allenamento e mascherina

Allenamento con mascherina: le evidenze scientifiche

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La distanza fisica, il lavaggio regolare delle mani e l’uso di una mascherina sono comportamenti considerati efficaci per prevenirne il diffondersi di virus. Questi possono diffondersi per contatto indiretto inspirando, parlando o inalando goccioline emesse attraverso starnuti e tosse, pertanto, in tutte le situazioni in cui la respirazione è più veloce e profonda che a riposo, come l’ attivitá fisica, é aumentato il rischio di trasmissione proprio per l’incremento della ventilazione polmonare.

In questo articolo si cerca però di contestualizzare gli effetti fisiologici portati dell’uso di una mascherina durante lo svolgimento di un ‘attivitá fisica. Prima di parlare di possibile effetti é bene conoscere le dinamiche a monte, ovvero la ventilazione polmonare.

La ventilazione polmonare

La funzione principale dell’apparato respiratorio é di garantire il corretto apporto di ossigeno (O2) al nostro sangue e l’eliminazione dell’anidride carbonica (CO2) della che possediamo in eccesso. Poiché questi gas devono entrare nel circolo ematico, o da questo devono essere espulsi, le vie respiratorie accoppiano ventilazione e perfusione. Il processo meccanico definito comunemente respirazione prende il nome di ventilazione, mentre con respirazione si indica l’intero processo che va dall’immissione di ossigeno al suo utilizzo per l’ossidazione dei substrati energetici e la conseguente produzione di energia.

L’aria inspirata viene umidificata e riscaldata dalle cavità nasali, dalla trachea e dai bronchi, che si diramano in condotti sempre più piccoli e numerosi ( bronchioli ) fino ad arrivare ai dotti alveolari e agli alveoli polmonari, le unità terminali dei polmoni.

Negli alveoli polmonari avviene lo scambio dei gas (O2 e CO2) : l’ossigeno diffonde dall’aria alveolare al sangue, l’anidride carbonica segue la strada inversa.

apparato respiratorio

La ventilazione polmonare rappresenta quindi la quantità d’aria che entra e esce dai polmoni in un minuto e si ottiene facilmente moltiplicando il volume d’aria di un singolo atto respiratorio (volume corrente) per la frequenza del respiro (atti respiratori al minuto).

VENTILAZIONE POLMONARE (VE) = VOLUME CORRENTE (VT) * FREQUENZA RESPIRATORIA (FR)

In un soggetto a riposo:

  • VOLUME CORRENTE (VT) ≈ 500 ml.
  • FREQUENZA RESPIRATORIA (FR) ≈ 12 atti/min.
  • VENTILAZIONE POLMONARE (VE) ≈ 500 x 12 ≈ 6 L / min.

Volumi e capacitá polmonari

I volumi polmonari rappresentano un quantitativo d’aria e si distinguono in statici e dinamici.

I volumi statici sono la quantitá di aria presente in determinate situazioni, come se fossero delle fotografie istantanee. Essi sono:

  • Volume Corrente (VT): volume d’aria di un singolo atto respiratorio (uomini  600 ml ca, donne 500 ml ca).
  • Volume di Riserva Inspiratorio (VRI): massimo volume d’aria inspirabile alla fine di una normale espirazione (uomini  3000 ml ca, donne 1900 ml ca).
  • Volume di Riserva Espiratorio (VRE): massimo volume d’aria espirabile alla fine di una normale inspirazione (uomini 1200 ml ca, donne 900 ml ca).
  • Volume Residuo (VR): volume d’aria presente nei polmoni dopo una espirazione massimale (uomini  1200 ml ca, donne 1000 ml ca).

I volumi dinamici sono invece correlati alla capacitá dei muscoli respiratori e si distinguono in:

  • Volume Espiratorio Massimo ad 1 secondo (VEMS, FEV1): volumi di aria espirata in maniera forza dopo inspirazione massimale, nel primo secondo.
  • Massima ventilazione Volontaria (MVV): volume massimo di aria ventilata in un minuto.

