Модель декомпрессии Холдейна

Модель декомпрессии, разработанная Джоном Скоттом Холдейном.

Джон Скотт Холдейн в 1902 году.

Таблицы декомпрессии Холдейна I и II

Модель декомпрессии Холдейна - это математическая модель декомпрессии до атмосферного давления на уровне моря у дайверов, дышащих сжатым воздухом при атмосферном давлении , которая была предложена в 1908 году шотландским физиологом Джоном Скоттом Холдейном (2 мая 1860 г. - 14/15 марта 1936 г.), ^[1] который также был известен бесстрашными экспериментами над собой.

Холдейн подготовил первую общепризнанную таблицу декомпрессии для Британского Адмиралтейства в 1908 году на основе обширных экспериментов на козах и других животных с использованием клинической конечной точки симптоматической декомпрессионной болезни . ^{[2] [3]} Модель, названная «непреходящим вкладом в мир дайвинга», была опубликована в журнале «Hygiene» .

^[4]

Холдейн заметил, что у коз, погруженных в морскую воду на глубину до 165 футов (50 м), не развивалась декомпрессионная болезнь (ДКБ), если последующая декомпрессия ограничивалась половиной давления окружающей среды. Холдейн построил графики, которые ограничивали критический коэффициент перенасыщения до «2» в пяти гипотетических тканях тела, характеризующихся периодом полураспада. Период полураспада также называют периодом полураспада, когда он связан с экспоненциальными процессами, такими как радиоактивный распад . Пять отсеков Холдейна (полупериоды: 5, 10, 20, 40, 75 минут) использовались в расчетах декомпрессии и процедурах поэтапной декомпрессии в течение пятидесяти лет. ^[5]

Предыдущие теории Холдейна работали над «равномерным сжатием», поскольку Пол Берт указал в 1878 году, что очень медленная декомпрессия может избежать кессонной болезни , затем Герман фон Шреттер предложил в 1895 году безопасную скорость «равномерной декомпрессии» как «одну атмосферу за 20 минут». ". Холдейн в 1907 году работал над « поэтапной декомпрессией » – декомпрессией с использованием заданной относительно высокой скорости всплытия, прерываемой определенными периодами на постоянной глубине – и доказал, что она безопаснее, чем « равномерная декомпрессия » при используемых тогда скоростях, и составил свои таблицы декомпрессии. на этом основании.

Предыдущая работа

Предыдущая работа Джона Скотта Холдейна

Пол Берт

Поль Бер (17 октября 1833 - 11 ноября 1886) был французским физиологом, получившим высшее образование в Париже со степенью доктора медицины в 1863 году и доктора наук в 1866 году. Он был назначен профессором физиологии последовательно в Бордо (1866 г.) и Сорбонне (1869 г.). ). Поль Берт получил прозвище «Отец авиационной медицины» после его работы La Pression barometrique (1878 г.), всестороннего исследования физиологических эффектов давления воздуха, в котором указывалось, что симптомов кессонной болезни можно избежать с помощью очень медленной декомпрессии. Однако его работа не предоставила данных о безопасной скорости декомпрессии. ^{[6] [7]}

Шрётер

Антон Герман Виктор Томас Шрёттер (5 августа 1870 – 6 января 1928), австрийский физиолог и врач, уроженец Вены, был пионером авиационной и гипербарической медицины [ ^8] и внес важный вклад в изучение декомпрессионной болезни . Он изучал медицину и естественные науки в университетах Вены и Страсбурга , получив степень доктора медицины в 1894 году, а в течение следующего года получил степень доктора философии . Он активно работал во многих областях медицины и физиологии . Его первым интересом с 1895 года было исследование кессонной болезни и борьба с ней, а во время своего пребывания в Нуссдорфе он изучал многочисленные возникающие заболевания и искал способы лечения и профилактики.

