LA MISURA DELLA PRESSIONE ARTERIOSA
Mercede Bergoglio, Anita Calcatelli
I.N.RI.M.
1. Cos’è la pressione ematica
Come tutti i liquidi anche il sangue esercita una pressione idrostatica sulle pareti del
contenitore cioè sulle pareti dei vasi che sono i canali di trasporto e che formano un
sistema chiuso di tubi elastici in cui circola, appunto, il sangue.
Dunque la pressione si può definire come la forza con cui il sangue agisce sulle pareti
dei vasi e il cuore, con le sue due azioni di pompaggio, fornisce l’energia per il flusso
sanguigno. La circolazione sanguigna, che é dovuta alla compressione del sangue
sotto l’azione della contrazione ventricolare del cuore e dei muscoli delle arterie, è
organizzata in due processi circolari collegati in serie: la circolazione sistemica e la
circolazione polmonare.
Ogni classe di vasi sanguigni ha un proprio valore di
pressione per cui si hanno pressione arteriosa, venosa e
capillare. La pressione del sangue nel circuito sistemico
decresce dall’aorta fino alla fine del circolo, nell’atrio destro.
La pressione nella circolazione polmonare è più bassa che
nella circolazione sistemica e c’è un gradiente di pressione
tra il ventricolo destro e l’atrio sinistro per permettere lo
scorrimento del sangue.
Quando si parla di pressione del sangue si intende la
pressione arteriosa sistemica perché è questa che assicura
una adeguata perfusione ai tessuti e agli organi vitali.
Durante il ciclo cardiaco la pressione arteriosa mostra delle
fluttuazioni: la contrazione dei ventricoli spinge il sangue nel
circolo
polmonare
e
sistemico durante la sistole e questo
volume di sangue distende le arterie e fa
aumentare la pressione. Quando la
contrazione finisce, la tensione elastica
accumulata dalle pareti continua a
spingere il sangue. Mentre il sangue lascia
le arterie la pressione decade ma non
scende a zero perché la contrazione
successiva avviene quando v’è ancora una
quantità apprezzabile di sangue nelle
arterie. Quindi la pressione delle grandi
arterie aumenta e diminuisce in sincronia con la contrazione e il rilassamento del
cuore. La pressione massima è la pressione sistolica la pressione minima è la
pressione diastolica.
La pressione del sangue, negli individui sani, varia da 75 a 80 mmHg per la pressione
minima e dai 115 ai 120 mmHg per la pressione massima.
Al di sotto di questi valori il sangue non viene immesso in circolo in maniera efficace ed
i tessuti periferici tendono a ricevere meno ossigeno e nutrienti.
Al di sopra di questi valori le pareti vasali sono costrette a sopportare forti sollecitazioni
che, quando diventano particolarmente elevate, possono provocarne la rottura. Il
cuore, si trova costretto a contrarsi contro una resistenza elevata e può "cedere"
(infarto) per l'eccessivo sforzo.
Tutte le fasi cardiache sono accoppiate con due ben definiti suoni, i toni cardiaci, che
sono ben noti ai medici. Questi suoni fanno parte integrante del processo di
misurazione sia con il metodo auscultatorio sia con le misurazioni automatiche.
2. La misura della pressione arteriosa
a. L’unità di misura
L’unità di misura della pressione nel Sistema Internazionale (SI) è il pascal con I suoi
multipli e sottomultipli, ma nell’uso medico la pressione del sangue viene data in
millimetri di mercurio (mmHg); questa unità, infatti, anche se non coerente con il SI, è
tollerata. Le conversioni dalle unità Si al mmHg e viceversa sono riportate qui di
seguito:
1Pa = 1 N/m2, unità SI di pressione
1 mmHg = 1 torr= 133,322 Pa = 1,33322 mbar
1 bar = 105 Pa,
1 mbar = 100 Pa.
