Scopo della tesi PAG. VI
Scopo della tesi
A tutti è noto l’importante ruolo che riveste il cuore nel corso della nostra vita, regolando la
circolazione sanguigna in modo preciso ed ordinato, spingendo costantemente il sangue con
pulsazioni adeguate al tipo di attività fisica che stiamo svolgendo, e distribuendo così le sostanze in
tutto l’organismo in ogni momento della giornata. Questa attività meccanica viene controllata dal
sistema nervoso autonomo (SNA), che attraverso impulsi elettrici regola la contrazione del cuore. Il
comando elettrico si distribuisce opportunamente su tutto il tessuto miocardico ed è proprio questo
segnale elettrico, il segnale elettrocardiografico, che viene normalmente registrato e studiato
mediante l’elettrocardiogramma.
Un ulteriore metodo che possiamo però usare per studiare l’attività del nostro cuore
consiste nella rilevazione delle variazioni della frequenza cardiaca: in questo modo riusciamo a
costruire il tacogramma, segnale che rappresenta l’andamento delle distanze temporali tra un
battito cardiaco ed il successivo (ovvero le distanze R-R tra due picchi di due complessi cardiaci
QRS successivi). Mediante strumenti di misura piø semplici ed economici dell’elettrocardiografo
possiamo così avere informazioni sull’attività cardiaca, possiamo rilevarne irregolarità
fisiologiche o patologiche, o possiamo anche valutare eventuali fenomeni di variazione della
frequenza cardiaca e studiare gli adattamenti che si attuano in risposta a particolari condizioni
fisiche e a stimoli esterni.
Il nostro lavoro comincerà con la registrazione delle frequenze cardiache su un congruo
campione di giovani sani e di corporatura normale, classificabili in soggetti sedentari e atleti,
sottoposti a tilt-test. Tale test impone al corpo del paziente un cambiamento di posizione
involontario, e in questo modo si genera una variazione delle distribuzioni del fluido sanguigno nei
diversi distretti corporei. Gli adattamenti cardiocircolatori necessari a compensare la nuova
situazione dipenderanno, durante il test, solo dalle capacità del cuore di comportarsi da pompa e
dall’intervento della muscolatura liscia dei vasi, che andranno ad adattarsi alle diverse pressioni
causate dalla posizione orizzontale o inclinata del corpo per mantenere una corretta irrorazione
del sangue in tutto il corpo.
Analizzeremo successivamente i segnali registrati. Il nostro primo scopo sarà di valutare se
vi sono differenze tra gli adattamenti cardiocircolatori delle due diverse categorie e come varierà,
in risposta al cambio di posizione del corpo, la frequenza cardiaca nei due gruppi di soggetti.
Scopo della tesi PAG. VII
Ricaveremo poi i tacogrammi di tutti i soggetti sottoposti al test e li studieremo applicando
un’analisi non lineare di tipo RQA (Recurrence Quantification Analysis), utilizzando un software
che avevamo creato in ambiente MatLab durante il tirocinio per la laurea di primo livello.
¨ infatti dimostrato che l’analisi delle ricorrenze dà informazioni non solo sulle variazioni della
frequenza cardiaca, variazioni ben visibili già da una rapida analisi visiva dei segnali registrati,
ma anche e sopratutto sulla dinamica di controllo di tale frequenza: come è noto, e come viene
ampiamente spiegato in medicina ed in letteratura, il cuore è infatti controllato essenzialmente dal
sistema nervoso autonomo, e un’analisi RQA fornisce informazioni proprio sulla funzionalità del
SNA stesso. Il nostro fine ultimo sarà dunque di valutare se tali meccanismi di controllo del sistema
cardiocircolatorio sono equivalenti nei due gruppi di soggetti, o se la pratica di sport in modo
costante e a livello agonistico li influenza e li modifica in modo apprezzabile.
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.1
Cap.1 Anatomia e Fisiologia del Cuore
Il sistema cardiovascolare è costituito da tre elementi:
1) il sangue - un fluido che circola per il corpo e che porta sostanze nutritive ed ossigeno alle cellule
e ne allontana quelle da eliminare;
2) i vasi sanguigni - condotti attraverso i quali il sangue circola;
3) il cuore - una pompa muscolare che distribuisce il flusso di sangue in tutti i vasi.