Его опубликованный в 1900 году совместно с доктором Рихардом Хеллером и доктором Вильгельмом Магером отчет о болезни, вызванной давлением воздуха, считается основным немецкоязычным трудом по дайвингу и гипербарической медицине . Шрётер, Хеллер и Магер разработали правила безопасной декомпрессии и полагали, что скорость декомпрессии в одну атмосферу (атм) за 20 минут будет безопасной. Леонард Эрскин Хилл и Гринвуд провели декомпрессию без серьезных симптомов после воздействия давления 6 атм (610 кПа).

работа Холдейна

Комитету Адмиралтейства необходимо было разработать определенные правила безопасной декомпрессии в кратчайшие сроки при глубоководных погружениях , и поэтому в 1905 году Королевский флот Великобритании поручил Холдейну с этой целью разработать таблицы декомпрессии для водолазов, поднимающихся с глубокой воды.

В 1907 году Холдейн построил декомпрессионную камеру, чтобы повысить безопасность глубоководных дайверов, и после обширных экспериментов на животных изготовил первые таблицы декомпрессии. В 1908 году Холдейн опубликовал первую общепризнанную таблицу декомпрессии для Британского Адмиралтейства. Его таблицы использовались Королевским флотом до 1955 года.

«Профилактика заболеваний, вызванных сжатым воздухом» была опубликована в 1908 году Холдейном, Бойкотом и Дамантом, в которых рекомендовалась поэтапная декомпрессия . ^[2] Эти таблицы были приняты к использованию Королевским флотом.

Холдейн ввел концепцию полупериодов для моделирования поглощения и выделения азота в кровь в различных тканях тела и предложил пять отделов тканей тела с полупериодами 5, 10, 20, 40 и 75 минут.

В своей гипотезе Холдейн предсказал, что если скорость всплытия не позволит парциальному давлению инертного газа (азота) в каждой из гипотетических тканей превысить давление окружающей среды более чем в два раза (соотношение 2:1), то пузыри не возникнут. образуются в этих тканях. По сути, это означало, что можно было подняться с глубины 30 метров (100 футов) – при атмосферном давлении 4 бара (60 фунтов на квадратный дюйм) – до 10 метров (33 фута) (2 бара (29 фунтов на квадратный дюйм)) или с 10 метров (33 фунта на квадратный дюйм). футов) (2 бара (30 фунтов на квадратный дюйм)) до поверхности (1 бар (15 фунтов на квадратный дюйм)) при насыщении, без проблем с декомпрессией. Для этого в таблицы всплытия было включено несколько декомпрессионных остановок.

Скорость всплытия и самая быстрая ткань в модели определяют время и глубину первой остановки. После этого более медленные ткани определяют, когда безопасно подниматься дальше.

Контур

Холдейн проводил свои эксперименты на некоторых животных, иллюстрируя разницу между разными видами животных, такими как козы, морские свинки, мыши, крысы, куры и кролики, но его основная работа и результаты были получены на козах и людях.

Холдейн заявил в своей статье: «Чтобы избежать риска образования пузырьков при декомпрессии, до сих пор рекомендовалось, чтобы декомпрессия была медленной и с как можно более равномерной скоростью на всем протяжении. Поэтому мы должны тщательно рассмотреть процесс десатурации. тела при медленной и равномерной декомпрессии», ^[2] отсюда отмечен план его работы: ^[3]

• Когда люди или животные помещаются в сжатый воздух, кровь, проходящая через легкие, поглощает некоторое количество газа в виде простого раствора. Это количество увеличивается пропорционально увеличению парциального давления каждого газа, присутствующего в альвеолярном воздухе.

• Что касается кислорода, то его количество в простом растворе в артериальной крови увеличится, но как только кровь достигнет тканей организма, лишний растворенный кислород будет израсходован, так что в венозной крови будет наблюдаться небольшое увеличение парциального давления кислорода.
• Что касается углекислого газа, то опыты Холдейна и Гринвуда показали, что парциальное давление СО ₂ в альвеолярном воздухе остается постоянным с повышением атмосферного давления, следовательно, не может быть увеличения содержания СО ₂ в крови при воздействии сжатого воздуха.
• Что касается азота, следует учитывать его насыщение в тканях организма.

