Hiperbaria. GWAŁTOWNY wzrost ciśnienia. POWOLNY wzrost ciśnienia. od sekund... od milisekund do sekund. działanie fali uderzeniowej NURKOWANIE

Transkrypt

1 Hiperbaria GWAŁTOWNY wzrost ciśnienia POWOLNY wzrost ciśnienia od milisekund do sekund od sekund... działanie fali uderzeniowej NURKOWANIE

2 Definicja i podział nurkowań Pojęciem nurkowanie określa się całokształt przedsięwzięć organizacyjnych, technicznych i zabezpieczających, związanych z przebywaniem nurka pod zwiększonym ciśnieniem, najczęściej w środowisku wodnym, zapewniających bezpieczne wykonanie określonych prac (zadań) i bezpieczny powrót nurka do warunków ciśnienia atmosferycznego.

3 Definicja i podział nurkowań W praktyce, do nurkowania zalicza się każdy rodzaj pływania pod wodą związany z bezpośrednim oddziaływaniem na organizm nadciśnienia pod postacią dodatkowego, w stosunku do atmosferycznego, ciśnienia hydrostatycznego, wywieranego przez słup wody, bądź jego ekwiwalentu, albowiem termin nurkowanie obejmuje również suche ekspozycje w urządzeniach ciśnieniowych, takich jak komory dekompresyjne, dzwony nurkowe, itp.

4 Definicja i podział nurkowań Ze względu na głębokość, nurkowania można podzielić na: płytkie - do 20 mh 2 O; średniogłębokie - od 20 do 45 (60) mh 2 O; głębokie - ponad 45 (60) mh 2 O.

5 Definicja i podział nurkowań Ze względu na przeznaczenie, nurkowania dzieli się na: szkoleniowe - realizowane na kursach szkolenia nurków i/lub personelu obsługi celem nabycia określonej kwalifikacji nurkowej; robocze - prowadzone celem wykonania określonej pracy (zadania); treningowe - prowadzone w celu utrzymania kondycji psychofizycznej oraz podtrzymania lub udoskonalenia umiejętności zawodowych; eksperymentalne - prowadzone w warunkach rzeczywistych lub symulowanych (baseny, komory dekompresyjne, habitaty itp.) w celu badań medycznych, prób sprzętu, badań nowej techniki nurkowej, nowych technologii nurkowań lub prac podwodnych.

6 Definicja i podział nurkowań Ze względu na czas przebywania nurka pod wodą, nurkowania dzieli się na (Przepisy nurkowań saturowanych 1995): standardowe (krótkotrwałe) - nurek przebywa na głębokości lub pod ciśnieniem przez czasokres, w którym nie występuje pełne nasycenie tkanek organizmu gazami obojętnymi i powrót do warunków normobarii możliwy jest po odbyciu dekompresji wg sposobu przewidzianego dla tego typu nurkowania

7 Definicja i podział nurkowań Ze względu na czas przebywania nurka pod wodą, nurkowania dzieli się na (Przepisy nurkowań saturowanych 1995): saturowane (długotrwałe) - przebywanie nurka w warunkach podwyższonego ciśnienia w kompleksie hiperbarycznym, połączone z wykonywaniem określonej pracy (zadania) pod wodą (przejście z kompleksu hiperbarycznego do wody i z powrotem) w czasie równym lub większym od czasu pełnego nasycenia tkanek organizmu gazami obojętnymi, a następnie powrót do warunków normobarii powietrznej wg sposobu dekompresji, przewidzianego dla tego rodzaju nurkowania.

8 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Ciśnienie jest to parametr fizyczny, określający wartość siły, wywieranej przez gaz (mieszaninę gazową) na jednostkę powierzchni. W układzie SI jednostką ciśnienia jest 1 paskal (Pa), odpowiadający sile 1 niutona oddziaływującej na powierzchnię 1 metra kwadratowego (N/m 2 ). Terminem nadciśnienie określa się stan, w którym ciśnienie otoczenia przewyższa normalnie oddziaływujące na organizm ciśnienie atmosferyczne, którego wartość na poziomie morza odpowiada 1 atmosferze (atm), to jest ,5 Pa. Aby pozostać w zgodzie z wymogiem stosowania jednostek układu SI, ciśnienie podczas nurkowań podaje się w megapaskalach (MPa). Przy obliczaniu ciśnienia odpowiadającego danej głębokości przyjmuje się, że ciśnienie 0,1 MPa (a właściwie 0,098 MPa) odpowiada głębokości zanurzenia równej 10 m. Wynika z tego, że: 1 msw = 0,1 at = 10 kpa = 0,01 MPa = 0,1 bar