Il sistema cardiovascolare può distribuire le sostanze attraverso tutto l'organismo piø rapidamente
rispetto a quanto possa fare la diffusione: infatti grazie alla spinta del cuore le molecole nel sangue
si muovono piø velocemente dato che non procedono a caso, avanti-indietro o a zig-zag come nella
diffusione, bensì in maniera precisa ed ordinata.
La circolazione del sangue è così cruciale per la nostra esistenza, ma ovviamente il cuore deve
svolgere la sua funzione continuamente e in maniera corretta, ogni minuto e ogni giorno della nostra
vita.
1.1) – Anatomia del cuore
Il cuore è un organo cavo di
natura muscolare, localizzato nella
cavità toracica in una zona centrale
chiamata mediastino, come mostrato
in fig. 1.1. Le sue dimensioni sono
simili a quelle del pugno di un uomo;
il suo peso, in un individuo adulto, si
aggira intorno ai 250-300 grammi.
Ha una forma grossolanamente
conica ed il suo asse è diretto in
avanti e verso il basso, quindi la base
è rivolta verso l'alto a destra, mentre
la punta è rivolta in basso, verso
sinistra; in questo modo il ventricolo
destro viene a trovarsi un po' piø in
avanti rispetto a quello sinistro [1].
Figura 1.1) Posizione anatomica del cuore
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.2
Il miocardio, cioè il muscolo cardiaco, permette al cuore di contrarsi, aspirando sangue
dalla periferia e pompandolo nuovamente in circolo.
Internamente il cuore è rivestito da una membrana sierosa, detta endocardio. Esternamente, invece,
il cuore è contenuto in una seconda membrana detta pericardio, che lo fissa inferiormente al centro
frenico del diaframma e che lo avvolge, isolandolo e proteggendolo dagli organi vicini, e
costituendo uno spazio entro il quale il cuore è libero di contrarsi, senza dover per forza dare luogo
ad attriti con le strutture circostanti.
Le cellule del pericardio secernono un liquido che è contenuto tra le due membrane, che ha il
compito di lubrificare le superfici per evitare attriti durante le contrazioni.
Interiormente il cuore è suddiviso in quattro cavità (o camere) distinte: due aree atriali
superiori (atrio destro e atrio sinistro) e due aree ventricolari inferiori (ventricolo destro e ventricolo
sinistro), visibili nella fig. 1.2. Sulla faccia esterna si possono riconoscere delle linee, chiamate
solchi, che segnano il confine tra atri e ventricoli (solco coronario o atrioventricolare), tra i due atri
(solchi interatriali) e tra i due ventricoli (solchi longitudinali) [2, 3].
Figura 1.2) Anatomia del cuore
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.3
Internamente esistono due setti, chiamati setto interatriale e setto interventricolare, che
dividono il cuore in due metà distinte: la loro funzione è quella di impedire qualsiasi tipo di
comunicazione tra i due atri e tra i due ventricoli.
Tra gli atri ed i ventricoli esistono invece due orifizi atrio-ventricolari dotati di valvole che
li mettono in comunicazione, a destra con la valvola tricuspide (formata da tre lembi connettivali) e
a sinistra con la valvola bicuspide o mitrale (formata da due lembi connettivali).
Nella fig. 1.3 è possibile osservare il percorso effettuato dal sangue nel cuore.
L'atrio destro riceve sangue tramite tre vene, la vena cava superiore, la vena cava inferiore ed il
seno coronario. Questo sangue, detto venoso, è povero di ossigeno e ricco di anidride carbonica, e
raggiunge il muscolo cardiaco proprio per essere inviato ai polmoni e per riossigenarsi. Da qui il
sangue attraversa la valvola tricuspide e raggiunge il ventricolo destro, da cui viene inviato verso i
polmoni attraverso l’arteria polmonare, che è collegata mediante la valvola polmonare (costituita da
tre lembi connettivali).