Va notato che l’uso del mmHg é stato conservato soltanto in campo medico in tutti I
Paesi e per la pressione del sangue. Tuttavia, in alcuni software (VIGILEO,
VIGILANCE,) per i monitoraggi cardiovascolari sono considerate le misurazioni della
pressione arteriosa anche in kilopascal (simbolo kPa) con la possibilità di conversione
automatica in mmHg.
Si tratta sempre di misure relative alla pressione esterna, cioè quella atmosferica,
qualunque sia lo strumento utilizzato.
b. Cenni storici
Desta una certa sorpresa il fatto che i Greci ed i Romani che pure avevano un alto
livello nella pratica idraulica non avessero compreso adeguatamente il concetto di
pressione. Ma anche la scuola galileiana non ebbe
idea dell’esistenza e dell’importanza della pressione
del sangue in campo medico anche se avevano
compreso il significato fisico della pressione
atmosferica che costituisce il riferimento di molte
misure di pressione.
Il meccanismo della circolazione del sangue fu
descritto da William Harvey, (medico inglese, 15781657), nel 1628 che, però, non riuscì a spiegare
l’origine della pressione arteriosa e della forza che
regola la circolazione del sangue.
Il primo ricercatore che studiò la forza esercitata dal
fluire del sangue nelle arterie fu un teologo, vicario
della parrocchia di un piccolo sobborgo di Londra, il
reverendo Stephen Hales1. Era un "curioso della
natura", come si autodefinivano allora i primi biologi
interessati alle leggi che regolano il mondo animale e vegetale, e sua fu la prima
misurazione sperimentale, nel 1773, della pressione arteriosa, effettuata in una
giumenta per mezzo di un tubo di vetro con l’estremità aperta inserito direttamente
nella carotide dell’animale. Il sangue salì sino ad un’altezza di 8 piedi e 3 pollici (circa
2,10 metri), cioè fino a che il peso della colonna di liquido eguagliò la pressione del
1
HALES, S. Statical Essays: Haemostaticks. Vol. 2, 3d Ed., W. Innys & Manby, Londra,
1738,p.361)
sistema circolatorio del cavallo. Si trattò in definitiva di una “colonna di sangue” alta
circa 3,5 m e del diametro di 4,2 mm.
In seguito si passò all’uso del mercurio come fluido monometrico di densità elevata che
consentiva di utilizzare tubi molto più corti. (ρHg=13,6x103 kg/m3, ρsangue=1x103 kg/m3).
Il primo esempio di questi misuratori a mercurio è rappresentato dal manometro di Karl
Friedrich Wilhelm Ludwig (1816-1895). Si trattava
ancora di un metodo invasivo2; infatti, il sangue,
prelevato dalle arterie, veniva introdotto in [d] e,
quindi attraverso la valvola [a], messo in
comunicazione con il liquido monometrico
determinandone la variazione del livello. Il valore
della pressione era ricavato moltiplicando per due il
livello del mercurio registrato con continuità sul
ramo di misura [c]. Egli, con questo strumento,
condusse moltissime campagne di misurazione
della pressione del sangue che contribuirono alla
comprensione del meccanismo. Proprio verso
l'inizio
dell'ottocento
alcuni
ricercatori,
dimostrarono che il sistema cardiovascolare è
formato da parti solide e parti fluide e che il moto
del fluido è regolato anche dall'accorciamento e
dalla distensione delle parti solide e non solo dal
volume di fluido circolante.
Per molto tempo, comunque, si pensò che il miglior modo di valutare la pressione e la
forza di scorrimento del sangue nelle arterie fosse quello di introdurre nei vasi degli
esseri viventi un tubo manometrico.
Ma per una più semplice e meno traumatica procedura, si incominciò a pensare che si
potesse costruire un apparecchio che indicasse indirettamente lo stato della pressione
vasale applicando una contro-pressione dall’esterno di entità tale da chiudere il
condotto in cui il sangue scorre fino a far scomparire i battiti del vaso esaminato.
