Модель декомпрессии Холдейна

Модель декомпрессии, разработанная Джоном Скоттом Холдейном

Джон Скотт Холдейн в 1902 году

Таблицы декомпрессии Холдейна I и II

Декомпрессионная модель Холдейна — это математическая модель декомпрессии до атмосферного давления на уровне моря для водолазов, дышащих сжатым воздухом при давлении окружающей среды, 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 своими бесстрашными экспериментами на себе.

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

^[4]

Холдейн наблюдал, что козы, погруженные в морскую воду на глубину 165 футов (50 м), не страдали декомпрессионной болезнью (ДКБ), если последующая декомпрессия ограничивалась половиной давления окружающей среды. Холдейн построил графики, которые ограничивали критический коэффициент пересыщения до «2» в пяти гипотетических тканевых отсеках тела, характеризуемых их периодом полураспада. Период полураспада также называется периодом полураспада, когда связан с экспоненциальными процессами , такими как радиоактивный распад . Пять отсеков Холдейна (периоды полураспада: 5, 10, 20, 40, 75 минут) использовались в расчетах декомпрессии и поэтапных процедурах декомпрессии в течение пятидесяти лет. ^[5]

Предыдущие теории Холдейна работали над «равномерной компрессией», 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» в размере «одна атмосфера за 20 минут». Холдейн в 1907 году работал над « ступенчатой ​​декомпрессией » — декомпрессией с использованием определенной относительно быстрой скорости подъема, прерываемой определенными периодами на постоянной глубине — и доказал, что она безопаснее, чем « равномерная декомпрессия » при используемых тогда скоростях, и создал свои таблицы декомпрессии на этой основе.

Предыдущая работа

Предыдущая работа Джона Скотта Холдейна

Пол Берт

Поль Берт (17 октября 1833 – 11 ноября 1886) был французским физиологом, который получил степень доктора медицины в Париже в 1863 году и доктора наук в 1866 году. Он был назначен профессором физиологии последовательно в Бордо (1866) и Сорбонне (1869). Поль Берт получил прозвище «Отец авиационной медицины» после своей работы La Pression barometrique (1878), 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 безопасных скоростях декомпрессии. ^{[6] [7]}

Шрётер

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

Его опубликованный в 1900 году отчет с доктором Рихардом Хеллером и доктором Вильгельмом Магером о болезни давления воздуха считается основной немецкоязычной работой по дайвингу и гипербарической медицине . Шреттер, Хеллер и Магер сформулировали правила безопасной декомпрессии и считали, что скорость декомпрессии в одну атмосферу (атм) за 20 минут будет безопасной. Леонард Эрскин Хилл и Гринвуд провели декомпрессию без серьезных симптомов после воздействия 6 атм (610 кПа).

Работа Холдейна

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

В 1907 году Холдейн создал декомпрессионную камеру , чтобы сделать глубоководных водолазов более безопасными, и создал первые декомпрессионные таблицы после обширных экспериментов с животными. В 1908 году Холдейн опубликовал первую признанную декомпрессионную таблицу для Британского Адмиралтейства. Его таблицы использовались Королевским флотом до 1955 года.

«Профилактика заболеваний, вызванных сжатым воздухом» была опубликована в 1908 году Холдейном, Бойкоттом и Дамантом, в которой рекомендовалась поэтапная декомпрессия . ^[2] Эти таблицы были приняты для использования Королевским флотом.

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

В своей гипотезе Холдейн предсказал, что если скорость подъема не позволяет парциальному давлению инертного газа (азота) в каждой из гипотетических тканей превышать давление окружающей среды более чем в два раза (соотношение 2:1), то в этих тканях не будут образовываться пузырьки. По сути, это означало, что можно было бы подняться с глубины 30 метров (100 футов) — давление окружающей среды 4 бара (60 фунтов на квадратный дюйм) — на 10 метров (33 фута) (2 бара (29 фунтов на квадратный дюйм)) или с 10 метров (33 фута) (2 бара (30 фунтов на квадратный дюйм)) на поверхность (1 бар (15 фунтов на квадратный дюйм)) при насыщении, без проблем с декомпрессией. Чтобы гарантировать это, в таблицы подъема было включено несколько декомпрессионных остановок.

