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Nucleazione e Bolle

 

Nucleazione e Bolle
(Decompression Theory and Application di B.R. Wienke ed. Best Publishing Company)

Nel contesto dei modelli a gas disciolti le soste di sicurezza e le velocità di risalita ridotte sono coerenti con la meccanica delle bolle, riducendo effettivamente il tasso di crescita delle bolle e l’accumulo della fase gassosa libera a causa della maggiore pressione effettiva presente al termine dell’immersione.

Questo rappresenta un forte appoggio all’applicazione di queste tecniche.
Alcuni, inoltre, considerano soste di sicurezza, risalite a velocità ridotta e maggiori pressioni di desaturazione come una terapia coerente per le fasi gassose separate (libere), particolarmente in prossimità della superficie dove una ulteriore riduzione della pressione favorisce la crescita di volume.

Sia la teoria della nucleazione delle bolle che la pratica sperimentale ci dicono che in ogni data immersione (compressione – decompressione) le famiglie di micronuclei di dimensioni superiori ad una determinata dimensione critica (minima) vengono eccitate e spinte verso la formazione di bolle, quindi è necessario prestare attenzione, durante tutto il corso dell’immersione, allo sviluppo della fase libera.

Gli esperimenti ed i calcoli suggeriscono che soste brevi, poco profonde e velocità di risalita ridotte hanno effetto positivo sulla riduzione dell’accumulo della fase libera, riducendo al contempo il gas disciolto nei tessuti più veloci, e questo è importante per le immersioni più profonde.
In ultima analisi le ragioni sono da ricercarsi nella meccanica delle bolle e nella nucleazione.

Meccanica della fase

Le pressioni interne delle bolle superano la pressione ambiente di quantitativi pari alle effettive tensioni superficiali delle bolle stesse.
Per eliminare le bolle, o ridurne la crescita, si richiede un aumento della pressione ambiente non solo per ridurre le dimensioni, ma anche per spingere il gas fuori della bolla, per diffusione, e anche attraverso l’interfaccia tessuto-bolla.

Quanto più breve è il tempo di eliminazione che si desidera tanto maggiore dovrà essere la pressione ambiente.

Gli esperimenti condotti nelle gelatine sottoposte a decompressione, in particolare da Yount e Strass, Kunkle e Beckman, e collettivamente da Yount, Yeung e Gillary , sono stati chiarificatori ed hanno testimoniato la veridicità di questo fatto.



Equilibrio della Pressione della Bolla

La pressione totale del gas Pt, all’interno di una bolla d’aria equivale alla somma della pressione ambiente, P, più l’effettiva tensione superficiale, 2g/r, secondo l’equazione:

Quando il raggio è piccolo gli effetti della tensione superficiale sono grandi, mentre quando il raggio è grande gli effetti della tensione superficiale scompaiono.

La tensione superficiale effettiva è la differenza tra la tensione di Laplace (pellicola sottile) e la tensione della pellicola (surfactante).
I nuclei stabilizzati posseggono una tensione superficiale nulla (zero) così che il totale delle pressioni dei gas e le tensioni si equivalgono.
Quando i nuclei sono destabilizzati (bolle) qualsiasi gradiente compreso tra la fase gassosa libera e quella dissolta spingerà il sistema verso differenti configurazioni, cioè espansione o contrazioni, finquado non si stabilisce un nuovo equilibrio.

Quanto più piccola è la bolla tanto minore è il tempo di dissoluzione.
Le implicazioni legate all’immersione sono piuttosto chiare, in presenza di fasi libere anche asintomatiche è l’aumento della pressione di desaturazione è prudente.
Con qualsiasi pressione il tempo richiesto per dissolvere una bolla di 250 micron di diametro è significativamente più breve di quello necessario a dissolvere bolle più grandi.
La ricompressione immediata, entro  5 minuti è un trattamento adeguato per bolle di diametro inferiore a 100 micron, e rappresenta la base della procedure di ricompressione di emergenza in acqua praticate da australiani e hawaiani.


Una bolla d’aria in equilibrio idrostatico crescerà o si contrarrà in base alla sua dimensione e a qualsiasi gradiente relativo tra la fase libera di fase interna alla bolla e del gas disciolto nel tessuto.

I gradienti sono rivolti verso l’interno se le tensioni superano la pressione dei gas nella bolla, e all’esterno se la pressione della fase gassosa libera supera le tensioni.

Un certo raggio critico , rc, separa espansione e contrazione per un dato insieme di pressioni. Il raggio critico dipende dalla tensione totale ρt, pressione ambiente, P, e tensione superficiale effettiva, g.


dove la crescita si ha se r > rc e la contrazione se r <  rc. Nell’organismo alcuni micronuclei gassosi stabilizzati possono sempre essere eccitati a crescere da cambiamenti di pressione (compressione-decompressione).

Questi fatti danno sostegno all’impiego delle soste di sicurezza quando le tabelle convenzionali vengono impiegate ai limiti, di tempo o di ripetizione, presumendo che le bolle nella gelatina e nei tessuti rispondano alla pressione essenzialmente alla stessa maniera.


Le bolle si sviluppano e crescono su scale dei tempi più estese rispetto alla stabilizzazione dei nuclei.
Nondimeno la rapida dissoluzione delle bolle in gelatine sature sottoposte a decompressione rapida (e il corpo vero e proprio) richiedono una depressurizzazione immediata ed adeguata. Il tempo assoluto richiesto a dissolvere le bolle con una data sovrapressione è direttamente proporzionale alle dimensioni della bolla.
E’ chiaro che quanto più la bolla è piccola tanto minore sarà il tempo richiesto a scioglierla con una data sovrapressione.
Le bolle studiate da Kunkle e Beckman con questo esperimento  crebbero fino a circa 1 mm in 5 ore a partire da micronuclei stabilizzati.
Questi esperimenti hanno fornito informazioni di vitale importanza, corroborando le teorie sulla nucleazione e sulla formazione di bolle in vitro.

