Газовые пузыри у пловцов. Двухмерно-пространственное сканирование газовых пузырьков
Обновлено: 19.04.2024
1 ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет физической культуры и спорта Министерства спорта Российской Федерации»
В обзоре представлены современные литературные данные о влиянии занятий дайвингом на сердечно-сосудистую систему человека. Неблагоприятными факторами подводного плавания являются изменение гравитации, психоэмоциональный стресс, физические нагрузки, обжим грудной клетки, воздействие дыхательных газов, перераспределение жидких сред организма, наркотическое действие азота, изменение видимости и слышимости под водой, токсическое свойства кислорода и гипотермия. При погружении под воду происходит изменение функционирования сердечно-сосудистой системы человека, отмечаются типичные реакции уменьшение частоты сердечных сокращений, снижение систолического и пульсового давления, повышение диастолического артериального давления. Наблюдаются также замедление скорости кровотока, уменьшение количества циркулирующей крови, ударного и минутного объемов крови. Данные литературы свидетельствуют о том, что патологические реакции сердечно-сосудистой системы наблюдаются при нарушении техники подводных спусков, в то же время оценка функционального состояния позволяет контролировать процесс обучения людей дайвингу и исключает несчастные случаи при подводных погружениях.
1. Александров А.Ю., Малытин Л.С. Обучение плаванию самобытными способами : метод. пособие для студ., обучающихся по спец. 032101 «Физ. культ. и спорт». - Малаховка, 2008. - 44 с.
2. Гуляр С.А. Гипербарическая гипоксия и пути ее коррекции // Спортивная медицина. - 2008. - № 1. - С. 26-35.
4. Зверев Д.П. Состояние функций организма человека при многократных гипербарических воздействиях: дис. канд. мед. наук. - СПб., 2011. - 206 с.
5. Мирошников Е.Г. сердечно-сосудистая система водолазов / Е.Г. Мирошников // Вестник ДВО РАН. - 2005. - № 1. - С. 83-90.
6. Мясников А.А., Чернов В.И., Мясников Ал.Ал., Зверев Д.П. Отсроченное лечение декомпрессионной болезни гипербарическим кислородом // Тезисы докладов 5-й Всеармейской науч.-практ. конф. «Баротерапия в комплексном лечении реабилитации раненых, больных и пораженных». - СПб. : ВМедА, 2003. - С. 133-136.
8. Сапов И.А., Довгуша В.В. О патогенезе головных болей у подводников и водолазов / И.А. Сапов, // Воен.-мед. журн. - 1978. - № 5. - С. 61-65.
9. Смолин В.В., Соколов Г.М., Павлов Б.Н. Водолазные спуски и их медицинское обеспечение. - М. : Слово, 2001. - 696 с.
10. Тихенко В.В., Советов В.И. Влияние глубоководных погружений на мозговой кровоток водолазов / В.В. Тихенко, // Юбилейная науч.-практ. конф. 15 ЦНИЛ ВМФ: Сб. материалов. СПб., 2001. - С. 47-48.
11. Шастин П.Н. Спортсмену подводнику о физиологии подводного спорта // В помощь спортсмену-подводнику. - 1962. - № 1. - С. 66-76.
12. Ушаков С.С., Дорофеев И.И. Функциональные изменения нервной системы у лиц, систематически подвергающихся воздействию повышенного атмосферного // Санкт-Петербургские научные чтения: Материалы VI науч.-практ. конф. с междунар. участием. - СПб., 2004. - С. 227.
13. Чумаков А.В. Состояние сердечно-сосудистой и дыхательной систем у лиц, длительно пребывающих под повышенным давлением на предельных глубинах: дис. канд. мед. наук. - СПб, 2007. - 301 с.
Газовые пузыри у пловцов. Двухмерно-пространственное сканирование газовых пузырьков
Результаты прекардиального наблюдения. Допплерографии как метод декомпрессии водолазов
Большинство усилий при разработке удобной для наблюдения за состоянием водолазов аппаратуры было направлено на создание доплеровских ультразвуковых детекторов газовых пузырьков. Единственная практическая трудность при этом состоит в понимании временных взаимосвязей между возникновением газообразной фазы и последующим появлением газовых пузырьков в более крупных венах, отходящих от этих тканей.
