Компрессия и декомпрессия акванавтов [1977 Гуляр С.А., Шапаренко Б.А., Киклевич Ю.Н., Барац Ю.М., Гриневич В.А.

Под компрессией и декомпрессией обычно подразумевают изменение давления и состава дыхательной смеси по заданному временному режиму при переходе в среду с повышенным давлением и возвращении к начальным условиям.

Компрессия при погружениях на малые глубины не вызывает каких-либо трудностей. Увеличение глубины погружения, применение новых дыхательных смесей, использование метода длительного пребывания под водой предъявили более серьезные требования к компрессии. Так, в эксперименте "Физалис-II" максимальное давление 36 кгс/см² было достигнуто за 120 мин, из них 40 мин ушло на перепад от 31 до 36 кгс/см². При таком режиме компрессии было выявлено развитие "нервного синдрома высоких давлений", заставившего говорить о "гелиевом барьере" глубины (X. Fructus и др., 1968).

"Гелиевый барьер" был преодолен путем применения ступенчатой компрессии и глубина погружения человека доведена до 615 м. В табл. 24 в качестве примера приведен режим компрессии в эксперименте "Физалис-V" (глубина 512 м), проведенном в барокамере "СОМЕХ".

Таблица 24. Режим компрессии в эксперименте 'Фазалис-V'

A. Buhlman, Н. Keller (1965) использовали при компрессии и декомпрессии метод чередования различных инертных газов в дыхательных смесях в зависимости от глубины и продолжительности пребывания под водой, что позволило добиться рекордных глубин и скорости подъема, хотя пребывание на предельной глубине было кратковременным.

Насыщение организма индифферентным газом происходит согласно законам диффузии, при этом газ из области большего давления проникает в зону меньшего до тех пор, пока парциальное давление его по обе стороны альвеоло-капиллярной мембраны не сравняется. Чем больше перепад давления при погружении человека, тем значительнее возрастают градиент и скорость диффузии азота (гелия) из альвеолярного воздуха в кровь и ткани. Однако по мере насыщения организма индифферентным газом скорость диффузии снижается. Исследования многих авторов показали, что насыщение (рассыщение) организма индифферентным газом происходит по экспоненциальному закону:

n - условная единица времени, которая равна частному от деления времени пребывания на данной глубине на время полунасыщения ткани.

Принято учитывать время полунасыщения тканей, то есть 50% от первоначального насыщения; в дальнейшем считают, что ткани насыщаются снова на 50%, но от предыдущей величины и т. д. Полным считается насыщение тканей на 98,43%, что соответствует шести условным единицам времени, которое наступает через 2,5 - 3,5 сут. В связи с тем, что различные ткани организма насыщаются газом с разной скоростью, их делят на условные группы с временем полунасыщения (полурассыщения) от 10 до 720 мин. Экспериментально определено и количество растворенного азота в организме человека (70 кг), которое составило около 1000 см³ (Д. С. Холден, 1937), 800 - 1200 см³ (Г. Л. Зальцман, 1956; Н. К. Кривошеенко, 1956).

Декомпрессионные расстройства относятся к ключевым проблемам погружений человека под воду и им посвящена обширная литература (Г. Л. Зальцман, 1961; 1973; П. М. Граменицкий, 1974; S. Miles, 1966; A. Buhlman, 1968; Н. Hempleman, 1969; К. Workman, 1969, и др.).

Однако водолазы постоянно подвергаются опасности декомпрессионных расстройств: на 200 декомпрессий приходится 1 - 10 случаев кессонной болезни, что отражает недостаточный уровень знаний о протекающих в организме процессах.

