Штучні водолазні дихальні газові суміші (ДГС) використовуються в основному при глибоководних спусках (більше 60 м) методом короткочасних занурень (КП) і при спусках методом тривалого перебування під підвищеним тиском (ДП) на різні глибини. Для короткочасних робочих спусків на середні глибини (21-45 м) призначена лише одна повітряно-киснева суміш, яка в практиці виробничих водолазів майже не використовується.
Газові суміші, що подаються на дихання водолазу по шлангу з поверхні, з водолазного дзвони, з дихальних апаратів різних типів, а також газові середовища в відсіках барокамер з точки зору фізіології повинні забезпечувати адекватний гіпербаричної умов газообмін між організмом і середовищем, розумову і фізичну працездатність, безпеку і скорочення часу декомпресії.
Це може бути досягнуто за рахунок зниження щільності суміші при використанні більш легкого інертного компонента, нормування для даного діапазону глибин величин парціального тиску кисню (РО2), мінімізації дії інертних газів на центральну нервову систему.
Ці три основних принципи оптимізації ДГС в залежності від глибини занурень реалізуються шляхом використання, крім обов'язкового кисню, інертних газів, що відрізняються між собою за своїми фізичними властивостями і біологічній дії на організм, - водень (Н2), гелій (Не), неон (Ne) , азот (N2).
Наступні в цьому ряду аргон (Ar), криптон (Kr) і ксенон (Xe) в водолазної практиці не застосовуються в зв'язку з їх високою щільністю і вираженою наркотичної потенцією навіть при диханні в нормальних умовах (криптон і ксенон), але в перс-пектіви вони, можливо, можуть використовуватися як невеликі добавки до ДГС на основі гелію і водню для усунення неврологічних розладів на великих глибинах.
Багато дослідників використовували киснево-аргонові суміші при проведенні фундаментальних і прикладних досліджень з проблеми, в тому числі за участю людей, до тисків 8-10 кгс / см2. Були отримані науково корисні результати, але очікувано безперспективні для практичного використання таких сумішей, так як їх щільність майже в півтора рази вище і вони в два рази більше наркотичного, ніж киснево-азотні.
Вартість, зі зрозумілих причин, включає забезпечення безпеки і вартість самого водню. Він повинен бути дуже чистим і практично не містити високотоксичних водневих з'єднань.
За визнанням французьких колег, наявність таких домішок було ймовірною причиною загибелі тварин в перших експериментах із сумішами на основі водню. Основна небезпечна домішка в водні - арсин (AsH3 - миш'яковистий водень). ГДК арсину становить 0,05 ppm, або 0,000005 об. %. І це для нормального тиску і восьмигодинного робочого дня. Для глибини 700 м цю величину треба розділити на 71 і врахувати тривалість впливу. Такий водень в два-три рази дорожче використовуваного при глибоководних водолазних спусках гелію.
Так навіщо треба знижувати щільність ДГС?
Підвищена щільність дихальних сумішей, що надходять на дихання водолазу, і дихальної середовища в барокамері призводить до зміни механіки дихання, збільшення опору диханню, підвищення роботи дихання, зниження вентиляції легенів при фізичних навантаженнях і затримки виведення двоокису вуглецю (СО2) з організму, підвищення навантаження на серцево -судинної систему. Ці зміни під впливом щільності супроводжуються підвищенням споживання кисню організмом. Це додаткове споживання кисню направлено в основному на забезпечення підвищеної роботи дихальної мускулатури. А при важкому фізичному навантаженні, коли робота дихання наближається до максимуму, весь додатково споживаний кисень спрямований на забезпечення вентиляції легенів, а не на забезпечення виконання корисної роботи. Це відбувається як при роботі під водою, так і в сухих умовах барокамери.
Фізична робота в умовах гіпербарії практично завжди виконується на фоні зниженої вентиляції легенів. Причому, вентиляція знижується тим більше, чим важча робота. Але це все одно не компенсує загальне збільшення навантаження на дихання, але закономірно призводить до накопичення СО2 в організмі. Ймовірно, що основні причини зниження вентиляції полягають у феномені стиснення бронхів на видиху при роботі в умовах підвищеної щільності і втомі дихальної мускулатури. Наслідком всіх цих фізіологічних зрушень в організмі є зниження працездатності. Ось тому і треба знижувати щільність ДГС. Повністю нормалізувати ці зміни не вдасться, але послабити вплив щільності можна і потрібно включенням до складу ДГС легшого інертного компонента.
