LA GETTATA CARDIACA (gittata cardiaca, cardiac output, CO, Q, Qt) C O = SV x HR (SV = stroke volume, gittata sistolica, HR = frequenza cardiaca)

È ovviamente la variabile cardiocircolatoria più importante nell’esercizio fisico: aumenta in proporzione lineare al consumo d’ossigeno, per aumento di HR e SV. L’aumento di SV varia in diversi soggetti. L’aumento di HR è pure lineare. CO aumenta per due ragioni: caduta delle resistenze vascolari a livello dei muscoli e aumento del ritorno venoso. Questo è dovuto alla “pompa muscolare” e alla “pompa respiratoria”. L’esercizio fisico è la maggiore causa di aumento di CO: arriva a 4-6-8 volte, a seconda delle capacità aerobiche del soggetto. L’allenamento aerobico non fa cambiare CO a riposo, ma aumenta quello sotto sforzo perché il consumo d’ossigeno massimale diventa progressivamente maggiore.

METODI DI MISURA DELLA GITTATA CARDIACA EVOLUZIONE STORICA METODI DIRETTI METODI INDIRETTI cruenti o incruenti BASATI SU: PRINCIPIO DI FICK TECNICHE DI IMAGING ECODOPPLER BALLISTOCARDIOGRAMMA IMPEDENZOMETRIA TORACICA ONDA SFIGMICA

METODI DI MISURA DELLA GITTATA CARDIACA EVOLUZIONE STORICA Forse il primo a misurare CO fu William Harvey (1628) che, per dimostrare la circolazione del sangue, tagliò l’aorta di una cane vivo e raccolse il sangue che ne usciva, spiegando che la quantità era tale da non poter essere fabbricato dal fegato a partire dagli alimenti, come prima si credeva. Il metodo è ovviamente cruento ma abbastanza preciso. Nel XIX secolo fu introdotto il reometro: un tubo munito di turbina che veniva inserito nell’aorta.

Verso gli anni 50 del ‘900 iniziò l’uso del flussimetro elettromagnetico, uno strumento ancora utilizzato anche nell’uomo durante interventi a torace aperto. Si tratta di un anello di plastica che si dispone intorno all’aorta e contiene un magnete alimentato a corrente alternata: il flusso di sangue (liquido elettrolitico) all’interno del campo elettromagnetico crea variazioni del campo elettrico proporzionali alla velocità del flusso. Ne è stata costruita anche una versione miniaturizzata in punta di catetere, che può essere inserita in un’arteria periferica e spinta fino alla radice dell’aorta, dove misura la velocità del sangue (per trasformare la velocità in portata, bisogna moltiplicarla per l’area di sezione, che è costante nel flussimetri ad anello ma non può esserlo in quello a catetere). Analoghi strumenti si basano sull’effetto Doppler e utilizzano gli ultrasuoni.

METODI DI MISURA DELLA GITTATA CARDIACA METODI INDIRETTI cruenti BASATI SUL PRINCIPIO DI FICK FORMULA DI FICK: C = Q / V In una soluzione la concentrazione (C) è uguale al rapporto fra la quantità di soluto (Q) e il volume del solvente (V) Riarrangiando: Q = C x V V = Q / C

METODI DI MISURA DELLA GITTATA CARDIACA METODI INDIRETTI cruenti BASATI SUL PRINCIPIO DI FICK Nel caso di CO, l’incognita è V: il volume in cui si discioglie una determinata sostanza (es. un colorante) nell’unità di tempo. Bisogna conoscere la quantità della sostanza (Q) e la sua concentrazione nel sangue (C). Il colorante usato ancora in qualche laboratorio è verde (cardiogreen) e la sua concentrazione si determina facendo passare del sangue prelevato da un’arteria attraverso uno spettrofotometro. Si ricava una curva, dalla quale si calcola la concentrazione media per un determinato numero di secondi. La curva ha una forma a campana bimodale: la fase di caduta si interrompe quando comincia il ricircolo del colorante dalle vene. Bisogna estrapolare la forma della curva in assenza di ricircolo

