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E’ importante la frequenza cardiaca
per il calcolo degli algoritmi
decompressivi ?
Ossido nitrico:
è arrivata la pillola della subacquea?
Dott. Marco BRAUZZI
U.O. Medicina Subacquea ed Iperbarica
ASL 9 Grosseto
Pol-Watelle
1854: Pol e Watelle trovarono
una relazione tra pressione,
tempo di esposizione, rapidità
di decompressione e insorgenza
dei sintomi; inoltre notarono il
sollievo dei sintomi con la
ricompressione.
Paul Bert
• Nel 1878, Paul Bert,
studiando la “malattia
dei cassoni”, una
inspiegabile, a quel
tempo, sindrome che
colpiva gli operai che
lavoravano alla
costruzione dei moli nei
porti del Mare del Nord,
ne dimostrò la
patogenesi fornì
indicazioni di terapia e
propose una
decompressione
graduale.
Paul Bert
1878: Paul Bert dimostrò la presenza di
bolle gassose nel sangue e nei tessuti
dopo decompressione; inoltre
raccomandò la ricompressione usando
O2 per la terapia delle patologie da
decompressione e l'impiego di O2 per
la decompressione che doveva avvenire
in maniera graduale.
HALDANE – PRIESTLEY (1935)
Il cuore ed il sistema vasomotorio
sono soltanto gli agenti esecutivi
che adempiono gli ordini dei
tessuti, proprio come fanno i
polmoni ed il sistema nervoso
nella respirazione
Heller-Mager-von Schrotter
• 1900: Heller, Mager, von Schrotter
elaborarono
la
prima
procedura
decompressiva basata sull'accumulo e
l'eliminazione dell'azoto nei tessuti:
Pt
=
P0 +
(Pi
-
P0) (1 - e-kt)
Heller-Mager-von Schrotter
lo scambio gassoso è regolato dalla
Legge di Henry:
Vol (N2) = P (N2) × K (N2)
la curva di assorbimento di un gas ha
un andamento esponenziale
la condizione di equilibrio è detta
saturazione
Heller-Mager-von Schrotter
La quantità di azoto che entra in un tessuto
in un minuto sarà uguale a:
Q × PaN2 × aB
La quantità che lo lascia sarà:
Q × PvN2 × aB
Q=flusso di sangue (ml sangue/ml tess/min)
PaN2=tensione arteriosa N2 (ATA)
PvN2=tensione venosa N2 (ATA)
aB=solubilità N2 nel sangue (ml N2)
Heller-Mager-von Schrotter
PtTN2 = P0TN2 + (PaN2 - P0TN2)(1 – e-Q ×
αB/αT × t)
Heller-Mager-von Schrotter
Immersione a 40 metri per 20 minuti
• P0TN2 = 0.79 ATA; PaN2 = (5 × 0.79) = 3.95
ATA; Q = 0.035 ml
tessuto/min; αB/αT = 0.2;
di
sangue/ml
• PtTN2 = 0.79 + (3.95 – 0.79)(1 – e-0.035 × 0.2 ×
20)
= 0.79 + (3.16)(1 – 0.87) = 0.79 +
(3.16)(0.13) = 1.20 ATA
Heller-Mager-von Schrotter
Livello di saturazione
4.0
3.0
½ gradiente
2.0
Gradiente = 3.16 ATA
1.0
.79
Livello di partenza
T1/2 = 20 min
0
20
40
60
80
100
Heller-Mager-von Schrotter
La funzione esponenziale per un
determinato tessuto può essere
caratterizzata da una costante, k:
k = Q × αB/αT
Oppure dal tempo impiegato per ridurre a
metà il gradiente:
k = 0.693/T1/2
Heller, Mager, Von Schrotter (1897)
Ipotizzarono che se un volume di gittata
cardiaca di 5 l./min. perfondeva una
massa corporea di 70 l.per minuto, per
ogni rivoluzione cardiaca si potrebbe avere
un incremento della tensione di azoto
tissutale pari a 5/70 ossia il 7,1% della
differenza tra il valore arterioso e quello
venoso
Heller-Mager-von Schrotter
Heller-Mager-von Schrotter considerarono che il corpo umano
fosse di composizione relativamente uniforme e che avesse
una solubilità per l’azoto simile a quella del sangue. Quindi
se una massa di 70 Kg fosse perfusa con una gittata
cardiaca di 5000 ml/min, avremmo:
T1/2 = 0.693 : (Q × αB/αT) =
= 0.693 : (5000 : 70000 × 1) = 9.7 min
Su queste basi essi proposero che una decompressione a 20
min/ata potesse considerarsi sicura. In realtà si ottennero
risultati accettabili solo per brevi immersioni fino a 5-6 ATA,
ma risultò completamente insufficiente per immersioni più
lunghe.
