Introducción
El corazón es el primer órgano que inicia su función en la etapa embrionaria latiendo de manera periódica hasta el final de la vida. El corazón funciona como una bomba distribuyendo la sangre a todos los tejidos del organismo. Es una bomba altamente eficiente y versátil. La ausencia del latido cardiaco es incompatible con la vida, bastan algunos minutos de paro cardiaco para que órganos como el tejido nervioso y renal sufran daños irreversibles. Es una bomba altamente sofisticada que bombea sangre de acuerdo con las diferentes condiciones a las que se somete el organismo; por ejemplo, disminuye en condiciones de reposo e incrementa en intensidad de acuerdo con el aumento de la actividad física. Es razonable pensar que una bomba con las características mencionadas tenga una estructura y función compleja la cual se ha logrado develar por el trabajo intenso de diferentes disciplinas científicas. En este artículo, se describe una de las técnicas empleadas para el estudio del corazón desde la visión de la ingeniería biomédica, sólo una pincelada que ilustran cómo se utilizan las herramientas formales de la ingeniería biomédica en el estudio del corazón. Antes de iniciar, es conveniente repasar de manera general lo que sabemos del corazón.
Función eléctrica y acople mecánico del corazón
La capacidad contráctil del corazón que le confiere su función como bomba depende de señales eléctricas; esto es, las células cardiacas se contraen gracias a un estímulo eléctrico. Sin embargo, las células cardiacas contráctiles no son capaces de auto estimularse eléctricamente para desencadenar su contracción, el estímulo eléctrico proviene de una región especializada del corazón, el Nodo Sinoauricular (o Nodo SA), el cual se encuentra localizado en la frontera entre la aurícula derecha y la vena cava superior. El Nodo SA es auto excitable, por sí mismo genera señales eléctricas que posteriormente se propagan al resto del corazón. La secuencia de propagación se muestra en la Fig. 1, Inicia en el Nodo SA (Fig. 1a), se propaga a las aurículas (Fig. 1b), pasa al Nodo Auriculoventricular (Fig. 1c), posteriormente por los sistemas de conducción eléctrica como son el has de His (Fig. 1d) y el sistema de Purkinje (Fig. 1e) y desde allí hacia los ventrículos (Fig. 1f y g) para finalmente iniciar la recuperación eléctrica conocida como repolarización ventricular (Fig. 1h, e, i).
Como se mencionó, la actividad eléctrica induce la actividad mecánica contráctil indispensable para la función como bomba del corazón; por lo anterior, si el Nodo SA inicia la actividad eléctrica, entonces éste es el que dispara la actividad mecánica del corazón, es quien dictamina el ritmo y la frecuencia de contracción del corazón, por este motivo, al Nodo SA se le denomina marcapasos del corazón. Sin embargo, el Nodo SA no actúa de manera autónoma, se encuentra bajo la influencia regulatoria permanente de otros sistemas entre los que destacan el sistema nervioso y el endócrino. En cuanto al sistema nervioso, las vías simpáticas que inervan al Nodo SA, aumentan su frecuencia de disparo, y por el contrario, las vías parasimpáticas la disminuyen. Asimismo, una diversidad de hormonas afecta el Nodo SA destacando la Adrenalina, que incrementa la frecuencia cardiaca al aumentar la frecuencia de disparo del Nodo SA. El disparo de la señal eléctrica del Nodo SA y la secuencia de propagación eléctrica a través del corazón es fundamental para el ciclo cardiaco mecánico de contracción (sístole) y relajación (diástole). Cualquier alteración eléctrica del corazón se verá reflejada en su desempeño mecánico como bomba, de allí que estudiando las señales eléctricas del corazón podamos obtener información valiosa acerca de su funcionamiento ya sea en condiciones normales como patológicas. En las secciones siguientes se muestran algunas de las técnicas de estudio de la actividad eléctrica del corazón que han tenido impacto importante en la compresión de su funcionamiento normal como alterado.
Electrocardiografía (ECG)
Los fluidos corporales contienen iones que les confiere propiedades conductoras de señales eléctricas y por este motivo, las señales eléctricas del corazón se propagan por todo el cuerpo llegando incluso hasta las extremidades. Si colocamos electrodos de superficie en las extremidades, es posible medir las señales eléctricas del corazón que atravesando la piel llegan hasta los electrodos de registro. Sin embargo esta metodología de medición tiene algunos retos importantes como son: Las señales eléctricas del corazón decaen con la distancia, de tal manera que al medir la señal en las extremidades, éstas se encuentran muy atenuadas y es necesario una gran amplificación (más de 1000 veces); esto conlleva otros problemas, se amplifica no sólo la señal eléctrica del corazón, sino también todas las fuentes de ruido de tal manera que es necesario un gran filtraje de la señal, el amplificador debe operar en AC, con filtros pasa bajas y rechaza banda centrado en 60 Hz. Otro problema es que la morfología de la señal eléctrica del corazón cambia de acuerdo con la localización de los electrodos de registro, este problema se ha resuelto generando protocolos estándar de colocación de los electrodos a los cuales se les denomina derivaciones, siendo 12 las empleadas en la clínica. Bajo estas condiciones se realiza la electrocardiografía (ECG) y a las gráficas de la señal eléctrica se le denomina electrocardiograma, como el que se muestra en la Fig. 2.