Слід зазначити, що щільність необхідно знижувати не тільки через обмеження вентиляції легенів і зниження працездатності, але і по ряду інших фізіологічних причин, які тут ми не розглядаємо.
Навіщо треба оптимізувати парціальний тиск кисню?
Зниження РО2 до 0,18-0,16 кгс / см2 від нормоксіческой рівня (0,21 кгс / см2) призводить до розвитку гіпоксії в організмі, при більш низьких величинах - до кисневого голодування. Перевищення цього рівня призводить до гіпероксії і, як наслідок, до отруєння киснем при перевищенні допустимого рівня парціального тиску і часу дихання.
У будь-яку водолазну дихальну суміш закладається величина об'ємного вмісту кисню, що забезпечує гіпероксіческій, але не токсичний, рівень РО2 на будь-яких глибинах, для яких дана суміш призначена. Тому при короткочасних спусках ДГС не може бути причиною кисневого голодування. Найчастіше це буває пов'язано з технічними, організаційними і кваліфікаційними чинниками. Але якою б не була причина, все реакції організму на гіпоксію спрямовані на компенсацію нестачі кисню. При цьому водолаз не здатний ефективно або взагалі виконувати фізичну роботу під водою.
Підвищення парціального тиску кисню також впливає на функціональні можливості організму. Всі реакції на Гіпероксія залежать від рівня підвищеного РО2 і тривалості впливу. Перші виражені фізіологічні реакції на Гіпероксія приблизно в межах РО2 до 1 кгс / см2 (відповідає чистому кисню при нормальному тиску або 40 метрам глибини при диханні стисненим повітрям) виявляються в дихальній системі. Вони спрямовані на обмеження доставки кисню: невелике зниження легеневої вентиляції в основному в спокої, циркуляції крові, звуження судин головного мозку, зменшення кількості еритроцитів і гемоглобіну в крові і інші. Обмеження вентиляції легенів на додаток до такого ж дії щільності призводить до більшого накопичення СО2 в організмі, що, у свою чергу, може прискорювати початок появи ознак кисневого отруєння. В цілому ці реакції протилежні тим, які спостерігаються при гіпоксії.
Тривала дія гіпероксії, але в межах часу спуску методом КП, супроводжується реакціями з боку центральної нервової і серцево-судинної систем. Фізіологічні реакції переходять в патологічні, коли кисень починає надавати токсичну дію на організм. Результатом можуть бути різні форми отруєння киснем, які вимагають негайного лікування. Допустимі рівні РО2 і часу дихання регламентуються діючими правилами проведення водолазних робіт в Росії. Ці рівні в будь-яку прийняту для використання водолазної ДГС не перевищено. Тому ДГС не може бути причиною отруєння водолаза киснем. Причинами можуть бути: порушення правил, аварійна затримка водолаза під водою, порушення роботи дихального апарату при попаданні води в регенеративний патрон і інші.
При багатодобового перебування в умовах підвищеного тиску нетоксичні величини РО2 знаходяться в межах 160-220 мм рт. ст. (0,21-0,30 кгс / см2). Це підтверджено багатьма дослідниками і практикою водолазних спусків методом ДП в житлових відсіках барокамер. Чи не буде помітно проявляти токсичність і РО2 на рівні 0,35 кгс / см2, але при обмеженні тривалості перебування під підвищеним тиском.
Отже, оптимізація ДГС по кисню спрямована на виключення гіпоксії, кисневого голодування і отруєння киснем.
Навіщо треба мінімізувати дію інертних газів на центральну
нервову систему?
Перш за все, для зняття азотного наркозу, який проявляється при водолазних спусках і в барокамері на стислому повітрі і азотовмісних сумішах, а також для зменшення неврологічних розладів, які проявляються при глибоководних спусках методами КП і ДП і в цілому визначаються як нервовий синдром високого тиску (НСВД ).
