Convegno Interdisciplinare sulle Scienze
dell’Apnea
USTICA 3 Luglio 2003
Monitoraggio multifunzionale negli sport estremi
L. Reale*, A. Belardinelli,
A. Navari, M.Passera, G.Palagi, G.Nardi, D.Franchi e R.Bedini
* Centro Polivalente di Educazione
Ambientale, Piombino
Istituto di Fisiologia Clinica ,
CNR Pisa
Introduzione
La pratica sportiva negli ultimi
venti anni ha evidenziato una crescente popolarità di quelli che dal punto di
vista degli stress psico-fisici si possono in un certo
senso considerare sport “estremi”, in considerazione anche delle condizioni
ambientali in cui operano gli atleti. Si pensi a sport quali l’automobilismo in
F1, le gare di endurance
dell’atletica leggera, gare ciclistiche particolari ecc. Di pari passo è
aumentato l’interesse da parte della ricerca scientifica, e soprattutto della
medicina, per il comportamento degli organi e degli apparati dello sportivo che
sono coinvolti nel corso dell’attività agonistica. E’ nata quindi l’esigenza di
produrre attrezzature in grado di monitorare l’attività sportiva, anche al fine
di valutare gli eventuali rischi per la salute ai quali possono andare incontro
i praticanti degli sport estremi.
Particolare importanza riveste in
questo campo il telemonitoraggio di biosegnali che consente di tenere sotto controllo in tempo
reale e a distanza i parametri vitali di un organismo.
La NASA ad esempio è stata tra
gli enti pionieri nell’effettuare esperienze di monitoraggio in condizioni
estreme come quelle degli astronauti durante gli allenamenti a terra e le
missioni spaziali.
Fin dalle prime missioni spaziali
le problematiche affrontate sono state molteplici e legate ai materiali, ai sensori, alla registrazione, al
trasferimento dei dati, alla loro elaborazione ed alla presentazione all’utilizzatore.
Nelle applicazioni di biotelemetria i trasduttori
devono essere sensibili, non invasivi, miniaturizzabili al massimo e
facilmente portatili ove necessario; i dispositivi di elaborazione
e di trasmissione devono essere estremamente affidabili ed in grado di subire
le stesse sollecitazioni ambientali alle quali sono sottoposti i soggetti; tali
strumenti devono essere a loro volta miniaturizzabili e controllabili da
remoto.
Infine, l’elaborazione e la
restituzione dei dati deve prevedere, in particolare
le applicazioni, il monitoraggio in tempo reale e permettere all’osservatore
una facile interpretazione dei biosegnali, anche al
fine di consentire regolazioni ed eventuali interventi dall’esterno.
Applicazioni in Formula Uno e Maratona
L’Istituto di Fisiologia Clinica
del CNR di Pisa, impegnato fin dai primi anni 70 in
applicazioni di biotelemetria e telemedicina, ha
seguito nel corso degli ultimi anni 90, alcuni filoni di ricerca legati al telemonitoraggio dei biosegnali
durante competizioni sportive estreme quali la Formula 1 e la Maratona.
Per quanto riguarda
la ricerca in F1 l’obiettivo era di
studiare modelli sperimentali del sistema cardiovascolare sottoposto a stress
fisici ed emotivi dovuti alla velocità,alle accelerazioni ed alle condizioni ambientali
della gara durante la competizione. Il lavoro consisteva in un’analisi
sistematica dei tracciati ECG dei piloti gare ufficiali
del campionato del mondo.
