Physiopathologic mechanism coordination of breathing and swallowing with optoelectronic plethysmography and surface electromyographic analysis in elderly COPD patient

Introduction: The breathing and swallowing coordination is important in different kinds of pathologies. It has a fundamental role particularly in the chronic obstructive pulmonary disease (COPD), in which the possibility of prandial aspiration is a risk factor for exacerbation. Aim: Evaluation of the synchronism between breathing and swallowing in patients with COPD during stable and exacerbation condition, in order to quantify how much the degree of the disease affects the swallowing ability. Methods: We analyzed 15 healthy subjects, 15 patients with COPD in stable phase and 11 COPD patients in acute phase. The respiratory mechanics was acquired by an optoelectronic plethysmography system (BTS OEP) and the breathing pattern before, during and after the swallowing act was evaluated. The swallowing was analyzed by a surface electromyography (BTS FREEEMG), synchronized to the OEP system. We acquired the EMG activity of the following muscles: the anterior belly of the Digastric muscle (Digastr) and the Sterno-thyro-hyoid muscle (Sterno TH), bilaterally. The electrodes were placed on these muscles in the region above and under the Hyoid bone, following the guidelines reported in literature. Liquid boluse (10 ml) was administered to the patients. The respiratory mechanics was evaluated through the volume computation of the three compartments of the rib cage before, during and after the swallowing. The swallowing was evaluated through the computation of the swallowing apnea duration, the synchronism between the two muscles belonging to the same side (vertical synchronism) and the synchronism between the two couples of homologous muscles belonging to the opposite sides (horizontal synchronism). The data was assessed by an appropriate statistical analysis. Results: The study of the chest wall mechanics showed that patients in the acute phase had a greater volume alteration in the pulmonary and abdominal rib cage compartments, mainly after swallowing. The analysis of sEMG showed a modified synchronism both between horizontal and vertical muscles, an increased duration of apnea and an increased number of swallowing acts. These indexes underlined a real condition of dysphagia. Patients in acute phase showed the greatest swallowing alteration. Conclusions: Patients with COPD showed an important alteration in breathing and swallowing coordination, with the loss of synchronism in the Digastr and Sterno TH muscular activity during the swallowing act. The altered coordination increases the risk of aspiration in patients with stable COPD. All that could really contribute to the exacerbation.

INTRODUZIONE: La coordinazione tra respiro e deglutizione è di particolare importanza in diverse patologie in particolare nella bronco pneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) perché l’aspirazione prandiale è un fattore fondamentale per la riacutizzazione. OBIETTIVI: Valutare la sincronia tra respiro e deglutizione in pazienti affetti da BPCO in condizione stabile e in fase di esacerbazione, al fine di verificare come il grado della patologia influisca sulla capacità deglutitoria. METODI: Sono stati analizzati 15 soggetti sani, 15 pazienti affetti da BPCO in fase stabile e 11 pazienti BPCO in fase acuta. La meccanica respiratoria è stata acquisita con sistema di pletismografia optoelettronica (OEP) valutando il pattern respiratorio prima, durante e dopo l’atto deglutitorio. L’analisi dell’atto deglutitorio è stata eseguita mediante elettromiografia di superficie (sEMG) sincronizzata con il sistema OEP. Gli elettrodi sono stati posizionati bilateralmente alla regione sopra e sottoioidea in accordo con la letteratura. In particolare sono stati analizzati i seguenti muscoli: Ventre Anteriore del Muscolo Digastrico (Digastr) e Sterno-Joideo (Sterno J). Si sono somministrati boli liquidi da 10 ml e 20 ml. Per caratterizzare la meccanica respiratoria si sono calcolati i volumi dei tre compartimenti della gabbia toracica prima, durante e dopo l’atto deglutitorio. Per caratterizzare l’atto deglutitorio sono stati calcolati la durata dell’atto deglutitorio, la sincronia tra gli stessi muscoli e tra i due emilati. L’analisi dei dati è stata condotta mediante opportuna analisi statistica. RISULTATI: Dall’esame della meccanica della gabbia toracica si evidenzia come i pazienti in fase acuta abbiano una maggiore alterazione dei volumi nei compartimenti toracico alto e toracico basso, che si evidenzia maggiormente dopo l’atto deglutitorio. Attraverso l’analisi della sEMG si evidenzia un’alterata sincronia muscolare sia orizzontale che verticale tra i muscoli, un aumento della durata dell’apnea deglutitoria e del numero di atti deglutitori, tutti indici specifici di una condizione di disfagia. In particolare i pazienti in fase acuta presentano maggiori compromissioni. CONCLUSIONI: I pazienti con BPCO mostrano un’alterazione della coordinazione tra atto respiratorio e deglutizione, sviluppando un’alterata sincronia tra i muscoli Digastr e Sterno J durante l’atto deglutitorio. L’alterazione della coordinazione incrementa il rischio di aspirazione in pazienti con BPCO in fase stabile e questo potrebbe contribuire alla riacutizzazione.