Para medir el flujo de la vida
Ser humano
Cuando era joven, ansiaba tener mi propio auto. Un día mi padre, con orgullo, abrió el cofre del suyo para mostrarme aquella máquina de velocidad. El motor, un prodigio de la ingeniería, funcionaba con la precisión de un relojero, pero también con la furia de un ser vivo. Me explicó cómo la gasolina era inyectada desde el depósito de combustible al motor. El combustible, suministrado en pequeños y medidos pulsos, de forma semejante a los disparos de una pistola de agua, se incendiaba para producir la fuerza que movía al vehículo. En ese momento no tenía la dimensión para valorar esa clase básica de mecánica. Pero años después me di cuenta de la importancia del flujo pulsátil (eso que me estaba mostrando mi padre), presente en la naturaleza, en las máquinas y en el ser humano.
Así como el automóvil necesita una bomba, nuestro cuerpo también, y es el corazón que se encarga de enviar la sangre de la misma manera que el motor, a pulsos. Cuando vas al médico, uno de los pasos de rutina es la medición de la tensión arterial. A la mayoría de las personas se les hace esta medición, pero a muy pocas se les mide el flujo sanguíneo. ¿Por qué? ¡Porque es todo un reto medirlo! Más aun, en tuberías tan diminutas como las arterias. Sin embargo, cuantificar el flujo puede ayudar a diagnosticar enfermedades [1] y a desarrollar aparatos médicos como corazones artificiales y válvulas cardíacas [2]. Este sistema de flujo está presente en procesos naturales, como el oleaje del mar, y algunas máquinas se han basado en él, como las impresoras de inyección de tinta.
Medir el flujo permite conocer la cantidad de un fluido que pasa a través de una tubería en un determinado tiempo, como cuando se mide el consumo de agua en nuestro hogar o la cantidad de combustible al cargar un carro. Pero vayamos un paso atrás. En casa, cuando regamos el jardín, si somos observadores podremos percatarnos de que al momento de abrir la llave en su totalidad, la presión, cantidad y velocidad del flujo no cambian. Este tipo de comportamiento se define como flujo constante. El flujo pulsátil es todo lo contrario, ya que sus propiedades sí cambian con el tiempo y de forma periódica, es decir, serán diferentes si las medimos un tiempo antes y un tiempo después [3], como cuando jugamos a pisotear la manguera o a cerrar y abrir la llave repetidamente.
De la naturaleza a la tecnología
En el día a día medimos muchos parámetros incluso sin ser conscientes de ello: nuestros celulares están repletos de diminutos sensores que miden temperatura, luz, ritmo cardíaco, localización, etcétera, con el fin de hacer nuestra vida más sencilla. Aunque pase desapercibido, también es importante medir el flujo pulsátil de nuestro cuerpo, tanto o igual que los anteriores parámetros. Ya sea en procesos industriales, ambientales o fisiológicos, es común encontrar al flujo pulsátil en tuberías de diámetro pequeño, tan delgadas como las venas del cuerpo o incluso más. Una forma de medirlo es a través de sensores de flujo. El sensor mide la cantidad de flujo que pasa por la tubería y envía la información a una computadora, sin embargo, no es tan fácil como suena. Cuando pretendemos medir en tuberías muy pequeñas se requiere de sensores igual de diminutos. Y aunque la tecnología ha avanzado, no existe aún un rayo electromagnético reductor para miniaturizarlos; por tanto, el desarrollo de sensores de flujo pulsátil y la oferta comercial es altamente costosa y escasa [4].
El flujo pulsátil ha estado presente en la naturaleza desde siempre, sin embargo, fue estudiado por un científico llamado John R. Womersley hasta 1955 [5]. Si es tan viejo este fenómeno, ¿por qué es tan difícil medirlo? La explicación es sencilla: se debe a sus propiedades. Imagina un carro que acelera y frena repetidamente; como resultado de esta agitación, es muy probable que los pasajeros experimenten cierto malestar. Con el flujo pulsátil ocurre lo mismo. Al suministrarse a pulsos un fluido en estado líquido es altamente probable que se produzcan burbujas debido a la agitación, las cuales pueden confundir al sensor y producir errores en las mediciones [6]. Sumado a esto, los sensores de flujo pulsátil tienen que ser rápidos. El tiempo que tarda entre cada medición no puede ser extenso, ya que estaríamos perdiendo información [4].
Uno de los sensores más utilizados para flujo pulsátil es el ultrasónico que aprovecha un fenómeno conocido como efecto Doppler. Éste utiliza ondas de sonido para saber cómo fluye la sangre en nuestro cuerpo. Imagina que un pequeño dispositivo emite ondas de sonido hacia una arteria o vena en tu cuerpo. Estas ondas rebotan en la sangre en movimiento y regresan al dispositivo. Al hacerlo, el dispositivo puede detectar cambios en el sonido de las ondas que han rebotado. Estos cambios nos dicen cómo está fluyendo la sangre: si se mueve rápido o lento, si hay alguna obstrucción o si es normal. Es una forma segura y no invasiva de obtener información sobre nuestra circulación sanguínea sin necesidad de cirugía, ya que estos sensores no entran en contacto directo con el fluido [4]. Los médicos pueden usar esta técnica para diagnosticar problemas de salud y asegurarse que la sangre circule adecuadamente en nuestro cuerpo [1].
