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Bühlmann ZH-L16 - Inertgassättigung
Inertgassättigung von Körpergeweben
Modifizierter Originaltext von Oliver Maus/www.checkdive.eu
Jeder Tauchgang besteht aus drei Phasen
- Kompression - während des Abtauchens
- Isopression - das Verbleiben auf einer bestimmten Tiefe
- Dekompression - während des Auftauchens
Gemäss dem Gasgesetz von Henry lösen sich Gase unter Druck in Flüssigkeiten. Dies findet seine Anwendung bekanntlich auch beim Tauchen. Nach einer genügend langen Oberflächenpause sind alle Körpergewebe mit dem Inertgas Stickstoff gesättigt.
Inertgase sind reaktionsträge (inerte) Gase, die sich nicht oder kaum an Stoffwechselreaktionen beteiligen. Das am häufigsten auftretende Inertgas beim Tauchen ist Stickstoff als normaler Bestandteil der Atemluft (~78%). Dieser Inertgaspartialdruck in den Geweben beträgt auf Meeresniveau rund 0.75 bar.
Während der Kompressionsphase eines Tauchganges steigt der Umgebungsdruck und damit in gleichem Masse der Druck des geatmeten Gases (der Einfachheit halber gehen wir von Pressluft aus). An der Oberfläche beträgt der geatmete Stickstoffpartialdruck ~0.78 bar. Auf 10 Meter Tiefe beträgt der Stickstoffpartialdruck der geatmeten Pressluft ~1.56 bar.
Unter zunehmendem Umgebungsdruck erhöht sich also auch der Inertgaspartialdruck, wodurch sich letztendlich mehr Inertgas im Körper löst. Dafür verantwortlich sind u. a. die zwei Mechanismen Perfusion und Druckgradient als treibende Kraft.
Perfusion
Unter Perfusion wird stark vereinfacht die Versorgung von Körperorganen und Geweben mit Blut verstanden, wobei der Zufluss über Arterien erfolgt und der Rückfluss über Venen.
Druckgradient
Der Druckgradient wird bestimmt durch die Differenz der Menge an Inertgas, die auf zwei Seiten einer Membran anliegen. Vor dem Tauchgang sind die Körpergewebe gesättigt (~0.75 bar, eine genügend lange Oberflächenpause vorausgesetzt). Vereinfacht ausgedrückt befindet sich in allen Geweben annähernd der gleiche Inertgasdruck, wie in der eingeatmeten Luft. Wir werden später noch sehen, dass in diese Rechnung noch ein paar andere Faktoren mit einfliessen. Für die Veranschaulichung des Druckgradienten reicht diese Annahme jedoch zunächst aus. Bei einem Umgebungsdruck an der Oberfläche gehen wir von einem Stickstoffpartialdruck von 0.78 bar aus (Gasgesetz von Dalton). Unter den obigen Annahmen finden wir den annähernd gleichen Stickstoffpartialdruck auch in allen Körpergeweben.
Kompressionsphase
Während des Abtauchens (Kompressionsphase) nimmt der Umgebungsdruck zu, in gleichem Mass nimmt auch der Druck der eingeatmeten Luft zu. Auf 10 Meter Tiefe hat die eingeatmete Luft einen Druck von 2 bar, der Stickstoffpartialdruck beträgt somit ~1.58bar. Damit steigt der Inertgaspartialdruck in den Alveolen an und ist höher als auf der Gegenseite, den Lungenkapillaren. Diese Druckdifferenz sorgt dafür, dass mehr Stickstoff aus den Alveolen in Richtung Lungenkapillare fliesst, als umgekehrt. In gelöster Form wird das aufgenommene Inertgas nun durch Perfusion im Körper verteilt und gelangt durch Diffusion schliesslich auch in weniger stark durchblutete Gewebe wie Fett, Knorpel und Bindegewebe.
Dekompressionsphase
Während des Aufstieges an die Oberfläche (Dekompressionsphase) sorgt der Druckgradient mit umgekehrtem Vorzeichen für die Entsättigung der Körpergewebe in Bezug auf Inertgase. Die eingeatmete Luft weist einen geringeren Inertgaspartialdruck auf, der Inertgaspartialdruck in den Lungenkapillaren, die das gelöste Inertgas aus dem Körper transportieren, ist höher als in den Alveolen. Dadurch wird mehr Inertgas abgegeben als aufgenommen. Dieser umgekehrte Druckgradient setzt sich im Körper fort, das Blut kann das Inertgas aus den Geweben wieder aufnehmen und abtransportieren.
Der Druckgradient ist die treibende Kraft für den Austausch inerter Gase zwischen arteriellem Blut und Geweben, während Ausmass und Geschwindigkeit der (Ent-)Sättigung durch die Perfusion kontrolliert wird.
Körpergewebe
Als Haupttransportmittel für gelöste Gase haben wir nun das Blut kennen gelernt. Es weisen aber nicht alle Gewebe des Körpers die gleiche Durchblutungsrate auf. Gewebe wie ZNS (Gehirn und Rückenmark) oder Nieren sind sehr stark durchblutet. Diese Gewebe nehmen in der Abtauchphase daher sehr schnell und sehr viel Inertgas auf. Andere Gewebe, wie Muskulatur und Haut sind weniger stark durchblutet, entsprechend geringer ist hier auch das Sättigungsverhalten. Knochen, Knorpel und Fett sind schliesslich am geringsten durchblutet. Diese Gewebe kann das gelöste Inertgas nur über Diffusion erreichen. Entsprechend langsam findet die Sättigung statt.
Während der Auftauchphase finden die Entsättigungsprozesse umgekehrt statt. Gut durchblutete Gewebe entsättigen sehr schnell, schlecht durchblutete Gewebe entsättigen entsprechend langsam.
Kompartimente
Diese unterschiedlichen Durchblutungsraten müssen in einem Dekompressionsmodell berücksichtigt werden. Daher wurden sog. Kompartimente eingeführt. Kompartimente sind modellhafte Gewebe, die aber nicht mit tatsächlichen Geweben übereinstimmen. Kompartimente sind nur eine Grundlage für die vereinfachte Simulation von physiologischen und physikalischen Abläufen, die während Sättigung und Entsättigung mit Inertgasen im Körper ablaufen. Dazu haben diese Kompartimente unterschiedliche Eigenschaften. Bühlmann arbeitet in seinem Modell ZH-L16 mit 16 unterschiedlichen Kompartimenten.
Halbwertszeiten
Kompartimente zeichnen sich in erster Linie durch ihre Inertgasbezogenen Halbwertszeiten aus. Ist ein Kompartiment durch eine Stickstoff-Halbwertszeit von 8 Minuten gekennzeichnet, bedeutet das bei konstantem Umgebungsdruck (Isopression), dass dieses Kompartiment nach 8 Minuten zu 50% mit Stickstoff gesättigt ist. Nach weiteren 8 Minuten ist von den verbleibenden 50% wiederum die Hälfte gesättigt. Nach zwei Halbwertszeiten besteht also eine Sättigung von 75%. Nach insgesamt 6 Halbwertzeiten wird ein Kompartiment als gesättigt bezeichnet (98,4%).
Halbwertszeiten werden zur Beschreibung vieler biologischer Prozesse oder auch von radioaktivem Zerfall eingesetzt.
Würde ein Taucher lange genug auf der Tiefe von 10 Metern (aus dem obigen Beispiel) ausharren (Isopression), wäre die vollständige Sättigung der Gewebe nach rund 64 Stunden abgeschlossen, da das langsamste Kompartiment (Nr. 16) eine Halbwertszeit von 635 Minuten hat. Das schnellste Kompartiment (Nr. 1) mit einer Halbwertszeit von 4 Minuten wäre bereits nach 24 Minuten gesättigt.
Damit wird ersichtlich, dass die langsamsten Kompartimente bei der Dekompressionsberechnung im Bereich des Sporttauchens keine dominante Rolle spielen.
Auf- und Entsättigung von Kompartimenten mit Inertgasen verlaufen exponentiell. Diese Prozesse lassen sich mathematisch in Form einer Differentialgleichung darstellen. Die Lösung der Differentialgleichung führt letztlich zur Sättigungsgleichung.
Weiter geht's auf dem folgenden Link mit der detaillierten Erklärung der Sättigungsgleichung.