LA MISURA DELLA PRESSIONE ARTERIOSA Mercede Bergoglio, Anita Calcatelli I.N.RI.M.

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1 LA MISURA DELLA PRESSIONE ARTERIOSA Mercede Bergoglio, Anita Calcatelli I.N.RI.M. 1. Cos è la pressione ematica Come tutti i liquidi anche il sangue esercita una pressione idrostatica sulle pareti del contenitore cioè sulle pareti dei vasi che sono i canali di trasporto e che formano un sistema chiuso di tubi elastici in cui circola, appunto, il sangue. Dunque la pressione si può definire come la forza con cui il sangue agisce sulle pareti dei vasi e il cuore, con le sue due azioni di pompaggio, fornisce l energia per il flusso sanguigno. La circolazione sanguigna, che é dovuta alla compressione del sangue sotto l azione della contrazione ventricolare del cuore e dei muscoli delle arterie, è organizzata in due processi circolari collegati in serie: la circolazione sistemica e la circolazione polmonare. Ogni classe di vasi sanguigni ha un proprio valore di pressione per cui si hanno pressione arteriosa, venosa e capillare. La pressione del sangue nel circuito sistemico decresce dall aorta fino alla fine del circolo, nell atrio destro. La pressione nella circolazione polmonare è più bassa che nella circolazione sistemica e c è un gradiente di pressione tra il ventricolo destro e l atrio sinistro per permettere lo scorrimento del sangue. Quando si parla di pressione del sangue si intende la pressione arteriosa sistemica perché è questa che assicura una adeguata perfusione ai tessuti e agli organi vitali. Durante il ciclo cardiaco la pressione arteriosa mostra delle fluttuazioni: la contrazione dei ventricoli spinge il sangue nel circolo polmonare e sistemico durante la sistole e questo volume di sangue distende le arterie e fa aumentare la pressione. Quando la contrazione finisce, la tensione elastica accumulata dalle pareti continua a spingere il sangue. Mentre il sangue lascia le arterie la pressione decade ma non scende a zero perché la contrazione successiva avviene quando v è ancora una quantità apprezzabile di sangue nelle arterie. Quindi la pressione delle grandi arterie aumenta e diminuisce in sincronia con la contrazione e il rilassamento del cuore. La pressione massima è la pressione sistolica la pressione minima è la pressione diastolica. La pressione del sangue, negli individui sani, varia da 75 a 80 mmhg per la pressione minima e dai 115 ai 120 mmhg per la pressione massima. Al di sotto di questi valori il sangue non viene immesso in circolo in maniera efficace ed i tessuti periferici tendono a ricevere meno ossigeno e nutrienti. Al di sopra di questi valori le pareti vasali sono costrette a sopportare forti sollecitazioni che, quando diventano particolarmente elevate, possono provocarne la rottura. Il cuore, si trova costretto a contrarsi contro una resistenza elevata e può "cedere" (infarto) per l'eccessivo sforzo.

2 Tutte le fasi cardiache sono accoppiate con due ben definiti suoni, i toni cardiaci, che sono ben noti ai medici. Questi suoni fanno parte integrante del processo di misurazione sia con il metodo auscultatorio sia con le misurazioni automatiche. 2. La misura della pressione arteriosa a. L unità di misura L unità di misura della pressione nel Sistema Internazionale (SI) è il pascal con I suoi multipli e sottomultipli, ma nell uso medico la pressione del sangue viene data in millimetri di mercurio (mmhg); questa unità, infatti, anche se non coerente con il SI, è tollerata. Le conversioni dalle unità Si al mmhg e viceversa sono riportate qui di seguito: 1Pa = 1 N/m2, unità SI di pressione 1 mmhg = 1 torr= 133,322 Pa = 1,33322 mbar 1 bar = 105 Pa, 1 mbar = 100 Pa. Va notato che l uso del mmhg é stato conservato soltanto in campo medico in tutti I Paesi e per la pressione del sangue. Tuttavia, in alcuni software (VIGILEO, VIGILANCE,) per i monitoraggi cardiovascolari sono considerate le misurazioni della pressione arteriosa anche in kilopascal (simbolo kpa) con la possibilità di conversione automatica in mmhg. Si tratta sempre di misure relative alla pressione esterna, cioè quella atmosferica, qualunque sia lo strumento utilizzato. b. Cenni storici Desta una certa sorpresa il fatto che i Greci ed i Romani che pure avevano un alto livello nella pratica idraulica non avessero compreso adeguatamente il concetto di pressione. Ma anche la scuola galileiana non ebbe idea dell esistenza e dell importanza della pressione del sangue in campo medico anche se avevano compreso il significato fisico della pressione atmosferica che costituisce il riferimento di molte misure di pressione. Il meccanismo della circolazione del sangue fu descritto da William Harvey, (medico inglese, ), nel 1628 che, però, non riuscì a spiegare l origine della pressione arteriosa e della forza che regola la circolazione del sangue. Il primo ricercatore che studiò la forza esercitata dal fluire del sangue nelle arterie fu un teologo, vicario della parrocchia di un piccolo sobborgo di Londra, il reverendo Stephen Hales 1. Era un "curioso della natura", come si autodefinivano allora i primi biologi interessati alle leggi che regolano il mondo animale e vegetale, e sua fu la prima misurazione sperimentale, nel 1773, della pressione arteriosa, effettuata in una giumenta per mezzo di un tubo di vetro con l estremità aperta inserito direttamente nella carotide dell animale. Il sangue salì sino ad un altezza di 8 piedi e 3 pollici (circa 2,10 metri), cioè fino a che il peso della colonna di liquido eguagliò la pressione del 1 HALES, S. Statical Essays: Haemostaticks. Vol. 2, 3d Ed., W. Innys & Manby, Londra, 1738,p.361)

