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L’attività di volo acrobatico, sia militare che ci-vile, espone il pilota a stress accelerativi eleva-ti e prolungati, già noti alla medicina aero-nautica fin dalla Prima Guerra Mondiale,quando furono riportati episodi di perditadella funzione visiva o franche perdite di co-scienza dopo la richiamata da una picchiata(per un attacco al suolo) e durante il combat-timento aereo. Lo sviluppo dei moderni veli-voli agili e ad alte prestazioni ha accentuatol’insorgenza di tali fenomeni, che rappresen-tano un rischio per la sicurezza delle missionidi volo1.

L’accelerazione è la grandezza fisica vetto-riale che descrive la variazione della velocitànell’unità di tempo: a = dv/dt.

Per spiegare gli effetti fisiologici delle ac-celerazioni sul corpo umano occorre fare rife-rimento alla seconda e alla terza legge di New-ton. Per la seconda legge di Newton, una for-za applicata ad un corpo, lo accelera in manie-ra direttamente proporzionale alla forza e in-versamente proporzionale alla massa: a = F/m.

Per la terza legge di Newton, a ogni azio-ne corrisponde una reazione uguale e contra-ria. Quindi, quando si applica una forza a unamassa, si sviluppa un’accelerazione, ma ancheuna forza inerziale di uguale magnitudine,ma di direzione e verso contrari (Tabella 1).

In medicina aerospaziale, le accelerazionivengono classificate in base alla durata, in ba-se alla direzione e in base all’onset, cioè allavariazione del vettore accelerativo nell’unitàdi tempo.

Sulla base della durata, le accelerazioni siclassificano in:- brevi, fino a 500 ms, prodotte durante gli

impatti e pertanto di interesse della tanato-logia aeronautica;

- intermedie, tra 500 ms e 2 s, tipiche delleoperazioni aeronavali, perché sviluppatedurante il decollo con catapulta e gli appon-taggi;

- lunghe, >2 s. Una variante specifica dei veli-voli moderni, agili e supermanovrabili è rap-presentata dalle accelerazioni sostenute,che per definizione sono quelle mantenutecostanti per magnitudine per almeno 15 s.

Sulla base della direzione, le accelerazionivengono differenziate, secondo i tre piani delcorpo umano, in:- laterali, lungo l’asse spaziale y;- sagittali, lungo l’asse spaziale x;- verticali, lungo l’asse spaziale z.

Sulla base dell’onset, le accelerazioni ven-gono distinte in:- gradual onset rate, con una variazione del-

l’accelerazione pari a 0.1 G/s;- rapid onset rate, con una variazione dell’ac-

celerazione tra 0.5 e 6 G/s;- very rapid onset rate, con una variazione >6

G/s.

Accelerazioni +Gz

Si tratta delle accelerazioni più comunementesviluppate durante una missione di volo. Gliattuali velivoli addestrativi e tattici superanodecisamente i +5 Gz, arrivando a 8-9, anchesostenuti. Gli effetti sull’organismo umano so-no numerosi e coinvolgono diversi organi eapparati2. Le manifestazioni cardiovascolaridelle accelerazioni +Gz sono le più note e lepiù studiate. Sono determinate da un mecca-nismo puramente idrostatico, in quanto il san-gue è suscettibile alle forze inerziali applicate:quando il corpo umano viene esposto alle ac-

Key words:Baroreflex; Gravitational stress; G-countermeasures;G-LOC.

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Per la corrispondenza:

Dr. Pierandrea Trivelloni

Reparto MedicinaAeronautica e SpazialeCentro Sperimentale VoloAeroporto Pratica di Mare00040 RomaE-mail:pierandrea.trivelloni@aeronautica.difesa.it

Le modificazioni cardiovascolari nel volo acrobaticoPierandrea Trivelloni1, Umberto Berrettini2

1Reparto Medicina Aeronautica e Spaziale, Centro Sperimentale Volo, Aeroporto Pratica di Mare (RM), 2U.O. di Cardiologia, Azienda Ospedaliera Universitaria, Ospedali Riuniti “G.M. Lancisi”, Ancona

Gravitational (G) stress during aerobatics flights, both military and civilian, can suddenly incapacitate pilots inagile and supermaneuverable aircrafts. High +Gz stress, up to +9Gz, has two different physiological conse-quences: the first is the drop in head-level blood pressure that is proportional to the G load; the other, slight-ly delayed, is the blood pooling in the lower part of the body and the abdomen. This blood shift results in adecreased return of venous blood to the heart, decreased cardiac output, and decreased blood pressure, lead-ing to a likely loss of consciousness. The natural countermeasure against the effects of high G stress is thebaroreceptor reflex. The human physiological tolerance to the gravito-inertial forces developed in flight op-erations can be increased by physiological and technological means.

