Die «Helium-Penalty»: Zwischen Modellannahmen und Wissenschaftsethik

Helium besitzt – medizinisch betrachtet – ausserhalb des Tauchens kaum Relevanz. Entsprechend ist seine Kinetik im Vergleich zu anderen Inertgasen, die in der medizinischen Forschung und Diagnostik beispielsweise als Tracer eingesetzt werden, nur unzureichend untersucht (1). Bis heute beruhen die in der Tauchmedizin verwendeten Helium-Algorithmen überwiegend auf dem von Bühlmann publizierten Datensatz.

Foto: Karin Aggeler

Helium im Bühlmann-Modell

Gemäss Bühlmann ist die Diffusionsgeschwindigkeit von Helium aufgrund seines geringeren Molekulargewichts um den Faktor 2,65 höher als jene von Stickstoff. In seinem Modell werden deshalb die Halbwertszeiten sämtlicher Kompartimente für Helium um den gleichen Faktor verkürzt. Auch ergeben sich Übersättigungstoleranzen, die – abhängig vom Gewebetyp – etwa um den Faktor 1,4 (schnelle Gewebe) bis 2 (langsame Gewebe) höher liegen als für Stickstoff. Auf dieser Basis wurde ein spezifischer Datensatz mit für Helium angepassten Halbwertszeiten sowie Koeffizienten a und b für die Übersättigungstoleranz erstellt.

Für das Trimix-Tauchen gewichtete Bühlmann die stickstoff- und heliumspezifischen Koeffizienten a und b entsprechend den jeweiligen Gasanteilen im Atemgas und leitete daraus die zulässige Übersättigung ab. Dieses Vorgehen wurde allerdings nie experimentell validiert. Zudem wurden Bühlmanns tiefe Versuchstauchgänge primär mit Heliox und nicht mit Trimix durchgeführt. Die Berechnung des Gesamtdrucks der Inertgase erfolgt dabei nach dem Dalton’schen Gesetz durch Addition der Partialdrücke der einzelnen Gase.

Die Entstehung der «Helium-Penalty»

Aus den kürzeren Halbwertszeiten folgt, dass Gewebe unter Heliumatmung schneller aufsättigen als unter Stickstoff. Umgekehrt bedeutet dies, dass die Stickstoffaufsättigung langsamer erfolgt als jene mit Helium. Daraus wird abgeleitet, dass bei Tauchgängen mit Stickstoff kürzere Dekompressionszeiten sowie flachere Dekompressionsstopps möglich seien als bei Helium. Anders formuliert wird der Taucher für die Verwendung von Helium mit längeren Dekompressionszeiten „bestraft“ (2). Die höhere Übersättigungstoleranz vermag die tiefere Halbwertszeit bezüglich Dekompressionspflichtigkeit nicht auszugleichen. Dieser Effekt hat unter dem Begriff der sogenannten «helium penalty» Eingang in den Taucherslang gefunden.

Experimentelle Befunde und Zweifel

Doch trifft diese Annahme tatsächlich zu? Messungen in schnellen Geweben zeigen identische Zeitkonstanten für Helium und Stickstoff (1). Daraus lässt sich ableiten, dass Nitrox, Heliox und Trimix aus dekompressionstheoretischer Sicht möglicherweise gleichbehandelt werden könnten. Diese Hypothese wird durch eine Studie gestützt, die Pressluft und Heliox (21 % O₂) bei Tauchgängen auf 18 m mit Grundzeiten zwischen 70 und 100 Minuten verglich. Die Dekompressionskrankheitsrate war in beiden Gruppen identisch, was darauf hindeutet, dass die Dekompressionspflichtigkeit vergleichbar war (2).

Eine weitere Studie erlangte besondere Aufmerksamkeit und stellte die helium penalty zusätzlich infrage (3). In dieser Untersuchung wurden Trimix 12/44 und Heliox 12/88 bei Tauchgängen auf 200 fsw (Fuss Tiefe) mit einer Grundzeit von 40 Minuten verglichen. Nach 50 Heliox- und 46 Trimixtauchgängen traten zwei Fälle von Dekompressionskrankheit in der Trimix-Gruppe auf – ganz im Gegensatz zur Lehrmeinung, welche unter Heliox eine doppelt so hohe DCS-Rate prognostizieren würde.

Diese Befunde nähren Zweifel an der Existenz einer generellen helium penalty und werfen die Frage auf, ob bei der Dekompressionsberechnung Helium und Stickstoff gleichbehandelt werden sollten. Hierbei ist allerdings Zurückhaltung geboten, da diese Annahme bislang nicht systematisch überprüft wurde.