3 sistema circolatorio del cavallo. Si trattò in definitiva di una colonna di sangue alta circa 3,5 m e del diametro di 4,2 mm. In seguito si passò all uso del mercurio come fluido monometrico di densità elevata che consentiva di utilizzare tubi molto più corti. (ρ Hg =13,6x103 kg/m3, ρ sangue =1x103 kg/m3). Il primo esempio di questi misuratori a mercurio è rappresentato dal manometro di Karl Friedrich Wilhelm Ludwig ( ). Si trattava ancora di un metodo invasivo 2 ; infatti, il sangue, prelevato dalle arterie, veniva introdotto in [d] e, quindi attraverso la valvola [a], messo in comunicazione con il liquido monometrico determinandone la variazione del livello. Il valore della pressione era ricavato moltiplicando per due il livello del mercurio registrato con continuità sul ramo di misura [c]. Egli, con questo strumento, condusse moltissime campagne di misurazione della pressione del sangue che contribuirono alla comprensione del meccanismo. Proprio verso l'inizio dell'ottocento alcuni ricercatori, dimostrarono che il sistema cardiovascolare è formato da parti solide e parti fluide e che il moto del fluido è regolato anche dall'accorciamento e dalla distensione delle parti solide e non solo dal volume di fluido circolante. Per molto tempo, comunque, si pensò che il miglior modo di valutare la pressione e la forza di scorrimento del sangue nelle arterie fosse quello di introdurre nei vasi degli esseri viventi un tubo manometrico. Ma per una più semplice e meno traumatica procedura, si incominciò a pensare che si potesse costruire un apparecchio che indicasse indirettamente lo stato della pressione vasale applicando una contro-pressione dall esterno di entità tale da chiudere il condotto in cui il sangue scorre fino a far scomparire i battiti del vaso esaminato. E proprio a questi studi e alla realizzazione di un apparecchio basato su questo principio che furono orientate le ricerche nella seconda metà dell'ottocento, perseguite per oltre cinquant'anni, e tenendo ben presente che tre erano gli elementi che entravano in gioco nella produzione della tensione arteriosa: la massa sanguigna, l'impulso cardiaco e la tonicità delle arterie. Karl von Vierordt intuì che la progressione dell'onda sfigmica nell'arteria poteva essere bloccata attraverso la sua costrizione. Nacquero alcuni strumenti, come quelli di Bloch-Verdin Chéron, di Landois, di Schöbel, di Waldenburg, di Talma, di Frey, tanto per citare i più noti, finché, finalmente, nel 1875, Etienne Jules Marey per primo cercò di determinare il valore manometrico della contropressione, necessaria per impedire l'entrata del sangue nei tessuti utilizzando per la misurazione un manometro a mercurio. Marey condusse molti studi sulle variazioni della pressione con registrazione simultanea dei valori di pressione nelle cavità cardiache. Questi studi che lo portarono 2 GEDDES, L. A., The direct and indirect measurements of blood pressure. Year book medical Publishers Inc., Chicago, USA, 1970

