Kontrdyfuzja izobaryczna - nurkowanie techniczne

Kontrdyfuzja izobaryczna to obecnie bardzo popularny temat na kursach nurkowania technicznego (2007r). Dotyczy nurkowań głębokich dekompresyjnych ze zmianą gazów - mowa tu o nurkowaniach na głębokość 80m i głębiej. Jeżeli nie zmieniasz gazów w trakcie nurkowania, czyli nie nurkujesz technicznie przy użyciu mieszanek zawierających hel, ten temat Ciebie nie dotyczy - nie czytaj dalej, albowiem materiał tu zawarty, nie jest ogólnie akceptowana teorią nurkowania, może zawierać błędy i wprowadzać w błąd, materiał traktuj jako zaledwie liźnięcie tematu. Strona będzie się rozwijała wraz z rozwojem wiedzy w tym temacie. Będę wdzięczny za wszelką pomoc w redagowaniu zawartych tu informacji.

Kontrdyfuzja izobaryczna oznacza dyfuzję (przenikanie) gazów w przeciwnych kierunkach przy niezmiennym ciśnieniu otoczenia. Możemy mówić o kontrdyfuzji izobarycznej w zasadzie dowolnego gazu inertnego używanego w trakcie nurkowania, najczęściej jest mowa o  helu i azocie, ale niektórzy wspominają również o argonie. Kontrdyfuzja izobaryczna nie zachodzi na na poziomie komórkowym lecz subkomórkowym.

Mówiąc o kontrdyfuzji izobarycznej azotowej mamy na myśli wszelkie procesy zachodzące podczas zmiany gazów w trakcie wynurzania, ale tylko w przypadku, kiedy gaz dekompresyjny ma większą zawartość procentową azotu,  niż gaz denny, czy podróżny, co prowadzi do zwiększenia sumarycznego ładunku gazu w tkance i przekroczenia M-value dla tkanki.  Efektem kontrdyfuzji będzie natychmiastowe uderzenie DCS w szybkich tkankach.  

Ważnym elementem kontrdyfuzji izobarycznej jest również prędkość dyfuzji (szybkość z jaką gaz wchodzi i wychodzi z roztworu) danego gazu, a dokładniej różnica w dyfuzji - wiemy, że prędkość dyfuzji helu jest 2.65 razy większa od prędkości dyfuzji azotu na poziomie komórkowym  (teorii gazu rozpuszczonego (Haldane/Workman/Buehlmann). I na tej podstawie nie da się wyjaśnić zjawiska kontrdyfuzji izobarycznej, bo hel opuści tkanki szybciej niż wejdzie azot.

Zjawisko które nas interesuje nie zachodzi wiec na poziomie komórkowym lecz subkomórkowym. Tkanka nerwowa (szybka bo o wysokiej perfuzji) zawiera w komórkach nerwowych znaczną zawartość substancji lipidowych. Krytyczna staje się rozpuszczalność w lipidach, która jest 4,5 razy wyższa dla azotu niż dla helu. A więc opisowo: 

hel uwalnia się z cytoplazmy, gdzie jest rozpuszczony wolno, chociaż szybko dyfunduje przez błonę komórki,

za to azot dyfunduje przez błonę wolno, ale za to błyskawicznie się rozpuszcza.

Dodatkowo błona komórki nerwowej nie oddziela dwóch środowisk jednorodnych. Wewnątrz komórki jest więcej lipidów niż na zewnątrz. Poza tym dla przenikania przez błonę komórkową większe znaczenie ma rozpuszczalność w lipidach niż średnica cząstki (z biologii ogólnej).

Reasumując: ma zastosowanie "wskaźnik przenikania", który jest syntezą wskaźnika dyfuzji i wskaźnika rozpuszczalności oraz relacji (stosunku) lipidów do nielipidów. W przybliżeniu jest 1,7 razy wyższy dla azotu niż helu (wskaźnik przenikania możemy wyliczyć przyjmując, że szybkość rozpuszczania jest w przybliżeniu taka sama jak szybkość wydzielania z roztworu (odsycania) oraz, że szybkość dyfuzji helu jest 2,65 razy wyższa niż azotu, natomiast rozpuszczalność azotu (czyli szybkość rozpuszczania [tylko w bardzo szybkich tkankach]) 4,5 razy wyższa niż helu - to w najprostszym ujęciu mamy przenikalność azotu 4,5/2,65=1,7 razy wyższą niż helu (przynajmniej dla struktury bogatej w lipidy)).

A zatem po zmianie gazów z trimiksu na nitroks w tkance nerwowej następuje (około) dwukrotnie szybsze nasycanie azotem niż odsycanie z helu.

Przykładowo, jeżeli w trakcie wynurzania z głębokiego nurkowania dekompresyjnego na głębokości 40m czyli  w tym przykładzie sufitu dekompresyjnego zmienimy trimix TMX 20/25 na nitroks EAN 32, to w nowym gazie oddechowym będzie większy udział procentowy azotu, jego zawartość wzrośnie z 55% do 68% (przyrost 13%) nastąpi zwiększenie sumarycznego ładunku gazu w tkankach powodujące przesycenie i powstanie pęcherzyków gazowych. 

