Riassunto / Abstract

L’obiettivo di questa esperienza è quella di effettuare la misurazione sperimentale del metabolismo basale di un soggetto attraverso l’utilizzo del Fitmate PRO della Ditta Cosmed Srl. In assenza di personale medico, e comunque solo su soggetti in possesso di un certificato di sana e robusta costituzione, è consentito utilizzare esclusivamente protocolli sub-massimali (Fc < 85-90% della Fc max), come nel caso di questa esperienza. La conoscenza del valore del metabolismo basale permette di elaborare programmi per: il controllo del peso corporeo, l’allenamento aerobico per la salute del sistema cardiovascolare, l’allenamento aerobico ed anaerobico per finalità sportive-agonistiche, il miglioramento della resistenza allo sforzo prolungato in regime lattacido attraverso l’incremento della capacità lattacida, il controllo della iperglicemia e della ipercolesterolemia. 

Scheda sintetica delle attività

Per la corretta esecuzione dell’esperienza proposta si suggerisce di far riferimento al seguente schema operativo:

1. Consolidare negli allievi la conoscenza dei meccanismi biologici, biochimici e fisiologici che governano i processi metabolici nell’organismo umano.
2. Guidare gli allievi all’acquisizione delle caratteristiche e delle funzioni della strumentazione in dotazione (Fitmate PRO della Ditta Cosmed s.r.l.), tramite la consultazione approfondita del manuale d’uso (Comed s.r.l., 2009)
3. Somministrare un’attività pratica propedeutica, rivolta alla conoscenza specifica dei singoli componenti della strumentazione, dei collegamenti da stabilire tra i medesimi componenti e del loro corretto utilizzo, ivi comprese le operazioni di manutenzione ordinaria suggerite nella specifica sezione del manuale d’uso.
4. Preparazione della strumentazione e del soggetto da sottoporre a determinazione sperimentale del metabolismo basale, secondo le apposite linee guida riportate nel manuale.
5. Esercuzione dell’esperienza sotto il diretto controllo del docente, che in particolare fornirà la sua assistenza per guidare gli allievi a trovare le giuste chiavi di lettura delle singole fasi dell’attività, specialmente nei casi in cui dovessero presentarsi eventuali anomalie o malfunzionamenti, dovuti ad esempio alla modificata aderenza della maschera sul viso del soggetto sottoposto all’analisi.
6. Stampa, lettura ed interpretazione del report contenente i dati ed i grafici elaborati in automatico dallo strumento ad esperienza ultimata, alla luce delle conoscenze teoriche consolidate al punto (1) del presente schema operativo.

Risorse necessarie

1. Per l’esecuzione di questa esperienza è richiesto l’uso della strumentazione FitMate PRO della Ditta Cosmed s.r.l., ivi compresa la fascia trasmettitrice per cardiofrequenzimetro, più comunemente nota come “fascia cardiaca”.

   Il FitMate Pro si compone essenzialmente delle seguenti parti (figura 1) :

• Unità FitMate Pro;

• Caricabatteria;

• Lettore, maschera ed altri accessori.

Gli elementi essenziali dell’unità FitMate Pro che appaiono all’utente sono i seguenti:

• Un display a colori;

• Una tastiera;

• Una stampante termica interna, che permette la stampa dei test effettuati con l’apparecchiatura;

• Una serie di connettori sul retro dello strumento.

Il display

Il display a colori, interfaccia l’apparecchio con l’utente, permettendo l’accesso alle varie funzioni e la visualizzazione dei test eseguiti.

I connettori

Sul retro dello strumento sono presenti 7 connettori, come mostrato nello schema seguente:

Sopra di essi, una targhetta specifica il tipo di connessione. Nell’ordine, si distinguono:

A – Connettore USB per il collegamento con il PC.

B – Connettore per il lettore.

C – Connettore per il collegamento RS232 con il PC, da utilizzare qualora il PC non sia dotato di porta USB, o per il pilotaggio dell’ergometro.

D – Connettore di campionamento del gas.

E – Connettore per la sonda frequenza cardiaca Polar.

F – Connettore USB per il collegamento con una stampante esterna (opzionale) o con la sonda HR

G – Connettore per il caricabatteria.

Lettore e maschera

Il FitMate comprende anche un lettore, mediante il quale si misurano i flussi e i volumi inspirati/espirati, e una maschera monouso da porre davanti al viso del soggetto. Questo lettore, denominato nel seguito Lettore RMR, e la maschera, denominata Maschera RMR, sono usati per eseguire il test di metabolismo basale.

Il FitMate Pro comprende anche un secondo lettore (Lettore VO2max) ed un altro tipo di maschera (Maschera VO2max), per l’esecuzione dei test di fitness cardiorespiratorio. La maschera VO2max, a differenza di quella RMR, non è monouso e può essere riutilizzata dopo una accurata sterilizzazione.

