Кислородная интоксикация — это состояние, возникающее в результате вредного воздействия вдыхания молекулярного кислорода ( O
2) при повышенном парциальном давлении . Тяжелые случаи могут привести к повреждению клеток и смерти, причем последствия чаще всего наблюдаются в центральной нервной системе, легких и глазах. Исторически состояние центральной нервной системы называлось эффектом Поля Берта , а состояние легких — эффектом Лоррейна Смита , в честь исследователей, которые были пионерами открытий и описаний в конце 19 века. Кислородная токсичность является проблемой для подводных ныряльщиков , тех, кто находится на высоких концентрациях дополнительного кислорода, и тех, кто проходит гипербарическую оксигенотерапию .
Результатом дыхания повышенным парциальным давлением кислорода является гипероксия , избыток кислорода в тканях организма. Тело подвергается различным воздействиям в зависимости от типа воздействия. Токсичность центральной нервной системы вызвана кратковременным воздействием высокого парциального давления кислорода при давлении выше атмосферного. Легочная и глазная токсичность является результатом более длительного воздействия повышенного уровня кислорода при нормальном давлении. Симптомы могут включать дезориентацию, проблемы с дыханием и изменения зрения, такие как миопия . Длительное воздействие парциального давления кислорода выше нормы или более короткое воздействие очень высокого парциального давления может вызвать окислительное повреждение клеточных мембран , коллапс альвеол в легких, отслоение сетчатки и судороги . Кислородная токсичность контролируется путем снижения воздействия повышенного уровня кислорода. Исследования показывают, что в долгосрочной перспективе возможно надежное восстановление от большинства типов кислородной токсичности.
Протоколы для избежания эффектов гипероксии существуют в областях, где кислород дышит при более высоком, чем обычно, парциальном давлении, включая подводное плавание с использованием сжатых дыхательных газов , гипербарическую медицину, неонатальный уход и космические полеты человека . Эти протоколы привели к увеличению редкости судорог из-за кислородной токсичности, при этом легочные и глазные повреждения в основном ограничиваются проблемами ухода за недоношенными детьми.
В последние годы кислород стал доступен для рекреационного использования в кислородных барах . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США предупредило тех, у кого есть такие заболевания, как заболевания сердца или легких, не использовать кислородные бары. Аквалангисты используют дыхательные газы, содержащие до 100% кислорода, и должны пройти специальную подготовку по использованию таких газов.
Эффекты кислородной токсичности можно классифицировать по пораженным органам, выделяя три основные формы: [2] [3] [4]
Кислородная интоксикация центральной нервной системы может вызывать судороги, кратковременные периоды ригидности, за которыми следуют судороги и потеря сознания, и вызывает беспокойство у дайверов, которые сталкиваются с давлением, превышающим атмосферное. Легочная кислородная интоксикация приводит к повреждению легких, вызывая боль и затруднение дыхания. [2] Окислительное повреждение глаза может привести к миопии или частичному отслоению сетчатки . Легочные и глазные повреждения чаще всего возникают, когда дополнительный кислород вводится как часть лечения, особенно новорожденным, но также вызывают беспокойство во время гипербарической кислородной терапии. [5] [6]
Окислительное повреждение может произойти в любой клетке организма, но воздействие на три наиболее восприимчивых органа будет основной проблемой. Оно также может быть связано с повреждением эритроцитов ( гемолиз ), [7] [8] печени , [9] сердца , [ 10] эндокринных желез ( надпочечников , половых желез и щитовидной железы ), [11] [12] [13] или почек , [14] и общим повреждением клеток . [2] [15]
В необычных обстоятельствах могут наблюдаться эффекты на другие ткани: предполагается, что во время космического полета высокие концентрации кислорода могут способствовать повреждению костей. [16] Гипероксия также может косвенно вызывать наркоз углекислым газом у пациентов с заболеваниями легких, такими как хроническая обструктивная болезнь легких или с центральной респираторной депрессией. [16] Гипервентиляция атмосферного воздуха при атмосферном давлении не вызывает кислородной токсичности, поскольку воздух на уровне моря имеет парциальное давление кислорода 0,21 бар (21 кПа), тогда как токсичность не возникает ниже 0,3 бар (30 кПа). [17]
Кислородная интоксикация центральной нервной системы проявляется такими симптомами, как зрительные изменения (особенно туннельное зрение ), звон в ушах ( тиннитус ), тошнота , подергивание (особенно лица), поведенческие изменения (раздражительность, беспокойство , спутанность сознания) и головокружение . За этим может последовать тонико-клонический припадок , состоящий из двух фаз: интенсивное сокращение мышц происходит в течение нескольких секунд (тоническая фаза); затем следуют быстрые спазмы попеременного расслабления и сокращения мышц, вызывающие судорожные подергивания ( клоническая фаза). Припадок заканчивается периодом потери сознания ( постиктальное состояние ). [18] [19] Начало припадка зависит от парциального давления кислорода в дыхательном газе и продолжительности воздействия. Однако время воздействия до начала непредсказуемо, поскольку тесты показали большие различия как среди людей, так и у одного и того же человека изо дня в день. [18] [20] [21] Кроме того, многие внешние факторы, такие как погружение под воду, воздействие холода и физические упражнения, уменьшают время до появления симптомов со стороны центральной нервной системы. [1] Снижение толерантности тесно связано с задержкой углекислого газа . [22] [23] [24] Другие факторы, такие как темнота и кофеин , повышают толерантность у подопытных животных, но эти эффекты не были доказаны на людях. [25] [26]