Wiem, trudno to sobie wyobrazić, więc przedstawiam kilka pomocnych obliczeń:

Ilość rozpuszczonego gazu dla nasyconego medium wyliczymy z prawa Henry'ego:

gdzie:

• C - stężenie rozpuszczonego gazu

• k - wsp. rozpuszczalności gazu

• P - ciśnienie

Dla tkanek lipidowych, współczynniki rozpuszczalności azotu i helu jest następujący:

•  helu – 0,015

•  azotu – 0,067 (około 4,5 razy bardziej rozpuszczalny od helu)

 Nasze obliczenia wykonamy dla 40m czyli 5at, wyliczymy ciśnienie parcjalne helu i azotu (pp-He; pp-N2) 

Trimix 20/25		Nitrox 32
pp-He	pp-N2	pp-He	pp-N2
0,25*5=1,25	0,55*5=2,75	0*5=0	0,68*5=3,4

Teraz pozostaje obliczyć sumaryczną ilość gazów inertnych rozpuszczonych w tkankach

Trimix 20/25		Nitrox 32
C-He	C-N2	C-He	C-N2
1,25*0,015=0,01875	2,75*0,067=0,18425	0	3,4*0,067=0,2278
0,203		0,2278

 Widać, że sumaryczne stężenie gazów inertnych w tkankach szybkich wzrośnie

Jaki gaz użyć? -  Oto jest pytanie.

Dlatego efektem zamiany trimiksu na nitroks jest zwiększenie sumarycznego stężenia gazu w tkankach szybkich. Sytuacja taka może prowadzić do DSC typ III .

Opisane powyżej objawy dotyczą kontrdyfuzji izobarycznej azotowej - przejście na mieszankę o większej zawartości azotu może prowadzić do choroby dekompresyjnej.

Jak sobie z tym problemem radzić? Jest to dobre pytanie, ale na razie pozostaje bez odpowiedzi. Jest co prawda opisane kilka metod ale wszystkie można stosować tylko na własną odpowiedzialność.

Metoda "1/5", chyba najbardziej skomplikowana, brzmi  wzrost zawartości azotu nie może być większy od 1/5 w stosunku do ilości helu w wcześniej stosowanej mieszance (mieszance bardziej bogatej w hel). Definicja jest dość zagmatwana więc najlepiej przedstawić to na obliczeniach. W przykładzie powyżej przełączamy się z TMX 20/25/55 (tlen/hel/azot) na EAN 32/68 (tlen/azot), jak widzimy ilość azotu wzrosła z 55% na 68% czyli o 13%.  Zgodnie z regułą 1/5 ilość azotu mogła wzrosnąć o 1/5 w stosunku do ilości helu, helu było 25% więc po podzieleniu przez 5 (25/5=5%)  otrzymamy 5%. Nowa mieszanka powinna zawierać 55%+5% = 60% azotu. Według tej zasady dopuszczalna jest zmiana na tej głębokości na trimix TMX 32/8/60. Można również użyć mieszanki EAN 40 ale taka zmiana może nastąpić dopiero na głębokości 30m (zobacz tabela MOD - maksymalna głębokość operacyjna). Zapytacie dlaczego wzrost może być o 1/5 - ponieważ rozpuszczalność azotu jest 4,5 razy większa od rozpuszczalności Helu (co ma jedno do drugiego? Ja nie wiem, jak się dowiem to napiszę). 

Taki algorytm postępowania zastosował Mark Ellyat w trakcie zanurzenia na 313m, nurkował na sprzęcie o obiegu otwartym. Mimo faktu, że metoda sprawdza się w praktyce nie jest podbudowana odpowiednią ilością doświadczeń i nie wiadomo czy jej założenia są prawdziwe, ale jak dotąd nikt kto ja stosował nie uległ DCS. Na stronie internetowej http://www.scubaengineer.com/sheck_exley_mexico_dive.htm znajduje się plan udanego nurkowania Sheck’a Exley’a z 1981 roku poddany analizie pod kątem ICD.

Metoda "wskaźnika przenikania" mówi, że  stosunki frakcji azotu w kolejnych gazach powinny mieć się do siebie jak 1:1,3 (wersja zachowawcza), 1:1,5 (wersja umiarkowania) lub 1:1,7 (wersja graniczna). A więc z 16/40 (wg tych zasad) bez ryzyka kontrdyfuzji można przepiąć się na EAN34 (czy nawet w wersji granicznej EAN25), ale nie na EAN21. 

Metoda "stałej frakcji azotu". Przyjmując hipotetyczny ciąg zmian gazu 16/40->21/35->EAN56->Oxy całkowicie eliminujemy jakikolwiek wzrost frakcji azotu.

 Możemy jeszcze mówić o kontrdyfuzji izobarycznej helowej:

• w przypadku używania mieszanki helowej do inflacji skafandra suchego, kiedy oddychamy gazem nie zawierającym helu - sytuacja taka jest z wszech miar nie zalecane i to nie tylko z powodu kontrdyfuzji izobarycznej, ale również na skutek dużej przewodności cieplnej helu,

• przejścia z gazu bez helu na gaz zawierający hel w trakcie wynurzania nie powoduje kontrdyfuzji izobarycznej.

Najbardziej problematyczna jest kontrdyfuzji izobarycznej argonu. Argon używany jest do inflacji skafandra suchego podczas nurkowań trimiksowych, charakteryzuje się małą przewodnością cieplną, dużą gęstością oraz dużym potencjałem narkotycznym. Część nurków jak np Nuno Gomez nie używa argonu, uważa że może oddziaływać narkotycznie. W tej dziedzinie nie ma odpowiednich badań, wszystko opiera się na przekonaniu nurka i z tego powodu część nurków twierdzi że argon również może powodować problemy w trakcie nurkowań głębokich.

 

Wnioski:

Planując głębokie nurkowania trimiksowe należy zwracać uwagę na kontrdyfuzję izobaryczną. Niektóre program dekompresyjne np: V-Planer pozwalają śledzić jej poziom.

Literatura:

[1] - Informacje zasłyszane lewym jak i prawym uchem
[2] - How to avoid aIsobaric Counter Diffusion hit" - Steve Burton, Pattaya, Thailand

tekst powstał przy współudziale Tomasza Machalskiego

1. .