Fizjologia człowieka nurkowania podwodnego - Human physiology of underwater diving

Fizjologia człowieka w nurkowaniu podwodnym to fizjologiczny wpływ środowiska podwodnego na człowieka i przystosowanie do pracy pod wodą, zarówno podczas nurkowań na wstrzymanym oddechu , jak i podczas oddychania pod ciśnieniem otoczenia z odpowiedniego źródła gazu oddechowego. W związku z tym obejmuje zakres efektów fizjologicznych zwykle ograniczonych do ludzi nurków ciśnieniowych, zarówno freedivingowych, jak i korzystających z podwodnych aparatów oddechowych . Na nurka wpływa kilka czynników, w tym zanurzenie, wystawienie na działanie wody, ograniczenia wytrzymałości na zatrzymanie oddechu, zmiany ciśnienia otoczenia, skutki wdychania gazów przy podwyższonym ciśnieniu otoczenia, skutki spowodowane użyciem aparatu oddechowego oraz upośledzenie czucia. Wszystko to może wpłynąć na wydajność i bezpieczeństwo nurka.

Zanurzenie wpływa na równowagę płynów, krążenie i pracę oddechową. Narażenie na zimną wodę może skutkować szkodliwą reakcją na szok zimna , pomocnym odruchem nurkowania i nadmierną utratą ciepła ciała. Czas wstrzymania oddechu jest ograniczony rezerwami tlenu, reakcją na podwyższony poziom dwutlenku węgla i ryzykiem utraty przytomności spowodowanej niedotlenieniem , co wiąże się z wysokim ryzykiem utonięcia .

Duże lub nagłe zmiany ciśnienia otoczenia mogą spowodować uraz znany jako barotrauma . Oddychanie pod ciśnieniem wiąże się z kilkoma efektami. Gazy nieaktywne metabolicznie są wchłaniane przez tkanki i mogą mieć działanie narkotyczne lub inne niepożądane efekty i muszą być uwalniane powoli, aby uniknąć tworzenia się pęcherzyków podczas dekompresji . Gazy aktywne metabolicznie mają większy wpływ proporcjonalnie do ich stężenia, które jest proporcjonalne do ich ciśnienia cząstkowego, które w przypadku zanieczyszczeń wzrasta proporcjonalnie do bezwzględnego ciśnienia otoczenia.

Praca oddechowa jest zwiększona przez zwiększoną gęstość gazu oddechowego, artefakty aparatu oddechowego oraz zmiany ciśnienia hydrostatycznego spowodowane postawą w wodzie. Środowisko podwodne wpływa również na bodźce sensoryczne, co może mieć wpływ na bezpieczeństwo i zdolność skutecznego funkcjonowania na głębokości.

Zanurzenie

Zanurzenie organizmu człowieka w wodzie ma wpływ na krążenie , układ nerkowy i równowagę płynów oraz oddychanie, co spowodowane jest zewnętrznym ciśnieniem hydrostatycznym wody, które zapewnia wsparcie przeciw wewnętrznemu ciśnieniu hydrostatycznemu krwi. Powoduje to przesunięcie krwi z pozanaczyniowych tkanek kończyn do klatki piersiowej, a utrata płynów znana jako diureza immersyjna kompensuje przesunięcie krwi u nawodnionych osób wkrótce po zanurzeniu. Ciśnienie hydrostatyczne na ciało spowodowane zanurzeniem głowy powoduje oddychanie podciśnieniem, co przyczynia się do przesunięcia krwi.

Przesunięcie krwi powoduje zwiększone obciążenie układu oddechowego i serca. Objętość wyrzutowa nie ma dużego wpływu na zanurzenie lub zmiany ciśnienia otoczenia, ale spowolnienie bicia serca zmniejsza całkowity rzut serca, szczególnie z powodu odruchu nurkowania podczas nurkowania na wstrzymanym oddechu . Objętość płuc zmniejsza się w pozycji pionowej z powodu przemieszczenia czaszki brzucha z powodu ciśnienia hydrostatycznego, a opór przepływu powietrza w drogach oddechowych znacznie wzrasta z powodu zmniejszenia objętości płuc. Wydaje się, że istnieje związek między obrzękiem płuc a zwiększonym przepływem i ciśnieniem krwi w płucach, co powoduje obrzęk naczyń włosowatych. Może się to zdarzyć podczas ćwiczeń o większej intensywności podczas zanurzenia lub zanurzenia. Ujemne statyczne obciążenie płuc spowodowane różnicą ciśnień hydrostatycznych pomiędzy ciśnieniem otoczenia na klatce piersiowej a ciśnieniem zasilania gazów oddechowych może powodować zmniejszenie podatności tkanek miękkich płuc, co prowadzi do zwiększonej pracy oddechowej .

Narażenie

Nurkowanie w zimnej wodzie wymaga skutecznej izolacji, aby zapobiec szybkiej utracie ciepła

Reakcja na szok zimna to fizjologiczna reakcja organizmów na nagłe zimno, zwłaszcza na zimną wodę, i jest częstą przyczyną śmierci w wyniku zanurzenia w bardzo zimnej wodzie, na przykład w wyniku upadku przez cienki lód. Natychmiastowy szok spowodowany zimnem powoduje mimowolne wdychanie, które pod wodą może doprowadzić do utonięcia. Zimna woda może również powodować zawał serca z powodu zwężenia naczyń; serce musi pracować ciężej, aby przepompować tę samą objętość krwi w całym ciele, a u osób z chorobami serca to dodatkowe obciążenie pracą może spowodować zatrzymanie pracy serca. Osoba, która przeżyje pierwszą minutę urazu po wpadnięciu do lodowatej wody, może przeżyć co najmniej trzydzieści minut, pod warunkiem, że nie utonie. Jednak zdolność do wykonywania pożytecznej pracy, takiej jak utrzymywanie się na powierzchni, znacznie spada po dziesięciu minutach, ponieważ organizm w sposób ochronny odcina przepływ krwi do „nieistotnych” mięśni.

Odruch nurkowania jest odpowiedzią na zanurzenie, która zastępuje podstawowe odruchy homeostatyczne i występuje u wszystkich kręgowców oddychających powietrzem. Optymalizuje oddychanie , preferencyjnie rozprowadzając zapasy tlenu do serca i mózgu, co pozwala na przebywanie pod wodą przez dłuższy czas. Występuje silnie u ssaków wodnych ( foki , wydry , delfiny , piżmaki ), ale występuje u innych ssaków, w tym u ludzi . Ptaki nurkujące , takie jak pingwiny , mają podobny odruch nurkowania. Odruch nurkowania jest wyzwalany w szczególności przez ochłodzenie twarzy i wstrzymanie oddechu. Najbardziej zauważalne skutki dotyczą układu sercowo-naczyniowego, który wykazuje skurcz naczyń obwodowych, spowolnienie tętna, przekierowanie krwi do ważnych narządów w celu oszczędzania tlenu, uwalnianie czerwonych krwinek zmagazynowanych w śledzionie oraz, u ludzi, nieregularny rytm serca. Ssaki wodne wyewoluowały fizjologiczne przystosowania do oszczędzania tlenu podczas zanurzenia, ale bezdech, bradykardia i skurcz naczyń są wspólne dla ssaków lądowych jako reakcja neuronalna.

Hipotermia to obniżona temperatura ciała, która ma miejsce, gdy organizm rozprasza więcej ciepła niż pochłania i wytwarza. Hipotermia jest głównym ograniczeniem pływania lub nurkowania w zimnej wodzie. Zmniejszenie sprawności palców z powodu bólu lub drętwienia obniża ogólne bezpieczeństwo i zdolność do pracy, co w konsekwencji zwiększa ryzyko innych urazów. Ciepło ciała jest tracone znacznie szybciej w wodzie niż w powietrzu, więc temperatury wody, które byłyby całkiem rozsądne, ponieważ temperatury powietrza na zewnątrz mogą prowadzić do hipotermii u nieodpowiednio chronionych nurków, chociaż często nie jest to bezpośrednia kliniczna przyczyna śmierci.