Le difficoltà da superare in questo caso non sono
state solo di tipo tecnico. Nel campionato di F1 viene
prestata molta attenzione all’aerodinamica e all’ingegneria della macchina, ma
poca attenzione alle condizioni psicofisiche del pilota che abbiamo anche
verificato sono correlabili spesso con la prestazione sportiva. In effetti i team sono maggiormente impegnati nell’aumentare le prestazioni della macchina
piuttosto che prestare particolare attenzione al progredire delle conoscenze
sulle condizioni di salute del pilota durante le prove ed in gara. L’organizzazione
della F1, inoltre, rende molto difficile l’accesso all’interno delle strutture
durante le gare, in quanto l’attività dei team intorno
alle macchine è frenetica e la presenza di altro personale tecnico può
interferire con lo svolgimento delle normali manovre. Infine i costi alti delle
prove (maggiori di 300 $/Km) non permettono
l’organizzazione di sessioni apposite per analisi biomediche.
Le ricerche si sono concretizzate nella realizzazione di dispositivi per la
rilevazione di parametri fisiologici (ECG, pressione del sangue, frequenza
cardiaca) e fisici (accelerazioni subite dal corpo del pilota) nella messa a
punto di trasmissione e ricezione dei dati e del relativo software sfruttando
anche la telemetria della macchina. I dati
venivano acquisiti in tempo reale da una
postazione computer e trasmessi anche in diretta, usando una frequenza di
campionamento di 200Hz e una risoluzione di 12 bit.
La grande
mole di informazioni raccolte in un periodo di tre anni (1995-1997) sono state
inserite in una base di dati per un totale di
circa 24 ore di ECG sincronizzati con la telemetria della macchina
rilevate durante gare ufficiali del campionato mondiale di F1.
Fig1: correlazione fra
accelerazione & frequenza cardiaca HR (3 giri GP. di F1 Estoril 1996)
La figura 1 mostra
la rappresentazione della frequenza cardiaca e delle accelerazioni
laterali durante alcuni giri di pista e mette in correlazione frequenza
cardiaca, aritmie e extrasistole con la velocità, l’accelerazione e le altre
condizioni esterne. Lo studio dei dati ha evidenziato sorprendentemente che
durante le competizioni il cuore dei piloti di Formula
1 e quello dei maratoneti mostrano frequenze cardiache dello stesso ordine di
grandezza (fig.2).
Fig2: La frequenza cardiaca prima
della partenza GP F1 Monza 1995 e nella Maratona di Venezia 1996
Applicazioni in attività subacquee
Nel corso dell’ultimo anno,
nell’ambito di una collaborazione attivata con il Centro Polivalente di Educazione Ambientale del Comune di Piombino e l’area di
ricerca del CNR di Pisa, è iniziato uno studio per la messa a punto di
strumentazioni per rilevare le condizioni cardio-respiratorie
durante le attività del diving; in particolare
l’esercizio della apnea profonda e delle immersioni con autorespiratore ad
aria.
Le condizioni ambientali sono
naturalmente diverse da quelle descritte in precedenza nelle quali ogni
attività si svolge nell’aria, ma le tecnologie in termini di sensori e
dispositivi sono facilmente mutuabili dalle esperienze pregresse
in F1 e nella maratona. L’ambiente acquatico aggiunge notevoli complessità per
la conducibilità dell’acqua ed i suoi effetti sui sensori e sulle altre
attrezzature elettroniche oltre che per ovvi problemi di impermeabilizzazione,
per l’incremento della pressione in funzione della profondità e per la
difficoltà di trasmettere il segnale senza cavi di collegamento. Il dispositivo
miniaturizzato per la rilevazione dell’ ECG costruito
nel corso delle precedenti esperienze di monitoraggio è stato opportunamente
modificato per essere usato anche in ambiente acquatico (fig.3).
Fig3: L’elettrocardiografo prima di essere inglobato in resina
impermeabile
E’ stato modificato anche un
normale erogatore per funzionare come spirometro con
tecnica termovelocimetrica (fig.4).
Fig 4:
un normale erogatore modificato per la rilevazione del flusso respiratorio:
segnali a confronto con uno pirometro di riferimento
Questi due dispositivi sono
collegati via cavo a computer posizionati sul battello
d’appoggio e consentono di visualizzare, su monitor, il volume respiratorio ed
il tracciato elettrocardiografico dell’atleta
monitorato anche in tempo reale, avendo quindi la possibilità di “feed back” durante le prove.