Curva di concentrazione del colorante % s

METODI DI MISURA DELLA GITTATA CARDIACA METODI INDIRETTI cruenti BASATI SUL PRINCIPIO DI FICK Già da molto tempo si è usato il metodo di Fick per stimare CO in base al consumo di ossigeno: la quantità di ossigeno assorbita attraverso il circolo polmonare in un minuto aumenta la sua concentrazione nel volume di sangue che vi passa. L’aumento della concentrazione si determina come differenza artero-venosa (Δ A-V O2): bisogna prelevare un campione di sangue arterioso (va bene anche quello capillare che si ottiene bucando un dito) ed uno di sangue venoso misto. Per ottenere quest’ultimo è necessario arrivare con un catetere venoso nel ventricolo destro o, meglio, nell’arteria polmonare perché il sangue venoso proveniente da varie parti del corpo deve essere ben miscelato.

In particolare, bisogna ricordare che il circolo venoso coronarico si scarica per l’80% nel seno venoso coronarico, circa all’altezza del nodo atrioventricolare. Questo sangue è particolarmente povero di ossigeno perché il cuore estrae anche a riposo una quantità quasi massimale, portando il contenuto di O2 a 4-5 ml/100, mentre il sangue venoso misto ne contiene circa 15 ml/100. Il consumo di ossigeno si determina facendo respirare il soggetto in un circuito chiuso, dal quale viene sottratta la CO2. Esempio, con valori tipici: Cons. O2: 250 ml/min; Δ A-V O2: 5 ml/100 CO = 250/5x100 = 5000 ml/min Il metodo richiede condizioni stazionarie ed è soggetto ad errori se vi sono ineguaglianze ventilazione/perfusione. Inoltre, essendo basato su di un cateterismo cardiaco, è invasivo e deve essere impiegato da personale sanitario in ambiente medico

Metodi alternativi non invasivi: rirespirazione di un gas diffusibile. Si fa inalare da un pallone aria contenente un gas estraneo altamente diffusibile fino a che la sua concentrazione nel pallone diventa costante. Si calcola quindi la quantità di gas che è stata sottratta per diffusione e, basandosi sulla concentrazione finale, si applica la formula di Fick per calcolare il volume di sangue in cui il gas estraneo si è disciolto. Tutti i calcoli vengono effettuati automaticamente dagli apparecchi. A Scienze Motorie disponiamo di una metodo più perfezionato (Innocor), che aggiunge anche una gas indiffusibile per calcolare con maggiore precisione il volume totale pallone + sistema respiratorio in cui si dissolve il gas diffusibile. Questi metodi calcolano in realtà la gettata del ventricolo destro (circolo polmonare): si da per scontato che quella del ventricolo sinistro sia uguale, per calcolare SV si divide CO per HR

Metodi alternativi: termodiluizione Metodo molto usato in clinica, preciso e facile ma richiede un cateterismo cardiaco con guida fluoroscopica. La variabile misurata è la temperatura istantanea del sangue nell’arteria polmonare. Si usa il catetere di Swann-Ganz: un lungo tubicino che ha tre lumi e due fili elettrici. Sulla punta del catetere è posto una termocoppia: la saldatura fra due fili di materiale diverso modifica la sua resistenza in funzione della temperatura; è inserito in un ponte di Wheatstone, cioè un insieme di quattro resistenze in serie e in parallelo a due a due:

PONTE DI WHEATSTONE termocoppia 1 alimentazione a b 2 4 c potenziometro 3 d Alimentazione fra 1 e 3. Quando la somme delle resistenze (a+b) = (c+d) la differenza di potenziale fra 2 e 4 è = 0; se b cambia passa una corrente proporzionale alla temperatura. Il potenziometro d serve per “bilanciare” il ponte. Lo stesso sistema è usato per misurare la pressione con il metodo a strain gauge: al posto della termocoppia c’è una lamina metallica che modifica la sua resistenza in funzione della deformazione (strain)