(G Ital Cardiol 2010; 11 (10 Suppl 1): 126S-129S)

LA CARDIOLOGIA DELLO SPORT

celerazioni +Gz, si determina un’accentuazione dei natu-rali gradienti idrostatici presenti in posizione eretta nei di-versi segmenti corporei. Il sangue viene spinto dalla forzacentrifuga (effetto inerziale) verso le parti inferiori del cor-po umano. Quando la pressione nella parte inferiore delcorpo aumenta, i vasi vengono dilatati passivamente egran parte del sangue si trasferisce dalla parte alta del cor-po nei vasi sanguigni dei distretti inferiori; poiché il cuorenon può pompare se il sangue non vi fa ritorno, maggioreè la quantità di sangue sequestrato nella parte sottodia-frammatica del corpo, minore è il ritorno venoso e minorediventa la gittata cardiaca con sofferenza degli organi del-la regione sovra-aortica, a livello dei quali si verifica unacaduta critica della pressione di perfusione.

In caso di onset graduale (0.1 G/s), al momento dell’ap-plicazione di un’accelerazione +Gz la pressione arteriosamedia a livello cardiaco non si modifica immediatamente,ma dopo 6-12 s di applicazione del fattore di carico la pres-sione inizia a diminuire. La caduta della pressione arterio-sa media è dovuta alla diminuzione delle resistenze perife-riche e alla riduzione della gittata cardiaca, per effetto del-la dilatazione venosa con conseguente riduzione del ritor-no venoso. Se l’accelerazione è sostenuta nel tempo, dopo6-12 s si avvia un meccanismo riflesso di compenso, il rifles-so barocettivo, che provoca una generalizzata vasocostri-zione dei vasi sanguigni e un aumento della frequenza car-diaca (Figura 1). L’effetto del riflesso barocettivo si realiz-za entro pochi secondi per quanto riguarda la risposta cro-

no-inotropa, mentre l’aumento del ritorno venoso (per ef-fetto della vasocostrizione) si realizza a partire dai 10-15 ssuccessivi all’onset dell’accelerazione3,4.

Le manifestazioni visive delle accelerazioni +Gz sonodeterminate da una transitoria ischemia retinica. La pro-gressiva riduzione del flusso sanguigno retinico per effet-to della caduta della pressione arteriosa cerebrale dovutaall’applicazione del fattore di carico inerziale diretto testa-piedi, determina la comparsa del grey-out, cioè della per-dita dell’intensità luminosa dei colori, o del tunnel-vision,cioè il restringimento del campo visivo. Per valori elevati difattore di carico, si verifica l’interruzione totale della per-fusione retinica e compare il black-out, che solitamenteprecede di alcuni secondi il gravity-induced loss of con-sciousness (G-LOC), perché la pressione intraoculare, pari acirca 20 mmHg, determina la cessazione del flusso retinicoper valori di stress inerziale inferiore di circa 1 Gz rispettoa quelli necessari per produrre la caduta della pressione ar-teriosa cerebrale responsabile del G-LOC.

Le manifestazioni neurologiche sono rappresentate es-senzialmente dall’almost loss of consciousness (A-LOC) edal G-LOC. Entrambe le manifestazioni sono causate dal-l’alterazione circolatoria prodotta dalla caduta della pres-sione idrostatica cerebrale generata dall’accelerazione+Gz4. L’A-LOC è una condizione di degradazione della fun-zione cerebrale prodotta da picchi non massimali ma ripe-tuti di +Gz, mentre il G-LOC è l’espressione della brusca esubitanea caduta della pressione di perfusione cerebralegenerata dalle accelerazioni +Gz, senza l’esecuzione del-l’anti-G straining maneuver (AGSM) o senza l’attivazionedell’equipaggiamento individuale di protezione. La perdi-ta di conoscenza che caratterizza il G-LOC è suddivisa in unperiodo iniziale di incapacitazione assoluta, della durata di10-12 s, durante il quale qualunque attività cognitiva delsoggetto è temporaneamente interrotta, e in un periodoimmediatamente successivo di incapacitazione relativa,della durata di 2-40 s, durante il quale il soggetto apparecosciente ma non lucido e con processi mentali superiorirallentati5,6. Il G-LOC si risolve con il pieno ripristino dellapressione idrostatica cerebrale, senza alcuna sequela di ti-po cognitivo e/o prestazionale.