Воздействие давления кислорода более 0,5 бар, например, во время дайвинга, предварительного дыхания кислородом перед полетом или гипербарической терапии, связано с возникновением симптомов легочной токсичности. [27] Симптомы легочной токсичности возникают в результате воспаления, которое начинается в дыхательных путях, ведущих к легким, а затем распространяется на легкие ( трахеобронхиальное дерево ). Симптомы появляются в верхней части грудной клетки ( субстернальная и каринальная области). [28] [29] [30] Это начинается как легкое щекотание при вдохе и прогрессирует до частого кашля. [28] Если дыхание с повышенным парциальным давлением кислорода продолжается, субъекты испытывают легкое жжение при вдохе вместе с неконтролируемым кашлем и периодической одышкой ( одышка ). [28] Физические данные, связанные с легочной токсичностью, включают булькающие звуки, слышимые через стетоскоп (булькающие хрипы ), лихорадку и повышенный приток крови к слизистой оболочке носа ( гиперемия слизистой оболочки носа ). [30] Первоначально наблюдается экссудативная фаза, которая приводит к отеку легких . При гистологическом исследовании можно увидеть увеличение ширины интерстициального пространства. [27] Рентген легких показывает небольшие изменения в краткосрочной перспективе, но длительное воздействие приводит к увеличению диффузного затенения по всем легким. [28] Показатели функции легких снижаются, на что указывает уменьшение количества воздуха, которое могут удерживать легкие ( жизненная емкость ), а также изменения функции выдоха и эластичности легких. [30] [31] Диффузионная способность легких уменьшается, что в конечном итоге приводит к гипоксемии. [27] Тесты на животных показали изменение толерантности, аналогичное обнаруженному при токсичности центральной нервной системы, а также значительные различия между видами. Когда воздействие кислорода выше 0,5 бар (50 кПа) является прерывистым, это позволяет легким восстановиться и задерживает начало токсичности. [32] Подобная прогрессия характерна для всех видов млекопитающих. [27] Если смерть от гипоксемии не наступила после воздействия в течение нескольких дней, наступает пролиферативная фаза, развивающая хроническое утолщение альвеолярной мембраны и снижение диффузионной способности легких. Эти изменения в основном обратимы при возвращении к нормоксии, но время, необходимое для полного восстановления, неизвестно. [27]
У недоношенных детей признаки повреждения глаза ( ретинопатия недоношенных , или РН) наблюдаются с помощью офтальмоскопа в виде разграничения между васкуляризированными и неваскуляризированными областями сетчатки младенца. Степень этого разграничения используется для обозначения четырех стадий: (I) разграничение представляет собой линию; (II) разграничение становится гребнем; (III) вокруг гребня происходит рост новых кровеносных сосудов; (IV) сетчатка начинает отслаиваться от внутренней стенки глаза ( хориоидеи ). [5]
Кислородная токсичность вызывается гипероксией, воздействием кислорода при парциальном давлении, превышающем то, которому обычно подвергается организм. Это происходит в трех основных ситуациях: подводное плавание, [33] гипербарическая оксигенотерапия, [34] и предоставление дополнительного кислорода в отделениях интенсивной терапии, [35] и для длительного лечения хронических заболеваний, особенно недоношенных детей. [36] В каждом случае факторы риска существенно различаются. [33] [34] [36]
При нормальном или пониженном давлении окружающей среды эффекты гипероксии изначально ограничиваются легкими, которые подвергаются непосредственному воздействию, но после длительного воздействия или при гипербарическом давлении другие органы могут подвергаться риску. При нормальном парциальном давлении вдыхаемого кислорода большая часть кислорода, транспортируемого в крови, переносится гемоглобином, но количество растворенного кислорода увеличится при парциальном давлении артериального кислорода, превышающем 100 миллиметров ртутного столба (0,13 бар), когда насыщение оксигемоглобином почти полное. При более высоких концентрациях эффекты гипероксии более распространены в тканях организма за пределами легких. [37]
Воздействие парциального давления кислорода выше примерно 1,6 бар (160 кПа ) — примерно в восемь раз больше нормального атмосферного парциального давления — обычно связано с кислородной токсичностью центральной нервной системы и чаще всего встречается у пациентов, проходящих гипербарическую кислородную терапию, и у водолазов. Поскольку атмосферное давление на уровне моря составляет около 1 бар (100 кПа), токсичность центральной нервной системы может возникнуть только в гипербарических условиях, когда давление окружающей среды выше нормы. [34] [38] Водолазы, дышащие воздухом на глубинах более 60 м (200 футов), сталкиваются с повышенным риском «удара» кислородной токсичности (судорог). Водолазы, дышащие газовой смесью, обогащенной кислородом, такой как нитрокс , также повышают риск судорог на более мелких глубинах, если они опускаются ниже максимально допустимой рабочей глубины для этой смеси. [39] Токсичность ЦНС усугубляется высоким парциальным давлением углекислого газа, стрессом, усталостью и холодом, все из которых гораздо более вероятны при дайвинге, чем при гипербарической терапии. [40]
Легкие и остальная часть дыхательных путей подвергаются воздействию самой высокой концентрации кислорода в организме человека и поэтому являются первыми органами, которые проявляют токсичность. Легочная токсичность возникает только при воздействии парциального давления кислорода более 0,5 бар (50 кПа), что соответствует доле кислорода 50% при нормальном атмосферном давлении. Самые ранние признаки легочной токсичности начинаются с признаков трахеобронхита или воспаления верхних дыхательных путей после бессимптомного периода между 4 и 22 часами при более чем 95% кислорода, [41] при этом некоторые исследования предполагают, что симптомы обычно начинаются примерно через 14 часов при этом уровне кислорода. [42]
При парциальном давлении кислорода от 2 до 3 бар (от 200 до 300 кПа) — 100% кислорода при давлении, в 2–3 раза превышающем атмосферное, — эти симптомы могут начаться уже через 3 часа после воздействия кислорода. [41] Эксперименты на крысах, дышащих кислородом при давлении от 1 до 3 бар (от 100 до 300 кПа), показывают, что легочные проявления кислородной токсичности могут быть не такими же при нормобарических условиях, как при гипербарических условиях. [43] Доказательства снижения функции легких, измеренные с помощью тестирования функции легких, могут проявиться уже через 24 часа непрерывного воздействия 100% кислорода, [42] с доказательствами диффузного альвеолярного повреждения и началом острого респираторного дистресс-синдрома, обычно происходящими через 48 часов на 100% кислороде. [41] Вдыхание 100% кислорода также в конечном итоге приводит к коллапсу альвеол ( ателектазу ) , в то время как — при том же парциальном давлении кислорода — наличие значительных парциальных давлений инертных газов, как правило, азота, предотвратит этот эффект. [44]