E’ proprio a questi studi e alla realizzazione di un apparecchio basato su questo
principio che furono orientate le ricerche nella seconda metà dell'Ottocento, perseguite
per oltre cinquant'anni, e tenendo ben
presente che tre erano gli elementi che
entravano in gioco nella produzione della
tensione arteriosa: la massa sanguigna,
l'impulso cardiaco e la tonicità delle arterie.
Karl von Vierordt intuì che la progressione
dell'onda sfigmica nell'arteria poteva essere
bloccata attraverso la sua costrizione.
Nacquero alcuni strumenti, come quelli di
Bloch-Verdin Chéron, di Landois, di Schöbel,
di Waldenburg, di Talma, di Frey, tanto per
citare i più noti, finché, finalmente, nel 1875,
Etienne Jules Marey per primo cercò di determinare il valore manometrico della contropressione, necessaria per impedire l'entrata del sangue nei tessuti utilizzando per la
misurazione un manometro a mercurio.
Marey condusse molti studi sulle variazioni della pressione con registrazione
simultanea dei valori di pressione nelle cavità cardiache. Questi studi che lo portarono
2
GEDDES, L. A., The direct and indirect measurements of blood pressure. Year book medical Publishers
Inc., Chicago, USA, 1970
a trovare la legge che porta il suo nome ossia la relazione di proporzionalità inversa tra
la pressione arteriosa e la frequenza cardiaca (al diminuire della pressione arteriosa
aumenta la frequenza dei battiti cuore, e viceversa, aumentando la pressione delle
arterie, il polso tende a farsi raro.
Una delle sue invenzioni consiste nel misurare la pressione arteriosa in modo non
invasivo sottoponendo l’avambraccio ad una compressione esterna esercitata
dall’acqua contenuta in un cilindro la cui pressione veniva fatta aumentare e era
registrata con manometro “scrivente”.3 Quando la pressione all'interno del cilindro
diventava maggiore di quella del sangue e, quindi, nell’arto non poteva più penetrare
alcuna onda sfigmica cessava anche l'oscillazione del segnale del manometro.
Questa invenzione non rappresenta un’apparecchiatura complessa, ma, era stato
lungo e difficile nei secoli arrivare a capire che la pressione del sangue obbedisce a
una regola fondamentale: essa è il prodotto della gettata cardiaca del ventricolo
sinistro, ad ogni battito, per la resistenza contrapposta dalla parete dell'arteria al
passaggio del sangue nel suo interno, cioè la forza esercitata dal sangue sulla parete
dell’arteria.
Una vera e propria pietra miliare è rappresentata dagli studi Riva Ricci che, pur
utilizzando oggetti semplici come un calamaio, del mercurio, un tubulare di bicicletta e
un tondino di rame regalatogli da un lattoniere, lo hanno condotto a capire che la
resistenza offerta dalle pareti delle arterie a ogni
svuotamento del ventricolo sinistro poteva essere
misurata indirettamente con un apparato che
comprimesse l'arteria. Egli inventò quello che divenne il
più diffuso misuratore di pressione del sangue e una
metodologia di misurazione.
Scipione Riva Ricci il 15 dicembre 1896 presentò alla
stampa scientifica la sua invenzione che avrebbe
inaugurato un nuovo campo di indagine medica e
scoperto una nuova malattia: l'ipertensione arteriosa.
Scipione Riva Ricci, nato ad Almese (TO) il 7 agosto
1863, attratto dalla professione medica del padre Pietro si iscrisse a Medicina, a
Torino, laureandosi a pieni voti nel 1888. Il suo interesse per la circolazione del sangue
era maturato frequentando da studente il laboratorio di fisiologia di Torino, dove si
verificavano le equazioni fisiche che dimostravano la forza di scorrimento del sangue
nelle arterie.