La señal eléctrica del Nodo SA por ser muy pequeña no es posible verla en un electrocardiograma, pero si es posible observar las señales eléctricas de las aurículas y de los ventrículos, la onda P se asocia con la señal eléctrica que se propaga en las aurículas, el complejo QRS se asocia con la señal propagándose por los ventrículos y la onda T con el restablecimiento eléctrico de los ventrículos o repolarización.
La ECG es una herramienta vital y de rutina en la prevención y el diagnóstico de enfermedades cardiacas; sin embargo, como se comentó, la ECG muestra señales eléctricas del corazón, que debido a su técnica de medición y filtrado, ha perdido información valiosa para discernir su funcionamiento. Aun así, la ECG ha sido y es una herramienta importante en la investigación de la función normal y patológica del corazón; además, se emplea en un tema destacado en el campo de la Ing. Biomédica, en el estudio de la variabilidad en la frecuencia cardiaca.
Variabilidad frecuencia cardiaca
El corazón no funciona como un reloj en su ciclo eléctrico y mecánico, cambia periodo a periodo aún en condiciones de reposo. La variabilidad en la frecuencia cardiaca es de tipo caótico y se ha sostenido durante décadas que este comportamiento es un reflejo de la acción del sistema nervioso autónomo, de las descargas parasimpáticas y simpáticas sobre el Nodo SA. Las descargas nerviosas simpáticas sobre el Nodo SA aumentan la frecuencia cardiaca e inversamente, las descargas parasimpáticas la disminuyen. Para el estudio de la variabilidad en la frecuencia cardiaca, en sujetos normales en diferentes condiciones fisiológicas como reposo, ejercicio, estrés, etc. se toman la señal ECG obteniendo una gráfica como se ilustra en el esquema de la Fig. 3, la señal es digitalizadas para su posterior medición y análisis como es la medición de los periodos, en la Fig. 3, los picos R se toman como referencia para medir los periodos inter espiga P1, P2, P3, etc.
Con esto datos es posible construir una gráfica de la variación en los periodos (o frecuencia) latido a latido como se muestra en la Fig. 4, en a) se muestra una señal ECG de un sujeto normal dónde es posible observar los picos R indispensables para medir los periodos como se indicó en la Fig. 3. En b) se muestra la gráfica del periodo vs número de latido; si la frecuencia o periodo fuera constante se tendría una línea horizontal, y como podemos observar en la gráfica, no hay tal cosa existiendo una variación periodo a periodo que dan un aspecto a la gráfica de una señal con “ruido” dando la impresión de que el cambio en el periodo es aleatorio. Aunque esta variación exista ¿Cómo podemos cuantificar esta variación en esta maraña de datos que parecen aleatorios? Y si es posible cuantificarla ¿Tendrá alguna utilidad para ampliar nuestro conocimiento sobre el corazón? ¿Servirá clínicamente discriminar la variación en la frecuencia cardiaca entre un sujeto normal y un cardiópata? Estas y otras preguntas son válidas ya que esperaríamos que la variación en la frecuencia cardiaca podría modificarse de acuerdo con el estado de salud del corazón y/o de sus sistemas de control como el sistema nervioso.
El análisis de gráficas como la de la Fig. 4b no es fácil desde la perspectiva de la dinámica lineal; sin embargo, sí es posible desde la dinámica no lineal y son justamente estas herramientas las que han empleado los Ing. Biomédicos. Una de las técnicas de análisis más empleadas es la denominada Análisis de Fluctuaciones sin Tendencia o DFA (por sus siglas en inglés); al aplicarla a los datos de variación en los periodos (como los de la Fig. 4b) resulta que la variación en los periodos no es aleatoria sino tienen correlaciones de largo plazo, esto es, la variación en los periodos está correlacionada. En la Fig. 5 se muestra una gráfica típica que se obtiene con la técnica de DFA, un parámetro importante en este análisis es el valor de la pendiente ya que si su valor es α<0.5, α=0.5 o α>0.5 los datos están anticorrelacionados, son aleatorios o presentan correlaciones de largo plazo respectivamente. En la Fig. 5 el valor de la pendiente (α) fue de α=0.9769 que indica correlaciones de largo plazo, las variaciones en los periodos no son aleatorias.
Un hallazgo importante es que α cambia en diferentes condiciones patológicas e incluso antes de que se manifieste clínicamente la patología cardiaca. En los sujetos susceptibles a sufrir un infarto o con arritmias cardiacas la variabilidad en la frecuencia cardiaca se encuentra alterada con valores de α diferentes al mostrado en la Fig. 5. Estos datos son útiles al Fisiólogo o Ing. Biomédico para incrementar el conocimiento del funcionamiento del corazón y su regulación o control; además, tienen utilidad práctica en la clínica tanto en la parte preventiva como de seguimiento del paciente cardiópata a un tratamiento específico.
El tema no se agota con lo ya referido y es una rama de investigación muy activa en la actualidad y continúan los avances. Es posible que se modifique el paradigma que menciona que la variabilidad en la frecuencia cardiaca es producto de la actividad del sistema nervioso, nuestro grupo de trabajo ha reportado que el Nodo SA aislado (separado del resto del cuerpo y del corazón) también presenta variación en la frecuencia con correlaciones de largo plazo (α>0.5). Otro aspecto importante de este análisis es que permite construir modelos teóricos del funcionamiento del corazón en diferentes condiciones fisiológicas normales y patológicas a partir de datos como los mostrados en la Fig. 4b.
