METODI DI STUDIO DELLA VARIABILITA DELLA FREQUENZA CARDIACA

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1 RIVISTA DELLA ISSN: FACOLTÀ DI SCIENZE MOTORIE VOL III, FASC. 1, SEZ. 2, 2010 DELL UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PALERMO METODI DI STUDIO DELLA VARIABILITA DELLA FREQUENZA CARDIACA Marcello Traina 1, Angelo Cataldo 2, Diego Bellavia 3, Daniele Zangla 4, Giuseppe Russo 5 1 Professore Ordinario di Metodi e Didattica delle Attività Motorie - Dipartimento DISMOT -Università degli Studi di Palermo 2 Dottore in Scienze delle Attività Motorie e Sportive - Università degli Studi di Palermo 3 Medico-Cardiologo, Dottore di Ricerca in Fisiopatologia Cardiovascolare, Renale e dello Sport - Università degli Studi di Palermo 4 Ricercatore di Metodi e Didattiche delle Attività Motorie - Dipartimento DISMOT - Università degli Studi di Palermo 5 Ricercatore di Fisiologia - Dipartimento DISMOT - Università degli Studi di Palermo SOMMARIO: 1. Introduzione. 2. Metodi di studio della variabilità della frequenza cardiaca. 3. Effetti delle condizioni fisiologiche sulla variabilità della frequenza cardiaca. 4. Conclusioni Bibliografia. 1. Introduzione La frequenza cardiaca (FC) è controllata dal sistema nervoso vegetativo. Dal punto di vista anatomico il sistema nervoso vegetativo è costituito dal sistema simpatico che raggiunge il cuore con i nervi ortosimpatici ed il sistema parasimpatico che raggiunge il cuore con i nervi parasimpatici o nervi vaghi. Il nodo senoatriale (SA) ha una frequenza propria di depolarizzazione spontanea conosciuta come frequenza intrinseca. La frequenza intrinseca è la frequenza misurata in assenza di impulsi simpatici o parasimpatici come si può ottenere con la denervazione o il blocco farmacologico. Nei soggetti normali la frequenza intrinseca è di circa 100 bpm e dipende dal sesso e dall età ed è influenzata dall esercizio fisico, l ipossia e le variazioni di temperatura. I soggetti allenati a sport di resistenza hanno una frequenza intrinseca minore. Gli effetti del sistema simpatico e parasimpatico influenzano in maniera predominante la FC intrinseca e determinano la FC attuale in quanto l attivazione parasimpatica riduce la FC, mentre l attivazione simpatica aumenta la FC. Inoltre l effetto di una componente è associato ad un aumento dell attività della sua controparte, fenomeno che è stato definito come antagonismo accentuato. Con questo fenomeno si intende una condizione in cui l aumento, ad esempio, della attivazione parasimpatica determina non solo una riduzione della frequenza

2 M. TRAINA, A. CATALDO, D. BELLAVIA, D. ZANGLA, G. RUSSO cardiaca, ma anche contemporaneamente un attivazione della componente simpatica con aumento della frequenza cardiaca 1. L analisi tradizionale dell elettrocardiogramma (ECG), considera soltanto gli intervalli tra i complessi elettrocardiografici QRS (intervalli RR) più o meno lunghi trascurando la differenza negli intervalli RR. La variabilità della frequenza cardiaca (HRV) è rappresentata dalle differenze negli intervalli RR e dalle conseguenti variazioni istantanee della FC. Essa è un indice fisiologico di queste differenze in risposta a fattori quali la posizione, il movimento, il ritmo del respiro e gli stati emozionali. In questa review abbiamo analizzato i metodi di studio, i limiti di normalità e gli effetti di diverse condizioni fisiologiche sulla HRV. 2. Metodi di studio della variabilità della frequenza cardiaca Per quantizzare la HRV si utilizza una registrazione elettrocardiografica che permette di ottenere un QRS di ampiezza sufficienza ed una linea di base elettrocardiografica stabile da cui si ricava il tacogramma. Le componenti del ritmo cardiaco possono essere ricavate utilizzando metodi nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza. L analisi nel dominio del tempo prevede il rilievo, in una registrazione ECG, dei complessi QRS e dei cosiddetti intervalli tra due battiti normali (NN). Utilizzando metodi statistici o metodi geometrici è possibile ricavare diverse misure della HRV nel dominio del tempo, come si può rilevare nella tabella 1, riportata nelle linee guida sulla HRV 2. Tab.1: Misure nel dominio del tempo della HRV 108

