Pubblicato il

La variabilità cardiaca: misure nel dominio del tempo e della frequenza – seconda parte

Citando un articolo di F. Shaffer e J. P. Ginsberg (2017) ho già parlato di variabilità cardiaca (HRV) nel precedente articolo, in questo vorrei approfondire gli indici sia nel dominio del tempo che nel dominio della frequenza.

Vorrei iniziare parlando degli indici nel dominio del tempo, prima però vorrei fare una breve premessa. Poichè, come anticipato nell’articolo precedente, in campo sportivo, per motivi di praticità, si preferiscono effettuare misurazioni  breve o ultra-breve termine, non tutte le metriche della variabilità cardiaca risultano essere rilevanti, infatti alcuni indici esprimono meglio di altri le fluttuazioni organiche circadiane, per cui diventano accurati solo se monitorati per 24 h, ad esempio il SDRR (deviazione standard tra ogni battito) è più accurato quando calcolato su 24 ore perché questo periodo più lungo rappresenta meglio i processi più lenti e la risposta del sistema cardiovascolare a stimoli ambientali e carichi di lavoro  diversi. Gli indici principali che prenderemo in considerazione nel dominio del tempo per il monitoraggio della variabilità cardiaca sono: SDNN, RMSSD, NN50, pNN50.

SDNN (Standard Deviation of the IBI of normal sinus beats – deviazione standard degli intervalli interbattiti dei battiti sinusali normalizzati), innanzitutto “normalizzati” sta a significare che i battiti anormali, come i battiti ectopici, sono stati rimossi, quindi vengono eliminati gli artefatti per otenere un segnale più pulito. Sia l’attività del sistema nervoso simpatico (SNS) che quella del sistema nervoso parasimpatico (PNS) contribuiscono all’SDNN ed è altamente correlata con l’ULF, la potenza della banda VLF e LF e la potenza totale. Nelle registrazioni a riposo a breve termine, la fonte primaria della variazione è l’aritmia sinusale respiratoria (RSA) mediata dal PNS.

L’SDNN è più accurato se calcolato su 24 ore rispetto ai periodi più brevi. Periodi di registrazione più lunghi forniscono dati sulle reazioni cardiache a una gamma più ampia di stimolazione ambientale. Oltre alla regolazione cardio-respiratoria, periodi di misurazione prolungati possono indicizzare la risposta del cuore ai carichi di lavoro in evoluzione, l’attività nervosa centrale anticipatoria che coinvolge il condizionamento classico dei processi circadiani, compresi i cicli sonno-veglia. Le registrazioni di 24 ore rivelano il contributo SNS alla variabilità cardiaca. L’SDNN è il “gold standard” per la stratificazione medica del rischio cardiaco se registrato su un periodo di 24 ore. I valori di SDNN predicono sia la morbilità che la mortalità. Sulla base del monitoraggio a 24 ore, i pazienti con valori SDNN inferiori a 50 ms sono classificati come non sani, 50-100 ms hanno una salute compromessa e oltre 100 ms sono sani.

NN50 rappresenta il numero di intervalli NN adiacenti (ovvero il numero di battiti normalizzati adiacenti) che differiscono l’uno dall’altro di oltre 50 ms richiede un periodo di registrazione di almeno 2 minuti.

pNN50 indica la percentuale di intervalli NN adiacenti che differiscono l’una dall’altra di più di 50 ms. Il pNN50 è strettamente correlato con l’attività PNS.

RMSSD (Root Mean Square of Successive Differences between normal heartbeats), un valore basso di RMSSD è indice di una scarsa attività parasimpatica e di difficoltà nel recupero da uno sforzo fisico o da una situazione ad elevato stress emotivo. L’RMSSD si ottiene calcolando dapprima ciascuna differenza temporale successiva tra i battiti cardiaci in ms. Quindi, ciascuno dei valori è elevato al quadrato e viene calcolata la media dei risultati prima che venga ottenuta la radice quadrata del totale.

In merito alle misurazioni nel dominio della frequenza, assumono particolare risalto soprattutto 3 indici il LF, l’HF e il LF/HF ratio.

La potenza della banda LF (0,04-0,15 Hz) può essere prodotta sia dal PNS che dal SNS e dalla regolazione della pressione arteriosa tramite barocettori. L’SNS non sembra produrre ritmi molto superiori a 0,1 Hz, mentre il sistema parasimpatico può essere osservato per influenzare i ritmi cardiaci fino a 0,05 Hz. In condizioni di riposo, la banda LF riflette l’attività del baroriflesso e non l’innervazione simpatica cardiaca. Durante i periodi di bassa frequenza respiratoria, l’attività vagale può facilmente generare oscillazioni nei ritmi cardiaci che si incrociano nella banda LF. Pertanto, le influenze vagali mediate da efferenze respiratorie sono particolarmente presenti nella banda LF quando i tassi di respirazione sono inferiori a periodi di 8,5 bpm (respiri per minuto) o 7 s.

