Wpływ zmian wartości ciśnienia atmosferycznego na stan zdrowia człowieka
dr hab. n. med. Barbara Nieradko-Iwanicka
Katedra i Zakład Higieny Uniwersytetu Medycznego w Lublinie
Normobaria – ciśnienie równe 1 atmosferze (1033g/cm2, czyli 760 mm Hg przy temperaturze 0 ºC na poziomie morza)
Hipobaria - stan obniżonego ciśnienia atmosferycznego
Hiperbaria - stan podwyższonego ciśnienia atmosferycznego
Kompresja - proces zwiększania ciśnienia atmosferycznego
Dekompresja - proces zmniejszania ciśnienia atmosferycznego
Dekompresja - proces ponownego zwiększania ciśnienia atmosferycznego
Hipoksja – niedotlenienie
Ciśnienie atmosferyczne od poziomu morza do wysokości 2000 m n.p.m. nie wpływa na czynność organizmu. Im wyżej nad poziomem morza, tym ciśnienie atmosferyczne staje się niższe, powietrze bardziej rozrzedzone, a ciśnienie cząsteczkowe tlenu spada. W miarę oddalania się wzwyż od powierzchni ziemi rozwija się hipoksja hipobaryczna.
Zanurzanie się pod wodą, lub wchodzenie do kopalni, kesonów, gdzie panuje stan podwyższonego ciśnienia atmosferycznego (hiperbaria) może wywoływać stany patologiczne. Uważa się, że człowiek może znosić ciśnienie sprężonego powietrza dochodzące do 1820kPa ( 18 atmosfer). W tych warunkach gęstość powietrza jest tak duża, że utrudnia wymianę gazową w płucach. Wraz ze wzrostem ciśnienia atmosferycznego następuje zwiększenie się ciśnienia cząstkowego tlenu. Zwiększa też pracę mięśni oddechowych. Niebezpieczeństwo w wypadku oddychania powietrzem o podwyższonym ciśnieniu wiąże się z nasyceniem tkanek azotem, a także działaniem narkotycznym azotu. Działanie narkotyczne azotu (upojenie głębinowe) ujawnia się przy wartości ciśnienia około 405kPa (4 atm). Upojenie głębinowe cechuje się uczuciem radosnego błogostanu i euforią z rozproszeniem uwagi, osłabieniem orientacji, podnieceniem i zaczepnością. Równocześnie pojawia się niezborność ruchów i osłabienie siły mięśniowej. Dlatego w nurkowaniach głębokich stosuje się mieszaninę tlenu z helem (np.98% He i 2% O2). Oddychanie czystym tlenem podczas nurkowania nie jest wskazane ze względu na ryzyko zatrucia tlenem. Już kilkugodzinne oddychanie czystym tlenem w warunkach hiperbarii (304kPa-3atm) wywołuje uszkodzenie ściany pęcherzyków płucnych. Hemoglobina utlenowująca się w prawidłowym ciśnieniu prawie w 100% nie może wiązać nadwyżki tlenowej, która rozpuszcza się w osoczu krwi w tak dużych ilościach, że przy ciśnieniu ponad 5 atm tkanki są zaopatrywane w tlen wyłącznie przez osocze, a oksyhemoglobina nie oddaje tlenu. Następstwem tego jest zmniejszenie ilości dwutlenku węgla wiązanego przez krew i gromadzenie się go w tkankch. W związku z tym naczynia się zwężają, ukrwienie tkanek pogarsza się, co odbija się przede wszystkim na procesach enzymatycznych, niekiedy nieodwracalnie. Duża prężność tlenu osłabia aktywność enzymów oddechowych. Objawy zatrucia tlenem to: nudności, bladość powłok, ból i zawroty głowy, przyspieszenie akcji serca, wzrost ciśnienia tętniczego, drżenie mięśni, następnie zamroczenie, drgawki, typu padaczkowego, a nawet zgon.
Nurkom w skafandrach mogą zagrażać w okresie hiperbarii niebezpieczeństwa wynikające z nieprawidłowego zaopatrzenia w powietrze. Przy niedostatecznie szybkim zwiększaniu sprężania powietrza w hełmie wytwarza się niższe ciśnienie niż w otoczeniu i nurek ginie wskutek zmiażdżenia klatki piersiowej wtłoczonej do hełmu; jest to efekt bańki.