Ograniczenia wstrzymywania oddechu

Utajone niedotlenienie uderza podczas wynurzania

Nurkowanie na wstrzymanym oddechu przez zwierzę oddychające powietrzem jest ograniczone fizjologiczną zdolnością do wykonywania nurkowania na dostępnym tlenie do czasu powrotu do źródła świeżego gazu oddechowego, zwykle powietrza na powierzchni. Kiedy ten wewnętrzny dopływ tlenu jest wyczerpany, zwierzę odczuwa narastającą potrzebę oddychania, spowodowaną nagromadzeniem dwutlenku węgla w krążeniu, a następnie utratą przytomności z powodu niedotlenienia ośrodkowego układu nerwowego . Jeśli zdarzy się to pod wodą, utonie . Głębokość nurkowania na wstrzymanym oddechu jest ograniczona u zwierząt, gdy objętość wewnętrznych przestrzeni powietrznych o sztywnych ściankach jest zajęta przez cały sprężony gaz z oddechu, a miękkie przestrzenie zapadają się pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Zwierzęta, które potrafią nurkować głęboko, mają wewnętrzne przestrzenie powietrzne, które mogą w znacznym stopniu zapaść się bez szkody i mogą aktywnie wydychać powietrze przed nurkowaniem, aby uniknąć absorpcji gazu obojętnego podczas nurkowania.

Zaciemnienie przy wstrzymanym oddechu to utrata przytomności spowodowana niedotlenieniem mózgu pod koniec nurkowania ze wstrzymanym oddechem , kiedy pływak niekoniecznie odczuwa pilną potrzebę oddychania i nie ma innych oczywistych schorzeń, które mogłyby ją spowodować. Może być sprowokowany przez hiperwentylację tuż przed nurkowaniem lub jako konsekwencję obniżenia ciśnienia podczas wynurzania, lub też ich kombinację. Ofiary są często uznanymi praktykami nurkowania na wstrzymanym oddechu, są sprawnymi, silnymi pływakami i nie doświadczyły wcześniej problemów.

Nurkowie i pływacy, którzy stracili przytomność lub wyszarzali pod wodą podczas nurkowania, zwykle utopią się, chyba że zostaną uratowani i reanimowani w krótkim czasie. Zaciemnienie podczas nurkowania swobodnego ma wysoki wskaźnik śmiertelności i dotyczy głównie mężczyzn w wieku poniżej 40 lat, ale generalnie można go uniknąć. Ryzyko nie może być określone ilościowo, ale jest wyraźnie zwiększone przez każdy poziom hiperwentylacji.

Zaciemnienie podczas nurkowania swobodnego może wystąpić w każdym profilu nurkowania: na stałej głębokości, podczas wynurzania z głębokości lub na powierzchni po wynurzeniu z głębokości i może być opisywane wieloma terminami w zależności od profilu nurkowania i głębokości, na której następuje utrata świadomości. Osłabienie podczas płytkiego nurkowania różni się od omdlenia podczas wynurzania od głębokiego nurkowania tym, że omdlenie na głębokiej wodzie jest wywoływane przez obniżenie ciśnienia podczas wynurzania z głębokości, podczas gdy omdlenie na płytkiej wodzie jest konsekwencją hipokapnii po hiperwentylacji.

Krzywe dysocjacji tlen-hemoglobina

Minimalne tkankowe i żylne ciśnienie parcjalne tlenu, które utrzymają świadomość, to około 20 milimetrów słupa rtęci (27 mbar). Odpowiada to około 30 milimetrom rtęci (40 mbar) w płucach. Do funkcjonowania mózgu potrzebne jest około 46 ml/min tlenu. Odpowiada to minimalnemu tętniczemu ciśnieniu parcjalnemu tlenu ( ) wynoszącemu 29 milimetrów słupa rtęci (39 mbar) przy przepływie mózgowym 868 ml/min. ${\ Displaystyle {P_ {a_ {O_ {2}}}}}$

Hiperwentylacja wyczerpuje we krwi dwutlenek węgla (hipokapnia), co powoduje zasadowicę oddechową (podwyższone pH) i powoduje przesunięcie w lewo krzywej dysocjacji tlen-hemoglobina . Skutkuje to niższym żylnym ciśnieniem parcjalnym tlenu, co pogarsza niedotlenienie. Normalnie wentylowane wstrzymanie oddechu zwykle przerywa (od CO ₂ ) z ponad 90% nasyceniem, które jest dalekie od niedotlenienia. Niedotlenienie wywołuje napęd oddechowy, ale nie tak silny jak hiperkapniczny napęd oddechowy. Zostało to przebadane w medycynie wysokościowej, gdzie niedotlenienie występuje bez hiperkapnii z powodu niskiego ciśnienia otoczenia. Równowaga między hiperkapnicznymi i hipoksyjnymi napędami oddechowymi charakteryzuje się zmiennością genetyczną i może być modyfikowana przez trening hipoksji. Te różnice oznaczają, że nie można wiarygodnie oszacować ryzyka predykcyjnego, ale hiperwentylacja przed nurkowaniem niesie ze sobą określone ryzyko.

Za zaciemnieniem we freedivingu stoją trzy różne mechanizmy:

1. Niedotlenienie wywołane czasem trwania ma miejsce, gdy oddech jest wstrzymywany wystarczająco długo, aby aktywność metaboliczna zmniejszyła ciśnienie parcjalne tlenu na tyle, aby spowodować utratę przytomności. Przyspiesza to wysiłek, który szybciej zużywa tlen lub hiperwentylacja, która obniża poziom dwutlenku węgla we krwi, co z kolei może:
   • zwiększają powinowactwo tlen-hemoglobina zmniejszając tym samym dostępność tlenu do tkanki mózgowej pod koniec nurkowania ( efekt Bohra ),
   • stłumić chęć oddychania, ułatwiając wstrzymanie oddechu do momentu utraty przytomności. Może się to zdarzyć na dowolnej głębokości.
2. Niedotlenienie niedokrwienne jest spowodowane zmniejszonym dopływem krwi do mózgu, spowodowanym skurczem naczyń mózgowych wywołanym przez niski poziom dwutlenku węgla po hiperwentylacji lub zwiększonym naciskiem na serce w wyniku insuflacji językowo-gardłowej (uszczelnienia płuc), co może ogólnie zmniejszyć krążenie krwi, lub z obu powodów. . Jeśli mózg zużyje więcej tlenu niż jest dostępne w dopływie krwi, ciśnienie parcjalne tlenu w mózgu może spaść poniżej poziomu wymaganego do podtrzymania świadomości. Ten rodzaj zaciemnienia może wystąpić na początku nurkowania.
3. Niedotlenienie wywołane wynurzeniem jest spowodowane spadkiem ciśnienia parcjalnego tlenu, ponieważ ciśnienie otoczenia zmniejsza się podczas wynurzania. Ciśnienie parcjalne tlenu na głębokości, pod ciśnieniem, może być wystarczające do utrzymania świadomości, ale tylko na tej głębokości, a nie przy obniżonym ciśnieniu w płytszych wodach nad lub przy powierzchni.

Mechanizm utraty przytomności podczas wynurzania różni się od przyspieszonych omdleń wywołanych przez hiperwentylację i niekoniecznie następuje po hiperwentylacji. Jednak hiperwentylacja zwiększy ryzyko i nie ma między nimi wyraźnej granicy. Zaciemnienia na płytkiej wodzie mogą wystąpić w bardzo płytkiej wodzie, nawet na suchym lądzie po hiperwentylacji i bezdechu, ale efekt staje się znacznie bardziej niebezpieczny na etapie wynurzania głębokiego nurkowania swobodnego. Istnieje spore zamieszanie wokół terminów zaciemnienie na płytkiej i głębokiej wodzie i były one używane w odniesieniu do różnych rzeczy lub były używane zamiennie w różnych środowiskach sportów wodnych. Na przykład, termin zaciemnienie na płytkiej wodzie został użyty do opisania zaciemnienia podczas wynurzania, ponieważ zaciemnienie zwykle występuje, gdy nurek wynurza się na płytką głębokość.

Fizjologiczne reakcje na głębokie nurkowanie na wstrzymanym oddechu

Ostatnie badania (2021) nad freediverami wykazały zmiany hemodynamiczne w mózgu charakterystyczne dla nurkowania bezdechowego u specjalistycznych ssaków nurkowych. Niektórzy nurkowie wykazali również znaczny wzrost objętości krwi żylnej pod koniec nurkowania. W niektórych przypadkach zmierzone wartości nasycenia krwi tętniczej tlenem wykazały znaczną deoksygenację tętniczą, ze skrajną wartością 25%. Zmiany tętna podobne do wielkości u ssaków nurkujących i wzorce zmian zostały zarejestrowane, a zmiany w fali serca przy częstości akcji serca poniżej 40 uderzeń na minutę zostały powiązane ze zmianami sugerującymi zmniejszenie podatności naczyniowej.

