潛水醫(yī)學(xué)課件：7-惰性氣體在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及減壓理論

1、惰性氣體在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及減壓理論惰性氣體在化學(xué)上，把那些最外電子層電子排列已經(jīng)飽和的元素稱為惰性元素。如氦(Helium;He)、氖(Neon; Ne)、氬(Argon;Ar)、氪(Krypton;Kr)、氙(Xenon; Xe)空氣O2 20.9%CO2 0.04%N2 79.0%生理惰性氣體 在高氣壓醫(yī)學(xué)上，凡是僅以物理狀態(tài)溶解于組織中，與體內(nèi)物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)鍵關(guān)系，不參與機(jī)體新陳代謝，僅按體內(nèi)外該氣體的分壓差梯度如量擴(kuò)散進(jìn)出的氣體，就稱為“惰性氣體”，也稱為“中性氣體”(indifferent gas)。過(guò)量的氧氣對(duì)機(jī)體存在毒性作用呼吸的空氣中，含20.946%的O2，是維持人體生存最適

2、合的濃度和分壓，稱為常氧常氧的維持，是應(yīng)為空氣中含有78.085%的N2起了氧氣稀釋劑的作用常用的人工方法按特定比例將惰性氣體與氧氣混合而配制的混合氣體有：氮氧、氦氧、氫氧混合氣和氦氮氧三元混合氣等。水中空氣中H220.090.0708.45.210 5*0.634He10.180.13818.67.910 -50.503Ne210.900.69529.83.4810-50.222N2281.250.96716.63.0110-50.190Ar401.791.37921.02.5210-50.159Kr83.83.702.86823.31.7510-50.110Xe131.55.584.525

3、21.01.3910-50.088各種惰性氣體的常用物理常數(shù)21條件下測(cè)定值；STP：標(biāo)準(zhǔn)狀況（溫度、壓力）。氣體的飽和 溶解于體內(nèi)的惰性氣體張力與環(huán)境中該氣體的分壓相平衡的狀態(tài)飽和 已溶解于體內(nèi)的惰性氣體張力高于環(huán)境中該氣體的分壓過(guò)飽和 已溶解于體內(nèi)的惰性氣體張力低于環(huán)境中該氣體的分壓，組織中氣體將從溶解狀態(tài)向環(huán)境擴(kuò)散成自由氣體脫飽和惰性氣體的飽和飽和及飽和度 單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出溶解的分子數(shù)相等、呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，稱為 某種組織中溶解氣體已達(dá)飽和狀態(tài)，該組織為 環(huán)境中氣體分壓高于體內(nèi)組織該氣體的張力時(shí)，依壓差梯度擴(kuò)散入體內(nèi)，直至壓差梯度小時(shí)，這一過(guò)程為飽和的過(guò)程 惰性氣體在體內(nèi)的飽和程度，以%

4、表示飽和及其過(guò)程300 kPa100 kPa氮分壓氮分壓80 kPa240 kPa160 kPa加 壓機(jī)體暴露在高壓空氣下，要飽和的是壓差下的那部分氮。半飽和時(shí)間半飽和時(shí)間 填滿某類組織當(dāng)時(shí)存在的惰性氣體飽和度缺額的一半所需要時(shí)間（以t1/2表示）假定時(shí)間單位 以半飽和時(shí)間作為惰性氣體飽和的計(jì)時(shí)單位，稱為假定時(shí)間單位 假定時(shí)間單位（n）等于實(shí)際時(shí)間（T）除以半飽和時(shí)間n=T/ t 1/2飽和過(guò)程 通過(guò)呼吸-循環(huán)系統(tǒng)完成飽和過(guò)程 飽和度的增長(zhǎng)幅度按循環(huán)周次或假定時(shí)間單位數(shù)的增加呈指數(shù)關(guān)系遞減 惰性氣體在不同組織中的飽和速度不同以血液循環(huán)為計(jì)時(shí)單位推算氮飽和度惰性氣體飽和度增長(zhǎng)圖解氣體在液體中擴(kuò)散