Проблема усложняется, когда наблюдают участок окончательного слияния всех вен — легочную артерию, как это делают при погружениях в настоящее время. В данном случае доплеровский детектор используют неадекватно, потому что желательно определить временные взаимосвязи между появлением газообразной фазы в тканях и газовыми пузырьками, обнаруживаемыми доплеровским прибором в прекардиальной области, чтобы быть уверенным в своевременном начале лечения, а все необходимые изменения в декомпрессионной процедуре не проводят слишком рано.
Кроме того, необходима информация о связи между числом прекардиальных газовых пузырьков и вероятности развития болезни декомпрессии.
Попытки внедрить методы ультразвуковой доплеровской детекции в качестве вспомогательного средства при декомпрессии водолазов были спорадическими, и разрозненные результаты этих попыток представляют трудность для анализа. Общеизвестно, что при непродолжительном погружении декомпрессион-ные газовые пузырьки выявляют до развития симптомов болезни декомпрессии.
Многочисленными наблюдениями показано, что газовые эмболы часто возникают при экспозициях в гипербарических камерах, проводимых по водолазным таблицам ВМС США, и тем не менее в настоящее время некоторые исследователи вполне серьезно считают, что венозные газовые пузырьки имеют место только у водолазов, испытывающих болевые симптомы в суставах.
До настоящего времени отмечался лишь незначительный успех в прогнозировании вероятности развития болезни декомпрессии у крупных животных в экспериментальных погружениях, проведенных на основе прекардиальной детекции газовых пузырьков. В исследованиях на свиньях, погружаемых с применением для дыхания азотно-, гелиево- или неоново-кислородных смесей и на водолазах использующих для дыхания неоново- или гелиево-кислородные смеси [Powell, Johanson, 1978], установлена определенная тенденция в развитии болезни декомпрессии после обнаружения в прекардиальной зоне большого числа пузырьков.
Допуская, что мы по существу выявляем газовые пузырьки, поступающие из большого числа тканей организма, мы предположили, что в действительности мы имеем дело с физиологической регистрацией «тенденции тела в целом к кавитации» в момент прослушивания. Однако газовые пузырьки должны как образовываться, так и исчезать.
«Тенденция к кавитации» с учетом поглощения тканями газа и скоростью его элиминации будет определять газообразование в любом конкретном участке. Это не свидетельствует о том, что так называемая тенденция тела в целом к кавитации будет обязательно отражать тенденцию к кавитации на любом конкретном микроучастке. Действительно, тот факт, что мы можем только оценить вероятность развития болевого симптома в суставах как функцию степени обнаружения пузырьков, по-видимому, доказывает, что это предположение не всегда справедливо.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Декомпрессионные нарушения. Болезнь декомпрессии
Наше современное представление о возникновении и развитии декомпрессионных нарушений основано как на клинических, так и экспериментальных наблюдениях. Можно выделить две наиболее общие категории декомпрессионных нарушений. Это — баротравма, связанная с неуправляемым расширением газа внутри полостей тела, обычно содержащих газ, и болезнь декомпрессии, связанная со слишком быстрым возвращением организма к атмосферному давлению после значительного периода вдыхания нейтральной газовой смеси под повышенным давлением.
Хотя трудность формирования полного патофизиологического объяснения каждого из этих заболеваний остается прежней, все же с тех пор как вышло последнее издание этой книги, новые экспериментальные разработки в ряде смежных областей физиологии и медицины внесли вклад в наше понимание, сделав возможным более правильно определить место полученных экспериментальных и клинических результатов в общей структуре физиологической реакции на повреждение.
Следует подчеркнуть, что при интерпретации экспериментальных данных декомпрессионных нарушений, так же как и тех, что имеют место при других клинических синдромах, должна быть определенная осторожность. Участие человека в экспериментах ограничено требованиями безопасности. Следовательно, результаты, полученные при погружении человека в экспериментальных условиях, когда декомпрессионный стресс запланирован как минимальный или слабее, значительно отличается от последствий, которые могут наблюдаться в реальной критической ситуации. Экспериментирование на животных создает большую гибкость для разработки режимов декомпрессии.
Однако оно представляет большую трудность в выявлении и классификации легких форм клинических нарушений. Так же как и при других клинических заболеваниях человека, в этих исследованиях имеется риск, обусловленный экстраполяцией экспериментальных данных, полученных на животных, на синдромы у человека, поскольку ни одна модель на животном, как бы тщательно она ни была выбрана и приготовлена, не может полностью воспроизвести организм человека. Придерживаясь этих соображений, рассмотрим патофизиологию декомпрессионных нарушений.
