top of page
Suche
  • AutorenbildMichael Mutter

Sauerstofftoxizität - eine kritische Betrachtung der "CNS-clock"

Die ZNS-Toxizität des Sauerstoffs stellt ein erhebliches Risiko für das Sport- und technische Tauchen dar. Die «CNS-clock» dient dazu, dieses während eines Tauchganges zu kalkulieren. Ihr pathophysiologisches Fundament ist allerdings äusserst schmal.



Photo: Patrick Oswald, Tauchschule H2O

Die Verbrennung von Sauerstoff zur Gewinnung energiereicher Phosphate wird von der Natur in der Atemkette in Kleinstschritten kontrolliert. Trotzdem entstehen als Nebenprodukte hochreaktive Sauerstoffverbindungen (freie Sauerstoffradikale, Peroxide u.ä.), welche den Organismus schädigen würden. Die Natur hat ein grosses Armamentarium entwickelt, um sie in Schach zu halten. Unter Überdruckbedingungen scheinen sie die Abwehr aber zu überwältigen und so die Zellen direkt zu schädigen, wobei der genaue Mechanismus der Sauerstofftoxizität unbekannt ist.


Beim Tauchen spielen 2 Arten der Sauerstofftoxizität eine Rolle:


  • Die Lungentoxizität

  • Die ZNS-Toxizität

 

Für das Sporttauchen hat die Lungentoxizität keine Bedeutung, da sie erst nach sehr langer O2-Exposition auftritt. Ganz anders sieht es mit der ZNS-Toxizität aus. Paul Bert stellte bereits Ende des 19. Jahrhunderts fest, dass unter Druck eingeatmeter Sauerstoff zu epileptischen Anfällen führt. Ein solcher kann beim Tauchen ohne Vorwarnung als erstes Symptom der ZNS-Toxizität auftreten. Beim SCUBA-Tauchen führt er zum sicheren Tod durch Ertrinken und muss deshalb um jeden Preis verhindert werden.

 

Ein durch O2 ausgelöster epileptischer Anfall (Video) kann ohne Vorwarnung auftreten.

Donald publizierte 1947 seine Studien zur Sauerstofftoxizität bei britischen Marinetauchern. Er stellte fest, dass die ZNS-Toxizität intraindividuell (d.h. beim gleichen Taucher) und interindividuell (bei verschiedenen Tauchern) stark schwankt und diversen Einflussfaktoren unterworfen ist, und empfahl, mit reinem Sauerstoff nicht tiefer als 8 m zu tauchen (O2-Partialdruck max. 1.8 bar).

 

Faktoren, welche die ZNS-Toxizität begünstigen, sind (Liste nicht abschliessend):

  • Starke Anstrengung

  • Kälte

  • Erhöhtes CO2

  • «nasse» Tauchgänge (i. Ggs. zu «trockenen» in Druckkammern)

  • Müdigkeit, Schlafentzug

  • Diverse Medikamente


Weitere Forschung zeigte, dass mit einem O2-Partialdruck von 1.7 bar ohne Symptome bis 4 h getaucht werden konnte, mit höherem Partialdruck kürzer. Die Expositionsdauer scheint somit für die ZNS-Toxizität eine gewisse Rolle zu spielen. Wie erwähnt entwickelt sich die ZNS-Toxizität aber nicht zwingend graduell, sondern kann als «Alles-oder-Nichts-Ereignis» in Form eines epileptischen Anfalles ohne Vorwarnung auftreten. Leider ist der Zeitfaktor zu unsicher, um einen solchen bei O2-Partialdruckwerten oberhalb 1.6 bar prognostisch sicher auszuschliessen. Deshalb wird das Tauchen mit Sauerstoff auf Partialdruckwerte limitiert, unterhalb derer zu keinem Zeitpunkt ZNS-Symptome auftreten.