Zmiany ciśnienia otoczenia

Łagodna barotrauma u nurka spowodowana ściśnięciem maski

Na ciśnienie otoczenia oddziałujące na nurka składają się dwa składniki: ciśnienie atmosferyczne i ciśnienie wody (hydrostatyczne). Zejście na głębokość 10 metrów (33 stopy) w wodzie zwiększa ciśnienie otoczenia o wartość w przybliżeniu równą ciśnieniu atmosfery na poziomie morza. Tak więc zejście z powierzchni do głębokości 10 metrów (33 stopy) pod wodą powoduje podwojenie nacisku na nurka. Ta zmiana ciśnienia zmniejszy objętość przestrzeni wypełnionej gazem o połowę. Prawo Boyle'a opisuje zależność między objętością przestrzeni gazowej a ciśnieniem w gazie.

Barotrauma to fizyczne uszkodzenie tkanek ciała spowodowane różnicą ciśnienia między przestrzenią gazową wewnątrz ciała lub w kontakcie z ciałem a otaczającym gazem lub płynem. Zwykle występuje, gdy organizm jest narażony na znaczną zmianę ciśnienia otoczenia , np. gdy nurek wynurza się lub schodzi. Podczas nurkowania różnice ciśnień, które powodują barotraumę, to zmiany ciśnienia hydrostatycznego:

Początkowe uszkodzenie jest zwykle spowodowane nadmiernym rozciąganiem tkanek w wyniku rozciągania lub ścinania, albo bezpośrednio przez rozprężanie się gazu w zamkniętej przestrzeni, albo przez różnicę ciśnień przenoszoną hydrostatycznie przez tkankę. Pęknięcie tkanki może być utrudnione przez wprowadzenie gazu do tkanki miejscowej lub krążenia przez pierwotne miejsce urazu, co może spowodować zablokowanie krążenia w odległych miejscach lub poprzez jego obecność zakłócać normalne funkcjonowanie narządu. Barotrauma zwykle objawia się efektami zatok lub ucha środkowego, chorobą dekompresyjną (DCS), nadciśnieniem płucnym i urazami wynikającymi z zewnętrznych ucisków.

Barotraumy schodzenia spowodowane są przez uniemożliwienie swobodnej zmiany objętości gazu w zamkniętej przestrzeni w kontakcie z nurkiem, co powoduje różnicę ciśnień między tkankami a przestrzenią gazową, a niezrównoważona siła spowodowana tą różnicą ciśnień powoduje odkształcenie tkanki powodując pęknięcie komórek.

Barotraumy wynurzania powstają również wtedy, gdy uniemożliwiona jest swobodna zmiana objętości gazu w zamkniętej przestrzeni w kontakcie z nurkiem. W tym przypadku różnica ciśnień powoduje wypadkowe napięcie w otaczających tkankach, które przekracza ich wytrzymałość na rozciąganie. Poza pęknięciem tkanek, nadciśnienie może powodować wnikanie gazów do tkanek i dalej w głąb układu krążenia. Ten uraz ciśnieniowy płuc (PBt) związany z wynurzeniem jest również znany jako zespół nadmiernego napełnienia płuc (POIS), nadciśnieniowe uszkodzenie płuc (LOP) i pęknięcie płuc. Konsekwentne urazy mogą obejmować tętniczy zator gazowy, odmę opłucnową, rozedmę śródpiersia, śródmiąższową i podskórną, zwykle nie wszystkie jednocześnie.

Wdychanie gazu na głębokości z podwodnego aparatu oddechowego powoduje, że płuca zawierają gaz pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie atmosferyczne. Tak więc nurek swobodny może zanurkować na 10 metrów (33 stopy) i bezpiecznie wynurzyć się bez wydechu, ponieważ gaz w płucach został wdychany pod ciśnieniem atmosferycznym, podczas gdy nurek, który robi głęboki wdech na 10 metrów i wynurza się bez wydechu, ma płuca zawierające dwukrotnie ilość gazu pod ciśnieniem atmosferycznym i jest bardzo prawdopodobne, że dozna zagrażającego życiu uszkodzenia płuc.

Dekompresji wybuchowej z środowisku komory może powodować poważne uraz ciśnieniowy, a następnie przez nasilone tworzenie dekompresji pęcherzyka i innymi rodzajami uszkodzenia. Przykładem jest incydent z Byford Dolphin .

Ból stawów uciskowych to ból stawów spowodowany ekspozycją na wysokie ciśnienie otoczenia przy stosunkowo wysokim stopniu ucisku. Został zarejestrowany jako głęboki ból w kolanach, ramionach, palcach, plecach, biodrach, szyi i żebrach. Ból może być nagły i intensywny na początku i może mu towarzyszyć uczucie szorstkości stawów. Początek występuje zwykle około 60 msw (metrów wody morskiej), a objawy są zmienne w zależności od głębokości, stopnia kompresji i osobistej podatności. Intensywność wzrasta wraz z głębokością i może być pogorszona przez ćwiczenia. Ból stawów uciskowych jest generalnie problemem nurkowania głębokiego, szczególnie głębokiego nurkowania saturacyjnego , gdzie przy wystarczającej głębokości nawet powolna kompresja może wywołać objawy. Peter B. Bennett i in. wykazali, że stosowanie trimiksu może zmniejszyć objawy. Rozwiązuje się bez długotrwałych konsekwencji dekompresji.

Oddychanie pod ciśnieniem

Zapewnienie gazu oddechowego o ciśnieniu otoczenia może znacznie wydłużyć czas nurkowania, ale istnieją inne problemy, które mogą wynikać z tego rozwiązania technologicznego. Absorpcja gazów obojętnych metabolicznie zwiększa się w funkcji czasu i ciśnienia, a oba te czynniki mogą natychmiast wywołać niepożądane skutki w wyniku ich obecności w stanie rozpuszczonym, takie jak narkoza azotowa i zespół nerwowy wysokiego ciśnienia, lub powodować problemy przy nadejściu. brak roztworu w tkankach podczas dekompresji.

Inne problemy pojawiają się, gdy wzrasta stężenie gazów aktywnych metabolicznie. Obejmują one od toksycznego działania tlenu przy wysokim ciśnieniu parcjalnym, poprzez gromadzenie się dwutlenku węgla w wyniku nadmiernej pracy oddechowej i zwiększonej przestrzeni martwej, aż po nasilenie toksycznego działania zanieczyszczeń w gazie oddechowym w wyniku zwiększonego stężenia przy wysokich ciśnieniach. .

Metabolicznie obojętne składniki gazu oddechowego

Absorpcja i uwalnianie gazów obojętnych

Jednym z tych problemów jest to, że obojętne składniki gazu oddechowego są rozpuszczane we krwi i transportowane do innych tkanek w wyższych stężeniach pod ciśnieniem, a przy obniżeniu ciśnienia, jeśli stężenie jest wystarczająco wysokie, gaz ten może tworzyć pęcherzyki w tkanek, w tym krwi żylnej, które mogą powodować uraz znany jako choroba dekompresyjna lub „zagięcia”. Problem ten można rozwiązać poprzez dekompresję wystarczająco powolną, aby umożliwić usunięcie gazu, gdy jest jeszcze rozpuszczony, oraz eliminując te pęcherzyki, które tworzą się, gdy są jeszcze małe i wystarczająco nieliczne, aby nie wywoływały objawów.

Fizjologia dekompresji obejmuje złożoną interakcję rozpuszczalności gazów, ciśnień cząstkowych i gradientów stężeń, dyfuzji, transportu masowego i mechaniki pęcherzyków w żywych tkankach. Gaz jest wdychany pod ciśnieniem otoczenia, a część tego gazu rozpuszcza się we krwi i innych płynach. Gaz obojętny jest nadal pobierany, dopóki gaz rozpuszczony w tkankach nie znajdzie się w stanie równowagi z gazem w płucach (patrz: " Nurkowanie nasycone") lub ciśnienie otoczenia zostanie zredukowane, aż gazy obojętne rozpuszczą się w tkankach są w wyższym stężeniu niż stan równowagi i ponownie zaczynają dyfundować.