PRINCIPIO DI FICK
Se si aggiunge una sostanza x ad una
velocità costante dx/dt (dx viene aggiunta
nel piccolo tempo dt) ad una colonna di
liquido che scorre alla velocità F, la
velocità di ingresso della sostanza è
uguale al prodotto della concentrazione
della sostanza prima e dopo il sito di
scambio per la velocità di flusso
FORMULA DEL PRINCIPIO DI FICK
Dx/Dt
F = -------------C2 – C1
Normalmente la sostanza più usata è l’
ossigeno, per cui l’ equazione diventa
Consumo di O2 (ml./min)
Gittata cardiaca (l./min.) = ------------------------------O2 arterioso – O2 venoso (ml./l)
Oppure
300
------------------------------ = 6 l./min
180 - 130
Il principio di Fick in grafica
RISPOSTA
CARDIOPOLMONARE ALL’
ESERCIZIO FISICO IN
ORTOSTATISMO
Dal testamento di Teseo
Tesei …….
Desidero, qualora
venga ritrovato il
mio corpo, che sia
portato senza
funerali o
cerimonie di alcun
genere, al cimitero
di Marina di
Campo e ivi
tumulato in una
fossa comune
Haldane
• lo scambio gassoso è regolato dalla Legge
di Henry
• la curva di assorbimento di un gas ha un
andamento esponenziale
• la condizione di equilibrio è detta
saturazione
Haldane
Coefficiente di sovrasaturazione: se il
rapporto tra la pressione del gas presente
nell’organismo (tensione) e la pressione
idrostatica non supera il valore di 2 (M)
non si formano le bolle
Pamb = (1/M) Pig
Haldane
1908: Boycot, Damant, Haldane
notarono che l'incidenza di patologie
da decompressione aumentava con
l'aumento del tempo di esposizione
fino a 5 ore, quindi rimaneva
costante.
Tabelle basate su 5 tessuti: 5, 10, 20,
40, 75 minuti.
Il tessuto con periodo di 75 minuti
impiega 5 ore a saturarsi per il 95%.
Haldane
Il modo di procedere nel calcolo era del tutto simile a
quello di Heller, Mager e von Schrotter. Una volta
determinata la tensione di azoto nei vari tessuti, si
calcolava fino a quale pressione potevano essere
decompressi per non superare il limite di sicurezza
imposto, Pamb = (1/M) Pig,
Una volta determinato il primo stop, il tempo da
trascorrere a questa fermata era quello necessario
affinché la tensione di gas inerte nel tessuto in
questione scendesse a valori tali da permettere la
risalita allo stop successivo senza superare il suddetto
rapporto di sicurezza.
Haldane
• Tempo alla fermata:
[ln(PtTN2 - P0TN2) / (PaN2 - P0TN2) –1] (- 0.693/T1/2) = t
Hill
1912: Sir Leonard Hill elaborò l’ipotesi della
“pressione critica”: le bolle si
formerebbero quando la tensione del gas
inerte nei tessuti supera quella ambiente
di un determinato valore.
Hempleman
1952: Hempleman considerò che il
tessuto
più
frequentemente
colpito da PDD fosse il tessuto con
la più grande sovrapressione di
azoto per quel range di profondità
e che l’eliminazione del gas da
quel tessuto dovesse controllare la
decompressione.
Hempleman
• Hempleman immaginò il corpo umano
•
come costituito da un singolo tessuto e
ritenne che la quantità di gas assorbita
potesse essere calcolata per mezzo di
una semplice formula che correlava la
pressione con la radice quadrata del
tempo.
Q=p
t
Hempleman
Utilizzando la teoria che i tessuti potessero
tollerare una sovrapressione di 30 fsw (9
metri), Hempleman elaborò delle tabelle
decompressive. Considerando il corpo umano
come una singola “fetta” con una della
estremità esposta alla pressione ambiente, nel
momento in cui la pressione di gas inerte
aumenta, questo diffonde attraverso la
“fetta”.
Hempleman
• A differenza di Haldane che riteneva che
l’assorbimento e l’eliminazione di gas
dall’organismo avvenissero in tempi
uguali,
Hempleman
considerò
che
l’eliminazione del gas impiegasse una volta
e mezzo il tempo che era stato necessario
per l’assorbimento
Hempleman
capillare
tensione gas
inerte
distanza dal capillare
Buehlmann
• 1960: Buehlmann iniziò ad elaborare
tabelle decompressive per immersioni ad
aria, nitrox, Heliox e Trimix considerando
che l’assunzione e l’eliminazione di gas
avvengano esponenzialmente ed a velocità
identiche
Buehlmann
• Osservò che la differenza, tra la pressione
di gas inerte nei tessuti e la pressione
ambiente, che potrebbe essere tollerata
senza produrre sintomi decompressivi, la
“sovrapressione” di azoto o di elio,
aumenta approssimativamente in modo
lineare con l’aumentare della pressione
ambiente.