Известно, что недоношенные новорожденные подвержены более высокому риску бронхолегочной дисплазии при длительном воздействии высоких концентраций кислорода. [45] Другие группы с более высоким риском кислородной интоксикации — это пациенты, находящиеся на искусственной вентиляции легких с воздействием уровней кислорода более 50%, и пациенты, подвергшиеся воздействию химических веществ, которые повышают риск кислородной интоксикации, таких как химиотерапевтический препарат блеомицин . [42] Поэтому текущие рекомендации для пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких в отделениях интенсивной терапии, рекомендуют поддерживать концентрацию кислорода менее 60%. [41] Аналогичным образом, дайверы, проходящие лечение декомпрессионной болезни, подвергаются повышенному риску кислородной интоксикации, поскольку лечение подразумевает воздействие длительных периодов дыхания кислородом в условиях гипербарии в дополнение к любому воздействию кислорода во время погружения. [34]
Длительное воздействие высоких фракций вдыхаемого кислорода приводит к повреждению сетчатки . [46] [47] [48] Повреждение развивающегося глаза младенцев, подвергающихся воздействию высокой фракции кислорода при нормальном давлении, имеет другой механизм и эффект, чем повреждение глаз у взрослых дайверов в условиях гипербарии. [49] [50] Гипероксия может быть фактором, способствующим заболеванию, называемому ретролентальной фиброплазией или ретинопатией недоношенных (РН) у младенцев. [49] [51] У недоношенных младенцев сетчатка часто не полностью васкуляризирована. Ретинопатия недоношенных возникает, когда развитие сосудистой сети сетчатки останавливается, а затем продолжается ненормально. С ростом этих новых сосудов связана фиброзная ткань (рубцовая ткань), которая может сокращаться, вызывая отслоение сетчатки. Дополнительное воздействие кислорода, хотя и является фактором риска , не является основным фактором риска развития этого заболевания. Ограничение использования дополнительного кислорода не обязательно снижает частоту ретинопатии недоношенных и может повысить риск системных осложнений, связанных с гипоксией. [49]
Гипероксическая миопия наблюдалась у водолазов, использующих кислородные ребризеры замкнутого цикла, при длительном воздействии. [50] [52] [53] Она также часто встречается у тех, кто проходит повторную гипербарическую оксигенотерапию. [47] [54] Это происходит из-за увеличения преломляющей способности хрусталика , поскольку показания осевой длины и кератометрии не выявляют роговичной или длинной основы для миопического сдвига. [54] [55] Обычно она обратима со временем. [47] [54]
Возможным побочным эффектом гипербарической оксигенотерапии является начальное или дальнейшее развитие катаракты , которая представляет собой увеличение непрозрачности хрусталика глаза, что снижает остроту зрения и в конечном итоге может привести к слепоте. Это редкое событие, связанное с пожизненным воздействием повышенной концентрации кислорода, и может быть недооценено, поскольку оно развивается очень медленно. Причина не полностью понята, но данные свидетельствуют о том, что повышенный уровень кислорода может вызвать ускоренное ухудшение стекловидного тела из-за деградации кристаллинов хрусталика путем сшивания, образуя агрегаты, способные рассеивать свет. Это может быть конечным развитием более часто наблюдаемого миопического сдвига, связанного с гипербарической терапией. [6]
Биохимической основой токсичности кислорода является частичное восстановление кислорода одним или двумя электронами с образованием активных форм кислорода, [56] которые являются естественными побочными продуктами нормального метаболизма кислорода и играют важную роль в передаче сигналов клетками . [57] Один вид, вырабатываемый организмом, супероксид- анион ( O−
2), [58] возможно, участвует в усвоении железа. [59] Более высокие, чем обычно, концентрации кислорода приводят к повышению уровня активных форм кислорода. [60] Кислород необходим для метаболизма клеток, и кровь поставляет его во все части тела. Когда кислород вдыхается при высоких парциальных давлениях, гипероксическое состояние будет быстро распространяться, причем наиболее васкуляризированные ткани будут наиболее уязвимы. Во время экологического стресса уровни активных форм кислорода могут резко возрасти, что может повредить клеточные структуры и вызвать окислительный стресс . [21] [61]
Хотя все механизмы реакции этих видов в организме еще не полностью изучены, [62] одним из наиболее реактивных продуктов окислительного стресса является гидроксильный радикал ( · OH ), который может инициировать разрушительную цепную реакцию перекисного окисления липидов в ненасыщенных липидах внутри клеточных мембран . [63] Высокие концентрации кислорода также увеличивают образование других свободных радикалов , таких как оксид азота , пероксинитрит и триоксидан , которые повреждают ДНК и другие биомолекулы. [21] [64] Хотя в организме есть много антиоксидантных систем, таких как глутатион , которые защищают от окислительного стресса, эти системы в конечном итоге перегружаются при очень высоких концентрациях свободного кислорода, и скорость повреждения клеток превышает возможности систем, которые предотвращают или восстанавливают его. [65] [66] [67] Затем происходит повреждение клеток и их гибель. [68]
Диагностика кислородной интоксикации центральной нервной системы у дайверов до припадка затруднена, поскольку симптомы нарушения зрения, проблемы с ушами, головокружение, спутанность сознания и тошнота могут быть вызваны многими факторами, общими для подводной среды, такими как наркоз , застойные явления и холод. Однако эти симптомы могут быть полезны при диагностике первых стадий кислородной интоксикации у пациентов, проходящих гипербарическую кислородную терапию. В любом случае, если нет предшествующей истории эпилепсии или тесты не указывают на гипогликемию , припадок, происходящий в условиях дыхания кислородом при парциальном давлении более 1,4 бар (140 кПа), предполагает диагноз кислородной интоксикации. [69]