Скорость подъема 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 различными видами животных, такими как козы, морские свинки, мыши, крысы, куры и кролики, но основная его работа и результаты были получены на козах и людях.

Холдейн в своей статье заявил: «Чтобы избежать риска образования пузырьков при декомпрессии, до сих пор рекомендовалось, чтобы декомпрессия была медленной и с максимально возможной равномерной скоростью. Поэтому мы должны тщательно рассмотреть процесс десатурации тела во время медленной и равномерной декомпрессии» ^[2] , поэтому краткое содержание его работы выглядит следующим образом: ^[3]

• Когда люди или животные помещаются в сжатый воздух, кровь, проходящая через легкие, поглощает определенное 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, избыток растворенного кислорода будет израсходован, так что в венозной крови будет наблюдаться небольшое увеличение парциального давления кислорода.
• Что касается углекислого газа, то эксперименты Холдейна и Гринвуда показали, что парциальное давление CO2 _в альвеолярном воздухе остается постоянным при повышении атмосферного давления, следовательно, при воздействии сжатого воздуха не может быть увеличения содержания CO2 в крови _.
• Что касается азота, следует учитывать его насыщенность тканями организма.

• 

  Скорость насыщения любой части тела азотом

  Скорость растворимости азота на единицу массы ткани сильно различается в разных частях тела, поэтому после резкого повышения давления воздуха она соответственно меняется.
• Если давление быстро понизить до нормы после воздействия насыщения сжатым воздухом, венозная кровь отдаст весь избыток растворенного азота во время прохождения к легким. Если в результате слишком быстрой декомпрессии образуются пузырьки газа, они увеличатся в размерах за счет диффузии в них и, таким образом, вызовут закупорку мелких сосудов. Чтобы избежать риска образования пузырьков во время декомпрессии, декомпрессия должна быть медленной, а скорость кровообращения может быть значительно увеличена за счет мышечного напряжения.

• 

  Декомпрессия должна быть поэтапной.

  

  Десатурация при равномерной декомпрессии

  Когда водолаз погружается на очень короткое время, учитывается время, затраченное на спуск и подъем. Во время спуска водолаз насыщается азотом, поэтому он должен спускаться как можно быстрее. С другой стороны, во время подъема 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, используемые для экспериментов по ступенчатой ​​декомпрессии, подвергались равномерной декомпрессии в то же время и при той же экспозиции, и в течение тридцати шести испытаний декомпрессии одна умерла, две были парализованы, у одной были неопределенные общие симптомы тяжелого характера, и одиннадцать других случаев «искривлений» произошли наряду с двумя сомнительными случаями.
• Период погружения:

• Для коротких периодов погружения менее семи-восьми минут без повторного погружения: эксперименты Холдейна на козах показали, что внезапная декомпрессия менее чем за минуту после воздействия до четырех минут при 75 фунтах на квадратный дюйм (5,2 бар), что эквивалентно 42 метрам (138 футам) морской воды, у коз не развивались никакие симптомы, даже когда воздействие увеличивалось до шести минут в некоторых случаях. Это совпадает с сообщениями того времени из Средиземноморья об опытных греческих дайверах, нырявших на глубину 30 саженей (55 м), которые, если их снаряжение запутывалось на дне, перерезали свою воздушную трубку и линь и подрывались на поверхности менее чем за минуту. ^[2]
• При погружениях, длившихся более нескольких минут, или при кратковременных повторных погружениях: Хилл и Гринвуд сжимали себя до 91 фунта на квадратный дюйм (6,3 бар), что эквивалентно 53 метрам (174 футам) морской воды, что было очень высоким давлением и рискованным экспериментом, и после декомпрессии у них случились декомпрессии.

  

  Кривые насыщения в эксперименте 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 продолжались на козах, и симптомы, наблюдаемые у коз, каждый раз отмечались по соответствующему графику, чтобы зафиксировать наличие симптомов, а не наличие пузырьков:

• Изгибы, самый распространенный симптом. Конечность, чаще всего передняя нога.
• Временный паралич, симптом общей нехватки кислорода.
• Боль, непрерывное блеяние
• Постоянный паралич, обычно сразу после декомпрессии
• Болезнь, при которой невозможно определить какие-либо местные симптомы, иногда слепая
• Одышка и смерть
• Механические симптомы не важны, если у козы возникли проблемы с ушами во время сжатия.