Accelerazioni -Gz

Le accelerazioni negative sull’asse verticale si sviluppano inogni condizione di volo rovescio, sia livellato che in ingres-so o uscita da virate o viti. La tolleranza fisiologica è deci-samente inferiore rispetto alle +Gz, risultando scarsamen-te sopportabili già a valori di soli -2 Gz. Gli effetti fisiopa-tologici sono principalmente a carico del sistema cardiocir-

P Trivelloni, U Berrettini - Modificazioni cardiovascolari nel volo acrobatico

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Tabella 1. Terminologia delle accelerazioni gravito-inerziali.

Direzione dell’accelerazione Direzione dell’inerzia Terminologia fisiologica Terminologia standard

Headwards Testa-piedi G positivo +GzFootwards Piedi-testa G negativo -GzForwards Petto-schiena G supino +GxBackwards Schiena-petto G prono -GxTo-the-right Destra-sinistra G laterale sinistro +GyTo-the-left Sinistra-destra G laterale destro -Gy

Figura 1. Curva tempo-tolleranza alle accelerazioni +Gz. La linea conti-nua indica un’accelerazione elevata e sostenuta nel tempo. La lineapunteggiata indica un’accelerazione elevata ma di breve durata. La li-nea tratteggiata indica un’accelerazione elevata e sostenuta, ma cononset graduale.

colatorio, con aumento della pressione idrostatica a livellotoracico superiore, cervicale e craniale, con dislocamentodella massa ematica verso il distretto cefalico2. La conge-stione vascolare conseguente produce discomfort, edemapalpebrale, cefalea gravativa, soffusioni emorragiche cu-tanee e congiuntivali, dislocazione della palpebra inferio-re con lacrimazione eccessiva e offuscamento della vista.Per esposizioni di 6 s ad accelerazioni >4-5 -Gz si verificaconfusione mentale e perdita di conoscenza.

L’aumento della pressione idrostatica nel distretto ana-tomicamente posto al di sopra del piano cardiaco determi-na una inibizione della risposta barocettiva, con conse-guente bradicardia, fino a periodi di asistolia anche di 5-7s, e ipotensione.

Accelerazioni ±Gx

Si tratta delle accelerazioni che si sviluppano lungo il pia-no sagittale del corpo umano, come in caso di lancio deivettori spaziali, di decollo con catapulta e atterraggio suportaerei. Nel primo caso l’esposizione può durare anchealcuni minuti, assumendo pertanto la caratteristica di acce-lerazione sostenuta, mentre nell’attività aeronavale, l’e-sposizione è di durata intermedia con effetti fisiopatologi-ci trascurabili.

Il principale effetto sull’organismo delle accelerazioniGx è a carico dell’apparato respiratorio: una progressivadifficoltà respiratoria inizia a manifestarsi per fattore dicarico di 3 Gx, dolore associato agli atti respiratori si mani-festa dai 5 Gx. Tra 9 e 12 Gx la respirazione diventa estre-mamente difficoltosa e dolorosa con conseguente desatu-razione arteriosa di ossigeno. I movimenti del capo e degliarti risultano compromessi per valori di 8 Gx.

Accelerazioni ±Gy

Si tratta delle accelerazioni più raramente sviluppate du-rante l’attività di volo, tranne che nelle virate non corrette(di timone), che determinano i movimenti di imbardata edi scivolata d’ala2. Gli effetti fisiopatologici più significati-vi sono a carico all’apparato muscolo-scheletrico nel di-stretto cervicale e consistono nella difficoltà a mantenerein posizione eretta il capo, appesantito anche dalla massadel casco e dagli eventuali helmet mounted displays.