Absorpcja gazów w cieczach zależy od rozpuszczalności określonego gazu w określonej cieczy, stężenia gazu, zwykle mierzonego przez ciśnienie cząstkowe, oraz temperatury. W badaniu teorii dekompresji bada się i modeluje zachowanie gazów rozpuszczonych w tkankach pod kątem zmian ciśnienia w czasie. Po rozpuszczeniu, dystrybucja rozpuszczonego gazu może odbywać się przez dyfuzję , gdzie nie ma przepływu rozpuszczalnika w masie , lub przez perfuzję, gdzie rozpuszczalnik (krew) krąży wokół ciała nurka, gdzie gaz może dyfundować do lokalnych obszarów o niższym stężeniu . Po odpowiednim czasie przy określonym ciśnieniu parcjalnym w gazie oddechowym, stężenie w tkankach ustabilizuje się lub nasyci z szybkością zależną od rozpuszczalności, szybkości dyfuzji i perfuzji. Jeżeli stężenie gazu obojętnego w gazie do oddychania zmniejszy się poniżej stężenia którejkolwiek z tkanek, wystąpi tendencja do powrotu gazu z tkanek do gazu do oddychania. Jest to znane jako odgazowanie i występuje podczas dekompresji, kiedy obniżenie ciśnienia otoczenia lub zmiana gazu oddechowego zmniejsza ciśnienie parcjalne gazu obojętnego w płucach.

Połączone stężenia gazów w danej tkance będą zależeć od historii ciśnienia i składu gazu. W warunkach równowagi całkowite stężenie rozpuszczonych gazów będzie mniejsze niż ciśnienie otoczenia, ponieważ tlen jest metabolizowany w tkankach, a wytwarzany dwutlenek węgla jest znacznie lepiej rozpuszczalny. Jednak podczas obniżania ciśnienia otoczenia szybkość zmniejszania ciśnienia może przekraczać szybkość, z jaką gaz może być eliminowany przez dyfuzję i perfuzję, a jeśli stężenie jest zbyt wysokie, może osiągnąć etap, w którym może wystąpić tworzenie się pęcherzyków w przesyconym tkanki. Gdy ciśnienie gazów w bańce przekroczy łączne ciśnienie zewnętrzne ciśnienia otoczenia i napięcia powierzchniowego na granicy bańka-ciecz, bąbelki będą rosły, a ten wzrost może spowodować uszkodzenie tkanek. Objawy spowodowane tym uszkodzeniem są znane jako choroba dekompresyjna .

Rzeczywiste szybkości dyfuzji i perfuzji oraz rozpuszczalność gazów w określonych tkankach nie są ogólnie znane i znacznie się różnią. Zaproponowano jednak modele matematyczne, które w większym lub mniejszym stopniu przybliżają rzeczywistą sytuację, a modele te są wykorzystywane do przewidywania, czy dla danego profilu narażenia na ciśnienie prawdopodobne jest wystąpienie objawowego tworzenia się pęcherzyków.

Narkoza gazów obojętnych

Z wyjątkiem helu i prawdopodobnie neonu , wszystkie gazy, którymi można oddychać, mają działanie narkotyczne pod ciśnieniem, chociaż w różnym stopniu. Narkoza powoduje stan podobny do pijaństwo (zatrucie alkoholem) lub podtlenek azotu wdychania. Może wystąpić podczas płytkich nurkowań, ale zwykle nie staje się zauważalny na głębokościach mniejszych niż około 30 metrów (100 stóp).

Efekt jest konsekwentnie większy w przypadku gazów o wyższej rozpuszczalności w lipidach i istnieją dobre dowody na to, że te dwie właściwości są powiązane mechanicznie. Wraz ze wzrostem głębokości upośledzenie umysłowe może stać się niebezpieczne. Nurkowie mogą nauczyć się radzić sobie z niektórymi skutkami narkozy, ale niemożliwe jest wyrobienie sobie tolerancji . Narkoza dotyka wszystkich nurków, chociaż podatność różni się znacznie w zależności od nurkowania i między poszczególnymi osobami.

Narkoza może zostać całkowicie odwrócona w ciągu kilku minut poprzez wynurzenie się na płytszą głębokość, bez długotrwałych skutków. Tak więc narkoza podczas nurkowania w wodach otwartych rzadko rozwija się w poważny problem, o ile nurkowie są świadomi jej objawów i są w stanie wynurzyć się, aby sobie z tym poradzić. Ze względu na jego wpływ na percepcję początek narkozy może być trudny do rozpoznania. W swojej najbardziej łagodnej postaci narkoza powoduje złagodzenie niepokoju – poczucie spokoju i panowania nad otoczeniem. Efekty te są zasadniczo identyczne z różnymi stężeniami podtlenku azotu. Przypominają również (choć nie tak bardzo) działanie alkoholu lub konopi indyjskich oraz znanych leków benzodiazepinowych , takich jak diazepam i alprazolam . Takie efekty nie są szkodliwe, chyba że powodują bezpośrednie zagrożenie, które pozostaje nierozpoznane i nierozwiązane. Po ustabilizowaniu efekty generalnie pozostają takie same na danej głębokości, pogarszając się tylko, gdy nurek zapuszcza się głębiej.

Najbardziej niebezpieczne aspekty narkozy to upośledzenie zdolności osądzania, wielozadaniowości i koordynacji oraz utrata zdolności do podejmowania decyzji i koncentracji. Inne efekty obejmują zawroty głowy oraz zaburzenia wzrokowe lub słuchowe. Zespół może powodować zawroty głowy, upojeniem, skrajny lęk, depresja, czy paranoja , w zależności od indywidualnego nurka i historii medycznej lub osobistej nurka. Gdy jest poważniej, nurek może czuć się zbyt pewny siebie, ignorując normalne bezpieczne praktyki nurkowe. Spowolniona aktywność umysłowa, na co wskazuje wydłużenie czasu reakcji i zwiększone błędy w funkcjach poznawczych, to efekty zwiększające ryzyko złego zarządzania incydentem przez nurka. Narkoza zmniejsza zarówno odczuwanie zimnego dyskomfortu, jak i dreszczy, a tym samym wpływa na wytwarzanie ciepła ciała, a w konsekwencji pozwala na szybszy spadek temperatury głębokiej ciała w zimnej wodzie, przy zmniejszonej świadomości narastającego problemu.

Zarządzanie narkozą polega po prostu na wzniesieniu się na płytsze głębiny; efekty znikają w ciągu kilku minut. W przypadku wystąpienia komplikacji lub innych warunków wstępna reakcja jest zawsze prawidłową reakcją początkową. Jeśli problemy nie znikną, konieczne jest przerwanie nurkowania. Harmonogram dekompresji może być nadal przestrzegany, chyba że inne warunki wymagają pomocy w nagłych wypadkach.

Narkozie podczas głębokiego nurkowania zapobiega oddychanie mieszaniną gazów zawierającą hel. Hel jest przechowywany w brązowych cylindrach.

Najprostszym sposobem uniknięcia narkozy azotowej przez nurka jest ograniczenie głębokości nurkowań. Ponieważ narkoza staje się bardziej dotkliwa wraz ze wzrostem głębokości, nurek trzymający się na mniejszych głębokościach może uniknąć poważnej narkozy. Większość agencji certyfikujących nurków rekreacyjnych certyfikuje tylko podstawowych nurków do głębokości 18 m (60 stóp), a na tych głębokościach narkoza nie stanowi znaczącego ryzyka. Do uzyskania certyfikatu na odległość do 30 m (100 stóp) w powietrzu wymagane jest zwykle dalsze szkolenie, które obejmuje omówienie narkozy, jej skutków i zarządzania. Niektóre agencje szkolenia nurków oferują specjalistyczne szkolenia przygotowujące nurków rekreacyjnych do nurkowania na głębokości 40 m (130 stóp), często składające się z dalszej teorii i praktyki w głębokich nurkowaniach pod ścisłym nadzorem. Organizacje płetwonurków, które szkolą się w nurkowaniu poza głębokościami rekreacyjnymi, mogą zabronić nurkowania z gazami, które powodują zbyt dużą narkozę na głębokości u przeciętnego nurka i zdecydowanie zachęcać do stosowania innych mieszanek gazów oddechowych zawierających hel zamiast części lub całości azotu w powietrzu – takie jak trimiks i helioks  – ponieważ hel nie ma działania narkotycznego. Stosowanie tych gazów stanowi część nurkowania technicznego i wymaga dalszego szkolenia i certyfikacji. Nurkowanie na powierzchni komercyjnej może rutynowo osiągać głębokość 50 metrów na powietrzu, ale nurek jest monitorowany z powierzchni, a drogi oddechowe są chronione maską pełnotwarzową lub hełmem.

