Misure di flusso
Definizione
Se il sangue si comportasse come un fluido ideale, privo di viscosità e di attrito con le pareti vascolari, basterebbe una minima differenza di pressione tra ventricolo sinistro e atrio sinistro per garantirne il movimento lungo il circuito. Nella realtà emodinamica, invece, la circolazione richiede una cospicua caduta pressoria tra l’ingresso e l’uscita del sistema vascolare a causa delle perdite viscose e delle interazioni con le pareti dei vasi, che risultano particolarmente rilevanti a livello della microcircolazione arteriolare e capillare. Di conseguenza, il cuore deve generare lavoro meccanico per mantenere la portata ematica contro tali resistenze, e una parte significativa di tale lavoro si dissipa come calore nelle strutture vascolari.
In termini energetici, il lavoro di un singolo battito può essere idealmente espresso come il prodotto tra la pressione media di eiezione e il volume di sangue espulso, mentre la potenza cardiaca misura la rapidità con cui tale lavoro viene compiuto: \[ W_{\text{battito}} \approx \Delta p \cdot \text{SV}, \qquad P \approx \Delta p \cdot Q = \Delta p \cdot (\text{SV} \cdot \nu), \] dove \(\Delta p\) è la differenza di pressione efficace, \(\text{SV}\) la gittata sistolica e \(\nu\) la frequenza cardiaca. Queste relazioni, pur semplificate, colgono il nesso tra meccanica cardiaca e resistenze periferiche, che si possono ricondurre alla legge di Poiseuille per flussi laminari in condotti deformabili.
Nel soggetto sano a riposo, il sangue entra nel ventricolo sinistro a bassa pressione e viene eiettato nell’aorta con valori sistolici dell’ordine di 120 mmHg. Il ventricolo destro agisce come stazione di pompaggio in serie per il circolo polmonare, operando a pressioni inferiori. Il cuore, pertanto, funziona come due pompe sincrone accoppiate in serie. Durante la fase di riempimento, il sangue affluisce nei due ventricoli per effetto del gradiente pressorio atrio–ventricolare e dell’ausilio della sistole atriale (Figura 03.13-01). Nella successiva fase di espulsione (Figura 03.13-01), la chiusura delle valvole atrioventricolari impedisce il reflusso negli atri, mentre la contrazione ventricolare comprime il sangue e ne consente l’uscita attraverso le valvole semilunari verso l’arteria polmonare e l’aorta.
Il corretto funzionamento valvolare garantisce il flusso unidirezionale e preserva la portata efficace. L’energia conferita al sangue durante la sistole, oltre a vincere le resistenze viscose del sistema arterioso e capillare, viene temporaneamente immagazzinata nelle pareti elastiche delle grandi arterie, il cui rilasciamento (recoil) sostiene la pressione e il flusso durante la diastole.
La quantità di sangue espulsa ad ogni contrazione è la gittata sistolica (o pulsatoria). In un adulto a riposo può essere, ad esempio, circa 70 cm³, e aumentare di 3–4 volte durante esercizio intenso. La frequenza cardiaca \(\nu\) è il numero di battiti per unità di tempo; il periodo del ciclo è \(T = 1/\nu\). Indicato con \(V_{\text{tot}}\) il volume ematico totale, il numero di pulsazioni necessarie a immettere nel circuito un volume pari a \(V_{\text{tot}}\) è \[ n = \frac{V_{\text{tot}}}{\text{SV}}. \] Per valori indicativi a riposo, ad esempio \(V_{\text{tot}} \approx 5\,500 \ \text{cm}^3\) e \(\text{SV} \approx 70 \ \text{cm}^3\), si ottiene \(n \approx 78{,}6\), cioè circa 79 battiti. Il tempo per far transitare un volume equivalente a tutto il sangue circolante risulta pari a \(n \, T\).
