Dario Di Dario Di BlasioBlasio §§

Andrea Andrea MazzoniMazzoni §§

Alessandro Carboni Alessandro Carboni §

Nicola Nicola Pescosolido*Pescosolido*Barbara Barbara Imperatrice*Imperatrice*

§

VARIAZIONE DEL PROCESSING VARIAZIONE DEL PROCESSING VISIVO IN CONDIZIONI DI VISIVO IN CONDIZIONI DI

IPOSSIA IN PILOTI MILITARIIPOSSIA IN PILOTI MILITARI

* Universit* Universitàà degli Studi di Roma degli Studi di Roma ““SapienzaSapienza””

I FacoltI Facoltàà di Medicina e Chirurgia§§ Corpo Sanitario Corpo Sanitario

AeronauticoAeronauticodi Medicina e Chirurgia

Pressione barometrica a diverse altezze Pressione barometrica a diverse altezze e concentrazione di ossigeno nelle concentrazione di ossigeno nell’’ariaariaAltezza (piedi) Pressione

barometrica (mmHg)PpO2 aria (mmHg)

0 760 159.61000 732.93 1523000 681.15 1436000 609.09 1289000 543.34 114.112000 483.48 92.015000 439.08 90.118000 379.77 79.725000 282.40 59.343000 122.3 25.6

pOpO22 alveolare a diverse altitudinialveolare a diverse altitudiniCOCO22 e vapor acqueo diluiscono le vapor acqueo diluiscono l’’OO22 negli negli

alveolialveoliAltezza (piedi)

Pressione barometrica (mmHg)

pO2 aria (mmHg)

Vapor acqueo alveoli (mmHg)

Residuo per altri gas (mmHg)

0 760 159 47 71315000 430 90 47 38318000 380 80 47 33327000 260 55 47 213

pCO2 alveoli (mmHg)

Residuo per altri gas (mmHg)

pO2 alveolare in assenza di consumo di O2(1/5 O2) (mmHg)

pO2 alveolare in assenza di consumo di O2(4/5 N2) (mmHg)

pO2 alveolare con consumo di O2 (mmHg)

40 673 135 538 10430 353 71 282 5524 309 62 247 4024 189 38 151 18

Effetto dellEffetto dell’’altitudine sulla pOaltitudine sulla pO22alveolarealveolare

Altezza (piedi)

Altezza (metri)

pO2 alveoli non acclimatati (respirando aria) (mmHg)

pO2 alveoli acclimatati (respirando aria)(mmHg)

pO2 alveoli (respirando 100% O2)(mmHg)

0 0 104 104 673

15000 5000 55 65 429

18000 6000 40 53 380

27000 9000 18 30 260

Saturazione dellSaturazione dell’’emoglobina emoglobina respirando ossigeno o aria a diverse respirando ossigeno o aria a diverse

altezzealtezzeAltezza (piedi) Altezza (metri) Respirando

ariaSaO2 (%)

Respirando 100% O2

SaO2 (%)0 0 97 10015000 5000 80 10018000 6000 73 10027000 9000 24 9936000 12000 8445000 15000 50

Saturazione dellSaturazione dell’’HbHb con Ocon O22

Un soggetto non acclimatato rimane cosciente fino a quando la saturazione arteriosa dell’ossigeno non scende al

di sotto del 50%

!SaHb 50 % DANGER

Saturazione dellSaturazione dell’’HbHb con Ocon O22! ! DangerDanger (50%)(50%)

Si raggiunge da un aviatore in aereo non pressurizzato

Se respira aria 7000 m (21000 piedi)

Se respira O2 puro 14500 m (45000 piedi)

Effetti acuti dellEffetti acuti dell’’ipossiaipossiaSoggetto non acclimatato che respira ariaSoggetto non acclimatato che respira aria

Altezza (piedi) Altezza (metri) Effetti

11100 3700 Sonnolenza, astenia, affaticamento mentale e fisico, talvolta cefalea, nausea ed euforia

16500 5500 Spasmi, convulsioni

21000 7000 Coma

Effetti acuti dellEffetti acuti dell’’ipossiaipossiaRiduzione dell’efficienza mentale con

incapacità di eseguire movimenti complessi

Altezza: 13800 piedi (4600 m)

Dopo 18 ore

Efficienza mentale ridotta al 20% del normale

Dopo 1 ora

Efficienza mentale ridotta del 50%

L’ipossia è un evento da valutare in piloti militari

Riduzione dei riflessi

Rischio operativo

Acclimatazione alle basse pOAcclimatazione alle basse pO22

Con permanenza ad alte quote (gg, settimane, anni)

Grande aumento della ventilazione polmonareAumento del numero di globuli rossiAumento della capacità di diffusione polmonareAumento della vascolarizzazione dei tessutiMaggiore capacità cellulare ad utilizzare l’ossigeno

