Nelle scorse settimane vi ho parlato in linee generali della cinematica cardiaca ed in particolare di quale sia l'importanza della torsione cardiaca come parametro. Oggi voglio parlarvi di quai siano le tecniche di misurazione principali adottate nel corso del tempo con un cenno sulle tecnologie più innovative e sperimentali.Le tecniche proposte ed utilizzate per valutare e quantificare la cinematica cardiaca sono molteplici e si differenziano, soprattutto per principio fisico sul quale ogni tecnica si basa, per il grado di invasività e per l’accuratezza. 

Fino a due decenni fa, circa, era possibile quantificare la dinamica torsionale del ventricolo sinistro solo attraverso metodiche invasive che permettevano l’analisi della torsione del LV durante interventi a cuore aperto, durante i quali ad esempio potevano essere impiantati marker radiopachi. 

Solo da un ventennio circa si è riuscito a minimizzare i rischi derivanti da un tentativo di analizzare la cinematica cardiaca, passando a tecnologie meno invasive. La recente tecnologia ha, infatti, permesso una valutazione della rotazione del ventricolo sinistro attraverso tecniche di imaging. 

Attualmente la tecnica di riferimento è sicuramente rappresentata dalla tagged MRI. L’MRI, tuttavia, risulta essere una tecnica molto complicata per pazienti allettati che versano in condizioni critiche. La speckle tracking imaging (STI), invece risulta una tecnica meno accurata e che fornisce una qualità dell’immagine meno buona, ma adatta anche per pazienti che non possono lasciare il letto d’ospedale a causa delle condizioni delicate di salute in cui si trovano. 

In letteratura è possibile ritrovare numerosi articoli che evidenziano le principali tecniche utilizzate nel corso degli anni per analizzare la torsione del ventricolo sinistro. L’evoluzione tecnologica ha portato negli anni ad un’analisi sempre più dettagliata ed accurata del fenomeno grazie a tecniche che hanno aiutato a quantificare la cinematica cardiaca in maniera sempre più rigorosa e specifica, fornendo dei dati rilevanti per effettuare analisi puntuali sulla validità del parametro di rotazione cardiaca come indice di funzionalità cardiaca.

Negli ultimi anni il Dipartimento Discipline Chirurgiche Rianimatorie e dei Trapianti, Sezione Tecnologie Biomediche dell’Università di Bologna ha cercato soluzioni alternative alle tecniche classiche di misurazione della cinematica cardiaca, basate sull’impianto di un giroscopio monoassiale sull’apice cardiaco.

 Allo stato dell’arte le tecniche principali per lo studio della cinematica cardiaca si dividono in: 

• Tecniche invasive 
• Tecniche non invasive
• Tecniche sperimentali 

Le principali tecniche invasive sono rappresentate da: 

1. Marker radiopachi e cinefluoroscopia;
2. Tecnica angiografica mediante catetere diagnostico; 
3. Dispositivi Ottici 

Mentre quelle non invasive sono: 

1. Tagged Magnetic Resonance Imaging; 
2. Doppler Tissue Imaging; 
3. Speckle Tracking Imaging. 

Infine le tecniche in fase di sperimentazione e quelle sulle quali si punterà nel prossimo futuro si basano su: 

1. Giroscopi;
2. Accelerometri; 
3. Sistemi di tracking magnetico.

In questo articolo illustrerò brevemente quelle che sono le tecniche invasive utilizzate nel corso degli anni per misurare i parametri legati alla cinematica cardiaca.

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Tecniche Invasive

Marker Radiopachi e cinefluoroscopia

Fino a due decadi fa, la torsione del ventricolo sinistro ed il recoil potevano essere quantificati soltanto tramite l’impianto di marker radiopachi di tantalio durante un’operazione a cuore aperto sul miocardio.

Un metodo invasivo utilizzato nei primi studi sul movimento del cuore consiste nell’impianto nella parete cardiaca di marker radiopachi, il cui movimento, durante il ciclo cardiaco, è rilevato tramite tecniche di cinefluoroscopia. Le misure effettuate con questa tecnica utilizzano principalmente 12 eliche (marker) di 0.8 × 2.2 mm costituite da fibre di tantalio puro. Questi marker sono impiantati ad una profondità di circa 5 mm sotto la superficie epicardica del cuore. I marker sono spazialmente disposti ad intervalli di circa 90° attorno alla circonferenza di ogni livello del miocardio (basale, centrale e apicale), mantenendo approssimativamente la stessa distanza fra le tre porzioni. Questa disposizione dei marker permette una rappresentazione tridimensionale del ventricolo sinistro tramite la combinazione di due proiezioni fluoroscopiche:

una anteriore destra inclinata di 30° (RAO, Right  Anterior Oblique) e l’altra anteriore sinistra inclinata di 60° (LAO, Left Anterior Oblique).

Tramite queste due proiezioni vengono ottenute immagini cinefluoroscopiche.  Vengono scelte le proiezioni a 30° RAO e 60° LAO poiché massimizzano l’area spaziale delimitata dai marker. La proiezione RAO permette la visualizzazione dell’area delimitata dalle pareti anteriore e inferiore, mentre con la proiezione LAO si ottengono informazioni sulla posizione dei marker nello spazio tra la parete laterale e il setto. 