9 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Wartość nadciśnienia wyrazić można w odniesieniu do ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza stosuje się wtedy symbol atn, bądź też w stosunku do próżni posługując się pojęciem atmosfery absolutnej (ata). Ciśnienie otaczające zanurzonego nurka, czyli ciśnienie absolutne, jest sumą ciśnienia hydrostatycznego (nadciśnienia) i ciśnienia atmosferycznego: ata = atn + atm czyli, dla przykładu, ciśnienie absolutne na głębokości 55 m wynosi: lub P ata = 5,5 atn + 1 atm = 6,5 ata (0,65 MPa) P ata = [55 mh 2 O x 0,1] + 1 = 6,5 ata (0,65 MPa)

10 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Na powierzchni: 760 mmhg ~ 1 atm = 1, at = N/m 2 = Pa = 14,69 psi czyli na powierzchnię ciała wynoszącą 1,5-1,8 m 2 działa ciśnienie o sile ton! a w czasie zanurzania oddziaływujący na organizm słup ciśnienia hydrostatycznego rośnie o 1 kg/cm 2 na każde 10 m zanurzenia (o 1 atn)

11 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Zwiększone ciśnienie otoczenia (hydrostatyczne) musi zostać zrównoważone!! dotyczy przestrzeni gazowych!! Tkanki uwodnione są praktycznie nieściśliwe; wzrost ciśnienia o 1 ata zmniejsza ich objętość jedynie o 0,01%

12 Zwiększone ciśnienie otoczenia (hydrostatyczne) musi zostać zrównoważone!! dotyczy przestrzeni gazowych!! Tkanki uwodnione są praktycznie nieściśliwe; wzrost ciśnienia o 1 ata zmniejsza objętość o 0,01%

13 Układ oddechowy CZĘSTOŚCI ODDECHU - szczególnie widoczny podczas wysiłku - W PORÓWNANIU Z POWIERZCHNIĄ RETENCJA CO 2 PRZESTRZENI MARTWEJ

14 Gęstość czynnika oddechowego Wzrasta proporcjonalnie do cisnienia, w związku z czym wentylacja minutowa spada : (dotyczy powietrza) 0 m. = 100% 10 m. = 72% 20 m. = 60 % 30 m. = 51 % Na większych głębokościach (ponad 50 m.) konieczność użycia mieszanin o mniejszej gęstości!

15 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Zwiększone ciśnienie, jakie działa na organizm podczas nurkowania sprawia, że właściwości fizyczne gazów nabierają szczególnego znaczenia biologicznego. Nie wyrównanie podczas nurkowania ciśnienia prowadzi do różnych zaburzeń i chorób nurkowych. Podobnie, zmieniona w hiperbarii rozpuszczalność gazów w płynach i wzrost ich gęstości powoduje, że gazy obojętne pod względem chemicznym nie są obojętne fizjologicznie.

16 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Gazy w hiperbarii: ciśnienia rozpuszczalności w cieczach gęstości ciśnienia parcjalnego składników mieszaniny objętości

17 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Zachowanie się gazów opisuje teoria kinetyczna. Jeżeli założymy, że gaz składa się z cząsteczek znikomo małych w porównaniu z odległościami pomiędzy nimi, ich ilość jest stała, cząsteczki poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym, ich zderzenia są sprężyste, ruch jest jednakowo prawdopodobny w każdym kierunku, a prędkość cząsteczek jest wprost proporcjonalna do temperatury, to stan gazu opisać można równaniem: PV = 2 T 3 nc gdzie: P - ciśnienie gazu V - objętość gazu T - temperatura bezwzględna ( o K) n - liczba cząsteczek gazu w jednostce objętości C - stała

18 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii W związku z tym, że prawa strona równania jest dla określonych warunków stała, zapisać można: a po przekształceniu do postaci: m gdzie: n = µ m - liczba gramów gazu µ - masa gazu w 1 molu R - stała gazowa (8,31 otrzymuje się równanie Clapeyrona. PV T = const. PV = nrt lub PV = m RT µ J ) mol K