3 SEZIONE 2 Le misure raccomandate per la valutazione della HRV nel dominio del tempo sono: 1. SDNN (SD degli intervalli NN): è una stima complessiva della HRV; 2. Indice triangolare della HRV (numero totale degli intervalli NN diviso per l altezza dell istogramma di tutti gli intervalli NN): è una stima complessiva della HRV; 3. SDANN (SD della media degli intervalli NN in tutti i segmenti di 5 minuti dell intera registrazione): è una stima delle componenti a lungo termine della HRV; 4. RMSSD (radice quadrata della media dei quadrati delle differenze tra intervalli NN): è una stima delle componenti a breve termine della HRV. L analisi nel dominio della frequenza prevede vari metodi spettrali di analisi del tacogramma (il tacogramma rappresenta graficamente gli intervalli RR o NN dei battiti consecutivi della registrazione analizzata, figura 1). L analisi della densità della potenza spettrale (PSD) permette di ottenere le informazioni di come la potenza (variazione) si distribuisce in funzione della frequenza. Indipendentemente dal metodo utilizzato, solamente una stima della reale PSD del segnale può essere ottenuta utilizzando un corretto algoritmo matematico. Fig. 1: Esempio di Tacogramma I metodi per il calcolo della PSD sono classificati come non parametrici e parametrici. I vantaggi dei metodi non parametrici che utilizzano per lo più la trasformazione rapida di Fourier (FFT) sono la semplicità dell algoritmo e l elevata velocità di elaborazione. Il vantaggio dei metodi parametrici con il modello autoregressivo sono la facilità di distinguere le diverse componenti spettrali il cui profilo è regolare, la facilità di elaborazione successiva dello spettro che permette il calcolo automatico della potenza delle componenti a bassa ed alta frequenza con una facile identificazione della frequenza centrale di ciascuna componente ed un accurata stima della PSD anche in un piccolo numero di campioni in cui si suppone che il segnale ECG si sia mantenuto stabile. Nei metodi parametrici bisogna verificare l adeguatezza del modello scelto e la sua complessità (l ordine del modello matematico). 109

4 M. TRAINA, A. CATALDO, D. BELLAVIA, D. ZANGLA, G. RUSSO Le componenti spettrali vengono ricavate o con registrazioni ECG di breve durata o con registrazioni ECG di lunga durata. Con le registrazioni ECG di breve durata (2-5 minuti) vengono individuate tre principali componenti spettrali: 1. Componenti a frequenza molto bassa Very Low Frequency (VLF): frequenze comprese fra 0.01 e 0.04 Hz; la banda VLF dipende in parte all'attività del sistema nervoso simpatico e si modifica con le variazioni nella termoregolazione, ed è influenzata, in ambito psicologico, dalle preoccupazioni e dai pensieri ossessivi; tuttavia, mentre l interpretazione fisiologica della componente VLF non è ben definita. 2. Componenti a frequenza bassa Low Frequency (LF): frequenze comprese fra 0.04 e 0.15 Hz; la banda LF dipende principalmente dall'attività del sistema nervoso simpatico e dall'attività di regolazione dei barocettori. 3. Componenti ad alta frequenza High Frequency (HF): frequenze comprese fra 0.15 e 0.40 Hz; La banda HF è espressione dell'attività del sistema nervoso parasimpatico. La distribuzione della potenza e della frequenza centrale delle componenti LF e HF non è costante ma si modifica in relazione ai cambiamenti nella modulazione autonomia del periodo cardiaco (intervallo RR). Per le difficoltà di interpretazione fisiologica la componente VLF, ricavata da registrazioni di durata < 5 minuti, non viene presa in considerazione nell analisi della PSD di registrazioni ECG di breve durata. Le misurazioni della potenza (P) delle componenti VLF, LF e HF sono in genere eseguite in valori assoluti di P (ms 2 ). Le componenti LF e HF possono anche essere misurate in unità normalizzate (nu) che rappresentano il valore relativo di ciascuna componente in proporzione alla potenza totale meno la componente VLF. La rappresentazione di LF e HF in nu mette in evidenza il comportamento controllato e bilanciato delle due componenti del sistema nervoso autonomo; inoltre, la normalizzazione tende a ridurre gli effetti delle variazioni della potenza totale sui valori delle componenti LF e HF. Tuttavia, per descrivere completamente la distribuzione della potenza nelle componenti spettrali, le nu dovrebbero essere confrontate con i valori assoluti di P. La figura 2, riportata nelle linee guida sulla HRV 2, mostra l analisi spettrale con un modello autoregressivo di HRV in un soggetto normale a riposo e durante posizione eretta passiva a 90 gradi. 110