4 a trovare la legge che porta il suo nome ossia la relazione di proporzionalità inversa tra la pressione arteriosa e la frequenza cardiaca (al diminuire della pressione arteriosa aumenta la frequenza dei battiti cuore, e viceversa, aumentando la pressione delle arterie, il polso tende a farsi raro. Una delle sue invenzioni consiste nel misurare la pressione arteriosa in modo non invasivo sottoponendo l avambraccio ad una compressione esterna esercitata dall acqua contenuta in un cilindro la cui pressione veniva fatta aumentare e era registrata con manometro scrivente. 3 Quando la pressione all'interno del cilindro diventava maggiore di quella del sangue e, quindi, nell arto non poteva più penetrare alcuna onda sfigmica cessava anche l'oscillazione del segnale del manometro. Questa invenzione non rappresenta un apparecchiatura complessa, ma, era stato lungo e difficile nei secoli arrivare a capire che la pressione del sangue obbedisce a una regola fondamentale: essa è il prodotto della gettata cardiaca del ventricolo sinistro, ad ogni battito, per la resistenza contrapposta dalla parete dell'arteria al passaggio del sangue nel suo interno, cioè la forza esercitata dal sangue sulla parete dell arteria. Una vera e propria pietra miliare è rappresentata dagli studi Riva Ricci che, pur utilizzando oggetti semplici come un calamaio, del mercurio, un tubulare di bicicletta e un tondino di rame regalatogli da un lattoniere, lo hanno condotto a capire che la resistenza offerta dalle pareti delle arterie a ogni svuotamento del ventricolo sinistro poteva essere misurata indirettamente con un apparato che comprimesse l'arteria. Egli inventò quello che divenne il più diffuso misuratore di pressione del sangue e una metodologia di misurazione. Scipione Riva Ricci il 15 dicembre 1896 presentò alla stampa scientifica la sua invenzione che avrebbe inaugurato un nuovo campo di indagine medica e scoperto una nuova malattia: l'ipertensione arteriosa. Scipione Riva Ricci, nato ad Almese (TO) il 7 agosto 1863, attratto dalla professione medica del padre Pietro si iscrisse a Medicina, a Torino, laureandosi a pieni voti nel Il suo interesse per la circolazione del sangue era maturato frequentando da studente il laboratorio di fisiologia di Torino, dove si verificavano le equazioni fisiche che dimostravano la forza di scorrimento del sangue nelle arterie. Nel 1929, purtroppo, ancora nella pienezza delle sue attività, rilevò su di sé i primi segni di una malattia infettiva inesorabile e quindi decise di abbandonare definitivamente la professione nel 1930 trasferendosi, con la moglie, a Rapallo dove morì il15 marzo 1937 all'età di 74 anni. Per avere valori ripetibili e più precisi, l'apparecchio di Riva Rocci dovette subire alcune modifiche. La prima, da parte del tedesco Henrich von Recklinghausen che, nel 1901, portò da 5 a 12 cm la larghezza del bracciale, la seconda da parte del giovane medico russo Nicolai Sergeivich Korotkoff dell'accademia Imperiale Medica Militare di San Pietroburgo, che propose l'applicazione dello stetoscopio sull'arteria omerale per valutare i toni sistolici e diastolici. Korotkoff presentò nel dicembre del 1904 la scoperta del metodo auscultatorio del polso applicato allo sfigmomanometro di Riva Ricci, con questa nota: "Sono partito dall'osservazione che un arteria, se compressa, non emette alcun suono. Lo strumento 3 Marey E. J., La circulation du sang, G. Masson et Cie, Paris, 1881