Nel 1929, purtroppo, ancora nella pienezza delle sue attività, rilevò su di sé i primi
segni di una malattia infettiva inesorabile e quindi decise di
abbandonare definitivamente la professione nel 1930
trasferendosi, con la moglie, a Rapallo dove morì il15 marzo
1937 all'età di 74 anni.
Per avere valori ripetibili e più precisi, l'apparecchio di Riva
Rocci dovette subire alcune modifiche. La prima, da parte del
tedesco Henrich von Recklinghausen che, nel 1901, portò da 5
a 12 cm la larghezza del bracciale, la seconda da parte del
giovane
medico
russo
Nicolai
Sergeivich
Korotkoff
dell'Accademia Imperiale Medica Militare di San Pietroburgo,
che propose l'applicazione dello stetoscopio sull'arteria omerale
per valutare i toni sistolici e diastolici.
Korotkoff presentò nel dicembre del 1904 la scoperta del metodo auscultatorio del
polso applicato allo sfigmomanometro di Riva Ricci, con questa nota: "Sono partito
dall'osservazione che un’arteria, se compressa, non emette alcun suono. Lo strumento
3
Marey E. J., La circulation du sang, G. Masson et Cie, Paris, 1881
di Riva Ricci è posizionato attorno a un braccio e la pressione rapidamente introdotta
nella camera interna del bracciale blocca completamente il flusso sanguigno, non
apprezzandosi pertanto alcun suono con lo stetoscopio sul polso arterioso. Quando si
sgonfia leggermente il bracciale e l'indice del manometro scende, compare un suono
ruvido che indica il passaggio di parte dell'onda del polso sotto il bracciale, costituendo
pertanto il valore della pressione massima. Quando il bracciale è sgonfiato
ulteriormente, con una pressione, a questo punto, al di sotto della pressione sistolica, il
suono scompare di nuovo, perché il flusso è ritornato regolare: questo momento
corrisponde alla pressione minima".
c) Misura indiretta: metodo auscultatorio
Le invenzioni di Riva Ricci con le modifiche successive e l’accoppiamento con l’ascolto
del battito cardiaco offrono la possibilità di
misurare la pressione arteriosa in modo non
invasivo corretto ed efficace sia che si utilizzi un
manometro a mercurio4
sia che si usino
A
Sfigmomanome
strumenti di tipo meccanico.
tro di riva Ricci
In definitiva per eseguire, oggi, una misura di
a colonna di
pressione arteriosa occorre disporre, oltre che
mercurio
dell’esperienza di chi la esegue, dei seguenti
strumenti: manometro (a mercurio o aneroide5),
manicotto posto sull’arteria brachiale collegato ad
una piccola pompa manuale, stetoscopio6
Vediamo brevemente i passi
necessari per eseguire la
misura:
all’'inizio
della
misurazione, nel manicotto c'è
aria con pressione uguale alla
pressione atmosferica e perciò
il manometro collegato al
manicotto segna 0 mmHg. Nell'arteria brachiale il sangue scorre a pressione variabile
tra la pressione diastolica minima e quella sistolica massima. Gonfiando il manicotto
con la pompetta, la pressione dell'aria all'interno aumenta e l’'arteria, sottoposta a una
maggiore pressione esterna, tende a restringersi e la velocità del sangue ad aumenta
re man mano che il diametro dell'arteria diminuisce. Quando la pressione del manicotto
è maggiore della pressione massima del sangue, l'arteria si occlude e il flusso del
sangue in essa si arresta completamente. Aprendo un po' la valvola, il manicotto si
sgonfia lentamente riequilibrando la pressione dell'aria al proprio interno con quella
atmosferica. Nell'istante in cui la pressione del manicotto è uguale alla pressione
sistolica, pmax, il sangue torna a scorrere nell'arteria, con un moto turbolento a causa
del diametro ridotto dell'arteria. Con lo stetoscopio si sentono dei rumori pulsati, i
suoni di Korotkoff, che cessano nel momento in cui la pressione nel manicotto è tale da
lasciar passare tutto il sangue attraverso l'arteria; in questa condizione il sangue torna
4
Gli strumenti a mercurio dovranno essere abbandonati a causa della pericolosità del mercurio (decreto ministeriali
30/7/2008
5
Capsula metallica che si deforma al variare della pressione
6
Inventato da Theophile Hyacinthe Laennec nel 1816. Egli dovendo auscultare una giovane donna non volle
utilizzare direttamente il proprio orecchio ma si servì di un quaderno arrotolato e così scopri che i battiti del cuore si
sentivano in modo più netto e distinto.