5、規(guī)律壓差越小，擴(kuò)散速度越慢，擴(kuò)散量越少。壓差越大，擴(kuò)散速度越快，擴(kuò)散量越多；氮在不同組織中飽和速度不同1.血供情況不同血供好，半飽和速度快，飽和時(shí)間短；血供差，半飽和速度慢，飽和時(shí)間長(zhǎng)。2.溶解度溶解度大的組織,半飽和速度慢,飽和時(shí)間長(zhǎng)溶解度小的組織,半飽和速度快,飽和時(shí)間短理論組織I類組織t1/2=5min;又稱5min組織血液、淋巴II類組織t1/2=10min;又稱10min組織腺體、CNS灰質(zhì)III類組織t1/2=20min;又稱20min組織肌肉IV類組織t1/2=40min;又稱40min組織脂肪、神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)V類組織t1/2=75min;又稱75min組織肌腱、韌帶求飽和狀態(tài)的計(jì)

6、算方法求假定時(shí)間單位(n)：Tt1/2n求飽和度增長(zhǎng)幅度、飽和缺額、飽和度累計(jì)公式法 飽和度增長(zhǎng) 飽和缺額 飽和度累計(jì) n 幅度() () () (50%)n (50%)n 1-(50%)n1 50.00 50.00 50.000 2 25.00 25.00 75.000 3 12.50 12.50 87.500 4 6.25 6.25 93.7505 3.12 3.12 96.800 6 1.56 1.56 98.437 惰性氣體的過(guò)飽和 減壓前已溶入體內(nèi)的惰性氣體，在減壓后超過(guò)了該壓力下完全飽和時(shí)所溶解的量，但仍能保持溶解狀態(tài)，稱為惰性氣體的過(guò)飽和狀態(tài) 過(guò)飽和狀態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)，有其極限，未

7、超過(guò)亞穩(wěn)態(tài)極限，仍屬于安全過(guò)飽和過(guò)飽和安全系數(shù)惰性氣體的脫飽和惰性氣體的脫飽和脫飽和與飽和的異同脫飽和飽和惰性氣體擴(kuò)散的方向從組織到肺臟從肺臟到組織時(shí)間長(zhǎng)較短壓差梯度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律兩者相同影響惰性氣體脫飽和的因素安全脫飽和高壓下停留一定時(shí)間后外界氣壓降低在一定限度內(nèi)過(guò)飽和的惰性氣體呈溶解狀態(tài)(安全過(guò)飽和)氣泡生成減壓不當(dāng)減壓不當(dāng)凡速度過(guò)快、幅度過(guò)大而導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)氣泡形成引起相應(yīng)病癥的減壓,稱為不適當(dāng)減壓(inadequate decompression)或簡(jiǎn)稱“減壓不當(dāng)”減壓理論&減壓表趙心亮 北京大學(xué) 醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系北京大學(xué)潛水協(xié)會(huì)Paul BertPaul Bert的雛形潛水減壓理論 大部分氣泡產(chǎn)

8、生于靜脈系統(tǒng) 只有微米級(jí)的氣泡才能進(jìn)入到體循環(huán)系統(tǒng) 降低減壓速度可以減少氣泡產(chǎn)生N2 : 82%84%，CO2 : 15.2%15.9% O2 : 2%減壓理論的里程碑John Scott Haldane (1860-1936) John Scott Haldane他發(fā)現(xiàn)如果山羊在46米深的海底進(jìn)行飽和潛水，將其隨后進(jìn)行減壓的深度上限設(shè)在現(xiàn)有環(huán)境壓強(qiáng)一半的位置，山羊就不會(huì)罹患減壓病。將此發(fā)現(xiàn)外推至人類，研究人員認(rèn)為人體組織細(xì)胞最多可以承受比環(huán)境壓強(qiáng)高出兩倍的溶解氣體壓強(qiáng)，如果超過(guò)兩倍，人們就會(huì)患得減壓病。Haldane理論體內(nèi)氣體溶解和清除過(guò)程是對(duì)稱的減壓病癥狀的出現(xiàn)和辦組織相關(guān)線性減壓方法在

9、開(kāi)始時(shí)減壓速度太慢，但臨出水時(shí)減壓又太快。機(jī)體是由n種獨(dú)立的組織組成的，具有不同的半飽和時(shí)間。John Scott Haldane 氣泡會(huì)自然形成 模型將人體劃分為五個(gè)對(duì)照間隔，它們的半飽和周期分別為： 5分鐘、10分鐘、20分鐘、50分鐘和75分鐘 飽和：羊 3hr，狗5hr 20mHaldane 減壓操作Haldane 減壓操作Haldane 減壓操作Haldane 減壓操作Haldane 減壓操作M 值 惰性氣體張力與環(huán)境壓力的限制比例。 某一特定對(duì)照間隔在減壓過(guò)程中可承受的最大氮?dú)鈮簭?qiáng)值 1905年Haldane將它設(shè)定在2:1 即潛水員可以從2ATA的深度上升到1ATA而不會(huì)得到神秘