Диагностика бронхолегочной дисплазии у новорожденных с затрудненным дыханием затруднена в первые несколько недель. Однако, если дыхание младенца не улучшается в течение этого времени, для подтверждения бронхолегочной дисплазии могут быть использованы анализы крови и рентгенограммы . Кроме того, эхокардиограмма может помочь исключить другие возможные причины, такие как врожденные пороки сердца или легочная артериальная гипертензия . [70]
Диагноз ретинопатии недоношенных у младенцев обычно предполагается на основании клинической картины. Недоношенность, низкий вес при рождении и анамнез воздействия кислорода являются основными показателями, в то время как не было показано, что какие-либо наследственные факторы могут дать какую-либо закономерность. [71]
Клинический диагноз может быть подтвержден с помощью измерения уровня артериального кислорода. [40] Ряд других состояний можно спутать с кислородной токсичностью, к ним относятся: [40]
Профилактика кислородной токсичности полностью зависит от обстановки. Как под водой, так и в космосе, надлежащие меры предосторожности могут устранить самые пагубные последствия. Недоношенным детям обычно требуется дополнительный кислород для лечения осложнений преждевременных родов. В этом случае профилактика бронхолегочной дисплазии и ретинопатии недоношенных должна осуществляться без ущерба для подачи кислорода, достаточного для сохранения жизни младенца. [72]
Кислородная интоксикация является катастрофической опасностью при подводном плавании с аквалангом , поскольку припадок приводит к высокому риску смерти от утопления. [39] [73] Припадок может произойти внезапно и без предупреждающих симптомов. [19] Последствиями являются внезапные судороги и потеря сознания, во время которых жертвы могут потерять свой регулятор и утонуть. [74] [75] Одним из преимуществ полнолицевой маски для дайвинга является предотвращение потери регулятора в случае припадка. Ремни для фиксации загубника являются относительно недорогой альтернативой с аналогичной, но менее эффективной функцией. [73] Поскольку существует повышенный риск кислородной интоксикации центральной нервной системы при глубоких погружениях, длительных погружениях и погружениях, где используются богатые кислородом дыхательные газы, дайверов учат рассчитывать максимальную рабочую глубину для богатых кислородом дыхательных газов , и баллоны, содержащие такие смеси, должны быть четко обозначены этой глубиной. [24] [76]
Риск судорог, по-видимому, является функцией дозы — кумулятивной комбинации парциального давления и продолжительности. Порог парциального давления кислорода, ниже которого судороги никогда не происходят, не установлен и может зависеть от многих переменных, некоторые из которых личные. Риск для конкретного человека может значительно варьироваться в зависимости от индивидуальной чувствительности, уровня физической нагрузки и удержания углекислого газа, на которое влияет работа дыхания. [73]
На некоторых курсах обучения дайверов для режимов погружения, при которых воздействие может достигать уровней со значительным риском, дайверов учат планировать и контролировать то, что называется «кислородными часами» их погружений. [76] Это условный будильник, который тикает быстрее при повышенном давлении кислорода и настроен на срабатывание при максимальном пределе однократного воздействия, рекомендованном в Руководстве по дайвингу Национального управления океанических и атмосферных исследований . [24] [76] Для следующих парциальных давлений кислорода пределы составляют: 45 минут при 1,6 бар (160 кПа), 120 минут при 1,5 бар (150 кПа), 150 минут при 1,4 бар (140 кПа), 180 минут при 1,3 бар (130 кПа) и 210 минут при 1,2 бар (120 кПа), но невозможно с какой-либо надежностью предсказать, возникнут ли симптомы токсичности и когда они возникнут. [77] [78] Многие дайв-компьютеры с поддержкой нитрокса рассчитывают загрузку кислорода и могут отслеживать ее в течение нескольких погружений. Цель состоит в том, чтобы избежать активации сигнала тревоги путем снижения парциального давления кислорода в дыхательной смеси или путем сокращения времени, проведенного за дыханием газом с большим парциальным давлением кислорода. Поскольку парциальное давление кислорода увеличивается с долей кислорода в дыхательной смеси и глубиной погружения, дайвер получает больше времени на кислородных часах, ныряя на меньшую глубину, дыша менее богатым кислородом газом или сокращая продолжительность воздействия богатых кислородом газов. [79] [80] Эта функция предоставляется некоторыми техническими дайвинг-декомпрессионными компьютерами и оборудованием для управления и мониторинга ребризеров. [81] [82]
Погружение на глубину более 56 м (184 фута) на воздухе подвергнет водолаза повышенной опасности кислородного отравления, поскольку парциальное давление кислорода превышает 1,4 бар (140 кПа), поэтому следует использовать газовую смесь, содержащую менее 21% кислорода (называемую гипоксической смесью). Увеличение доли азота нецелесообразно, поскольку это приведет к образованию сильно наркотической смеси. Однако гелий не является наркотическим веществом, и пригодную для использования смесь можно смешать либо путем полной замены азота гелием (полученная смесь называется гелиоксом ), либо путем замены части азота гелием, создавая тримикс . [83]
Легочная кислородная интоксикация — это полностью предотвратимое событие во время погружения. Ограниченная продолжительность и естественный прерывистый характер большинства погружений делают это относительно редким (и даже тогда обратимым) осложнением для дайверов. [84] Установленные руководящие принципы позволяют дайверам вычислять, когда они подвергаются риску легочной интоксикации. [85] [86] [87] При погружении с насыщением ее можно избежать, ограничив содержание кислорода в газе в жилых помещениях до уровня ниже 0,4 бар. [88]
Целью скрининга с использованием теста на переносимость кислорода является выявление водолазов с низкой переносимостью высоких парциальных давлений гипербарического кислорода, которые могут быть более склонны к кислородным судорогам во время водолазных работ или во время гипербарического лечения декомпрессионной болезни. Ценность этого теста была поставлена под сомнение, и статистические исследования показали низкую частоту судорог во время стандартных графиков гипербарического лечения, поэтому некоторые флоты прекратили его использование, хотя другие продолжают требовать прохождения теста для всех кандидатов в водолазы. [89]