a muoversi con moto laminare e la sua pressione è uguale alla pressione minima o
pressione diastolica.
Riassumendo:
• Il manicotto è posizionato attorno a un braccio Æ si aumenta la pressione nella
camera interna del bracciale fino a superare la pressione dell’arteria brachiale
in modo da bloccare il flusso sanguigno Ænon vi è flusso sanguigno Æ non si
apprezza alcun suono con lo stetoscopio sul polso arterioso.
• si sgonfia leggermente il bracciale Æ l'indice del manometro scende Æ la
pressione arteriosa supera la pressione esterna nel manicotto Æ il flusso del
sangue è in condizioni di moto turbolento Æ si sentono i suoni di Korotkoff Æ
pressione massima (pressione sistolica).
• il bracciale è sgonfiato ulteriormente Æ al di sotto della pressione sistolica Æ il
flusso è ritornato regolare Æ pressione minima Æ assenza di occlusione Æ
scomparsa dei suoni di Korotkoff pressione arteriosa superiore alla pressione
esterna (pressione minima o diastolica)
I valori della pressione
variano a seconda della
condizione in cui si trova
il soggetto e sono
influenzati
da
molte
variabili fisiologiche e
molte sono le potenziali
sorgenti di errore di
misura. Per esempio, il braccio deve essere posizionato al livello del cuore, il manicotto
deve avere dimensioni opportune, la cavità del manicotto deve avvolgere circolarmente
il braccio, il manometro deve misurare correttamente quindi necessita di taratura, la
valvola di sfiato della pressione deve potersi regolare per lasciare defluire lentamente
la pressione e in modo costante.
• Si possono verificare delle criticità in relazione con la qualità dello stetoscopio, la
sensibilità uditiva dell’operatore o può accadere che la pressione diastolica non sia
percepibile in pazienti affetti da patologie, soprattutto da ipertensione.
c. Metodi indiretti automatizzati
I misuratori automatici, che oggi sono i più diffusi nell’uso comune, si basano sul
metodo oscillometrico. L’apparecchio di misura è costituito da:
- una scatoletta al cui interno è contento un piccolo trasduttore di pressione, una
piccola pompa per aumentare la pressione nel manicotto, una valvola per diminuire
la pressione nel manicotto, un microprocessore che comanda la pompa, regola la
valvola, acquisisce i valori della
pressione ed elabora i dati.
- un manicotto da porre intorno al braccio.
Come per il metodo auscultatorio,
precedentemente descritto, il manicotto,
dopo essere stato posizionato intorno al
braccio, viene automaticamente gonfiato
fino a valori intorno a 250 mmHg e quindi
sgonfiato molto lentamente attraverso la
valvola fino alla pressione atmosferica. Il
processo dura generalmente circa 30
secondi. Il trasduttore di pressione collegato al manicotto, misura l’andamento della
pressione all’interno del medesimo e il segnale in uscita dal trasduttore è registrato e
elaborato dall’elettronica.
Come già detto per il metodo auscultatorio il
flusso del sangue è nullo quando la pressione è
maggiore della pressione sistolica ed è continuo
quando la pressione è minore della pressione
diastolica. Quando il flusso del sangue è
presente, ma ridotto, la pressione, misurata dal
trasduttore, varia in sincronia con l’espansione e
la contrazione ciclica dell’arteria brachiale cioè
oscilla. I valori della pressione sistolica e diastolica sono calcolati, non misurati, usando
un algoritmo di calcolo che interpreta lo spettro di segnali provenienti dal trasduttore di
pressione. Il risultato del calcolo è poi visualizzato dal display.