Jeśli powietrze wtłaczane jest pod ciśnieniem zbyt wysokim względem poziomu zanurzenia, wtedy rozpręża się w całym, skafandrze i nurek zostaje z narastająca szybkością gwałtownie uniesiony na powierzchnię, ulegając gwałtownej dekompresji To gwałtowne wypchnięcie nurka z powierzchnie nosi miano „efekt balonu”.
Innym niebezpieczeństwem związanym z dekompresją (wynurzaniem się po nurkowaniu lub podczas opuszczaniu kesonu) jest uwalnianie się pęcherzyków gazowych (najczęściej azotu) podczas szybkiego zmniejszania ciśnienia atmosferycznego w środowisku.
Choroba dekompresyjna (DCS - ang. decompression sickness)- zespół objawów dotykających osobę wystawioną na zbyt szybko zmniejszające się ciśnienie atmosferyczne. Może wystąpić w sytuacjach, gdy:
Podczas dekompresji następuje zmniejszanie ciśnienia otoczenia, co powoduje z kolei powstawanie pęcherzyków gazu (zazwyczaj azotu) w tkankach i płynach ustrojowych organizmu. Azot normalnie występuje w tkankach i płynach ustrojowych organizmu w niegroźnej postaci rozpuszczonej. Podczas szybkiego zmniejszania ciśnienia, np. w przypadku rozszczelnienia kabiny lecącego samolotu, lub podczas wynurzania w nurkowaniu, następuje uwalnianie azotu rozpuszczonego w organizmie. Jeśli cały proces przebiega zbyt szybko, azot wytrąca się z krwi i tworzy pęcherzyki, wywołując zatory gazowe i objawy: świąd i marmurkowatość skóry, skrzypienie skóry, bóle stawów, uszkodzenia układu nerwowego, paraliż lub śmierć.
Dekompresja- wypadek nurkowy:
Akcja ratownicza w przypadku wypadku nurkowego:
-dolegliwości występujące podczas wypadku
-moment ich wystąpienia (chodzi o moment utraty przytomności) - podczas zanurzenia czy wynurzenia albo po nurkowaniu
- liczba nurkowań w ciągu ostatnich dni
-głębokość i czas nurkowania
-informacje o możliwych przyczynach wypadku nurkowego (np. choroby przewlekłe, awaria sprzętu)
-rodzaj stosowanej mieszaniny oddechowej (do nurkowania rekreacyjnego bywa używana mieszanina powietrza i tlenu - tzw. nitrox).
Pierwsza pomoc w DCS:
Zagrożenia dla nurka wynikają z oddychania pod ciśnieniem wyższym niż na powierzchni. Nurek, aby mógł oddychać pod wodą, używa aparatu powietrznego. Jego elementem jest automat oddechowy, który podaje oddychającemu pod wodą nurkowi powietrze pod ciśnieniem równym ciśnieniu panującemu na danej głębokości. Na każde 10 metrów ciśnienie wzrasta o ~1 atmosferę, co oznacza, że nurek zanurzony na głębokość 30 metrów oddycha powietrzem pod ciśnieniem ~4 atmosfer. Ciśnienie panujące na tej głębokości jest sumą ciśnienia atmosferycznego (1 atm) i ciśnienia hydrostatycznego wywieranego przez słup wody (3 atm). W przestrzeniach powietrznych ludzkiego ustroju (płuca i drogi oddechowe, zatoki przynosowe, ucho środkowe) na tej głębokości znajduje się powietrze pod takim właśnie ciśnieniem.
Zmiany różnicy ciśnień pomiędzy otoczeniem a wnętrzem ciała nurka mogą powodować uraz ciśnieniowy (tzw. barotraumę). Barotrauma może być przyczyną krwawienia z dróg oddechowych po wynurzeniu. Rozpuszczenie w tkankach większej ilości gazów zawartych w powietrzu jest przyczyną choroby dekompresyjnej.
