Argomenti in Medicina Dello Sport
a cura del Prof. Giorgio Galanti

Geometria e funzione cardiaca

Giorgio Galanti, Gianni Pedrizzetti
Dipartimento di Area Critica Medico Chirurgica, Università di Firenze.
Dipartimento Ingegneria Civile e Ambientale, Università di Trieste.

Introduzione
Il flusso nel sistema circolatorio è accompagnato da fenomeni di attrito tra sangue e pareti dei vasi (wall shear stress), nonché tra gli stessi filetti fluidi che scorrono a velocità differente; queste resistenze al movimento sono controbilanciate dal continuo apporto di energia fornito al flusso dall’azione della pompa cardiaca. Il cuore è una pompa che, utilizzando l’energia resagli disponibile dall’attività chimica e con un ritmo scandito dall’attività elettrica, fornisce al flusso sanguigno energia nella sua forma puramente meccanica: cinetica, sviluppando la velocità, e potenziale, aumentando la pressione. Questa attività non è dissimile, in linea di principio, dal funzionamento delle pompe meccaniche (volumetriche, a turbina, a elica) sviluppate ed ampiamente utilizzate nelle più varie applicazioni tecnologiche. Non fa quindi meraviglia constatare quanti sforzi sono stati profusi nell’analisi del funzionamento cardiaco in termini meccanici ed ingegneristici. La descrizione della funzione ventricolare mediante il diagramma pressione-volume è riportata nelle prime pagine di ogni testo di fisiologia cardiaca [1] con altri concetti meccanici che pur fornendo utili schemi interpretativi non ne esauriscono né completano la comprensione. Alla pompa cardiaca è richiesta una naturale capacità di adattamento a variazioni delle condizioni di esercizio, siano esse di breve durata o mantenute nel tempo, a tal fine la sua struttura e la sua funzione presentano una forte complessità che ancora sfugge largamente ad una completa comprensione d’insieme, e a maggior ragione ad una soddisfacente modellistica [2].
Negli ultimi decenni gli sviluppi in ambito cardiologico hanno inondato il medico con un enorme flusso di dati che richiedono schemi interpretativi concettuali ed avanzati supporti tecnologici di calcolo capaci di fornire una sintesi utilizzabile in diagnosi.
Ciononostante, l’attività interdisciplinare, con una collaborazione stretta tra le diverse competenze, è necessaria per riuscire a progredire nella comprensione della complessità di organi come il cuore, in termini quantitativi e con criteri obiettivi.
Una corretta valutazione delle prestazioni cardiache, a riposo e sotto sforzo, si accompagna in maniera sempre più indissolubile alla quantificazione delle caratteristiche meccaniche di funzionamento. La conoscenza della struttura cardiaca ha visto un rapido progresso nei tempi più recenti, che hanno assistito ad un passaggio da descrizioni globali estremamente schematiche a descrizioni più locali e fisicamente basate. Un fattore comune che è emerso è l’importanza della geometria della organizzazione muscolare miocardica, quale elemento fondamentale di congiunzione tra struttura anatomica e proprietà funzionali.

