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
PLETISMOGRAFIA
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=CxV
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
3
d
potenziometro
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
Pletismografia (di un arto)
Interrompendo il deflusso venoso con una cuffia da sfigmomanometro,
il volume dell’arto aumenta rispecchiando l’afflusso arterioso.
L’occlusione viene mantenuta per una decina di secondi, quindi viene
rilasciata e poi ripetuta. In questo modo si può determinare il flusso
sanguigno all’arto, sia a riposo, sia durante contrazioni isometriche
(tipicamente tenere gonfiato un palloncino a pressione controlalta =
hand grip)
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.