Le bolle, instabili, possono crescere al di là dell’ordine dei micron, i nuclei gassosi che resistono al collasso grazie alle pareti elastiche costituite da molecole attive superficiali (surfactanti), o forse alla riduzione della tensione superficiale alle interfacce tissutali o nelle fessure.
Per schiacciarli sono necessarie pressioni ingenti (nell’area delle 10 atm).
Teoricamente i micronuclei sono sufficientemente piccoli da passare attraverso i filtri polmonari, ma sufficientemente densi da non galleggiare verso la superficie del loro ambiente con il quale sono in equilibrio sia idrostatico (pressione) e diffusionale (flusso di gas).

Quando i nuclei sono stabilizzati, e non attivati verso la crescita o la contrazione da variazioni esterne di pressione, la tensione della pellicola (surfactante) sbilancia sia la tensione di Lapalace (pellicola) e qualsiasi aiuto meccanico dovuto al tessuto circostante.
A questo punto la pressione e le tensioni di gas sono uguali, ma, nella decompressione, le tasche di innesco (seed = seme) sono circondate da gas disciolti a tensioni elevate e possono quindi crescere (bolle) quando il gas circostante diffonde dentro ad esse.

La velocità di crescita, o di contrazione, delle bolle è in dipendenza diretta dalla differenza tra tensione tissutale e pressione ambiente locale, in pratica dal gradiente di pressione della bolla, indicato con G.
In un certo istante si forma un volume critico di bolle (fase libera, e i sintomi di embolia divengono statisticamente più probabili.
Durante la compressione i micronuclei sono schiacciati a dimensioni ridotte (diverse per le varie famiglie di dimensioni) ed apparentemente si stabilizzano alla nuova dimensione. Le bolle vengono schiacciate anche all’aumento della pressione a causa della legge di Boyle e poi si stringono ulteriormente se il gas diffonde verso l’esterno.
Via via che la bolla diviene più piccola è possibile che si stabilizzi di nuovo come micronucleo. 

Durante la compressione-decompressione i nuclei gassosi possono crescere come bolle, in base alla loro effettiva tensione superficiale e al raggio della bolla.
Al di sotto di un determinato raggio critico, riportato nella Tabella 3 in funzione della pressione secondo il modello a permeabilità variabile (Variable Permeabilty Model – VPM), le bolle tendono a collassate su loro stesse, mentre con raggi di equilibrio maggiori crescono mentre il gas diffonde verso il loro interno.

I nuclei stabilizzati evolvono in bolle instabili quando la loro tensione superficiale effettiva è maggiore di zero, o quando esiste un gradiente di diffusione sufficiente a spingere il gas dentro o fuori dal nucleo.

A livello del mare il raggio di eccitazione è prossimo a 0,8 micron, più piccolo cioè delle cellule viventi, che hanno dimensioni che partono da pochi micron. 

Raggi di Eccitazione dei Micronuclei 


La teoria della nucleazione è coerente con numerose osservazioni relative alla su acquea.
I subacquei possono aumentare in modo significativo la tolleranza alla formazione delle bolle, e di conseguenza all’embolia, seguendo tre semplici tecniche, originariamente proposte da Walzer, Evans e Walzer, Albano e Griscuoli e riproposte da Yount, Kunkle e Beckman: compiere una prima immersione profonda e breve (di schiacciamento) riducendo così i micronuclei a dimensioni minori e più sicure;effettuare le immersioni successive a profondità progressivamente inferiori, in modo da immergersi entro i limiti di schiacciamento della prima immersione e minimizzando l’eccitazione dei micronuclei più piccoli.

Fare immersioni frequenti (a giorni alterni) in modo da sfoltire il numero di micronuclei disponibili per formare le problematiche bolle. 

Da qui è possibile sottolineare un concetto, se i siti di nucleazione sono estinti, ridotti di numero, o poco disposti all’eccitazione la formazione di bolle, ed i rischi che ne conseguono, saranno ridotti in misura proporzionale a questi eventi.
I tempi di rigenerazione dei micronuclei sono stimati in circa una settimana, sottolineando l’adattamento fisiologico al ripresentarsi di ambienti in pressione.
La meccanica di nucleazione, stabilizzazione e crescita delle bolle sono piuttosto complessi ed i meccanismi di stabilizzazione sono stati quantificati solo di recente.
I meccanismi che sottostanno alla creazione e alla generazione e che occorrono prima della stabilizzazione non sono ben compresi.

Alcune ipotesi comprendono i gas disciolti nei liquidi che beviamo, il drenaggio linfatico dai tessuti alle vene, la coalescenza da collisione, la turbolenza e la vorticosità del sangue, lo sforzo, lo stomaco e il sottile endotelio di interfaccia aria-sangue nei polmoni.

Una volta che si sono formati i micronuclei devono stabilizzarsi molto rapidamente con del materiale surfactante.
Nel passaggio attraverso il filtro polmonare sopravvivono solo i nuclei di misura inferiore al micron.
Ammesso che i nuclei persistano non è chiaro se popolano tutti i siti tissutali, ne se sono caratterizzati dalle medesime distribuzioni dimensionali.

Alcuni possono sostenere che i risultati ottenuti con le gelatine non siano rilevanti perché i fluidi biologici si formano, e sono contenuti, in un ambiente chiuso (il corpo), ma gli studi di Strass e di Yount confermano l’esistenza di micronuclei gassosi preformati nel siero del sangue e nell’albumina dell’uovo.
I nuclei sembrano essere pervasivamente presenti in tutti i tipi di fluidi.

Tralasciando i nuclei preformati altri metodi di formazione delle bolle sono sicuramente possibili.
Uno dei meccanismi candidati è la cavitazione, prodotta da strappi o rapidi distanziamenti delle interfacce tissutali, così come lo è la frizione delle superfici (tribonucleazione).
Gli interstizi dei tessuti potrebbero formare o intrappolare delle fasi gassose creando un potenziale per un successivo rilascio.
La vorticosità del flusso sanguigno può creare piccole microbolle.

