Il cuore tra lo spazio e gli abissi marini F i s i o p a t o l o g i a cardiovascolare in ipergravità, ipobarismo ed ambiente iperbarico

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1 Umberto Berrettini Angelo Landolfi Il cuore tra lo spazio e gli abissi marini F i s i o p a t o l o g i a cardiovascolare in ipergravità, ipobarismo ed ambiente iperbarico Casa Editrice Scientifica Internazionale

2 Capitolo 1 Atmosfera terrestre e leggi dei gas

3 Il 7 maggio del 1937 il colonnello Mario Pezzi, comandante del Reparto alta quota costituito a Guidonia (Roma), raggiunge i metri d altezza e poi, dopo essere stato superato dall inglese Adams, ritenta l impresa il 22 ottobre dell anno successivo su uno speciale Ca.161bis conquistando il primato assoluto di quota salendo a metri: altitudine raggiunta che costituisce ancor oggi un primato imbattuto per velivoli con motore a pistoni. Per sopportare le condizioni estreme dell alta quota, Pezzi, con la preziosa collaborazione degli studiosi della medicina aeronautica di allora, adotta una sorta di scafandro rigido a tenuta stagna, molto simile a quello di un palombaro, ed antesignano delle moderne cabine pressurizzate di oggi. Composizione e suddivisione dell atmosfera Lo studio della fisiologia e fisiopatologia dell uomo esposto ad elevate altitudini non può prescindere da un adeguata conoscenza del comportamento e delle proprietà dell atmosfera terrestre. L atmosfera terrestre è definita come l involucro gassoso che circonda la terra e provvede ad alcune funzioni fondamentali che sostengono la vita umana: contiene l ossigeno e l anidride carbonica, due gas essenziali per la vita animale e vegetale; costituisce una protezione nei confronti delle radiazioni cosmiche, ultraviolette e termiche; al suo interno avvengono tutti i fenomeni meteorologici, fondamentali nel mantenere il clima e la temperatura. L atmosfera è costituita da una miscela di gas: azoto, ossigeno, argon, anidride carbonica, altri gas inerti (elio, neon, ) e questa composizione rimane costante fino a circa 300,000 piedi. La percentuale dei gas che compongono l atmosfera terrestre è la seguente: azoto 78,084%, ossigeno 20,946%, altri gas 1% (incluso uno 0.033% di anidride carbonica). Da un punto di vista fisico l atmosfera viene suddivisa in diversi strati con il variare dell altitudine (Fig. 1). Fig. 1 - divisione fisica dell atmosfera. 2

4 Atmostera terrestre e leggi dei gas TROPOSFERA (da 0 a 11 Km): contiene la maggior parte dei fenomeni atmosferici; è caratterizzata da temperature variabili, presenza di vapor acqueo e turbolenze. TROPOPAUSA: zona di transizione tra troposfera e stratosfera. STRATOSFERA (fino a 80 Km circa): è caratterizzata dalla diminuzione del vapore acqueo; non ci sono fenomeni atmosferici (eccetto la sommità dei temporali) e nello strato più basso (strato isotermico) la temperatura è costante a circa 55 C. IONOSFERA (fino a circa 900 Km): zona di aria ionizzata prodotta da radiazioni U.V.. ESOSFERA: corrisponde allo spazio. Temperatura intorno a 270 C. La pressione atmosferica La pressione atmosferica è definita come la forza esercitata dal peso dell aria su una data superficie e determinata da tutti i gas che compongono l atmosfera. Questa forza è il risultato dell azione della gravità che spinge le molecole di gas verso la terra. La densità dell aria e la pressione atmosferica diminuiscono esponenzialmente man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre (Fig. 2). La standard atmosphere (atm) rappresenta l unità di pressione misurata al livello del mare ed è pari kpa o 760 mmhg: la pressione atmosferica può essere misurata ad Fig. 2 - Andamento della pressione barometrica. ogni altitudine con differenti unità di misura: in torr, in millimetri di mercurio (mmhg), in millibar (mbar), in chilo-pascal (kpa), le cui relazioni intercorrenti sono le seguenti: 1 bar = 10 5 Pa 760 torr = 1 atm 1 atm = Pa 1 mmhg = 133,322 Pa 1 atm = 1,01325 bar 1 mbar = 100 Pa 760 mmhg = 1 atm 1 mmh2o = 9,8 Pa 1 atm = 1013,2 mbar 1 atm = 101,32 kpa La pressione atmosferica presenta una variabilità in relazione ai cambiamenti della temperatura, alle aree di maggiore o minore pressione ed alla latitudine della zona di misura. Gli altimetri a pressione misurano la pressione atmosferica e convertono i dati ricevuti in formato numerico. Per realizzare uno strumento di questa natura è necessario tuttavia elaborare un sistema standard di riferimento per conoscere la pressione atmosferica 3