Figura 1.3) Percorso del sangue arterioso (rosso) e del sangue venoso (blu):
VENA CAVA INFERIORE, VENA CAVA SUPERIORE ATRIO DESTRO TRICUSPIDE
VENTRICOLO DESTRO VALVOLA POLMONARE ARTERIA POLMONARE POLMONI
VENE POLMONARI ATRIO SINISTRO MITRALE O BISCUPIDE VENTRICOLO SINISTRO
AORTICA-SEMILUNARE AORTA
Atrio
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.4
Al contrario, l'atrio sinistro riceve sangue arterioso proveniente dai polmoni, ricco diossigeno e
povero di anidride carbonica, dalle quattro vene polmonari, per riversarlo in circolo e permettergli
di assolvere le proprie funzioni: dare nutrimento ed ossigeno ai vari tessuti. Il sangue giunto
all’atrio attraversa la valvola mitrale e raggiunge il ventricolo sinistro, che invia sangue al corpo
attraverso l’aorta, che con successive diramazioni dà origine a tutte le arterie minori e raggiunge i
vari organi e tessuti. Il ventricolo è separato dall'aorta mediante la valvola aortica, la quale presenta
una morfologia del tutto sovrapponibile a quella polmonare.
Infine, le arterie coronarie costituiscono un sistema in grado di assicurare un apporto
costante di ossigeno e nutrienti al muscolo cardiaco. Questo sistema di vasi, ha origine da due
arterie, le coronarie di destra e di sinistra, che si diramano in una sorta di rete dalle ramificazioni
sempre piø sottili, come vediamo nella fig. 1.4.
Il sistema coronarico può aumentare fino a cinque volte l'apporto di sangue al cuore (durante
esercizio massimale il flusso di sangue nelle coronarie può raggiungere il valore di 1 litro/min),
infatti il cuore è un organo altamente vascolarizzato (circa 3-4 volte in piø rispetto al muscolo
scheletrico) e ogni sua cellula viene irrorata da almeno un capillare.
L'ossigeno è un elemento fondamentale per l'ottimale funzionamento del muscolo cardiaco. A
differenza degli altri muscoli striati, il cuore possiede una limitata capacità di trarre energia da
processi anaerobici. Se private dell'ossigeno le cellule del muscolo cardiaco muoiono già dopo
pochi minuti e, se tale necrosi, chiamata infarto, coinvolge un numero importante di cellule, può
Figura 1.4) Arterie coronarie e Sistema coronarico
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.5
essere fatale per l'individuo o comunque causare gravi deficit, dato che le cellule miocardiche
danneggiate non hanno capacità di rigenerarsi.
1.2) – Ciclo cardiaco
Il cuore ha quattro proprietà fondamentali:
1) la capacità di contrarsi;
2) la capacità di autostimolarsi a determinate frequenze cardiache;
3) la capacità delle fibre miocardiche di trasmettere a quelle vicine lo stimolo elettrico ricevuto,
avvalendosi anche di vie di conduzione preferenziali;
4) l'eccitabilità, cioè la capacità del cuore di rispondere allo stimolo elettrico che gli è stato
somministrato.
Il ciclo cardiaco è il tempo che intercorre tra la fine di una contrazione cardiaca e l’inizio
della successiva, e dura circa 0,9 secondi. Nel ciclo cardiaco possiamo distinguere due periodi: la
diastole (il periodo di rilasciamento della muscolatura miocardia e di riempimento del cuore) e la
sistole (periodo di contrazione, cioè l’espulsione del sangue nel circolo sistemico mediante l’aorta).
La maggior parte (circa il 75%) del sangue che arriva al cuore durante la diastole, passa
direttamente dagli atri ai ventricoli, mentre la restante quantità viene pompata dagli atri ai ventricoli
tramite la contrazione degli atri stessi. Quest'ultima quantità di sangue non riveste una particolare
importanza in condizioni di riposo; diventa invece indispensabile durante lo sforzo, quando
l'aumento della frequenza cardiaca accorcia la diastole (cioè il periodo di riempimento del cuore)
rendendo piø breve il tempo a disposizione per il riempimento dei ventricoli.
Il movimento delle valvole cardiache è passivo: esse si aprono e si chiudono passivamente
come conseguenza dei regimi pressori esistenti nelle camere separate dalle valvole stesse.