19 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Przemianę izotermiczną opisuje prawo Boyle a-mariotte a: w stałej temperaturze iloczyn objętości danej masy gazu i jego ciśnienia jest wielkością stałą. Zależność tą przedstawia równanie: jeżeli T = const., to PV = const. lub V = 1 1 P2V gdzie: P - ciśnienie gazu P 1 - ciśnienie początkowe gazu P 2 - ciśnienie końcowe gazu P 2 V - objętość gazu V 1 - objętość początkowa gazu V 2 - objętość końcowa gazu Z powyższego wynika, że podczas sprężania gazu lub mieszaniny gazowej wzrostowi ciśnienia towarzyszy zmniejszanie jego objętości, natomiast podczas rozprężania spadkowi ciśnienia towarzyszy zwiększanie objętości gazu. Wynikiem zaburzenia zdolności wyrównywania ciśnień w przestrzeniach powietrznych jest indukowane ciśnieniem uszkodzenie tkanek - tzw. uraz ciśnieniowy (barotrauma).

20 Zuzycie czynnika oddechowego (butla 12 l. 0.2 Mpa = 2400 l. powietrza) Głębokość Wentylacja Czas 0 m. 25 l. 96 min. 10 m. 50 l. 48 min. 30 m. 100 l. 24 min. 70 m. 200 l. 12 min.

21 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Przemianę izobaryczną opisuje prawo Gay-Lussaca: objętość określonej masy gazu pod stałym ciśnieniem jest wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej. Zależność opisuje równanie: V T V T 1 2 = lub 1 2 V t = V 0 T 273 gdzie: V t - objętość gazu po ogrzaniu V 0 - objętość gazu przed ogrzaniem T - różnica temperatur (T[ o K] = t [ o C])

22 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Przemianę izochoryczną opisuje prawo Charles a: ciśnienie określonej masy gazu przy ogrzewaniu w stałej objętości jest wprost proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej. Opisać to można równaniem: P T P T 1 2 = lub gdzie: P t - ciśnienie gazu po ogrzaniu P 0 - ciśnienie gazu przed ogrzaniem T - różnica temperatur 2 2 Pt = 273 P0 T

23 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Zachowanie się gazu w mieszaninach określa prawo Daltona: w mieszaninie gazowej ciśnienie wywierane przez każdy gaz jest niezależne od ciśnień cząstkowych (parcjalnych) innych gazów; ciśnienie cząstkowe składnika mieszaniny gazowej to umowna wielkość ciśnienia, jakie wywierałby dany składnik, gdyby sam wypełniał objętość tej mieszaniny. Powyższe prawo opisać można równaniem: P = n Pgi i= 1 gdzie: P - ciśnienie całkowite mieszaniny gazowej P g - ciśnienie cząstkowe gazu składowego mieszaniny n - ilość gazów składowych w mieszaninie

24 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Równanie opisujące prawo Daltona ma kardynalne znaczenie w fizjopatologii nurkowania, gdyż po jego przekształceniu wyprowadzić można kilka wzorów, niezbędnych podczas planowania nurkowania, a szczególnie nurkowań mieszaninowych. Ciśnienie cząstkowe (parcjalne) oblicza się wg wzoru: P g = P R g 100 lub P = Fi P [ ata] g g gdzie: R g - procentowy udział objętościowy składnika gazowego mieszaniny Fi g - ułamek dziesiętny procentowej zawartości gazu w mieszaninie

25 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Zawartość procentową składnika gazowego w mieszaninie oddechowej wyliczyć można wg wzoru: Pg 100 Pg Rg = lub Fig = [%] P P Prawo Daltona jest istotne z punktu widzenia uwzględnienia toksycznych skutków działania gazów pod zwiększonym ciśnieniem, zarówno podczas różnych typów nurkowań, jak i leczenia hiperbarią tlenową. W praktyce nurkowej korzysta się z prawa Daltona, dobierając składy mieszanin oddechowych w taki sposób, aby uniknąć toksycznego wpływu gazów składowych (głównie tlenu i azotu) na organizm nurka.

