2013年3月18日 星期一

潛水員的剋星 - 二氧化碳 2

knock yourself out - the diver’s nemisis carbon dioxide
原著 :Dr. John Clarke


大部份的循環水肺潛水員是從開放系統(open circuit)開始他們的潛水生涯,也就是一般所謂的水肺(scuba),有些人不知覺中養成某些壞習慣,我差點就變成這種潛水員。


當你用一般水肺開始潛水時,氣瓶中只有非常有限的空氣量,新手們都有點操之過急,他們吸氣太用力也吐太快,有經驗的潛水員能夠不急不徐的放鬆且享受潛水,因此他們的耗氣量可以比新手少很多。

因此在早期普遍的認知中,能否有效的節省氣源,被視為成熟與老練的指標,當你能確實放鬆、身體健康且游泳有效率,你的呼吸將會變得相當緩慢,有些人稱之為躍式呼吸(Skip Breathing) – 也就是在吸吐之間摒住呼吸。
有次我在以色列卡薩利亞的希律港潛水,我的潛伴是個海豹突擊隊員,一開始我配重不足,於是我撿了一塊有2000年之久的古代瓦礫帶著當作配重,儘管這樣會造成我的游泳姿態毫無效率,但結果竟然是我的耗氣量,比我那個海豹潛伴更省氣。

一開始我對於潛水必須提早結束有點惱火,但同時也暗自沾沾自喜 : 我比一個蛙人還省氣!!

身一個生理學家,我知道我很可能已經無意識的運用躍式呼吸的技巧 - 而這卻會使我動脈中的CO2含量升高,達到有潛在危險的劑量。還好一切順利結束,我實在沒辦法不暗自得意,因為我不是喊停的那個人!

循環水肺潛水員一定要清楚的了解到,他們不應該運用會升高CO2的呼吸方式,形成生理威脅,由於CO2在你的動脈中,它能讓你昏迷! – 即使你呼吸的氣體中沒有任何CO2

通常當你工作負荷增加時,生理的機制會自行在血液系統中產生更多的CO2,刺激產生更多的呼吸,並迫使CO2離開血液進入肺部,再由呼吸道排出;其中的運作機制有點兒像空調恆溫器 - 屋內越熱,就有更多的熱被排出屋外,換句話說,動脈和肺泡的CO2含量是由自動變換的通氣率(也就是呼吸)所控制,事實上你可以用身體產生CO2的速率,除以通氣率來預測肺泡中的CO2值,此稱為肺泡通氣量方程式(Alveolar Ventilation Equation);在臨床實務上來說,稱為CO2分壓方程式(PCO2 Equation)

通常CO2和通氣率(呼吸頻率)是被嚴格控制的,肺泡和動脈中的CO240豪米汞柱(mmHg),豪米汞柱也就是所謂的分壓(partial pressure),動脈中40mmHg是安全的。

 [一個標準大氣壓力是760 mmHg,假若忽略水蒸氣與其它氣體的分壓,分壓為40mmHgCO2大約等同於呼吸中吐出5%CO2

當潛水員處於重度負荷,而且又是使用像循環水肺如此阻抗的呼吸裝置,隨著呼吸頻率的增加,呼吸系統的不適感也增加,對大多數人而言,呼吸系統的不適感攀升太高,他們會停止動作並喘口氣,但有些潛水員憎惡這種呼吸上的不適感,而且不在意動脈中升高的CO2值,我們稱這些人是CO2罐頭(CO2 retainers)

舉個例子來說,當我在海軍醫學研究所工作的時侯,曾進行一個關於呼吸負荷的個案研究,我有個實驗組員是健壯的海軍潛水員,實驗是在一座內部壓力等同於300海水英呎(100公尺)深度壓力的高壓艙(dry hyperbaric chamber)中進行,內部的裝置有點類似下圖中的樣子,但受測潛水員並非我所提及的那一位。

潛水員在單車式測功儀上運動模擬工作負荷,供給氦氣,其呼吸阻抗控制在300英呎深度壓力下,他很快地就學會以二段式的呼吸(double breathing)方法 : 呼吸一次,停止一次,再呼吸一次,企圖混淆實驗設備的控制迴路,從而消除很高的呼吸阻抗。

就在他玩起這個呼吸模式的把戲當下,我的工程人員正從質量頻譜儀(mass spectrometer)上監控他的CO2濃度;吐出氣體中的CO2濃度開始攀升,我警告他停止那個滑頭的呼吸把戲,否則我就要喊停了!

這個聰明又搗蛋的潛水員無視我的警告將近有一分鐘左右,然後又回復到飄忽不定的呼吸模式上,他開始嘲笑著說他是如何捉弄這個實驗,就算高CO2讀數他也不在乎。

那是個錯誤!!

當你在說話時,你其實並沒有在呼吸,由於他的呼吸早已經在臨界邊緣,這時他的末端潮氣量(end-tidal)CO2 - 一個肺泡中CO2含量的預估值,在短短數秒內從6070,然後飆升到90mmHg,足足有二次偏離正常範圍,當我的工程人員告訴我CO2值飆到90時,我大叫停機!!”

他根本沒來得及聽到我說什麼!!

他已經昏迷從單車上跌下來,重重摔在高壓艙裡的金屬甲板上。

這個潛水員想要捉弄這次的實驗,其實他搞到他自己,儘管他後來恢復平順的呼吸,但他可是被CO2的毒性給狠狠的踹了一腳!

請注意,這個潛水員的呼吸氣體中實質上並沒有CO2,由於高工作負荷使他身體產生的CO2,只因為沒有足夠的呼吸,而無法從身體排出。

下個專文中我們來看看,當吸入的CO2劑量開始上升時,會發生什麼狀況?例如循環水肺過濾罐的失效情況,在此系列第一個專文中我己經有舉過一個循環吸入CO2的案例了,更多的內容另文再述。