Болезнь декомпрессии
Очевидно, что любое рассмотрение патогенеза болезни декомпрессии должно включить широкий клинический спектр синдрома от наиболее легких жалоб на боль в коже и скелетной мускулатуре (так называемый I тип болезни декомпрессии) до более тяжелых форм нарушений, вовлекающих спинной и головной мозг, легкие и сердечно-сосудистую систему (II тип болезни декомпрессии).
Оно должно также объяснить колебание в индивидуальной предрасположенности, времени начала и продолжительности симптоматики, явление акклиматизации, наблюдаемые при кратковременном погружении методом «отскока» с применением воздуха или газовых смесей, а также некоторое различие в клинических симптомах, отмечаемых во время декомпрессии в состоянии насыщения тканей организма нейтральным газом и декомпрессии на высоте.
Хотя первые физиологи могли вызвать декомпрессионные изменения у животных путем снижения окружающего давления, признание болезни декомпрессии как клинического явления и разработка гипотез ее этиологии произошло только благодаря техническим достижениям, обусловившим ее более частое появление.
Применение техники, позволяющее выхода человека в глубины моря с воздушными дыхательными аппаратами, создание воздушной атмосферы с повышенным давлением при строительстве мостов и туннелей, быстрый подъем на высоту в самолете сделали необходимым рассматривать болезнь декомпрессии как профессиональное заболевание.
Врачи, лечащие страдающих этой болезнью, тщательно описывали заболевание, формулировали собственные гипотезы об этиологии и постоянно разрабатывали свои практические решения при появлении этого заболевания: назначали постепенную декомпрессию после гипербарической экспозиции и рекомпрессию при появлении клинических симптомов. Многие гипотезы, хотя в настоящее время полностью и не приняты, содержат предпосылки полезные и для современного понимания болезни декомпрессии.
Впервые газовые пузырьки в крови были обнаружены у пловцов, использующих подводные автономные дыхательные аппараты, Spencer и сотрудниками в 1972 г. В' этом же году Spencer, Okino выявили газовые пузырьки у японских женщин-ловцов жемчуга после 51-минутного периода, включающего 30 последовательных погружений в море на 15 м: с продолжительностью погружения и подъема, составляющих в среднем 12 с и средней продолжительностью нахождения под водой 53,5 с.
Были слышны ясные сигналы от газовых пузырьков в виде «чириканья» и «щелканья», увеличивающиеся при движении рук и ног, и продолжающиеся в течение 1 ч после погружения без развития симптомов болезни декомпрессии. Spencer и сотрудники в 1974 г. обнаружили венозные газовые пузырьки у гавайских ныряльщиков за крабами. В ряде исследований была замечена вариабельность тенденции к образованию декомпрессионных газовых пузырьков при погружениях в открытом море.
Spencer, Johanson в 1974 г. показали, что у наблюдавшихся ими испытуемых имелась тенденция к образованию газовых пузырьков в крови и развитию болевого симптома при погружениях, как в барокамере, так и в открытом море. Fust и соавт. (1978) обнаружили у наблюдавшихся ими водолазов, погружаемых в «сухих» барокамерах, противоположную тенденцию. Nishi и соавт. (1980) считают, что, если режимы декомпрессии (в обеих ситуациях) оценивать при помощи доплеровской аппаратуры, то у водолазов будет одинаковое высокое содержание газовых. пузырьков, т. е. они будут «одного типа».
Двухмерно-пространственное сканирование газовых пузырьков
Оценка нерастворенной циркулирующей в крови газообразной фазы в виде эмболов и обследование камер сердца и нижней полой вены после декомпрессии с помощью систем двухмерно-пространственного ультразвукового сканирования является; достаточно эффективной. Ручной фазовосмещающий датчик-преобразователь располагают у левой границы грудины между четвертым и пятым межреберьем в положении обследуемого лежа. Затем с целью ориентировки преобразователь перемещают, чтобы получить изображение по длинной оси левого желудочка (ЛЖ).
Несколько иной ракурс можно получить, расположив преобразователь вблизи верхушки сердца и производя сканирование вверх по направлению к предсердиям. Вдоль этого направления может быть получен так называемый «вид четырех камер». В этом случае можно увидеть. как оба желудочка, так и оба предсердия. Такой ракурс особенно удобен для выявления артериальных газообразных эмболов.