5 Il cuore tra lo spazio e gli abissi marini ad una determinata altitudine. Questo sistema è stato elaborato prendendo come riferimento la pressione atmosferica e la temperatura media per un anno e ad una latitudine media. A livello del mare ed alla latitudine di 45, è stato determinato che gli standard per temperatura e pressione sono, rispettivamente, + 15 ºC e 760 mmhg: in questo modo, la pressione atmosferica a 18,000 piedi è di mmhg ossia circa metà della pressione registrata a livello del mare. Questo rilievo spiega anche perché i maggiori cambiamenti di pressione e di volume si registrano negli strati più bassi dell atmosfera. La tabella sottostante mette in relazione altitudine con pressione barometrica e temperatura: Pressione Temperatura Altitudine (piedi) Torr/mmHg PSIA F C Livello del mare

6 Atmostera terrestre e leggi dei gas Divisione fisiologica dell atmosfera In medicina aeronautica e spaziale si suole suddividere l atmosfera terrestre, da un punto di vista della fisiologia umana, in tre distinte zone in relazione agli effetti delle pressioni parziali dei gas sull uomo alle diverse altitudini. Zona Fisiologica: si estende dal livello del mare fino a circa 10,000 piedi ed è la zona dell atmosfera in cui il corpo umano è ben adattato in tutte le sue funzioni: al di sopra di questa zona, la vita richiede un considerevole grado di adattamento. La pressione atmosferica diminuisce da 760 mmhg, livello del mare, a 523 mmhg, limite superiore della zona fisiologica: di conseguenza anche la pressione parziale di ossigeno (PpO2) diminuisce con la quota, ma i meccanismi di compenso messi in atto dall organismo umano consentono di mantenere il trasporto di ossigeno ai tessuti entro limiti normali. Solo negli strati superiori di questa zona ed in tessuti con alto consumo di ossigeno si possono notare iniziali segni di ipossia ipossica. Oltre i 10,000 piedi è richiesto l uso di ossigeno supplementare. Zona di deficit fisiologico: si estende da 10,000 a 50,000 piedi circa. A causa della ridotta pressione atmosferica, l apporto di ossigeno ai tessuti risulta inadeguato per sostenere le normali funzioni fisiologiche. In questa zona, inoltre, si può manifestare la sindrome della malattia da decompressione. La pressione atmosferica si riduce da 523 mmhg a 87 mmhg presenti circa a 50,000 piedi. Al di sopra di questo limite, è necessario indossare una tuta pressurizzata. Zona equivalente allo spazio: oltre 50,000 piedi, il volo comporta problemi fisiologici simili al volo spaziale. A queste quote è necessario, infatti, indossare tute pressurizzate, oppure utilizzare compartimenti completamente sigillati (ad esempio, la Stazione Spaziale Internazionale) in quanto l atmosfera è così rarefatta che risulta impossibile ottenere un adeguata pressurizzazione utilizzando l aria esterna. Il fenomeno dell ebullismo si verifica in voli non pressurizzati superata la quota di 63,000 piedi (linea di Armstrong) dove la pressione barometrica di 47 mmhg equivale alla pressione del vapore acqueo a 37 C. Il fenomeno, caratterizzato dalla formazione di bolle di vapore nel sangue, nella cute e nelle membrane mucose, si verifica poiché il punto di ebollizione di un liquido è determinato dalla temperatura alla quale la pressione del vapore acqueo è uguale alla pressione barometrica. La temperatura La temperatura a livello della superficie terrestre varia quotidianamente ed a seconda delle stagioni dell anno. Fino a 35,000 piedi di altezza, la temperatura diminuisce in maniera costante nella misura di 2 gradi Celsius (3.6 ºF) ogni 1,000 piedi. Questa variazione costante è definita come Standard Temperature Lapse Rate e permette di calcolare la Temperatura esterna ad ogni altitudine. 5

7 Il cuore tra lo spazio e gli abissi marini Leggi fisiche dei gas L equazione di stato dei gas perfetti è la legge generale che descrive il comportamento dei gas: P x V = n x R x T dove n rappresenta il numero di moli di gas contenute nel volume V a pressione P ed alla temperatura T, R è la costante universale dei gas. Mantenendo costante una delle tre variabili (P, T, V) è possibile derivare le prime tre leggi fisiche che seguono. Legge di Dalton: la pressione totale esercitata da una miscela di gas è uguale alla somma delle pressioni parziali di ogni singolo gas contenuto nella miscela stessa: Pt = P1 + P2 + P3 + Pn dove Pt rappresenta la pressione totale esercitata dalla miscela di gas e P1, P2, P3, Pn rappresentano le pressioni parziali dei singoli gas costituenti la miscela gassosa. La pressione parziale di un gas all interno di una miscela può essere calcolata moltiplicando la pressione totale della miscela per la percentuale del gas nella miscela, espressa questa come frazione di gas: Ppgas = Pt x Fgas dove Ppgas rappresenta la pressione parziale del gas, Fgas la sua frazione e Pt la pressione ambiente. Quindi, ad esempio, la pressione parziale dell ossigeno nella miscela aria può variare in relazione alla pressione ambiente (a 5486 metri la pressione ambiente è pari a 0.5 bar, mentre a 66 metri di profondità è pari a 7.6 ATA): PpO2 = 0.5 x 0.21 = bar PpO2 = 7.6 x 0.21 = bar Con l aumento dell altitudine, la pressione parziale di ogni gas diminuisce, pur rimanendo costante la percentuale dello stesso gas nell ambiente. La tabella a pagina seguente mette in relazione l altitudine (espressa in piedi ed in metri) con la corrispondente pressione ambiente (espressa in millimetri di mercurio ed in bar) ed i valori di pressione parziale inspiratoria di ossigeno in aria ambiente e di ossigeno al 100% (espressi in mmhg): Legge di Boyle: a temperatura costante, il volume di un gas è inversamente proporzionale alla pressione ambiente: P1/P2 = V2/V1 6