Podczas zanurzania objętość powietrza w zatokach przynosowych, uchu środkowym i płucach maleje, aby utrzymać ciśnienie otoczenia. Zjawisko to opisuje prawo Boyle'a i Mariotte'a, które mówi, że w stałej temperaturze iloczyn objętości danej masy gazu i jego ciśnienia jest wielkością stałą. W efekcie nurek musi (najczęściej poprzez wykonywanie próby Valsalvy) uzupełniać objętość powietrza w zatokach przynosowych i uchu środkowym. Podczas wynurzania spadek ciśnienia powoduje zwiększenie objętości powietrza w płucach i pozostałych przestrzeniach powietrznych. Zatrzymanie oddechu lub zatkanie dróg łączących ucho środkowe lub zatoki przynosowe z jamą nosowo-gardłową może być przyczyną urazu spowodowanego gwałtownym wzrostem objętości powietrza. Najgroźniejsze jest wstrzymanie oddechu, które doprowadza do uszkodzenia pęcherzyków płucnych przez rosnącą w trakcie wynurzania objętość powietrza. Tak rozwija się uraz ciśnieniowy płuc 9barotrauma), do którego najczęściej dochodzi podczas szybkiego wynurzania z małej głębokości (do 10 metrów). Pierwsze objawy zwykle występują w ciągu 30 minut od wynurzenia; są to: kaszel, krwista plwocina, przyśpieszony oddech, ból w klatce piersiowej nasilający się podczas oddychania, duszność i sinica. Jeśli pęcherzyki gazu w wyniku uszkodzenia tkanki płucnej dostaną się do krwiobiegu, może dojść do tętniczych zatorów powietrznych w krążeniu mózgowym lub wieńcowym. Dostanie się powietrza do jamy opłucnej jest przyczyną odmy, niekiedy prężnej.
Warunkach hiperbarii może otwierać się otwór owalny. Jest on anatomicznie drożny u 30% dorosłych ludzi. Wówczas istnieje ryzyko przedostania się pęcherzyków azotu do dużego krążenia (zatory skrzyżowane) łącznie z zatorem mózgu, czy innych ważnych dla życia narządów.
Roboty kesonowe
Keson to komora wypełniona sprężonym powietrzem, które wypycha wodę z dna rzeki lub morza, by robotnicy mogli w nim budować fundamenty mostów, tunele, zapory wodne. W kesonie robotnicy pracują w warunkach hiperbarii- pod zwiększonym ciśnieniem atmosferycznym.
Praca w kesonie dzieli się na okresy
W okresie kompresji zachodzi, podobnie jak przy zanurzaniu się nurka pod wodą, nasycanie się tkanek gazami z powietrza w stopniu zależnym od ich ciśnienia parcjalnego. Wzrost ciśnienia nie powinien przekraczać 0,2 atm/1 minutę.
Temperatura powietrza w kesonie wynosi 17-22ºC, wilgotność jest bardzo duża-powyżej 99%. W okresie kompresji może występować wciąganie błony bębenkowej i z tego powodu przytępienie słuchu. Przy niedostatecznej drożności trąbki Eustachiusza może dojść do krwawienia do jamy bębenkowej, a nawet przerwania błony bębenkowej. Oddechy stają się głębsze i zwolnione (o 2-3 oddechy/minutę), tętno także ulega zwolnieniu (o ok. 14 uderzeń serca/minutę).
W okresie pracy w stałym ciśnieniu w warunkach kompresji azot zawarty w sprężonym powietrzu rozpuszcza się we krwi i płynach ustrojowych oraz w tkance tłuszczowej. W tkance tłuszczowej wskaźnik pochłaniania azotu jest 5 razy większy niż we krwi. Im dłuższy jest czas pracy w warunkach hiperbarii i im wyższe jest ciśnienie powietrza w kesonie, tym większa ilość azotu rozpuszcza się w tkankach aż do zupełnego ich nasycenia azotem. W ciągu 4 godzin następuje nasycenie ustroju azotem w 90%. U pracowników kesonów stwierdza się niekiedy zmniejszoną liczbę krwinek czeronych w jednostce objętości krwi.
Najbardziej niebezpieczny jest okres dekompresji. Czas trwania dekompresji zależy od czasu pracy w kesonie i ciśnienia w nim panującego. Przy nadciśnieniu 1,6 atm, czas dekmpresji wynosi 18 min, przy nadciśnieniu 2 atm - 30min, 3 atm- 1 godzinę. Czas pracy w kesonie jest regulowany przepisami. Zupełne wydalenia azotu z organizmu po dekompresji wymaga kilku godzin.
Choroba kesonowa (aeropatia, aeroembolia) polega na wytwarzaniu się pęcherzyków azotu we krwi i tkankach. Zbyt szybka bowiem dekompresja powoduje gwałtowne przechodzeni azotu roztworu w postać gazową (zgodnie z prawem Henry’ego). Tkanki o dużej zawartości tłuszczu nasycają się podczas kompresji większą ilością azotu i ulegają desaturacji wolniej od innych. Dlatego późne występowanie objawów choroby kesonowej dotyczy zazwyczaj osób otyłych, a u nich narządów o dużej zawartości tłuszczu.
Obraz kliniczny choroby kesonowej zależy od umiejscowienia i wielkości zatorów gazowych. W lekkich przypadkach występują ból mięśni, stawów, brzucha klatki piersiowej. Wypadku zatoru tętnic wieńcowych może nastąpić nagły zgon.
Postać mózgowa choroby kesonowej - ze strony ośrodkowego układu nerwowego występują objawy ogólne lub ogniskowe: zawroty, bóle głowy, wymioty, zapaść, afazja, ataksja, oczopląs drgawki, zaburzenia czucia, porażenie połowicze, porażenie poprzeczne. Część z tych objawów mija bez śladu po rekompresji, niekiedy jednak dochodzi do trwałych zmian (głuchota, porażenie).
Postać płucna choroby kesonowej - niekiedy dochodzi do zatorów płucnych, ostrego obrzęku płuc, krwawienia z dróg oddechowych.
Postać kostno-stawowa choroby kesonowej – bóle stawów, mrowienie, osłabienie siły kończyn dolnych. W postaci przewlekłej może dochodzić do martwicy jałowej kości. Z czasem powstają torbiele kostne i rozrzedzenia struktury beleczkowatej kości. Mimo to stężenia wapnia, fosforu i fosfatazy zasadowej we krwi są prawidłowe.
Postać skórna choroby kesonowej -skórną manifestacją choroby kesonowej jest marmurkowatość skóry (łac. cutis marmorata) z towarzyszącym świądem, miejscowym niedokrwieniem i przekrwieniem sąsiednich obszarów skóry wskutek zatorów gazowych w naczyniach skórnych. Ustępuje po rekompresji.
Leczenie choroby kesonowej polega na dekompresji w śluzie leczniczej/ komorze hiperbarycznej. Następuje wzrost ciśnienia, a potem powoli obniża się ciśnienie atmosferyczne o 0,1 atm co 5 minut. Zapobieganie chorobie kesonowej opiera się na ścisłym przestrzeganiu warunków technicznych bezpieczeństwa pracy.
Przy użyciu kesonów budowano między innymi fundamenty mostu Bbooklińskiego (obecnie w Nowym Jorku). Most Brookliński, przerzucony przez East River i łączący (wówczas jeszcze miasta) Brooklyn i Manhattan, budowany był w latach 1869-1883. Zaprojektował go niemiecki inżynier John Augustus Roebling. Sam konstruktor mostu ucierpiał w wypadku kilka dni po tym, jak w 1869 ruszyła budowa, i wkrótce zmarł z powodu infekcji, a wielu robotników zapadło na tajemniczą chorobę…Była to właśnie choroba kesonowa. Zapadali na nią robotnicy pracujący w kesonach pod dużym ciśnieniem, wykorzystywanych do budowy fundamentów. Łącznie zginęło 20 robotników, ale jeszcze wielu innych cierpiało na objawy zbyt szybkiej zmiany ciśnienia (w tym syn konstruktora mostu Washington Roebling). Wówczas pracami kierowała… jego żona Emily. Pamiętajmy, że jesteśmy w czasach, gdy w USA rozwija się ruch emancypacyjny kobiet i w 1840 roku pierwsza kobieta zdobywa w USA dyplom licencjata. Także Emily zgłębiła tajniki inżynierii i bez jej umiejętności zarządczych most by nie powstał. Dziś na moście znajduje się tablica upamiętniająca śmierć robotników zmarłych z powodu choroby dekompresyjne przy budowie tego, jak go na początku nazywano „ ósmego cudu świata”
Wpływ obniżonego ciśnienia atmosferycznego na ustrój człowieka
Powietrze otaczające kule ziemską tworzy warstwę o grubości 200-300 km i wywiera na powierzchnię ziemi na poziomie morza ciśnienie 1033g/cm...
xyzgeo