Азотний наркоз розвивається на глибинах приблизно від 30-35 метрів і проявляється в помітному порушення розумової діяльності, уповільнення часу реакцій, загальною ейфорії і інших небажаних реакціях. Все це відбивається на зниженні працездатності. Велика небезпека азотного наркозу полягає в тому, що при цьому водолаз несвідомо піддає себе великому ризику. Зрозуміло, що позбутися від наркозу можна лише шляхом заміни азоту іншим (ненаркотічним) інертним газом. В межах доступних водолазу в даний час тисків не виявляють помітних наркотичних властивостей водень, гелій і неон. Але замінюючи важкий наркотичного азот легким ненаркотічним гелієм, отримуємо інші проблеми, пов'язані з теплообміном і спотворенням мови, які досить успішно вирішуються відповідно за допомогою засобів теплозахисту і електронних коректорів мови.
Механізм азотного наркозу точно досі невідомий. Вважається, що наркотична потенція азоту та інших інертних газів залежить від їх розчинності в жирах (теорія Мейера-Овертон). Чим більше розчинний газ, тим більше наркотичний ефект при даному його парціальному тиску. Тому гелій і неон, які відносно погано розчиняються в жировій тканині, можуть використовуватися як інертні гази-розріджувачі при глибоководних водолазних спусках. Вони ненаркотічни в межах доступних водолазу тисків.
Більш важливим проявом дії інертних газів на центральну нервову систему є розвиток НСВД. Це найбільш виражено при диханні киснево-гелієвими сумішами при тисках, відповідних глибин приблизно 100 і більше метрів. Симптоматика НСВД проявляється як тремор (тремтіння) кінцівок, сонливість, порушення м'язової координації, рівноваги. При тисках, відповідних глибин порядку 300 і більше метрів, у водолазів може спостерігатися апатія, нудота, порушення орієнтації та свідомості, можливі навіть періоди мікросна. Вважається, що ознаки НСВД є результатом головним чином дії тиску і швидкості його підвищення при використанні ДГС на основі гелію. Тому їх можна звести до мінімуму шляхом зниження швидкості компресії і застосування ступінчастою компресії з витягами на зупинках.
Не менш ефективно і додавання в дихальну суміш другого інертного компонента - азоту, який є фізіологічним антагоністом гелію, тобто мінімізує реакції організму на дію гелію при компресії. В основному саме це (звичайно, поряд з іншими причинами) породило трикомпонентні суміші, які використовуються в житлових відсіках барокамер ДП водолазних комплексів і при короткочасних глибоководних спусках. Треба відзначити, що роль азоту як компонента дихальної суміші не цілком зрозуміла. Адже є закордонні експериментальні дані про те, що після чотирьох годин перебування людини в нормоксіческой киснево-гелієвої середовищі при нормальному тиску починалися прояви, схожі на симптоми НСВД (тремор, характерні зміни на електроенцефалограмі). Може бути, відсутність азоту в суміші призводить до такого ефекту. Значить, азот необхідний! Адже на тлі азоту в складі повітря проходила і триває наша еволюція. До речі, встановлено, що і додавання водню до суміші на основі гелію надає протидія НСВД.
Таким чином, дотримуючись режим компресії трикомпонентними сумішами, мінімізуються прояви НСВД, які, як і азотний наркоз, і щільність, і токсичність кисню, негативно впливають на працездатність водолаза.
Водолазні ДГС можна розділити на дві групи: призначені для спусків методом КП і методом ДП. Принципових відмінностей по газовому складу ДГС між ними немає. В обох групах використовується кисень з одним або двома інертними газами - азот і гелій. Різниця полягає лише в кількісному співвідношенні газів в суміші. При цьому дотримується важливий принцип - зниження процентного вмісту кисню в суміші зі збільшенням глибини, щоб парціальний тиск кисню збереглося на заданому оптимальному для даної суміші і глибини рівні.
При спусках на малі і середні глибини методом КП в основному використовується повітря. Формально - це суміш кисню з азотом. Але не штучна, а природою створена суміш. Тому використання повітря лімітується глибиною, на якій не було б перевищено поріг токсичності кисню і азотний наркоз не обмежував би ефективність роботи водолаза. З урахуванням цього в Росії допускається глибина не більше 60 метрів, хоча в більшості країн вона не перевищує 55 метрів, що є більш обос-Нова.