Sulla base di questi volumi vengono poi definite le capacitá polmonari intese come la somme di due o piú volumi:

  • Capacitá Vitale (CV): volume totale di aria che puó essere completamente espirato dopo una inspirazione massimale.
  • Capacitá Vitale Forzata (CVF): misura della quantitá dinamica di aria espirata in maniera forzata dopo una inspirazione massimale.
  • Capacitá Polmonare Totale (CPT): volume polmonare totale dato da CV + VR (uomini  6000 ml ca, donne 4200 ml ca).
  • Capacitá Inspiratoria (CI): massimo volume inspirato in modo forzato partendo dal volume di fine espirazione (uomini  3600 ml ca, donne 2400 ml ca).
  • Capacitá Funzionale Residua (CFR): volume presente nei polmoni alla fine di una espirazione normale (uomini  2400 ml ca, donne 1800 ml ca).
volumi polmonari

Effetti dell’attivitá fisica sulla respirazione

Durante l’esercizio fisico entrano in gioco due organi importanti: cuore e polmoni. L’implicazione del sistema respiratorio con quello cardio-circolatorio é strettissima: i polmoni portano O2 al corpo per fornire energia ed eliminare la CO2 (il prodotto di scarto che si crea quando si produce energia) mentre il cuore pompa O2 ai muscoli che stanno lavorando di piú in quanto l’organismo consuma piú ossigeno e produce piú anidride carbonica.

esercizio fisico e respirazione

Per fare fronte a questa richiesta supplementare, la respirazione deve aumentare cosí come la circolazione deve accelerare:

  • VOLUME CORRENTE (VT) può raggiungere anche 2 – 2,5 litri.
  • FREQUENZA RESPIRATORIA (FR): mediamente 35-45 atti/min, ma nell’atleta può raggiungere 60-70 atti/min.
  • VENTILAZIONE POLMONARE (VE): nel soggetto normale 100 – 120 L / min; nell’atleta può superare i 180 L / min.

Durante uno sforzo di bassa intensitá possiamo dire che il volume corrente contribuisce piú della frequenza respiratoria per incrementare la ventilazione polmonare mentre con l’aumentare dello sforzo anche la frequenza respiratoria si incrementa.

ventilazione polmonare sotto sforzo

Se lo sforzo fisico é intenso si viene cosí a creare un condizione definita di affanno, ovvero un affaticamento respiratorio attribuibile alla discrepanza tra la richiesta d’ossigeno dell’organismo e la capacità di rispondere a quest’input.  Ció che peró determina questa condizione é in parte legato all’entitá dello sforzo ed in parte legata al nostro quoziente respiratorio (QR), calcolato secondo il rapporto CO2 eliminato / O2 consumato che é individuale e non puó essere standardizzato.

Il motivo principale per cui si manifesta una sensazione di difficoltà respiratoria é soggettivo: si puó presentare in soggetti sani in corso di un’attività fisica intensa (a causa dell’iperventilazione evocata dallo stesso sforzo) o in soggetti obesi, afflitti da disturbi metabolici, cardiopolmonari, nueromuscolari,  anche in condizioni di riposo o leggera attivitá fisica a causa della loro respirazione piú corta e frequente.

In generale infatti si puó dire che con l’aumento di peso e di BMI i volumi e le capacitá  polmonari diminuiscono. Gli individui obesi, soprattutto se affetti da obesità grave, spesso lamentano difficoltà respiratorie anche a sforzi contenuti e sono più suscettibili alle infezioni respiratorie, in quanto la parete toracica, più pesante e meno estensibile, rende difficoltosi i movimenti respiratori normali. 

uomo grasso scale

L’accumulo di grasso corporeo altera in modo più o meno marcato l’anatomia dell’apparato respiratorio a più livelli, conducendo a un’alterazione della meccanica respiratoria. Si assiste pertanto a variazioni dei volumi e dei flussi polmonari e anche ad alterazioni della reattività delle vie aeree e della risposta chemorecettoriale agli stimoli respiratori di ipossia e ipercapnia. La riduzione del Volume di Riserva Espiratorio (VRE) e della Capacita Funzionale Residua (CFR) è dovuta all’innalzamento del diaframma conseguente all’accumulo intraddominale di tessuto adiposo ed è direttamente correlata con l’ipossiemia, per ostruzione dei bronchioli fino all’ipoventilazione delle zone basali.

Viceversa, nei soggetti allenati, avvengono degli adattamenti positivi nella apparato cardio-respiratatorio che comportano un aumento della massima ventilazione sotto sforzo ed una riduzione, a paritá di consumo di ossigeno, dell’entitá della ventilazione polmonare.