• 

  Скорость насыщения любого участка тела азотом

  Скорость растворимости азота в единице массы ткани сильно различается в разных частях тела, следовательно, после резкого повышения давления воздуха изменяется соответственно.
• Если после насыщения сжатым воздухом давление быстро снизить до нормального, венозная кровь отдаст весь избыток растворенного азота при прохождении к легким. Если в результате слишком быстрой декомпрессии образуются пузырьки газа, они увеличиваются в размерах за счет диффузии в них и, таким образом, вызывают закупорку мелких сосудов. Чтобы избежать риска образования пузырей во время декомпрессии, декомпрессия должна быть медленной, а скорость кровообращения можно значительно увеличить за счет мышечного напряжения.

• 

  Декомпрессия должна быть поэтапной.

  

  Десатурация при равномерной декомпрессии

  При погружении дайвера на очень короткое время учитывается время, затраченное на спуск и подъем. Во время спуска дайвер насыщается азотом, поэтому ему следует спускаться как можно быстрее. С другой стороны, во время восхождения Холдейн показал, что в конце декомпрессии наблюдается опасный избыток насыщения во всех частях тела, за исключением тех, которые наполовину насыщаются менее чем за семь или восемь минут. Козы, использованные для экспериментов по поэтапной декомпрессии, были подвергнуты равномерной декомпрессии в одно и то же время и при одинаковом воздействии, и в течение тридцати шести испытаний декомпрессии один умер, двое были парализованы, у одного были неопределенные общие симптомы тяжелого характера и еще одиннадцать случаев «изгибов». произошло рядом с двумя сомнительными случаями.
• Период погружения:

• Для коротких периодов погружения менее семи-восьми минут без повторных погружений: эксперименты Холдейна на козах показали, что внезапная декомпрессия менее чем за минуту после воздействия до четырех минут при давлении 75 фунтов на квадратный дюйм (5,2 бар), что эквивалентно глубине 42 метра (138 футов). ) морской воды, у коз не возникло никаких симптомов, даже когда в некоторых случаях воздействие увеличивалось до шести минут. Это совпадает с сообщениями того времени из Средиземноморья об опытных греческих водолазах, ныряющих на глубину 30 саженей (55 м), которые, если их снаряжение запутается на дне, перережут воздушную трубку и трос и взорвут себя на поверхность. менее чем за минуту. ^[2]
• При погружениях продолжительностью более нескольких минут или коротких повторяющихся погружениях: Хилл и Гринвуд сжимались до давления 91 фунт на квадратный дюйм (6,3 бар), что эквивалентно глубине морской воды 53 метра (174 фута), что было очень высоким давлением и рискованным экспериментом, и после декомпрессии у них были изгибы.

  

  Кривые насыщения эксперимента Хилла и Гринвука для частей тела

  Кривые насыщения их эксперимента для частей тела были опубликованы в 1908 году. ^[9]

Одна из согнутых коз Холдейна. Обратите внимание на изгиб левой передней ноги. ^[2]

• Эксперименты на козах продолжались, и симптомы, наблюдаемые у коз, каждый раз отмечались по соответствующему графику, чтобы фиксировать наличие симптомов, а не пузырьков:

• Изгибы — самый распространенный симптом. Конечность, чаще всего передняя.
• Временный паралич, симптом общего дефицита кислорода.
• Боль, постоянное блеяние.
• Постоянный паралич, обычно сразу после декомпрессии.
• Заболевание, при котором невозможно выявить какие-либо местные симптомы, иногда вслепую.
• Одышка и смерть
• Механические симптомы не имеют значения, если у козы во время сдавления возникли проблемы с ушами.

