L’EVOLUZIONE STORICA DEGLI STUDI SULL’EMISATURAZIONE

PAUL BERT

Nel 1878 Paul Bert, pubblica La Pression Barometrique, un lavoro di 1000 pagine che contiene i suoi studi sulla fisiologia dei cambi della pressione barometrica. Egli affermò che la malattia della decompressione era dovuta alla formazione di azoto sotto forma di bolle, e suggerì una risalita graduale come un modo per prevenire il problema, inoltre spiegava, che il dolore articolare poteva essere alleviato da una ricompressione.

Paul Bert usando dei cani come cavie, fece esperimenti di compressione e decompressione a varie velocità, evidenziando come la mortalità delle cavie variasse in funzione della velocità della fase decompressiva. Bert fu in grado di spiegare alcuni fenomeni basilari che sono legati alla patologia decompressiva. 

In particolare, comprese che la malattia da decompressione è dovuta alla formazione di bolle nei tessuti e nel sangue, determinata dalla eccessiva velocità della fase decompressiva. Inoltre che le bolle erano causate dall’azoto, che la respirazione di ossigeno puro aiuta in modo determinante sia la cura dei sintomi di malattia decompressiva che lo smaltimento dell’azoto in eccesso e che una sosta a metà della profondità raggiunta è utile a scongiurare il pericolo di malattia da decompressione.

HELLER, MAGER E VON SCHROTTER

Agli inizi del 1900 tre studiosi tedeschi tedeschi: Heller, Mager e Von Schrotter, nel 1900 pubblicarono un colossale libro di 1200 pagine nel quale era indicato un modello matematico in grado di simulare quanto avviene nel corpo umano durante la compressione e la decompressione. 

Anche se questo modello era molto elementare, se confrontato alla grande quantità di variabili che interessano l’assorbimento del gas e la sua eliminazione dal corpo umano, ha permesso di stabilire che un tessuto si satura al 100% in 6 tempi di emisaturazione.

In sostanza un tessuto impiega in relazione alle varie profondità un tempo “T” per saturarsi della metà. Lo stesso tempo “T” per saturare la metà della metà rimanente, lo stesso tempo “T” per saturare la metà della metà rimanente, e così via.

. Dopo 6 tempi “T” il tessuto è quindi saturo al 100%.

In pratica i nostri tessuti hanno bisogno di tempo per trovare un equilibrio tra pressione interna e pressione interna del gas inerte di respirazione, secondo questi modelli e questi studi l’Azoto e secondo questo modello il tempo “T” equivale a 9 minuti e 7 secondi ed occorrono 6 tempi “T” per la completa saturazione di un tessuto.

JOHN SCOTT HALDANE

Le tabelle di decompressione calcolate da John Scott Haldane sulla base dei lavori del fisiologo Paul Bert e degli studiosi tedeschi tedeschi: Heller, Mager e Von Schrotter furono pubblicate nel 1922 e vennero in seguito rivedute e continuamente aggiornate fino ai giorni nostri col procedere degli studi sulla fisiopatologia barotraumatica. 

A differenza di Paul Bert che usò dei cani come cavie, Haldane usò delle capre per i suoi studi.

Esse consentono di calcolare il tempo totale della risalita da immersioni di  che hanno durata e profondità conosciute e note in
modo  che il rapporto pressione – tensione dell’azoto nell’organismo non oltrepassi mai il rapporto:

2/1

In relazione a questo rapporto le tappe di decompressione consentono di scaricare l’eccesso di gas accumulato per mantenere il rapporto stesso  nei limiti concessi. 

In sostanza John Scott Haldane, ha sviluppato in effetti una migliore rappresentazione del corpo umano, sicuramente meno elementare, in cui si fa riferimento a 5 tessuti con tempi “T” di emisaturazione di 5, 10, 20, 40 e 75 minuti.

In questo modello il tessuto di 5 minuti si saturerà in 6 tempi di emisaturazione di 5 minuti ciascuno, il tessuto di 10 minuti si saturerà in 6 tempi di emisaturazione di 10 minuti ciascuno e così via, in effetti questa è quindi una rappresentazione di modelli matematici.

