Buscar en este blog

1 ago 2012

Sistemas Biológicos. Isquemia y Atrapamiento.


Sistemas Biológicos: ciclos erróneos,  su  diagnóstico y  fisiopatología.

Augusto Pérez García
Madrid, 7-9 de Octubre de 1987.


Resumen.- Los sistemas biológicos son concebidos como objetos que en su actividad describen ondas.

Su actividad consiste en el intercambio de materia y energía con su ambiente cometiendo errores y corrigiéndolos. Cómo conocerlos nos ocupa esta comunicación tomando como ejemplo la  Isquemia Cerebral y el Ciclo Respiratorio.

El sistema se describe como una onda cuyos "parámetros" característicos varían continuamente en espacio y  tiempo, observándolo como una distribución de frecuencias, a las que equivale. Aquellas frecuencias probables equivaldrían a los Ciclos Verdaderos del Sistema, mientras que los Ciclos Erróneos lo serían a las frecuencias improbables.

La estructura del sistema y de la distribución de frecuencias, así como la relación entre ambas, ocupan esta comunicación, suministrando estructuras matemáticas que permiten su diagnóstico; en particular, de los Ciclos Erróneos, Verdaderos y la relación entre ambos.


Introducción.
Los sistemas biológicos son abiertos y distribuidos, con comportamiento trigger oscilatorio periódico amortiguado, no lineal y lejano del equilibrio, en el que surge ordenación dinámica al pasar a través de los parámetros que lo caracterizan y que corresponden a inestabilidades. Su trayectoria es una espiral dirigida por un reverberador, con origen en una variación del pH y  descrita  en torno a un foco asintótico de todas las curvas que la constituyen que representa el estado de  equilibrio  inestable, del  que se aleja describiendo un Ciclo Inestable hasta  alcanzar un  Ciclo Límite Inestable, y al que se acerca haciéndolo como Ciclo Estable hasta alcanzar un Ciclo Límite Estable. El hiperciclo resultante de la intersección de  los  ciclos,  inestable y estable, constituye el sistema (Figura 1).





Figura 1. Hiperciclo, o Sistema: su estructura.

La intersección de los ciclos inestable y estable (ciclos límite), representan Puntos Críticos de los mismos, haciendo que sean resultado de la intersección de dos "sub"-ciclos: Verdadero y Erróneo.


También se dice que en estos puntos críticos el ciclo se "bifurca".

En los puntos críticos, el verdadero  libera  ("disipa") energía y se transforma en ciclo erróneo.

Cuando el punto crítico del ciclo inestable se aleja del centro reverberador tiene una mayor probabilidad de ser erróneo.

Cuando el punto crítico del ciclo estable se aproxima al centro reverberador tiene mayor probabilidad de ser erróneo.

En esta condición, el sistema se le dice que está en condición de Cierre, dado el predominio de energía disipada (ciclo inestable) o absorbida (ciclo estable) sobre aquella utilizada para la intersección con el otro ciclo, y  con ella generar el sistema.

No está resuelto el diagnóstico de:
1. Ciclo Inestable y Ciclo Estable.
2. Ciclo Verdadero y Ciclo Erróneo.
3. Puntos Críticos.
4. Ciclos Límite Inestable y Estable.
5. Sistema. Estados y Relaciones.

Ejemplo de hiperciclos (sistemas) son el Ciclo Respiratorio y Ciclo Cardiaco. El primero constituido por los ciclos Inspiratorio (inestable) y Espiratorio (estable). El segundo por el  ciclo Diastólico (inestable) y Sistólico (estable). Como  ciclos  erróneos de estos, se encuentran las condiciones fisiopatológicas  de Atrapamiento e Isquemia.

En comunicaciones anteriores a esta Sociedad fue presentada la Teoría y Método del Conocimiento de  Sistemas por su Comportamiento (TyMCSC), en la que se define como Interacción el parámetro característico del sistema, la estructura de éste, sus estados y relaciones.

En esta comunicación presentamos  los  problemas diagnósticos enumerados anteriormente, en aplicación específica al estudio de la Isquemia Cerebral, Ciclo Cardiaco y Ciclo Respiratorio.

Método.

Isquemia Cerebral.

El centro reverberador del encéfalo es la estructura metabólica de Vía Oxidativa Directa.

Su actividad hace que se  difundan  hidrogeniones al medio  pericelular,  surgiendo un proceso auto-oscilatorio de características espaciales y temporales que no dependen de sus condiciones iniciales.

El descenso del pH pericelular se erige como centro director de ondas  espirales.