Testy wykazały, że wszyscy nurkowie są dotknięci narkozą azotową, chociaż niektórzy doświadczają mniejszych skutków niż inni. Chociaż możliwe jest, że niektórzy nurkowie radzą sobie lepiej niż inni dzięki nauce radzenia sobie z subiektywnym upośledzeniem, podstawowe efekty behawioralne pozostają. Skutki te są szczególnie niebezpieczne, ponieważ nurek może czuć, że nie doświadcza narkozy, a mimo to może być przez nią dotknięty.

Zespół nerwowy wysokiego ciśnienia

Zespół nerwowy wysokiego ciśnienia (HPNS) to neurologiczne i fizjologiczne zaburzenie nurkowania, które pojawia się, gdy nurek zejdzie poniżej około 500 stóp (150 m) przy użyciu gazu oddechowego zawierającego hel. Doświadczane efekty i ich nasilenie zależą od szybkości opadania, głębokości i zawartości procentowej helu.

Objawy HPNS obejmują drżenie , miokloniczne szarpnięcia , senność , zmiany w zapisie EEG , zaburzenia widzenia, nudności , zawroty głowy i zmniejszoną sprawność umysłową . HPNS składa się z dwóch składowych, jednego wynikającego z szybkości kompresji, a drugiego z ciśnienia bezwzględnego. Efekty kompresji mogą wystąpić podczas schodzenia poniżej 500 stóp (150 m) z prędkością większą niż kilka metrów na minutę, ale zmniejszają się w ciągu kilku godzin po ustabilizowaniu się ciśnienia. Skutki głębokości stają się znaczące na głębokościach przekraczających 1000 stóp (300 m) i pozostają niezależnie od czasu spędzonego na tej głębokości. Podatność nurków na HPNS różni się znacznie w zależności od osoby, ale ma niewielkie różnice między różnymi nurkowaniami tego samego nurka.

Prawdopodobnie nie można całkowicie zapobiec HPNS, ale istnieją skuteczne metody opóźniania lub zmiany rozwoju objawów. Stwierdzono, że powolne tempo sprężania lub dodawanie przerw do sprężania zapobiega dużemu początkowemu spadkowi wydajności, podczas gdy włączenie innych gazów do mieszaniny helowo-tlenowej, takich jak azot lub wodór, tłumi efekty neurologiczne.

Toksyczność gazu hiperbarycznego

Fizjologia człowieka ewoluowała, aby dostosować się do warunków ciśnienia atmosferycznego w pobliżu poziomu morza. Gazy atmosferyczne przy znacznie wyższym ciśnieniu mogą mieć działanie toksyczne, które zmienia się wraz z gazem i jego ciśnieniem cząstkowym, a toksyczne działanie zanieczyszczeń gazu oddechowego jest funkcją ich stężenia, które jest proporcjonalne do ciśnienia cząstkowego, a więc głębokości.

Toksyczność tlenu

W latach 1942-43 rząd Wielkiej Brytanii przeprowadził szeroko zakrojone testy toksyczności tlenu u nurków. Komora jest sprężona powietrzem do 3,7  bara . Obiekt w centrum oddycha 100% tlenem z maski.

Skutkiem oddychania zwiększonym ciśnieniem parcjalnym tlenu jest hiperoksja , czyli nadmiar tlenu w tkankach organizmu. W zależności od rodzaju narażenia organizm jest dotknięty różnymi sposobami. Toksyczność ośrodkowego układu nerwowego jest spowodowana krótkotrwałą ekspozycją na wysokie ciśnienia parcjalne tlenu pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne. Toksyczność płucna może wynikać z dłuższej ekspozycji na zwiększony poziom tlenu podczas leczenia hiperbarycznego. Objawy mogą obejmować dezorientację, problemy z oddychaniem i zmiany widzenia, takie jak krótkowzroczność . Długotrwałe narażenie na wyżej normalnym ciśnieniu cząstkowym tlenu, lub mniej, ekspozycji na bardzo wysokie ciśnienie cząstkowe może spowodować oksydacyjnego uszkodzenia do błon komórkowych , zapadanie się pęcherzyków płucnych, odwarstwienie siatkówki oraz drgawki . Toksyczność tlenu jest kontrolowana poprzez zmniejszenie narażenia na zwiększone poziomy tlenu. Badania pokazują, że na dłuższą metę możliwy jest solidny powrót do zdrowia po większości rodzajów toksyczności tlenowej.

Protokoły unikania skutków hiperoksji istnieją w dziedzinach, w których tlen jest wdychany z wyższym niż normalne ciśnieniem cząstkowym, w tym podczas nurkowania podwodnego z użyciem sprężonych gazów oddechowych . Protokoły te doprowadziły do ​​rosnącej rzadkości napadów padaczkowych z powodu toksyczności tlenu.

Toksyczność tlenowa ośrodkowego układu nerwowego objawia się takimi objawami jak zmiany widzenia (zwłaszcza widzenie tunelowe ), dzwonienie w uszach ( szum w uszach ), nudności , drganie (zwłaszcza twarzy), zmiany behawioralne (drażliwość, niepokój , splątanie) i zawroty głowy . Po tym może nastąpić napad toniczno-kloniczny składający się z dwóch faz: intensywny skurcz mięśni trwający kilka sekund (faza toniczna); po których następują gwałtowne skurcze naprzemiennego rozluźnienia i skurczu mięśni, powodujące konwulsyjne szarpnięcia ( faza kloniczna ). Napad kończy się okresem utraty przytomności ( stan ponapadowy ). Początek napadu zależy od ciśnienia parcjalnego tlenu w gazie oddechowym i czasu ekspozycji. Jednak czas ekspozycji przed początkiem jest nieprzewidywalny, ponieważ testy wykazały duże zróżnicowanie, zarówno wśród osób, jak i u tej samej osoby z dnia na dzień. Ponadto wiele czynników zewnętrznych, takich jak zanurzenie pod wodą, narażenie na zimno i wysiłek fizyczny, skraca czas do wystąpienia objawów ze strony ośrodkowego układu nerwowego. Spadek tolerancji jest ściśle powiązany z zatrzymywaniem dwutlenku węgla .

Objawy toksyczności płucnej wynikają ze stanu zapalnego, który zaczyna się w drogach oddechowych prowadzących do płuc, a następnie rozprzestrzenia się do płuc. Zaczyna się jako łagodne łaskotanie przy wdychaniu i przechodzi w częsty kaszel. Jeśli oddychanie utrzymuje się zwiększone ciśnienie parcjalne tlenu, podczas wdechu odczuwa się lekkie pieczenie wraz z niekontrolowanym kaszlem i sporadyczną dusznością. Ogólnie rzecz biorąc, następuje zmniejszenie ilości powietrza, które mogą pomieścić płuca ( pojemność życiowa ) oraz zmiany funkcji wydechowej i elastyczności płuc. Gdy ekspozycja na tlen powyżej 0,5 bara (50 kPa) jest przerywana, umożliwia regenerację płuc i opóźnia początek toksyczności.

Toksyczność dwutlenku węgla

Główne objawy toksyczności dwutlenku węgla poprzez zwiększenie procentu objętości w powietrzu.

Prawidłowe oddychanie u nurków prowadzi do hipowentylacji pęcherzykowej z niewystarczającą eliminacją dwutlenku węgla (hiperkapnia). Eksperymentalna praca EH Lanphier w jednostce nurkowania eksperymentalnego marynarki wojennej USA wskazuje, że:

• Wyższe ciśnienie parcjalne wdychanego tlenu przy 4 atm (400 kPa) odpowiadało za nie więcej niż 25% wzrostu końcowopływowego dwutlenku węgla powyżej wartości stwierdzonych przy tym samym tempie pracy podczas oddychania powietrzem tuż pod powierzchnią.
• Zwiększona praca oddechowa odpowiadała za większość podniesienia pęcherzykowego dwutlenku węgla przy ekspozycjach powyżej 1 atm (100 kPa), na co wskazują wyniki zastąpienia azotu helem pod ciśnieniem 4 atm (400 kPa).
• Na niewystarczającą reakcję wentylacyjną na wysiłek wskazywał fakt, że pomimo wartości spoczynkowych w normalnym zakresie, końcowopływowy poziom dwutlenku węgla wyraźnie wzrastał wraz z wysiłkiem, nawet gdy nurkowie oddychali powietrzem na głębokości zaledwie kilku stóp.