10、的DCS病癥 Robert Workman在1960年代修正了這個(gè)比例。在我們只討論氮?dú)獾那疤嵯?，他修改?.58:1萊昂納多.希爾（Leonard Hill） 臨界壓強(qiáng)差理論 模型主張通過(guò)緩慢均勻地減少環(huán)境壓強(qiáng)來(lái)照顧和調(diào)節(jié)最慢達(dá)到飽和的組織細(xì)胞。希爾認(rèn)為減壓計(jì)劃的設(shè)計(jì)應(yīng)該取決于組織細(xì)胞內(nèi)部與周圍環(huán)境之間的最大壓強(qiáng)差，以此為參數(shù)計(jì)算出的減壓計(jì)劃才能有效阻止氣泡的增大。 他認(rèn)為人體組織細(xì)胞的運(yùn)作模式更接近于“類比電路”（以連續(xù)函數(shù)形式模擬信號(hào)的電子電路）而非“數(shù)字電路”（通常只關(guān)注0和1兩個(gè)邏輯電平）萊昂納多.希爾（Leonard Hill）Haldane vs. Hill美國(guó)海軍減壓理論 19

11、15 年版 源于Haldane 在USS F-4潛艇訓(xùn)練中測(cè)試 Max 90m 無(wú)減壓病癥狀美國(guó)海軍減壓理論 1937年，美國(guó)海軍自己研發(fā)了一套潛水計(jì)劃表 五個(gè)對(duì)照間隔增加至六個(gè) 分別為5分鐘、10分鐘、20分鐘、40分鐘、80分鐘和120分鐘 每一個(gè)對(duì)照間隔自己專屬的M值Buhlmann 理論 Buhlmann博士對(duì)霍爾丹模型進(jìn)行了改進(jìn)，將對(duì)照間隔的數(shù)量擴(kuò)充至16組，它們的半飽和周期分布于2.65分鐘至635分鐘這個(gè)區(qū)間內(nèi)。 布爾曼博士采用了指數(shù)型-指數(shù)型（對(duì)照間隔吸收和釋放氣體的速率都是以指數(shù)形式變化的）的算法來(lái)計(jì)算減壓計(jì)劃，后來(lái)他又提出了指數(shù)型-線性（對(duì)照間隔吸收氣體的速率以指數(shù)形式變化

12、，釋放氣體的速率則是線性變化）的算法。 1960-1990 持續(xù)改進(jìn) 80-min compartment 作為決定重復(fù)潛水的要素 適應(yīng)高海拔潛水： 0-700m 700-2500m現(xiàn)代減壓理論的探索 微氣泡、氣泡核 （Neuclei） 微氣泡需積聚于氣泡核上，方可形成大氣泡Varying Permeability ModelVarying Permeability Model蝦中的大小氣泡氣泡種子的體積決定了它在減壓過(guò)程中的發(fā)展趨勢(shì)：其體積越大，就越容易發(fā)展成真正的氣泡；體積越小，就越容易被壓縮。Reduced Gradient Bubble Model Bruce Wienke Los A

13、lamos Lab 延長(zhǎng)了免減壓時(shí)長(zhǎng) 限制上升速率 10m/min 支持高海拔潛水 支持大深度技術(shù)潛水 建議大深度多停留減壓 完全基于數(shù)據(jù)模型（大數(shù)據(jù)）Bernhardt Bubble Growth 50m/12min Air vs. Oxygen 3m階段式減壓RGBM的驗(yàn)證、測(cè)試和應(yīng) 洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory，LANL，是美國(guó)承擔(dān)核子武器設(shè)計(jì)工作的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室之一）近年來(lái)一直采用RGBM模型進(jìn)行潛水，期間共記錄398次混合氣（三混、氦氧、高氧）潛水，無(wú)一例減壓病出現(xiàn)。其中，35%的潛水是減壓潛水，25%的潛水是不涉及減壓、水面間隔停