La presenza di abbondanti microbolle, stabili o instabili, nella circolazione venosa avrebbe un impatto negativo sull’eliminazione del gas disciolto, anche tramite una possibile azione di impedimento polmonare o della rete arteriosa.

La presenza di bolle nella circolazione arteriosa può determinare un’embolia, l’intasamento da bolle dalla circolazione polmonare è ritenuto collegato al manifestarsi dei chokes, una grave forma di malattia da decompressione, mentre la malattia da decompressione cerebrale si ritiene dovuta alla presenza di emboli.

La presenza di  microbolle nella circolazione venosa renderebbe asimmetrici l’assorbimento ed il rilascio del gas, con un ingresso più rapido dell’eliminazione.
Sostituendosi al sangue le microbolle ridurrebbero l’area ed il volume disponibili per lo scambio di gas fra sangue e tessuti. 

Surfactanti

Acqua, benzina, glicerina e olio da insalata sono chiaramente dei liquidi. Lo sciroppo per frittelle, gli impasti, l’albume, lo stucco morbido, la vernice, la colla e il sapone da piatti sono anch’essi liquidi, cioè scorrono se gli si applica una forza, ma sono al limite della classificazione scientifica per tutti gli altri aspetti.
Nella risposta meccanica, ma in particolare nella viscosità, i componenti di quest’ultimo gruppo di differenziano gli uni dagli altri almeno quanto differiscono dai solidi.

E la loro risposta varia col tempo.
Lo sciroppo diventa appiccicoso quando secca, il sapone da piatti asciuga trasformandosi in leggeri fiocchi, lo stucco morbido scorre se messo su un piano inclinato, ma si frammenta se subisce un impatto improvviso, la colla è elastica e gommosa.
Le sostanze di quest’ultimo elenco sono denominate fluidi strutturati, poiché devono le loro particolari ed inusuali caratteristiche a grandi strutture poliatomiche, molte volte più grandi di una molecola d’acqua.

I fluidi che contengono  delle strutture poliatomiche manifestano un’ampia varietà di risposte meccaniche e di auto-organizzazione.
I tessuti e i fluidi corporei ospitano una incalcolabile collezione di materiali organici ed inorganici, comprese molte sostanze biochimiche che appartengono alla categoria dei fluidi strutturati.
Tra questi una classe di auto-assemblanti, chiamati surfactanti, è molto interessante e dotata di caratteristiche che possono stabilizzare le microbolle in vari stadi di sviluppo sbilanciando la tensione superficiale.

Un surfactante è un fluido strutturato di natura ambifilica, comprendendente componenti che assumono disposizioni preferenziali alle interfacce aria-olio (non mescolabili).
Una molecola di surfactante usualmente consiste di un voluminoso ione alla testa ed uno ione di segno contrario alla coda.

Usualmente non possono esistere molecole isolate all’interno di un mezzo di un determinato genere, piuttosto le molecole si orientano in configurazioni dette micelle nelle quali le componenti di natura simile si raggruppano.
Cioè la testa si trova immersa in una sostanza e la coda nell’altra.
Le micelle di solito hanno diametri dell’ordine di 10-3 micron e rendono le interfacce differenti da tutto ciò che può essere misurato dai singoli componenti.

Le interfacce tissutali lipidi-acqua rappresentano degli ambienti potenzialmente favorevoli ai surfactanti.In certe condizioni un surfactante può ridurre la tensione superficiale all’interfaccia, permettendo a quest’ultima di crescere e di avvolgersi su se stessa.

Il risultato è un microfascio (microaccumulo) pieno di interfacce che si alternano, di struttura sferica per ridurre al minimo le esigenze energetiche dovute alla termodinamica.

Nel microfascio possono essere raccolte numerose sostanze.
Se dei nuclei gassosi piccoli, ma normalmente molto più grandi di una micella, sono a contatto con le interfacce, o direttamente con il surfactante, può svilupparsi un micronucleo/microemulsione gassosa sferica variabile in termini di dimensioni e di contenuto di surfactante.
Questo insieme è stabile quando la tensione superficiale effettiva è zero, quando la pressione della pellicola di surfactante equilibra meccanicamente (Laplace)  la tensione superficiale.
Se la tensione superficiale effettiva del nucleo, g, non è zero l’insieme crescerà o si contrarrà fino al raggiungimento della stabilità oppure si scomporrà.

Nel caso delle microemulsioni di gas si ritiene che il surfactante rivesta soprattutto lo strato limite interno, con il gas libero contenuto all’interno.
La reale configurazione è probabilmente più complessa ma nei calcoli possiamo, per semplicità, utilizzare questa illustrazione della struttra.
I micronuclei stabilizzati dal surfactante teoricamente potrebbero destabilizzarsi durante i processi di compressione-decompressione dell’immersione, forse generando una crescita di bolle alimentata dalle elevate tensioni dei gas presenti nel mezzo circostante.
Le microbolle possono rimanere localizzate alle interfacce ma, probabilmente, migrano.
Le origini dei nuclei gasosi originali, la composizione dei surfactanti e i siti tissutali devono ancora essere descritti.

 

Respirazione subacquea e Monossido di Carbonio

Qualità della miscela respiratoria.

 

Nella preparazione delle miscele respiratorie per l’attività subacquea, siano esse mix di fondo o decompressive, binarie o ternarie,  ha importanza  fondamentale la verifica della corretta composizione della miscela desiderata.

Attenta e scrupolosa analisi deve quindi essere effettuata a fine ricarica e dopo il necessario tempo di stabilizzazione.
Un’altra esigenza di verifica della miscela preparata, deriva dalla possibile presenza in essa di gas e sostanze indesiderate che possono accidentalmente essere presenti e che, se in concentrazioni significative, possono  risultare dannose alla salute del subacqueo.

La qualità della miscela respiratoria sia essa semplice aria o nitrox o trimix, deriva, nel caso di ricarica per travaso, dalla qualità dei gas utilizzati, mentre nella ricarica con miscelatori a flusso continuo e per le ricariche ad aria,  anche dalla qualità del compressore utilizzato, dal suo grado di manutenzione, dagli oli lubrificanti , dal sistema filtrante ecc.
In  questo secondo caso la qualità della miscela dipende anche dalla qualità dell’aria ambiente che viene aspirata dal compressore.