Для качественного сравнения циркулирующих в крови газовых пузырьков оказалась приемлемой описанная ниже шкала степени обнаружения пузырьков методом двухмерно-пространственного сканирования, сходная со шкалой для доплеровского метода.
На снимке а показаны четыре камеры сердца: ПП, ПЖ, ЛП и левый желудочек (ЛЖ). На представленном снимке, сделанном во время диастолы, видны также межжелудочковая перегородка и передняя створка митрального клапана. Здесь имеет место II степень обнаружения газовых пузырьков, причем последние видны как белые пятнышки в просвете ПЖ. Венозные газовые пузырьки обозначены как ВП. Заметьте, что ЛП и ЛЖ свободны от газовых пузырьков. В конце диастолы (снимок б) артериальный газовый пузырек (АП) появляется в ЛЖ.
Во время систолы (снимок в) видно, как этот газовый пузырек начинает быстро двигаться в сторону аортального протока. На приведенном снимке артериальный газовый пузырек виден как группа ярких пятнышек. Это происходит вследствие некоторого разложения яркости во времени, характерного для процесса оптического преобразования, применяемого при переводе ультразвукового изображения в обычное телевизионное. Расстояние между пятнышками соответствует перемещению пузырька за 1/60 с Обратите также внимание на движение ВП во время различных фаз сердечного цикла.
Представлены результаты экспериментальных исследований кавитационных пузырьков (КП) при прохождении водной струи через сопло Лаваля с соответствующими диаметрами 15 мм(вход) и 1 мм(выход сопла) и длиной 35 мм. Установлено, что интенсивность образования КП происходит при скоростях струи более 20 м/с.
1. Говердовский А.А. О перспективах термоядерной энергетики на основе кавитации пузырей / А.А. Говердовский, З.С. Имшенник, В.П. Смирнов. – УФН, 2013, т. 183. – С. 445–448.
3. Пригожин И. От существующего к возникающему: Время и сложность в физических науках/ Перевод с англ. / Изд.3-е/Синергетика: от прошлого к будущему. – М.: Комкнига, 2006. – 296 с.
4. Taleyarkhan R., West C., Cho J., Lahey R., Nigmatulin R., Block R. (2002). Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation. Science, 295(5561), 1868–1873.
Теоретическое рассмотрение кавитации пузырьков в жидкости восходит еще ко временам Рэлея [2]. К теме пузырькового синтеза научное сообщество вернулось после публикации статьи [4]. Физические процессы, происходящие при взаимодействии пузырьков являются интересными и достойными для научных исследований сложных процессов при схлопывании отдельного пузырька [1]. Как известно, кавитационные пузырьки (КП) образуются в тех местах, где давление жидкости становится некоторого критического значения pкр (в реальной жидкости pкр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической.
Для идеальной однородной жидкости вероятность образования пузырьков за счет разрыва жидкости становится заметной при больших растягивающих напряжениях так, например, теоретическая прочность на разрыв воды равна 1,5•108 Па (1500 кгс/см2) [4]. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10 °С, составляет 2,8•107 Па, так как реальные жидкости менее прочны. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них, так называемых кавитационных зародышей: микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом и другие. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления p < pкр, сильно расширяются в результате того, что давление содержащегося в них пара и газа оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и давления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давлением создается довольно четко ограниченная «кавитационная зона», заполненная движущимися пузырьками, рис. 1.
Рис. 1. Образование кавитационной зоны в сопле Лаваля
Для характеристики течения с кавитацией применяется безразмерный критерий α, называемый числом кавитации и равный [2]:
где р – гидростатическое давление набегающего потока, рп – давление насыщенного пара, υ – скорость жидкости при достаточном удалении от тела, ρ – плотность жидкости.
Обычно число кавитации α определяют на входе в тот или иной агрегат, внутри которого возможно возникновение кавитации. Значение α, при котором в системе начинается кавитация, называется критическим числом кавитации.