Una stima della velocità media di transito lungo l’intero circuito può essere ottenuta considerando una lunghezza media del percorso \(\ell\) dal ventricolo sinistro all’atrio sinistro. Assumendo, ad esempio, \(\ell \approx 180 \ \text{cm}\) e \(T \approx 0{,}8 \ \text{s}\) (frequenza di circa 75 battiti/min), segue \[ v_{\text{media}} = \frac{\ell}{nT} \approx \frac{180}{79 \cdot 0{,}8} \simeq 2{,}85 \ \text{cm s}^{-1}, \] valore coerente con il fatto che la velocità è elevata nelle grosse arterie e si riduce drasticamente nei capillari per l’enorme aumento della sezione complessiva del letto vascolare.
\[ v_{\text{media}} = \frac{\ell}{nT} = \frac{200}{100} = 2 \text{ cm s}^{-1}, \]
Per completezza, si richiamano alcune grandezze utili:
- gittata sistolica (SV): volume eiettato per battito, tipicamente 60–90 cm³ a riposo;
- frequenza cardiaca (\(\nu\)): numero di battiti al secondo; il periodo è \(T = 1/\nu\);
- portata cardiaca (CO): \(\text{CO} = \text{SV} \cdot \nu\), dell’ordine di 4–7 L/min a riposo.
Un esempio numerico: con \(\text{SV} = 70 \ \text{cm}^3\) e \(\nu = 1{,}25 \ \text{s}^{-1}\) (75 battiti/min), \(\text{CO} \approx 5{,}3 \ \text{L/min}\). La potenza idraulica approssimativa, usando una pressione arteriosa media di circa 93 mmHg, risulta \(P \approx \Delta p \cdot \text{CO}\), corrispondente a pochi watt a riposo.
Image Gallery
Image Gallery
Le fasi del ciclo cardiaco possono essere descritte seguendo l’andamento di pressione e volume del ventricolo sinistro e correlando gli eventi meccanici con l’attività elettrica e con i toni cardiaci (Figura 03.13-02). La contrazione ventricolare, o sistole, comprende due stadi: nella fase I si ha contrazione isovolumetrica, con chiusura della valvola bicuspide e rapido incremento della pressione intraventricolare fino a valori prossimi a 80–90 mmHg, senza variazione apprezzabile del volume, poiché entrambe le valvole sono chiuse. Nella fase II si apre la valvola aortica e inizia l’eiezione: dapprima rapida, con ulteriore aumento o plateau pressorio mentre il ventricolo si svuota, quindi ridotta, con progressivo calo della pressione e della portata eiettiva.
L’onda QRS dell’elettrocardiogramma precede l’inizio della contrazione meccanica ventricolare, mentre l’onda T segna l’inizio del rilasciamento. Il primo tono cardiaco (S1) è correlato alla chiusura delle valvole atrioventricolari e alle vibrazioni delle strutture adiacenti.
Segue la diastole, articolata in due fasi principali. Nella fase III (rilasciamento isovolumetrico) la valvola aortica si chiude per effetto dell’elevata pressione residua nell’aorta, la tensione di parete ventricolare decresce rapidamente e la pressione intraventricolare cala a valvole chiuse; la chiusura delle semilunari genera il secondo tono cardiaco (S2). Nella fase IV, quando la pressione ventricolare scende al di sotto di quella atriale, si apre la valvola bicuspide e ha inizio il riempimento: dapprima rapido, per svuotamento dell’atrio che si era riempito durante la sistole ventricolare, poi lento (diastasi) con afflusso determinato dal ritorno venoso; la sistole atriale completa il riempimento, aggiungendo una quota finale di volume al ventricolo. L’onda P precede di poco la contrazione atriale.
Completano il quadro le pressioni aortica e atriale sinistra, riportate come curve punteggiate nella (Figura 03.13-02). La pressione aortica aumenta rapidamente fino a circa 120 mmHg durante la sistole, quindi decresce gradualmente verso circa 80 mmHg in diastole per effetto dell’elasticità arteriosa. La pressione atriale sinistra oscilla su valori contenuti: cresce moderatamente durante il riempimento atriale e la sistole ventricolare, si riduce quando si apre la valvola atrioventricolare e, durante la sistole atriale, mostra un incremento di pochi mmHg. Queste variazioni riflettono l’interazione tra riempimento, contrazione e proprietà elastiche delle camere cardiache e dei vasi di grande calibro.
Image Gallery
Image Gallery