Изменчивость переносимости и другие переменные факторы, такие как рабочая нагрузка, привели к тому, что ВМС США отказались от скрининга на переносимость кислорода. Из 6250 тестов на переносимость кислорода, проведенных между 1976 и 1997 годами, было отмечено только 6 случаев кислородной интоксикации (0,1%). [90] [91]
Тест на переносимость кислорода, используемый ВМС Индии , который следует рекомендациям ВМС США и Национального управления океанических и атмосферных исследований США, заключается в дыхании 100% кислорода, подаваемого через маску BIBS при давлении окружающей среды 2,8 бар (18 мсв) в течение 30 минут в состоянии покоя в сухой барокамере. Никаких симптомов кислородной интоксикации ЦНС не должно быть замечено обслуживающим персоналом. [89]
Наличие лихорадки или истории судорог является относительным противопоказанием к лечению гипербарическим кислородом. [92] Графики, используемые для лечения декомпрессионной болезни, допускают периоды дыхания воздухом, а не 100% кислородом (воздушные перерывы), чтобы снизить вероятность судорог или повреждения легких. ВМС США используют таблицы лечения, основанные на периодах, чередующихся между 100% кислородом и воздухом. Например, таблица 6 USN требует 75 минут (три периода по 20 минут кислорода/5 минут воздуха) при давлении окружающей среды 2,8 стандартных атмосфер (280 кПа), что эквивалентно глубине 18 метров (60 футов). Затем следует медленное снижение давления до 1,9 атм (190 кПа) в течение 30 минут на кислороде. Затем пациент остается при этом давлении в течение еще 150 минут, состоящих из двух периодов по 15 минут воздуха/60 минут кислорода, прежде чем давление будет снижено до атмосферного в течение 30 минут на кислороде. [93]
Витамин Е и селен были предложены и позже отвергнуты в качестве потенциального метода защиты от легочной кислородной токсичности. [94] [95] [96] Однако есть некоторые экспериментальные доказательства на крысах, что витамин Е и селен помогают предотвращать перекисное окисление липидов in vivo и повреждение свободными радикалами и, следовательно, предотвращают изменения сетчатки после повторяющихся воздействий гипербарического кислорода. [97]
Бронхолегочная дисплазия обратима на ранних стадиях с помощью перерывов на более низком давлении кислорода, но в конечном итоге может привести к необратимому повреждению легких, если позволить ему прогрессировать до серьезного повреждения. Для того, чтобы вызвать такое повреждение, требуется один или два дня воздействия без перерывов на кислород. [16]
Ретинопатию недоношенных в значительной степени можно предотвратить с помощью скрининга. Текущие рекомендации требуют, чтобы все дети, гестационный возраст которых составляет менее 32 недель или которые весят при рождении менее 1,5 кг (3,3 фунта), проходили скрининг на ретинопатию недоношенных по крайней мере каждые две недели. [98] Национальное кооперативное исследование в 1954 году показало причинно-следственную связь между дополнительным кислородом и ретинопатией недоношенных, но последующее сокращение дополнительного кислорода привело к увеличению детской смертности. Чтобы сбалансировать риски гипоксии и ретинопатии недоношенных, современные протоколы теперь требуют мониторинга уровня кислорода в крови у недоношенных детей, получающих кислород. [99]
Тщательное титрование дозировки для минимизации доставляемой концентрации при достижении желаемого уровня оксигенации позволит минимизировать как риск повреждения от токсичности кислорода, так и количество кислорода, используемого для долгосрочной терапии. [37] Типичная цель для насыщения кислородом при получении кислородной терапии будет находиться в диапазоне 91-95% как у доношенных, так и у недоношенных детей. [72]
В условиях низкого давления можно избежать кислородной токсичности, поскольку токсичность вызвана высоким парциальным давлением кислорода, а не высокой фракцией кислорода. Это иллюстрируется использованием чистого кислорода в скафандрах, которые должны работать при низком давлении, и высокой фракцией кислорода и давлением в кабине ниже нормального атмосферного давления в ранних космических кораблях, например, космических кораблях Gemini и Apollo . [100] В таких применениях, как внекорабельная деятельность , высокая фракция кислорода нетоксична, даже при фракциях дыхательной смеси, приближающихся к 100%, поскольку парциальное давление кислорода не должно хронически превышать 0,3 бар (4,4 фунта на квадратный дюйм). [100]
Во время гипербарической оксигенотерапии пациент обычно дышит 100% кислородом из маски, находясь внутри гипербарической камеры, в которой воздух находится под давлением около 2,8 бар (280 кПа). Приступы во время терапии купируются путем снятия маски с пациента, тем самым снижая парциальное давление вдыхаемого кислорода ниже 0,6 бар (60 кПа). [19]
Припадок под водой требует, чтобы водолаз был поднят на поверхность как можно скорее. Хотя в течение многих лет рекомендовалось не поднимать водолаза во время самого припадка из-за опасности артериальной газовой эмболии (АГЭ), [101] есть некоторые свидетельства того, что голосовая щель не полностью перекрывает дыхательные пути. [102] Это привело к текущей рекомендации Комитета по дайвингу Общества подводной и гипербарической медицины о том, что водолаза следует поднимать во время клонической (судорожной) фазы припадка, если регулятор не находится во рту водолаза, поскольку опасность утопления в этом случае выше, чем при АГЭ, но всплытие следует отложить до конца клонической фазы в противном случае. [74] Спасатели следят за тем, чтобы их собственная безопасность не была поставлена под угрозу во время судорожной фазы. Затем они следят за тем, чтобы там, где установлена подача воздуха пострадавшему, она поддерживалась, и выполняют контролируемый подъем на плаву . Подъем бессознательного тела преподается большинством учебных агентств по рекреационному дайвингу как продвинутый навык, а для профессиональных дайверов это базовый навык, так как это одна из основных функций дежурного дайвера . По достижении поверхности всегда связываются со службами экстренной помощи, так как существует вероятность дальнейших осложнений, требующих медицинской помощи. [103] Если под водой развиваются симптомы, отличные от судорог, дайвер должен немедленно переключиться на газ с более низкой долей кислорода или подняться на меньшую глубину, если это позволяют условия декомпрессии. Если на поверхности доступна камера, рекомендуется поверхностная декомпрессия. ВМС США опубликовали процедуры для завершения декомпрессионных остановок, когда камера рекомпрессии недоступна немедленно. [104] Некоторые подводные компьютеры пересчитывают требования к декомпрессии для альтернативных смесей, при условии активации фактической настройки газа. [81]