При расчетах режимов декомпрессии обычно используется метод J. S. Haldane (1908), предложившего ступенчатый подъем водолаза. В основу рассчитанных им таблиц декомпрессии (с глубин до 62 м) было положено представление о коэффициенте допустимого пересыщения и условных группах тканей. Наблюдения показали, что если водолаз находится на глубине 12,5 м сколько угодно времени и быстро выходит на поверхность, то декомпрессионное заболевание не возникает. При этом парциальное давление азота в тканях равно 1,8 кгс/см². Эта величина и была названа коэффициентом допустимого пересыщения, который показывает, во сколько раз парциальное давление азота в тканях может превышать абсолютное давление окружающей среды. Первое допущение D. Haldane о гомогенности организма для насыщения азотом под давлением было им впоследствии уточнено после экспериментальной проверки расчетных данных. В связи с тем, что проникновению инертного газа препятствует ряд факторов (большое количество мембран, различная растворимость азота в разных тканях, неодинаковое кровоснабжение отдельных участков и др.), организм был разделен на 5 условных групп тканей с временем полунасыщения 5, 10, 20, 40 и 75 мин.

В последующем В. В. Смолин, А. А. Александров, Г. Л. Зальцман, В. В. Тюрин и Н. К. Кривошеенко (1950), применяя модификацию метода Haldane, рассчитали режимы декомпрессии для водолазов, погружающихся на глубины до 200 м. И. И. Савичев (1945) и А. Н. Бухарин (1958) в основу метода расчета режимов декомпрессии положили лимит по азоту - то предельное парциальное давление индифферентного газа в организме, которое после быстрого снижения давления до атмосферного не вызывает декомпрессионного заболевания. При расчете необходимо учитывать, чтобы на протяжении всей декомпрессии разность между парциальным давлением азота в организме и давлением окружающей среды не превышала величину лимита. В зависимости от глубины погружения величина лимита меняется от 2,4 до 1,2 кгс/см² (так же, как и коэффициент допустимого пересыщения - от 1,8 до 1,3 кгс/см²).

На принципе ступенчатой декомпрессии и ее модификации рассчитаны таблицы режимов декомпрессии для различных смесей, глубин погружения и экспозиций. Для уменьшения времени декомпрессии используют дыхание чистым кислородом в процессе снижения давления, смену состава дыхательных смесей. Известен метод так называемой декомпрессии на поверхности, когда водолаза быстро поднимают наверх и помещают в барокамеру для прохождения декомпрессии в комфортных условиях. Однако этот метод ограничен глубиной погружения под воду (до 45 м), временем пребывания на глубине, временем подъема.

Разрабатываются режимы непрерывной декомпрессии, сокращающие воем я возвращения на поверхность по сравнению со ступенчатой декомпрессией (М. Pare, 1971). Развитие методов длительного пребывания под водой потребовало разработки новых режимов декомпрессии, решения технических задач возвращения акванавтов к нормальным условиям.

В табл. 25 приведены данные о декомпрессии в некоторых из экспериментов с длительным пребыванием под давлением, где применялись как ступенчатая, так и непрерывная декомпрессии, а также дыхание кислородом; скорость декомпрессии во всех случаях, как правило, не превышала 1 м/мин.

Таблица 25. Характеристика декомпрессий в экспериментах с длительным перебыванием человека под водой

Выбор режимов декомпрессии после длительного пребывания под водой пока не является однозначным. Безопасность часто обеспечивается значительным увеличением времени декомпрессии. Ведутся поиски, экспериментальная проверка различных методов расчета безопасных и эффективных режимов декомпрессии.

Для расчета режимов декомпрессии акванавтов после длительного пребывания под повышенным давлением воздуха или азотно-кислородной дыхательной смеси мы применяли метод А. Н. Бухарина (1958). Указанная методика представлена ниже на примере расчета режима декомпрессии акванавта с низким лимитом по азоту после пятисуточного его пребывания на глубине 20 м при дыхании сжатым воздухом.

Мы использовали теоретические (условные) группы тканей с периодом полунасыщения от 40 до 720 мин, то есть "медленные" ткани, имеющие относительно большее время полунасыщения, что важно для расчета режимов декомпрессии после погружений с полным насыщением тканей индифферентным газом. Зная время полного насыщения - рассыщения (Т), которое равно 72 ч, можно определить количество условных единиц времени (п) для каждой группы тканей по формуле:

Процент донасыщения тканей (Нд) определяется по "Таблицам процента насыщения (рассьпцения) тканей индифферентным газом в зависимости от условного времени" (Г. С. Шилов, 1955), рассчитанным по формуле (24). В связи с тем, что при n = 6 организм практически насыщается полностью, при больших значениях этот процесс тем более произойдет, поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться самой "медленной" тканью со временем полунасыщения 720 мин. Для режима декомпрессии, рассматриваемого нами, донасыщение тканей на грунте (#Ф) составит при любом t 100%.