Dwutlenek węgla nie jest całkowicie wydalany, gdy nurek wydycha powietrze do aparatu z mechaniczną martwą przestrzenią, takiego jak fajka , maska ​​do nurkowania na całą twarz lub hełm do nurkowania , a następnie wdycha z martwej przestrzeni.

W obwodzie zamkniętym lub częściowo zamkniętego obiegu zamkniętym obiegu do nurkowania , wydychanym dwutlenku węgla musi być usuwany z układu oddechowego, zwykle przez płuczkę zawierającą stały związek chemiczny o wysokim powinowactwie do CO ₂ , takie jak wapna sodowanego . Jeśli nie zostanie usunięty z systemu, spowoduje wzrost wdychanego stężenia, znany jako przełom płuczki. Kiedy nurek ćwiczy na wyższym poziomie wysiłku, więcej dwutlenku węgla jest produkowane z powodu podwyższonej aktywności metabolicznej. Gęstość od gazu do oddychania jest większa na głębokości, więc wysiłek wymagany do wdech i wydech ( praca z oddychaniem ) zwiększa się, co oddychanie trudniejsze i mniej efektywne. Większa gęstość gazu powoduje również, że mieszanie gazów w płucach jest mniej wydajne, skutecznie zwiększając fizjologiczną przestrzeń martwą. Praca oddechowa może osiągnąć punkt, w którym cała dostępna energia musi zostać wydana na oddychanie. Poza tym punktem dwutlenek węgla nie może być eliminowany tak szybko, jak jest wytwarzany.

Nurek może celowo przeprowadzić hipowentylację , znaną jako „pomijanie oddechu”. Pomiń oddychanie to kontrowersyjna technika oszczędzania gazu oddechowego podczas korzystania z akwalungu z obiegiem otwartym , która polega na krótkiej przerwie lub wstrzymaniu oddechu między wdechem a wydechem (tj. „pomijanie” oddechu). Powoduje to wykorzystanie większej ilości tlenu dostępnego w gazie oddechowym, ale zwiększa poziom dwutlenku węgla w gazie pęcherzykowym i spowalnia jego eliminację z obiegu. Pomijanie oddychania jest szczególnie szkodliwe w przypadku rebreatherów , w których czynność oddychania pompuje gaz wokół „pętli” w celu usunięcia dwutlenku węgla, ponieważ wydychany gaz podlega recyklingowi, a pominięcie oddychania nie zmniejsza zużycia tlenu.

Objawy i oznaki wczesnej hiperkapnii obejmują zaczerwienienie skóry, pełne tętno , przyspieszenie oddechu , duszność , drgania mięśni, zmniejszoną aktywność nerwową, ból głowy, splątanie i letarg, zwiększoną pojemność minutową serca, podwyższenie ciśnienia tętniczego krwi i skłonność do arytmii . W ciężkiej hiperkapni objawy rozwijają się do dezorientacji, paniki , hiperwentylacji , drgawek , utraty przytomności i ostatecznie śmierci .

Uważa się również, że hiperkapnia jest czynnikiem zwiększającym ryzyko wystąpienia drgawek związanych z toksycznością tlenu w ośrodkowym układzie nerwowym.

Toksyczność zanieczyszczeń w gazie oddechowym

Toksyczność zanieczyszczeń jest na ogół funkcją stężenia i narażenia ( dawka ), a zatem skutki zwiększają się wraz z ciśnieniem otoczenia. Konsekwencją jest to, że gazy oddechowe do użytku hiperbarycznego muszą mieć proporcjonalnie niższe dopuszczalne granice dla toksycznych zanieczyszczeń w porównaniu z normalnym ciśnieniem powierzchniowym. Na dopuszczalne stężenie wpływa również to, czy skutek ma charakter kumulacyjny i czy istnieje próg dopuszczalnego narażenia długoterminowego.

Zanieczyszczenia gazów oddechowych, które są uznanym problemem w nurkowaniu podwodnym, obejmują dwutlenek węgla, tlenek węgla i węglowodory, które mogą być wprowadzane w procesie sprężania, oraz siarkowodór, który stanowi głównie problem w przemyśle naftowym.

Gaz do oddychania w stanie niedotlenienia

Gaz oddechowy wybrany w celu uniknięcia toksyczności tlenu na głębokości (zwykle poniżej około 65 m) może być niedotleniony przy ciśnieniu powierzchniowym lub na płytkich głębokościach. Podczas wynurzania na takiej mieszance może nie być żadnego ostrzeżenia fizjologicznego przed utratą przytomności.

Praca oddechowa

Wykres oporu oddychania regulatora zapotrzebowania z obiegiem otwartym. Obszar wykresu (zielony) jest proporcjonalny do sieci oddechów dla pojedynczego cyklu oddechowego

Różnice ciśnienia hydrostatycznego między wnętrzem płuc a dostarczanym gazem oddechowym, zwiększona gęstość gazu oddechowego ze względu na ciśnienie otoczenia oraz zwiększony opór przepływu ze względu na większą częstość oddechów mogą powodować zwiększoną pracę oddechową i zmęczenie mięśni oddechowych. Nadmierna praca oddechowa może być częściowo skompensowana wyższą tolerancją na dwutlenek węgla i może w końcu doprowadzić do kwasicy oddechowej . Czynniki wpływające na pracę oddechową podwodnego aparatu oddechowego obejmują gęstość i lepkość gazu, szybkości przepływu, ciśnienie pękania (różnicę ciśnień wymaganą do otwarcia zaworu dozującego) oraz ciśnienie wsteczne nad zaworami wydechowymi.

Oddychanie nadciśnieniem i podciśnieniem

Niewielkie wahania ciśnienia pomiędzy dostarczanym gazem a ciśnieniem otoczenia w płucach mogą być tolerowane. Może to wynikać z trymu nurka w wodzie, położenia membrany obsługującej automat oddechowy, położenia przeciwpłuc w rebreatherze, ciśnienia pękania i oporów przepływu zaworu wydechowego lub celowego nadciśnienia w maska ​​lub hełm, mające na celu zmniejszenie ryzyka przedostania się zanieczyszczonej wody do aparatu oddechowego przez zawór wydechowy. Stała zmienność dostarczanej różnicy ciśnień nie wpływa na pracę aparatu oddechowego – cały wykres jest przesuwany w górę lub w dół bez zmiany obszaru zamkniętego – ale wysiłek wymagany do wdechu i wydechu jest zauważalnie inny niż normalny, a jeśli jest nadmierny , może utrudnić lub uniemożliwić oddychanie. Ujemne statyczne obciążenie płuc, gdy ciśnienie otoczenia na klatce piersiowej jest większe niż ciśnienie dostarczania gazu oddechowego w jamie ustnej, może zwiększyć pracę oddechową ze względu na zmniejszoną podatność tkanek miękkich płuc. Systemy swobodnego przepływu z natury działają pod dodatnim ciśnieniem w stosunku do głowy, aby umożliwić kontrolowany przepływ wydechu, ale niekoniecznie do płuc nurka. Oddychanie z rurką jest z natury oddychaniem podciśnieniem, ponieważ płuca pływaka znajdują się przynajmniej częściowo pod powierzchnią wody.

Korzystanie z aparatu oddechowego

W fizjologii martwa przestrzeń to objętość wdychanego powietrza, które nie bierze udziału w wymianie gazowej, ponieważ pozostaje w przewodzących drogach oddechowych lub dociera do pęcherzyków płucnych, które nie są ukrwione lub słabo ukrwione . Innymi słowy, nie całe powietrze w każdym oddechu jest dostępne do wymiany tlenu i dwutlenku węgla . Ssaki wdychają i wydychają płuca, marnując tę ​​część wdechu, która pozostaje w przewodzących drogach oddechowych, gdzie nie może wystąpić wymiana gazowa. U ludzi około jedna trzecia każdego oddechu w spoczynku nie zmienia poziomu tlenu i dwutlenku węgla.

Przestrzeń martwa w aparacie oddechowym to przestrzeń w aparacie, w której gaz oddechowy musi przepływać w obu kierunkach podczas wdechu i wydechu użytkownika, zwiększając niezbędny wysiłek oddechowy, aby uzyskać taką samą ilość powietrza użytkowego lub gazu oddechowego, i ryzykując nagromadzenie dwutlenek węgla z płytkich oddechów. Jest to w efekcie zewnętrzne przedłużenie fizjologicznej martwej przestrzeni.