L’ allenamento aumenta in generale la forza e la funzionalitá dei muscoli rendendoli piú efficienti con conseguente: aumento della dimensione del cuore, diminuzione della frequenza cardiaca, aumento di volume della gittata sistolica, aumento di volume del sangue e della emoglobina. Inoltre l’esercizio fisico stimola anche enzimi coinvolti nella β-ossidazione, nel ciclo dell’acido tricarbossilico e il sistema di trasporto degli elettroni con conseguente aumento della capacità ossidativa dei muscoli scheletrici.

allenamento scale

Infatti, gli aumenti della capacità respiratoria sembrano essere spiegati da una maggiore espressione di enzimi mitocondriali che facilitano il metabolismo aerobico. Ne consegue, a paritá di intensitá di esercizio in confronto con soggetti non o meno allenati, un minor dispendio energetico e una maggioreventilazione polmonare.

Si puó quindi affermare che un soggetto non allenato che si presta ad una camminata, o una persona in sovrappeso che sale delle scale,  potrebbe risentire di un deficit di ossigeno molto maggiore di un soggetto allenato durante attivitá considerate piú dispendiose dal punto di vista energetico. 

Effetti dell’utilizzo della mascherina sulla respirazione

Le maschere chirurgiche sono classificate come dispositivi medici e sono state utilizzate sin dai primi anni del 1900 in ambito sanitario: la funzione primaria della maschera chirurgica era quella di impedire la migrazione di microrganismi residenti nel naso e nella bocca dei membri dell’équipe operatoria sulla ferita aperta del paziente.

Durante la pandemia COVID-19, l’uso delle maschere sembra essere una procedura accettata in tutto il mondo. La riduzione dell’esposizione e delle emissioni di aerosol respiratori infettivi è diventata una questione importante per il controllo delle infezioni. Le raccomandazioni delle agenzie di regolamentazione e dei comitati scientifici si basano in gran parte su dati in vitro limitati e spesso incoraggiano l’uso di mascherine facciali da parte del presunto paziente infetto (“fonte”) o dell’operatore sanitario (“ricevente”) allo scopo di controllare la fonte dell’infezione e proteggendo dalle infezioni. Sulla valutazione di queste misure di prevenzione non entreró nel dettaglio, se volete approfondire vi riporto il link di questa revisione sistematica sulle prove dell’efficacia degli interventi fisici per interrompere o ridurre la diffusione dei virus respiratori.

Nell’ambito dell’attivitá fisica si vuole invece riportare quali possano essere gli effetti dell’uso di una mascherina sulla respirazione.

Lo studio di Shaji D. Skaria e Gerald C. Smaldone

In un studio condotto nel 2014 dai Dr. Shaji D. Skaria e Gerald C. Smaldone, si é rilevata la resistenza al flusso d’aria di alcuni modelli di mascherine facciali, misurata come differenziale di pressione (∆P). La pressione differenziale indica la permeabilità all’aria della mascherina, misurata in specifiche condizioni di flusso d’aria, temperatura e umidità. ∆P più elevati possono causare un aumento del lavoro respiratorio e / o incoraggiare la ritenzione di calore tramite la deflessione del respiro caldo espirato all’interno del facciale. 

Per misurare il differenziale di pressione si é utilizzato  un amplificatore ed un registratore con poligrafo, collegato a un trasduttore sensibile. Al trasduttore é stato attacato un catetere inserito nella narice di un manichino. Il manichino è stato quindi ventilato tramite una pompa, simulando un modello di respirazione a riposo sul livello del mare (volume di 500 ml e frequenza respiratoria di 15 respiri al minuto ).

La differenza di pressione dell’aria all’interno della mascherina rispetto alla pressione rilevata senza il suo utilizzo ha determinato la differenza di pressione (ΔP) dovuta alla mascherina.  Le mascherine sono state testate sia in condizioni di “vita reale“, posizionate sul viso come previsto con potenziale di perdite di flusso di aria, sia in condizioni di “massima resistenza“, sigillando la mascherina sulla faccia del manichino con nastro posizionato lungo i bordi per eliminare eventuali perdite di aria.