Tutte le valvole presenti nel cuore rivestono un ruolo molto importante, in quanto consentono al
sangue di fluire in un’unica direzione, impedendogli di tornare indietro; un loro eventuale
malfunzionamento è causa di gravi problemi cardiaci.
Il cuore può quindi essere paragonato ad una pompa aspirante e premente che riceve il
sangue dalla periferia e lo spinge nelle arterie rimettendolo in circolo.
In condizioni di riposo, durante la sistole (contrazione dei ventricoli), circa 70 centimetri cubici di
sangue (60-70ml) vengono espulsi dal ventricolo sinistro per un totale di circa 5 litri al minuto. Tale
quota in una persona sportiva può aumentare, durante l’attività fisica, fino a 20-30 litri al minuto.
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.6
Il ciclo cardiaco è reso possibile dall'alternarsi di movimenti di contrazione e di
rilassamento del miocardio; questa successione di eventi avviene autonomamente, e si ripete per
circa 70-75 volte al minuto in condizioni di riposo.
Il ciclo cardiaco si compone di quattro fasi:
• 1° Fase: Riempimento o diastole ventricolare
• 2° Fase: Contrazione isovolumetrica dei ventricoli
• 3° Fase: Eiezione o contrazione isotonica ventricolare
• 4° Fase: Rilasciamento isovolumetrico
Il ventricolo sinistro nella contrazione subisce una riduzione dei diametri traversi [4]; il
ventricolo destro, invece, si contrae per una riduzione dei diametri longitudinali, per una azione di
soffietto che attrae la parete destra verso il setto interventricolare e la pressione del sinistro per una
riduzione del volume del destro sospinto verso il setto: questo ultimo fenomeno è noto come aiuto
ventricolare sinistro. Tornando alle quattro fasi cardiache, possiamo vedere come avviene nel
dettaglio la contrazione cardiaca. Le fasi del ciclo sono visibili in fig. 1.5.
Figura 1.5) Fasi del ciclo cardiaco
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.7
• 1° Fase
La pressione intraventricolare diventa inferiore a quella striale, quindi si ha l’apertura delle valvole
atrioventricolari. A questo punto comincia il riempimento ventricolare grazie alla contrazione
atriale fino alla chiusura delle stesse valvole.
• 2° Fase
Sia le valvole atrioventricolari che le valvole arteriose restano chiuse, durante questa fase si ha
contrazione ventricolare isovolumetrica.
• 3° Fase
Si aprono le valvole arteriose, ovvero la mitrale e la tricuspide, con conseguente espulsione del
sangue e caduta della pressione intraventricolare. La fase si conclude con la chiusura delle valvole
arteriose per il ritorno del sangue refluo.
• 4° Fase
Si ha il rilasciamento dei ventricoli, quindi la pressione ventricolare diventa inferiore a quella atriale
e si ha l’apertura delle valvole atrio ventricolari.
1.3) – Regolazione della contrazione cardiaca
Il cuore, come i muscoli scheletrici, si contrae in risposta ad uno stimolo elettrico: per i
muscoli scheletrici questo stimolo arriva dal cervello attraverso i vari nervi; per il cuore, invece,
l'impulso si forma in modo autonomo, in una struttura presente nell’atrio destro chiamata nodo
senoatriale. Da qui, gli stimoli elettrici si diffondono a tutte le regioni cardiache mediante un
sistema di conduzione capillare.
La propagazione dell'impulso procede attraverso tappe distinte, grazie alle strutture visibili
nella fig. 1.6: il nodo senoatriale origina lo stimolo che eccita i muscoli atriali provocandone la
contrazione. L'impulso elettrico raggiunge poi il nodo atrioventricolare, situato tra atrio e ventricolo
destro, dove subisce un lieve rallentamento e da cui si diffonde e si propaga fino a raggiungere il
fascio di His, dal quale parte l'impulso di contrazione dei ventricoli che si propaga infine verso il
basso. Il fascio di His si divide in due branche, quella di destra e quella di sinistra, che discendono
rispettivamente sul versante destro e sinistro del setto interventricolare; questi fasci vanno
progressivamente ramificandosi, e raggiungono con le loro ramificazioni dette rete di Purkinje tutto
il miocardio ventricolare, producendo in questo modo la contrazione di tutto il miocardio.
