Реферат
По дисциплине:
Медицинская элементология
На тему:
Газы, применяемые в хирургии и в искусственной атмосфере
Выполнил:
Студент 1 курса, 101 группы
Милашов Артемий Олегович
Смоленск
2017
Состав дыхательных смесей, применяемых в хирургии и в искусственной атмосфере
Воздух, которым мы дышим на поверхности земли, не является идеальной газовой смесью для дыхания под водой.
Искусственная атмосфера (воздух для водолазов, пожарных, ВМФ- флот, подводные лодки, истебители, космические корабли)
Атмосферный воздух содержит в своем составе около 80 % азота. При дыхании воздухом, находящимся при повышенном давлении (вбалонах), происходит быстрое насыщение тканей человека азотом, что приводит к необходимости проведения декомпрессии. При этом лишь незначительная часть кислорода, содержащаяся в воздухе, используется для процессов, связанных с обменом веществ в организме (метаболизмом). Большая его часть выходит в воду при выдохе.
Атмосфера для космического корабля. Несомненно, воздух, которым мы дышим,- наилучшая среда для нашего организма. Но вот человек покидает земную атмосферу и отправляется в космический полет. За бортом корабля воздуха нет.
Если взять его с собой, в нем быстро упадет содержание кислорода, накопится двуокись углерода. Необходима постоянная регенерация (восстановление) состава атмосферы в обитаемой кабине корабля. Для коротких рейсов достаточно захватить баллоны со сжатым или жидким кислородом и постепенно добавлять его в воздух кабины. Двуокись углерода можно поглощать натронной известью, сорбентами (цеолит) либо удалять вымораживанием, конденсацией.
А каким должен быть состав атмосферы обитаемой космической кабины? Казалось бы, проще всего - таким же, как состав естественной атмосферы. Но, оказывается, вопрос не так прост, как может показаться. Ведь для дыхания как будто достаточно только одного газа - кислорода. Азот, составляющий четыре пятых объема атмосферного воздуха, всего лишь газ-разбавитель. Эксперименты подтвердили, что и животные, и человек прекрасно могут жить в атмосфере, где азот заменен другим газом - гелием (об этом мы еще поговорим), следовательно, можно обойтись и без азота. Нельзя ли дышать чистым кислородом? Но, вопреки известной поговорке "каши маслом не испортишь", кислород при больших его концентрациях, вернее при большом его давлении, даже вреден.
Если человек много часов подряд дышит чистым кислородом, у него появляется раздражение дыхательных путей и может развиться воспаление легких. Подопытные животные - от лягушек до обезьян - через несколько дней пребывания в кислородной атмосфере заболевают и нередко гибнут. Чтобы избежать высокого парциального давления кислорода, можно соответственно уменьшить общее давление. Тогда кислородного отравления не произойдет. А применение такой моногазовой (то есть одногазовой) среды существенно упрощает всю проблему создания искусственной атмосферы. Программы космических полетов, разработанные в США, как раз и предусматривают заполнение обитаемых кабин только кислородом, но при пониженном (примерно втрое), по сравнению с земным, давлении. Такая среда в случае нарушения герметизации кабины отдаляет развитие гипоксии, поскольку парциальное давление кислорода здесь в полтора раза выше обычного. Меньше и опасность развития так называемых декомпрессионных расстройств. (На высоте более 18 километров давление воздуха столь низкое, что растворенные в крови газы, преимущественно азот, начинают бурно выделяться в виде пузырьков - кровь закипает в буквальном смысле. Впрочем, подробнее о декомпрессионных расстройствах чуть позже.) Кроме того, масса такой искусственной атмосферы втрое меньше, чем того же объема воздуха, а значит, легче становится и весь космический корабль. Вместе с тем кислород, лишенный газа-разбавителя (им в обычном воздухе служит азот), создает большую опасность пожара. Вспомним из школьных опытов, как накаленная простая железная проволока сгорает в чистом кислороде ярким пламенем. Памятен и трагический случай: двое американских космонавтов погибли от ожогов во время наземных испытаний космической капсулы.
Земля в миниатюре. Все сказанное относится к теперешним, сравнительно непродолжительным полетам. В будущем требования к способам создания искусственной атмосферы для космических кораблей могут измениться. Речь идет о продолжительных путешествиях к другим небесным телам. Такие полеты будут длиться, возможно, уже не месяцы, а годы. Тогда использование готовых источников (запасов) кислорода станет невыгодным. Напомним: ежесуточно человек "съедает" около килограмма кислорода - 900 литров газа при нормальном атмосферном давлении. Для решения этой проблемы уже давно разрабатываются так называемые замкнутые экологические системы. Такая система - как бы наша Земля в миниатюре. В ней для снабжения человека кислородом и поглощения выделяемой им двуокиси углерода служат зеленые растения.
В этом плане большую известность получила одноклеточная водоросль - хлорелла. 20-30 литров ее культуры, напоминающей воду "зацветшего" пруда, достаточно для обеспечения человека кислородом до двух месяцев. Высшие растения еще более производительны: скажем, развесистое дерево способно "прокормить" кислородом несколько десятков космических путешественников, да уж больно много места оно само заняло бы.
Замкнутые экологические системы неоднократно испытывались советскими учеными и инженерами в экспериментах. Испытатели месяцами жили в герметически замкнутом помещении. Растения в специально сконструированной оранжерее использовали в процессе фотосинтеза двуокись углерода и другие продукты жизнедеятельности человека, обеспечивая его, в свою очередь, кислородом и свежей витаминной пищей.
Правда, не так просто ужиться человеку и его зеленым спутникам. У каждого из партнеров свои требования к составу среды, температуре, влажности. Предстоит решить еще немало проблем, прежде чем космонавты отправятся в многолетние рейсы на другие планеты. А тогда на этих планетах (где, как мы теперь знаем, пригодной для дыхания человека атмосферы не будет) появятся обитаемые колонии, земную атмосферу в миниатюре начнут создавать и там.
Будут ли это города, защищенные гигантскими прозрачными колпаками? Или огромные подземные, вернее подмарсовые, подлунные залы? Пока они существуют лишь в воображении фантастов. Но со временем воплотятся в реальные проекты. В любом случае их обитателей придется обеспечивать кислородом, пищей, водой. А для этого - создавать сады, огороды, животноводческие фермы. В таких городах участники космических экспедиций смогут жить и работать сколько угодно долго.
Чем дышать акванавту. А теперь с заоблачных высот спустимся в глубины океана. В наши дни человечество шаг за шагом осваивает морские глубины - "гидрокосмос", прежде всего прибрежную зону - океанический шельф. Нефть, пищевые ресурсы... О богатствах моря написаны тысячи книг. Но и здесь в глубинах исследователь встречается с множеством преград. И в том числе с проблемой "чем дышать?".
Конечно, этой проблемы не возникает, если человек погружается в воду без всякой аппаратуры, как это делают ныряльщики за жемчугом или некоторые современные исследователи и спортсмены, например, Жак Майоль, достигший 100-метровой глубины безо всякого дыхательного снаряжения: такие ныряльщики под водой, естественно, вообще не дышат. (О задержке дыхания у нас речь пойдет далее). Дело обстоит совсем просто, если человек опускается под воду в герметическом аппарате с твердой оболочкой, который надежно защищает его от давления водной толщи. Это может быть и батискаф Пикара, в котором отважный ученый достиг самой глубокой точки мирового океана (11 километров!) - дна Марианской впадины. Это может быть и "обычная" подводная лодка, прообразом которой стал "Наутилус" Жюля Верна. В таких аппаратах, как и в кабинах космического корабля, человек может дышать воздухом обычного состава. Достаточно лишь пополнять содержание кислорода и удалять избыток двуокиси углерода.
Другое дело - водолаз в своем "мягком" костюме. Под водой он подвергается огромному давлению. Оно возрастает на каждые 10 метров глубины на целую атмосферу (1 килограмм на квадратный сантиметр поверхности). Чтобы водолаз мог нормально дышать, воздух подают в скафандр под тем же давлением. А это значит, что уже на глубине 10 метров водолаз оказывается в газовой среде под давлением вдвое больше атмосферного, а на глубине 90 метров - в 10 раз!
На сегодняшний день в водолазной практике применяются ДГС с содержанием кислорода в смеси до 60 %, а также чистый кислород. Наибольшее распространение получили смеси типа NITROX I (68 % азота и 32 % кислорода) и NITROX II (64 % азота и 36 % кислорода), а также смеси с содержанием кислорода 40 %, 50 % и 60 %. В отечественном ВМФ в основном используется 40-процентная кислородно-азотная дыхательная смесь (КАС).
В "подводном доме". Сейчас все чаще исследователи морских глубин оборудуют "подводные дома". Давление газовой среды, заполняющей такой "дом", тоже поддерживают на уровне, равном давлению воды на той же глубине. Здесь акванавты могут жить, не поднимаясь на поверхность, многие дни и недели. По мере надобности они могут выходить в окружающую водную стихию для проведения научных наблюдений. Выходят они одетыми в простые гидрокостюмы наружу через открытый люк. Вода внутрь "дома" не проникает - этому препятствует давление газовой среды в помещении. После выполнения работы акванавты возвращаются в "дом" для отдыха. Такой способ освоения глубин имеет серьезные преимущества перед обычными кратковременными водолазными спусками.
Но чтобы это стало понятным, надо сказать несколько слов о д екомпрессионных расстройствах, вскользь упоминавшихся в связи с космическими проблемами.
Коварная "кессонка". После того как водолаз провел какое-то время на глубине, его приходится поднимать наверх чрезвычайно осторожно. Дело в том, что на глубине под повышенным давлением в жидкостях его тела, в тканях растворяется избыточное количество газа. Если давление в среде быстро снижается до нормального, этот избыток газа интенсивно выделяется в виде пузырьков, представляющих большую опасность: они могут закупорить кровеносные сосуды, в том числе и в жизненно важных органах - в мозге, сердце, легких. Тогда и возникают так называемые декомпрессионные расстройства, или кессонная болезнь. В легких случаях декомпрессионные расстройства ограничиваются болями, в тяжелых - пострадавшему грозят параличи, в том числе паралич дыхания и сердечной деятельности. Чтобы избежать "кессонки", необходимо соблюдать специально разработанные режимы декомпрессии, то есть снижения давления. С больших глубин водолаза поднимают в течение многих дней. Это резко снижает производительность его труда. В самом деле, бывает так: всего несколько часов работы под водой, целая неделя - на спуск (его тоже нельзя вести поспешно - об этом будет еще сказано ниже) и подъем.
А вот если акванавт выполняет работу, живя в "подводном доме", его приходится опускать и декомпрессировать только в начале и в конце - по окончании многодневной или даже многонедельной вахты. Выгода для эффективности его труда очевидна, и здоровье в меньшей опасности.
И кислород может стать ядом. Само по себе повышение давления газовой среды с увеличением глубины погружения не мешает дыханию. Ведь это давление (в отличие от избыточного давления, применяемого в высотной авиации) действует не только изнутри легких, но и на всю поверхность тела человека. Вместе с тем этот фактор небезразличен как для дыхания, так и для других функций организма. Во-первых, с ростом давления воздуха повышается и парциальное давление содержащегося в нем кислорода. И тут этот газ может превратиться в опасного врага. Мы уже говорили о "легочной" форме кислородного отравления. Если же человек дышит долго кислородом под давлением, могут начаться судороги, похожие на эпилепсию: нарушается функция нервных центров. (Вы спросите: а как же лечат кислородом, да еще под давлением? Но об этом дальше.) Поэтому стремятся сохранить во вдыхаемых водолазами и акванавтами смесях парциальное давление кислорода, близкое к обычному (159 мм рт. ст.) или немного выше (до 300 мм рт. ст.).
Чтобы соблюсти данное условие, по мере увеличения глубины погружения (а следовательно и давления газовой среды) снижают процент кислорода в дыхательной смеси. Так, на глубине 40 метров дают смесь, содержащую 5% кислорода (вместо обычных 20,9%), на 100-метровой глубине - всего 2 % О2 и т. д.
Опьяняет... азот. Другая проблема - "азотная". Мы привыкли считать, что азот - физиологически нейтральный газ. Действительно, свободный азот не принимает участия в процессах жизнедеятельности организма животных и человека. Усвоение азота из атмосферного воздуха и производство на этой основе белков - дело автотрофов-растений и некоторых микроорганизмов. В нашем же организме вдыхаемый азот лишь пассивно растворяется в крови и других жидкостях тела.
Иное дело при глубоководных погружениях....Одет костюм, проверена исправность снаряжения, и водолаз исчезает под водой. Все глубже, глубже. Но что это? Его движения становятся порывистыми, некоординированными, рапорты - торопливыми, сбивчивыми. Он явно возбужден. Типичное опьянение. Этот феномен, проявляющийся при дыхании сжатым воздухом начиная с глубины 60-70 метров, и в самом деле сперва называли "глубинным опьянением". А виновником его оказался азот. При высоком парциальном давлении этого газа он проявляет типичный наркотический эффект, подобный действию "веселящего газа" - закиси азота, издавна применяемого для обезболивания в хирургической и акушерской практике.
"Азотный наркоз" опасен. Бывали случаи, когда человек на глубине срывал с себя подводное снаряжение и погибал. Это несколько напоминает фазу повышенного самочувствия (эйфорию) при недостатке кислорода: снова вспомним описанную трагедию на аэростате "Зенит". Поэтому при погружении на большие глубины в дыхательных смесях азот заменяют гелием - газом, не обладающим столь коварным свойством. Для такой замены имеются и другие основания.
Почему трудно дышать под давлением. Дело в том, что чем больше глубина погружения, тем выше давление газовой смеси, тем больше и ее плотность. Соответственно возрастает и сопротивление потоку воздуха в трахее и бронхах. Это сопротивление, как мы узнаем ниже, называют резистивным. Дыхательным мышцам, чтобы обеспечить вентиляцию в таких условиях, приходится работать с большим напряжением. "Вы с трудом втягиваете в себя воздух и потом с силой выдуваете его" - так характеризовал С. Майлз в своей книге "Подводная медицина" ощущения водолаза при дыхании на глубине.
Особенно тягостно становится, когда человеку приходится выполнять под водой напряженную работу, требующую значительного усиления дыхания. При этом он страдает от резкой одышки. "Ужас, которого я не испытывал" - так выразил это ощущение один из исследователей-подводников.
Плюсы и минусы гелия. Гелий обладает молекулярной массой, примерно в 7 раз меньшей, чем азот, и соответственно меньшей плотностью. На глубине 50 метров дыхательная смесь, состоящая из 96,5% Не2 и 3,5% О2 (что соответствует нормальному парциальному давлению кислорода), имеет ту же плотность, что и обычный воздух на уровне моря. А на глубине 200-300 метров, где дышать азотно-кислородной смесью уже практически невозможно, гелиевая смесь позволяет человеку не только дышать в покое, но и без одышки выполнять довольно тяжелую мышечную работу.
К сожалению, и у гелия есть свои недостатки. Когда человек вдыхает этот газ, у него меняется голос. Он становится высоким, как если бы перепутали скорость протяжки магнитной ленты с записью речи. Наподобие голоса Буратино в известной радиопередаче. Приходится использовать специальные радиотехнические средства, чтобы разобрать слова, произносимые водолазом. Еще один порок гелия: он слишком теплопроводен. В среде, содержащей этот газ, приходится поддерживать более высокую температуру, иначе человек зябнет. Но и перегреть в гелиевой среде опасно. В гелиевой атмосфере сужается зона теплового комфорта. Кроме того, хотя гелий в отличие от азота не вызывает наркотического эффекта, на больших глубинах - свыше 250-300 метров, особенно при быстром нарастании давления - он все же неблагоприятно действует на центральную нервную систему. У акванавта начинают дрожать руки ("гелиевый тремор"), появляется сонливость, нарушается работоспособность.
Как бороться с этим так называемым "нервным синдромом высоких давлений"? Дело в том, что данный синдром по ряду особенностей - прямая противоположность "азотному наркозу". Поэтому ученые предложили "клин клином вышибать", добавляя в гелиевые смеси для глубоководных погружений небольшие концентрации азота. Так теперь и делают, и не без успеха.
Барьеры на пути в глубины океана. В настоящее время акванавты успешно работают на глубинах до 300 метров. Однако естественны попытки увеличить максимальную глубину погружения, на которой человек мог бы жить и работать. С этой целью ведутся эксперименты в специальных камерах, где создают давление, соответствующее определенной глубине погружения. Пока мировые достижения находятся в диапазоне 600-700 метров водного столба. Но дальнейшее погружение встречает своего рода барьеры: плотность даже гелиевой среды становится вдесятеро больше нормальной, и сопротивление дыханию делается труднопреодолимым. Правда, в некоторых случаях используют аппаратуру, создающую в дыхательных путях человека колебания давления, помогающие ему делать вдох и выдох - наподобие вспомогательной вентиляции легких, о которой у нас еще пойдет речь. Такая аппаратура была уже испытана во время подъема затонувших судов. Существенным препятствием на пути в глубину оказываются, как было уже сказано, и другие "пороки" гелия: нервный синдром высокого давления (на определенных глубинах с ним бороться пока почти невозможно) и "температурный барьер" - на глубине около километра, как рассчитали, человек будет страдать одновременно и от переохлаждения и от перегрева.
Может ли человек дышать водой? Здесь следует сказать и об одной "безумной идее": заставить человека дышать... водой! Ведь тогда отпадут все барьеры, и акванавт будет чувствовать себя "как дома" даже на дне Марианской впадины. Исчезнет и проблема декомпрессии: всплытие с любой глубины займет всего лишь считанные минуты. Нет, речь идет вовсе не о том, чтобы создать Ихтиандра ("рыбочеловека"), вшив человеку жабры акулы, как это сделал доктор Сальватор в романе А. Беляева "Человек-амфибия".
Ученые считают, что функции жабер могут взять на себя наши легкие. "Первые обитатели нашей планеты,- писал голландский исследователь Д. Кильстра,- приспособившись к водной среде, дышали жабрами, назначение которых - экстрагировать максимальное количество кислорода из воды. В ходе эволюции животные освоили богатую кислородом атмосферу суши и начали дышать легкими... Как в легких, так и в жабрах кислород через тонкие мембраны проникает из окружающей среды в кровеносные сосуды, а двуокись углерода выбрасывается из крови в окружающую среду. Итак, и в жабрах и в легких протекают одни и те же процессы. Отсюда возникает вопрос: смогло бы животное с легкими дышать в водной среде, если бы в ней содержалось достаточное количество кислорода?"
В опытах, которые поставил Д. Кильстра, мыши, помещенные в физиологический раствор, насыщенный кислородом, жили до 18 часов, совершая медленные дыхательные движения. Гибли они в основном по двум причинам. Во-первых, для прокачивания воды через легкие требуются усилия дыхательных мышц в 36 раз большие, чем для их вентиляции воздухом. Во-вторых, хотя кислород доставлялся тканям в нужном количестве, двуокись углерода удалялась таким раствором плохо. Чтобы устранить этот недостаток, стали использовать для "жидкостного дыхания" так называемые перфосфороор-ганические соединения. Они настолько хорошо переносят кислород и особенно двуокись углерода, что используются как основа для искусственных заменителей крови.
Что же касается трудностей вентиляции легких, то выход из положения можно найти в прокачивании раствора через дыхательные пути с помощью аппаратуры, подобной той, что используют для искусственного кровообращения. Опыты подтвердили реальность этого способа: лабораторные собаки прекрасно "дышали" прокачиваемым раствором. Удастся ли создавать "человека-амфибию" на время, или жидкостное дыхание окажется тупиковой проблемой (на пути ее разрешения еще стоят немалые трудности), покажет будущее.
В недрах Земли. Рассмотренные проблемы относятся не только к освоению космоса и гидрокосмоса. Есть ведь еще третий "космос" - геокосмос - внутренность нашей планеты, источник тепла и полезных ископаемых. А он исследован меньше всего. Пока мы знаем строение лишь тонкой пленки оболочки, порядка тысячной доли радиуса земного шара. Мы уже упоминали о сверхглубокой скважине на Кольском полуострове. На глубине 7 километров температура, как оказалось, составляет 150°, а горное давление поистине колоссально.
Вспомним "Путешествие к центру Земли" Ж. Верна. Не двинется ли в скором времени к чреву нашей планеты геокосмический корабль? Но еще раньше ученые должны будут среди других проблем решить, чем будут дышать первопроходцы земных недр.
Когда полезна гипоксия. Мы уже говорили о том, что оптимальной для человека является атмосфера нормального состава. Правда, резервные возможности организма велики. Живут же многие поколения аборигенов в Андах и Гималаях на высоте более 4-5 километров при парциальном давлении кислорода вдвое меньшем, чем на уровне моря. Некоторые специалисты полагают, что в определенных условиях кратковременное воздействие мягкой гипоксии или гиперкапнии может принести пользу, стимулируя соответствующие регуляторные механизмы. С этой целью они предлагают в период космических рейсов создавать в кабине "активную атмосферу", временами то уменьшая в ней содержание кислорода, то увеличивая концентрацию двуокиси углерода. Это должно, по их мнению, противодействовать вредному влиянию невесомости и недостаточной мышечной активности космонавтов.
Стоит ли пить кислородный коктейль? Изменение состава вдыхаемого воздуха дает положительный эффект при некоторых заболеваниях. И прежде всего - при недостаточности снабжения тканей кислородом. Широко распространено дыхание смесями, обогащенными этим газом, непосредственно из кислородных подушек, в "кислородных палатках". Нужно, однако, знать, что выигрыш в кислородном обеспечении организма в таких случаях невелик: большая часть (свыше 90%) кислорода переносится кровью в соединении с гемоглобином, а этот пигмент в артериальной крови и при дыхании обычным воздухом бывает "оксигенирован" (насыщен кислородом) на 96-97%. Незначительное увеличение количества кислорода, растворенного в плазме крови, существенной роли не играет. И уж совсем бесполезны, с нашей точки зрения, попытки давать людям (тем более практически здоровым) дополнительное питание кислородом в виде всяких "кислородных коктейлей", "каш" и т. п. В самом деле, если ткани расходуют за каких-то 5 минут целый литр кислорода, то много ли добавят считанные миллилитры этого газа, взбитые в "коктейли", которые будут на протяжении десятков минут медленно просачиваться через стенку пищеварительного тракта? Пожалуй, такое "лечение" имеет, скорее, психологическое значение... Хоть уж вреда-то, по крайней мере, никакого.
Спасает кислород под давлением. Совсем другое дело, когда организму нужно помочь выйти из гипоксического состояния - например, при отравлении окисью углерода, блокирующей гемоглобин крови. Тогда помещают пациента в барокамеру, где он дышит кислородом под давлением (до 2-3 атмосфер). В этих условиях плазма его крови растворяет количество этого газа, уже достаточное для лечебного эффекта. Способом так называемой гипербарической оксигенации уже спасены многие тысячи людей.
Кислород под высоким давлением теперь используют и в тех ситуациях, когда нужно его подать непосредственно тканям, минуя кровь. Это делают при операциях на "сухом сердце", когда хирург бывает вынужден на время остановить работу этого органа, чтобы исправить его врожденный или приобретенный дефект.
Применяют гипербарическую оксигенацию и в акушерской практике, если организм матери или новорожденного страдает от недостатка кислорода.
Разумеется, во всех этих случаях врачи принимают меры к тому, чтобы кислород проявил себя только как друг, но не враг, то есть чтобы у больного не успело развиться кислородное отравление. Охраняется и здоровье персонала, который участвует в операции в барокамере: он дышит хоть и под давлением, но воздухом обычного состава, в то время как больной получает чистый кислород. Особенной известностью пользуется крупный барокомплекс, созданный при Всесоюзном научном центре хирургии под руководством академика Б. В. Петровского.
Еще о лечебном воздухе. Можно назвать ещё ряд применений "искусственной атмосферы" с лечебными целями. Так, у детей с нарушением проходимости дыхательных путей неплохой эффект оказывает ингаляция смеси кислорода с гелием. Последний, как говорилось, уменьшает сопротивление дыханию. В одной из ленинградских клиник создается пульмотрон. Это будет комфортабельная палата, где пациенты смогут подолгу жить и лечиться. Специальные устройства позволят поддерживать здесь такой состав атмосферы, который показан при тех или иных болезнях. Не исключено, что в будущем подобные "троны" будут использоваться и для профилактики легочных заболеваний. Тогда в них станут укреплять свое здоровье миллионы людей разных возрастов и профессий. (...написано во времена "застоя")