Per ovviare alla limitazione del
movimento dell’atleta, dovuto alla presenza dei cavi, è stato preparato un Holter, alloggiato in un contenitore stagno e posizionato sulla schiena del soggetto in sostituzione di
1kg di piombo di zavorra. I dati in
questo caso sono scaricati sul disco fisso di un PC dopo l’immersione e messi
in relazione con i valori forniti dai
computer subacquei che monitorizzano la situazione
ambientale; si può quindi osservare il tracciato spirometrico e
dell’elettrocardiogramma alla diverse profondità ed in
funzione degli altri parametri fisici dell’ambiente. I primi risultati sia nel
caso dell’apnea che del diving sono
riportati nelle figure 5/6.
Fig5: Primi test strumentali in
apnea Fig. 6: Primi tset strumentali
con autorespiratore
Discussione
E’ possibile notare dai tracciati
di soggetti in apnea il verificarsi di alcuni
particolari fenomeni che saranno oggetto di studi approfonditi nel corso di un
biennio e di test che verranno effettuati su un’ampia popolazione di apneisti, di
praticanti di sport subacquei e di professionisti.
La ricerca interesserà anche
aspetti clinici e rischi potenziali che una patologia come l’asma può avere nelle pratiche subacquee e le sue possibili
implicazioni normative e legali.
Nell’ambito delle tecnologie di telemonitoraggio dei biosegnali
su soggetti immersi si devono considerare oltre ai costi elevati dei materiali,
del training degli specialisti quelli legati agli aspetti logistici degli
esperimenti . Infatti, è in genere richiesto l’impegno
di imbarcazioni di grosse dimensioni attrezzate per
attività professionali.
Fin dai primi mesi di attività sono stati avviati contatti con le associazioni
sportive di settore, ove si è ricevuta un’entusiastica disponibilità ed una
collaborazione pratica in termini di soggetti e di attrezzature. In questo
campo sembra infatti che, pur con l’esplodere delle
attività subacquee anche a livello diportistico, con il turismo marino di massa, non si
assiste ad una altrettanto massiva attività di
ricerca, specie clinica, e del relativo interesse da parte degli organismi
istituzionali che gestiscono i territori investiti dai fenomeni turistici
rammentati. E’ in questo senso che gli autori continueranno queste attività
esplorando attraverso tecniche quantitative, la correlazione fra aspetti
clinici specifici e l’attività subacquea.
Ringraziamenti
Si ringraziano per i contributi
tecnici e di supporto:
-
-
Seac Sub
-
Club Artiglio di Viareggio
-
Metralab
Bibliografia
R. Bedini, A. Belardinelli, G. Palagi, M. Varanini, A. Ripoli, S. Berti, C. Carpeggiani,
F. Paone, R. Ceccarelli: "ECG telemetric evaluation in formula one drivers."
IEEE Comp. Society Press:
Proceedings of Computers In Cardiology,
S. Ghione, D. Franchi, A. Ripoli, G. Palagi, L. Mezzasalma, G.C. Nardi, A. Belardinelli, S. Berti and R. Bedini: On the
contribution of biomedical engineeering and
technology to the understanding and the management of arterial hypertension.
Journal of Medical
Engineering and Technology. Vol. 22, Number 1, (January, February, 1998), pp 31-36.
A. Belardinelli,
R. Ceccarelli, R. Bedini,
G. Palagi, A. Ripoli:
Telemetric ECG monitoring of F1 drivers during world championship races.
Proceedings
of XIV International Symposium on Biotelemetry,
Marburg, Germany.
R. Ceccarelli, A Belardinelli, G. Palagi, R Bedini, D. Franchi, A. Biffi, A.
Fernando, A. Ripoli: Cuore e sport in condizioni
estreme: la formula uno. VIII Congresso Nazionale, Societa'
Italiana di Cardiologia dello Sport.
Milano, 16-18 Ottobre 1997 pp. 25-26