26 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Rozpuszczalność gazów w cieczach zależy od ciśnienia, rodzaju gazu, rodzaju cieczy i od temperatury. Wpływ ciśnienia na rozpuszczalność gazów określa prawo Henry ego: stężenie rozpuszczonego gazu znajdującego się w równowadze z fazą gazową jest wprost proporcjonalne do ciśnienia wywieranego przez ten gaz. A więc, jeśli wzrasta ciśnienie gazu na styku z cieczą, to wzrasta ilość rozpuszczonego w tej cieczy gazu. Zależność tą określa równanie: jeżeli T = const., to C = K P gdzie: C - stężenie gazu K - współczynnik rozpuszczalności gazu P - ciśnienie gazu Z wcześniejszego wynika, że obniżenie ciśnienia (dekompresja) powoduje zakłócenie równowagi układu gaz-ciecz. Jeżeli ciecz znajduje się w stanie znacznego przesycenia gazem obojętnym, wytworzy się w niej faza gazowa pod postacią pęcherzyków gazowych - zjawisko, które leży u podstaw patogenezy choroby dekompresyjnej (DCS - ang. decompression sickness).

27 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Prawo Henry ego odnosi się do rozpuszczalności gazu w tkance wodnej, np. we krwi. W przypadku tkanek bogatych w związki tłuszczowe ilość rozpuszczonego w nich gazu będzie większa w stosunku do tkanek wodnych, a dzięki pośrednictwu układu krążenia gaz będzie rozpuszczał się tak długo, aż ustali się równowaga pomiędzy fazą wodną i tłuszczową.

28 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Stan równowagi opisuje prawo podziału Nernsta: jeżeli do układu zawierającego dwie nie mieszające się ciecze dodamy substancji, która się w nich rozpuszcza, to stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w obu cieczach będzie wartością stałą w określonej temperaturze. Zależność tą można opisać równaniem: c c 1 2 = Κ gdzie: c 1, c 2 stężenia molowe danej substancji w cieczy (1) i (2) K współczynnik podziału Im współczynnik podziału olej/woda jest mniejszy, tym krócej trwa ustalanie się stanu równowagi pomiędzy tkanką tłuszczową a otoczeniem, zachodzące przy zmianie ciśnienia. Współczynnik podziału rzutuje na przebieg dekompresji i jest jednym z parametrów, charakteryzujących działanie narkotyczne gazów obojętnych.

29 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Do podstawowych zjawisk fizycznych, dotyczących oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii należy również dyfuzja. Dyfuzję gazów określa się jako bierny transfer gazu z przestrzeni o wyższym ciśnieniu parcjalnym do przestrzeni o ciśnieniu niższym, którego jedyną przyczyną jest różnica ciśnień cząstkowych pomiędzy tymi przestrzeniami. Samoistnemu procesowi wyrównywania ciśnienia towarzyszy spadek wolnej energii. Przebieg procesu dyfuzji gazów opisuje prawo Grahama: szybkość dyfuzji jest wprost proporcjonalna do ciśnienia i temperatury gazu, a odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego jego ciężaru cząsteczkowego. Zależność tą określa równanie: jeżeli p V = 1 1 p2 V 2, to u u M M gdzie: ū 1, ū 2 średnie prędkości poruszania się cząsteczek m 1, m 2 M 1, M 2 masy molowe cząsteczek m 1, m 2 1 = 2 2 1

30 Fizyczne podstawy oddziaływania środowiska gazowego w hiperbarii Dyfuzja gazów w organizmie: Odległość dyfuzyjna Pole powierzchni dyfuzji Temperatura Grubość bariery (błony) dyfuzyjnej Rozpuszczalność danego gazu w wodzie w tłuszczach Czas ekspozycji Częstotliwość oddychania Ciśnienie parcjalne gazu Prędkość przepływu krwi Zapotrzebowanie metaboliczne tkanek

31 Gazy nurkowe i sztuczne mieszaniny oddechowe tlen do 6 mh 2 O; powietrze do 50 mh 2 O; nitroks do 50 mh 2 O; helioks do 300 mh 2 O; trimiks do 200 mh 2 O; hydrelioks od (200) mh 2 O do (700) mh 2 O.

32 Gazy nurkowe i sztuczne mieszaniny oddechowe Tlen (O 2 ) gaz życia, jest niezbędnym składnikiem każdej mieszaniny oddechowej. W stanie wolnym jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku. Przyjmuje się, że podczas nurkowania jego ciśnienie parcjalne nie powinno być niższe niż 0,02 (0,016) MPa ze względu na zagrożenie niedotlenieniem, natomiast ciśnienia cząstkowe wyższe od atmosferycznego, szczególnie zaś przekraczające 0,04 MPa i stosowane długotrwale, wywierają szkodliwe działanie na organizm (zwłaszcza na płuca i centralny układ nerwowy).