14、留至少兩小時(shí)的重復(fù)性潛水。 國(guó)際潛水教練協(xié)會(huì)（NAUI）在過(guò)去的四年中也采用了RGBM模型計(jì)劃潛水，在世界范圍內(nèi)總共記錄了約700次混合氣潛水，其深度范圍從18米到150米不等。不論是在溫暖的加勒比海還是寒冷的北歐，都無(wú)一例減壓病發(fā)生。 改良版的休閑RGBM模型被寫入 Suunto、Abyss、Hydrospace Engineering、Atomic Aquatics 還有 Plexus 的電腦表中，將減壓病的發(fā)病率降低到了1/10,000以下。 在新墨西哥、猶他、和科羅拉多高山地區(qū)的潛水員，記錄了約400次應(yīng)用改良版高海拔RGBM模型進(jìn)行的潛水，其中無(wú)一例減壓病發(fā)生。各種減壓理論對(duì)比各種減

15、壓理論對(duì)比 例子各種減壓理論對(duì)比 例子Multi-Deco 軟件下載減壓方法 階段減壓法 水面減壓法 SCC-DCC減壓法 吸氧減壓法 輪換呼吸多種氣體減壓法 “最起碼”減壓法階段減壓法 Haldane減壓理論要求： 減壓速度和幅度必須掌握得使體內(nèi)惰性氣體張力與外界總氣壓比值不超過(guò)過(guò)飽和安全系數(shù)，以避免發(fā)生氣泡 又應(yīng)接近過(guò)飽和安全系數(shù)，以保證惰性氣體的擴(kuò)散有充足的驅(qū)動(dòng)力措施 以相當(dāng)迅速的速度從水底上升一段距離到達(dá)淺深度，使組織內(nèi)的氮?dú)鈴埩εc該較淺深度處的總氣壓比值接近甚至等于過(guò)飽和安全系數(shù)值 然后停留一段時(shí)間，等待組織內(nèi)安全過(guò)飽和的氮?dú)庵饾u脫飽和 到領(lǐng)先組織的氮?dú)鈴埩抵僚c所定其次更淺深度處的

16、總氣壓的比值接近甚至等于過(guò)飽和安全系數(shù)時(shí)，有相當(dāng)迅速地上升到更淺的深度 依次反復(fù)，直至出水階段減壓法階段減壓的實(shí)施要點(diǎn) 在潛水員咽鼓管通過(guò)性良好和水面供氣能充分滿足需要的情況下，下潛時(shí)間盡可能短，下潛按15m/min30m/min速度進(jìn)行 潛水員水下工作完畢后，須按減壓表規(guī)定的速度至第一停留站 必須在第一停留站停留減壓一定時(shí)間，讓體內(nèi)一部分氮得以脫飽和，然后再上升。自第一停留站到水面，每3米距離設(shè)一停留站。潛水員應(yīng)按減壓表規(guī)定進(jìn)行上升和停留。 自第一停留站以后，站間的移行時(shí)間均為1分鐘水面減壓法 潛水員水下作業(yè)結(jié)束后上升過(guò)程中的停留減壓完全不在水下或僅小部分在水下進(jìn)行，全部或大部分于迅速出水進(jìn)

17、入加壓艙內(nèi)完成的減壓方法 潛水員離開(kāi)水下最后一個(gè)停留站到進(jìn)艙后加壓到規(guī)定的壓力值之間的這段時(shí)間稱為水面間隔時(shí)間，間隔時(shí)間應(yīng)盡量短，不超過(guò)6min。SCC-DCC減壓法SCC：下潛式加壓艙DCC：甲板加壓艙利用SCC將潛水員吊到水底作業(yè)，作業(yè)結(jié)束離底時(shí)上升至第一停留站深度時(shí)進(jìn)入SCC，并又吊至甲板，與DCC對(duì)接。吸氧減壓法 在安全用氧的范圍內(nèi)吸用純氧以完成減壓過(guò)程的減壓方法 吸純氧可以使肺泡氣內(nèi)惰性氣體分壓幾乎下降到零，有利于惰性氣體的充分脫飽和 潛水員在減壓至一定深度時(shí)開(kāi)始吸入純氧，按規(guī)定停留站逐站吸相應(yīng)時(shí)間的氧，直至出水 在規(guī)定的較淺停留站，較長(zhǎng)時(shí)間地停留吸氧后，迅速減壓不再停留直至常壓輪換呼吸多種氣體減壓法 在減壓開(kāi)始的更大深度、甚至在減壓開(kāi)始前或加壓階段即開(kāi)始輪換呼吸含不同惰性氣體的混合氣，減壓到18m后吸純氧.“最起碼”減壓法 在一定深度停留時(shí)間不超過(guò)一定時(shí)間，水下工作時(shí)間結(jié)束可由工作深處按