La banda HF (0,15-0,40 Hz) riflette l’attività parasimpatica ed è chiamata banda respiratoria perché corrisponde alle variazioni di FC relative al ciclo respiratorio. Questi cambiamenti di FC fasici sono noti come RSA e potrebbero non essere un indice puro di controllo vagale cardiaco. La frequenza cardiaca accelera durante l’inspirazione e rallenta durante l’espirazione.

Durante l’inalazione, il centro cardiovascolare inibisce il deflusso vagale con conseguente accelerazione dell’HR. Al contrario, durante l’espirazione, ripristina l’uscita vagale con conseguente rallentamento della FC. Il blocco vagale totale elimina virtualmente le oscillazioni HF e riduce la potenza nell’intervallo LF.

La potenza ad alta frequenza è fortemente correlata con le misure del dominio temporale pNN50 e RMSSD. La potenza della banda HF può aumentare durante la notte e diminuire durante il giorno. Una potenza HF inferiore è correlata a stress, panico, ansia o preoccupazione.

Il rapporto tra la potenza LF e HF (LF / HF ratio) era originariamente basato su registrazioni a 24 ore, durante le quali sia l’attività PNS che quella SNS contribuiscono alla potenza LF, e l’attività PNS contribuisce principalmente alla potenza HF. L’intento era di stimare il rapporto tra attività SNS e PNS.

Le ipotesi alla base del rapporto LF / HF è che la potenza LF può essere generata dall’SNS mentre la potenza HF è prodotta dal PNS. In questo modello, un basso rapporto LF / HF riflette la dominanza parasimpatica. Questo è visto quando l’organismo è in condizioni di riposo e di rigenerazione. Al contrario, un alto rapporto LF / HF indica una posizione dominante simpatica, che si verifica quando ci si imbatte in comportamenti di attacco-fuga o di abbassamento del tono parasimpatico.

Tuttavia alcuni studiosi, come Billman, hanno sfidato questa convinzione che il rapporto LF / HF misuri “l’equilibrio simpatico-vagale”. Innanzitutto, la potenza LF non è un indice puro del SNS. La metà della variabilità in questa banda di frequenza è dovuta al PNS e una proporzione minore è prodotta da fattori non specificati. In secondo luogo, le interazioni tra PNS e SNS sono complesse, non lineari e spesso non reciproche. Terzo, la confusione con la meccanica della respirazione e la frequenza cardiaca a riposo crea incertezza riguardo ai contributi di PNS e SNS al rapporto LF / HF durante il periodo di misurazione.

Pubblicato il

Introduzione alla variabilità cardiaca – prima parte

La variabilità della frequenza cardiaca, anche detta variabilità cardiaca (Heart Rate Variability – HRV), negli ultimi tempi, sta assumendo un ruolo di tutto rispetto nel monitoraggio degli atleti nella performance sportiva. Da sempre, infatti, uno dei problemi principali nell’allenamento è stato il monitoraggio dei carichi di lavoro, il fisico del nostro atleta è in grado di reggere il volume di lavoro proposto in allenamento? L’organismo riesce a sopportare le intensità previste dai piani di lavoro? Il tempo a disposizione dell’atleta è sufficiente a recuperare tra una sessione di allenamento e la successiva?

A tutte queste domande bisogna dare una risposta se non si vuole andare incontro a problemi legati al sovrallenamento, per fare ciò sono necessari dei marker biologici che siano in grado di indicare il livello di stress a cui l’organismo è sottoposto e come esso risponde alle sollecitazioni proposte.

Tra i vari parametri che si possono utilizzare, la variabilità cardiaca è uno di quelli che ci potrebbe fornire utili indicazioni. Per approfondire il tema riporterò di seguito alcuni dati presi da uno studio di F. Shaffer e J. P. Ginsberg (2017).

Bisogna per prima cosa chiarire che i sistemi viventi sani sono anche adattabili, l’adattamento consiste anche nel poter modulare i propri processi interni in base agli stimoli sia interni che esterni e al contempo attivare processi biochimici in grado di ristabilire l’omeostasi fisiologica. A questo punto partiamo nel definire cos’è la variabilità cardiaca, essa consiste in variazioni degli intervalli di tempo tra i battiti cardiaci consecutivi chiamati intervalli interbattiti (InterBeat Interval – IBI). 