Mechaniczną przestrzeń martwą można zmniejszyć za pomocą cech konstrukcyjnych, takich jak:

• Zastosowanie oddzielnych kanałów dolotowych i wydechowych z zaworami jednokierunkowymi umieszczonymi w ustniku. Ogranicza to martwą przestrzeń pomiędzy zaworami zwrotnymi a ustami i/lub nosem użytkownika. Dodatkową przestrzeń martwą można zminimalizować przez utrzymywanie jak najmniejszej objętości tej zewnętrznej przestrzeni martwej, ale nie powinno to nadmiernie zwiększać pracy oddechowej.
• Z maską pełnotwarzową lub kaskiem nurkowym na żądanie :
  • Utrzymywanie małej objętości wewnętrznej lub
  • Posiadanie małej wewnętrznej maski ustno-gardłowej wewnątrz maski głównej, która oddziela zewnętrzny przewód oddechowy od reszty wnętrza maski.
  • W kilku modelach masek pełnotwarzowych montowany jest ustnik podobny do tych stosowanych w automatach nurkowych, który pełni taką samą funkcję jak maska ​​ustno-nosowa, ale może dodatkowo zmniejszyć objętość zewnętrznej martwej przestrzeni, kosztem wymuszenia na ustach. oddechowy. Mniejsza objętość wokół ust zwiększa zniekształcenia mowy. Może to utrudnić komunikację.
  • Hełmy do nurkowania ze swobodnym przepływem pozwalają uniknąć problemu martwej przestrzeni, dostarczając znacznie więcej powietrza niż nurek może zużyć i eliminując przedział ustno-nosowy. To sprawia, że ​​całe wnętrze kasku jest efektywnie świeże powietrze, ponieważ jest ono odpowiednio przepłukiwane podczas i po każdym wydechu, kosztem znacznie większego zużycia gazu w układach o obiegu otwartym. Minimalizuje to również wzrost pracy oddechowej z powodu oporu aparatu oddechowego na przepływ, dzięki czemu hełmy o swobodnym przepływie są szczególnie odpowiednie do zastosowań, w których może być wymagany duży wysiłek.

Upośledzenie sensoryczne

Wizja

Płetwonurek z soczewkami dwuogniskowymi dopasowanymi do maski

Pod wodą rzeczy są mniej widoczne z powodu niższego poziomu naturalnego oświetlenia spowodowanego szybkim tłumieniem światła wraz z odległością przebytą przez wodę. Są również rozmyte przez rozproszenie światła między obiektem a widzem, co również skutkuje niższym kontrastem. Efekty te różnią się w zależności od długości fali światła oraz koloru i zmętnienia wody. Oko kręgowca jest zwykle zoptymalizowane pod kątem widzenia pod wodą lub w powietrzu, jak ma to miejsce w przypadku oka ludzkiego. Na ostrość wzroku oka zoptymalizowanego pod kątem powietrza bardzo niekorzystnie wpływa różnica we współczynniku załamania światła między powietrzem a wodą w przypadku bezpośredniego kontaktu. Zapewnienie przestrzeni powietrznej między rogówką a wodą może kompensować, ale ma efekt uboczny w postaci zniekształcenia łusek i odległości. Sztuczne oświetlenie skutecznie poprawia oświetlenie na krótkim dystansie.

Ostrość stereoskopowa, zdolność oceny względnych odległości różnych obiektów, jest znacznie zmniejszona pod wodą, na co wpływa pole widzenia. Wąskie pole widzenia spowodowane przez mały wizjer w hełmie skutkuje znacznie zmniejszoną ostrością stereoskopową i związaną z tym utratą koordynacji ręka-oko.

Przy bardzo krótkim zasięgu w czystej wodzie odległość jest niedoszacowana, zgodnie z powiększeniem ze względu na załamanie przez płaską soczewkę maski, ale przy większych odległościach - większych niż zasięg ramienia, odległość bywa zawyżona do pewnego stopnia pod wpływem zmętnienia. Zarówno względna, jak i bezwzględna percepcja głębokości są zmniejszone pod wodą. Utrata kontrastu powoduje przeszacowanie, a efekty powiększenia odpowiadają za niedoszacowanie w krótkim dystansie.

Nurkowie mogą w dużym stopniu przystosować się do tych efektów, ucząc się kompensowania tych zniekształceń.

Efekty zniekształcenia optycznego maski nurka lub płyty czołowej hełmu również powodują pozorny ruch nieruchomego obiektu podczas poruszania głową.

Przesłuchanie

Woda ma inne właściwości akustyczne niż powietrze. Dźwięk z podwodnego źródła może stosunkowo swobodnie rozchodzić się przez tkanki ciała w kontakcie z wodą, ponieważ właściwości akustyczne są podobne. Kiedy głowa jest wystawiona na działanie wody, znaczna część dźwięku dociera do ślimaka niezależnie od ucha środkowego i błony bębenkowej, ale część jest przekazywana przez ucho środkowe.

Przewodnictwo kostne odgrywa ważną rolę w podwodnym słyszeniu, gdy głowa ma kontakt z wodą (nie wewnątrz kasku), ale ludzki słuch pod wodą, w przypadkach, gdy ucho nurka jest mokre, jest mniej czuły niż w powietrzu.

Dźwięk przemieszcza się około 4,5 razy szybciej w wodzie niż w powietrzu i z podobnie większą prędkością w tkankach ciała, dlatego też odstęp pomiędzy dźwiękiem docierającym do lewego i prawego ucha wewnętrznego jest znacznie mniejszy niż w powietrzu, a mózg jest mniej zdolny do rozróżnij przedział, w którym identyfikowany jest kierunek źródła dźwięku. Pewna lokalizacja dźwięku jest możliwa, choć trudna.

To ominięcie ucha środkowego wpływa również na wrażliwość ucha na częstotliwość. Dźwięk odbija się również proporcjonalnie do zmiany gęstości lub elastyczności (niedopasowania impedancji akustycznej ) podczas przechodzenia przez interfejs, tak że zamknięcie głowy w sztywnym hełmie może spowodować znaczne wytłumienie dźwięku pochodzącego z wody. Wewnętrzny materiał wygłuszający dźwięk dodatkowo obniża poziom hałasu.

Czułość częstotliwościowa pod wodą również znacznie różni się od tej w powietrzu, z konsekwentnie wyższym progiem słyszalności pod wodą, ale także znacznie przekrzywioną. Dostępna jest podwodna skala ważenia hałasu do oceny zagrożenia hałasem w zależności od czułości częstotliwościowej dla mokrego przewodzenia.

Utrata słuchu u nurków jest znanym problemem i ma wiele czynników, z których jednym jest narażenie na hałas. Nurkowie z obiegiem otwartym wytwarzają wysoki poziom hałasu oddychania poprzez przepływ powietrza przez regulator podczas wdechu i hałas pęcherzyków podczas wydechu. Głównym źródłem hałasu są pęcherzyki spalin, które mogą przekraczać 95 dB(A). Komunikacja głosowa i swobodne odmgławianie podnoszą te poziomy powyżej 100 dB(A), ponieważ komunikacja musi znajdować się około 15 dB powyżej tła, aby była zrozumiała. Poziomy hałasu w hełmach o swobodnym przepływie są generalnie wyższe niż w systemach wymagających i są porównywalne z poziomami hałasu związanymi z odmgławianiem. Systemy Rebreather i Reclaim są znacznie cichsze, ponieważ przez większość czasu nie słychać bąbelków. Rodzaj nakrycia głowy wpływa na czułość na hałas i zagrożenie hałasem w zależności od tego, czy transmisja jest mokra czy sucha. Ludzki słuch pod wodą jest mniej czuły w przypadku mokrych uszu niż w powietrzu, a kaptur z neoprenu zapewnia znaczne tłumienie. Podczas noszenia hełmu czułość jest podobna do czułości w powietrzu powierzchniowym, ponieważ na czułość słuchu nie ma istotnego wpływu skład lub ciśnienie gazu oddechowego lub atmosfery w komorze.

Dotykać

Percepcja dotykowa u nurków może być zaburzona przez kombinezon ochronny i niskie temperatury. Kombinacja niestabilności, wyposażenia, neutralnej pływalności i oporu ruchu przez bezwładność i lepkość wody obciąża nurka. Zimno powoduje utratę funkcji czuciowych i motorycznych oraz odwraca uwagę i zakłóca aktywność poznawczą. Zdolność do wywierania dużej i precyzyjnej siły jest zmniejszona.