• Эксперименты на козах включали: ^[2]

• поэтапная декомпрессия при разных давлениях и разном времени декомпрессии, а также сравнение с равномерной декомпрессией. Результаты показали, что для появления симптомов у коз требуется определенное минимальное давление, а также что продолжительность воздействия высоких давлений с разным временем декомпрессии также имела влияние.
• В ходе экспериментов сравнивались различные типы животных и их восприимчивость к симптомам декомпрессии, а также влияние размера при кратковременном и длительном воздействии и времени декомпрессии.
• Эксперименты с массой и объемом крови коз, по-видимому, не выявили никакой связи с восприимчивостью.
• Патологические наблюдения за их посмертными проявлениями коз после декомпрессии показали практическое значение в связи с размером пузырьков, обнаруженных в крови. Патологические изменения, лежащие в основе главных симптомов, были достаточно замечены, за исключением изгибов. Точная причина изгибов не была известна.

Основные результаты работы Холдейна

Эта работа опубликована в книге "Профилактика заболеваний, вызванных сжатым воздухом". Результаты опубликованы в той же книге в разделе "Резюме" на страницах 424 и 425. Основные выводы его модели декомпрессии таковы: ^[2]

• На странице 354 Холдейн пришел к выводу: «Очевидно, что скорость десатурации можно ускорить либо (1) увеличением разницы в давлении азота между венозной кровью и воздухом в легких, либо (2) увеличением скорости кровообращения». Таким образом, для достижения более быстрой десатурации Холдейн пришел к выводу, что мышечное напряжение может значительно увеличить скорость кровообращения, и, таким образом, «во время декомпрессии также должно быть мышечное напряжение».
• Вкратце, на странице 424, пятый вывод Холдейна таков: «Декомпрессия небезопасна, если давление азота внутри тела становится намного больше, чем в два раза выше атмосферного». Холдейн помещал коз в компрессионные камеры под давлением на долгие часы, чтобы убедиться, что их ткани полностью насыщены азотом, а затем после этих экспериментов пришел к выводу, что «если абсолютное давление снизить на 50%, это не вызовет декомпрессионную болезнь».
• Холдейн опубликовал свои «Таблицы декомпрессии» Таблицу I и Таблицу II на страницах 442 и 443. Для удобства использования преобразуйте футы в метры, умножив на 0,3048, а из фунтов на квадратный дюйм в бары , умножив на 0,0689475729. Эти таблицы позволяют дайверам подниматься до половины их абсолютного давления окружающей среды и оставаться в течение рассчитанного времени декомпрессии, прежде чем подняться дальше до половины абсолютного давления последней стадии. Холдейн разделил свои графики на Таблицу I для «обычных воздействий» и Таблицу II для «задержки за пределами обычных пределов времени». В настоящее время при оценке время декомпрессии Таблицы II было связано с большим риском декомпрессионной болезни.
• Холдейн разделил ткани организма на различные категории и измерил десатурацию азота в каждой из них. Это привело к концепции быстрых тканей и медленных тканей, где некоторые ткани заполняются газом и быстро его опорожняют; это быстрые ткани. С другой стороны, медленные ткани медленно заполняются и медленно опорожняются. Холдейн изобразил логарифмическую тенденцию этих тканей к заполнению и опорожнению.

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 всплытия, используемая в старых таблицах, составляла 18 метров в минуту (59 футов/мин), но в новых таблицах теперь используется 9 метров в минуту (30 футов/мин). ^{[10] [11]}

• Холдейн представил таблицы декомпрессии, основанные на пяти тканевых компартментах с периодами полураспада 5, 10, 20, 40 и 75 минут.
• ВМС США усовершенствовали таблицы Холдейна и представили модель с девятью тканями. Они также представили расчеты для полупериодов, начиная с 5 минут и до 240 минут.
• Профессор Альберт Бюльманн разработал таблицы декомпрессии для дайвинга на большой высоте в горных озерах. Его модель основана на принципах Халдана, но его таблицы ZHL-16 рассматривали 16 тканей с периодами полураспада до 635 минут и вводили факторы, которые пытались смоделировать изменение предела пересыщения с глубиной.

