Thoraco-abdominal asynchronies : new insights in health and disease

The respiratory muscles, namely the rib cage muscles, the diaphragm and the abdominal muscles, play a vital role as they guarantee lung ventilation. These muscles are an essential part of the ventilatory pump, which comprises also the chest wall with its three compartments, namely the pulmonary rib cage, the abdominal rib cage and the abdomen. The movement of these compartments is accomplished by contraction of the respiratory muscles during inspiration. In healthy subjects the contraction of the respiratory muscles is coordinated and the movement of the chest wall compartments results to be homogeneous. Isolated contraction of one muscle group is able to guarantee ventilation, but it can have undesired effects on the chest wall compartments, such as asynchronous or even paradoxical movement, which causes ventilation to be less effective or even totally ineffective. Measurements of chest wall asynchronies is an indirect and noninvasive assessment of the respiratory muscles’ function. The aim of this PhD thesis is to develop new methods for the quantifications of thoraco-abdominal asynchronies for the noninvasive assessment of the respiratory muscles function in respiratory diseases that directly or indirectly affect the respiratory muscles. For this purpose opto-electronic plethysmography (OEP) was used to noninvasively measure compartmental chest wall volumes in situations of clinical interest during which the assessment of the respiratory muscles function is not obvious. Two studies were conducted to characterize chest wall asynchronies in patients with a pulmonary disease that indirectly affect the respiratory muscles (chronic obstructive pulmonary disease, COPD) and in patients with a disease that directly affect the respiratory muscles (Duchenne muscular dystrophy, DMD) in stable conditions during spontaneous breathing. Afterwards chest wall asynchronies were studied in two situations of particular clinical interest such as in COPD patients before and after undergoing lung volume reduction surgery and in patients defined as difficult-to-wean from mechanical ventilation. Analysis of thoraco-abdominal asynchronies by OEP is a useful tool to noninvasively evaluate the respiratory muscles function in different diseases, especially in patients that cannot fully collaborate in performing respiratory maneuvers.

I muscoli respiratori, ovvero i muscoli della gabbia toracica, il diaframma e i muscoli addominali, svolgono un ruolo fondamentale in quanto garantiscono la ventilazione polmonare. Questi muscoli sono una parte essenziale della pompa ventilatoria, che comprende anche la parete toraco-addominale con i suoi tre compartimenti, ovvero la gabbia toracica polmonare, la gabbia toracica addominale e l'addome. Il movimento di questi compartimenti si ottiene grazie alla contrazione dei muscoli respiratori durante l'inspirazione. In soggetti sani, la contrazione dei muscoli respiratori è coordinata e il movimento dei compartimenti della parete toraco-addominale risulta essere omogenea. La contrazione isolata di un gruppo di muscoli è in grado di garantire la ventilazione, ma può avere effetti indesiderati sui compartimenti della parete toraco-addominale, come movimenti asincroni o paradossi, che causano la presenza di una ventilazione meno efficace o totalmente inefficace. La misura delle asincronie della parete toraco-addominale è una valutazione indiretta e non invasiva della funzione dei muscoli respiratori. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare nuovi metodi per le quantificazioni di asincronie toraco-addominali per la valutazione non invasiva della funzione dei muscoli respiratori in malattie respiratorie che riguardano direttamente o indirettamente i muscoli respiratori. A questo scopo la pletismografia opto-elettronico (OEP) è stata scelta per misurare in modo non invasivo i volumi compartimentali della parete toraco-addominale in situazioni di interesse clinico in cui la valutazione della funzione respiratoria muscoli non è ovvia. Nella tesi sono stati condotti due studi per caratterizzare le asincronie della parete toraco-addominale in pazienti con una malattia polmonare che colpisce indirettamente i muscoli respiratori (broncopneumopatia cronica ostruttiva, BPCO) e in pazienti con una malattia che interessa direttamente i muscoli respiratori (distrofia muscolare di Duchenne, DMD) in condizioni cliniche stabili durante respiro spontaneo. Successivamente le asincronie parete toraco-addominale sono state studiate in due situazioni di particolare interesse clinico come nei pazienti BPCO prima e dopo intervento chirurgico di riduzione del volume polmonare e in pazienti definiti come difficili da svezzare durante svezzamento dalla ventilazione meccanica. L’analisi delle asincronie toraco-addominali mediante OEP è uno strumento utile per valutare in maniera non invasiva la funzione dei muscoli respiratori, in particolare in pazienti che non possono pienamente collaborare nello svolgimento di manovre respiratorie.