Появление симптомов бронхолегочной дисплазии или острого респираторного дистресс-синдрома лечится путем снижения доли вводимого кислорода, а также сокращения периодов воздействия и увеличения периодов перерывов, когда подается обычный воздух. Если для лечения другого заболевания требуется дополнительный кислород (особенно у младенцев), может потребоваться аппарат искусственной вентиляции легких , чтобы гарантировать, что легочная ткань остается раздутой. Снижение давления и воздействия будет осуществляться постепенно, и могут использоваться такие лекарства, как бронходилататоры и легочные сурфактанты . [105]
Дайверы управляют риском повреждения легких, ограничивая воздействие до уровней, которые, как показали экспериментальные данные, являются в целом приемлемыми, используя систему единиц накопленной токсичности кислорода , которые основаны на времени воздействия при определенных парциальных давлениях. В случае экстренного лечения декомпрессионной болезни может потребоваться превышение нормальных пределов воздействия для управления более критическими симптомами. [33]
Ретинопатия недоношенных может регрессировать спонтанно, но если болезнь прогрессирует за пределы порога (определяемого как пять непрерывных или восемь кумулятивных часов стадии 3 ретинопатии недоношенных ), как было показано, как криохирургия , так и лазерная хирургия снижают риск слепоты как результата. Если болезнь прогрессирует дальше, такие методы, как склеральное вдавливание и витрэктомия , могут помочь в повторном прикреплении сетчатки. [106]
Повторное воздействие потенциально токсичных концентраций кислорода в дыхательном газе довольно распространено при гипербарической активности, особенно в гипербарической медицине , погружениях с насыщением , подводных средах обитания и повторяющихся декомпрессионных погружениях . Исследования Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) Р. В. Гамильтона и других определили приемлемые уровни воздействия для однократного и повторного воздействия. Проводится различие между приемлемым воздействием для острой и хронической токсичности, но это на самом деле крайности возможного непрерывного диапазона воздействий. Можно провести еще одно различие между обычным воздействием и воздействием, необходимым для неотложной помощи, когда более высокий риск кислородной токсичности может быть оправдан для достижения снижения более критической травмы, особенно в относительно безопасной контролируемой и контролируемой среде. [33] [93]
Метод Repex (повторяющееся воздействие), разработанный в 1988 году, позволяет рассчитать дозировку токсичности кислорода с использованием значения однократной дозы, эквивалентной 1 минуте 100% кислорода при атмосферном давлении, называемой единицей переносимости кислорода (OTU), и используется для предотвращения токсических эффектов в течение нескольких дней эксплуатационного воздействия. Некоторые подводные компьютеры автоматически отслеживают дозировку на основе измеренной глубины и выбранной газовой смеси. Пределы допускают большее воздействие, когда человек не подвергался воздействию в последнее время, а суточная допустимая доза уменьшается с увеличением последовательных дней воздействия. [33] Эти значения могут не полностью подтверждаться текущими данными. [107]
Более позднее предложение использует простое уравнение мощности, индекс токсичности (TI) = t 2 × P O 2 c , где t — время, а c — степенной член. Это было получено из химических реакций, производящих реактивные формы кислорода или азота, и, как было показано, дает хорошие прогнозы для токсичности ЦНС с c = 6,8 и для легочной токсичности с c = 4,57. [107]
Для легочной токсичности время указывается в часах, а P O2 в абсолютных атмосферах, TI следует ограничить значением 250 .
Для токсичности для ЦНС время указывается в минутах, P O 2 — в абсолютных атмосферах, а TI 26 108 указывает на риск 1%.
Хотя судороги, вызванные кислородной токсичностью центральной нервной системы, могут привести к случайной травме жертвы, в течение многих лет оставалось неясным, может ли произойти повреждение нервной системы после припадка, и несколько исследований искали доказательства такого повреждения. Обзор этих исследований, проведенный Биттерманом в 2004 году, пришел к выводу, что после удаления дыхательного газа, содержащего высокие фракции кислорода, не остается долгосрочных неврологических повреждений от припадка. [21] [108]
Большинство младенцев, выживших после случая бронхолегочной дисплазии, в конечном итоге восстановят почти нормальную функцию легких, поскольку легкие продолжают расти в течение первых 5–7 лет, а ущерб, вызванный бронхолегочной дисплазией, в некоторой степени обратим (даже у взрослых). Однако они, вероятно, будут более восприимчивы к респираторным инфекциям на протяжении всей оставшейся жизни, а тяжесть последующих инфекций часто выше, чем у их сверстников. [109] [110]
Ретинопатия недоношенных (РН) у младенцев часто регрессирует без вмешательства, и зрение может быть нормальным в последующие годы. Когда болезнь прогрессировала до стадий, требующих хирургического вмешательства, результаты лечения РН 3 стадии, как правило, хорошие, но гораздо хуже для более поздних стадий. Хотя хирургическое вмешательство обычно успешно восстанавливает анатомию глаза, повреждение нервной системы в результате прогрессирования заболевания приводит к сравнительно худшим результатам в восстановлении зрения. Наличие других осложняющих заболеваний также снижает вероятность благоприятного исхода. [111]