Связанные работы и исследования Холдейна

Джон Скотт Холдейн

У Холдейна было много других смежных исследований:

• Основал журнал гигиены ^[12]
• Изготовил декомпрессионное устройство для облегчения оказания помощи глубоководным водолазам ^[13]
• В 1907 году после многочисленных экспериментов на животных разработал процедуры декомпрессии для погружений на воздухе на глубину 200 футов или 65 метров для Королевского флота.
• 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,

T : напряжение (давление) газа в тканях

T ₀ : начальное напряжение

T _{N 2} : текущее напряжение азота

T _f : конечное натяжение

t ₀ : период полураспада отсека

т : текущее время

Противоречивая работа

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

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

Рисунки и таблицы из книги «Профилактика заболеваний, вызванных 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
• 
  страница 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 подъема водолаза после обычных пределов времени нахождения 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 на поверхности ».

Ссылки

1. "Экспериментальное водолазное подразделение ВМС США"
2. Boycott, AE; Damant, GC; Haldane, JS (июнь 1908 г.). «Профилактика заболеваний, вызванных сжатым воздухом». The Journal of Hygiene . 8 (3): 342–443. doi :10.1017/S0022172400003399. PMC  2167126. PMID 20474365.  Архивировано из оригинала 24 марта 2011 г. Получено 12 мая 2015 г.{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
3. von Lünen, Alexander (2006). «Козы и газы: «Профилактика заболеваний, вызванных сжатым воздухом» Холдейна и др. — комментарий». Wilderness & Environmental Medicine . 17 (3): 195–196. doi :10.1580/06-weme-lh-028. ISSN  1080-6032. PMID  17078317.
4. Lang, Michael A.; Brubakk, Alf O. (2009). «Эффект Холдейна» (PDF) . В Pollock, NW (ред.). Дайвинг для науки 2009: Труды 28-го симпозиума Американской академии подводных наук (PDF) . Американская академия подводных наук. стр. 112–124.
5. Wienke, BR (1989). «Перенос N2 и критические давления в тканевых компартментах». Математическое и компьютерное моделирование . 12 (1): 1–15. doi :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, Мейджор (4 февраля 1908 г.). «Влияние повышенного барометрического давления на человека. № 4. — Связь возраста и веса тела с эффектами декомпрессии». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, содержащая документы биологического характера . 80 (536): 12–24. doi :10.1098/rspb.1908.0003. ISSN  0950-1193. JSTOR  80220.
10. Carturan, D.; Boussuges, A.; Vanuxem, P.; Bar-Hen, A.; Burnet, H.; Gardette, B. (1 октября 2002 г.). «Скорость всплытия, возраст, максимальное потребление кислорода, ожирение и циркулирующие венозные пузырьки после погружения». Журнал прикладной физиологии . 93 (4): 1349–1356. doi :10.1152/japplphysiol.00723.1999. ISSN  8750-7587. PMID  12235035.
11. Carturan, D.; Boussuges, A.; Molenat, F.; Burnet, H.; Fondarai, J.; Gardette, B. (2000). «Скорость всплытия и циркулирующие венозные пузырьки при любительском дайвинге». Международный журнал спортивной медицины . 21 (7): 459–462. doi :10.1055/s-2000-7411. ISSN  0172-4622. PMID  11071045.
12. "Архив "Журнала гигиены"".
13. Sekhar, KC; Rao, SSC Chakra (2014). «Джон Скотт Холдейн: отец кислородной терапии». Indian Journal of Anaesthesia . 58 (3): 350–352. doi : 10.4103/0019-5049.135087 . ISSN  0019-5049. PMC 4091013. PMID  25024490 . 
14. Sekhar, KC; Rao, SSC Chakra (2014). «Джон Скотт Холдейн: отец кислородной терапии». Indian Journal of Anaesthesia . 58 (3): 350–352. doi : 10.4103/0019-5049.135087 . ISSN  0019-5049. PMC 4091013. PMID  25024490 . 
15. Rusoke-Dierich, Olaf (2018), Rusoke-Dierich, Olaf (ред.), «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, релевантность и возможности проверки». Undersea & Hyperbaric Medicine . 41 (6): 531–556. ISSN  1066-2936. PMID  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. doi :10.2165/00003088-200140010-00001. ISSN  1179-1926. PMID  11236806.