Buehlmann
• Inoltre considerò che i tessuti con
periodi più lunghi (tessuti lenti)
tollerassero, ad una determinata
pressione ambientale, un minor
quantitativo di gas inerte in eccesso
rispetto ai tessuti con periodi più brevi
(tessuti rapidi).
Buehlmann
• La pressione ambiente che può essere
tollerata (Pamb.tol.) quando un determinato
tessuto con una pressione di gas inerte
calcolata (Pi.g.t.) viene decompresso è data
dalla seguente formula:
Pamb.tol. = (Pi.g.t. - a)b
Buehlmann
• a è il gradiente di pressione tollerato in
superficie
• b indica quanto questo gradiente varia
con la profondità
T1/2 N2
a
b
T1/2 He
a
b
2.65
2.200
0.820
1
2.200
0.820
7.94
1.500
0.820
3
1.500
0.820
12.2
1.080
0.825
4.6
1.080
0.825
18.5
0.900
0.835
7
0.900
0.835
26.5
0.750
0.845
10
0.750
0.845
37
0.580
0.860
14
0.580
0.860
53
0.470
0.870
20
0.470
0.870
79
0.455
0.890
30
0.455
0.890
114
0.455
0.934
43
0.455
0.926
146
0.455
0.934
55
0.515
0.926
185
0.380
0.944
70
0.515
0.926
238
0.255
0.962
90
0.515
0.926
304
0.255
0.962
115
0.515
0.926
397
0.255
0.962
150
0.515
0.926
503
0.255
0.962
190
0.515
0.926
635
0.255
0.962
240
0.515
0.926
due filosofie decompressione
modelli
compartimentali
(Haldane, Buhlmann)
“ciò che funziona,
funziona!”
R.W. Hamilton
modelli basati sul
controllo delle bolle
(PMRC, VPM, RGBM)
“il modello deve riflettere
gli aspetti principali della
fisiologia umana in
immersione”
modelli basati sulle bolle
(VPM, RGBM)
calcolano quanto gas
inerte (volume critico)
l’organismo può tollerare,
con il minimo delle bolle
modelli basati sulle bolle
la bolla viene
stabilizzata da
surfattante che
si lega nella
parete della bolla
(interfaccia gas liquido)
Esercizio e tolleranza alla deco
l’esercizio 20 ore prima
dell’immersione riduce le
bolle:
1. l’ossido nitrico (NO)
rende la parete delle
vene e dell’aorta
repellente alle microbolle
2. l’esercizio libera le bolle,
poi eliminate dai polmoni
“Pillola di
azoto” contro
la DCI
Wisloff U. - Brubakk AO
2001
Gli eroi del Serchio
discesa
una discesa rapida schiaccia le molecole di
surfattante l’una contro l’altra e la bolla diventa
più stabile (oltre una certa profondità la bolla
diventa impermeabile ai gas).
VV.F: velocità di discesa 20 metri al minuto
modello controllo bolle
distacco lento
pressione
tappa profonda
gradiente
N2 bolle
SUUNTO; MARES M1 RGBM
ABYSS; V-PLANNER; GAP
tabelle trimix VV.F.
tempo
modelli controllo bolle
VPM Varying Permeability Model
RGBM Reduced Gradient Bubble Model
raggio critico y
raggio critico x
volume critico
(quante bolle?)
IL TEMPO DI
TOLLERANZA
ALLO SFORZO
FISICO
DIMINUISCE
CON L’
AUMENTARE
DEL CARICO DI
LAVORO
Conclusioni
GITTATA CARDIACA (CO)
CO = SV x HR
SV = GITTATA SISTOLICA
HR = FREQUENZA CARDIACA
INDICE CARDIACO (CI)
CI = BSA X CO
BSA = SUPERFICIE CORPOREA
VALORI DELLA GITTATA CARDIACA
FREQUENZA
CARDIACA
Batt/min
A RIPOSO 70
GITTATA
SISTOLICA
ml./batt
80
GITTATA
CARDIACA
ml./min.
5600
Moderata
attività
130
130
16900
Elevata
attività
fisica
200
150
30000
GOOD
AFTERNOON
LADIES AND
GENTLEMEN,
I’M ALF
BRUBAKK
Behnke 1969, Brubakk 2004
• From the point of view of decompression
procedures the problem is straightforward
– regulate decompression so as to prevent bubble
evolution.
• Control supersaturation
– Ascent procedure
– Gas composition
• Control bubble formation
– if bubbles form, control their number and size so that
symptoms do not supervene.