Для определения напряжения азота в тканях (Р_tN₂), акванавта, находящегося под давлением, рассчитывается (согласно закону Генри) возможное (Н_В) и фактическое (Н_Ф) донасыщение тканей организма на данной глубине:

где: P_в - избыточное давление на грунте, кгс/см²;

F_jN₂ - процентное содержание азота в атмосферном воздухе.

В нашем случае на глубине 20 м Н_В и Н_Ф равны 1,6 избыточных кгс/см².

где P_t⁰N2 - парциальное давление азота в тканях при нормальном давлении кгс/ см².

Таким образом, к началу декомпрессии акванавта на первой остановке Р_tN₂ составит 2,4 кгс/см².

На основании полученных данных определяется глубина первой остановки (h¹):

h¹ = 2,4 кгс/см² - 1,2 кгс/см² = 1,2 кгс/см² = 12 м вод. ст.

Практикой водолазных погружений показано, что скорость перехода с горизонта насыщения на первую остановку не должна превышать 0,25 - 0,33 м/мин (1 м в 3 - 4 мин). Следовательно, на подъем акванавта в нашем случае потребуется около 30 мин. Поскольку время перехода на остановку значительно меньше экспозиции на этой остановке, пренебрегаем его влиянием на рассыщение и расчет процента рассыщения условных групп тканей за время перехода не производим. Для большей безопасности декомпрессии принято для последующих остановок снижать глубину на 2 м.

Время пребывания акванавта на остановках определяется в такой последовательности (табл. 26). P_tN₂ В момент прихода на остановку считается таким же, как и перед началом декомпрессии. Парциальное давление азота на первой остановке (P_t^lN₂) на глубине 12 м равно:

Таблица 26. Последовательность определения времени пребывания и величины рассыщения на остановках при декомпрессии после длительного пребывания акванавта на глубине 20 м (дыхание сжатым воздухом)

(Примечание. Время полунасыщения условных групп тканей на всех глубинах составляет 720 мин.)

Предельно допустимое P_tN₂ на глубине следующей остановки (P_tN₂) определяется, исходя из положения о том, что декомпрессионное заболевание развивается, когда разность между P_tN₂ И давлением окружающей среды выше величины лимита акванавта (А. Н. Бухарин, 1958).

Рассыщение, необходимое на данной остановке (Раcн), будет равно:

На этой же остановке можно достигнуть более глубокого рассыщения тканей от азота при безграничном увеличении экспозиции. Такое возможное рассыщение (Рас_н) будет равно:

Определив процент рассыщения тканей от азота (F_Рac) на данной глубине:

и соответствующее ему количество условных единиц времени (п) по таблице Г. С. Шилова, преобразовав формулу (25), находим искомое время пребывания на остановке - время рассыщения (τ):

Для расчета τ на последующей остановке необходимо определить величину рассыщения тканей от азота за τ на предыдущей остановке. Оно равно разнице между напряжением азота в тканях в момент прихода на остановку (P_tN₂) и фактическим рассыщением тканей от азота на данной глубине (Рас_ф):

где F¹_Рac определяется по таблице Г. С. Шилова, исходя из n, полученного по формуле:

Тогда напряжение азота в тканях к моменту перехода на следующую (10 м) остановку:

Установив глубину следующей остановки (h²), по формулам (21 - 28) находим для нее соответствующие параметры, позволяющие рассчитать такие же величины для h³ и т. д. Скорость перехода с остановки на остановку остается прежней, а время этого перехода отдельно не фиксируется и входит в последующую экспозицию. При расчете обсуждаемого режима декомпрессии на первых остановках применялся довольно низкий лимит по азоту (1,2 кгс/см²) для большей гарантии предотвращения образования газовых пузырьков в тканях организма. Начиная с глубины 8 м, лимит был повышен на 0,1 кгс/см² (1,3 кгс/см²), что использовалось в дальнейших расчетах. К моменту выхода акванавта P_tN₂ стало 1,3 кгс/см², то есть таким же, как его лимит. Это свидетельствует о безопасности режима декомпрессии для данного акванавта. Общее время декомпрессии составило около 36 ч.