Ad esempio il cuore non può essere accomunato ad un metronomo, ovvero esso non presenta battiti costanti e regolari, ma l’intervallo tra battiti consecutivi varia ed è costantemente modulato in modo tale da poter essere sempre pronto a rispondere correttamente agli stimoli siano essi stimoli inibitori che eccitatori. La variabilità cardiaca riflette la regolazione del sistema nervoso autonomo, della pressione arteriosa, dello scambio gassoso, dell’intestino, del cuore e del tono vascolare. Per cui, se un sistema sano è anche adattabile e complesso, lo stesso sistema biologico in condizioni di malattia potrebbe perdere o aumentare la sua complessità a discapito di una minore adattabilità, infatti le oscillazioni di un cuore sano sono complesse e in costante cambiamento e consentono al sistema cardiovascolare di adattarsi rapidamente alle improvvise sfide fisiche e psicologiche.

Ad oggi, per indagare la variabilità cardiaca facciamo ricorso a monitoraggi a di 24 ore, oppure a breve termine (circa 5 minuti) o a ultra-breve termine (<5 minuti).

Poiché le epoche di registrazione più lunghe rappresentano meglio i processi con fluttuazioni più lente (ad esempio ritmi circadiani) e la risposta del sistema cardiovascolare a una gamma più ampia di stimoli ambientali e carichi di lavoro, i valori a breve e ultra-breve termine non sono intercambiabili con i valori di 24 h.

Per analizzare i dati HRV si fa generalmente riferimento a indici relativi al dominio del tempo e ad indici riferiti al dominio della frequenza. Gli indici del dominio del tempo misurano il periodo di tempo tra i battiti cardiaci consecutivi, mentre gli indici del dominio della frequenza stimano la distribuzione della potenza assoluta o relativa in quattro bande di frequenza. Queste 4 bande di frequnza sono così suddivise: la banda Ultra-Low frequency ULF (≤0.003 Hz) indicizza le fluttuazioni negli intervalli interbattiti con un periodo compreso tra 5 minuti e 24 ore e viene misurata usando registrazioni a 24 ore. La banda Very- Low Frequency VLF (0.0033-0.04 Hz) è composta da ritmi con periodi tra 25 e 300 s. La banda Low Frequency LF (0,04-0,15 Hz) è composta da ritmi con periodi tra 7 e 25 secondi ed è influenzata dalla respirazione da circa 3 a 9 bpm (breaths per minute – respiri al minuto). L’ High Frequency HF (0,15-0,40 Hz) è influenzata anch’essa dalla respirazione da 9 a 24 bpm. Il rapporto tra LF e HF (rapporto LF / HF) può stimare il rapporto tra il sistema nervoso simpatico (SNS) e l’attività del sistema nervoso parasimpatico (PNS) in condizioni controllate. La potenza totale è la somma dell’energia nelle bande ULF, VLF, LF e HF per 24 ore e nelle bande VLF, LF e HF per registrazioni a breve termine.

Per quanto concerne il monitoraggio degli atleti, ci occuperemo solamente degli indici che possono essere ricavati dalle registrazioni a breve termine in quanto si vuole indagare soprattutto lo stato di equilibro tra SNS e PNS e inoltre la misurazione è più semplice e pratica da effettuare. Due processi distinti ma sovrapposti influenzano le misurazioni HRV a breve termine. La prima fonte è una relazione complessa e dinamica tra i rami simpatico e parasimpatico. La seconda fonte include i meccanismi regolatori che controllano le HR attraverso l’aritmia sinusale respiratoria (RSA, non è altro che un’aritmia fisiologica dovuta all’aumento e alla diminuzione della pressione intra-toracica durante gli atti respiratori, in conseguenza dei quali durante l’inspirazione la FC aumenta, mentre durante l’espirazione la FC tende a diminuire), il riflesso barocettore e le variazioni ritmiche nel tono vascolare.

In un cuore umano sano, esiste una relazione dinamica tra PNS e SNS. Il controllo PNS predomina a riposo. I nervi parasimpatici esercitano i loro effetti più rapidamente (<1 s) rispetto ai nervi simpatici (> 5 s). Poiché questi due sistemi possono produrre azioni contraddittorie, come accelerare e rallentare il cuore, il loro effetto su un organo dipende dal loro momentaneo equilibrio di attività. Mentre l’SNS può sopprimere l’attività PNS, allo stesso tempo potrebbe anche aumentarne la reattività. Un’aumentata attività PNS può essere associata a una diminuzione, a un aumento o a nessuna modifica dell’attività SNS. Ad esempio, subito dopo l’esercizio aerobico, il recupero delle risorse umane comporta la riattivazione della PNS mentre l’attività SNS rimane elevata.