• Control bubble growth
– Ascent procedure
– Gas composition
• Control bubble effects
Endothelial activation
(microparticles) after 280 kPa air dive
Madden et al 2004
1 40
*
*
1 20
1 00
80
P red ive
5 m in p o std ive
60
40
20
0
C D 54
C D 1 06
Hypothesis
„
„
Serious decompression injury
is mainly caused by the
reaction of the body to
intravascular bubbles.
Venous bubbles activate
endothelium and can lead to
changes in endothelial
function on the arterial side,
without arterialization of
bubbles.
Blood decompressed from 300
msw in 30 seconds.
Bubble formation
MPa
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
In tissue
In ve ins
N itr o g e n in w a te r
Effect of exercise on Pulmonary
artery bubbles
Bubble grade
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
E xe r c ise
Se dentary
1.5 hour s /20 hour s
pre dive
6 w e eks / 48 hours
pr edive
Effect of exercise on bubble formation in man.
Bubbles/cm2
„
„
„
280 kPa air, 80 minutes
bottom time,
decompression USN
Exercise 95% max HR
40 minutes (3 minute
intervals)
N=12
0 ,8
0 ,7
0 ,6
0 ,5
0 ,4
0 ,3
0 ,2
0 ,1
0
S e d e n ta ry
E x e rc ise
A
B
RV
LV
RV
LV
Diver no 8. A: Numerous gas bubbles follwing dive without previous
exercise. B: Few bubbles following dive with previous exercise.
NO can simulate exercise
Nitric Oxide
O2
NO
Blood
-
Endothelial Cell
NOS
Citrulline
L-Arginine
NO
GTP
+
Guanylyl Cyclase
cGMP
Smooth Muscle Cell
Effekt of NO on bubbles in
Pulmonary artery
(700 kPa/45 min air)
Bubbles / cm2
5
4 ,5
4
3 ,5
3
NO
C o n tro l
2 ,5
2
1 ,5
1
0 ,5
0
N O 5 d a ys
N O b efo re d ive
Effect of Nitroglycerin on bubble formation
3 hours at 400 kPa .35 Nitrox, linear
decompression
3.5
animals given NO
Bubbles cm-2
3.0
(area = 4.21 cm2 )
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
25
50
75
100 125 150 175 200 225
Min after start of decompression
3.5
Control animals
Bubbles cm-2
3.0
(area = 39.59 cm 2 )
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
25
50
75
100 125 150 175 200 225
Min after start of decompression
NOS inhibition increases bubble
formation and reduces survival in
sedentary but not exercised rats
Ulrik Wisløff *†, Russell S. Richardson‡
and Alf O. Brubakk *
*
J.Physiol (2003), 546.2, pp. 577–582 DOI:
10.1113/jphysiol.2002.030338
© The Physiological Society 2002
Previously we have shown that chronic as well as a
single bout of exercise 20 h prior to a simulated
dive protects rats from severe decompression illness
(DCI) and death. However, the mechanism
behind this protection is still not known. The present
study determines the effect of inhibiting nitric
oxide synthase (NOS) on bubble formation in acutely
exercised and sedentary rats exposed to
hyperbaric pressure. A total of 45 adult female
Sprague-Dawley rats (270–320 g) were randomly
assigned into exercise or sedentary control groups,
with and without NOS inhibition, using
L-NAME (0.05 or 1 mg ml_1) (a nonselective NOS
inhibitor).
Exercising rats ran intervals on a treadmill for 1.5 h, 20 h prior to
the simulated dive. Intervals alternated between 8 min at 85–90%
of maximal oxygen uptake, and 2 min at 50–60 %. Rats were
compressed (simulated dive) in a pressure chamber, at a rate of
200 kPa min_1 to a pressure of 700 kPa, and maintained for 45 min
breathing air. At the end of the exposure period, rats were
decompressed linearly to the ‘surface’ (100 kPa) at a rate of 50
kPa min_1. Immediately after reaching the surface the animals
were anaesthetised and the right ventricle was insonated using
ultrasound. The study demonstrated that sedentary rats weighing
more than 300 g produced a large amount of bubbles, while those
weighing less than 300 g produced few bubbles and most survived
the protocol. Prior exercise reduced bubble formation and increased
survival in rats weighing more than 300 g, confirming the results
from the previous study. During NOS inhibition, the simulated dive
induced significantly more bubbles in all sedentary rats weighing less
than 300 g. However, this effect could be attenuated by a single
bout of exercise 20 h before exposure.
The present study demonstrates two
previously unreported findings: that
administration of L-NAME allows
substantial bubble formation and decreased
survival in sedentary rats, and that a single
bout of exercise protects NOS-inhibited
rats from severe bubble formation and
death. This is the first report to indicate
that biochemical processes are involved in
bubble formation, and this information may
be important in the search for preventive
measures for and treatment of DCI.
Grazie per
l’attenzione