5 SEZIONE 2 Fig. 2: Analisi spettrale (modello autoregressivo, ordine 12) della HRV in un soggetto normale a riposo (rest) ed in posizione eretta passiva (tilt) a 90 gradi. A riposo le due principali componenti hanno una potenza analoga e sono individuabili nelle frequenza basse ed alte. Durante il tilt test la componente LF diviene dominante, ma poichè la variazione totale si reduce la P di LF non e modificata rispetto alle condizioni di riposo. La normalizzazione permette di evidenziare la predominanza della componente LF e la riduzione di HF secondarie al tilt test. Nell esempio riportato in Fig. 2 la P totale a riposo era in valore assoluto di 1201 ms 2, e la P delle sue componenti VLF, LF, ed HF era rispettivamente 586 ms 2, 310 ms 2 e 302 ms 2. Utilizzando le nu LF e HF erano rispettivamente 48,95 and 47,78 nu. Il rapporto LF/HF era 1,02. Durante il tilt test tilt, la P totale dello spettro era 671 ms 2, e la P delle sue componenti VLF, LF, ed HF era rispettivamente 265 ms 2, 308 ms 2 e 95 ms 2 ; in nu LF e HF erano rispettivamente 75,96 e 23,48 nu; LF/HF ratio era Si può notare pertanto come la potenza in valore assoluto di LF si riduce di poco mentre il valore di LF in nu aumenta consistentemente. Con le registrazioni ECG di lunga durata l analisi spettrale può essere eseguita sulla sequenza degli intervalli NN di un intero periodo di 24 ore ed in questo caso il risultato comprende anche la componente a frequenza ultra bassa Ultra Low Frequency (ULF). Nella tabella 2, riportata nelle linee guida sulla HRV 2, sono indicate le misure della HRV nel dominio della frequenza. 111

6 M. TRAINA, A. CATALDO, D. BELLAVIA, D. ZANGLA, G. RUSSO Tab. 2: Misure nel dominio della frequenza della HRV Dal punto di vista dei requisiti tecnici, il segnale ECG deve essere stabile per permettere una corretta individuazione del punto di riferimento dell onda R che deve essere stabile ed indipendente dagli artefatti. Un punto di riferimento entro il complesso QRS può essere influenzato anche dalla variazione dei disturbi di conduzione intraventricolare. I battiti ectopici, gli eventi aritmici, i dati persi e altre interferenze influenzano la stima della PSD della HRV, ma, utilizzando un appropriata interpolazione, si possono correggere gli intervalli NN anomali per permettere una corretta analisi della PSD. Le registrazioni ECG di breve durata sono preferite in quanto risultano prive di battiti ectopici, dati non rilevati o interferenze. La scelta dei modelli di analisi influenza l analisi spettrale e, tra le diverse possibilità, il modello parametrico autoregressivo rende più immediata l analisi e l interpretazione dei risultati della HRV. I metodi di analisi nel dominio della frequenza sono più adatti dei metodi nel dominio del tempo per studiare le registrazioni di breve durata. Per valutare la componente HF è sufficiente circa 1 minuto di registrazione, e per la componente LF circa 2 minuti. Per standardizzare gli studi fisiologici o clinici si utilizzano registrazioni di 5 minuti eseguite in condizioni fisiologiche stabili e valutate con i metodi nel dominio della frequenza. L utilizzazione della media di periodi successivi di registrazione di 5 minuti ha dei limiti in quanto il dato può essere influenzato dalle variazioni fisiologiche del periodo cardiaco durante i diversi momenti di registrazione. 112