Обеспечение дополнительным кислородом остается жизненно важным в интенсивной терапии и может повысить выживаемость при некоторых хронических состояниях, но гипероксия и образование активных форм кислорода участвуют в патогенезе нескольких опасных для жизни заболеваний. Токсические эффекты гипероксии особенно распространены в легочном отделе, а мозговое и коронарное кровообращение подвергаются риску при сосудистых изменениях. Длительная гипероксия вредит иммунным реакциям, а восприимчивость к инфекционным осложнениям и повреждению тканей увеличивается. [37]
Частота интоксикации центральной нервной системы среди водолазов снизилась после Второй мировой войны, поскольку были разработаны протоколы для ограничения воздействия и парциального давления вдыхаемого кислорода. В 1947 году Дональд рекомендовал ограничить глубину, разрешенную для дыхания чистым кислородом, до 7,6 м (25 футов), что соответствует парциальному давлению кислорода 1,8 бар (180 кПа). [112] Со временем этот предел был снижен, и сегодня обычно рекомендуется предел в 1,4 бар (140 кПа) во время рекреационного погружения и 1,6 бар (160 кПа) во время неглубоких декомпрессионных остановок, [113] хотя военные водолазы, использующие кислородные ребризеры, могут работать на больших глубинах в течение ограниченных периодов времени, подвергая себя большему риску. [114] Кислородная интоксикация теперь стала редким явлением, за исключением случаев, когда она вызвана неисправностью оборудования и человеческой ошибкой. Исторически сложилось так, что ВМС США усовершенствовали таблицы воздуха и газовых смесей в своем Руководстве по дайвингу ВМС, чтобы сократить случаи интоксикации кислородом. В период с 1995 по 1999 год отчеты показали 405 погружений с поддержкой поверхности с использованием таблиц гелий-кислород; из них симптомы кислородного отравления наблюдались в 6 погружениях (1,5%). В результате ВМС США в 2000 году изменили графики и провели полевые испытания 150 погружений, ни одно из которых не вызвало симптомов кислородного отравления. Пересмотренные таблицы были опубликованы в 2001 году. [115]
Изменчивость переносимости и другие переменные факторы, такие как рабочая нагрузка, привели к тому, что ВМС США отказались от скрининга на переносимость кислорода. Из 6250 тестов на переносимость кислорода, проведенных между 1976 и 1997 годами, было отмечено только 6 случаев кислородной интоксикации (0,1%). [90] [91]
Кислородная интоксикация центральной нервной системы среди пациентов, проходящих гипербарическую оксигенотерапию, встречается редко и зависит от ряда факторов: индивидуальной чувствительности и протокола лечения; и, вероятно, показаний к терапии и используемого оборудования. Исследование Вельслау в 1996 году сообщило о 16 случаях из популяции 107 264 пациентов (0,015%), в то время как Хэмпсон и Атик в 2003 году обнаружили показатель 0,03%. [116] [117] Йылдыз, Ай и Кырдеди в резюме 36 500 случаев лечения пациентов в период с 1996 по 2003 год сообщили только о 3 случаях кислородной интоксикации, что дает показатель 0,008%. [116] Более поздний обзор более 80 000 случаев лечения пациентов показал еще более низкий показатель: 0,0024%. Снижение заболеваемости может быть частично связано с использованием маски вместо капюшона для подачи кислорода, поскольку в маске меньше мертвого пространства . [118]
Общий риск токсичности ЦНС может достигать 1 на 2000–3000 процедур, но он варьируется в зависимости от давления и может достигать 1 на 200 при более высоких режимах лечения давлением от 2,8 до 3,0 АТА или 1 на 10 000 при режимах при 2 АТА или ниже. [40]
Бронхолегочная дисплазия является одним из наиболее распространенных осложнений недоношенных детей, и ее частота возросла по мере увеличения выживаемости крайне недоношенных детей. Тем не менее, тяжесть заболевания снизилась, поскольку лучшее управление дополнительным кислородом привело к тому, что заболевание теперь связывают в основном с факторами, отличными от гипероксии. [45]
В 1997 году резюме исследований отделений интенсивной терапии новорожденных в промышленно развитых странах показало, что до 60% детей с низким весом при рождении развивали ретинопатию недоношенных, которая возрастала до 72% у детей с экстремально низким весом при рождении, определяемым как менее 1 кг (2,2 фунта) при рождении. Однако тяжелые исходы встречаются гораздо реже: для детей с очень низким весом при рождении — менее 1,5 кг (3,3 фунта) при рождении — частота слепоты составляла не более 8%. [36]
Введение дополнительного кислорода широко и эффективно используется в неотложной и интенсивной медицине, но реактивные формы кислорода, вызванные чрезмерной оксигенацией, как правило, вызывают порочный круг повреждения тканей, характеризующийся повреждением клеток, гибелью клеток и воспалением, в основном в легких, что может усугубить проблемы оксигенации тканей, для лечения которых был предназначен дополнительный кислород. Аналогичные проблемы могут возникнуть при кислородной терапии хронических состояний, которые включают гипоксию. Тщательное титрование подачи кислорода для минимизации избытка физиологической потребности также снижает легочное гипероксическое воздействие до разумно осуществимого минимума. [37] Частота легочных симптомов кислородной токсичности составляет около 5%, и некоторые препараты могут увеличить риск, такие как химиотерапевтический агент блеомицин. [40]
Токсичность центральной нервной системы была впервые описана Полем Бертом в 1878 году. [119] [120] Он показал, что кислород токсичен для насекомых, паукообразных , многоножек , моллюсков, дождевых червей, грибов, прорастающих семян, птиц и других животных. Токсичность центральной нервной системы можно назвать «эффектом Пола Берта». [16]
Легочная кислородная токсичность была впервые описана Дж. Лоррейном Смитом в 1899 году, когда он отметил токсичность для центральной нервной системы и обнаружил в экспериментах на мышах и птицах, что 0,43 бар (43 кПа) не оказывали никакого эффекта, а 0,75 бар (75 кПа) кислорода были легочным раздражителем. [32] Легочная токсичность может быть названа «эффектом Лоррейна Смита». [16] Первое зарегистрированное воздействие на человека было предпринято в 1910 году Борнштейном, когда двое мужчин дышали кислородом при 2,8 бар (280 кПа) в течение 30 минут, в то время как он продолжал до 48 минут без каких-либо симптомов. В 1912 году у Борнштейна появились судороги в руках и ногах при дыхании кислородом при 2,8 бар (280 кПа) в течение 51 минуты. [3] Затем Смит продолжил показывать, что прерывистое воздействие дыхательного газа с меньшим содержанием кислорода позволяло легким восстанавливаться и задерживало начало легочной токсичности. [32]