Prerequisiti necessari

Per potere validamente effettuare questa esperienza è opportuno che il docente richiami agli allievi le nozioni teoriche e pratiche fondamentali. In particolare, il docente prima di procedere alla parte pratica si assicurerà che i discenti conoscano esattamente il significato dei seguenti concetti: metabolismo, catabolismo, anabolismo e metabolismo basale (Pinchera et al., 1991):

Il metabolismo è l’insieme delle reazioni chimiche e fisiche che avvengono in un organismo o in una parte di esso e che comportano la trasformazione delle sostanza assunte per mezzo dell’alimentazione. Il metabolismo si divide in due processi:

• catabolismo, che comporta la demolizione di molecole complesse in molecole più semplici e produce energia ricaricando molecole di ATP (adenosintrifosfato).
• anabolismo, che produce molecole complesse a partire da molecole più semplici utili alla cellula, come nel caso della sintesi delle proteine a partire dagli amminoacidi.

Mentre i processi anabolici richiedono energia, quelli catabolici sono esoergonici. L’energia liberata da essi può essere conservata nelle cellule tramite molecole ad alta energia, come ad esempio l’ATP. Il metabolismo basale corrisponde alla quantità di energia spesa da un soggetto sveglio, a digiuno da almeno 12 ore e che si trovi in uno stato di totale rilassamento fisico e psichico. Pertanto è consigliabile eseguire il test, al più tardi, nelle ore centrali della mattina, assicurandosi che il soggetto abbia cenato la sera precedente preferibilmente entro le ore 21 e che, naturalmente, non abbia ancora fatto colazione.

Obiettivi di apprendimento

L’obiettivo fondamentale dell’esperienza consiste nel saper utilizzare correttamente le nozioni fondamentali ed i requisiti biologici e biochimici di base per procedere alla corretta determanzione del metabolismo basale. Per conseguire questa competenza, l’allievo deve contestualmente acquisire un’apprezzabile padronanza nell’uso della strumentazione in dotazione, sia per quanto concerne l’hardware, che in riferimento al software. La semplicità e l’immediatezza del linguaggio software utilizzato consentirà, anche al meno esperto degli allievi, di impossessarsi di una pronta ed efficace manualità dello strumento. Particolare attenzione va prestata nel montaggio dei cavetti e dei collegamenti tra unità centrale dello strumento, la maschera e la fascia del cardiofrequenzimetro. Si consiglia una prima fase di “warm-up”, nella quale gli allievi lavoreranno in gruppo, in modo che i più esperti e maggiormente dotati di manualità nell’utilizzo delle strumentazioni elettriche ed elettroniche possano essere da riferimento per gli allievi meno avvezzi all’uso di tali strumenti. In questa fase è fondamentale l’attenta partecipazione e vigilanza del docente, che guiderà gli allievi più esperti nella loro attività di coinvolgimento di quelli meno esperti. Poi si procederà ad una seconda fase nella quale tutti gli allievi, a turno, monteranno la strumentazione nel modo corretto, così come si evince dalle linee guida del manuale, ed effettueranno una simulazione della prova per verificare le proprie capacità a saper procedere in assoluta autonomia. Durante la simulazione gli allievi dovranno saper dimostrare di essere a conoscenza delle varie fasi dell’esperienza e di come procedere per passare da una fase a quella successiva.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Prima fase – Preparazione del soggetto

Assicurarsi che il soggetto sia nelle condizioni descritte nelle linee guida. Posizionare il soggetto in posizione semisdraiata (ad esempio su un lettino medico o su una poltrona reclinata). Fissare la maschera sul volto del soggetto, stringendo accuratamente i due elastici al fine di assicurare una perfetta tenuta della maschera. La maschera deve aderire perfettamente al volto del soggetto, e non devono esserci perdite d’aria. A tal scopo, tirare gli elastici appositamente predisposti. Occorre prestare particolare attenzione ai punti in prossimità del naso del soggetto. La maschera si adatta in modo diverso a seconda della forma del viso del soggetto. La posizione ottimale della maschera deve quindi essere individuata di volta in volta.

Attenzione: Dopo uno sforzo o un pasto, o se il soggetto non è completamente rilassato, il test del metabolismo basale (o RMR) darà un risultato più alto del reale e può essere necessario ripetere il test.

Attenzione: Se si ha il sospetto di perdite d’aria dalla maschera, il test  RMR darà un risultato più basso del reale e sarà necessario ripetere il test.

Se si usa la fascia cardiaca (solo FitMate Pro/Med), seguire le istruzioni riportate qui di seguito per una corretta applicazione della fascia al soggetto.