Tolleranza alle accelerazioni +Gz

La tolleranza alle accelerazioni +Gz è la capacità dell’orga-nismo a resistere all’applicazione del fattore di carico inmaniera progressiva7. Il valore medio di tolleranza per on-set delle accelerazioni di 0.1 G/s (gradual onset rate) è di4.7 ± 0.8 Gz e corrisponde al punto in cui si manifesta ilgrey-out. Tale valore è tuttavia suscettibile di variazioni,soprattutto in rapporto all’onset del fattore di carico, maanche per effetto di specifiche condizioni operative, comenel caso del fenomeno “push-pull”, cioè l’esposizione adaccelerazioni -Gz immediatamente prima di quelle +Gz8,che determina una significativa riduzione (fino a un terzo)della tolleranza fisiologica alle accelerazioni +Gz.

Contromisure e sistemi di protezione

I sistemi utilizzati per aumentare la tolleranza fisiologicaalle accelerazioni e pertanto prevenire l’insorgenza delG-LOC sono di due tipi2:- attività fisiche volontarie;- sistemi automatici di protezione.

Tra le prime, l’AGSM rappresenta il sistema ottimaleper incrementare la tolleranza ai +Gz. Si tratta tuttavia diuna manovra innaturale, tecnicamente complessa, fisica-mente faticosa e mentalmente impegnativa, che attraver-so uno specifico addestramento (in centrifuga umana e involo) deve diventare automatica, tempestiva e perfetta-mente sincronizzata con la manovra di volo a elevato fat-tore di carico sviluppato. L’AGSM rappresenta la sintesi didue attività fisiche separate, capaci di generare un transi-torio regime ipertensivo. È costituita, infatti, da una con-trazione isometrica massimale della muscolatura degli artiinferiori, dei glutei e della parete addominale eseguendocontestualmente un’espirazione forzata a glottide chiusa.La contrazione muscolare produce distrettualmente unavasocostrizione arteriolare, associata a venocostrizionecon conseguente riduzione del pooling ematico negli artiinferiori. Lo sforzo fisico dovuto alla contrazione determi-na una risposta tachicardica. L’espirazione forzata a glotti-de chiusa corrisponde a una manovra di Valsalva: essa de-termina un aumento delle pressioni intra-toracica e intra-addominale, aumenti che vengono trasmessi direttamenteal cuore e ai grossi vasi, determinando l’auspicato e transi-torio incremento pressorio. Sotto carico accelerativo +Gz,la manovra di Valsalva aiuta a mantenere la perfusione ce-rebrale, minimizzando la caduta di pressione idrostaticaprodotta dalla forza inerziale. Tuttavia in caso di manovradi Valsalva protratta nel tempo, la pressione arteriosa ini-zia a scendere perché l’elevata pressione intra-toracicaostacola il ritorno venoso e riduce quindi la gittata sistoli-ca. Per ovviare a questi effetti indesiderati, l’AGSM preve-de ogni 3 s di contrazione muscolare sotto espirazione for-zata a glottide chiusa un rapido scambio respiratorio delladurata di 0.5-1 s, finalizzato non a ossigenare l’organismo,ma a produrre un’oscillazione della pressione intra-toraci-ca, per mantenere un valido ritorno venoso e consentire ilriempimento ventricolare e la gittata sistolica. Un’AGSMcorrettamente eseguita dal punto di vista della tecnica edella cronologia di esecuzione, consente di guadagnare fi-no a +4 Gz in termini di tolleranza, anche con onset rapido.

I sistemi automatici di protezione sono equipaggia-menti individuali che vengono indossati dal pilota per ot-timizzare la performance in volo nei confronti delle acce-lerazioni +Gz.

Il sistema base è rappresentato dalla tuta anti-G stan-dard9: si tratta di un pantalone, regolabile mediante un si-stema di cinghie e cerniere, in modo da aderire perfetta-mente alle misure antropometriche del soggetto che la in-dossa. Nel suo spessore, sono accolte 5 vesciche in gomma,che, attraverso un connettore e una speciale valvola, ven-gono pressurizzate alla pressione di 1.5 psi (circa 75mmHg) a partire da +2 Gz, con un ritardo non superiore a1 s, per step successivi di pressurizzazione di 1.5 psi/G, finoal valore massimo di pressurizzazione di 10 psi a +9 Gz. Tut-tavia, l’efficacia del pantalone anti-G, in termini di prote-zione dal G-LOC, è limitata a solo 0.5-1 +Gz. Infatti, la su-