Il catetere ha un palloncino in prossimità della punta, è aperto in punta e ha un’altra apertura circa 7 cm più sopra. Si introduce il catetere da una vena periferica, misurando la pressione alla punta. Quando si è raggiunto il ventricolo destro (la pressione pulsa da 0 a 25 mmHg) si gonfia il palloncino in modo che la corrente di sangue durante la sistole ventricolare trascini il catetere nell’arteria polmonare (la pressione pulsa fra 12 e 25 mmHg). Posizionato il catetere, si inietta dal foro prossimale, che si trova nell’atrio destro, una quantità nota di liquido (soluzione glucosata) a temperatura vicino a 0°C e si registra la curva della temperatura nell’arteria polmonare, che subirà una variazione analoga a quella della curva di diluizione del colorante, anche se invertita. Conoscendo la capacità termica della soluzione iniettata e il suo volume, si calcola la quantità Q del calore sottratto al sangue. L’integrale della curva di temperatura viene moltiplicata per la capacità termica del sangue e così si ottiene la “concentrazione” media C del calore nel sangue durante la manovra. Si applica quindi la formula di Fick. Tutti i calcoli sono effettuati automaticamente dall’apparecchio.

Il catetere di Swann-Ganz serve anche per misurare le pressioni nel ventricolo destro e nell’arteria polmonare. È inoltre possibile spingere il catetere fino a che si arresta e gonfiare nuovamente il palloncino, che resta “incuneato” in un piccolo ramo dell’arteria polmonare: poiché esso non è alimentato dalla pressione a monte, essendo ostruito dal palloncino, la pressione che si misura in punta corrisponde alla pressione capillare polmonare (wedge pressure – wedge = cuneo). Il posizionamento del catetere è invasivo e richiede che il soggetto sia sdraiato; il controllo fluoroscopico rende più facile la manovra. Una volta in posizione, però, esso non si muove più e il soggetto si può spostare e può anche eseguire esercizio fisico.

ULTRASUONI Vi sono due distinte applicazioni degli ultrasuoni in cardiologia: l’imaging (eco) e la misura di velocità del sangue (Doppler). Gli ultrasuoni penetrano nei tessuti e ne vengono riflessi con una velocità diversa ogni volta che cambia il materiale che attraversano. La sonda consiste in un cristallo di quarzo che è messo in vibrazione dalla corrente elettrica alternata ad una frequenza adatta a produrre ultrasuoni; a sua volta, quando è colpito da una vibrazione, il cristallo produce una corrente alternata della stessa frequenza. La sonda è alimentata ad intervalli ed emette ultrasuoni; fra un intervallo e l’altro riceve le onde sonore riflesse (oppure c’è un cristallo emettitore e un altro ricevente). Il software ricostruisce un’immagine sulla base delle onde riflesse, valutandone il ritardo, che rispecchia la profondità della riflessione. Si possono così “visualizzare” le pareti anteriore e posteriore del cuore, nonché il loro spessore. Combinando tre assi, si ricostruisce il volume ventricolare in sistole e in diastole e si può misurare la gittata sistolica.

Effetto doppler Un’onda sonora che colpisce un oggetto in movimento (oppure prodotta da un oggetto in movimento) viene riflessa con una distorsione (variazione di frequenza) proporzionale alla velocità dell’oggetto: se ti passa vicino un treno che fischia, il fischio diventa sempre più acuto mentre il treno si avvicina e sempre più grave quando si allontana. Se si “insonora” un vaso e si raccoglie l’onda riflessa, essa sarà distorta dai globuli rossi che corrono nel vaso. Registrando l’onda riflessa, si otterrà una forma d’onda uguale all’onda di velocità del flusso (in m/s). Se contemporaneamente si misura il diametro del vaso, si ottiene una misura di portata (in ml/s). È possibile colpire con il raggio di ultrasuoni la radice dell’aorta, o, più frequentemente, la valvola mitrale e ottenere così un’altra misura della gettata sistolica. Gli apparecchi clinici combinano le due tecniche, fornendo il cosiddetto ecodoppler. Il software fornisce falsi colori che permettono di distinguere la direzione del flusso.