E’  evidente quindi che particolare attenzione deve essere posta al posizionamento della tubazione di aspirazione del compressore in modo da impedire qualsiasi forma di inquinamento dell’aria aspirata.
Sarà inoltre auspicabile che il centro di ricarica sia posizionato in luogo esente da ogni forma di inquinamento dell’aria ( vedi ad es. quello veicolare ed urbano in generale, quello industriale).

Un altro caso da tenere seriamente in considerazione è quello dell’uso di compressori a scoppio i cui gas di scarico possono accidentalmente essere convogliati verso l’aspirazione.
Particolare cura deve essere quindi posta al posizionamento del compressore rispetto alla direzione del vento e allontanare  il più possibile l’aspirazione dallo scarico.Ma occorre anche attenzione alle operazioni di rifornimento del compressore in quanto lo sversamento di carburante può anch’esso contribuire ad inquinare l’aria aspirata con le sostanze volatili contenute nelle benzine.
In generale un buon sistema filtrante composto da separatori di condensa, trappole a carboni attivi e setacci molecolari, se mantenuto efficiente, ha un elevato rendimento nel trattenere le sostanze volatili , minore nel depurare l’aria da gas tossici eventualmente presenti e che se non trattenuti  possono quindi essere immessi nelle bombole.
La corretta manutenzione dei sistemi filtranti è fondamentale anche perché questi progressivamente si saturano e dopo un certo tempo le sostanze nocive in essi contenute possono essere rilasciate.
Fondamentale è anche la manutenzione dei separatori di umidità in quanto l’acqua ha in generale un effetto inibente sui carboni attivi e sui setacci molecolari riducendone le proprietà adsorbenti.

E’ quindi possibile la presenza accidentale di sostanze indesiderate nelle miscele respiratorie e  tra queste particolare attenzione occorre porre al Monossido di Carbonio in quanto è un gas che  può avere effetti  molto seri sulla salute.

MONOSSIDO DI CARBONIO (Carbonmonoxide – CO)
Si trova raramente in natura ma si forma tutte le volte che il carbonio o i suoi composti bruciano in difetto d’aria: 2C + O2  2 CO 2CH4 + O2 2 CO + 3 H2   quindi nelle zone industriali e di intenso traffico automobilistico la concentrazione di CO può arrivare a livelli tossici.

Caratteristiche e proprietà fisiche : L’ossido di carbonio è un gas incoloro, inodoro, insaporo, molto velenoso. Infiammabilissimo, brucia all’aria con fiamma azzurrognola.  

Numero di CAS 630-08-0
Formula molecolare CO
Peso molecolare 28,01
Limiti di esplosività in aria 12,5-74,2% (v/v)
Temperatura di autoaccensione 651°C
Temperatura di fusione – 207°C
Temperatura di ebollizione – 191.3 °C
Peso specifico (aria=1) 0,968
Densità 0°C,101,3 kPa 1,25 g/l
Solubilità a 0°C in acqua 3,54 ml/100ml
Solubilità a 25°C in acqua 2,14 ml/100ml

Tossicità : L’ossido di carbonio è estremamente velenoso, basta una concentrazione dello 0,05% nell’aria per arrecare gravi malesseri, se ne contiene oltre l’1% produce rapidamente la morte; allo 0,6% può produrre la morte di un uomo a riposo dopo mezz’ora.La tossicità è dovuta alla sua rapida reazione con l’emoglobina  del sangue (Hb) che invece di combinarsi con l’ossigeno forma un complesso più stabile con l’ossido di carbonio (carbossiemoglobina).

Le cellule dei tessuti vengono così ad essere rapidamente depauperate di ossigeno, arrestando la funzione vitale del sangue.

Patogenesi:
Il CO ha per l’emoglobina un’affinità 200-300 volte maggiore dell’ossigeno e, legandosi ad essa (con formazione di carbossiemoglobina o HbCO), la rende incapace di fissare e trasportare l’ossigeno, determinando così un’anossia di tipo anemico.
Tale anossia è aggravata dal fatto che in presenza di HbCO la residua ossiemoglobina (HbO2) è meno dissociabile e quindi,  per poter ottenere il distacco da essa dell’ossigeno, occorre una più bassa tensione di O2 nei tessuti.

Se l’aria contiene lo 0,01% di CO, questo è tollerabile per parecchie ore, giacchè solo il 9,6% dell’emoglobina circolante viene trasformata in HbCO; alla concentrazione di CO pari allo 0,06-0,07% circa la metà dell’emoglobina si lega al CO ed il soggetto sta bene a riposo, ma può cadere in collasso se comincia a svolgere la minima attività muscolare, per es. piccoli movimenti; una concentrazione dello 0,15-0,20% è sicuramente dannosa dopo un’ora di esposizione; una concentrazione dello 0,4% o più è rapidamente mortale.

La combinazione dell’emoglobina con il CO è assai stabile, ma è reversibile e può essere scissa in presenza di grandi quantità di ossigeno.

Una volta staccatasi dal CO (che è eliminato attraverso l’albero respiratorio senza subire modificazioni), l’emoglobina riacquista comunque la sua capacità di trasportare l’ossigeno.
Alcuni autori sostengono inoltre che, oltre a provocare una anossia anemica attraverso la formazione di HbCO, il CO eserciterebbe anche un’azione istotossica, in quanto inibirebbe vari enzimi cellulari.

Questo in realtà si verifica solo per concentrazioni molto elevate di CO.
Ciò che invece occorre evidenziare è il concatenarsi di effetti fisiologici che rafforzano gli effetti dell’azione del CO: come è noto l’attività del centro bulbare è stimolata dalla anidride carbonica e quindi alla ipocapnia  (riduzione della pressione parziale di CO2 ematica) il centro bulbare risponde con una diminuzione della ventilazione.
Ne consegue che l’ipossia si aggrava ulteriormente per l’ipoventilazione.
Inoltre la tensione della CO2 nel sangue influenza la dissociazione dell’HbO2 che è rallentata in condizioni di ipocapnia e quindi meno O2 viene ceduto ai tessuti. Le intossicazioni più gravi da CO sono quelle in cui il contenuto di CO2 nell’aria inspirata è più scarso.