1. Fissare l’elastico alla fascia cardiaca;

2. Regolare l’elastico affinché si adatti confortevolmente alle dimensioni del soggetto;

3. Applicare la fascia attorno al torace;

4. Senza staccare l’elastico, allontanare la fascia dal torace e bagnare gli elettrodi (le aree scanalate all’interno della fascia) con saliva, soluzione per lenti a contatto o altra soluzione salina. È possibile usare anche un gel ecg solubile in acqua. Riposizionare la fascia sul torace.

5. Dopo avere bagnato gli elettrodi, si raccomanda di non strofinare sul proprio corpo la fascia, poiché questo comportamento fa asciugare nuovamente gli elettrodi. Si consiglia di applicare la fascia direttamente sul torace, e non su indumenti. Nel caso sia necessario usare un indumento, assicurarsi che lo stesso sia bagnato in corrispondenza degli elettrodi, per garantire una conducibilità adeguata. Per garantire una migliore ricezione del segnale, si suggerisce di posizionare il ricevitore HR il più vicino possibile alla fascia cardiaca. Nel caso il segnale ricevuto non sia ottimale nonostante il corretto posizionamento della fascia, cercare la posizione migliore per la sonda.

Seconda fase – Esecuzione del test

Attenzione: Spegnere i telefoni cellulari al fine di eliminare una potenziare fonte di interferenza elettromagnetica che impedirebbe un corretto funzionamento del Fitmate.

Dal menu dei test selezionare Metabolismo basale. Appare una schermata che mostra la calibrazione automatica dell’analizzatore di ossigeno, dopodichè il test ha inizio. Una prima fase, senza memorizzazione dei dati, serve al soggetto per entrare in confidenza con l’apparecchiatura.

Quando tutto è pronto, premere (1) Inizia per avviare il test. In assenza dell’avvio manuale, il test parte in automatico dopo un minuto. Eseguire il test come raccomandato nelle linee guida (figura 3).

Nella parte superiore sinistra del display, due barre verticali indicano la profondità e la frequenza dei respiri. Le due colonne dovrebbero essere quanto più possibile nella zona verde, ma è consigliabile che il soggetto non guardi il display durante l’esecuzione del test per non esserne influenzato.

La parte superiore destra indica il valore istantaneo del metabolismo basale e la sua percentuale rispetto al valore teorico, calcolato con il metodo di Harris- Benedict.

La barra orizzontale indica il tempo trascorso. È di colore rosso nei primi minuti del test, che saranno scartati in automatico. Un segnale sonoro indica l’inizio della fase di acquisizione dati. In questa fase la barra diviene di colore azzurro. La durata delle varie fasi può essere impostata tramite il menu.

La parte inferiore sinistra della finestra riassume i valori correnti di VO2 (consumo di ossigeno), Ve (ventilazione), Rf (frequenza respiratoria), HR (frequenza cardiaca, se disponibile) e FeO2 (percentuale di O2 nell’espirato).

Nella parte inferiore destra della finestra è presente un led, che diventa verde durante la calibrazione automatica del sensore di ossigeno, e il disegno di una maschera, che mostra la fase di inspirazione o espirazione da parte del soggetto.

Per mezzo del menu è possibile impostare:

– la durata della fase del test che sarà scartata (per default 5 minuti);

– la durata della fase del test su cui saranno effettuati i calcoli (per default 10 minuti);

– se il test è stampato automaticamente a fine test;

– se il grafico RMR è stampato assieme ai risultati del test;

– se abilitare/disabilitare il riconoscimento automatico di inizio/fine test;

– l’intervallo temporale tra due calibrazioni automatiche del sensore di ossigeno (per default 6 minuti);

– il quoziente respiratorio (per default 0.85);

– l’intervallo temporale prima dell’avvio automatico del test (per default 1 minuto);

– se a fine test verranno stampati tutti gli step.

Al termine del test (15 minuti per default) si aprirà automaticamente una finestra con i risultati e sarà stampato un report del test.

Rilevamento automatico di inizio/fine test 

Se selezionato dall’utente, l’unità può usare il coefficiente di variazione di Ve e RMR per rilevare l’inizio e la fine del test, anche se l’intervallo di tempo predefinito non è trascorso. In questo caso, quando si raggiunge uno stato stabile (e comunque non prima di 3 minuti), sul display appare la seguente richiesta (figura 4):

Premere il tasto (1) per confermare l’inizio della fase di acquisizione dei dati, altrimenti premere (X) per ignorare il messaggio e continuare con la prima fase. Allo stesso modo, quando il test può essere concluso perché è stata raccolta una quantità sufficiente di dati (e comunque non prima di 5 minuti), sul display appare la seguente richiesta (figura 5):

Premere (1) per confermare la conclusione del test, oppure premere (X) per ignorare il messaggio e continuare l’acquisizione dei dati.