У деяких штучних водолазних дихальних сумішах чисте повітря використовується як один з компонентів суміші. Це повітряно-кисневі суміші (ВКС), коли повітря змішується з киснем і, по суті, виходить двухкомпонентная киснево-азотна суміш (КАС - найтрокс) і повітряно-гелієві суміші (ВГС), коли повітря додається до гелію і виходить трехкомпонентная киснево-азотно -геліевая суміш (КАГС - трімікс). Звичайно, ДГС можна приготувати і з окремих чистих газів. Але методично це складніше і дорожче. Однак при підготовці спусків методом ДП дихальне середовище в відсіках барокамер формується шляхом змішування газових компонентів, крім використання повітря на початковому етапі компресії.
Кисень також є компонентом водолазних ДГС. Але це особливий, обов'язковий, компонент, який в чистому вигляді, без інших газових добавок, з обмеженнями може використовуватися для дихання. Тому кисень можна вважати однокомпонентной дихальної середовищем. Його дія на організм зберігається практично незалежно від складу ДГС. Парціальний тиск кисню є головним параметром оптимізації будь-яких водолазних дихальних газових сумішей.
Основні ДГС, які використовуються в Росії при водолазних спусках на малі, середні та великі глибини методом КП, наведені в таблиці.
Дихальна газове середовище в відсіках барокамер водолазних комплексів тривалого перебування підрозділяється залежно від глибин - до і понад 40 метрів. При спусках методом ДП на глибини до 40 м використовується двокомпонентна киснево-азотна суміш (КАС) з РО2 0,3 ± 0,01 кгс / см2 або киснево-азотно-гелієва суміш (КАГС) з РО2 0,25 ± 0,01 кгс / см2 і парціальним тиском азоту 1,0 ± 0,2 кгс / см2. Для глибин понад 40 метрів парціальний тиск кисню в суміші незначно підвищується - до 0,27-0,35 кгс / см2 в завісімос-ти від глибин.
При роботі на грунті на великих глибинах водолазу (акванавтам) на дихання подається двухкомпонентная киснево-гелієва суміш (КГС - гелиокс) з РО2 0,65 ± 0,05 кгс / см2 і 1,2 ± 0,05 кгс / см2 в залежності від типу дихального апарату (з відкритою або напівзамкнутої схемою дихання). Розрахунки показують, що щільність КГС з парціальним тиском кисню 0,65 кгс / см2 трохи нижче щільності ДГС в житловому відсіку барокамери ДП суднового водолазного комплексу під тиском, еквівалентним глибин в діапазоні 100-500 м. Це дуже важливо, враховуючи, що дихальний апарат сам являє собою опір диханню, яке підвищує навантаження на дихання акванавтів. В результаті загальне навантаження на дихання, обумовлена щільністю ДГС і опором апарату, мало відрізняється від навантаження в відсіку барокамери, що не приводить до великого накопичення СО2 в організмі. Навіть при диханні на грунті киснево-гелієвої сумішшю з РО2 = 1,2 кгс / см2 її щільність незначно перевищує величину в відсіку, що некритично для дихання. Крім того, при диханні гіпероксіческой КГС токсичну дію кисню послаблюється, так як СО2 накопичується менше через меншу плотнос-ти. Ці сприятливі для організму умови обумовлені тим, що в суміші немає азоту.
Гіпероксія при цьому доцільна, тому що підтримує физичес-кую працездатність водолаза і при дотриманні режимів роботи під водою не призводить до отруєння киснем, оскільки час роботи на грунті не перевищує допустимий.
Неврологічне-ких розладів при виході в воду з умов ДП, на відміну від короткочасних спусків, не спостерігається. Їх і не повинно бути, тому що водолаз на грунті виконує роботу при тому ж самому тиску, що і в житловому відсіку барокамери водолазного комплексу, де ці розлади, якщо вони і були, ліквідуються в процесі витримки під тиском.
Всі ці штучні дихальні суміші мають свої ліміти по глибинах і тривалості дихання, які відображені в робочих режимах. Для кожної суміші дотримані допустимі величини парціальних тисків кисню та азоту аж до максимальної глибини їх використання (див. Таблицю). У сумішах на основі азоту і гелію (КАГС), предназ-чення для глибоководних спусків, проявляється фізіологічний антагонізм цих газів. Гелій знижує щільність суміші і обмежує наркотичний ефект азоту, так як більша його частина заміщується гелієм. Азот, в свою чергу, блокує ознаки НСВД, покращує теплообмін і мовний зв'язок з водолазом. В цьому і полягає фізіологічна суть оптимізації водолазних ДГС.