L’insufflazione di O2+CO2 è al contrario, la tecnica di rianimazione più congrua.

Sintomatologia ed esposizione
L’inalazione di quantità molto elevate di CO produce una intossicazione acutissima con perdita di coscienza, convulsioni, paralisi generale e morte.
L’intossicazione acuta si presenta con:

  • Sintomi a carico del sistema nervoso: cefalea intensa e pulsante (in prevalenza frontale e temporale), ronzii auricolari, vertigini, nausea (talora con vomito), astenia profonda (specialmente agli arti inferiori per cui la vittima non riesce a muoversi), sonnolenza; in casi più gravi sopore, paralisi generale, coma; in qualche caso euforia, eccitazione psicomotoria e delirio. L’acutezza visiva e l’udito diminuiscono.
  • Sintomi a carico dell’apparato circolatorio: vasodilatazione periferica, con tachicardia, ipotensione, cardiopalmo;  dilatazione miocardia, angina pectoris, infarti cardiaci da trombosi coronaria, blocchi di branca e atrio ventricolari, extrasistoli, turbe del ritmo cardiaco ecc.

 Se l’avvelenato sopravvive possono residuare per qualche tempo postumi, consistenti soprattutto a carico del sistema nervoso e del cuore: cefalea, astenia muscolare (specie agli arti inferiori), vertigini, disturbi psichici, amnesie, crisi anginoidi, turbe del ritmo cardiaco ecc.

La seguente tavola indica i livelli di carbossiemoglobina che si formano all’equilibrio con le diverse concentrazionei di CO nell’aria ambiente e i conseguenti effetti osservati: 

CO atmosfericoppm COHb nel sangue%  SINTOMI
70 10 Affanno dopo uno sforzo vigoroso; possibile mal di testa
120 20 Affanno dopo uno sforzo moderato; occasionale emicrania con pulsazioni alle tempie
220 30 Forte affanno; irritabilità; facile affaticabilità; vertigini; abbassamento della vista
350-520 40-50 Affanno; confusione mentale; collasso; svenimento dopo sforzo
800-1200 60-70 Incoscienza; convulsioni; blocco respiratorio; morte se l’esposizione continua
1950 80 Rapidamente fatale

  

Utile per la diagnosi è quindi il dosaggio del CO nell’aria ambiente e nel sangue.
Nell’atmosfera la concentrazione del CO è normalmente inferiore a 10 ppm; essa non deve oltrepassare per una esposizione assai breve le 400 ppm e per un’esposizione giornaliera di otto ore le 25 ppm (0,0025%).

Nell’uomo sano la concentrazione di CO nel sangue è al massimo di 0,60 cc% che in gran parte proviene dall’ambiente di vita (nei fumatori bastano poche sigarette per innalzare di molto la concentrazione di carbossiemoglobina).
E’ importante evidenziare come nei fumatori l’esposizione al CO va ad instaurarsi su di una situazione fisiologica già negativa. 

 

Terapia

Sottrarre immediatamente l’intossicato all’ulteriore azione del CO e procedere il più presto possibile alla somministrazione di ossigeno con il 5-7% di CO2; questa, come visto, è ritenuta utile per stimolare i centri respiratori ed aumentare così la ventilazione polmonare e la velocità di eliminazione del CO, nonché per abbassare il pH ematico e favorire in tal modo la dissociazione del Co dall’emoglobina.

Brillanti risultati si ottengono con l’ossigeno terapia ad alta pressione (2 atmosfere) in camera iperbarica.
Se la respirazione si arresta o è insufficiente è necessario ricorrere alla respirazione artificiale.
Utile in casi gravi il salasso, seguito da trasfusione di eguale quantità di sangue (apportatore di emoglobina).

  

LIMITI DI ESPOSIZIONE AL CO

Per  determinare i valori limite di esposizione e disporre di un metodo di stima della pericolosità dei vari gas tossici e del CO in questo caso, l’unico ambito attendibile di riferimento è sicuramente quello dell’igiene industriale  in cui, per ciascun agente, è definito un TLV (Treshold Limit Value) a cui potenzialmente ciascun lavoratore può essere esposto.I valori limite di soglia indicano, per ogni sostanza considerata,  le concentrazioni atmosferiche alle quali si ritiene che un uomo in attività possa rimanere esposto senza effetti dannosi.

Occorre subito sottolineare che in relazione alla variabilità individuale, alcuni soggetti possono accusare disagio in presenza di alcune sostanze anche a valori di concentrazione atmosferica pari od inferiori ai TLV o il manifestarsi di effetti più marcati per l’aggravarsi di condizioni preesistenti.

Tali valori limite devono pertanto essere utilizzati come orientamenti o raccomandazioni per la prevenzione dei rischi per la salute e non sono certamente una linea di demarcazione netta tra concentrazione sicura e pericolosa.

I TLV sono stabiliti in base ai dati più attendibili ricavati dall’esperienza in campo industriale, ai risultati di ricerche sperimentali sull’uomo e sugli animali e, quando possibile, alla combinazione di questi elementi di giudizio.
La precisione dei TLV è soggetta a variazioni in relazione al numero di informazioni via via disponibili per ciascuna sostanza e vengono perciò periodicamente aggiornati.

