Conclusión breve
El presente estudio muestra que los cambios en el flujo inducidos por el implante del injerto no se limitan solamente a los extremos distal y proximal del puente, sino que también se observan en la sección principal del bypass y en las regiones adyacentes al segmento bloqueado de la arteria.

Resumen

Contexto: La enfermedad arterial coronaria aterosclerótica es la causa principal de morbilidad y mortalidad. El puente (bypass) coronario que utiliza el injerto de vena safena ha ayudado al alivio de los síntomas de esos pacientes. Se están perfeccionando algunos procedimientos para mejorar las técnicas. Todavía existe un número significativo de fallas que llevan a la necesidad un nuevo injerto o a una nueva revascularización. Algunos estudios permitieron la identificación de las regiones con estrés por cizallamiento alto y bajo. Se necesitan más investigaciones basadas en modelos reales. Material, métodos y resultados: Elaboramos el modelo real de bloqueo completo de la coronaria derecha con un bypass ubicado en un ángulo de 5º con curvatura similar a la de esa arteria. Por medio de este modelo, mediante luz polarizada, se visualizó el flujo pulsátil de una solución birrefringente. Se registraron y analizaron las imágenes del campo completo de flujo en el modelo. Se identificaron las regiones con alteraciones con flujo elevado, las cuales son propensas a cambios mayores. La existencia de recirculación en la coronaria bloqueada puede iniciar nuevas interacciones sangre-tejido, deletéreas para el injerto. Conclusión: Nuestro estudio muestra que mediante la selección del procedimiento para ubicar el injerto en un ángulo mínimo con una curvatura similar a la de la arteria y una sutura suave puede mejorar la vida útil del injerto. Este estudio también identificó que las regiones coronarias bloqueadas contribuyen a la recirculación del flujo a las regiones proximal y distal del bypass, lo cual puede requerir la realización de otras investigaciones.

Palabras clave
Modelos de puente, cambios de flujo, birrefringencia

Clasificación en siicsalud
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Especialidades
Principal: Cirugía, 
Relacionadas: Cardiología, 

Enviar correspondencia a:
Megha Singh, School of Mecanical Engineerging, Kyungpook National University, 702-701, Daegu, Corea del Sur

Patrocinio y reconocimiento
Al Prof. Dr. D. Liepsch.

FLOW VISUALIZATION IN REALISTIC ARTERIAL BYPASS GRAFT MODELS

Abstract
Background: Coronary atherosclerosis artery disease is the leading cause of morbidity and mortality. Coronary artery bypass grafting (CABG) which utilizes the saphenous vein graft, has helped in alleviating the suffering of these patients. Newer techniques are being developed to improve upon the techniques. Still there is significant number of failures, leading to re-grafting or re-vascularization. Some studies have helped in identifying the high and low shear stress regions. Further studies based on their realistic models are required. Material, methods and results: We developed the realistic model of fully blocked right coronary with bypass graft placed at angle of 50 with curvature similar to that of artery. Pulsatile flow of birefringent solution through this model by polarized light was visualized. The images of complete flow field in the model were recorded and analyzed. Regions of high flow disturbances which are prone to further changes are identified. Existence of recirculation in the blocked coronary may initiate new blood-tissue interactions deleterious to bypass graft. Conclusion: Our study shows that by selecting the procedure to place bypass graft at minimum angle with curvature similar to that of artery and smooth sutures may improve the life span of the graft. This study also identified that coronary blocked regions contributing by recirculation flow at the proximal and distal regions of bypass which may require further studies.

Key words
Bypass models, flow changes, birefringence

Artículo completo
Introducción

La enfermedad coronaria es la causa principal de mortalidad tanto en los países desarrollados y como en aquellos en vías de desarrollo. Debido a la falta en el suministro de oxígeno y de otros nutrientes, el músculo cardíaco tiende a convertirse en no funcional, lo que lleva a la producción de accidentes cardíacos e infarto de miocardio. Todavía no se ha podido erradicar la enfermedad coronaria por medio de las medidas preventivas, pero sí se comprende la importancia del colesterol y las grasas de la dieta en esta enfermedad.¹