Tauchen ist bis 1.4 bar O2-Partialdruck bezgl. ZNS-Toxizität sicher. Auf den Dekompressionsstufen ist ein maximaler Sauerstoffpartialdruck von 1.6 bar erlaubt, sofern auf Anstrengungen verzichtet wird.

Für Pressluft bedeutet dies eine maximale Tauchtiefe von 56 m (max. O2-Partialdruck 1.4 bar), beim Nitroxtauchen entsprechend geringere Tiefen (z.B. mit EAN 28 max. 40 m). Diese Empfehlung ist dringend einzuhalten.

 

Was soll denn die «CNS-clock»? - Diese Frage ist mehr als berechtigt.

 

Zur Bestimmung der pulmonalen Sauerstoffexposition werden die «units of pulmonary toxicity dose» (UPTD) verwendet. 1 UPTD entspricht dem Schaden, der durch das Atmen von 100% Sauerstoff über 1 Minute bei 1 bar entsteht und lässt sich mit Lungenfunktionstest in beschränktem Umfang, aber verhältnismässig leicht messen. Das Konzept wurde in der Folge erweitert. So wurde die «oxygen toxicity unit» oder «oxygen tolerable unit» (OTU) erdacht, welche auch für Repetitiv- und Mehrtages-Expositionen angewandt wird (REPEX-guidelines) und die Ganzkörperexposition erfassen soll. Erdacht ist wörtlich gemeint, wurde das Konzept doch nicht an Tauchern validiert.

 

Die "CNS-clock" der NOAA soll eine Richtschnur zur Abschätzung der Sauerstoffexposition von Gehirn und Rückenmark liefern. Sie ist der Versuch, das Konzept der Lungentoxizität auf das ZNS zu übertragen unter Berücksichtigung der Beobachtung, dass mit einem O2-Partialdruck von 1.7 bar bis 4 h ohne Zeichen der ZNS-Toxizität getaucht werden konnte. Oder auf Deutsch und Deutlich: Sie ist ein Mischmasch zwischen 2 Konzepten, die sich fundamental widersprechen: nämlich der Vorhersagbarkeit der Lungentoxizität und der Unvorhersagbarkeit der ZNS-Toxizität.


Die "CNS-clock" ist eine Synthese aus zwei sich widersprechenden Konzepten.

Sie enthält deshalb eine sehr grosse Sicherheitsmarge (maximal erlaubte Exposition 1.6 bar über 45 Minuten). Diese Limiten werden oft als «ZNS-Prozentsatz» oder «%CNS» angeben, indem die Zeit, während der ein bestimmter Sauerstoffpartialdruck geatmet wird, durch das NOAA-Limit für diesen Druck dividiert und die Fraktionen zu einem Prozentsatz addiert werden.



O2-Partialdruck

NOAA-Limit

Tauchzeit

CNS%

Tauchgang 1

1.4 bar

150 min.

75 min.

50%

Tauchgang 2

1.3 bar

180 min.

60 min.

33 %

kumuliert




83 %

Hypothetisches Beispiel zur Berechnung der ZNS-Toxizität in % des obersten Limits (in Anlehnung an NOAA). Tauchgang 1 schöpft 50% der erlaubten O2-Exposition aus,

Tauchgang 2 33%.


Computer berechnen während eines Tauchganges «CNS%», indem sie die Fraktionen laufend kumulieren. Werden 100% erreicht, ist die Grenze für die Sauerstoffexposition des ZNS erreicht.


Für das Ausschöpfen der Limits im Speziellen und der Oberflächenintervalle bei Repetitiv-Tauchgängen im Allgemeinen existieren Verhaltensregeln, welche sich je nach Tauchorganisation unterscheiden können.


Ein wissenschaftliches Fundament für die "O2-Halbwertszeit" während Oberflächenpausen fehlt.