I TLV, per rispondere alle esigenze del mondo del lavoro, sono definiti in tre categorie:

a)     TLV-TWA (Time Weighted Average) valore limite definito come: concentrazione media ponderata nel tempo per una giornata lavorativa di 8 ore e per 40 ore lavorative settimanali a cui tutti i lavoratori possono essere esposti ripetutamente, giorno dopo giorno, senza effetti negativi.
b)      TLV-STEL (Short Term Exposure Limit)  valore limite definito come: concentrazione cui I lavoratori possono essere esposti continuativamente per breve periodo di tempo (15 minuti) senza che insorgano irritazione, alterazione cronica o irreversibile del tessuto, narcosi di grado sufficiente ad accrescere la probabilità di infortuni, di menomare le capacità di mettersi in salvo o di ridurre materialmente l’efficacia lavorativa, purchè non venga superato il TLV-TWA giornaliero.
c)     TLV-C Ceiling) valore limite definito come: concentrazione che non deve essere superata neppure istantaneamente.
Questo TLV ha importanza da solo esclusivamente per le sostanze come i gas irritanti.

VALORE LIMITE DI SOGLIA  PER IL MONOSSIDO DI CARBONIO
La normativa italiana prevede l’applicazione dei limiti definiti a livello nazionale e comunitario ed in assenza l’applicazione di quelli definiti dall’American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).

Tali limiti sono periodicamente aggiornati e quelli attualmente in vigore per l’Ossido di Carbonio sono:

  

agente formula TWA  ppm TWA  mg/m3 STEL ppm STEL mg/m3
Ossido di Carbonio CO 25 29

  

Negli anni 80 i valori erano più alti (TWA= 50ppm e 55 mg/m3 ) ed era definito anche un valore STEL di 400 ppm e 440 mg/m3 oggi abolito.L’OSHA (Occupational Safety & Health Administratio – U.S. Department of Labor) adotta un valore di 35 ppm come TWA (per esposizione di 8 ore).

I valori limite di soglia impiegati in ambito industriale sono quindi  gli unici dati disponibili ed attendibili  di riferimento per una valutazione di rischio nella respirazione di miscele ad uso subacqueo in cui siano presenti sostanze indesiderate.

E’ evidente che tali valori non sono immediatamente utilizzabili in quanto le miscele respiratorie ad uso subacqueo vengono inalate a pressioni ambiente sempre superiori a quella atmosferica. Se volessimo correggere quindi il valore limite attualmente in vigore nel campo dell’igiene industriale (TWA 25ppm) sarebbe:

  

Profonditàm Pressione ambientebar Concentrazione limiteppm Concentrazione limite anni ‘80ppm
0 1 25 50
10 2 12,5 25,0
20 3 8,3 16,7
30 4 6,3 12,5
40 5 5,0 10,0
50 6 4,2 8,3
60 7 3,6 7,1
70 8 3,1 6,3
80 9 2,8 5,6
90 10 2,5 5,0
100 11 2,3 4,5
110 12 2,1 4,2
120 13 1,9 3,8
130 14 1,8 3,6
140 15 1,7 3,3
150 16 1,6 3,1

  

Indicazioni in questo senso nell’ambito dei gas compressi e della subacquea che vale la pena citare sono: 

  • La maggior parte delle industrie del settore subacqueo americano utilizza come standard di qualità dell’aria quelli indicati dalla CGA (Compressed Gas Association) e precisamente l’aria di Grado E (limite CO 10 ppm).
  • La ANDI (American Nitrox Divers International) utilizza un limite più restrittivo indicando per il CO un valore inferiore a 2ppm.
  • La NAUI utilizza anch’essa come riferimento i valori CGA Grado E modificati (limite CO 2 ppm).
  • La norma DIN 3188 fissa, in relazione alla qualità dell’aria compressa da respirare, un valore di 50 ppm per il CO.

Nel primo caso il valore corrisponde esattamente al corrispettivo corretto a 5 bar  del vecchio limite di 50ppm ; il secondo risulta più cautelativo anche in relazione alla preparazione di miscele sintetiche arricchite in ossigeno; il terzo più restrittivo rispetto alle indicazioni CGA risulta da una didattica che effettua anche corsi tecnici e quindi anche questo valore è sostanzialmente in linea.

La norma DIN 3188 attua ancora il vecchio limite di 50 ppm tal quale senza considerare evidentemente l’uso iperbarico.

Considerando che il valore limite attualmente in uso nell’ambito dell’igiene industriale (TLV TWA =25 ppm) è un valore che si riferisce alla esposizione prolungata (8 ore al giorno per 40 ore settimanali) di persone in attività lavorativa, si può considerare sufficientemente cautelativo come valore limite per definire la qualità delle miscele respiratorie ad uso subacqueo purchè corretto rispetto alla profondità di utilizzo della miscela stessa.

In generale quindi una miscela respiratoria per uso ricreativo non dovrà superare la concentrazione di  CO di 5ppm e quelle per immersioni tecniche non dovrànno superare i 2 ppm.  TECNICHE DI ANALISI DELLA MISCELA RESPIRATORIA Le tecniche analitiche in grado di fornirci la concentrazione dei gas ricercati nella miscela respiratoria, sono sostanzialmente tre: 

  1. Fiale rilevatrici colorimetriche
  2. Analizzatori a celle elettrochimiche
  3. Analisi gascromatografica

  

Le fiale rilevatrici colorimetriche

 Le fiale rilevatrici colorimetriche  rappresentano una tecnica analitica a secco, basata sulla reazione chimica tra gas da rilevare, fatto fluire attraverso la fiala, ed uno strato adsorbente contenente un reattivo specifico in grado di colorare progressivamente il contenuto della fiala.

Poiché il volume di aria prelevato e fatto fluire nella fiala è fisso per ciascun tubo reattivo,la concentrazione del gas indagato è proporzionale alla lunghezza dello strato che si è colorato.

Questa concentrazione è così immediatamente rilevabile grazie ad una scala graduata presente longitudinalmente su ogni fiala. 
          
