Blood shifts from thorax to extremities : methods and applications

The splanchnic vasculature represents a significant reservoir of blood in the human body. Recently it has been demonstrated (Aliverti et al, J Appl Physiol, 2010) that during quiet diaphragmatic breathing the diaphragm has two functions, decreasing pleural pressure ventilates the lungs but simultaneously increases abdominal pressure and shifts an amount of blood of about 50-75 ml from splanchnic bed to the extremities. This double function can be considered substantially enhanced during expulsive maneuvers when abdominal pressure significantly increases while pleural pressure decreases. We believe that in particular situations abdominal circulatory pump can act as an auxiliary heart. This could have important implications in clinical and physiology of the exercise and also contributes to improve and develop new methodologies for cardiopulmonary resuscitation. Preliminary experiments at Politecnico di Milano using Double Body Plethysmographt and Doppler ultrasound have recently demonstrated how performing a particular series of expulsive maneuvers increasing Pab as a square wave up to 100 cm H2O for 1 sec followed by 2 sec of relaxation, it possible to shift about 300 ml for each maneuver from splanchnic bed. Repeating these maneuvers with particular timing ( 20\min) it possible to obtain a splanchnic output of about 10% of CO. This research project was developed starting on these bases and these preliminary results. Two perspective were investigated: the first one studied the possibility of implement a new methodologies based on EMS for cardiopulmonary resuscitation, the second one instead is focused on hemodynamics aspects during exercise. An animal model of cardiac arrest and cardiopulmonary resuscitation was developed in a preliminary experiment in which expulsive maneuvers were induced while circulatory output, gas exchange, coronary perfusion pressures and other invasive, parameters were monitored. An innovative stimulating system for diaphragm and abdominal muscles was developed to allow a new deep experimental session. On the other hand a deep study on hemodynamics was done using DBP to characterize exercise physiology an Doppler ultrasound during QB and EM. DBP protocol allow for the first time the continuous and non invasive measurement of Vbs from the trunk to the extremities during exercise. A complex behavior of blood shift that depends on abdominal pressure and pleural pressure according to the prevalence of either, was found. An important modulatory effect of Pab on venous return was shown using an echo-Doppler during the study of hemodynamic during quiet breathing.

È ormai noto che la vascolatura splancnica rappresenta una significativa riserva di sangue nel corpo umano. Recentemente è stato dimostrato (Aliverti et al, J Appl Physiol, 2010) che durante il respiro spontaneo la contrazione del diaframma assolve due funzioni: ventilare i polmoni attraverso la diminuzione della pressione pleurica e contemporaneamente spostare sangue dal letto splancninco alle estremità. L’aumento della pressione addominale durante respiro spontaneo si traduce quindi in spostamenti di sangue dal letto splancnico dell’ordine di 50-75ml. La duplice funzione circolatoria e ventilatoria del diaframma è ancora più evidente quanto più si aumenta la pressione addominale e simultaneamente si diminuisce la pressione pleurica durante il respiro. In particolari circostanze l’azione circolatoria del diaframma combinata con la contrazione dei muscoli addominali può agire come una pompa circolatoria capace di agire come cuore ausiliario. Questo ha forti implicazioni in ambito clinico, in quelli della rianimazione cardio-polmonare, e nello sviluppo di nuovi potenziali metodi per migliorare le prestazioni durante un esercizio fisico. Esperimenti preliminari svolti presso il Politecnico di Milano e basati sull’utilizzo della Double-Body Plethysmography e l’ultrasonografia Doppler hanno mostrato come agendo sulla pressione addominale con manovre espulsive di tipo “square wave” (eseguite aumentando la pressione addominale di circa 100 cmH2O per un secondo e rilassando l’addome per due secondi) sia possibile spostare considerevoli quantità di sangue (dell’ordine di 350ml per manovra). In particolare si è dimostrato come ripetendo tali manovre ad una frequenza di 20/min è possibile ottenere un aumento della portata totale superiore al 100%. La disponibilità di nuove metodologie per la misura degli spostamenti di sangue in modo non invasivo, in aggiunta a tali risultati preliminari, ha costituito la base del presente progetto di Ricerca. In quest’ottica sono state condotte in via preliminare due sessioni sperimentali, una che si colloca nell’ambito della rianimazione cardiopolmonare, l’altra tesa invece ad investigare gli aspetti emodinamici durante l’esercizio fisico. La sperimentazione condotta su modello animale (maiale), ha permesso la misurazione e lo studio di grandezze difficilmente misurabili altrimenti con tecniche poco invasive e ha posto le basi per l’esecuzione di un protocollo sperimentale che a breve verificherà la possibilità di sviluppare un nuovo dispositivo automatico di CPR. In vista di questa sperimentazione è stato progettato e sviluppato uno stimolatore elettrico per i muscoli addominali e il diaframma. Il secondo invece, ha previsto l’approfondimento dello studio dell’emodinamica attraverso una sperimentazione in Doppia pletismografia corporea e attraverso studi svolti con l’ultrasonografia Doppler. Il protocollo in cabina pletismografica ha permesso per la prima volta la misura continua e non invasiva degli spostamenti di sangue tra tronco e periferia e ha mostrato un complesso comportamento del blood shift che dipende sia dalla pressione addominale che da quella pleurica in base alla prevalenza dell’una o dell’altra, quello con l’ultrasonografia ha mostrato evidenza della dipendenza dei ritorni venosi dalla pressione addominale.