In considerazione di questo modello quindi per, ad esempio, un’immersione a 40 metri della durata di 20 minuti, siamo evidentemente sotto saturi in quasi tutti i tessuti perché in 20 minuti nessuno di quei tessuti ha avuto il tempo di sviluppare i suoi 6 tempi di emisaturazione,  in questo caso  infatti il tessuto più veloce, 5 minuti,  in 20 minuti ha sviluppato solo 4 dei 6 tempi di emisaturazione necessari alla completa saturazione, di conseguenza  sarà saturo al 93% circa ma non completamente. 

Contemporaneamente il tessuto più lento avrà appena iniziato a saturare il primo tempo “T” e non avrà neanche completato metà del primo tempo di emisaturazione.

In ogni caso il nostro organismo e i nostri tessuti per 20 minuti hanno assorbito gas sotto pressione cercando l’equilibrio.

DE GRANGES E WORKMAN

Nella metà degli anni ’50, due studiosi – De Granges e Workman – sviluppano ulteriormente quanto detto da Haldane, sia aumentando il numero di tessuti da prendere in considerazione sia sostenendo che il rapporto di sovrasaturazione accettabile non è sempre 2 a 1 ma dipende dallo specifico tessuto.

Il lavoro di Robert Workman fu sviluppato dal 1956 nell’ambito del team di ricercatori dell’Unità Sperimentale Subacquea della Marina statunitense, (NEDU). Il rapporto di Haldane venne rimpiazzato da Workman con un parametro limite, detto valore “M”, per Maximum, dove M è il valore della massima tensione di inerte accettabile in un dato compartimento affinché non si sviluppi la malattia da decompressione.

M non è un valore costante ma dipende dal compartimento considerato e dalla profondità. Quindi durante una immersione, per essere in condizioni di sicurezza la tensione di inerte T in ciascun compartimento deve mantenersi sempre inferiore al valore M che corrisponde alla  profondità alla quale ci si trova. M è pari alla somma di due addendi:  il primo è un valore costante prefissato, M0, e il secondo è ottenuto moltiplicando un coefficiente, (chiamato ΔM), per la profondità, (d=depth).

Secondo questo modello il tessuto di 5 minuti può essere saturo di 3,15 volte rispetto all’ambiente, il tessuto di 20 minuti può essere saturo di 2,18 volte, il tessuto di 80 minuti può essere saturo di 1,58, e così via, secondo affinità specifiche proprie dei vari e diversi tessuti.

​Secondo questo modello, sempre in riferimento ad 1 atmosfera di pressione di partenza, i diversi tessuti possono avere rapporti di saturazione dissimili: 2/1, 3/1, 2,45/1, eccetera

Tale condizione dipende ovviamente da tre fattori:

Tempo di permanenza: quanto tempo abbiamo dato ai tessuti per assorbire azoto e da quanto hanno progredito nei loro 6 tempi “T” di emisaturazione;

Profondità: ovvero alla pressione assoluta alla relativa quota;  

Tipo di Tessuto: all’affinità o meno col gas, all’irrorazione sanguigna, eccetera

 Se a una certa profondità, ovvero ad una certa pressione assoluta, passiamo troppo tempo, i tessuti avranno molto tempo per saturarsi di azoto, secondo la loro affinità e i loro tempi di emisaturazione, in questi casi salire lentamente non basta più poiché è stato superato il limite di sovrasaturazione accettabile.