Fiala colorimetrica
per analisi di CO con doppia scala di concentrazione in funzione del volume di aria aspirato nella stessa .
Per far fluire il necessario volume di aria ambiente attraverso la fiala, occorre aspirare questo volume esatto per mezzo di una pompa.
In commercio esistono sostanzialmente due tipi di pompa manuale: una a soffietto (mediante la compressione ed il rilascio si ha l’aspirazione di un volume noto di aria) ed una a pistone il cui funzionamento è del tutto simile a quello di una siringa e consente anch’esso il prelievo di un volume noto di aria ambiente.Il primo modello è il più diffuso ed è prodotto dalla Draeger (commercializzato in Italia dalla stessa Draeger –v.Edison,6 Assago-MILANO) : 

Pompa a soffietto Draeger
il secondo è prodotto dalla ditta GASTEC ed è commercializzato in Italia dalla Analitica strumenti- v. degli Alberti, 132 61100 Pesaro:

 

Pompa a pistone Gastec

In ogni caso è evidente che poiché la colorazione della fiala e quindi la concentrazione rilevata è direttamente dipendente dal volume di miscela fatta fluire nella fiala stessa, la misura risulterà tanto più precisa quanto più esatto sarà il  volume di gas che ha attraversato la fiala colorimetrica.

Questo obbiettivo è raggiungibile riempiendo una sacca da gas con la miscela da analizzare ed aspirando da essa il volume necessario mediante la specifica pompa (non disponendo di una sacca da gas si può ovviare con un palloncino di gomma effettuando prima dei lavaggi con la miscela gassosa da analizzare).

In alternativa la ditta GASTEC commercializza un sistema composto da riduttore di pressione con flussometro tarato da installare direttamente sulla bombola ed al quale è possibile collegare direttamente la fiala rilevatrice.

Questo sistema nasce espressamente per il controllo della purezza dell’aria compressa in autorespiratori:  
Sistema Gastec per il controllo di autorespiratori  Esistono fiale specifiche per il controllo di anidride carbonica, ossido di carbonio vapor d’acqua e nebbie oleose nell’aria di autorespiratori.  

Analizzatori a celle elettrochimiche

 Gli analizzatori a celle elettrochimiche sono strumenti  largamente utilizzati nel controllo degli ambienti di lavoro, sia per campionamenti statici che personali, per la valutazione del grado di esposizione degli addetti.

Sono in questo caso costituiti da uno o più  sensori specifici per ciascun agente da rilevare che producono un segnale proporzionale alla concentrazione atmosferica della sostanza ricercata.
Tale segnale è poi trasformato in valore di concentrazione e visualizzato su apposito display. Spesso sono dotati di allarmi  che si attivano nel caso di superamento di valori limite impostati.

Una configurazione particolare di analizzatori a celle elettrochimiche è quella degli analizzatori di gas di combustione che sono dotati di un sistema pompante che aspira i gas convogliati (da camini, da tubi di scarico ecc.) e li fluisce sui sensori analitici.

Entrambi  i tipi di strumenti sono utilizzabili per il controllo di miscele contenute in bombole.

Per ottenere una misura attendibile con gli analizzatori ambientali occorre fare in modo che il flusso di miscela scaricata dalla bombola ed indirizzata sul sensore dell’apparecchio  rispetti il valore specifico dello strumento che generalmente è di 0,2-1 litro/minuto.
Questo è possibile utilizzando un riduttore di pressione abbinato ad un flussometro tarato.
Per utilizzare gli analizzatori di gas di combustione, occorre fare in modo che questi aspirino la miscela da analizzare da una sacca in cui precedentemente si è proceduto al campionamento.Gli analizzatori a celle elettrochimiche hanno il vantaggio di poter fare numerose misure di controllo ma lo svantaggio del costo iniziale di acquisto e della sostituzione dei sensori che si esauriscono nel tempo.

L’OSHA , per la valutazione dei limiti di esposizione, indica sostanzialmente due metodi analitici: le fiale rilevatrici colorimetriche da utilizzare per esposizioni di breve periodo e gli analizzatori a celle elettrochimiche per la stima di esposizioni prolungate.In questo secondo caso lo strumento utilizzato per la validazione del metodo analitico è il mod. 190 CO Datalogger della Draeger.

Possono essere utilizzati altri apparecchi purchè rispondano alle specifiche tecniche del modello indicato.
Il modello attuale della Draeger rispondente alle specifiche è il PAC III.
Per una corretta effettuazione delle misure occorre periodicamente calibrare lo strumento esponendolo ad un flusso di CO standard a concentrazione nota.Nella effettuazione delle misure ha fondamentale importanza la regolazione del flusso che va ad investire il sensore.
Flussi superiori alle specifiche dello strumento danno letture superiori al valore reale di concentrazione.

Analisi gascromatografica

Richiede l’impiego di strumentazione molto sofisticata e costosa (gascromatografo) reperibile solo in laboratori di analisi specializzati  e per la quale è richiesto personale qualificato.

Questa è comunque la tecnica analitica per eccellenza per definire esattamente la composizione di una miscela gassosa ed occorre quindi tenerla presente per farvi ricorso in quei casi in cui sia necessario avere un responso di alta precisione.In questo caso sarà necessario campionare un determinato volume della miscela da analizzare per trasportarla al laboratorio.

La maniera migliore per effettuare questo campionamento è quella di riempire una apposita sacca (quelle normalmente utilizzate hanno un volume da 1 a 5 litri) trasferendo la miscela gassosa direttamente dalla bombola. 

BIBLIOGRAFIA U.Deodori– Trattato di Patologia Medica – Ed. Universo 1982 vol.1G.Bianucci –Gas tossici in grotta- Atti della Commissione Grotte “E.Boegan”, vol.33 pp.25-45 Trieste 1996National Draeger, Inc.  Draeger Detector Tube Handbook , 8th edition , 1992Gastec Corporation – Sistemi e fiale a lettura diretta per l’analisi dei gas, catalogo 2001Osha (Occupational Safety Health Administration- YU.S. Departement of Labor) – Carbon Monoxide in workplace atmospheres (Direct-Reading Monitor), March 1993ACGIH(American Conference of Governmental Industrial Hygienists) “Threshold Limit Value (TLV’s) and Biological Exposure Indices (BEIs)” , 1999.CGA (Compressed Gas Association) – CGA G-7”Compressed Air for Human Respiration”.CGA (Compressed Gas Association) – CGA G-7.1” Commodity Specification for Air”.NAUI (National Association of Underwater Instructors) – NAUI Ethics end Quality Assurance, “Commitment to quality practices”.