El injerto arterial coronario o bypass (coronary artery bypass grafting CABG) es la operación a “corazón abierto” realizada más frecuentemente. Los cirujanos cardiotorácicos realizan el procedimiento para sortear los bloqueos u obstrucciones de las arterias coronarias. Se encuentran en investigación algunas técnicas más nuevas para mejorar los resultados y minimizar las molestias que experimentan los pacientes durante la recuperación del CABG.² La operación de bypass sin la utilización de la bomba cardiopulmonar es otra técnica dirigida a la mejoría de la evolución de los pacientes. Durante este procedimiento el corazón continúa realizando el trabajo de bombeo sanguíneo hacia el cuerpo.^3,4 La introducción y la amplia aceptación de nuevas técnicas invasivas revolucionaron la práctica quirúrgica en muchas disciplinas en las dos últimas décadas. Mediante la utilización de un sistema de telemanipulación robótica, estabilización miocárdica endoscópica y visualización bidimensional puede realizarse, sin circulación extracorpórea, una anastomosis de alta calidad entre la arteria torácica interna izquierda y la coronaria descendente anterior.^5-8

Si bien la cirugía de bypass coronario ha alcanzado esos objetivos, la degeneración del injerto venoso con el tiempo es todavía un problema importante. Inicialmente se pensó que los injertos venosos serían resistentes a la aterosclerosis, pero algunos informes posteriores mostraron que los cambios ateroscleróticos se producen tan rápido como tres a seis meses luego de la cirugía. En algunos pacientes, con el tiempo, se forman aneurismas en los injertos venosos de vena safena.^9-10 Desde hace poco tiempo, la utilización de conductos arteriales, los cuales tienen una mejor evolución a largo plazo, se ha vuelto una práctica frecuente. Pero éstos también están asociados con la aparición de aterosclerosis, como determinan las imágenes angiográficas y con resonancia magnética.¹¹

Esos procedimientos muestran que la colocación de puentes venosos o arteriales ayuda en la restauración del flujo a través de la región comprometida pero son propensos a varios cambios durante el período posoperatorio, que oscila de meses a años. El patrón de flujo sanguíneo tiene que ser restaurado de la forma más parecida a lo normal que sea posible. Esta visualización del flujo en las geometrías alteradas para detectar cambios en el flujo es muy importante. La mayoría de los estudios teóricos y experimentales mostraron la existencia de un estrés por cizallamiento alto en la región del piso en el extremo distal del injerto arterial. La región distal se asocia con un estrés por cizallamiento alto, mientras que la región del talón se asocia con la formación de vórtices.^12-14 En los modelos reales se tiene que considerar la geometría completa del puente y abarcar los extremos proximal y distal.

Un reciente análisis numérico de puente aorto-coronario mostró que la distribución del estrés por cizallamiento sobre la región distal es mayor que en la región proximal. Los perfiles de velocidad en la sección del injerto son ligeramente oblicuos debido a sus curvaturas.¹⁵ Pero esos estudios generalmente se limitan a un análisis bidimensional, mientras los vasos cardíacos se ubican en las tres dimensiones.

El tema de la dinámica de fluidos es un aspecto integral del procedimiento de injerto de bypass. Cualquier alteración sobre la superficie endotelial, la cual se observa en la génesis de la aterosclerosis, produce distintos cambios en el patrón de flujo.¹⁶ Además, los estudios de los análisis de flujo mostraron que el patrón de flujo en el vaso principal es afectado significativamente a medida que la circulación avanza a través de sus ramas. Con el aumento en el ángulo de la bifurcación, la magnitud del flujo secundario aumenta,¹⁷ lo que lleva a la manifestación aterosclerótica en la unión o en las ramas. De este modo existen varios factores que podrían influir en el éxito del CABG. Los objetivos de este estudio, sobre un modelo real de puente coronario, son destacar algunos de los parámetros que podrían ayudar en la mejoría del procedimiento de injerto, con una mayor duración de los puentes.