7 SEZIONE 2 3. Effetti delle condizioni fisiologiche sulla variabilità della frequenza cardiaca La FC ed il ritmo cardiaco sono sotto controllo del sistema nervoso autonomo. Il sistema parasimpatico influenza la FC attraverso il rilascio di acetilcolina da parte del nervo vago. L influenza del sistema simpatico sulla FC e mediato dal rilascio di adrenalina (A) e noradrenalina (NA). In condizioni di riposo prevale il tono vagale e le variazioni del periodo cardiaco sono dipendenti dalle modulazioni vagali. L influenza parasimpatica prevale per la riduzione colinergica del rilascio di NA in risposta all attività simpatica e per l attenuazione colinergica della risposta ad uno stimolo adrenergico. L attività simpatica e parasimpatica è modulata dai cicli centrali (centri vasomotori e respiratori) e periferici (cicli della pressione arteriosa e dei movimenti respiratori). Questi cicli determinano fluttuazioni ritmiche nella scarica efferente neurogena che si manifesta con cicli di breve e lunga durata del periodo cardiaco. L attività vagale efferente è la condizione che contribuisce maggiormente alla componente HF. L interpretazione della componente LF è controversa in quanto, secondo alcuni autori (soprattutto quando è espressa in nu), è un indice di modulazione simpatica, mentre, secondo altri autori, è espressione di entrambe le influenze simpatica e parasimpatica. Ciò dipende dal fatto che in alcune condizioni associate a stimolazione simpatica si osserva una riduzione della P della componente simpatica. Tuttavia è importante sottolineare che la tachicardia dipendente dalla stimolazione simpatica si associa ad una marcata riduzione della P totale, mentre l opposto si verifica durante la stimolazione vagale. Quando si esprimono le componenti spettrali in valore assoluto, le variazioni di P totale influenzano nella stessa direzione le componenti LF e HF per cui non si possono apprezzare le relative prevalenze. Come già esaminato nell esempio riportato nella Fig. 2, la riduzione della P totale in unità assolute determina anche una riduzione di P della componente LF ; tuttavia, dopo normalizzazione, diventa evidente l aumento della componente LF come pure del rapporto LF/HF. Le componenti LF e HF possono aumentare in rapporto a differenti condizioni. Un aumento della componente LF espressa in nu si osserva nei soggetti normali durante il tilt-test, nella posizione eretta, nello stress mentale e durante un esercizio fisico moderato. Un aumento della componente HF è causato dalla respirazione controllata, dalla stimolazione fredda del viso e dallo stimolo del movimento rotazionale 1-3. In base ai dati di letteratura appare evidente che i valori LFnu aumentano ed i valori di HFnu diminuiscono durante la stimolazione simpatica ed il fenomeno opposto avviene durante stimolazione vagale. E stato ipotizzato un meccanismo di feedback che, con l integrazione del sistema nervoso centrale, permette il controllo nervoso del sistema cardiovascolare. Le fibre afferenti barorecettoriali e vagali mediano meccanismi di feedback negativo (stimolazione vagale ed inibizione del sistema simpatico), 113

8 M. TRAINA, A. CATALDO, D. BELLAVIA, D. ZANGLA, G. RUSSO mentre le vie afferenti del sistema simpatico mediano meccanismi di feedback positivo (stimolazione del sistema simpatico ed inibizione del sistema vagale) 3. Questo comportamento è indipendente dal meccanismo principale responsabile di una determinata bilancia simpato-vagale. La componente LFnu della HRV aumenta non solo durante l attivazione simpatica causata dalla deattivazione barorecettoriale (condizione che si verifica nella posizione eretta o durante ipotensione indotta dall uso di vasodilatatori) ma anche durante l attivazione simpatica con aumento della pressione arteriosa e quindi aumento della stimolazione barorecettoriale, come avviene durante stress mentale o esercizio fisico lieve-moderato. L allenamento all esercizio fisico aerobico è associato ad un aumento basale dell attività parasimpatica. Tuttavia, durante esercizio fisico l analisi spettrale può non essere adeguata per la presenza di interferenze per cui vengono utilizzati metodi di studio quali il tilt test o lo stress mentale. Riportiamo l esempio di un analisi spettrale mediante tilt test eseguita, utilizzando un registratore Cardioline Cube ed un software dedicato ed applicando un modello autoregressivo, presso il Centro di ricerche del Dipartimento DISMOT in un calciatore allenato e presentato al Mediterranean Cardiology Meeting In condizioni di riposo ed in posizione supina (Fig. 3) la P delle componenti LF ed HF era rispettivamente 925 ms 2 e 560 ms 2 e, utilizzando le nu, 52,92 e 32,08 con un rapporto LF/HF di 1,65. Fig. 3: Tachogram and power spectrum autoregressive analysis in a trained footballer at supine rest Durante il tilt test (Fig. 4) il valore della P della componente LF (1099 ms 2 ; 85,63 nu) ed il rapporto LF/HF (13,36) aumentano significativamente, mentre il valore P della componente HF (82 ms 2 ; 6,41 nu) si riduce. 114