В целях профилактики декомирессионного заболевания принято также первые остановки делать глубже последующих на несколько метров. Расчетное время экспозиции на остановке применяется такое, чтобы динамика десатурации не нарушалась. Так, при низких лимитах на отдельных остановках это время увеличивается на 10 - 20%. Принято округлять его в сторону увеличения так, чтобы оно оканчивалось нулями для удобства последующего оперирования цифрами.

Кроме того, во время декомпрессии парциальное давление кислорода во вдыхаемой смеси поддерживается повышенным (0,4 - 0,5 кгс/см²), что увеличивает градиент PN₂, облегчает процесс выведения азота из организма. В случае появления симптомов декомпрессионного заболевания режим лечебной рекомпрессии составляется из расчета увеличения времени пребывания на остановках в 1,5 - 2,5 раза по сравнению с условиями нормальной декомпрессии.

В практике насыщенных погружений важно также знать и глубины бездекомпрессионных погружений (всплытий) акванавтов, что можно рассчитать по разработанной нами методике с применением лимита по азоту. Глубина погружения акванавта ниже горизонта насыщения в метрах водяного столба рассчитывается по формуле:

где: Р_В - абсолютное давление на горизонте насыщения, кгс/см².

Результаты такого расчета приведены в табл. 27, которая показывает, на сколько метров может опуститься акванавт ниже горизонта насыщения, чтобы находиться там в течение 4 ч и возвратиться на свой горизонт без промежуточной декомпрессии и риска получить декомпрессионное заболевание. Из таблицы видно, что глубина бездекомпрессионного спуска увеличивается с возрастанием лимита.

Таблица 27. Глубины бездекомпрессионных спусков ниже горизонта насыщения для акванавтов с различным лимитом по азоту

В табл. 28 приведен пример расчета по формуле (35) глубин бездекомпрессионных спусков ниже горизонта насыщения при 2,5 - 4-часовой экспозиции на грунте с учетом лимита. Причем в целях повышения безопасности таких спусков лимит с увеличением глубины уменьшен.

Таблица 28. Бездекомпрессионных погружений ниже горизонта насыщения в зависимости от лимита акванавта при экспозиции на грунте 2,5 ч

Рассчитанные по описанной методике режимы декомпрессии после длительного пребывания под повышенным давлением воздуха и азотно-кислородной дыхательной среды, режимы бездекомпрессионных спусков были испытаны в условиях барокамеры и подводных лабораторий "Черномор" в Южном отделении института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР в 1969 - 1972 гг. и Народной Республике Болгарии при проведении комплексного эксперимента по плану СЭВ "Шелф-Черномор" в 1973 -1974 гг. (В. А. Гриневич, 1975). В общей сложности в экспериментах приняли участие 104 акванавта (21 экипаж). Декомпрессионных заболеваний у акванавтов практически не наблюдалось (исключение составляют акванавты с очень низким лимитом). Опыт применения приведенной методики расчета режимов декомпрессии позволяет рекомендовать ее для практического использования при насыщенных погружениях в морских и гипербарических условиях.

Учитывая, что декомпрессия является необычным для организма человека сильнодействующим фактором, требующим мобилизации резервов организма, вступающим в действие в конце длительного пребывания человека под водой, когда адаптационные возможности его истощены, в будущем значительное внимание должно уделяться теории протекающих в организме человека процессов при перепадах давления, повышению комфорта декомпрессии путем проведения ее на поверхности в многоместных барокамерах, автоматизации процессов и управления составом дыхательной смеси, индивидуализации режимов, направленных тренировок.