Material y métodos

Construcción del modelo

Para la construcción del modelo, los detalles estructurales en las tres dimensiones de la sección curva principal de la arteria coronaria derecha, previa a la primera bifurcación, se obtuvieron de Hayashi y Yamaguchi,¹⁸ y las secciones adyacentes a partir de la copia del corazón humano. La base del modelo se realizó de un tubo de cobre con un diámetro interno de 6.0 mm (figura 1). Para la reconstrucción del puente, se ubica un tubo de latón del mismo diámetro en un ángulo de 5º sobre la superficie superior del tubo, un procedimiento similar al adoptado en la reconstrucción de los puentes en las arterias coronarias. A partir del molde de este modelo, se preparó el modelo de cera con una estenosis arterial del 100%. Para la preparación del modelo de goma siliconada, que es elástica y transparente, como se requiere para la visualización de flujo,¹⁹ se cubre el modelo de cera con muchas capas finas de goma siliconada. Luego de dejarlo secar durante toda la noche, la cera se derritió. Luego de limpiar los rastros de cera con isopropanol, se obtuvo el modelo de puente siliconado de la arteria coronaria derecha totalmente ocluida.

Figura 1. Modelo de la arteria coronaria derecha de un tubo de cobre para hacer un modelo de cera, la cual se utilizó en la construcción del modelo del puente de goma siliconada con 100% de estenosis.

Visualización de flujo

La figura 2 muestra el esquema del sistema, el cual se calibró para mantener las presiones sistólicas y diastólicas en aproximadamente 120 mm Hg y 80 mm Hg, respectivamente. El flujo pulsátil de la solución diluida de pentóxido de vanadio (solución birrefringente) dentro del modelo se consigue al combinar un componente estable, generado mediante la introducción del fluido en el modelo mediante gas nitrógeno, y un componente oscilante, producido por medio de una bomba de membrana. El modelo de puente de goma siliconada con una estenosis del 100% se ubicó entre el polarizador y el analizador cruzado. La luz linear polarizada incide sobre el modelo perpendicular a la dirección de flujo, de este modo provee distribución total de las partículas sobre todo el diámetro. Las partículas están en desorden estadístico mientras el gradiente de velocidad en el centro del modelo es cero, lo que permite a la luz pasar a través de todo el modelo, la cual se extingue en el analizador cruzado. En las otras localizaciones, dependiendo del gradiente de cizallamiento, las partículas se orientan sobre toda la sección. El haz de luz, luego de pasar a través del analizador, dependiendo de la orientación de las partículas, muestra una variación correspondiente en el componente de luz transmitida, el cual corresponde directamente a los cambios del flujo.¹⁹

Figura 2. Esquema del sistema de visualización de flujo.

Para la visualización tridimensional del flujo, ambos extremos del modelo se montaron sobre un tubo de plástico, el cual se pasa a través de un sistema hermético al aire de anillos unidos doble “O”. El modelo se monta en el sistema de flujo a 0º (posición normal) para visualizar el flujo a través de todo el modelo. El flujo a través del área estenótica es visualizado mediante la rotación a 135º del modelo desde la posición normal, como se muestra en la figura 3. Las diferentes partes del bypass son pie proximal, parte central y pie distal. Los parámetros de flujo pulsátil se mantienen dentro del intervalo fisiológico (promedio de número de Reynolds 250 y parámetro Womersley 3.85). Para observar los cambios a alta velocidad de flujo durante la fase sistólica se considera un número de Reynolds (Re) de 625 (mayor que el normal). Las imágenes se grabaron a una frecuencia de 60 latidos por minuto y se analizaron mediante computación con un software de procesamiento de imágenes. Los demás detalles del procedimiento ya se suministraron.²⁰

Figura 3. Esquema del modelo de bypass con una sección arterial completamente bloqueada. Las letras T y H representan el extremo distal y el talón del puente en las regiones proximal y distal del modelo.