Methodische und ethische Grenzen im Bühlmann-Modell

Warum besteht trotz Bühlmanns umfangreicher Arbeiten weiterhin diese Unsicherheit? Schliesslich testete er sein Modell mit Heliox und führte damit auch Tieftauchgänge durch. Der Grund hierfür dürfte auch ethischer Natur sein. Dem damaligen Forschungsteam standen deutlich weniger technische Möglichkeiten zur Verfügung als heute – etwa fehlte die Ultraschalldiagnostik. Entsprechend konnten ausschliesslich klinische Endpunkte erfasst werden, also lediglich das Auftreten oder Ausbleiben einer Dekompressionskrankheit. Parameter wie Blasenbildung oder gewebespezifische Eliminationshalbwertszeiten liessen sich nicht messen.

Bühlmanns Arbeiten stellen damit konsequent klinische Forschung dar. Diese Tatsache macht sie umso wertvoller und fasziniert mich aus heutiger Warte besonders, da vollständig auf die Erhebung von Surrogatmarkern verzichtet werden musste.

Gleichzeitig bedeutete dieser Ansatz jedoch auch, dass klare ethische Grenzen bestanden, die nicht überschritten werden durften. Dies betrifft insbesondere schnelle und lebenswichtige Gewebe wie das zentrale Nervensystem. Es wäre beispielsweise ethisch nicht vertretbar gewesen, Probanden bewusst einem erhöhten Risiko schwerwiegender neurologischer Schäden bis hin zu einer Querschnittslähmung auszusetzen, nur um eine präzisere Abschätzung der Helium-Halbwertszeiten zu ermöglichen – etwa unter der Hypothese, dass die kurzen Helium-Halbwertszeiten zwar für Knorpelgewebe gelten könnten, nicht jedoch für das Rückenmark.Dieser ethische Rahmen könnte einer der Gründe sein, weshalb die im Modell verwendeten Helium-Halbwertszeiten für schnelle Gewebe kürzer angesetzt wurden, als es heutige Messungen nahelegen würden.

Einordnung der heutigen Praxis

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass zwar Zweifel an der gängigen Praxis bestehen, allen Kompartimenten pauschal kürzere Helium-Halbwertszeiten zuzuordnen. Diese Zweifel reichen jedoch nicht aus, um die bestehenden Dekompressionsalgorithmen für Helium an jene für Stickstoff anzugleichen und damit die Dekompressionszeiten zu verkürzen. Mitchell bringt dies treffend auf den Punkt, indem er vermutet, dass man bislang möglicherweise „das Richtige aus falschen Gründen getan hat“ – es also richtig ist, lange zu dekomprimieren, jedoch nicht aufgrund des Heliums selbst, sondern wegen des Tauchprofils an und für sich (4).

Mögliche Erklärung: Abhängigkeit vom dominanten Gewebekompartiment

Eine mögliche Erklärung für die Diskrepanzen zwischen dem Bühlmann-Modell und moderner Tauchforschung könnte wie folgt aussehen: Bei Atemgasmischungen mit hohem Heliumanteil besteht bei typischen technischen „Bounce Dives“ kein Nachteil, da deren Dekompression von den schnellen Geweben bestimmt wird, für die sich die Halbwertszeiten von Helium und Stickstoff nicht unterscheiden. Mit zunehmender Tauchdauer wird jedoch ein Punkt erreicht, an dem die Dekompression durch langsamere Gewebe limitiert wird. Unter der Annahme, dass die von Bühlmann ermittelten Halbwertszeiten für diese Kompartimente korrekt sind, würde dies bedeuten, dass diese Gewebe aufgrund ihrer stärkeren Heliumaufsättigung länger dekomprimiert werden müssen – die helium penalty käme somit zum Tragen. Ob diese Annahme zutrifft, ist derzeit offen. Zumindest für das Innenohr, die Haut und möglicherweise auch für Knorpelgewebe scheinen die Zeitkonstanten für Stickstoff deutlich länger zu sein als für Helium (1).

Praktische Konsequenzen

Derzeit muss dringend davon abgeraten werden, die in Dekompressionsalgorithmen implementierten Helium-Parameter zu umgehen – etwa indem bei Trimix-Tauchgängen rechnerisch ein Heliumanteil von 0 % angenommen wird. Bis weitere Studien mehr Klarheit schaffen, ist die helium penalty als gegeben hinzunehmen – ein kleiner Wermutstropfen angesichts der zahlreichen sonstigen Vorteile von Helium als Inertgas bei Tauchgängen auf grössere Tiefen.

1. Doolette DJ, Mitchell SJ. Hyperbaric conditions. Compr Physiol. 2011 Jan;1(1):163-201. doi: 10.1002/cphy.c091004. PMID: 23737169

2. Doolette DJ et al. Recreational technical diving Part II. Diving and Hyperbaric Medicine. 43 (2): 96-104. 2013

3. Doolette et al. DECOMPRESSION FROM He-N2-O2 (TRIMIX) BOUNCE DIVES IS NOT MORE EFFICIENT THAN FROM He-O2 (HELIOX) BOUNCE DIVES. TA 13-04 NEDU TR 15-04 May 2015

4. https://www.shearwater.com/monthly-blog-posts/eliminating-helium-penalty/