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perficie corporea ricoperta dalla componente pressurizza-bile del sistema è limitata ed è insufficiente a esercitareun’adeguata azione compressiva sul letto vascolare, taleda ostacolare il pooling del sangue verso le parti declive.Nel corso degli anni sono state sviluppate nuove variantidella tuta anti-G, orientate verso una copertura della pare-te addominale ottimizzata e una maggiore o totale coper-tura degli arti inferiori9. Questo sistema, pur non differen-do in termini di schedula di pressurizzazione dalla tuta an-ti-G standard, fornisce una migliore protezione dal G-LOCperché la contropressione esterna generata viene applica-ta sulla quasi totalità della superficie degli arti inferiori. Intal modo, il ritorno venoso al torace è migliorato e il poo-ling di sangue nei vasi degli arti è ridotto.

L’ultimo sistema studiato e sviluppato, in ordine ditempo, per la protezione dalle accelerazioni +Gz è il posi-tive pressure breathing for G-protection (PBG)10, cioè un si-stema di respirazione a pressione positiva, simile ai sistemidi pressione positiva continua delle vie aeree di utilizzo cli-nico. Si tratta di un apparato di erogazione dell’ossigenoin maschera a pressione positiva a partire dai +4 Gz: laschedula di pressurizzazione prevede l’erogazione di unasovrapressione di 12-15 mmHg/G, fino al massimo di 60-70mmHg a +9 Gz. La pressione positiva della miscela gassosainalata viene trasmessa in rapporto 1:1 al cuore e ai grossivasi, con conseguente aumento della pressione arteriosa.La trasmissione della pressione positiva al letto vascolareproduce anche un aumento della pressione venosa centra-le, con conseguente diminuzione del ritorno venoso. Pertale ragione, il PBG non può essere utilizzato senza unpantalone anti-G di tipo avanzato, necessario per favorireil ritorno venoso. La pressione positiva della miscela gasso-sa inspirata, con la conseguente inversione della meccani-ca respiratoria, richiede anche l’utilizzo di un giubbinopressurizzabile che esercita una contropressione sul torace(per pressione positiva >30 mmHg), per evitare l’iperdi-stensione del parenchima polmonare.

Conclusioni

Gli effetti fisiopatologici delle accelerazioni elevate e so-stenute continuano a rappresentare un pericolo reale perla sicurezza del volo: in campo militare, circa il 3% degli in-cidenti di volo gravi e letali sono attribuiti al G-LOC. Nel70% dei casi, la causa determinante è stata identificata inun’AGSM non correttamente o non tempestivamente ese-guita, e solo nel 15% dei casi è emersa una ridotta tolle-ranza fisiologica del pilota coinvolto11,12. Gli sviluppi futuriin termini di prevenzione del G-LOC sono rappresentatidalla realizzazione di sistemi di protezione totalmente au-tomatizzati, eventualmente integrati con sistemi automa-tici di controllo e rimessa del velivolo che impediscono chel’aeromobile, fuori dal controllo del pilota colpito daG-LOC, precipiti al suolo o impatti contro ostacoli verticali.

Riassunto

L’attività di volo acrobatica, sia militare che civile, è caratterizzatadall’esposizione ad accelerazioni intense e prolungate. Fin dagliinizi delle operazioni aeree sono stati riportati episodi di perdita dicoscienza in volo, attribuibili agli effetti cardiovascolari delle for-ze inerziali sviluppatesi a seguito delle brusche accelerazioni linea-ri e angolari dei velivoli. Il G-LOC (gravity-induced loss of consciou-sness) è un problema sempre più attuale, poiché i moderni velivo-li militari sono capaci di sostenere per tempi estremamente pro-lungati accelerazioni di 9 G, cioè pari a 9 volte l’accelerazione digravità, mentre gli aeroplani civili per voli acrobatici riescono a svi-luppare accelerazioni superiori ai ±10 Gz. Le conseguenze circola-torie di tali stress inerziali e i meccanismi fisiopatologici che carat-terizzano il G-LOC possono essere contrastati da apposite strategiedi prevenzione di tipo sia fisiologico che tecnologico.

Parole chiave: Accelerazioni; Contromisure; G-LOC; Riflesso baro-cettivo.

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