Resultados y discusión

El objetivo de la cirugía de bypass no es reparar o remover la arteria coronaria obstruida sino desviar el flujo alrededor del bloqueo mediante la utilización de arterias o venas de otras partes del cuerpo (injertos). Existen varios parámetros que es necesario considerar para una duración prolongada del injerto. De los conceptos de mecánica de los fluidos, la aspereza de las superficies internas es una de las causas de alteraciones del flujo. Por lo tanto, las superficies externas del modelo de tubo de cobre y del modelo de cera se realizan perfectamente lisas. De este modo los disturbios en el flujo debido a la aspereza de las superficies son minimizadas. Luego de algunos estudios con ángulos diferentes de los componentes del puente, para este procedimiento se seleccionó la ubicación a 5º debido a que produce menos alteraciones que las de 10º y 15º. Esto es fundamentalmente atribuido a la separación de flujo de la región del talón al extremo proximal del bypass. Con un ángulo mayor, el flujo se asocia con aproximación secundaria del flujo a la región del distal, similar a lo observado a las bifurcaciones arteriales.^21,22 En un estudio comparativo reciente, Anayiotos y col.²³ mostraron que el injerto posicionado a 30º funciona mejor que a 45º. Pero de acuerdo con nuestra experiencia, ese ángulo mayor puede llevar a la manifestación de flujo secundario y complicar el flujo en los pies del puente y alrededor de ellos. Como el área de contacto del bypass con la arteria varía inversamente con el ángulo de contacto, esto puede resultar conveniente para la sutura de la vena safena, de mayor lumen, con arteria coronaria de un diámetro más pequeño a ángulos pequeños.²⁴ Como la superficie lisa no produce cambios en el flujo, el proceso de sutura debería mantener la suavidad de la superficie. A este respecto, el nitinol mostró resultados prometedores para la anastomosis coronaria.²³

El flujo a través de toda la anastomosis a un número de Reynolds de 625 durante la fase sistólica del flujo pulsátil se muestra en la figura 4. En el extremo proximal el flujo ingresa dentro del puente produciendo una alteración máxima del flujo en el área del talón. El flujo se asocia con la formación de vórtices y fluctuaciones de velocidad máxima sobre el área de sección completa de la sección de la arteria y el puente. Luego de pasar a través de la región central las fluctuaciones se reducen. En la región del pie de la sección distal las alteraciones del flujo aumentan en forma importante. De manera similar es afectada la región del piso de este extremo. En la región del talón el flujo se asocia con formación de vórtices. Estos resultados concuerdan con lo informado por otros autores.^15,25 Agregado a esos informes, nosotros también observamos que existe recirculación del fluido a través de la región distal entera del modelo bloqueado (señalado mediante el círculo punteado). Este flujo inverso puede producir cambios en esta sección de la arteria y alcanzar la región del talón del puente. La presencia de asperezas sobre la región del pie puede aumentar esos cambios.

Figura 4. Cambios en el flujo en el modelo de bypass grabado en la posición normal del modelo y en posición de 0º del analizador para una vista completa del modelo a un número de Reynolds de 625 durante la fase sistólica del ciclo de flujo pulsátil. La sección remarcada por el círculo muestra la recirculación en la región distal al bloqueo del modelo de arteria coronaria derecha.

En la posición normal del modelo los cambios inducidos por el flujo en la región proximal al bloqueo no se pudieron observar. Para observarlos, el modelo se rotó 135º de su posición normal y el analizador rotó 15º de su posición inicial. La figura 5 muestra los cambios que ocurrieron en esa región estenótica. Hay recirculación de fluido en la sección proximal bloqueada completa (círculo punteado). El movimiento de fluido es mucho más lento, lo que puede iniciar nuevas series de reacciones con el endotelio de la arteria humana comenzando desde la región del talón del puente. El procedimiento para minimizar el efecto de la compleja recirculación en las regiones bloqueadas requiere la realización de más estudios.

Figura 5. Cambios en el flujo en el modelo de bypass grabados en la posición normal del modelo en la posición de 15º del analizador para la vista completa del ingreso al extremo distal a un número de Reynolds de 625 durante la fase sistólica del ciclo sanguíneo pulsátil. La zona remarcada por el círculo muestra la recirculación del fluido en el sector proximal del modelo arterial con bloqueo completo.

La producción de aneurisma en la región central, especialmente en los puentes con vena safena, es un problema serio.^9,10 Nuestro estudio muestra que este efecto se puede minimizar mediante la selección del procedimiento para ubicar el injerto en un ángulo mínimo con curvatura similar a la de la arteria con suturas lisas. Debido a que este modelo es un modelo tridimensional real, la información obtenida por este estudio muestra varios cambios en diferentes secciones del puente, lo que resalta la complejidad involucrada con este procedimiento. Si esta operación es efectuada por medio de CABG o CABG sin circulación extracorpórea o procedimientos robóticos controlados, la implementación de lo expresado más arriba puede ser de utilidad para alcanzar una larga duración del los injertos.

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