Possibili problemi durante l’esecuzione del test

Se il firmware rileva problemi durante l’esecuzione del test (ad esempio, perdite d’aria nel circuito pneumatico, soggetto non adeguatamente rilassato, ossigeno non rilevato), comparirà un messaggio di avvertimento e gli step ritenuti non validi saranno evidenziati sul report di stampa e non considerati ai fini della valutazione finale (figura 6).

Al termine del test, viene mostrato il grafico seguente (figura 7):

Interpretazione del report di stampa

Sotto l’intestazione e i dati relativi al soggetto, nella sezione Metabolismo a ripososono stampati: il grafico RMR (se l’opzione corrispondente è abilitata), tutti gli step del test (se l’opzione corrispondente è abilitata, tabella 1), il risultato finale, i coefficienti di variazione del Ve e del VO2, un grafico riepilogativo del valore ottenuto e la sua percentuale rispetto al valore predetto, calcolato per mezzo della formula di Harris e Benedict (1918).

La sezione relativa al test è divisa in tre parti:

– La prima (nell’esempio sopra riportato, fino ai 3 minuti) è relativa alla parte di test che viene scartata;

– La seconda (nell’esempio sopra riportato, dai 3 ai 9:30 minuti) è relativa al test RMR preso in considerazione ai fini del calcolo;

– La terza riporta il risultato finale del test.

Le colonne della prima e della seconda parte indicano:

t (mm:ss) – L’istante temporale dello step corrispondente;

VO2 (ml/min) – Il consumo di ossigeno  (in ml al minuto) mediato sui 30 secondi precedenti;

Ve (l/min) – La ventilazione in litri al minuto nei 30 secondi precedenti;

Rf (1/min) – La frequenza respiratoria media nei 30 secondi precedenti;

HR (bpm) – La frequenza cardiaca media (se misurata) nei 30 secondi precedenti;

FeO2 (%) – La concentrazione media dell’ossigeno nell’espirato (nei 30 secondi precedenti)

RMR – Il valore di metabolismo a riposo calcolato in base ai valori di consumo di ossigeno misurati nei 30 secondi precedenti.

Le colonne della terza parte indicano i valori medi delle stesse grandezze nell’arco temporale considerato (3:00 – 09:30), escludendo i valori dei tempi indicati nell’ultima colonna con ***.

Il FitMate può essere anche usato come dispositivo medico, nell’ambito della medicina sportiva (Fig. 4) o quale strumento di ausilio per la formulazione di diagnosi o per la prescrizione di una terapia farmacologica e/o riabilitativa. In questo caso deve essere utilizzato esclusivamente da medici o da personale esperto sotto la responsabilità di un medico. Per quanto non espressamente specificato si fa riferimento al manuale d’uso utente della ditta Cosmed srl, ditta produttrice della strumentazione adoperata per l’esecuzione dell’esperienza.

Note e storia

Per metabolismo basale si intende il minimo dispendio energetico atto a mantenere, in un individuo, le funzioni vitali e lo stato di veglia. Esso rappresenta circa il 65-75% del metabolismo totale, ovvero del consumo energetico complessivo nell’arco delle 24 ore. E’ normalmente più alto negli uomini che nelle donne e tende a diminuire con l’aumentare dell’età: tra i 60 ed i 90 anni cala di circa l’8% per decade (figura 10). Questo calo può tuttavia essere rallentato da un’adeguata attività motoria e da un appropriato regime alimentare. 

Bibliografia

Cappelli P., Vannucchi V. – Complementi di scienze dell’alimentazione. Zanichelli Editore.

• Cosmed s.r.l. (2009) – FitMate, Manuale utente – IX edizione. http://www.cosmed.it
• Delfino G., Lanciotti E., Liguri G., Stefani M. – Dizionario enciclopedico di scienze mediche e biologiche e di biotecnologie. Zanichelli Editore.
• Harris J.A., Benedict F.G. (1918). A Biometric Study of Human Basal Metabolism. Proceedings of the National Academy of Sciences. Vol. 4, No. 12: 370–373
• Pinchera A., Faglia G., Giordano G., Martini L. (1991) – Endocronologia e metabolismo. Ambrosiana Ed. Milano
• Veronesi U. – Enciclopedia della Medicina – DeAgostini Editore

Autori

Montalto Antonio
Spataro Giovanni

Specifiche esperimento Materia Biologia Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Attrezzato Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Strumentazione per misura del metabolismo basale, dotata di fascia trasmettitrice per cardiofrequenzimetro detta anche “fascia cardiaca” Durata esperimento in classe 2 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Biologia Metabolismo basale Catabolismo Anabolismo