Una  onda que se aleja para alcanzar la arteria local pulsátil (ciclo inestable) donde se "refleja" para acercarse y alcanzar la vena local (ciclo estable), completando ambos el hiperciclo que constituye el Sistema Cerebroespinal, ya sea considerado como globalidad (contenido cráneo-raquis) o como parte  (hemisferio,  lóbulo, etc).

La onda diastólica iniciada en el corazón (ciclo inestable), es alcanzada por aquella dirigida desde el centro  reverberador del encéfalo que la transforma de acuerdo con el nivel de pH que la originó.

El ciclo estable queda condicionado al inestable.

Para que pueda transformarse esta  transformación,  los  dos  sistemas (Cerebroespinal y Cardiaco) han de oscilar en la misma  banda de frecuencias, ya que en caso contrario se produce un desacoplamiento entre ellos que se traduce por Isquemia Cerebral.

La isquemia cerebral tiene dos orígenes:

1)      Primario, o en el Sistema Cerebroespinal.
2)      Secundario, o en el Sistema Cardiovascular.

El desacoplamiento primario lo es entre los ciclos estable e inestable, constituyentes del Sistema Cerebroespinal. Si el  desacoplamiento está producido por la presencia de ciclos  erróneos, y estos definen al propio sistema, tan solo se habla de Isquemia cuando su representación espacial y temporal supera  cierto  "umbral".

En términos de la Teoría y Método del Conocimiento de Sistemas por su Comportamiento, el acoplamiento  entre  los  ciclos  constituyentes del sistema se denomina Interacción, definida como  la acción de transformación  del  ciclo  inestable en estable.  El umbral de acoplamiento es un Punto Crítico en la trayectoria del sistema, que, en la Teoría y Método del Conocimiento de  Sistemas por su Comportamiento, recibe el nombre de Demanda de Cierre (DC), definida como la interacción mínima entre el ciclo inestable y estable, por debajo de la cual se produce su  desacoplamiento, o isquemia pudiendo conocerse por la expresión que sigue:

                                                           
                     (ME - MO)  - DS                    
      DC = (1 -  -------------------------) . c          (1)
                  (MA - MO) . (MO - MI)              
                                                           

donde "c" representa el intervalo de clase de la distribución de muestras de la magnitud que identifica al sistema, MA, MI, MO, ME y DS, representan las variables estadísticas máxima,  mínima, moda, media aritmética y desviación standard, respectivamente.

Conocido el punto crítico de la trayectoria, queda hacerlo de la condición de isquemia, o ciclo erróneo.

Un territorio está isquémico, cuando tomando una muestra significativa de una magnitud que lo identifica, la expresión, según la Teoría y Método del Conocimiento de Sistemas por su Comportamiento, Interacción Primera  (I1ª!),  cuya  expresión es la que sigue,
                                                           
                          ME - DS - MO                    
                 I1ª =  ---------------------                               (2)
                              MO -MI                                                                               

toma valores, en cifras absolutas, iguales o superiores a la unidad.

Por ejemplo, tomando una muestra de densidades proporcionada por una tomografía computarizada cerebral, podemos  conocer si el área muestreada se encuentra isquémica o no.

Existen dos tipo de isquemia cerebral primaria por su origen:

 1) de Stress (en el ciclo inestable). Y,
 2) de Acoplamiento (en  el ciclo estable).

Cuando el desacoplamiento se produce  por  aumento en las frecuencias altas del ciclo inestable, se  denomina Isquemia por Stress (ejemplo: espasmo arterial, taquicardia).

En este caso la Interacción Primera toma valores iguales o inferiores a menos uno (I1ª = -1).

Por el contrario, cuando el desacoplamiento se  produce por un aumento en las frecuencias bajas del ciclo estable,  se denomina Isquemia por Acoplamiento (ejemplo: insuficiencia arterial, hipotensión).

En este caso,  la  Interacción  Primera  toma valores iguales o superiores a más uno (I1ª >= +1).

Como vemos, la condición de isquemia (cierre), viene determinada por la representación tenida en el hiperciclo, por sus ciclos constituyentes.

De hecho, toda la patología viene definida según esta representación: inspiratoria/espiratoria, diastólica/sistólica, etc.; en definitiva, ciclo  inestable/ciclo  estable.

Por ello, es necesario diagnosticar el sistema en función de su ciclo más probable.

Fase del ciclo respiratorio.

Un territorio pulmonar está en Inspiración (ciclo inestable), cuando tomando una muestra significativa de la magnitud que lo identifica, la expresión, según la Teoría y Método del  Conocimiento de Sistemas por su Comportamiento, Interacción Tercera (I3ª), cuya expresión es la que sigue,
                                                         
                        MA - MO                          
             I3ª = ---------------------                        (3)
                     ME + DS - MO                        
                                                           
Toma valores positivos.