LL’’occhioocchio

La retinaLa retina

Le vie visiveLe vie visive

Scopo Scopo della della

sperimentazionesperimentazione

Considerando che:Considerando che:

Mc Farland (1963) ha riportato l’estrema sensibilità del sistema visivo umano all’ipossia e cambiamenti delle funzioni visive ad un’altitudine superiore ai 3000 m

Fowler et al. (1993) hanno suggerito che l’ipossia influisce sullo stadio pre-processingmentre essa influisce poco o nulla nello stadio di identificazione ed in quello della risposta

In questi studi l’ipossia è stata indotta con somministrazione di una miscela povera di O2(SaO2 64-66%)

Considerando che:Considerando che:

Bridges e Kolder (1964) concludevano, studiando la soglia di sensibilità al

contrasto in ipossia, come la sua riduzione fosse riconducibile a modifiche dei processi inibitori responsabili del

fenomeno della sensibilità al contrasto e che l’effetto persisteva oltre i 10 minuti

dalla riduzione della saturazione dell’ossigeno (SaO2)

Gli Autori hanno inteso valutare due indici anterogradi di funzionalità dell’apparato visivo in

condizioni di ipossia negli stessi soggetti:

Potenziali visivi evocati (PEV)

Sensibilità al contrasto (FCS)

Materiali Materiali e e

MetodiMetodi

IpossiaIpossia

E’ stata ottenuta facendo respirare a 4 piloti militari (età media di 38±2 anni, sesso maschile, acclimatati, visus naturale o corretto di 10/10) una miscela povera (a basso contenuto di ossigeno) che ha prodotto una saturazione arteriosa di ossigeno al 70% (equivalente a 18000 piedi-6000 m) in 10-20 minuti valutata con ossimetro

I POTENZIALI EVOCATI VISIVI (PEV)POTENZIALI EVOCATI VISIVI (PEV)si definiscono come le variazioni dei potenziali bioelettrici della corteccia

occipitale evocati da stimoli visivi. Essi costituiscono, quindi, la manifestazione di raffinati e complessi eventi neurosensoriali

legati a fenomeni di traduzione e trasmissione dell’impulso nervoso lungo le vie visive, cioè dai fotorecettori retinici fino

alla corteccia cerebrale occipitale

Potenziali Evocati VisiviPotenziali Evocati Visivi

Sistema Internazionale 10/20Sistema Internazionale 10/20

Acquisizione del segnaleAcquisizione del segnale

1. Banda passante compresa tra 1 e 100 Hz

2. Amplificazione del segnale di 20.000-50.000 volte

3. Tempo di analisi 250 msec per canale con risoluzione minima di 12 bit

4. Reiezione automatica degli artefatti eccedenti ±50 – 100 µv in ampiezza

5. Numero di tracce da mediare almeno 64

PEV: stimolo visivo e risposte PEV: stimolo visivo e risposte bioelettriche corticalibioelettriche corticali

FlashFlash

Parametri dello stimolo Parametri dello stimolo (PATTERN)(PATTERN)

Le dimensioni degli elementi del pattern in caso di barre devono essere definite dalla frequenza spaziale delle barre espressa in cicli per grado (c/g), intendendo il numero di coppie, elemento chiaro-elemento scuro

(ciclo), che sottendono all’occhio del soggetto un grado di angolo visivo.

Presentazione del PatternPresentazione del Pattern

Gli elementi chiari e scuri del pattern si invertono spazialmente sullo schermo in maniera continua con uno specifico numero di reversal per secondo (transiente, steady-state, on-off).

Non deve esserci un cambiamento di luminanza dello schermo, ciò richiede un uguale numero di elementi chiari e scuri presenti.

Presentazione del PatternPresentazione del Pattern

È fondamentale utilizzare un pattern ad alto contrasto che sottenda un campo visivo di almeno 15 gradi.

Elementi di 12-16 min di arco stimolazione foveale.

Elementi maggiori di 40 min di arco stimolazione para-foveale

Morfologia della risposta Morfologia della risposta normale da stimolo pattern normale da stimolo pattern

transientetransiente

Morfologia della risposta normale da stimolo Morfologia della risposta normale da stimolo pattern transientepattern transiente

Mettono in evidenza alterazioni funzionali precoci anche in assenza di riduzione del visus o modificazioni campimetriche.

Costituendo una metodica semeiologica obiettiva, non invasiva e ripetibile nel tempo, offrono la possibilità di utili informazioni sia nella diagnosi che nel monitoraggio delle alterazioni funzionali indotte da numerose patologie neuroftalmologiche sull’intero sistema visivo e disturbi funzionali.

