozabadi, “Modeling vessels in human cardiovascular system and calculating pressure wastes using lumped method, The Internet Journal of Bioengineering, vol. 3(2), pp. 1-11, 2008
[30] I. Kokalari, T. Karaja and M. Guerrisi, “Review on lumped parameter method for modeling the blood flow in systemic arteries”, J. Biomedical Science and Engineering, vol. 6, pp. 92-99, 2013, JBiSE http://dx.doi.org/10.4236/jbise.2013.61012
[31] P. Reymond, F. Merenda, F. Perren, D. Rufenacht, and N. Stergiopulos, “Validation of a one-dimensional model of the systemic arterial tree”, Am J Physiol Heart Circ Physiol, vol. 297, pp. H208–H222, 2009; doi:10.1152/ajpheart.00037.2009
[32] H. E. Cingolani, “Mecánica cardíaca. Fenómenos sistólicos y diastólicos,” en Fisiología Humana de Houssay, H. E. Cingolani y A. B. Houssay, Eds. Buenos Aires: Editorial El Ateneo, 2000, pp. 293-330.
[33] A. C. Guyton y J. E. Hall, Tratado de Fisiología Médica (11º edición), Madrid: Interamericana-McGraw-Hill, 2006
[34] B. Koeppen and B. Stanton. Berny y Levy. Fisiología (6ta edición). Madrid: Elsevier España SA, 2009.
[35] O. Frank, “La forma básica del pulso arterial. Primer tratado: análisis matemático. 1899”, J. Molec. Cellular Cardiology, vol. 22(3), pp. 255–277, 1990, doi: 10.1016/0022-2828 (90) 91460-O
[36] N. Westerhof, J. W. Lankhaar and B.E. Westerhof, “The arterial Windkessel”, Med Biol Eng Comput., vol. 47, pp. 131-141, 2009, doi: 10.1007/s11517-008-0359-2
[37] N. S. Peterson and K B. Campbell, “Simulated laboratory for teaching cardiac mechanics”, Physiologist, vol. 27, pp. 165-169, 1984
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Publicado
2018-06-10
Cómo citar
[1]
C. N. Cervino y C. O. Cervino, «Simulación del Corazón Izquierdo para Aplicaciones en Docencia e Investigación», TEyET, n.º 21, p. e05, jun. 2018.
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