En Espiración lo está cuando toma valores negativos.

Por ejemplo, tomando una muestra de densidades proporcionada por una RX de pulmón, podemos conocer si el territorio muestreado  se encuentra en fase inspiratoria o espiratoria.

Estabilidad del ciclo respiratorio.

El acercamiento a los ciclos límite estable e inestable permite identificar la tendencia del sistema;  en este caso, el ciclo respiratorio.

Un territorio pulmonar está estable cuando en una muestra significativa de la magnitud que lo identifica, las expresiones que siguen:


              ME - DS - MO                                (4)

              ME + DS - MO                               (5)


Toman valores negativos.

Está Inestable cuando toman valores positivos. Y, en Transición (inspiración/espiración) cuando  tienen signo opuesto una respecto a la otra.

Relación entre ciclos.

Según la Teoría y Método del Conocimiento de Sistemas por su Comportamiento, las condiciones inspiratoria, espiratoria, estable e inestable, reciben el nombre de Antisistema S3, S1 y S,  respectivamente.

Los sistemas, por su condición de Abiertos y Distribuidos, intercambian materia y energía con  el  ambiente.

El  intercambio de energía sigue una dinámica característica (Figura 2), base de toda terapéutica.

La materia intercambiada viene dada en cantidad equivalente a su energía.

   S - E y S1 <-> S y S1 + E
   S y S1 + E <-> S y (S1 y S3) <-> S y S3 - E
   S - E y S1 <-> (S y S2) y S1 <-> S2 + E y S1
   S - E y S1 <-> (S y S2) y (S1 y S3) <-> S3 - E y S2 + E

Figura 2. Relación de Ciclos con el ambiente.

La dinámica entre ciclos constituyentes verdaderos (sistemas abiertos) y erróneos (sistemas cerrados) es característica (Figura 3).

                         -         -         -
                  S+  <-->  S   <-->  S1  <-->  S1+
                 -#   +    +#   +    -#   +    +#
                                            
                  #+     +  #-     +  #+     +  #-
                  S2  <-->  S2  <-->  S3  <-->  S3
                      -         -         -

Figura 3. Relación entre ciclos.

RESULTADOS.

Isquemia cerebral.

Caso 1.- Diagnóstico de hidrocefalia mediante tomografía computarizada, derivándole el líquido cefalorraquídeo a aurícula derecha mediante válvula  standard.  Derivación que  extrae  líquido en exceso, según manifiesta la clínica y la tomografía computarizada; es decir, produce un desacoplamiento (ciclo erróneo) de las actividades arterial (ciclo inestable) y venosa (ciclo estable) que se traduce por Isquemia Cerebral.

En la Figura 4 tenemos los valores de las expresiones estudiadas por la tomografía computarizada pre-operatoria y post-operatoria, habiendo sido tomadas las densidades del corte situado a nivel inmediato superior a los ventrículos cerebrales y paralelo a la  línea  órbito-meatal.

Los resultados pueden resumirse:

1) TC pre-operatorio: el sistema cerebroespinal tiene reducido primariamente su drenaje venoso (ciclo estable) y en stress la actividad arterial (ciclo inestable); no se encuentra Isquemia.

2) TC post-operatorio: el sistema cerebroespinal se encuentra en Isquemia por stress en el  drenaje de líquido cefalorraquídeo (sobre-drenaje por la válvula).






             EXPRESION       VALOR PRE-          VALOR POST-
                                        OPERATORIO         OPERATORIO
        
                    1                         +  0.81                      +  0.08
                    2                          -  0.86                      +  1.39
                    3                         +  4.44                      +  1.50
                    4                         +67.88                      +64.94
                    5                          -86.02                      +44.56

Figura 4. Caso 1, resultados.

Caso 2.- Paciente con Síncopes y Mareos.

 La tomografía computarizada es normal, el electroencefalograma es normal y el electrocardiograma basal presenta trastornos en  la conducción  secundarios a miocardio-esclerosis.

Se toma la distribución de densidades de la tomografía computarizada en el mismo corte que en  el caso 1 y, se calculan las expresiones estudiadas, cuyos  resultados están en la Figura 5, y que pueden resumirse en: Isquemia Cerebral secundaria a trastornos en el ritmo cardiaco (por  acoplamiento).

Se estudió el ciclo cardiaco tomando la distribución de voltajes de un completo del electrocardiograma en derivación aVL y calculando las expresiones estudiadas. Los resultados se presentan  en la misma Figura 5, en resumen: bloqueo por stress en la conducción cardiaca, en ciclo diastólico de  transición  (tele-diastólico). Probablemente por isquemia miocárdica.