PEVPEV

Soglia di sensibilitSoglia di sensibilitàà al contrasto al contrasto spazialespaziale

È la minima differenza di luminanza con la quale si riescono a percepire due mire di una determinata frequenza

spaziale

Acquisizione della rispostaAcquisizione della risposta

La modalità utilizzata è stata quella con reticoli ad onda sinusoidale

Vengono presentati monocularmente dei reticoli dei quali il soggetto in esame deve distinguere tra tre differenti orientamenti: verticale, inclinato 15° a dx e 15° a sn

Acquisizione della rispostaAcquisizione della risposta

La frequenza spaziale del reticolo è definita in cicli/grado (c/g) e vengono visualizzati i valori

0,5 – 1,0 – 1,5 – 3,0 – 6,0 – 12 – 18

Acquisizione della rispostaAcquisizione della risposta

La soglia del contrasto che si può visualizzare per ogni frequenza spaziale

va dal 100% allo 0,42%, calcolata secondo la formula di Michelson:

C = L max – L min / L max + L min

C% = C x 100 S. C. = 1/contrasto

Acquisizione della rispostaAcquisizione della risposta

Nella procedura di presentazione si considera un intervallo di contrasto ottimizzato in funzione della frequenza spaziale

Acquisizione della rispostaAcquisizione della rispostaAl fine di attenuare in modo costante la

luminosità, si utilizzano filtri Wratten con un’attenuazione media dell’acutezza visiva di 0,49 ± 0,07 (min 0,33 – max 0,76)

Nel caso specifico, per ridurre l’abbagliamento solare indotto e simulare una condizione di visione mesopica, si sono impiegati tre filtri sovrapposti

SOGLIA DI SENSIBILITASOGLIA DI SENSIBILITA’’ AL AL CONTRASTOCONTRASTO

Mette in evidenza alterazioni funzionali dell’area maculare (15-20°) in maniera concentrica

Infatti, nell’occhio umano la sensibilità al contrasto è massima per frequenze spaziali tra 1.5 e 3 c/g equivalenti ad un visus di 1-2/10 (area paramaculare) mentre è minima a frequenze spaziali elevate (18 c/g) corrispondenti ad un visus di 10/10 (area foveolare)

Risultati Risultati della della

sperimentazionesperimentazione

PEV FCSPEV FCS

Risultati PEVRisultati PEV

4,8

3,4

6

4,4

6,3

4,6

0

1

2

3

4

5

6

7

Am

piez

za (m

icro

volts

)

BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2

Condizioni sperimentali

Variazione dell'ampiezza della P100 tra condizioni basali ed ipossia a vari c/g

**

c/g

Variazione dell'ampiezza della P100 Variazione dell'ampiezza della P100 tra condizioni basali ed tra condizioni basali ed ipossiaipossia

(70% SaO(70% SaO22) a vari c/g) a vari c/g

Pattern transientreversal (c/g) BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2

Ampiezza P100 (µv) 4,8 3,4 6 4,4 6,3 4,6

Dev. St. 1,2 1,4 1,7 1,8 2,7 1,5

P<0.05 * *

Risultati PEVRisultati PEV

121,4

130,6

110,3113,0

109,6

117,0

95,0

100,0

105,0

110,0

115,0

120,0

125,0

130,0

135,0

Late

nza

(mse

c)

BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2Condizioni sperimentali

Variazione della latenza della P100 tra condizioni basali ed ipossia a vari c/g

*

c/g

Variazione della latenza della P100 Variazione della latenza della P100 tra condizioni basali ed tra condizioni basali ed ipossiaipossia

(70% SaO(70% SaO22) a vari c/g) a vari c/g

Pattern transientreversal (c/g) BL 0.25 Ipossia 0.25 BL 1 Ipossia 1 BL 2 Ipossia 2

Latenza P100 (msec) 121,4 130,6 110,3 113,0 109,6 117,0

Dev. St. 6,8 9,9 6,0 8,4 4,2 8,8

P<0,05 *

FCSFCScon filtri in condizioni con filtri in condizioni normossichenormossiche ed ed ipossicheipossiche

Variazione della sensibilità al contrasto a varie frequenze spaziali in condizioni mesopiche

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0.5 1 1.5 3 6 12 18

Frequenze spaziali c/g

Sens

ibili

tà a

l con

tras

to

BL

Ipossia (70% sO2)

D.S.

