第二期 | 减压理论

减压理论

介绍亨利定律前,需要更详细地了解整个呼吸过程。///

进入肺部的空气沿着气管向下移动,通过两个支气管分别进入左右肺。随着空气深入肺部,支气管分裂成为更小的分支,成为细支气管,继续向外分支,变得更细小。这样增加用于气体交换的面积。在这些分支的末端是数以百万计的气囊,称之为肺泡。肺泡组织含有一层扁平的皮膜细胞,外侧富含微血管,让空气可以由肺通过肺泡的皮膜与血液间转换。

令人难以置信的是,平均每个人的肺里含有约6亿个肺泡,如果将它们平铺,能够覆盖100平方米的面积!肺泡不到人头发厚度的1000分之一,并且每一个都围绕着来自肺动脉携带血液的微血管。而更神奇的是,肺泡壁与周围的微血管只是由一个扁平细胞所组成。这意味着它们与来自肺部的空气只需经过非常短的距离,这加快了气体的交换速度,并且使呼吸作用高效的在正常健康的身体中进行。血液流经肺部微血管大约需要1秒钟,这这段时间里血氧含量几乎发到100%的状态,而在同时氧(O2)代谢过程中产生的二氧化碳(CO2)被移回肺部并呼出。

01

亨利定律

“在恒定温度下,被测气体溶解在溶液中的溶解度

与此溶液达成平衡的气体分压成正比”

还记得我们的身体在海平面所含有的氮气(N2)吗?它大部分溶解在我们的血液与其他组织中,类似于把糖放入一杯茶中。相同的过程,但却没有那么甜的。在潜水时 ,通过血红蛋白与血液发生作用溶解血液中。氮气(N2)的溶解量是由亨利定律所决定的。由 威廉 亨利 在1800年所发现的,亨利定律指出:

“在恒定温度下,被测气体溶解在溶液中的溶解度与此溶液达成平衡的气体分压成正比”

通俗一点说,溶解到血液中的气体量会随着分压的增加而增加。所以潜水时,肺部的气体分压增加,更多的气体会溶入血液中。然而,不同的种类的气体会有不同的溶解度,而身体的不同组织也各不相同。这就是为何减压理论非常复杂的另一个原因。

但是,气体是如何通过血液进入人体组织呢?

在TDI减压程序课程中这是一个常见的问题。

答案是扩散与灌注。

02

扩散

从高浓度区域发散向低浓度区域的不规则运动

扩散是指流体(气体或液体)通过分子的不规则运动,从高浓度区域发散向低浓度区域。

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一个经典的比喻:

在装满水的容器中滴入一些墨水(如上图)。你可以看到随着时间变化墨水慢慢向外移动,墨水在容器中被均匀的分布,直到整个容器中的水变成淡蓝色。

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气体融入血液的量取决于道尔顿定律与亨利定律的相互作用。以氮气(N2)来说,身体在海平面时处于饱和状态,所以在总量没有改变的情况下,细微的融入作用发生在肺部、血液与身体组织。唯一有显著交换的是氧气(O2),它被输送到身体各个组织以及产生代谢作用,而二氧化碳(CO2)则被带回肺部并排出体外。作为脱氧血返回到肺中,分压比在肺泡中为低(因为一些氧气已被身体所使用),所以氧气扩散到血液中。同样的,二氧化碳从身体组织中扩散出来(作为代谢作用的副产品)并且进入血液,并且回到肺部。气体的交换速率是由菲克定律所决定的,但是现在我们暂时没有无需深入谈论这里。在本质上,肺结合血液的运作来确保从空气移动到血液的氧浓度梯度,而二氧化碳则是从血液排放到空气中。正如我们在下潜过程中(我们现在先忽略氦气),当我们增加扩散梯度时 – 我们的肺处在环境压力下(当我们所处的深度)氮气进入身体,所以每个个别气体的分压处在较高的位置。

自由扩散

值得注意的是分压增加后不会推挤气体进入身体组织,就像对轮胎充气一样。他是像分子般的沿着浓度梯间进行随意行动。这意味着一个特定气体的扩散率是不依赖于在身体组织中的其他气体。所以一种气体的移动与另一气体的压力梯度完全不受影响。这解释了氧气如何穿过肺泡膜并进入到血液,而二氧化碳的行进方向却是相反的。它们在相反的方向运动却彼此完全不受干扰(对氮气与氦气的等压反扩散不一定是对的,但是这我们会在以后的 章里讨论)。

在距离非常小的时候,气体可以很好的通过扩散进入身体组织,

那么对身体来说要如何进行这样的气体交换呢?你可能已经猜到了,灌注。

03

灌注

通过灌注进行身体内气体交换

灌注。这个词汇是从法 “perfuser”来的,它意味着“通过或倾倒“,基本上,它是指血液的流动,或是血流的速率。

举个贴合生活的例子:灌注和扩散配合工作类似于垃圾处理。

扩散相当于将家里的垃圾收集并丢进小区垃圾桶行为,灌注就是环卫工人开车将垃圾桶拉走放下新的空垃圾桶。整个小区可以产生很多垃圾,但如果环卫工人不来清理,可能会产生难闻的气味甚至影响行走。然而,如果他们过来并且定期把垃圾清走那么就会一直保持畅通。

血液围着身体四处流动,从肺部携带气体并且将它们运送到越来越小的微血管,直到这些微血管只有一个细胞那么大,这使得氧气能够输送到组织。在潜水时,氮气融入血液通过微血管组织有效的扩散到身体组织,因为组织是由丰富且充满气体的血液源源不绝的供应。不同的身体组织在血液供给气体时有着不同的扩散率。大脑、血液、心脏及肌肉都得到了充足的供应,而骨骼、脂肪与软骨的供给甚少。针对特定组织,如果氮气在血液中的气体张力(局部压力高的结果)高于在组织中的气体张力,那么氮气将会不断扩散到组织 – 这是吸气的过程。这个过程发生在下潜即停留在底部的时候。在上升时,组织张力会高过血液张力,这代表着扩散作用会发生在反方向,将氮气带回肺部,因为肺部比组织有着更低的氮分压。

减压理论,因为它涉及到通过实际潜水来进行真实实验,这全都是关于如何量化这种双向气体的交换,来确保我们在一定的限度下不会超出组织张力限制。我们要如何控制这些极限,直接影响到我们的滞底时间限制、最大深度以及上升速率。如果是技术潜水,特别是当我们开始潜得更深、更久,且使用不同的气体,如氦氮氧或氦氧混合气作为滞底气体,或是高氧混合气来增加扩散速率或是除了溶解在我们身体组织的气体外,尝试控制在我们身体中游离的寂静泡泡大小与数目,量化将会变得更加的复杂。

下期预告

吸气与呼气过程并进一步讨论

饱和、过饱和、临界过饱和

即M值、半时以及惰性气体梯度

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