 

Forame Ovale Pervio (PFO)

Le prime descrizioni in lingua italiana del Forame Ovale Pervio applicato alla patologia da decompressione risalgono al febbraio 1991, tema trattato da Andrea Neri al  2° Covegno ScubaTeknica di Montecatini Terme.

In quella circostanza furono evidenziate le potenziali problematiche del PFO (Patent Foramen Ovale) ed alcune ricerche condotte dal DAN USA.

Diverse embolie «inspiegabili» sono state ricondotte alla pervietà interatriale di cui ne descriviamo le caratteristiche.

Per comprendere le caratteristiche del Forame Ovale Pervio occorre posare l’attenzione sulla circolazione fetale.

 

 

 

La  Circolazione  Fetale

Nella figura a lato, schema della circolazione sanguigna nel feto.


Gli scambi gassosi e le sostanze nutritizie per il feto sono trasportate alla placenta dalle arterie ombelicali e avvengono nei villi coriali.

Successivamente il sangue percorre la vena ombelicale per giungere all’atrio destro del cuore, quindi il sangue passa sia nel ventricolo destro che nell’atrio sinistro attraverso il Foro di Botallo o PFO.

Lo scopo del PFO (nella figura a sinistra è indicato dalla freccia bianca) consiste nell’evitare un sovraccarico al circolo polmonare (che è privo di attività respiratorie) e necessita solo della circolazione per il proprio fabbisogno nutritizionale.

 

 

 

 

La  Circolazione  del  Sangue

dopo  la  nascita

Una volta avvenuta la nascita, la circolazione del sangue sviluppa alcune modificazioni.

Il dotto di Botallo, ovvero la comunicazione tra l’arteria polmonare e l’arteria aorta si oblitera (si chiude) trasformandosi nel legamento arterioso di Botallo, parallelamente il foro interatriale (PFO) inizia il suo collabimento in previsione di una futura chiusura e si ha l’attivazione del microcircolo cuore-polmoni-cuore.

Nella figura a fianco sono raffigurati gli adattamenti sopradescritti.

In azzurro è rappresentato il percorso venoso, in rosso quello arterioso, in nero i vasi obliterati.

Alcune ricerche hanno dimostrato che circa il 30% della popolazione possiede un difetto circa la completa chiusura del Forame Ovale.

In questi casi si può avere un passaggio di sangue venoso dall’atrio destro a quello sinistro.

Il fenomeno, se applicato alla decompressione, può indurre a una introduzione di sangue sovrasaturo di inerte nel sistema arterioso by-passando il filtro polmonare.

Appare evidente l’interazione con la potenzialità della patologia da decompressione qualora il fenomeno di by-pass avvenisse.

Attualmente vi sono vari metodi affinché il sub possa accertare se detiene il Forame Ovale Pervio.

E’ pertanto raccomandato che il subacqueo si informi presso il proprio medico o le unità sanitarie locali circa le procedure per sostenere un simile accertamento.

Oxygen Window

La Oxygen Window è una particolare situazione fisiologica generata dal metabolismo organico per la quale si verifica una modifica delle pressioni parziali e tensioni dei gas disciolti nell’organismo.

Infatti, la somma delle pressioni parziali dei gas presenti nell’aria a livello alveolare è diversa da quella presente a livello venoso.
Il motivo di questa differenza offre la chiave per comprendere il fenomeno dell’Oxygen Window.

Occorre considerare che il metabolismo organico produce CO2 consumando ossigeno e che la quantità di CO2 prodotta non è uguale alla quantità di ossigeno consumata.

Il meccanismo che genera la OW è dato dalla forte differenza delle caratteristiche di solubilità* dei due gas rilevabile osservando il loro comportamento nel plasma.

Solubilità nel plasma dell’Ossigeno: 23.25 ml/l
Solubilità nel plasma dell’Anidride Carbonica (CO2): 483.56 ml/l

Accertata la maggiore solubilità della CO2 rispetto a quella dell’Ossigeno (mentre il numero delle molecole è identico; molecole ossigeno consumato = molecole anidride carbonica prodotta) non resta che rilevare la conseguente minore pressione parziale della CO2 rispetto alla pressione parziale dell’Ossigeno.

Di conseguenza si può affermare che a parità di volume disciolto la tensione** prodotta dalla CO2 è nettamente inferiore in quanto la CO2 solubilizzata non ha Pressione Parziale perché non è più CO2 disciolta ma è chimicamente trasformata in altre sostanze***che non partecipano all’equilibrio gassoso perchè non gas: questa differenza di Pressioni Parziali genera la Oxygen Window.

Questa differenza pertanto favorisce il drenaggio dei gas inerti nei compartimenti (tessuti) tendente a ristabilire un equilibrio pressorio tra la pressione alveolare e quella dei gas disciolti.
Tale differenza di tensione tende ad aumentare con l’aumento della PO2 inspirata, questo perché la maggior parte dell’Ossigeno è trasportato dal sangue dall’emoglobina mentre nel plasma la sua solubilità è fisicamente molto bassa.

L’emoglobina ha la caratteristica di non cedere Ossigeno quando nei tessuti ve n’è già molto, per cui la quantità di ossigeno (in condizioni di elevate pressioni parziali dello stesso gas) che viene ceduta ai tessuti rispetto alle condizioni di metabolismo è minima, ed è prevalentemente quella disciolta nel plasma.

Quest’ultima è quella che in proporzione contribuisce maggiormente alla tensione dell’Ossigeno nel sangue arterioso: ciò crea un “buco” di pressione nel sangue venoso, che può quindi accogliere il gas inerte in eccesso nei tessuti e trasportarlo ai polmoni per la sua eliminazione.

*    Solubilità: numero di molecole di un dato gas che si disciolgono in un dato liquido.
**  Tensione: pressione parziale di un dato gas allo stato disciolto.
*** La CO2 disciolta nel plasma forma acido carbonico/bicarbonati (CO2+H20 -> HCO3+H).