5 di Riva Ricci è posizionato attorno a un braccio e la pressione rapidamente introdotta nella camera interna del bracciale blocca completamente il flusso sanguigno, non apprezzandosi pertanto alcun suono con lo stetoscopio sul polso arterioso. Quando si sgonfia leggermente il bracciale e l'indice del manometro scende, compare un suono ruvido che indica il passaggio di parte dell'onda del polso sotto il bracciale, costituendo pertanto il valore della pressione massima. Quando il bracciale è sgonfiato ulteriormente, con una pressione, a questo punto, al di sotto della pressione sistolica, il suono scompare di nuovo, perché il flusso è ritornato regolare: questo momento corrisponde alla pressione minima". c) Misura indiretta: metodo auscultatorio Le invenzioni di Riva Ricci con le modifiche successive e l accoppiamento con l ascolto del battito cardiaco offrono la possibilità di misurare la pressione arteriosa in modo non invasivo corretto ed efficace sia che si utilizzi un A Sfigmomanome tro di riva Ricci a colonna di mercurio manometro a mercurio 4 sia che si usino strumenti di tipo meccanico. In definitiva per eseguire, oggi, una misura di pressione arteriosa occorre disporre, oltre che dell esperienza di chi la esegue, dei seguenti strumenti: manometro (a mercurio o aneroide 5 ), manicotto posto sull arteria brachiale collegato ad una piccola pompa manuale, stetoscopio 6 Vediamo brevemente i passi necessari per eseguire la misura: all 'inizio della misurazione, nel manicotto c'è aria con pressione uguale alla pressione atmosferica e perciò il manometro collegato al manicotto segna 0 mmhg. Nell'arteria brachiale il sangue scorre a pressione variabile tra la pressione diastolica minima e quella sistolica massima. Gonfiando il manicotto con la pompetta, la pressione dell'aria all'interno aumenta e l 'arteria, sottoposta a una maggiore pressione esterna, tende a restringersi e la velocità del sangue ad aumenta re man mano che il diametro dell'arteria diminuisce. Quando la pressione del manicotto è maggiore della pressione massima del sangue, l'arteria si occlude e il flusso del sangue in essa si arresta completamente. Aprendo un po' la valvola, il manicotto si sgonfia lentamente riequilibrando la pressione dell'aria al proprio interno con quella atmosferica. Nell'istante in cui la pressione del manicotto è uguale alla pressione sistolica, p max, il sangue torna a scorrere nell'arteria, con un moto turbolento a causa del diametro ridotto dell'arteria. Con lo stetoscopio si sentono dei rumori pulsati, i suoni di Korotkoff, che cessano nel momento in cui la pressione nel manicotto è tale da lasciar passare tutto il sangue attraverso l'arteria; in questa condizione il sangue torna 4 Gli strumenti a mercurio dovranno essere abbandonati a causa della pericolosità del mercurio (decreto ministeriali 30/7/ Capsula metallica che si deforma al variare della pressione 6 Inventato da Theophile Hyacinthe Laennec nel Egli dovendo auscultare una giovane donna non volle utilizzare direttamente il proprio orecchio ma si servì di un quaderno arrotolato e così scopri che i battiti del cuore si sentivano in modo più netto e distinto.

6 a muoversi con moto laminare e la sua pressione è uguale alla pressione minima o pressione diastolica. Riassumendo: Il manicotto è posizionato attorno a un braccio si aumenta la pressione nella camera interna del bracciale fino a superare la pressione dell arteria brachiale in modo da bloccare il flusso sanguigno non vi è flusso sanguigno non si apprezza alcun suono con lo stetoscopio sul polso arterioso. si sgonfia leggermente il bracciale l'indice del manometro scende la pressione arteriosa supera la pressione esterna nel manicotto il flusso del sangue è in condizioni di moto turbolento si sentono i suoni di Korotkoff pressione massima (pressione sistolica). il bracciale è sgonfiato ulteriormente al di sotto della pressione sistolica il flusso è ritornato regolare pressione minima assenza di occlusione scomparsa dei suoni di Korotkoff pressione arteriosa superiore alla pressione esterna (pressione minima o diastolica) I valori della pressione variano a seconda della condizione in cui si trova il soggetto e sono influenzati da molte variabili fisiologiche e molte sono le potenziali sorgenti di errore di misura. Per esempio, il braccio deve essere posizionato al livello del cuore, il manicotto deve avere dimensioni opportune, la cavità del manicotto deve avvolgere circolarmente il braccio, il manometro deve misurare correttamente quindi necessita di taratura, la valvola di sfiato della pressione deve potersi regolare per lasciare defluire lentamente la pressione e in modo costante. Si possono verificare delle criticità in relazione con la qualità dello stetoscopio, la sensibilità uditiva dell operatore o può accadere che la pressione diastolica non sia percepibile in pazienti affetti da patologie, soprattutto da ipertensione. c. Metodi indiretti automatizzati I misuratori automatici, che oggi sono i più diffusi nell uso comune, si basano sul metodo oscillometrico. L apparecchio di misura è costituito da: - una scatoletta al cui interno è contento un piccolo trasduttore di pressione, una piccola pompa per aumentare la pressione nel manicotto, una valvola per diminuire la pressione nel manicotto, un microprocessore che comanda la pompa, regola la valvola, acquisisce i valori della pressione ed elabora i dati. - un manicotto da porre intorno al braccio. Come per il metodo auscultatorio, precedentemente descritto, il manicotto, dopo essere stato posizionato intorno al braccio, viene automaticamente gonfiato fino a valori intorno a 250 mmhg e quindi sgonfiato molto lentamente attraverso la valvola fino alla pressione atmosferica. Il processo dura generalmente circa 30 secondi. Il trasduttore di pressione collegato al manicotto, misura l andamento della pressione all interno del medesimo e il segnale in uscita dal trasduttore è registrato e elaborato dall elettronica.