I test sono stati condotti sui i seguenti modelli di mascherine:

  • Maschera chirurgica SMnat modello n. GCFCXSGCFCXS (SMnat).
  • Maschera chirurgica Securefit modello n. GCFCXUSF (SF).
  • Maschera chirurgica SecureFit Ultra Fitted con materiale filtrante in nanofibra (PT).
  • Maschera N95 3M (N95).

I risultati sono espressi nel seguente grafico dove sull’asse orizzontale sono presenti i diversi modelli di mascherine non sigillate e sigillate [T] e sull’asse verticale il differenziale di pressione. 

Come é logico dedurre, tutti i modelli di maschere sigillate [T] partono da una resistenza al flusso d’aria maggiore ed il ΔP é significativamente maggiore nel respiratore N95 rispetto a tutte le altre mascherine.  Le altre mascherine non sigillate (portate in condizioni di vita reale) hanno dimostrato comunque una drastica riduzione della resistenza al flusso d’aria (SMnat media di 0,00104 cmH2O e SF media di 0,08166 cmH2O) con aumentato significativo quando sono state sigillate sul viso (SMnat media di 0,1865 cmH2O  e SF media di 0,1791 cmH2O ). 

Non solo quindi le maschere sigillate, ma anche quelle portate normalmente, comportano una significativa perdita di flusso d’aria. La tollerabilitá di questa riduzione dipende dalle condizioni di salute dell’individuo e dal tempo di utilizzo. 

Nell’ambito dell’ attivitá fisica, con un esercizio di intensità bassa, per un individuo in salute lo sforzo risulterà solo leggermente più duro del normale, ma come potrebbe reagire una persona che presenta volumi e/o capacitá polmonari ridotte? Inoltre, se negli esercizi a bassa intensitá il problema potrebbe riguardare solo soggetti critici, durante esercizi ad alta intensità la difficoltá comprende anche gli individui sani.

Abbiamo visto come, crescendo lo sforzo, un soggetto in salute arriva scambiare aria a ritmi di circa 100 litri al minuto.  L’esercizio porta ad un affanno fisiologico ed indossare una mascherina limita l’apporto di ossigeno. La resistenza che le mascherine creano in ingresso per l’ossigeno viene esercita anche in uscita per l’anidride carbonica con il rischio di respirarla nuovamente e con conseguente riduzione della funzione cognitiva e aumento della frequenza respiratoria. 

Il test di Lindsay Bottoms

Per analizzare questo problema con dei dati, Lindsay Bottoms (docente incaricato in Fisiologia dell’Esercizio e della Salute, University of Hertfordshire, Inghilterra) ha sperimentato su sé stessa, correndo su un tapis roulant a 10 km/h per tre minuti, per simulare l’intensità e la durata di uno scambio della scherma (disciplina che pratica), indossando un kit da scherma completo, con e senza una mascherina di stoffa sotto la sua maschera da scherma. Inoltre, ha usato un analizzatore di gas portatile e lo ha adattato per misurare la concentrazione dei gas inspirati ed espirati.

La concentrazione di ossigeno nell’atmosfera è di circa il 21% a livello del mare. Quando correva sul tapis roulant con solo la maschera da scherma, la concentrazione di ossigeno era di circa il 19,5%. Ciò equivarrebbe a fare esercizio a 600 m sul livello del mare. Ma indossare una mascherina facciale sotto la maschera da scherma ha ridotto il livello di ossigeno a circa il 17%, l’equivalente di un esercizio a 1.500 m.

Lindsay Bottoms - test mascherina

Qualsiasi ulteriore diminuzione della concentrazione di ossigeno, esercitandosi più a lungo o più intensamente, avrebbe avuto un effetto importante sulle risposte fisiologiche all’esercizio (mal di testa e vertigini). L’altro gas considerato è stata l’anidride carbonica: ci sono livelli trascurabili di anidride carbonica nell’aria atmosferica (circa lo 0,03 %) e quando la dottoressa si è allenata solo con la maschera da scherma, la sua concentrazione è rimasta al di sotto dell’1% mentre con la mascherina sul viso, la concentrazione di CO2 triplicata (3%). Si tenga presente che l’agenzia governativa responsabile della regolamentazione e dell’applicazione della sicurezza sul lavoro nel Regno Unito consiglia ai dipendenti di non essere esposti all’1,5% di anidride carbonica per più di 15 minuti.

Riferimenti

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