8 Atmostera terrestre e leggi dei gas Dove P1 è la pressione iniziale, P2 quella finale, V1 rappresenta il volume iniziale e V2 quello finale. Nel considerare le variazioni di volume dei gas contenuti nelle cavità corporee occorre tener conto della presenza del vapor acqueo, costante alla temperatura corporea e pari a 47 mmhg: (P1 - PH2O)/(P2 - PH2O) = V2/V1 Feet/meters mmhg/bar PpO2 PpO2 Sea Level / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

9 Il cuore tra lo spazio e gli abissi marini Segue tabella 38000/ / / / / / / / La Legge di Boyle è responsabile di tutti gli effetti dei cambiamenti di pressione e quindi di volume a livello delle cavità del corpo umano. Altro effetto di questa legge fisica riguarda la densità dei gas: la densità aumenta proporzionalmente con la pressione e viceversa. Legge di Henry: la quantità di gas che, a temperatura costante, va in soluzione in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale dello stesso gas. Pertanto, se la pressione è ridotta al di sopra della soluzione, lo stesso gas lascerà lo stato di soluzione, passando dallo stato liquido allo stato gassoso. All equilibrio la pressione del gas a contatto con il liquido e quella del gas disciolto fisicamente (tensione) sono uguali. Questo principio è alla base della teoria della decompressione. Leggi di Charles e di Gay-Lussac: a volume costante, la pressione di un gas aumenta o diminuisce proporzionalmente all aumentare o al diminuire della sua temperatura (Gay-Lussac), così come a pressione costante, sarà il volume che aumenterà o diminuirà a seconda delle variazioni della temperatura (Charles). Un esempio del principio di Gay-Lussac è rappresentato da una lieve diminuzione di pressione registrata in un cilindro che contiene ossigeno portato dal livello del mare a 10,000 piedi: la temperatura più bassa a questa quota porta infatti ad una diminuzione della pressione all interno del cilindro. Legge della diffusione dei gas: un gas diffonde da un area a più alta concentrazione o pressione ad un area a concentrazione o pressione più bassa fino al raggiungimento di un nuovo equilibrio. L entità di questo movimento dipende fondamentalmente dalla concentrazione relativa dei gas (forza del gradiente di diffusione), dalla solubilità del gas nel solvente, dalla natura chimica del gas e del solvente ed è regolato dalla legge di Fick. La solubilità di un gas, inoltre, aumenta con il diminuire della temperatura. Il significato fisiologico di questo principio si applica al movimento dell ossigeno e dell anidride carbonica all interno dell apparato respiratorio ed al comportamento dei gas in decompressione. 8

10 Atmostera terrestre e leggi dei gas Dalla tabella si possono ottenere le fondamentali caratteristiche dei gas presenti nell atmosfera: Ossigeno Azoto Elio Idrogeno Argon Neon Peso molecolare 31,999 28,016 4,003 2,016 39,944 20,183 Densità 1,2584 1,1017 0,1572 0,0792 1,571 0,7926 Solubilità in acqua 0,095 0,013 0,0086 0,017 0,026 0,0097 Solubilità in olio 0,012 0,061 0,015 0,05 0,14 0,019 Diffusività in acqua 28,2 30,01 63,2 112,6 25,2 34,8 Diffusività in olio 6,59 7,04 18,6 26,3 5,29 8,34 Conduttività termica 6,6 6,4 36,9 45,9 4,4 11,8 Capacità termica 0,22 0,25 1,25 3,39 0,13 0,25 Legge di Laplace: la differenza tra la pressione interna di una bolla e quella al suo esterno è inversamente proporzionale al raggio della bolla stessa: Pint Pext = 2γ/R dove γ indica la tensione superficiale all interfaccia. Origine ed evoluzione delle bolle che si formano nell organismo esposto a variazioni di pressione ambiente, ipo-iperbarismo, hanno importanza cruciale nella patogenesi della malattia da decompressione. 9