Funzione globale e regionale nella visione classica
Nella visione meccanica classica il miocardio è composto di fibre muscolari, a disposizione circolare e longitudinale, e da una rete di tessuto connettivo di sostegno, a formare approssimativamente una superficie ellissoidale di spessore massiccio (figura 1a). In tale visione, durante l’attività sistolica il miocardio si accorcia lungo la direzione longitudinale, o base-apice, e si ispessisce verso l’interno con la conseguente riduzione del volume della cavità ventricolare. Più correttamente, l’accorciamento base-apice è accompagnato da un analogo accorciamento lungo la direzione circonferenziale (figura 1a), e l’ispessimento è una passiva conseguenza della conservazione della massa di ogni porzione di miocardio che, quando si contrae lungo due direzioni, deve necessariamente ispessirsi lungo la terza. A questa semplice visione della struttura geometrica ventricolare corrisponde una valutazione dell’efficienza dell’organo come pompa meccanica di pari semplicità. Il ventricolo è una pompa volumetrica (che spinge il flusso mediante la riduzione del proprio volume) la cui efficienza è quindi valutabile, in prima istanza, attraverso la quantità di fluido espulso nell’unità di tempo (CO), la capacità percentuale di riduzione del proprio volume (EF), e simili indicatori globali di funzione. L’abilità del ventricolo di sostenere intense attività sportive si ripercuote nella capacità di incremento sotto sforzo dei parametri funzionali. Modelli che trattano l’organo nel suo complesso non tengono ovviamente conto dell’effettiva struttura locale del ventricolo né della sua possibile variabilità funzionale [3]. Approfondendo l’analisi della struttura del miocardio è stato osservato come le fibre non siano organizzate lungo le due direzioni, longitudinale e circonferenziale. Esse piuttosto seguono profili in prima approssimazione elicoidali, che ruotano in un senso nel sub-endocardio e nel senso opposto verso l’epicardio (Figura 1b), mentre hanno un andamento circolare nella zona più centrale del miocardio. I profili elicoidali mostrano inclinazioni differenti nelle diverse regioni del miocardio dando così luogo ad una struttura con caratteristiche disomogenee ed anisotrope. Regioni diverse hanno quindi differenti risposte strutturali agli sforzi, in apparente contrasto con la visione base-apice e radiale della meccanica della contrazione.
Modelli matematici hanno invece mostrato come tale struttura sia perfettamente compatibile con un meccanismo di deformazione longitudinale ed un analogo accorciamento lungo la direzione circonferenziale. Il peculiare orientamento delle fibre appare addirittura ottimale per avere una distribuzione uniforme delle tensioni durante la contrazione sistolica. Tale uniformità della distribuzione di sforzi (strain) è stata confermata sia da modelli matematici (approssimati) sia da misure sperimentali condotte su animali [4]. La valutazione dell’attività di contrazione e rilasciamento regionale è resa possibile dalle moderne tecnologie (ecocardiografiche e, con maggiore dispendio, in risonanza magnetica).
Le tecniche ecografiche basate sul Doppler tessutale permettono la valutazione della deformazione sulla base della differenza di velocità tra zone vicine del tessuto [5,6]: durante la contrazione di un segmento muscolare un suo estremo si muove con velocità superiore all’altro, e quindi il segmento si accorcia (Figura 2a). L’approccio basato sul Doppler tessutale presenta la limitazione di poter stimare solo la velocità lungo una direzione (tipicamente longitudinale), non permettendo quindi di valutare le deformazioni in segmenti curvi. Nuove tecniche, basate sulla ricostruzione del completo movimento tessutale dalle immagini in scala di grigio (sovente denominate speckle tracking o feature tracking) [7-10], permettono di determinare con maggiore completezza la deformazione anche in segmenti curvi (Figura 2b), con la possibilità di misurare la risposta meccanica delle pareti basale, mediana e apicale con pari accuratezza [11].
Una distribuzione non uniforme della contrattilità regionale rappresenta dunque una potenziale tendenza allo sviluppo di deformazioni differenziate e modifiche morfologiche (reshaping). Parimenti, modifiche morfo-funzionali della geometria, siano esse patologiche o dovute ad altre cause come intensi allenamenti specifici, si possono ripercuotere con differenziazioni nella potenza della contrazione tra le diverse regioni del miocardio. Anche il semplice sviluppo ipertrofico naturale, sovente associato all’attività atletica, corrisponde globalmente ad un incremento della contrattilità cardiaca sotto sforzo. Questo può essere più o meno uniformemente distribuito: ad esempio, considerazioni puramente geometriche (si veda anche la figura 2b) suggeriscono che un incremento dell’ispessimento si rifletta in maniera più marcata nella zona apicale, a forte curvatura, che nelle regioni basali, più rettilinee [12].

Bibliografia
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