*

*

Risultati FCSRisultati FCSVariazioni della soglia della sensibilitVariazioni della soglia della sensibilitàà al contrasto a al contrasto a

varie frequenze spaziali in condizioni varie frequenze spaziali in condizioni mesopichemesopiche, , normossichenormossiche ed ed ipossicheipossiche

Frequenza spaziale (c/g) 0.5 1 1.5 3 6 12 18

BL 15,95 28,77 37,09 29,35 17,43 3,97 1,77

D.S. 7,55 14,36 10,16 9,02 16,23 0,71 0,00

Ipossia (70% sO2) 12,984 23,348 27,348 21,026 8,789 3,53 1,77

D.S. 4,55 7,92 7,50 6,41 2,88 0,00 0,00

P<0.05 *

DiscussioneDiscussione

PEVPEV

I risultati ottenuti nello studio dei PEVPEVhanno evidenziato che in condizioni mesopiche ed ipossiche (SaO2=70%) si ha:

PEVPEVUna riduzione dell’ampiezza del segnale alle

frequenze che interessano i campi ricettivi peri- e para-foveolari

Un aumento della latenza del segnale alle frequenze spaziali che interessano i campi ricettivi foveolari

PEVPEVI risultati ottenuti dai PEV confermano quanto

già in parte noto in letteratura ma solo ad un’altezza di 4300m (Singh et al., 2004) in cui risultava un aumento di latenza della N1.

I nostri studi sono stati condotti, di contro, ad un’altezza equivalente di 6000m ottenendo aumento di latenza (P1) e riduzione di ampiezza (P1).

FCSFCS

I risultati ottenuti dallo studio della FCSFCShanno evidenziato che in condizioni mesopiche ed ipossiche (SaO2=70%) si ha:

FCSFCS

Una riduzione dell’apice della curva di sensibilità al contrasto (1.5-3 c/g) che interessa i campi ricettivi peri-foveolari

FCSFCSAnche i risultati dalla FCS confermano quanto in parte

già noto in letteratura (Bridges e Kolder, 1964).

La sensibilità al contrasto risultava diminuita appena dopo l’induzione ipossica (ottenuta con il 10% di O2ed il 90% di N2) e tale diminuzione rimaneva cotante durante tutto il periodo di osservazione di 15 minuti.

Inoltre, tale riduzione persisteva per i 10 minuti successivi alla ritorno alle condizioni normossiche.

FCSFCSValutando l’intera curva di sensibilità al

contrasto in condizioni mesopiche i risultati della FCS sono molto piùpredittivi di quello che può accadere nella pratica quotidiana del pilota militare e cioè una netta riduzione di tale funzione

Con l’uso di filtri

In condizioni ipossiche + uso di filtri

Presumibili eventi Presumibili eventi fisiopatologicifisiopatologici

PEV FCSPEV FCS

IPOSSIA (diminuzione PpO2 e PpCO2)

IPOCAPNIA (diminuzione CO2 40mmHg 20 mmHg)

IPERVENTILAZIONE

ALCALOSI RESPIRATORIA (diminuzione CO2, aumento pH)

MECCANISMI RENALI DI COMPENSO NON RAPIDI (eliminazione HCO3-)

DEPRESSIONE CENTRO BULBARE DELLA RESPIRAZIONE DA DIMINUZIONE DI CO2)

APNEA (fenomeno di compenso)

IPERCAPNIA

PEVPEV

IPERCAPNIA

IPERPOLARIZZAZIONE NEURONALE CEREBRALE (aree striate)

DIMINUZIONE DELL’ECCITABILITA’

AUMENTO DEI TEMPI DELLA CONDUZIONE NERVOSA

RIDUZIONE DELL’AMPIEZZA DELLO STIMOLO LUMINOSO PER DESINCRONIZZAZIONE

PEVPEV

Il neuroneIl neurone

FCSFCS

I processi inibitori responsabili del fenomeno della sensibilità al

contrasto risultano essere sensibili all’ipossia e ne sono in special

modo influenzati

ConclusioniConclusioni

I risultati del nostro lavoro si differenziano profondamente da quelli degli Autori precedenti in quanto negli stessi soggetti sono stati eseguiti due esami che avevano finalità diverse:

PEVPEV: conduzione retino-corticale

FCSFCS: attività retinica

Il fatto di aver riscontrato un aumento della latenza dei PEV associato ad una riduzione dell’ampiezza della curva della FCS induce a pensare che l’ipossia intervenga contemporaneamente su due livelli:

RetinicoRetinico

CerebraleCerebrale

Tali studi considerando l’importanza funzionale e del notevole interesse nell’aviazione militare necessitano di piùapprofondite valutazioni in varie condizioni sperimentali

RingraziamentiRingraziamenti

Gli Autori ringraziano tutto il Corpo Sanitario Aeronautico in specie il Gen.Isp.Capo Manlio CARBONI, il Col. Giuseppe CIMIGLIO AGGIONI ed il Maresciallo 1^ Classe Operatore Spec. Sanitario Gregorio ANGELINO

Grazie Grazie per per

ll’’attenzioneattenzione