• Эксперименты на козах включали: ^[2]

• поэтапная декомпрессия при разном давлении и разном времени декомпрессии, а также сравнение с равномерной декомпрессией. Результаты показали, что для возникновения симптомов у коз требуется определенное минимальное давление и что влияние также оказывает продолжительность воздействия высокого давления с разным временем декомпрессии.
• В экспериментах сравнивались различные типы животных и их восприимчивость к симптомам декомпрессии, а также сравнивалось влияние размера при коротком и длительном воздействии, а также время декомпрессии.
• Эксперименты с массой и объемом крови коз, по-видимому, не показали никакой связи с восприимчивостью.
• Патологические наблюдения за их посмертным внешним видом коз после декомпрессии показали практическое значение в связи с размерами пузырьков, обнаруживаемых в крови. Патологические изменения, лежащие в основе основных симптомов, были достаточно заметны, за исключением изгибов. Точная причина изгибов неизвестна.

Основные результаты работы Холдейна

Данная работа опубликована в книге «Профилактика заболеваний, связанных со сжатым воздухом». Результаты опубликованы в той же книге в разделе «Резюме» на страницах 424 и 425. Основные выводы его модели декомпрессии: ^[2]

• На странице 354 Холдейн заключил: «Ясно, что скорость десатурации можно ускорить, либо (1) увеличив разницу в давлении азота между венозной кровью и воздухом в легких, либо (2) увеличив скорость циркуляция». Итак, чтобы добиться более быстрой десатурации, Холдейн пришел к выводу, что мышечное напряжение может значительно увеличить скорость кровообращения, и, следовательно, «во время декомпрессии также должно быть мышечное напряжение».
• Вкратце, стр. 424, пятый вывод Холдейна таков: «Декомпрессия небезопасна, если давление азота внутри тела становится более чем в два раза больше атмосферного азота». Холдейн поместил коз в компрессионные камеры под давлением на долгие часы, чтобы гарантировать полное насыщение их тканей азотом, а затем после этих экспериментов пришел к выводу, что «если абсолютное давление уменьшится на 50%, это не спровоцирует DCI».
• Холдейн опубликовал свои «Таблицы декомпрессии» (таблица I и таблица II) на страницах 442 и 443. Для простоты использования преобразуйте футы в метры, умножив на 0,3048, а из фунтов на квадратный дюйм в бар , умножив на 0,0689475729. Эти таблицы позволяют дайверам подняться до половины абсолютного давления окружающей среды и оставаться там в течение расчетного времени декомпрессии, прежде чем подняться дальше до половины абсолютного давления последней ступени. Холдейн разделил свои графики на Таблицу I для «обычных воздействий» и Таблицу II для «задержек, выходящих за обычные рамки времени». В настоящее время, согласно оценкам, время декомпрессии по Таблице II связано с высоким риском декомпрессионной болезни.
• Холдейн разделил ткани тела на разные категории и измерил десатурацию азота в каждой. Это привело к появлению концепции быстрых и медленных тканей, согласно которой некоторые ткани наполняются газом и быстро его опорожняют; это быстрые ткани. С другой стороны, медленные ткани медленно наполняются и медленно опорожняются. Холдейн изобразил логарифмическую тенденцию этих тканей к наполнению и опустошению.