Альберт Р. Бенке и др. в 1935 году были первыми, кто наблюдал сокращение поля зрения ( туннельное зрение ) при погружениях между 1,0 бар (100 кПа) и 4,1 бар (410 кПа). [121] [122] Во время Второй мировой войны Дональд и Ярбро и др. провели более 2000 экспериментов по токсичности кислорода, чтобы поддержать первоначальное использование кислородных ребризеров замкнутого цикла . [46] [123] Военно-морские водолазы в первые годы погружений с кислородными ребризерами разработали мифологию о монстре по имени «Кислородный Пит», который скрывался на дне «мокрого горшка» Экспериментального водолазного подразделения Адмиралтейства (заполненной водой гипербарической камеры ), чтобы ловить неосторожных водолазов. Они называли приступ кислородной токсичности «получением Пита». [124] [125]
В десятилетие после Второй мировой войны Ламбертсен и др. сделали дальнейшие открытия относительно эффектов дыхания кислородом под давлением и методов профилактики. [126] [127] Их работа по прерывистому воздействию для увеличения толерантности к кислороду и по модели прогнозирования легочной кислородной токсичности на основе легочной функции являются ключевыми документами в разработке стандартных рабочих процедур при дыхании кислородом под повышенным давлением. [128] Работа Ламбертсена, показывающая эффект углекислого газа на сокращение времени до появления симптомов со стороны центральной нервной системы, повлияла на работу от текущих рекомендаций по воздействию до будущих разработок дыхательных аппаратов . [23] [24] [129]
Ретинопатия недоношенных не наблюдалась до Второй мировой войны, но с появлением дополнительного кислорода в последующее десятилетие она быстро стала одной из основных причин детской слепоты в развитых странах. К 1960 году использование кислорода было определено как фактор риска, и его применение было ограничено. Последующее падение ретинопатии недоношенных сопровождалось ростом детской смертности и осложнений, связанных с гипоксией . С тех пор более сложный мониторинг и диагностика установили протоколы использования кислорода, которые направлены на баланс между гипоксическими состояниями и проблемами ретинопатии недоношенных. [36]
Бронхолегочная дисплазия была впервые описана Нортуэем в 1967 году, который описал условия, которые приводят к диагнозу. [130] Позднее это было расширено Банкалари и в 1988 году Шеннаном, который предположил, что потребность в дополнительном кислороде на 36 неделе может предсказывать долгосрочные результаты. [131] Тем не менее, Палта и др. в 1998 году пришли к выводу, что рентгенологические данные являются наиболее точным предиктором долгосрочных эффектов. [132]
Биттерман и др. в 1986 и 1995 годах показали, что темнота и кофеин задерживают начало изменений в электрической активности мозга у крыс. [25] [26] В последующие годы исследования токсичности центральной нервной системы были сосредоточены на методах профилактики и безопасного продления толерантности. [133] Было показано, что чувствительность к токсичности кислорода центральной нервной системы зависит от таких факторов, как циркадный ритм , наркотики, возраст и пол. [134] [135] [136] [137] В 1988 году Гамильтон и др. написали процедуры для Национального управления океанических и атмосферных исследований по установлению пределов воздействия кислорода для операций в среде обитания . [85] [86] [87] Даже сегодня модели для прогнозирования токсичности кислорода в легких не объясняют всех результатов воздействия высоких парциальных давлений кислорода. [138]
Аквалангисты-любители обычно дышат нитроксом , содержащим до 40% кислорода, в то время как технические дайверы используют чистый кислород или нитрокс, содержащий до 80% кислорода, для ускорения декомпрессии. Дайверы, которые дышат фракциями кислорода, превышающими содержание кислорода в воздухе (21%), должны быть проинформированы об опасностях кислородной токсичности и о том, как управлять этим риском. [76] Чтобы купить нитрокс, дайверу может потребоваться предъявить доказательства соответствующей квалификации. [139]
С конца 1990-х годов кислородные бары стали пропагандировать использование кислорода в рекреационных целях, где клиенты вдыхают кислород через носовую канюлю . Утверждалось, что это снижает стресс, увеличивает энергию и уменьшает последствия похмелья и головных болей, несмотря на отсутствие каких-либо научных доказательств, подтверждающих это. [140] Также в продаже имеются устройства, которые предлагают «кислородный массаж» и «кислородную детоксикацию» с заявлениями об удалении токсинов из организма и уменьшении жира в организме. [141] Американская ассоциация легких заявила, что «нет никаких доказательств того, что кислород при низких уровнях потока, используемый в барах, может быть опасен для здоровья обычного человека», но Центр оценки и исследования лекарственных средств США предупреждает, что людям с заболеваниями сердца или легких необходимо тщательно регулировать дополнительный кислород, и им не следует пользоваться кислородными барами. [140]
Викторианское общество было очаровано быстро развивающейся областью науки. В « Эксперименте доктора Окса », коротком рассказе, написанном Жюлем Верном в 1872 году, одноименный доктор использует электролиз воды для разделения кислорода и водорода. Затем он перекачивает чистый кислород по всему городу Кикандон, в результате чего обычно спокойные жители и их животные становятся агрессивными, а растения быстро растут. Взрыв водорода и кислорода на фабрике доктора Окса кладет конец его эксперименту. Верн подытожил свою историю, объяснив, что эффекты кислорода, описанные в рассказе, были его собственным изобретением (они никоим образом не подтверждаются эмпирическими доказательствами). [142] Также есть краткий эпизод кислородной интоксикации в его « С Земли на Луну ». [143]
{{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)(требуется подписка){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite book}}
: CS1 maint: unfit URL (link)Следующие внешние сайты содержат ресурсы, посвященные конкретным темам: