Арт Дайвинг Клуб: оборудование для дайвинга, курсы, дайвинг туры

 

+7 (925) 740-96-84

Ваш инструктор по дайвингу

Главная > Снаряжение > Полезная информация > статья Брюса Винке

Подробнее об алгоритме..... (статья Брюса Винке)

 

 

 

 

  

Развитие теории декомпрессии неизбежно приводит к появлению различных толкований существующих алгоритмов. В последнее время, наибольший интерес вызывает пузырьковая модель декомпрессии, в корне отличающаяся от традиционной (классической) модели Хелдена и ее производных. На сегодняшний день модель RGBM принята в качестве основного алгоритма в Национальной ассоциации инструкторов подводного плавания (NAUI). Как и любая теория, этот алгоритм может быть по разному описан и объяснен различными авторами, начиная от производителей дайв-компьютеров, использующих его элементы, и заканчивая представителями систем обучения. Однако, по моему глубокому убеждению, для получения наиболее корректного представления о теории - необходимо обратиться к первоисточнику - ее разработчику, что и приведено ниже. С уважением Курс-директор, Технический инструктор NAUI Алексей Кирсанов

Декомпрессионные модели и фазовая механика

 Брюс Винке, Вице-президент NAUI,
Лаборатория передовых компьютерных исследований,
Лос-Аламосская Национальная лаборатория,
Лос-Аламос, N.M.87545.

 

ВВЕДЕНИЕ.

Моделирование декомпрессионных явлений в человеческом теле временами напоминает больше искусство, чем науку. Некоторые придерживаются той точки зрения, что исключительно математическое моделирование декомпрессионных алгоритмов может выполняться лишь в ограниченном числе случаев. В течение последних 80 лет декомпрессионная теория развивалась как на фоне новых технологических открытий, так и в связи с теоретическими изысканиями. Применение тех или иных моделей существенно ограничивалось частными случаями, а почти любое описание декомпрессионных процессов в тканях и крови могло быть опровергнуто и обращено против себя. Тот факт, что декомпрессия имеет отношение к метаболическим процессам и характерна для пропитываемых кровью жидких и полужидких сред, затрудняет постановку экспериментов и анализ декомпрессионных процессов вне живой материи. Однако, применительно к безопасному дайвингу нам необходимы модели для построения таблиц и мерных шкал. Поэтому предметом нашего рассмотрения будут именно детерминистские модели - при всех свойственных им недостатках.

 

Модели

Многие специалисты склонны полагать, что патофизиологические проявления декомпрессионной болезни являются следствием образования газообразной фазы после декомпрессии. Однако, сам процесс образования и развития газообразной фазы с точки зрения физиологии понимается довольно слабо. С помощью применения различных технологий обнаружения пузырьков было установлено: 1. после декомпрессии образуются движущиеся и стационарные (неподвижные) пузырьки; 2. риск возникновения декомпрессионной болезни возрастает с увеличением размеров обнаруженных пузырьков; 3. после декомпрессии обычно образуются также бессимптомные, или тихие, пузырьки; 4. различия в протекании процессов образования газовой фазы, как правило, меньше, чем различия в проявляемых симптомах. Суммируя все вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что понимание процесса образования газовой фазы не только важно для понимания декомпрессионной болезни, но и является ключевым элементом модели как в теории, так и в вычислениях. Пузырьки могут образовываться в тканях и крови в случаях, когда внешнее давление падает ниже, чем внутреннее давление в тканях, в соответствии с механикой поведения насыщенных растворов, содержащих как растворенную, так и свободную (газообразную) фазы. Изучение процесса накопления и рассасывания свободной и растворенной фаз в тканях и крови, а особенно процесса их взаимодействия, является чрезвычайно сложной задачей, находящейся за пределами возможностей даже современных суперкомпьютеров. Однако, при построении таблиц и алгоритмов, закладываемых в цифровые измерительные приборы, должны использоваться такие вычислительные принципы, которые обеспечат безопасность. Наиболее простой способ выполнения ступенчатой декомпрессии после продолжительного пребывания под большим давлением, приведшим к значительному накоплению растворенного газа, состоит в том, чтобы ограничить давление газа в тканях.

 

История

ИСТОРИЯ. Таблицы и сценарии (графики, профили) для выполнения погружений на уровне моря восходят своими корнями к 1908 году - к работам английского физиолога Джона Скотта Хальдана. Он отметил, что животные, ткани которых были насыщены до давления, эквивалентного глубине 165 fsw, не испытывают декомпрессионной болезни, если последующая декомпрессия была ограничена давлением, составляющим половину от внешнего давления. Экстраполировав данные результаты на человеческий организм, исследователи вычислили, что ткани способны выдержать внутреннее давление (концентрацию) газа в тканях, равное удвоенному внешнему давлению, прежде чем начнут проявляться симптомы декомпрессионной болезни. Затем Хелден разработал сценарии, которые ограничивали перенасыщение неких гипотетических групп тканей (компонентов) значением, равным 2. Каждая ткань была охарактеризована соответствующим значением "половинного времени" (полупериодом), "t". В течение длительного времени применялись, введенные Хелденом, 5 компонентов, характеризовавшихся полупериодами, равными 5, 10, 20, 40 и 75 мин. В 30-х годах, в ходе выполнения глубоководных погружений и расширения диапазона существующих таблиц исследователи из ВМС США присвоили каждому компоненту некоторое число (M-число), ограничивающее допустимое насыщение данного компонента. Позже, в 50-х и начале 60-х годов, другие исследователи из ВМС США, впервые приступив к рассмотрению возможности повторных погружений, выступили за то, чтобы в расчетах были использованы 6 компонентов с полупериодами, равными 5, 10, 20, 40, 80 и 120 мин. Каждый компонент, как и раньше, характеризовался своим собственным M-числом. При рассмотрении накопления и высвобождения инертного газа использовались только макроскопические аспекты газообмена между кровью и тканями. Механизмы образования пузырьков, взаимодействия растворенной и свободной фаз, транспортировки газа не подвергались численному оцениванию, поскольку не были ни известными, ни понимаемыми. Сегодня мы знаем о динамике взаимодействия растворенной и свободной фаз, образовании пузырьков, транспортировке газа гораздо больше, но все еще опираемся в основном на модель Хелдена. Инерция и простота модели приводят к тому, что она до сих пор используется и фактически является основной "рабочей лошадкой". Чтобы увеличить скорость накопления и высвобождения растворенного газа, достаточно просто увеличить градиент, т.е. разность между артериальным давлением газа и давлением газа в тканях, поместив дайвера на определенной (декомпрессионной) глубине. Продолжительность пребывания в условиях повышенного давления ограничивается требованием того, чтобы давление газа в тканях никогда не превышало предела, определяемого M-числом. Например, с точки зрения ВМС США, компоненты, имеющие полупериоды 5, 10, 20, 40, 80 и 120 мин, будут характеризоваться следующими M-числами: M = M0 + DM*d, где M0 = 152.7t-1/4, DM = 3.25t-1/4, являющимися функцией глубины d. Из данной формулы очевидно, что M-число максимально для компонента, имеющего минимальный полупериод (т.е. для самого быстрого компонента), и минимально для самого медленного компонента. Быстрые компоненты отвечают за короткие глубоководные погружения, в то время как медленные - за длительные мелководные погружения. Поверхностные величины M0 имеют принципиальное значение в бездекомпрессионном дайвинге, а величины на глубине DM*d - при совершении декомпрессионного погружения. Характерно, что градиент нейтрализации газообразной фазы (пузырьков) возрастает с глубиной, что прямо противоположно свойству градиента нейтрализации растворенной фазы, который с глубиной уменьшается. С практической точки зрения декомпрессия - это игра двух процессов - процесса накопления газа в растворенной форме и процесса роста количества пузырьков, т.е. газа в свободной форме - в человеческом теле, которое в той или иной степени способно нейтрализовать последствия обоих процессов. Необходимо отметить, что модели, рассматривающие только растворенный газ, не могут адекватно описать оба эти процесса. Выраженный в единицах абсолютного давления соответствующий критический градиент, G = Q - P, связан с внешним давлением P и критическим давлением азота M, где Q = 1.27*M. В теориях образования пузырьков перенасыщение ограничено критическим градиентом G. В моделях с преобладанием диффузии давление в ткани может быть ограничено единственным критерием, выражаемым формулой M = 709 P / (P+404). Богатые кровью и хорошо пропитываемые ей ткани обычно рассматриваются как быстрые (с малым полупериодом), а бедные и плохо пропитываемые ткани, содержащие большое количество жира, рассматриваются как медленные (с большими полупериодом). Тем не менее, стоит отметить, что диапазон возможных значений полупериодов не коррелирован с фактическими скоростями перфузии (пропитывания кровотоком) в критически важных тканях. Как было отражено в приведенном выше соотношении, критические параметры с очевидностью имеют большие значение для быстрых тканей. Вариации этих параметров от компонента к компоненту и в зависимости от глубины никак не могут быть названы незначительными. Быстрые компоненты отвечают за кратковременные глубоководные погружения, а медленные - за длительные и не глубокие декомпрессионные погружения.

 

Объемно-диффузионная модель (модель совокупной или общей диффузии).

Ограниченный диффузией газообмен моделируется во времени суммой экспоненциальных функций реагирования тканей, ограниченных артериальным давлением и начальным давлением в тканях. Однако, вместо рассмотрения множества компонентов, в модели используется один совокупный компонент, характеризующийся константой диффузии газа D. Ткань разделена на внутрисосудистую (кровеносную) и внесосудистую (клеточную) зоны. Кровь, содержащая растворенные инертные и метаболические газы, проходит через внутрисосудистую зону, задавая начальные и конечные (граничные) условия для последующей диффузии газов во внесосудистую зону. Скорость диффузии определяется разностью между артериальным давлением и давлением в тканях и соответствующей диффузионной способностью газа (коэффициентом диффузии) D. Решения уравнений диффузии, усредненные по всей совокупности тканей, подобны сумме по всем компонентам, взвешенным с помощью весовых коэффициентов (a2n-1)2*D, определенных исходя из коэффициента диффузии и граничных условий, причем, a2n-1 = (2n - 1)*p / l, где l - толщина ткани. В практических применениях используется временная константа K = p2*D / l2, согласующаяся с экспериментальными данными, полученными Королевским Флотом (K = 0.007928 мин-1), соответствующими 120-минутному компоненту ВМФ США, который используется для расчета насыщения, декомпрессии и повторных погружений. Соответствующие критические давления в объемно-диффузионной модели M = 709*P / (P+404) лежат где-то между значениями фиксированного градиента и многокомпонентными значениями. На поверхности M = 53 fsw, а на глубине 200 fsw M = 259 fsw. Критический градиент G = (493 - P) / (P + 404) также может быть найден из вышеприведенного соотношения. Изначально для ограничения времени пребывания под повышенным давлением использовалось значение критического градиента около 30 fsw. Это значение является чересчур консервативным применительно к глубоководным и кратковременным погружениям, но недостаточно консервативным применительно к мелководным погружениям. Хемплеман ввел вышеприведенное соотношение, дав тем самым возможность разграничить параметры, характеризующие кратковременные (бездекомпрессионные) и насыщенные (декомпрессионные) погружения. Объемно-диффузионные модели привлекательны, поскольку позволяют моделировать весь профиль погружения одним уравнением и предсказывают, что газ будет накапливаться и удаляться по закону t1/2. Пределы бездекомпрессионных погружений tn связаны с глубиной d уравнением объемной диффузии d*tn1/2 = C, причем, диапазон изменения C составляет приблизительно от 400 до 500 fsw мин1/2, что позволяет связать продолжительность и глубину бездекомпрессионного погружения через параметр C. Пределы бездекомпрессионых погружений, согласно модели, используемой в ВМФ США, составляют порядка 500 fsw мин1/2, согласно модели Спенсера - 465 fsw мин1/2, и согласно модели Винке-Янта - 500 fsw мин1/2.

 

Многотканевая (многокомпонентная) модель

Многокомпонентные модели, являющиеся вариациями оригинальной модели Хелдена, предполагают, что газообмен растворенной фазы, определяемый протеканием крови по зонам тела с различными значениями концентрации, вызывается локальными градиентами, т.е. разностью между артериальным давлением крови и мгновенным давлением в ткани. Характер реагирования ткани описывается экспоненциальной функцией, ограниченной артериальным давлением и давлением в ткани и константой перфузии (пропитывания) l, связанной с полупериодом t, равным, например, 1, 2, 5, 10, 20, 40, 80, 120, 240, 360, 480 и 720 мин в предположении, что значение полупериода не зависит от давления. При выполнении повторяющихся погружений или многоступенчатых погружений начальное и артериальное давления представляют собой экстремальные (граничные) значения для каждой ступени или. Для того, чтобы максимизировать скорость накопления и высвобождения растворенного газа, необходимо максимизировать градиент, т.е. разность между артериальным давлением и давлением в тканях, для чего необходимо поместить дайвера настолько близко к поверхности, насколько возможно. Пребывание в условиях повышенного давления ограничено требованием того, чтобы давление в тканях никогда не превышало соответствующих M-чисел - величин M = M0 + DM*d, являющихся функциями глубины d. Образование микропузырьков в крови, затрудняющих выведение газа, взаимосвязь геометрии ткани и газообмена, глубина диффундирования газа, критическая деформация нервов, вызывающая боль, асимметрия процессов поглощения и высвобождения газа, эффективность обмена газа с кровотоком, ограничения, налагаемые на газообмен перфузией (в противовес диффузии) - эти и многие другие вопросы мотивируют необходимость разработки таких расширенных моделей. Многокомпонентная модель рассматривает перенос растворенного газа через его связь с градиентами насыщения, вызывающими выделение газа. В присутствии свободных фаз градиенты, описывающие соотношения свободной и растворенной фаз, а также свободной фазы и крови могут быть сравнимы с градиентом, описывающим соотношение растворенной фазы и крови. Одно из допущений состоит в том, что градиент должен быть разделен на две взвешенные части - описывающие соотношения между свободной фазой и кровью и между растворенной фазой и кровью, а весовые коэффициенты должны быть пропорциональны количеству обособленного газа на единицу объема ткани. Использование разделенного градиента согласуется с идеей расщепления потока на разные фазы и предполагает, что только часть газа в ткани является обособленной, а остальной газ - растворенным. Подобное представление градиента может заменить любые представления градиентов в функциях реагирования тканей.

 

Термодинамическая модель

Термодинамический подход, предложенный Хиллом, является более всеобъемлющим, чем ранние модели. Он учитывает несколько механизмов одновременно: газообмен, разделение фаз, критический объем обособленного газа, приводящий к возникновению боли. Эта модель основана на равновесии растворенной и свободной фаз и предполагает, что накопление и высвобождение газа определяются перфузией и диффузией. Газы диффундируют из граничной зоны (каковой является стенка сосуда) в клеточную зону. Как и в любом случае транспортировки растворенного газа, диффузия определяется разностью между мгновенным давлением в ткани и венозным давлением, а перфузия - разностью между мгновенным давлением в ткани и артериальным давлением. Давление крови и давление в тканях связаны в единую петлю обратной связи. Основополагающий момент в термодинамической модели - критический объем фазы свободного газа, соответствующий порогу для данной ткани. Полная термодинамическая модель весьма сложна, хотя Хилл выполнил огромный объем вычислений, результаты которых согласуются с экспериментальными данными, что подчеркивает состоятельность базовой модели.

 

Модель RGBM (пузырьковая модель с уменьшенными градиентами).

Модель RGBM, разработанная Винке, рассматривает механизмы переноса как растворенной, так и свободной фаз. Она утверждает о существовании "газовых зародышей" (микроядер) с проницаемыми оболочками из поверхностоно-активных молекул, достаточно малых для того, чтобы оставаться в растворе, и достаточно сильных для того, чтобы сопротивляться коллапсу (схлопыванию). Эта модель основана на лабораторных исследованиях роста пузырьков и образования ядер. Она выросла из более простой модели переменной проницаемости (VPM), рассматривающей зародыши пузырьков как микроскопические газовые карманы, поддерживаемые за счет проницаемых для давления эластичных оболочек. Обмен инертного газа определяется локальным градиентом, т.е. разностью между артериальным давлением крови и мгновенным давлением в ткани. И снова, рассматриваются компоненты с полупериодами, равными 1, 2, 5, 10, 20, 40, 80, 120, 240, 360, 480 и 720 мин. Однако, классическая (Хелденовская) модель требует, чтобы экспозиция не превышала некоторых предельных величин. Модель RGBM ограничивает градиент перенасыщения, устанавливая ограничение на объем свободной фазы. Распределение зародышей пузырьков носит экспоненциальный характер то есть количество зародышей уменьшается с увеличением их размера. Существует предположение, что рост зародышей начинает активизироваться по мере многократной компрессии-декомпрессии. Критический радиус rc является границей, отделяющей растущие микроядра от сжимающихся при данном давлении Pc. На уровне моря Pc = 33 fsw, rc = 0.8 мкм и DP = d. Более глубокие декомпрессии приводят к активизации более маленьких, более стабильных ядер. Согласно данной теории существует набор бездекомпрессионных пределов tn для каждой глубины d. Он должен соответствовать значению d*tn1/2 = 400 fsw мин 1/2, где градиент G взят для каждого компонента со своим полупериодом t, а бездекомпрессионные пределы и критические радиусы активизации микроядер взяты в виде функций глубины d = P - 33 fsw. В приведеной таблице сведены значения tn, G0, DG и d (то значение глубины, при которой компонент начинает сдерживать экспозицию).

 

Новый атрибут

Существование стабильных микроядер газа - явление парадоксальное. Пузырькам газа, имеющим размер больше 1 мкм, следовало бы всплывать к поверхности жидкости или геля, в то время как пузырькам с меньшим диаметром - растворятся в течение нескольких секунд. В жидкости, перенасыщенной газом, только пузырьки с критическим радиусом rc могли бы оставаться в равновесии - причем, в очень неустойчивом. Пузырькам с радиусом больше критического следовало бы расти, а с радиусом меньше критического - сжиматься. Однако, эксперименты с гелями, проводимые Янтом, подтвердили существование стабильных газовых фаз, поэтому - вне зависимости от механизма, лежащего в основе этого явления, - эффективное поверхностное давление должно равняться нулю. Хотя фактическое распределение ядер газа по размеру в человеческом теле и неизвестно, эксперименты с гелями продемонстрировали экспоненциальную взаимосвязь количества и радиуса пузырьков. При стабилизировавшемся распределении характерном для фиксированного давления Pc, избыток ядер, активизируемых компрессией-декомпрессией, должен быть удален из организма. Скорость, с которой газ заполняет ткани, зависит как от количества избыточных пузырьков, так и от градиента перенасыщения G. Гипотеза о критическом объеме требует, чтобы произведение этих двух величин всегда оставалось меньше некоторого граничного значения aV, где a - коэффициент пропорциональности. Консервативный набор бездекомпрессионных градиентов (Gbar) может быть получен также и для многодневных и повторных погружений, при условии, что эти градиенты уменьшаются с помощью пузырьковых коэффициентов hrep, hreg, hexc, каждый из которых меньше единицы, т.е. Gbar = hreg * hexc * hrep * G. Эти три пузырьковых коэффициента уменьшают ведущие значения градиентов, поддерживая ограничение на объем фаз. Первый пузырьковый коэффициент hreg отвечает за образование новых стабильных микроядер со временем (в масштабе дней). Второй пузырьковый коэффициент hexc отвечает за развитие новых микроядер при совершении погружений на глубину, большую, чем предыдущее. И, наконец, третий пузырьковый коэффициент hrep отвечает за рост пузырьков при повторных экспозициях (в масштабе часов). Совершенно ясно, что коэффициент повторных экспозиций hrep со временем (порядка 2 часов) устремляется к единице, в то время как многодневный коэффициент hreg продолжает убывать с увеличением активности повторных погружений, хотя и очень медленно. Увеличение таких параметров как "время полураспада" пузырьков и "время полурегенерации" ядер в общем приводит к уменьшению hrep и увеличению hreg. Коэффициент повторных экспозиций hrep ограничивает возможность совершения повторных погружений при малых поверхностных интервалах между ними. Многодневный коэффициент hreg становится достаточно малым, если активно совершаются многодневные погружения в течение более двух недель. Повторные погружения на большую глубину приводят к наиболее значительному уменьшению допустимых градиентов (за счет значительного уменьшения hexc) в случае, когда глубина последующего погружения превышает глубину предыдущего.

Брюс Винке. Перевод и адаптация Алексей Кирсанов.
« Назад