Дальнейшее развитие принципов Холдейна

Соотношение 2:1, предложенное Холдейном, оказалось слишком консервативным для быстрых тканей (короткие погружения) и недостаточно консервативным для медленных тканей (длительные погружения). Соотношение также, по-видимому, менялось в зависимости от глубины. Скорость подъема, использовавшаяся в старых таблицах, составляла 18 метров в минуту (59 футов/мин), но в новых таблицах теперь используется скорость 9 метров в минуту (30 футов/мин). ^{[10] [11]}

• Холдейн представил таблицы декомпрессии, основанные на пяти тканевых отсеках с полупериодами 5, 10, 20, 40 и 75 минут.
• ВМС США усовершенствовали таблицы Холдейна и представили модель с девятью тканями. Также введены расчеты перерывов, начиная с 5 минут и заканчивая 240 минутами.
• Профессор Альберт Бюльман установил таблицы декомпрессии для дайвинга на большой высоте в горных озерах. Его модель основана на принципах Холдана, но его таблицы ZHL-16 учитывали 16 тканей с периодами полураспада до 635 минут и вводили факторы, которые пытались смоделировать изменение предела пересыщения с глубиной.

Сопутствующие работы и исследования Холдейна

Джон Скотт Холдейн

Холдейн провел много других исследований по теме:

• Основан журнал гигиены ^[12]
• Изготовлено декомпрессионное устройство для облегчения помощи водолазам-глубинникам ^[13].
• Установленные процедуры декомпрессии для погружений на воздухе на глубину 200 футов или 65 метров для Королевского флота в 1907 году после множества экспериментов на животных.
• Описал эффект Холдейна , свойство гемоглобина ^{[4] [14]}
• Предложил формулу для определения коэффициентов насыщения различных тканей организма, его уравнение основано на законе Генри :

${\displaystyle T_{N_{2}}=T_{0}+(T_{f}-T_{0})\left(1-(1/2)^{t/t_{0}}\right)}$

где,

Т : напряжение (давление) газа в тканях.

Т ₀ : начальное натяжение

T _{N 2} : текущее напряжение азота.

T _f : окончательное натяжение

t ₀ : полупериод отсека

т : текущее время

Противоречивая работа

Хотя модель Холдейна остается основой современных таблиц декомпрессии , первые таблицы декомпрессии Холдейна оказались далеки от идеала. ^[4] Сегодня уравнение Холдейна используется во многих таблицах для дайвинга и подводных компьютерах, хотя все большее число моделей декомпрессии противоречат его предположениям, например,

• Асимметрия явлений насыщения инертных газов (поглощение и выделение), ^{[3] [15]}
• Десатурация согласно меморандумам Хемплемана и Тельмана с учетом циркулирующих пузырьков, VPM, модели пузырьков с уменьшенным градиентом . ^{[16] [15] [17]}

Рисунки и таблицы из «Профилактики болезней, связанных со сжатым воздухом».

• 
  стр. 347, Рисунок 1, Насыщение азотом
• 
  стр. 363, Рисунок-4, Десатурация азота различными частями тела с полунасыщением за 5-10-20-40-75 минут.
• 
  стр. 365, Рисунок-5, Десатурация азота в различных тканях организма.
• 
  стр. 367, Рисунок-6, Насыщение азотом различных тканей организма.
• 
  стр. 442, Таблица декомпрессии-I в футах и ​​фунтах на квадратный дюйм. « Остановки во время всплытия дайвера после обычных ограничений времени пребывания на поверхности ».
• 
  стр. 443, Таблица декомпрессии-II в футах и ​​фунтах на квадратный дюйм. « Остановки во время всплытия водолаза после задержки, превышающей обычные пределы времени, с поверхности ».