7 Come già detto per il metodo auscultatorio il flusso del sangue è nullo quando la pressione è maggiore della pressione sistolica ed è continuo quando la pressione è minore della pressione diastolica. Quando il flusso del sangue è presente, ma ridotto, la pressione, misurata dal trasduttore, varia in sincronia con l espansione e la contrazione ciclica dell arteria brachiale cioè oscilla. I valori della pressione sistolica e diastolica sono calcolati, non misurati, usando un algoritmo di calcolo che interpreta lo spettro di segnali provenienti dal trasduttore di pressione. Il risultato del calcolo è poi visualizzato dal display. Questi strumenti 7 non richiedono un orecchio esperto per individuare i suoni di Korotkoff ma possono essere poco precisi, in particolare, se utilizzati da pazienti che presentano problemi circolatori, di cuore, diabetici, ecc. Inoltre apparecchi diversi possono dare risultati diversi. Questo è dovuto al fatto che il segnale pulsorio di pressione è convertito, come si è detto, con algoritmi di calcolo e utilizzando dei coefficienti da inserire nelle equazioni che le case costruttrici ricavano confrontando il risultato ottenuto con il misuratore oscillometrico con quanto ottenuto con un misuratore basato sul metodo auscultatorio e in genere con misuratori a colonna di mercurio che si presentano come più precisi, che, però, come si è detto (nota 4), a causa della tossicità del mercurio dovranno essere abbandonati nell uso comune. La parte più complessa e problematica nella valutazione metrologica dei misuratori oscillometrici riguarda gli algoritmi di calcolo utilizzati per determinare la pressione sistolica e diastolica, cioè il minimo ed il massimo reale. Alcuni strumenti più sofisticati e costosi utilizzano dei sistemi di analisi della forma d onda più complessi per determinare i valori della pressione sistolica e diastolica. Per questo tipo di dispositivo la catena di riferibilità è costituita nel modo seguente: Impulsi di pressione nel manicotto Transduttore di pressione Taratura con metodi primari incertezza 1mmHg Algoritmo di calcolo Come si verifica? Per via statistica, confrontando i risultati del calcolo con i dati acquisiti su un considerevole numero di pazienti Di solito i trasduttori di pressione utilizzati in questi strumenti sono abbastanza accurati; comunque se si ha la necessità di un controllo metrologico possono essere tarati o con una colonna di mercurio o con una bilancia di pressione che sono strumenti primari o 7 Gersak G., Batagelj V., Drnpvsek J., Oscollometric virtual instruments for blood pressare measurement, XVIII IMEKO World congress, Rio de Janeiro, september

8 anche con trasduttori secondari a loro volta tarati con uno dei metodi primari. I misuratori primari consentono valori dell incertezza molto bassi, dell ordine di 10-5, nel campo di misura considerato (fino a 250 mmhg). L incertezza relativa attribuita al trasduttore riportato in figura sottoposto a varie tarature è contenuta entro 5 x 10-3 avendo considerato tutti i fattori di influenza. Si può pertanto affermare che, in questo caso, l incertezza del trasduttore può essere considerata trascurabile. Invece, l accuratezza del metodo oscillometrico è ancora in discussione poichè l identificazione degli algoritmi di calcolo sono empirici e sembrano stimare meglio la pressione sistolica di quella diastolica ed è necessario arricchire il database dei segnali pulsori considerando le più varie tipologie di pazienti (età, sesso, patologie,..). Per questa ragione, in Europa diverse istituzioni stanno conducendo studi teorici e ricerche sperimentali al fine di migliorarne l affidabilità. Vengono costruiti anche particolari apparati atti a simulare l andamento della pressione in un circuito in cui vengono generati impulsi comparabili con l andamento della pressione dovuta al flusso sanguigno. I segnali vengono analizzati con vari algoritmi di calcolo. Sono dunque necessari molti studi sia per la generazione degli impulsi sia per l interpretazione e l analisi dei segnali e infine per il confronto con i valori forniti da una banca dati più ampia possibile.

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