 

Die Annahme einer O2-Halbwertszeit von 90 Minuten während eines Oberflächenintervalls ist allgemein verbreitet. Dabei würde der ZNS-Prozentsatz am Ende eines Tauchganges nach 90 Minuten-Oberflächenpause auf die Hälfte sinken, d.h. im obigen Beispiel von 50% auf 25%. Dieser würde zum nächsten Tauchgang dazugeschlagen, d.h. Tauchgang 2 würde mit 25 «CNS%» statt 50% starten und die kumulierte Dosis nach beiden Tauchgängen betrüge 58%. Eine wissenschaftliche Grundlage für die Sauerstoffhalbwertszeit von 90 Minuten existiert allerdings nicht und im Zusammenhang mit Sauerstoff, einem Stoffwechselgas, von «Halbwertszeiten» zu sprechen, ist schon fast schmerzhaft unwissenschaftlich.


"CNS-clock": Planungshilfe aber kein physiologisches Konzept

 

Das Konzept der «CNS-clock» steht auf einem sehr schmalen experimentellen Fundament. Es entspricht im weitesten Sinne einem «educated guess», basiert auf Expertenmeinungen und ist an Tauchern kaum oder gar nicht validiert. Die "CNS-clock" beruht auf einer sehr idealisierten Gewichtung des Zeitfaktors, leitet sich aus der Prognose der pulmonalen (!) resp. Ganzkörper-Toxizität ab und versucht anhand der Expositionsdauer eine Voraussage für das ZNS zu treffen. Dies hat wenig bis gar nichts mit der Wirklichkeit zu tun, insbesondere im Bereich von Sauerstoffpartialdruckwerten über 1.4 bar. Wie erwähnt spielen hier für das ZNS weitere Faktoren eine Rolle, welche die Voraussagekraft des Zeitfaktors entkräften und damit weitgehend nutzlos machen. Man könnte sogar behaupten, dass die «CNS-clock» der Unvorhersagbarkeit der ZNS-Toxizität fundamental widerspricht und wer schon einmal die Studienresultate von Donald gesehen hat, wird sich unweigerlich fragen, ob die CNS-clock überhaupt eine Existenzberechtigung hat.


Die «CNS-clock» ist damit nicht als physiologisches Prinzip zu begreifen, sondern bestenfalls als theoretische Planungshilfe für Tauchgänge mit Sauerstoff-angereicherten Atemgasen.


Tatsächlich sind Unfälle wegen Sauerstofftoxizität mit Partialdruckwerten im Bereich von 1.4 bis 1.6 bar trotz Einhalten der Richtlinien bekannt. Hingegen gibt es keine dokumentierten Zwischenfälle bei Sauerstoffpartialdruckwerten unter 1.3 bar. Damit ist das Vermeiden eines zu hohen, absoluten Sauerstoffpartialdruckwertes der entscheidende Faktor für die Prävention der Sauerstofftoxizität - ganz unabhängig von der Expositionsdauer. Beim technischen Tauchen (z.B. mit geschlossenen Systemen) gelten Werte von 1.3 bar und weniger.


Für das Sporttauchen gilt nur eines: den Sauerstoffpartialdruck auf max. 1.4 bar beschränken.

 

In Anlehnung an die aktuell gültigen NOAA-Richtlinien für das Nitrox-Tauchen ist vom Ausreizen der Grenzwerte der «CNS-clock», d.h. der Anwendung von Sauerstoffpartialdruckwerten über 1.4 bar während der «Arbeitsphase» des Tauchganges, strikte abzuraten. Dies gilt nicht für die Dekompressionsstufen, wo Sauerstoffpartialdrucke bis 1.6 bar geatmet werden dürfen, sofern die Empfehlungen dafür eingehalten werden wie bspw. keine oder nur geringe Anstrengung und die Möglichkeit des zeitweisen Wechsels auf ein Gemisch mit tiefem O2-Anteil bei sehr langer Dekompression.


 

67 Ansichten0 Kommentare

Aktuelle Beiträge

Alle ansehen

Σχόλια


bottom of page