Revelaciones ultrasonoras
Imagina un mundo donde los secretos más profundos del cerebro humano pueden revelarse sin necesidad de cirugía ni invasiones. Esto ya es posible. Un equipo de investigadores emprendió un emocionante estudio científico en mayo de 2023 [7]: exploraron las corrientes del flujo sanguíneo cerebral. Su misión era evaluar una enfermedad que se presenta en recién nacidos durante o después del parto, se caracteriza por la falta de oxígeno y flujo sanguíneo en el cerebro, y puede ocasionar daño cerebral y afectar su funcionamiento. Es un padecimiento grave que afecta al desarrollo neurológico del niño, propiciando discapacidades cognitivas o motoras.
En esta travesía, estos científicos eligieron ratas recién nacidas y, armados con la tecnología de la ultrasonografía Doppler Transcraneal (TCD por sus siglas en inglés), se embarcaron en el reto de rastrear los senderos del flujo sanguíneo cerebral. Los secretos del cerebro comenzaron a revelarse a medida que los investigadores observaban las imágenes de los vasos sanguíneos en movimiento. A través del TCD, presenciaron cambios notables en el flujo sanguíneo, que les permitieron trazar mapas precisos de estas corrientes en las arterias y las venas del cerebro.
En las ratas con daño neuronal a causa de la asfixia, el sistema mostró un flujo sanguíneo caótico en las arterias cerebrales principales. Incluso fue visible en ciertas regiones del cerebro un flujo sanguíneo en retroceso. Pero también observaron destellos de esperanza: áreas con flujo sanguíneo acelerado, tratando de compensar la falta de suministro de sangre en otros lugares. Gracias a estos experimentos, las últimas investigaciones ayudan a diagnosticarla de manera temprana y no invasiva para poder medir la gravedad de la condición, minimizar el daño y mejorar las perspectivas de vida de los pacientes.
La importancia de esta odisea no puede subestimarse. Los hallazgos sugieren que la medición de flujo sanguíneo a través de la tecnología de sensores de flujo pulsátil de tipo ultrasónico puede convertirse en una poderosa herramienta de monitoreo. Al igual que en el caso de las ratas, esta tecnología podría revelar áreas de flujo sanguíneo caótico o insuficiente en el cerebro de los bebés, pero también identificar zonas que trabajan arduamente para compensar la falta de suministro sanguíneo. Esto sería especialmente útil en el cuidado de los bebés que luchan contra las enfermedades neuronales. Sin la necesidad de procedimientos invasivos, los médicos podrían obtener información en tiempo real sobre el flujo sanguíneo cerebral y las áreas afectadas. Esto podría permitir intervenciones tempranas y un mejor pronóstico para estos pequeños luchadores, y brindar una nueva luz en el diagnóstico temprano.
Así como el flujo pulsátil en nuestras venas transporta la vida misma, la importancia de comprenderlo y medirlo va más allá de la simple curiosidad científica. Su aplicación en campos médicos y tecnológicos tiene el potencial de mejorar nuestras vidas de maneras inimaginables. Como una pulsación vital que marca el ritmo de la existencia, este viaje de descubrimiento apenas comienza.
Referencias
[1] Singh, S., & Koratala, A. (2020). Utility of Doppler ultrasound derived hepatic and portal venous waveforms in the management of heart failure exacerbation. Clinical Case Reports, 8(8), 1489-1493. https://doi.org/10.1002/ccr3.2908
[2] Hemmat Esfe, M., Bahiraei, M., Torabi, A., & Valadkhani, M. (2021). A critical review on pulsating flow in conventional fluids and nanofluids: Thermo-hydraulic characteristics. International Communications in Heat and Mass Transfer, 120. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104859
[3] Dincau, B., Dressaire, E., & Sauret, A. (2020). Pulsatile Flow in Microfluidic Systems. Small, 16(9). https://doi.org/10.1002/smll.201904032
[4] Zhu, K., Chen, X., Qu, M., Yang, D., Hu, L., & Xie, J. (2021). Non-Contact Ultrasonic Flow Measurement for Small Pipes Based on AlN Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer Arrays. Journal of Microelectromechanical Systems, 30(3), 480–487. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2021.3066408
[5] Womersley, J. R. (1955). Method for the calculation of velocity, rate of flow and viscous drag in arteries when the pressure gradient is known. The Journal of physiology, 127(3), 553. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1955.sp005276
[6] Jenke, C., Rubio, J. P., Kibler, S., Häfner, J., Richter, M., & Kutter, C. (2017). The combination of micro diaphragm pumps and flow sensors for single stroke based liquid flow control. Sensors (Switzerland), 17(4). https://doi.org/10.3390/s17040755
[7] Liu, J. X., Fang, C. L., Zhang, K., Ma, R. F., Zhou, H. S., Chen, L., … & Xiong, L. L. (2023). Transcranial Doppler Ultrasonography detection on cerebrovascular flow for evaluating neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy modeling. Frontiers in Neuroscience, 17, 962001. https://doi.org/10.3389/fnins.2023.962001
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