Gli apparecchi a ultrasuoni sono molto diffusi e non sono molto costosi, per cui cominciano ad essere utilizzati anche nei laboratori di scienze del movimento. Vi sono però numerosi problemi pratici, legati alla necessità che il punto in cui viene effettuata la misura non si muova, all’abilità dell’operatore e alla difficoltà di ottenere una buona taratura

SCINTIGRAFIA Per “vedere” il cuore si può iniettare un mezzo di contrasto opaco ai raggi X nel sangue e scattare una serie di radiografie sincronizzate con l’ECG in modo da fotografare i ventricoli in sistole e in diastole. Questa tecnica è stata abbandonata perché richiede una dose troppo elevata di raggi. Viene impiegata per ottenere l’angiografia coronarica. È al contrario possibile rendere radioattivo il sangue, iniettando degli isotopi, e fotografare il cuore in rapida sequenza, ottenendo una scintigrafia. Il metodo è impiegato in alcune cliniche, ma richiede grandi attrezzature ed è dubbio sia lecito usarlo per scopi di ricerca e/o monitoraggio durante l’attività fisica

BALLISTOCARDIOGRAMMA Si tratta di una curiosità storica, tornata d’attualità con i voli spaziali. Sfrutta il “contraccolpo” che l’apice del cuore riceve all’apertura della valvola aortica, quando il sangue viene fortemente accelerato in direzione del capo, mentre il cuore viene spinto in direzione opposta, imprimendo a tutto il corpo una spinta verso i piedi. La forza di questa spinta dipende in qualche modo dalla gittata sistolica. Il metodo è teoricamente semplice perché utilizza una bilancia di precisione e a risposta molto rapida: funziona molto meglio in assenza di gravità. Per questo è stato usato per determinare la gittata sistolica negli astronauti. Potrebbe avere ulteriori applicazioni perché è concettualmente e materialmente semplice

IMPEDENZOMETRIA TORACICA L’impedenza elettrica del torace varia in funzione del volume in esso contenuto: a sua volta, il volume è determinato da caratteristiche antropometriche, invariabili a breve termine per ciascun individuo, dal volume respiratorio e dal volume di sangue. Quest’ultimo si modifica ad ogni sistole in funzione della gittata sistolica. Registrando la derivata della curva dell’impedenza toracica, si ottiene una forma d’onda molto simile a quella del flusso aortico ottenuta con altri metodi. Si è pertanto sviluppata una tecnologia che sfrutta questo fenomeno per misurare gittata sistolica e cardiaca in maniera del tutto incruenta, anche in soggetti in movimento. Restano da risolvere problemi di taratura e la depurazione da disturbi, che sono rilevanti. Pertanto da una lunga registrazione l’operatore sceglie alcuni cicli cardiaci in cui la traccia appare pulita. Questo però espone al rischio di valutazioni soggettive

ONDA SFIGMICA È noto che ad ogni ciclo cardiaco durante la sistole il ventricolo sinistro fa entrare nell’aorta (e il ventricolo destro nell’arteria polmonare) un volume di sangue pari alla gittata sistolica, che distende l’aorta e le grandi arterie facendo aumentare la pressione arteriosa. Questo volume in eccesso abbandona l’albero arterioso durante la diastole: in questa fase la pressione arteriosa si abbassa progressivamente seguendo un andamento monoesponenziale, caratterizzato da una sua costante di tempo. Il sistema è analogo ad un circuito resistenza/capacitanza: un condensatore, caricato alla chiusura del circuito, si scarica attraverso la resistenza, con una costante di tempo τ = R*C. τ indica il tempo necessario perché la scarica del condensatore raggiunga 2/3 (66%). La capacitanza è rappresentata dalla compliance (elasticità) del sistema arterioso e la resistenza corrisponde alle resistenze periferiche totali. In teoria, quindi, se la pressione decade in diastole in maniera esponenziale, dalla costante di tempo si può ricavare R, se C è nota.

ONDA SFIGMICA La compliance arteriosa dipende dalle caratteristiche antropometriche, dall’età e dal sesso di ciascun individuo, in assenza di patologia specifica. Inoltre, la compliance dipende fortemente dal valore istantaneo della pressione: questa distende i vasi, rendendoli progressivamente meno distensibili. Il portapres genera un’onda pressoria assai simile all’onda sfigmica. Il software specifico si basa su dati statistici per calcolare un valore di partenza della complliance, che corregge momento per momento per il valore istantaneo della pressione. Calcolata la τ, calcola R dal rapporto τ/C. Ricordando che R = P/CO, si conclude che se l’incognita è la gittata cardiaca, essa può essere calcolata come rapporto P/R. In realtà, il software usa un modello basato su una formula analoga, che ricostruisce momento dopo momento l’onda di flusso aortico, e calcola quindi SV. Il metodo è largamente utilizzato neo nostri laboratori.