              EXPRESION       VALOR TAC        VALOR ECG
           
                       1                       +  0.40                    +19.90
                       2                       +  1.42                     -  0.93
                       3                       +  2.32                    +  2.08
                       4                       +  9.43                     -  0.93
                       5                       +30.59                     + 2.41

Figura 5. Caso 2, resultados.

Ciclo respiratorio.
Caso 3.- RX de tórax en PA e inspiración profunda de persona sana clínicamente.

Se toma la distribución de  diámetros  transversales y de grises de ambos pulmones, calculándose las expresiones  en  ambos casos, y obteniendo los resultados de la Figura  6.

Cualitativamente no hay diferencia entre las  dos  magnitudes, resumiéndose los resultados: el pulmón se encuentra en Ciclo Inspiratorio (tele-inspiratorio) y en Fase de Transición con el ciclo espiratorio.


              EXPRESION       VALOR POR         VALOR POR
                                           DIAMETROS         DENSIDADES
             
                        1                     + 0.06                     -  1.50
                        2                      - 0.53                     -  0.76
                        3                     + 0.56                     +  0.30
                        4                     + 4.08                     +37.22
                        5                     -12.26                      -  2.22

Figura 6. Caso 3, resultados.

Las densidades de RX de tórax permiten conocer el ciclo respiratorio de territorios pulmonares, y construir imágenes con cada una de las expresiones estudiadas. Un ejemplo es la imagen de Iª, Figura 7, construida según los valores de Interacción Primera (expresión 2) tenidos por territorios de RX pulmonar de 4x4 mm. Imagen que muestra la distribución de ciclos verdaderos y erróneos del ciclo respiratorio en cada pulmón; en definitiva, una imagen de "compliance" pulmonar.

En el caso que se presenta, un paciente con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), con una bulla  en cada pulmón.

En la Figura, cuanto más blanco mayor estancamiento de aire.





Fotograma



Figura 7. Imagen de Interacción Primera.


SUMMARY.

Self-oscillatory, non-linear, non stabilizing  and  dissipatibity biologic systems have been investigated under different  approach than the classical theory of oscillations of Poincaré‚,  Bendixson and others authors. This new vision, called  "Theory  and  Method for the Knowledge of Systems by its Behaviour", is based  on  the general stathistical idea.

In this work the particular properties of the  systems:  critical points and erroneus cycles, are exposure.

By way of an example, let us considerer the  cardiac  and  respiratory cycles. The cerebral  ischaemia,  aisway  clossure,  asynchronous and unequal alveolar ventilation, in particular.


BIBLIOGRAFIA.

 1.- CHAUVET, G.  Traité de physiologie théorique.  Tome  1 (1987). Masson et cie. Editorial.

 2.- HORTHEMKE, W and LEFEVER,R. Noise-induced transitions. Théory and applications in Physics, Chemistry and  Biology  (1984). Springer-Verlag, edit.

 3.- LANDAU, L et LIFCHITZ,E.  Mécanique  Quantique  (1980).  Mir, editorial. Moscou.

 4.- MIGULIN, V. Basic theory of Oscillations  (1983).  Mir editorial. Moscou.

 5.- NICOLIS G, DEWEL G and TURNER JW. Order and fluctuations in equilibrium statistical  mechanics.  XVII th  International Solvay Conference on physics (1978).  Johns  Wiley  &  Sons, 1981.

 6.- PEREZ GARCIA A y cols. Ecuación General  del  Comportamiento del Sistema Cerebroespinal. I Symposium de Ingeniería Biomédica. Madrid, 1981. Actas EITC - Madrid.

 7.- PEREZ GARCIA A. Teoría y Método del Conocimiento de Sistemas por su Comportamiento (1983). Pentalfa, editorial. Oviedo.  Tesis Doctorales en Microficha.

 8.- PEREZ GARCIA A. Sistema de Unidad Biológica de Función  Cardiovascular (1983). II Congreso de Teoría y  Metodología  de
las Ciencias, Oviedo. Actas. Pentalfa editorial, Oviedo.

 9.- PEREZ GARCIA A. Teoría y Método del Conocimiento de Sistemas y/o por su Comportamiento (1983). II Symposium de Ingeniería Biomédica. Madrid, 1983. Actas EITC, Madrid.

10.- VORONOV AA. Basic principles  of  automatic  control  theory. Special linear and non  linear  systems  (1985).  Mir  editorial,      Moscou.

No hay comentarios:

Publicar un comentario