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.8
Il cuore è pertanto in grado di generare autonomamente gli stimoli per la sua contrazione.
Tuttavia esso necessita di particolari controlli esterni per variare gli stimoli contrattili in base alle
richieste metaboliche dell’organismo. L’attività cardiaca è sottoposta a due influenze antagoniste: il
cuore riceve infatti afferenze dal sistema simpatico, che accelera il battito cardiaco, e del nervo
vago (nervo cranico facente parte del sistema parasimpatico) che rallenta il ritmo di eccitazione del
miocardio.
Il nostro corpo, in ogni momento, si trova quindi in una situazione determinata dall'equilibrio o
dalla predominanza di uno di questi due sistemi nervosi. La capacità dell'organismo di modificare il
proprio bilanciamento verso l'uno o l'altro sistema, e' molto importante ed e' un meccanismo
fondamentale che tende all'equilibrio dinamico dell'organismo sia dal punto di vista fisiologico che
psicologico.
1.4) – Il cuore degli atleti
Tutti gli adattamenti del cuore degli atleti sono finalizzati ad accogliere e pompare fuori
dai ventricoli una quantità di sangue nettamente superiore a quella di un soggetto non allenato; il
cuore riesce così ad aumentare notevolmente la gittata cardiaca sotto sforzo soddisfacendo le
maggiori richieste di ossigeno da parte dei muscoli [5].
Figura 1.6) Strutture
cardiache necessarie per
permettere la propagazione
dell’impulso elettrico
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.9
Il cuore di un atleta, con le sue pareti ispessite (come conseguenza di un prolungato
esercizio fisico) presenta una vascolarizzazione di tipo coronarico migliore, e migliore è quindi
anche lo stato di nutrizione delle cellule.
Il maggiore contributo dell'aumento del volume del cuore, è dato soprattutto dalla dilatazione delle
quattro camere cardiache (atri e ventricoli).
I principali adattamenti che si realizzano quando parliamo di cuore di atleta possono essere così
riassunti:
• riduzione della frequenza cardiaca a riposo (bradicardia);
• aumento di volume del cuore (cardiomegalia);
• aumento della pressione ventricolare;
• migliore capacità di rispondere agli stimoli esterni;
• aumento della riserva coronaria, cioè la capacità del circolo coronarico di aumentare il
flusso ematico in conseguenza dell’attività fisica;
• incremento del calibro delle arterie e delle vene a livello del circolo periferico;
• migliore capacità di vasocostrizione e vasodilatazione.
La conseguenza piø evidente di questo diverso comportamento del cuore è la riduzione della
frequenza cardiaca a riposo. In un soggetto sedentario, anche dopo poche settimane d’allenamento,
è possibile osservare una riduzione della frequenza cardiaca di 8 – 10 bpm.
A grandi livelli di agonismo è addirittura possibile raggiungere i 35 – 40 bpm, valori che
configurano la classica bradicardia dell’atleta, e che però rimangono stabili anche modificando
l’allenamento.
1.4.1) – Il cuore degli atleti durante lo sforzo
A riposo la gittata cardiaca di un atleta allenato è sovrapponibile a quella di un soggetto
sedentario di pari età e superficie corporea, circa 5 litri/min se si considera un soggetto adulto di
corporatura media. La differenza tra il cuore dell’atleta e quello del sedentario diviene chiara
durante lo sforzo. In atleti molto allenati la gittata cardiaca massima può raggiungere
eccezionalmente i 35 – 40 litri/min, valori in pratica doppi di quelli raggiungibili da un soggetto
sedentario [6].