Questi strumenti7 non richiedono un orecchio esperto per individuare i suoni di
Korotkoff ma possono essere poco precisi, in particolare, se utilizzati da pazienti che
presentano problemi circolatori, di cuore, diabetici, ecc. Inoltre apparecchi diversi
possono dare risultati diversi. Questo è
dovuto al fatto che il segnale pulsorio di
pressione è convertito, come si è detto, con
algoritmi di calcolo e utilizzando dei
coefficienti da inserire nelle equazioni che le
case costruttrici ricavano confrontando il
risultato ottenuto con il misuratore
oscillometrico con quanto ottenuto con un
misuratore basato sul metodo auscultatorio
e in genere con misuratori a colonna di
mercurio che si presentano come più
precisi, che, però, come si è detto (nota 4),
a causa della tossicità del mercurio dovranno essere abbandonati nell’uso comune. La
parte più complessa e problematica nella valutazione metrologica dei misuratori
oscillometrici riguarda gli algoritmi di calcolo utilizzati per determinare la pressione
sistolica e diastolica, cioè il minimo ed il massimo”reale”.
Alcuni strumenti più sofisticati e costosi utilizzano dei sistemi di analisi della forma
d’onda più complessi per determinare i valori della pressione sistolica e diastolica.
Per questo tipo di dispositivo la catena di riferibilità è costituita nel modo seguente:
Transduttore di
pressione
Impulsi di pressione
nel manicotto
Taratura con metodi
primari
incertezza 1mmHg
Algoritmo di calcolo
Come si verifica?
Per via statistica,
confrontando i risultati del
calcolo con i dati acquisiti su
un considerevole numero di
pazienti
Di solito i trasduttori di pressione utilizzati in questi strumenti sono abbastanza accurati;
comunque se si ha la necessità di un controllo metrologico possono essere tarati o con
una colonna di mercurio o con una bilancia di pressione che sono strumenti primari o
7
Gersak G., Batagelj V., Drnpvsek J., Oscollometric virtual instruments for blood pressare measurement,
XVIII IMEKO World congress, Rio de Janeiro, september 17-22 2006
anche con trasduttori secondari a loro volta tarati con uno dei metodi primari. I
misuratori primari consentono valori dell’incertezza molto bassi, dell’ordine di 10-5, nel
campo di misura considerato (fino a 250 mmHg). L’incertezza relativa attribuita al
trasduttore riportato in figura sottoposto a varie tarature è contenuta entro 5 x 10-3
avendo considerato tutti i fattori di influenza. Si può pertanto affermare che, in questo
caso, l’incertezza del trasduttore può essere considerata trascurabile.
Invece, l’accuratezza del metodo oscillometrico è ancora in discussione poichè
l’identificazione degli algoritmi di calcolo sono empirici e sembrano stimare meglio la
pressione sistolica di quella diastolica ed è necessario arricchire il database dei segnali
pulsori considerando le più varie tipologie di pazienti (età, sesso, patologie,..). Per
questa ragione, in Europa diverse istituzioni stanno conducendo studi teorici e ricerche
sperimentali al fine di migliorarne l’affidabilità. Vengono costruiti anche particolari
apparati atti a simulare l’andamento della pressione in un circuito in cui vengono
generati impulsi comparabili con l’andamento della pressione dovuta al flusso
sanguigno. I segnali vengono analizzati con vari algoritmi di calcolo. Sono dunque
necessari molti studi sia per la generazione degli impulsi sia per l’interpretazione e
l’analisi dei segnali e infine per il confronto con i valori forniti da una banca dati più
ampia possibile.