Per minimizzare gli effetti del respiro sulla pressione intratoracica, sono selezionati, per l’analisi, solo i battiti avvenuti alla fine del respiro e senza la presenza di extrasistoli ventricolari. Uno dei principali svantaggi di questa tecnica deriva dalla natura invasiva della misurazione che permette di effettuare valutazioni solo su animali o su soggetti sottoposti ad intervento chirurgico a torace aperto. 

Tuttavia, si prestano ottimamente ad una visualizzazione continua nel tempo e sono quindi state utilissime per l’analisi della cinematica cardiaca, soprattutto in indagini su animale a scopo di ricerca.

Un secondo problema è legato alla scarsa accuratezza nel posizionamento dei marker, incrementata da eventuali fenomeni di infiammazione, emorragia o fibrosi che possono insorgere dopo il posizionamento dei marker; infine il numero limitato dei marker potenzialmente impiantabili non permette di effettuare misurazioni molto precise del parametro di interesse.

Tecnica angiografica mediante catetere diagnostico 

Un ulteriore metodo invasivo, proposto in particolate per la misura della rotazione dell’apice cardiaco si basa su una tecnica angiografica. 

La misura è derivabile durante la procedura di angiografia coronaria dall’osservazione del movimento del segmento apicale della arteria coronarica discendente anteriore sinistra, vista su un piano che contiene l’asse lungo ventricolare.

Questa arteria, infatti, segue fedelmente il movimento dell’apice del ventricolo sinistro. In questo modo, durante la procedura di angioplastica dell’arteria discendente, è possibile misurare la dinamica della rotazione dell’apice ventricolare, osservando e misurando il movimento del catetere diagnostico posizionato all’apice della suddetta arteria coronarica.  

Le immagini del catetere, visto secondo un piano allineato con l’asse lungo del ventricolo, sono ottenute con tecniche angiografiche e le fasi del ciclo cardiaco sono individuate attraverso rilievo dell'ECG e misure della pressione aortica.

Le immagini sono quindi digitalizzate e analizzate tramite PC. 

Anche questa metodica risulta invasiva e onerosa in termini di tempo, quindi difficilmente applicabile in ambito clinico. 

Dispositivi Ottici

In alternativa all'impiego di marker radiopachi seguiti con tecniche fluoroscopiche è stato proposto in letteratura l'utilizzo di un dispositivo ottico per misurare la rotazione cardiaca Il dispositivo ottico è costituito da uno specchietto collegato con un cavo metallico all’apice del ventricolo sinistro. 

Una sorgente luminosa colpisce lo specchio che indirizza il raggio di luce verso un diodo fotosensibile. Dalla posizione del raggio sul diodo è possibile dedurre una misura di rotazione dell’apice. 

Più in dettaglio, sulla porzione subepicardica dell’apice del ventricolo sinistro viene suturata l’estremità del cavo di acciaio inossidabile. Il cavo, lungo 15 cm e con diametro di 0.5 mm, ha l’ultimo cm suturato sul cuore e ruotato di 90° rispetto all’asse lungo del cuore. L’altra estremità del cavo è connessa con il dispositivo di misura della rotazione. Il cavo è libero di muoversi nella direzione assiale per circa 1 cm, per seguire il movimento di contrazione assiale del cuore. Lo specchio (4 mm di larghezza e 15 mm di lunghezza), costituito da un vetrino ricoperto d’argento è collegato con il cavo e riflette un piccolo punto di luce proveniente dalla sorgente luminosa nell’opposto fotodiodo che rappresenta il sensore di posizione. 

Per eliminare gli effetti di disturbo luminoso sul segnale di interesse, si adotta l'accorgimento di tenere nella stanza di prova una bassa intensità di luce e una costante luminosità dell’ambiente durante l’intera durata della prova. Quando il ventricolo sinistro si contrae, il cavo di acciaio inossidabile e lo specchio ad esso solidale ruotano con l’apice attorno all’asse longitudinale del ventricolo. Lo specchio riflette il raggio di luce in maniera diversa sul diodo fotosensibile. 

La posizione del raggio di luce, che viene registrata come segnale elettrico, indica l’ampiezza della rotazione dell’apice del ventricolo. Il segnale elettrico viene successivamente convertito in gradi. Il fattore moltiplicativo 0.5 considera il fatto che l’angolo di rotazione del raggio riflesso è circa il doppio dell’angolo di rotazione dello specchio e quindi dell’apice.  

Tale tecnica consente una misura istantanea della rotazione ventricolare e permette quindi di monitorare questo parametro a seguito di alterazioni della funzione cardiaca, indotte variando, ad esempio, il volume, la contrattilità e la frequenza cardiaca; tuttavia resta anch’essa una tecnica molto invasiva utilizzata e utilizzabile solo su cavie animali. 

 

 Fonti e Bibliografia:

Burns A.T., McDonald I.G., Thomas J.D., MacIsaac A. and  Prior D. “Doin’the twist : new tools for an old concept of myocardial function, 2008. 

McDonald I.G., “ The shape and movements of the human left ventricle during systole. A study by cineangiography and by cineradiography of epicardial markers”, 1970.  

Hansen D.E., Daughters G.T. 2nd, Alderman E.L., et al. “Effect of acute human cardiac allograft rejection on left ventricular systolic torsion and diastolic recoil measured by intramyocardial markers”,1987; 

 Bell S.P., Nyland L., Tischler M.D., et al. “Alterations in the determinants of diastolic suction during pacing tachycardia”, 2000 

 Helle-Valle T., Crosby J., Edvardsen T., et al.” New noninvasive method for assessment of left ventricular rotation: speckle tracking echocardiography”, 2005.