Saldo

Równowaga i równowaga zależą od funkcji przedsionkowej i wtórnego sygnału ze zmysłów wzrokowych, organicznych, skórnych, kinestetycznych, a czasem słuchowych, które są przetwarzane przez centralny układ nerwowy, aby zapewnić poczucie równowagi. Pod wodą niektóre z tych sygnałów wejściowych mogą być nieobecne lub zmniejszone, co sprawia, że ​​pozostałe wskazówki są ważniejsze. Sprzeczne dane wejściowe mogą powodować zawroty głowy i dezorientację. Uważa się, że zmysł przedsionkowy jest niezbędny w tych warunkach do szybkiego, skomplikowanego i dokładnego ruchu.

Propriocepcja

Percepcja kinestetyczna, proprioceptywna i organiczna jest główną częścią sensorycznego sprzężenia zwrotnego, dzięki której nurek jest świadomy swojej pozycji i ruchu, a w połączeniu z bodźcami przedsionkowymi i wzrokowymi, pozwala nurkowi skutecznie funkcjonować w utrzymywaniu fizycznej równowagi i równowagi w wodzie.

W wodzie o neutralnej pływalności sygnały dotyczące pozycji odbierane przez zmysły kinestetyczne, proprioceptywne i organiczne są ograniczone lub nieobecne. Efekt ten może być spotęgowany przez skafander nurka i inny sprzęt.

Zapach i smak

Zmysły smaku i zapachu nie są bardzo ważne dla nurka w wodzie, ale ważniejsze dla nurka nasyconego podczas przebywania w komorach noclegowych. Istnieją dowody na nieznaczny spadek progu smaku i zapachu po dłuższych okresach pod ciśnieniem.

Adaptacja u innych zwierząt

Kręgowce morskie powietrze do oddychania, które zostały zwrócone do oceanu z rodów lądowych są zróżnicowaną grupą, która obejmuje węże morskie , żółwie morskie , z Legwan , krokodyle słonowodne , pingwiny , płetwonogich , walenie , wydry morskie , manatów i krów morskich . Większość kręgowców nurkujących wykonuje stosunkowo krótkie płytkie nurkowania. Węże morskie, krokodyle i legwany morskie nurkują tylko w wodach przybrzeżnych i rzadko nurkują na głębokość większą niż 10 m, ale obie te grupy mogą wykonywać znacznie głębsze i dłuższe nurkowania. Pingwiny cesarskie regularnie nurkują na głębokości od 400 do 500 m przez 4 do 5 minut, często nurkują od 8 do 12 minut i mają maksymalną wytrzymałość około 22 minut. Słonie morskie pozostają na morzu od 2 do 8 miesięcy i nurkują nieprzerwanie, spędzając 90% czasu pod wodą i średnio 20 minut na nurkowanie z mniej niż 3 minutami na powierzchni między nurkowaniami. Ich maksymalny czas nurkowania wynosi około 2 godzin i żerują rutynowo na głębokościach od 300 do 600 m, choć mogą przekraczać głębokości 1600 m. Stwierdzono, że wieloryby dziobate rutynowo nurkują w poszukiwaniu pożywienia na głębokościach od 835 do 1070 m i pozostają zanurzone przez około 50 minut. Ich maksymalna zarejestrowana głębokość wynosi 1888 m, a maksymalny czas trwania to 85 minut.

Oddychające powietrzem kręgowce morskie, które nurkują, by się pożywić, muszą radzić sobie ze skutkami ciśnienia na głębokości oraz potrzebą znalezienia i złapania pożywienia. Z tymi dwoma wymaganiami mogą wiązać się przystosowania do nurkowania. Adaptacje do ciśnienia muszą radzić sobie z mechanicznym wpływem ciśnienia na jamy wypełnione gazem, zmianami rozpuszczalności gazów pod ciśnieniem i możliwym bezpośrednim wpływem ciśnienia na metabolizm, podczas gdy adaptacje do zdolności wstrzymywania oddechu obejmują modyfikacje metabolizmu, perfuzję, tolerancję na dwutlenek węgla oraz zdolność magazynowania tlenu.

Większość ssaków morskich zwykle nurkuje w granicach swoich limitów nurkowania tlenowego, ponieważ minimalizuje to okres regeneracji na powierzchni lub w jej pobliżu i pozwala na spędzenie większej ilości czasu pod wodą, ale kilka gatunków, w tym niektóre wieloryby dziobowe, rutynowo nurkuje w okresach wymagających metabolizmu beztlenowego który rozwija znaczny dług tlenowy, wymagający długiego okresu rekonwalescencji między nurkowaniami.

Kręgowce nurkujące zwiększyły ilość tlenu zmagazynowanego w ich tkankach wewnętrznych. Ten magazyn tlenu składa się z trzech składników: tlenu zawartego w powietrzu w płucach, tlenu zmagazynowanego przez hemoglobinę we krwi oraz przez mioglobinę w tkance mięśniowej. Mięśnie i krew kręgowców nurkujących mają większe stężenia hemoglobiny i mioglobiny niż zwierzęta lądowe. Stężenie mioglobiny w mięśniach narządu ruchu kręgowców nurkujących jest do 30 razy większe niż u krewnych lądowych. Hemoglobina jest podwyższona zarówno przez stosunkowo większą ilość krwi, jak i większy udział czerwonych krwinek we krwi w porównaniu ze zwierzętami lądowymi. Najwyższe wartości występują u ssaków, które nurkują najgłębiej i najdłużej. Objętość krwi jest na ogół stosunkowo duża w stosunku do masy ciała, a zawartość hemoglobiny we krwi może zostać zwiększona podczas nurkowania z czerwonych krwinek przechowywanych w śledzionie.

Rozmiar ciała jest czynnikiem wpływającym na zdolność nurkowania. Większa masa ciała koreluje ze stosunkowo niższym tempem przemiany materii, podczas gdy magazynowanie tlenu jest wprost proporcjonalne do masy ciała, więc większe zwierzęta powinny być w stanie nurkować dłużej, przy wszystkich innych czynnikach bez zmian. Efektywność pływania wpływa również na zdolność nurkowania, ponieważ niski opór i wysoka wydajność napędu wymagają mniej energii podczas tego samego nurkowania. Lokomocja w trybie Burst and Glide jest również często wykorzystywana w celu zminimalizowania zużycia energii i może wiązać się z wykorzystaniem dodatniej lub ujemnej pływalności do zasilania części wznoszenia lub schodzenia.

Bibliografia

Źródła

• Clark, James M.; Thom, Stephen R. (2003). „Tlen pod ciśnieniem”. W Brubakk, Alf O.; Neuman, Tom S. (red.). Fizjologia i medycyna nurkowania Bennetta i Elliotta (wyd. 5). Stany Zjednoczone: Saunders. s. 358-418. Numer ISBN 978-0-7020-2571-6. OCLC  51607923 .
• Lippmanna, Johna; Mitchell, Simon J. (2005). „Narkoza azotowa”. Deeper into Diving (wyd. 2). Wiktoria, Australia: JL Publications. s. 103-8. Numer ISBN 978-0-9752290-1-9. 66524750 OCLC  .
• Program nurkowy NOAA (USA) (28 lutego 2001). Stolarz, James T. (red.). Podręcznik nurkowania NOAA, Diving for Science and Technology (wyd. 4). Silver Spring, Maryland: National Oceanic and Atmospheric Administration, Office of Oceanic and Atmospheric Research, National Undersea Research Program. Numer ISBN 978-0-941332-70-5. CD-ROM przygotowany i dystrybuowany przez National Technical Information Service we współpracy z NOAA i Best Publishing Company</ref>
• Inspektor Marynarki Wojennej USA ds. nurkowania (2011). Podręcznik nurkowania marynarki USA (PDF) . SS521-AG-PRO-010 0910-LP-106-0957, wersja 6 z wprowadzoną zmianą A. Dowództwo Systemów Morskich Stanów Zjednoczonych. Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 2014-12-10 . Źródło 29 stycznia 2015 .
• Inspektor nurkowania US Navy (2008). Podręcznik nurkowania marynarki USA (PDF) . SS521-AG-PRO-010, wersja 6. Dowództwo morskich systemów marynarki USA. Zarchiwizowane z oryginału (PDF) w dniu 10 grudnia 2014 r . Pobrano 21 stycznia 2014 .