 Le tabelle di decompressione rappresentano in forma grafica e numerica un incrocio tra tempi: saturazione dei tessuti e profondità: pressione assoluta, e stabiliscono sia i limiti entro i quali e possibile riemergere senza tappe di decompressione sia le tappe di decompressione ovvero i tempi aggiuntivi richiesti per desaturare i nostri tessuti dall’eccesso di azoto assorbito 

 Se infatti uno solo dei tessuti ha una pressione interna superiore a quella che gli è consentita, dobbiamo fermarci prima di mettere la testa fuori dall’acqua e per non superare il limite dobbiamo sostare e fare una o più tappe di decompressione a quote e tempi stabiliti in relazione ai tempi e alle profondità di permanenza 

ALBERT BUHLMANN

Il professor Albert Buhlmann negli anni 80 del 2000 ha fissato dei criteri matematici per la determinazione dei coefficienti e limiti di sovrasaturazione a 16 tessuti, ciascuno con il proprio tempo di emisaturazione   ottenendo un modello decompressivo sempre coerente.

Buhlmann pubblica i suoi studi, che quindi vengono ingegnerizzati e installati sui computer subacquei, dotati degli algoritmi ZHL.

A seconda del numero di tessuti presi in considerazione da questi computer abbiamo lo ZHL-8 (8 tessuti), lo ZHL-12 (12 tessuti), lo ZHL-16 (16 tessuti), etc.

Quando emergiamo dopo qualsiasi immersione nessun tessuto tornerà subito al valore iniziale di pressione (1 atmosfera) poiché avrà bisogno di cedere l’eccesso di gas inerte (Azoto) che, pur senza arrivare a saturazione, hanno comunque assorbito i tessuti. 

Il processo di desaturazione è esattamente speculare al processo di saturazione:ai tessuti occorrono 6 tempi di desaturazione per raggiungere la condizione inziale di pressione: 1 atmosfera, in pratica usciamo dall’acqua sempre sovrasaturi.

Pur essendo sovrasaturi se il rapporto è di 2/1, ovvero se l’ambiente di partenza ha 1 atmosfera, i nostri tessuti possono avere una pressione interna pari a 2, è possibile risalire in superficie senza effettuare soste di decompressione​

DAVID YOUNT, DON HOFFMAN, ERIC MAIKEN E ERIK BAKER

Verso la fine degli anni 90 del 1900 gli studiosi David Yount, Don Hoffman, Eric Maiken e Erik Baker dimostrano con i loro studi che nel nostro organismo sono presenti anche bolle in forma libera, non disciolte nei tessuti e sviluppano un algoritmo di riferimento chiamato VPM che integra l’algoritmo di Buhlman, senza sconfessarne il principio. 

Questo ha significato che le teorie decompressive basate su tessuti/comparti: Haldane, Buhlman, ecc. pur essendo corrette, in sostanza, non tengono conto di tutte le bolle presenti nell’organismo.

Il limite delle teorie decompressive basate su tessuti/comparti è che tengono conto esclusivamente delle bolle che vengono assorbite e poi cedute dai tessuti durante la respirazione di gas compressi in immersione, ma non quelle in forma libera, che non entrano in saturazione.

La conferma a questa scoperta fu data, involontariamente, da Richard Pyle, un ittiologo dell’Università delle Hawaii, che durante le sue immersioni quando era costretto, per l’attività che svolgeva: prelevare pesci portarli in superficie e studiarli in acquario, a immersioni più lunghe e a fare soste in profondità usciva dall’acqua più riposato, di quando effettuava immersioni più brevi senza soste di profondità.

Richard Pyle seguiva comunque le indicazioni del suo computer che non prevedeva soste in profondità, quindi l’immersione era senza errori, eppure riscontrava questo strano fenomeno.

La spiegazione è che il computer usato da Richard Pyle non teneva conto delle bolle libere – le microbolle –

ERIK BAKER: GRADIENT FACTOR 

I gradient factor sono un sistema per aumentare la sicurezza nella pianificazione di un’immersione che permette di modificare l’inclinazione della linea dei valori M. Il sistema è stato inventato da Erik Baker negli anni ‘90 per la gestione della sicurezza con un computer subacqueo.
I Gradient Factors sono due numeri in percentuali nei quali il primo rappresenta il Low Gradient Factor (fattore di gradiente basso) ed il secondo il Hig Gradient Factor (fattore di gradiente alto).

Il sistema a GF è utilizzabile solo in relazione all’algoritmo Bhulmann (sugli altri modelli decompressivi non è utilizzabile) 

Il subacqueo può  variare i valori GF in modo da creare un profilo decompressivo che segue una filosofia decompressiva VPM (risalita con tappe più fonde, ma meno tempo nell’ultima tappa) oppure quella “Bhulmaniana” (meno tappe fonde e più tempo nelle tappe sFattori di Gradiente sono presentati come una frazione della massima “supersaturazione” del gas inerte o valore M che può essere tollerato da ognuno dei tipi di tessuti teorici o “compartimenti” esaminati dal modello Buhlmann, senza incorrere nella Malattia da Decompressione (MDD). Il famoso modello Buhlmann ZH-16 presenta 16 tipi di tessuti con emivite di saturazione/desaturazione che variano da 4 a 635 minuti.

La maggior parte dei software per pianificare la decompressione consentono all’utente di impostare un GF per controllare la fase iniziale di risalita dell’immersione, limitando la supersaturazione o eccessiva pressurizzazione del “tessuto guida” (il compartimento con il maggior livello di supersaturazione) ad una frazione, es: 50% del valore M di quel tessuto. Generalmente, gli utenti impostano un secondo GF per limitare la supersaturazione dei tipi di tessuti durante la risalita finale, fino in superficie.

I GF possono inoltre essere usati per misurare la supersaturazione dell’azoto nel tessuto guida in un dato momento e ad una data profondità di un profilo d’immersione durante la risalita in superficie

LA LEGGE DI BOYLE/LAPLACE

Una bolla di gas ha un volume e una pressione interna ed è sottoposta alla legge di Boyle, ovvero ha un rapporto inversamente proporzionale tra il volume e la pressione, ne consegue che più la bolla è piccola e più la sua pressione aumenta, e viceversa.

Per capire come si comporta una bolla dobbiamo tenere questi fattori:

  • Un volume.
  • Una pressione interna.
  • La pressione esterna del tessuto nel quale è presente la bolla.
  • La forma della bolla.

​Nello specifico questi fattori si relazionano in questi termini:

Durante le variazioni di pressione la bolla di gas soggiace a quanto enunciato da Boyle e Mariotte, ovvero: in discesa, all’aumentare della pressione diminuisce in volume ed aumenta in pressione, ma la sua pressione interna sarà maggiore dei tessuti poiché questi, in relazione ai loro tempi si saturazione impiegano più tempo ad adeguarsi ai nuovi valori di pressione, mentre la bolla composta di solo gas lo fa immediatamente. 

La pressione interna quindi va dal centro della bolla verso l’esterno, per reagire allo schiacciamento. La bolla si rimpicciolisce in forma radiale perché sulla sua superficie ha una sorta di rete, le cui maglie si restringono in modo uniforme all’aumentare della pressione.

In fase di discesa, all’aumentare della pressione assoluta, il gas presente all’interno della bolla ha una pressione maggiore rispetto a quella del tessuto che la ospita e tende a uscire dalla bolla stessa, ma non riuscendoci più di tanto perché la rete in forma radiale della sua superficie si chiude e ne impedisce il completo passaggio.

Qui parliamo di gradiente di pressione, ovvero di differenza tra pressione interna e esterna.

Quando stazioniamo ad una certa quota di profondità, la pressione del tessuto lentamente aumenta ma senza raggiungere quella interna delle bolle, mente queste ultime cercano di cedere gas al tessuto perché il gradiente è ancora alto, in sostanza riescono anche a cederne un po’.

Durante la risalita, quando la pressione assoluta diminuisce, il volume delle bolle –  in relazione all’enunciato da Boyle e Mariotte – aumenta, la loro pressione interna di conseguenza diminuisce, pur rimanendo comunque più alta di quella del tessuto che le ospita e conservando quindi un gradiente, la rete in forma radiale della sua superficie  si allarga e il gas ha più facilità a uscire.

​Quindi in risalita quando la pressione assoluta diminuisce possono scaturire due diverse situazioni:

Se saliamo molto – come tendono a farci fare le teorie compartimentali – è vero che allarghiamo bene la rete e il gas ha più facilità a uscire ma è anche vero che il gradiente di pressione diminuisce e dunque il gas esce con poca forza.

Se saliamo poco, è vero che il gradiente è alto e dunque il gas ha molta forza per uscire e svuotare la bolla ma è anche vero che la rete è chiusa e ha difficoltà a uscire.

​Per questo gli algoritmi che tengono conto delle microbolle ci fanno salire un po’ per aprire la rete ma non troppo per non abbassare il gradiente. Facendoci fare più soste a profondità maggiori, per trovare un compromesso tra gradiente e apertura della rete.

​Un computer con questo algoritmo fa fare tappe di decompressione più profonde e di breve durata, mentre un computer con un algoritmo buhlmaniano puro ci porta a fare una tappa più lunga di decompressione ma solo a tre metri.

In ogni caso gli algoritmi buhlmaniani hanno introdotto le deep stop (tappe di profondità), che consistono approssimativamente in una sosta tra 1 e 2:30 minuti a metà della pressione assoluta massima raggiunta, o metà della profondità, per le immersioni che superano i 30 metri di profondità. 

Non è una vera tappa di decompressione ma di una tappa facoltativa, come quella di sicurezza.

Gli algoritmi di riferimento installati sui computer, ovviamente a seconda dei modelli, possono essere: 

Buhlman ZHL-(8, 12, 16, etc.), 

RGBM (reduced gradient bubbles model) 

VPM (varying permeability model).

VELOCITA’ DI DISCESA CRUSHING

In fase di discesa, per evitare che le microbolle possano aggregarsi con altre bolle, ovviamente se si riesce compensare, è indicato scendere velocemente. 

Questo ci consente sia di avere meno “superbolle” da gestire in fase di risalita sia di   rimpicciolirle non radialmente ma di schiacciarle di rompere la rete che le circonda.

Questo fenomeno chiamato Crushing fa sì che molte bolle si rompono, così da averne meno da gestire in risalita. 

 La velocità suggerita per la discesa nelle immersioni profonde è di circa 20 metri  al  minuto, questa velocità è comunque  un compromesso tra una velocità ottimale, ritenuta ancora maggiore,  ed evitare, a causa della repentinità della discesa,  di andare incontro alla narcosi da gas azoto.

LA LEGGE DI HENRY

La legge di Henry ci avverte quindi che con l’aumento della Pp dei componenti dell’aria ,
aumenteranno anche le quantità di gas che si scioglieranno nel nostro corpo. 

Altri fattori che influenzano la soluzione dei gas sono:
• l’ampiezza della superficie di contatto
• la durata dell’azione della pressione
• la temperatura
• il genere di tessuto
• il coefficiente di solubilità del gas in questione
Ogni gas ha un coefficiente che indica la quantità massima che può entrare in soluzione in un dato
fluido a pressione atmosferica (1Kg / cm2 ). I fattori determinanti per questo processo di soluzione
sono però la pressione e la durata del suo influsso.
Questo concetto è spiegato dalla: Legge di Fick
La quantità di gas ( Q ) che nell’intervallo di tempo (AT ) passa attraverso le membrane alveolari è
dipendente dal coefficiente di diffusione ( D ) , dalla estensione della superficie di scambio ( A ) ,
dalla differenza della concentrazione nei due ambienti ( C1 -C2 ) e dal tratto di diffusione ( d ). 

La formula: 

        Q                                 C1 -c2
—————–  = ( D x A ) x  ——————–
        AT                                  d 

Questa legge spiega il motivo della suddivisione dei vari tessuti dell’organismo in rapidissimi, rapidi, medi, lenti, e lentissimi, in funzione della superficie e dello spessore delle membrane
alveolari. Nel tessuto muscolare del corpo umano, tale superficie è dell’ordine di 6000 m2, costituiti in massima parte dalle pareti dei capillari muscolari.
Definizione dei termini Emisaturazione e Saturazione 

EMISATURAZIONE

Un singolo tessuto che ha assorbito (tramite la legge di Henry) il 50 % di gas inerte ( a temperatura e pressione costante ) utilizzato nelle fasi della respirazione satura lo stesso a metà.
Si classificano i vari tessuti in base al fenomeno di dissoluzione in essi di gas inerti ( principalmente l’azoto ) e in base al “ tempo di emisaturazione”, ossia il tempo necessario perché in determinate condizioni di pressione e di temperatura essi assorbano il 50% del gas inerte considerato.
Questo tempo è costante e dipende dalla natura del tessuto, da quella del gas, e dalla temperatura ambiente. Proprio per questo ultimo aspetto il tempo di emisaturazione è considerato come uno dei parametri di classificazione dei vari tessuti.
In base allo studio dei tempi di emisaturazione sono stati analizzati i vari tipi di tessuti divisi in più gruppi o compartimenti, e si sono potute calcolare le tabelle di decompressione che permettono di evitare o quantomeno limitare, i fenomeni patologici che si possono verificare in conseguenza di una troppo
brusca liberazione di gas dai tessuti. 

SATURAZIONE

Per consentire che si instauri nel tessuto quello stato di equilibrio delle pressioni chiamato stato di saturazione, occorre che il gas sotto pressione possa agire sul tessuto per un certo lasso di tempo. La sua durata è diversa e dipende dal genere di tessuto, e può variare da pochi minuti a molte ore, la saturazione completa al 100% la si ottiene dopo 12 ore di esposizione a pressione e temperatura costante.
Raggiunto lo stato di saturazione, le molecole di gas che continueranno a penetrare nel tessuto per
effetto della pressione saranno in numero pari a quelle che continueranno ad uscire per effetto dello stato di saturazione. 

OVVERO:
La tensione del gas sciolto nel tessuto sarà uguale alla pressione che lo stesso gas esercita sulla
superficie del tessuto
        
Curva del processo di saturazione 

   Percentuale                 ORE

     100,00%                    inf 
      93,75%                     4  
      87,00%                     3            
      75,00%                     2
      50,00%                     1
       0,00%                      0

PERIODI

Di ogni tipo di tessuto noi conosciamo il periodo, termine col quale viene definito il lasso di tempo che esso impiega per raggiungere il livello di emisaturazione.
Questo tempo che varia da pochi secondi a molte ore, è indipendente dalla pressione. Dove la saturazione si instaura principalmente tramite diffusione del gas inerte, avremo periodi di durata maggiore per esempio i tessuti ossei.
Benché un periodo porti un tessuto alla emisaturazione, sarebbe errato ritenere che due periodi portino a saturazione totale.
Infatti il primo periodo porta al 50% della saturazione, il secondo satura il 50% della parte non saturata, il terzo la metà di quanto rimane e cosi via.
Possiamo constatare che la saturazione totale di un tessuto viene raggiunta dopo sette periodi. 

50%                         1P
75%                         2P
87,5%                      3P
96,87%                    4P
98,43%                    5P
99,20%                    6P
100%                       7P

La durata dei sette periodi diviene difficile stabilirla poichè oltreche tramite il sangue, la saturazione avviene anche per diffusione, la cui durata è in relazione alle caratteristiche metaboliche e fisiche individuali. 

DESATURAZIONE

Gli stessi concetti che abbiamo considerato per i processi di saturazione , valgono per il processo di desaturazione. 

Curva del processo di desaturazione 

Percentuale                 ORE

     100,00%                    inf 
      93,75%                     4  
      87,00%                     3            
      75,00%                     2
      50,00%                     1
       0,00%                      0

Se ad un dato momento la pressione di un gas sulla superficie di un tessuto diminuirà, la quantità di gas che vi si troverà disciolta verrà ad essere troppo grande per rapporto alla nuova pressione (sarà quindi sovrasaturo), pertanto le molecole di gas che abbandoneranno il tessuto saranno in numero
ben maggiore di quelle che continueranno ad entrarvi per effetto della pressione, pur sempre presente anche se di minore entità.