33 Gazy nurkowe i sztuczne mieszaniny oddechowe Azot (N 2 ) główny składnik powietrza, w stanie wolnym jest bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku. W normobarii jest gazem fizjologicznie obojętnym, jednak pod zwiększonym ciśnieniem rozpuszcza się w tkankach i może działać toksycznie na centralny układ nerwowy, powodując objawy tzw. narkozy azotowej, a pęcherzyki gazowe powstające podczas szybkiej dekompresji nurka oddychającego powietrzem lub mieszaniną zawierającą azot, wypełnione głównie tym gazem, są przyczyną DCS.

34 Gazy nurkowe i sztuczne mieszaniny oddechowe Hel (He) podobnie, jak tlen i azot, jest bezbarwny, bezwonny i pozbawiony smaku. Ponadto prawie nie wykazuje on działania narkotycznego, jest nietoksyczny i lekki. Szybka dyfuzja helu pozwala znacznie skrócić czas dekompresji, a niska gęstość zmniejszyć wydatnie opory oddechowe. Hel odznacza się bardzo wysoką przewodnością cieplną.

35 Gazy nurkowe i sztuczne mieszaniny oddechowe Wodór (H 2 ) gaz o najniższym ciężarze cząsteczkowym i gęstości, wykorzystywany jest w nurkowaniach eksperymentalnych. Podobnie jak hel powoduje wychłodzenie organizmu ze względu na dużą przewodność cieplną, a ponadto w mieszaninach z tlenem jest wybuchowy. Objawy narkotyczne daje dopiero przy nieosiągalnych obecnie dla nurka głębokościach, gdzie ciśnienie parcjalne wodoru przekroczyłoby 25 ata. Oprócz wyżej wymienionych, prowadzone są obecnie badania nad wykorzystaniem w pracach podwodnych innych gazów szlachetnych, jak argon, ksenon i krypton, jednak na dzień dzisiejszy nie stosuje się mieszanin oddechowych, opartych na tych gazach.

36 Gazy nurkowe i sztuczne mieszaniny oddechowe Właściwości fizyczne O 2 N 2 He H 2 Ciężar cząsteczkowy (atomowy) Gęstość [g/l] 1,329 1,251 0,178 0,09 Rozpuszczalność: 37 o C H 2 O [ml/cm 3 ] 0,023 0,013 0,008 0, o C olej [ml/cm 3 ] 0,112 0,067 0,015 0,04 Współczynnik podziału 4,86 5,2 1,7 3,0 olej/woda

37 Środowisko pracy nurka i jego wpływ na organizm nurka Oddziaływanie środowiska, w jakim nurek zmuszony jest wykonywać swoją pracę, ma bezpośredni wpływ stresujący na jego organizm. Niekorzystne oddziaływania środowiska można podzielić na: fizyczne; biologiczno-chemiczne; psychiczne; zależne od techniki nurkowej.

38 Środowisko pracy nurka i jego wpływ na organizm nurka Oddziaływania fizyczne: wymiana cieplna (wychłodzenie), oddziaływanie ciśnienia hydrostatycznego zmiany w oddychaniu i krążeniu, wahania ciśnienia w tzw. przestrzeniach powietrznych organizmu, zmieniona mechanika oddychania, efekty toksyczne oddziaływania gazów w warunkach hiperbarii, zmiany wysycenia organizmu rozpuszczonymi gazami w mechanizmie sprężania/dekompresji. Oddziaływania biologiczno-chemiczne: zanieczyszczenia komunalne, zanieczyszczenia przemysłowe.

39 Środowisko pracy nurka i jego wpływ na organizm nurka Oddziaływania psychiczne: kontakt fizyczny ze środowiskiem wodnym, lęki, fobie. Oddziaływania zależne od techniki nurkowej: urządzenia ciśnieniowe, eksploatacja sprzętu nurkowego, uwarunkowania higieniczne.

40 Wzrost diurezy Nieważkość Róznica ciśnieñ dzialających na baroreceptory (przy pionowej pozycji ciała) - diureza immersyjna ochłodzenie ciała metabolizmu

41 Układ krążenia Choroba dekompresyjna... tętna - diving reflex RR - pojemnosci wyrzutowej i minutowej serca