Рекомендации

1. "Экспериментальное водолазное подразделение ВМС США"
2. Бойкот, AE; Дамант, ГК; Холдейн, Дж. С. (июнь 1908 г.). «Профилактика заболеваний, связанных со сжатым воздухом». Журнал гигиены . 8 (3): 342–443. дои : 10.1017/S0022172400003399. ПМК  2167126 . PMID  20474365. Архивировано из оригинала 24 марта 2011 года . Проверено 12 мая 2015 г.{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
3. фон Люнен, Александр (2006). «Козы и газы: «Профилактика заболеваний, связанных со сжатым воздухом», Холдейн и др. - Комментарий». Медицина дикой природы и окружающей среды . 17 (3): 195–196. doi : 10.1580/06-weme-lh-028. ISSN  1080-6032. ПМИД  17078317.
4. Ланг, Майкл А.; Брубакк, Альф О. (2009). «Эффект Холдейна» (PDF) . В Поллоке, Северо-Запад (ред.). Дайвинг ради науки 2009: Труды 28-го симпозиума Американской академии подводных наук (PDF) . Американская академия подводных наук. стр. 112–124.
5. Винке, БР (1989). «Перенос N2 и критическое давление в тканевых отсеках». Математическое и компьютерное моделирование . 12 (1): 1–15. дои : 10.1016/0895-7177(89)90442-1.
6. Барометрическое давление. Экспериментальные исследования по физиологии.
7. Келлог, Р.Х. (1978). "«La Pression barométrique»: теория гипоксии Поля Берта и ее критики». Respir Physiol . 34 (1): 1–28. doi : 10.1016/0034-5687(78)90046-4. PMID  360338.
8. Die Familie Schrötter
9. Хилл, Леонард Эрскин; Гринвуд, майор (4 февраля 1908 г.). «Влияние повышенного барометрического давления на человека. № 4. Связь возраста и массы тела с декомпрессионными эффектами». Труды Лондонского королевского общества. Серия Б, содержащая статьи биологического характера . 80 (536): 12–24. дои :10.1098/rspb.1908.0003. ISSN  0950-1193. JSTOR  80220.
10. Картуран, Д.; Буссюж, А.; Вануксем, П.; Бар-Хен, А.; Бернет, Х.; Гардетт, Б. (1 октября 2002 г.). «Скорость всплытия, возраст, максимальное потребление кислорода, ожирение и циркулирующие венозные пузырьки после дайвинга». Журнал прикладной физиологии . 93 (4): 1349–1356. doi : 10.1152/japplphysicalol.00723.1999. ISSN  8750-7587.
11. Картуран, Д.; Буссюж, А.; Моленат, Ф.; Бернет, Х.; Фондарай, Дж.; Гардетт, Б. (2000). «Скорость всплытия и циркулирующие венозные пузыри в любительском дайвинге». Международный журнал спортивной медицины . 21 (7): 459–462. дои : 10.1055/с-2000-7411. ISSN  0172-4622.
12. "Архив "Журнала гигиены"" .
13. Сехар, КЦ; Рао, SSC Chakra (2014). «Джон Скотт Холдейн: отец кислородной терапии». Индийский журнал анестезии . 58 (3): 350–352. дои : 10.4103/0019-5049.135087 . ISSN  0019-5049. ПМК 4091013 . ПМИД  25024490. 
14. Сехар, КЦ; Рао, SSC Chakra (2014). «Джон Скотт Холдейн: отец кислородной терапии». Индийский журнал анестезии . 58 (3): 350–352. дои : 10.4103/0019-5049.135087 . ISSN  0019-5049. ПМК 4091013 . ПМИД  25024490. 
15. Русоке-Дирих, Олаф (2018), Русоке-Дирих, Олаф (редактор), «Теория декомпрессии», Diving Medicine , Cham: Springer International Publishing, стр. 57–79, doi : 10.1007/978-3-319 -73836-9_9, ISBN 978-3-319-73836-9, получено 4 июня 2024 г.
16. Хьюгон, Дж. (2014). «Модели декомпрессии: обзор, актуальность и возможности проверки». Подводная и гипербарическая медицина: Журнал Общества подводной и гипербарической медицины, Inc. 41 (6): 531–556. ISSN  1066-2936. ПМИД  25562945.
17. Дулетт, Дэвид Дж.; Митчелл, Саймон Дж. (1 января 2001 г.). «Физиологическая кинетика азота и профилактика декомпрессионной болезни». Клиническая фармакокинетика . 40 (1): 1–14. дои : 10.2165/00003088-200140010-00001. ISSN  1179-1926.