L’allenamento non modifica sostanzialmente la frequenza cardiaca massima (che è
determinata dall’età del soggetto), infatti valori così elevati di gittata cardiaca sono possibili grazie
all'aumento della gittata sistolica, conseguente alla cardiomegalia. La gittata sistolica, già superiore
in condizioni di riposo (120 – 130 ml per battito contro i 70 – 80 ml del sedentario), può nell’atleta
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.10
raggiungere durante lo sforzo i 180 – 200 ml ed anche piø, valori nettamente superiori rispetto a
quelli possibili per un sedentario; la piø diretta conseguenza è visibile nel fatto che a parità
d’intensità dell’esercizio la frequenza del cuore nell’atleta è sempre largamente inferiore a quella
del sedentario.
Dobbiamo inoltre considerare che a mano a mano che la frequenza cardiaca aumenta nel
corso dell’esercizio fisico, si riduce parallelamente il tempo a disposizione dei ventricoli per
riempirsi (la durata della diastole): il cuore allenato, essendo piø "elastico", ha maggior facilità ad
accogliere il sangue nelle sue cavità ventricolari e riesce di conseguenza a riempirsi bene anche
quando la frequenza aumenta molto e la durata della diastole si riduce. Tale meccanismo
contribuisce al mantenimento di una gittata sistolica elevata.
1.4.2) – Adattamenti fisiologici del cuore in base al tipo di attività fisica
Gli adattamenti fisiologici del cuore in risposta all'attività fisica dipendono dal tipo di
sport praticato [7].
In particolare per tutte le attività aerobiche (maratona, marcia, ciclismo, sci di fondo ecc.)
il cuore si adatta progressivamente aumentando il volume delle proprie cavità. Un aumento delle
cavità cardiache consente al cuore di produrre una maggiore gittata sistolica e quindi di aumentare
la quantità di sangue disponibile ai tessuti.
Per quanto riguarda gli sport anaerobici come il sollevamento pesi o il bodybuilding il
cuore si adatta aumentando lo spessore delle pareti miocardiche. Durante questi sport, infatti, la
contrazione massiccia di grandi masse muscolari causa l'occlusione parziale dei vasi sanguigni, il
che comporta un aumento di pressione e un maggior lavoro di spinta da parte del cuore. Questo
brusco innalzamento di pressione è potenzialmente molto pericoloso per cardiopatici, ipertesi e
diabetici ma si può limitare adottando una corretta tecnica di respirazione.
1.4.3) – Adattamenti circolatori del cuore in risposta all’attività fisica
Passando da una condizione di riposo ad una di esercizio intenso, la gittata cardiaca (data
dal prodotto della gittata sistolica per la frequenza cardiaca) può aumentare anche di cinque volte.
In fig. 1.7 è riportata la distribuzione del sangue nei vari organi a riposo e sotto sforzo. Si
noti la grossa percentuale di sangue che viene veicolato verso i muscoli durante un esercizio intenso
(80-85%).
CAP.1) Anatomia e Fisiologia del Cuore PAG. 1.11
1.4.4) – Adattamenti periferici
¨ logico che anche il sistema circolatorio, costituito da vasi arteriosi e venosi, debba
adattarsi a questa nuova realtà. In altri termini la circolazione deve essere potenziata al fine di
consentire lo scorrimento di flussi sanguigni (equivalenti al traffico automobilistico) così elevati
senza "rallentamenti": nell’atleta si realizza un aumento in assoluto del numero di capillari e del
rapporto capillari/fibre muscolari, fenomeno conosciuto con il nome di capillarizzazione; ma oltre
ai vasi della microcircolazione, anche quelli arteriosi e venosi di medio e grosso calibro aumentano
le loro dimensioni ("vasi d’atleta"), ed il fenomeno è particolarmente evidente nella vena cava
inferiore, il vaso che riporta al cuore il sangue proveniente dai muscoli degli arti inferiori, utilizzati
molto nei vari sport. Inoltre negli atleti aumenta anche la muscolatura liscia che circonda i vasi
sanguigni, diminuendo così i tempi di risposta necessari per adattarsi alle diverse situazioni.
A seguito dell’allenamento di resistenza, si ha anche un aumento delle arterie coronarie,
che nutrono il cuore. Il cuore dell’atleta, aumentando il suo volume e la massa muscolare, ha
bisogno di un maggior rifornimento di sangue e di una maggiore quantità di ossigeno.
Figura 1.7) Distribuzione del sangue nei diversi distretti corporei
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