9 SEZIONE 2 Anche lo stress mentale, utilizzando il calcolo aritmetico, determina un aumento della componente simpatica della HRV con riduzione della componente parasimpatica e conseguente aumento del rapporto LF/HF espressione di una variazione della bilancia simpato-vagale 5. Fig. 4: Tachogram and power spectrum autoregressive analysis in a trained footballer during upright (passive 90 tilt) position 4. Conclusioni La HRV è una misura complessa della modulazione della FC che comprende gli effetti simpatici, gli effetti parasimpatici e le loro interazioni. La stimolazione simpatica o una riduzione della componente parasimpatica determinano aumenti della FC e riduzione degli intervalli RR, mentre l aumento della componente parasimpatica con o senza riduzione della componente simpatica determina un rallentamento della frequenza cardiaca 1-3. La HRV è un indice fisiologico delle differenze degli intervalli tra battiti cardiaci consecutivi in risposta a fattori quali il movimento, il ritmo del respiro e gli stati emozionali e rappresenta una misura indiretta dell'interazione simpatovagale a livello del nodo SA. Il metodo di misura delle variazioni della FC nel dominio della frequenza, mediante il modello autoregressivo, permette di distinguere le diverse componenti spettrali utilizzando registrazioni di breve durata (5 minuti) 2. Si distinguono componenti a frequenza bassa (LF) che dipendono principalmente dall'attività del sistema nervoso simpatico e dall'attività di regolazione dei barocettori e componenti ad alta frequenza (HF) espressione dell'attività del sistema nervoso parasimpatico. I valori LF aumentano ed i valori 115

10 M. TRAINA, A. CATALDO, D. BELLAVIA, D. ZANGLA, G. RUSSO di HF diminuiscono durante la stimolazione simpatica ed il fenomeno opposto avviene durante stimolazione vagale 1-3. Questo comportamento è indipendente dal meccanismo principale responsabile di una determinata bilancia simpato-vagale; infatti la componente LF della HRV aumenta non solo durante l attivazione simpatica causata dalla deattivazione barorecettoriale (condizione che si verifica nella posizione eretta) ma anche durante l attivazione simpatica con aumento della stimolazione barorecettoriale, come avviene durante stress mentale o esercizio fisico lievemoderato (l allenamento all esercizio fisico aerobico, tuttavia, è associato ad un aumento basale dell attività parasimpatica) 3-5. La registrazione durante esercizio fisico, per la presenza di artefatti, potrebbe non essere adeguata all analisi della HRV per cui, per valutare l entità di attivazione del sistema simpatico e di individuare le modificazioni della bilancia simpato-vagale, si può ricorrere al tilt test o allo stress mentale Bibliografia 1) Lahiri M. K., Kannankeril P. J., Goldberger J. J.: Assessment of Autonomic Function in Cardiovascular Disease Physiological Basis and Prognostic Implications. J Am Coll Cardiol 2008; 51: ) Malik M. Task force of European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology: heart rate variability, standards of measurement, physiological interpretation and clinical use. Circulation 1996; 93: ) Malliani A.: The Pattern of Sympathovagal Bilance Explored in the Frequency Domain. News Physiol. Sci. 1999; 14: ) Traina M: Heart rate variability and the risk of arrhythmic death in subjects engaged in sports activities with and without evidence of cardiac disease. Mediterranean Cardiology Meeting 2009, Taormina, aprile ) Bernardi L., Wdowczyk-Szulc J., Valenti C., Castoldi S.: Effects of Controlled Breathing, Mental Activity and Mental Stress With or Without Verbalization on Heart Rate Variability. J Am Coll Cardiol 2000; 35: