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  • AutorenbildMichael Mutter

Eine kleine Dekompressionslehre I - Die Übersättigungstoleranz

In jeder Tauchausbildung wird die Sättigung und Entsättigung der Gewebe mit Inertgasen gelehrt. Leider wird dabei nie auf den Begriff der Übersättigungstoleranz eingegangen. Ein Verständnis der modernen Dekompressionslehre ist ohne ihn aber nicht möglich. Triggerwarnung: Dieser Text enthält Mittelschulmathematik.



Foto: Karin Aggeler


Aus dem Atemgas nimmt ein Gewebe in der Tiefe in erster Linie in Abhängigkeit von seiner Durchblutung nicht-verstoffwechselbare Gase, sogenannte Inertgase wie Stickstoff oder beim technischen Tauchen Helium, mehr oder weniger schnell auf resp. gibt diese beim Auftauchen über die Lunge wieder ab. Dieses Sättigungs- resp. Entsättigungsverhalten lässt sich einfach aus dem Umgebungsdruck und dem Partialdruck des geatmeten Gases unter Berücksichtigung einer für jedes Gewebe spezifischen Sättigungs-Halbwertszeit berechnen. Taucht man zu schnell auf, wird irgendwann eine Grenze überschritten, wo das Inertgas ausperlt und die Dekompressionskrankheit auslöst. Dieses «irgendwann» nennt sich Übersättigungstoleranz und kann relativ einfach vorhergesagt werden.


Die Übersättigungstoleranz eines Gewebes bestimmt, ob Blasen auftreten.

 

Wie wir wissen, «hinkt» die Entsättigung eines Gewebes dem Abfall des Umgebungsdruckes hinterher. Deshalb unterschreitet der Umgebungsdruck den Inertgasdruck in einem Gewebe beim Auftauchen. Im Gewebe entsteht gegenüber dem Umgebungsdruck ein Überdruck. Dieser wird Übersättigung resp. Supersaturation genannt. Beim Auftauche geschieht dies immer, allerdings nicht in allen Geweben gleichzeitig und in gleichem Mass.

Abbildung 1 (Manual Sättigung © Michael Mutter). Aufsättigung und Entsättigung eines Gewebes (grau) während eines Tauchganges mit Luft auf 40 m. Während des Auftauchens unterschreitet der Umgebungsdruck (schwarz) den N2-Partialdruck im Gewebe (grau). Dieses weist gegenüber dem Umgebungsdruck einen Überdruck auf. Es ist übersättigt.

 

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts konnte der Franzose Paul Bert in Tierexperimenten nachweisen, dass Caisson-Arbeiter nach raschem Aufstieg aus Tiefen an Gasblasen starben. John Scott Haldane, der Vater der modernen Dekompressionsforschung, stellte fest, dass nach Überdruckexposition eine Halbierung des Umgebungsdruckes bei Säugetieren (inkl. Versuchen an sich selbst und seinem 13-jährigen Sohn!) keine Probleme bereitete.

 

Daraus folgt, dass eine Übersättigung bis zu einem gewissen Grad toleriert wird. Diese Übersättigungstoleranz bedeutet nichts anderes, als dass beim Auftauchen eine Entlastung des Umgebungsdruckes bis zu einem gewissen Mass ohne Blasenbildung toleriert wird. Wird diese Toleranz überschritten, bilden sich im Gewebe Blasen.

 

Ein Beispiel soll dies illustrieren: nach einem Tauchgang auf 40 m (5 bar) mit Pressluft ist ein Gewebe gesättigt, sein Stickstoffpartialdruck beträgt 3.9 bar. Der Taucher steigt nun innert kurzer Zeit auf 20 m auf. Während dieser Zeit nimmt der Partialdruck im Gewebe kaum ab, der Umgebungsdruck hingegen schon, nämlich auf 3 bar. Obwohl der Umgebungsdruck tiefer ist als der Stickstoffpartialdruck im Gewebe bilden sich keine Blasen. Die Übersättigungstoleranz wurde nicht überschritten.


Die Übersättigungstoleranz kann für jede Tiefe einfach vorhergesagt werden.

 

Daraus folgt, dass der maximal tolerierte Stickstoffdruck im Gewebe der Summe des herrschenden Umgebungsdruckes plus einem Zuschlag entspricht.

 

Diese Beziehung kann einfach mit der Formel

 

Ptol = b*Pamb + a

 

ausgedrückt werden, wobei Ptol dem maximal tolerierten Inertgasdruck (z.B. Stickstoff) im Gewebe beim Umgebungsdruck Pamb entspricht.

 

Oder anders gesagt: Da der maximal tolerierte Inertgasdruck (Ptol) grösser sein muss als der Umgebungsdruck (Pamb) (sonst könnten wir nicht auftauchen ohne Blasenbildung), muss zu Pamb ein Wert addiert werden (a). Diese Beziehung ist nichts anderes als eine lineare Funktion (wobei der Koeffizient b eingeführt wird, um die Steigung der Geraden anzugeben).

 

Bühlmann, der Zürcher Dekompressionsphysiologe und Tauchmediziner, hat zusammen mit dem Tauchpionier Keller die von Haldane (und Workman) gemachte Feststellung, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Übersättigungstoleranz und dem Umgebungsdruck existiert, übernommen und diese Beziehung leicht abgewandelt formuliert (A.A. Bühlmann. Dekompression - Dekompressionskrankheit. Springer 1983):





Man lasse sich dadurch nicht verwirren. Es ist mathematisch nämlich das gleiche. Bühlmann und Keller haben dies in ihrem Modell mit spezifischen Koeffizienten für 16 verschiedene Gewebe festgehalten (Modell ZHL16B):


Das Modell existiert in mehreren Varianten unter den Kürzeln ZH-L 16 A, B und C wobei ZH für Zürich, L für Limiten, 16 für die 16 Kompartimente und die Buchstaben für die Anpassung der Koeffizienten a und b für theoretische Überlegungen (A), die Berechnung von Tauchtabellen (B) und für Dekompressionscomputer (C) stehen. Letzteres kommt heute weit verbreitet in Tauchcomputern zur Anwendung (ZH-L 16 C). Mit diesem Modell lassen sich nicht nur die Sättigung und Entsättigung der Gewebe während eines Tauchganges berechnen, sondern auch die korrespondierenen Übersättigungstoleranzen.


Zu einem Dekompressionsmodell gehören immer 2 Teile: die Sättigungskinetik und die Übersättigungstoleranz.

Auf diese Weise lässt sich voraussagen, ob man bei einem gegeben Inertgasdruck (z.B. Stickstoff) im Gewebe und einer bekannten Tauchtiefe noch sicher ist. Liegt die Übersättigung nämlich unter dem Wert der Übersättigungstoleranz, tritt keine Dekompressionskrankheit auf. Graphisch sieht dies folgendermassen aus:


Abbildung 2 (Manual Sättigung © Michael Mutter). Grün: Übersättigungstoleranz. Solange die Übersättigung diese nicht überschreitet, tritt keine Dekompressionskrankheit auf.


In der nächsten Abbildung sind die Ergebnisse dieser Funktion für 2 Gewebe mit unterschiedlichen Halbwertszeiten aufgetragen.


Abbildung 3 (Manual Sättigung © Michael Mutter). Max. tolerierte Inertgasdrucke in Abhängigkeit des Umgebungsdruckes für Gewebe 1 und 16. Schwarze vertikale Linie = Wasseroberfläche = 1 bar.


Es fallen 2 Punkte auf:

  1. Das «schnellere» Gewebe (HWZ 4 min., blaue Linie) hat die höhere Übersättigungstoleranz. So beträgt sein tolerierter Inertgasdruck an der Wasseroberfläche (Umgebungsdruck 1 bar) 3.2 bar. Für das «langsamere» (HWZ 635 min.) Gewebe beträgt der tolerierte Umgebungsdruck 1.3 bar und liegt damit nur knapp über dem Umgebungsdruck an der Oberfläche.

  2. Mit zunehmendem Umgebungsdruck nimmt die Übersättigungstoleranz zu. So beträgt bei 6 bar Umgebungsdruck die Differenz zum tolerierten Inertgasdruck für das Kompartiment 1 (blaue Linie) 7.1 bar (6 + 7.1 = 13.1), bei 11 bar Umgebungsdruck aber 12 bar (11 + 12 = 23). 

 

 Daraus lassen sich 2 Regeln formulieren:

1. Je "schneller" das Gewebe, desto grösser seine Übersättigungstoleranz.
2. Je grösser die Tauchtiefe, desto höher die Übersättigungstoleranz.

 

(Leser mit mathematischem Flair werden Regel 1 und 2 direkt aus der Tabelle anhand der Koeffizienten ableiten, da Koeffizient b vom schnellsten zum langsamsten Kompartiment stetig zunimmt und im Nenner steht, somit die Steigung der Geraden vom schnellsten zum langsamsten Kompartiment zunimmt und Koeffizient a im Gegensatz dazu stetig abnimmt.)

 

Macht dies Sinn und ist es plausibel? - Und ob! Der tolerierte Inertgasdruck muss zwingend höher sein als der Umgebungsdruck. Wenn dem nicht so wäre, könnten wir nicht rasch in grosse Höhen aufsteigen, ohne ein Dekompressionssyndrom zu erleiden. Die Natur hat uns sogar so viel Reserve mitgegeben, dass wir mit der Bahn ohne Blasenbildung aufs Jungfraujoch fahren können; etwas, was die Evolution sicher nicht vorgesehen hat. Auch nicht vorgesehen hat die Natur, dass im 2. Weltkrieg Flugzeuge ohne Druckkabine in immer grösser Höhen aufsteigen würden, was die Piloten schmerzlich erfahren mussten. Tatsächlich sind seither Dekompressionssyndrome in der Fliegerei bekannt. Die Ursache liegt auch hier im raschen Absenken des Umgebungsdruckes analog zum Tauchen und ist der Grund, weshalb Piloten sehr hochfliegender Flugzeuge Druckanzüge tragen. Das gleich gilt für Astronauten. Denn beim einem Weltraumspaziergang ist der Umgebungsdruck Null. Dies bedeutet, dass das Gewebe des Astronauten in jedem Fall übersättigt ist. Durch Aufrechterhalten eines minimalen Druckes verhindert der Raumanzug, dass die Übersättigungstoleranz tangiert wird. Das nachfolgende Video demonstriert dieses Problem während eines Pilotentrainings in der Druckkammer.

Abrupter Druckabfall U2-Pilot. Quelle: youtube

 

Die nächste Abbildung zeigt die Übersättigungstoleranz für Kompartiment 1 und 16 für einen Luftdruck von 670 hPa (=0.67 bar) auf dem Jungfraujoch (gemessen am Hitzetag 19.6.22). Das Gehirn (Kompartiment 1) hat eine sehr hohe Toleranz. Der Inertgasdruck dürfte auf dem Jungfraujoch sogar 2.6 bar betragen, ohne dass es zu Blasenbildung käme. Auch im langsamsten Kompartiment ist nicht mit Blasenbildung zu rechnen, wenn der Besucher zuvor einige Tage in Interlaken verbracht hat (Luftdruck 1008 hPa = 1.0 bar: Inertgasdruck im Gewebe (1.0 bar – 0.063 bar) x 0.79 = 0.74 bar) und nicht gerade von einem Tieftauchgang im Thunersee kommt…


Abbildung 4 (Manual Sättigung © Michael Mutter): Umgebungsdruck und tolerierter Inertgasdruck (2.6 bar Komp. 1 und 0.9 bar Komp. 16) auf dem Jungfraujoch bei 670 hPa Luftdruck (=0.67 bar).


Die lebenswichtigen Organe haben die höchste Übersättigungstoleranz.

Dass die «schnellsten» Gewebe die grösste Toleranz aufweisen, macht aus biologischer Sicht grossen Sinn, repräsentieren sie doch die lebenswichtigen Organe. Die Natur hat sie deshalb mit der grössten Reserve ausgestattet.

 

Dies zeigt: Um die Dekompressionsphysiologie zu verstehen ist die Kenntnis der Übersättigungstoleranz zwingend. Was mit ihr in der Tauchpraxis anzufangen ist, erläutere ich im nächsten Beitrag.

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