Скорость потока воды из сопло Лаваля, при которой начинают наблюдаться кавитационные процессы на выходе сопла Лаваля былы в интервале υ = 20–30 м/с. Экспериментальные исследования процессы образования кавитационных пузырьков(КП) при прохождении водяной струи через сопло Лаваля проведены с соплом Лаваля с соответствующими диаметрами 15 мм (вход) и 1 мм (выход сопла) и длиной 35 мм. Для рассматриваемого сопла Лаваля порог наблюдения кавитации соответствовал числам Рейнольдса
Re = υ0d0/ν ≥ 2∙104,
где ν – вязкость воды при температуре 25 °С. При дальнейшем увеличении скорости водяной струи обеспечивается формирования устойчивых КП в виде кавитационной нити типа»ожерелья» из пузырьков, с разрывами между пузырьками.
Порог возникновения кавитации можно оценивать по параметру кавитационного числа на основании закона Бернулли α [2, 4]
Здесь р0 – гидростатическое давление, υ – скорость потока жидкости. В нашем случае α = 25–26.
По параметрам скорости струи из сопла, выявлены пороговые параметры кавитационных процессов и образования устойчиво пульсирующих КП. В эксперименте кавитационные пузырьки образовывались как с добавками углеводородного топлива, так и в чистой воде. Существенного различия в динамике образования КП в чистой воде и с частицами топлива не обнаружено. Таким образом, разработан относительно простой метод генерации КП в воде с помощью сопла Лаваля при пропускании воды через сопла со скоростью более υ = 20 м/с и числом Рейнольдса Re ≥ 20000 с кавитационным числом α = 25–26.
Изучение коэффициента кавитации (число кавитации) при пропускании через сопло Лаваля можно описать с помощью понятий «вход» и «выход». Тогда процесс коэффициент кавитации пузырьков может быть успешно исследован на основе общей теории синергетики [3]. Процесс образования кавитационных пузырьков после прохождении воды через сопло Лаваля состоит из следующих двух процессов:
- подача воды – вход (подвод воды к сопло Лаваля);
- прохождение водяной струи через сопло Лаваля под действием гидродинамического давления – выход (выход воды через сопло и образование пузырьков).
Тогда эффективность коэффициента кавитации водяной струи при прохождении водяного потока через сопло Лаваля можно выразить в виде:
Пусть вход потоковой системы характеризуется потоком Ie и обобщенной силой Хе, а выход потоком Ii и обобщенной силой Xi. Общую связь между термодинамическими потоками и силами для необратимых процессов можно записать в виде уравнения Онзагера:
где Lki – феноменологические коэффициенты или коэффициенты Онзагера.
Здесь коэффициенты Lki характеризуют взаимосвязь процесса k с процессом i. В термодинамике неравновесных процессов для феноменологических коэффициентов выводится соотношение взаимности Онзагера, которое утверждает, что матрица коэффициентов в выражении (3) является симметричной, т.е. перекрестные коэффициенты равны между собой: Lki = Lik.
Это означает, что имеется некоторая симметрия во взаимодействии различных процессов: возрастание потока Ik, обусловленное увеличением на единицу силы Xi, равно возрастанию потока Ii, обусловленному увеличением на единицу Xk.
На практике обычно используются не просто коэффициенты Lik, а некоторые пропорциональные им величины, так, например, коэффициент вязкости, теплопроводности и др.
Тогда эффективность коэффициента кавитации водяной струи при прохождении воды через сопло Лаваля примет вид:
где Ie – гидродинамический поток воды на входе, Ii – гидродинамический поток кавитационных пузырьков на выходе сопло Лаваля, знак «–» в этом соотношении показывает существенное знаковое отличие входящих и выходящих потоков воды через сопло: Ii Xi > 0, и – Ie Xe > 0.
Применительно к процессам с неравномерным (нестационарным) прохождением воды через сопло Лаваля водяные потоки связаны между собой следующим образом:
Ii = Lii Xi + Lie Xe (5)
Ie = Lei Xi + Lee Xe (6)
Подставляя (5) и (6) в (4) получим для двухпотоковой системы:
Умножим числитель и знаменатель в (7) на
Тогда выражение (7) примет вид:
где – управляющие параметры;Значения εx и β лежат в пределах:
.
График зависимости α = f(εx) имеет вид (рис. 2).
Рис. 2. График зависимости эффективности коэффициента кавитации водяной струи при прохождении воды через сопло Лаваля под действием гидродинамического потока воды от εx
Из рис. 2 видно, что эффективное значение коэффициента кавитации водяной струи, кроме β = ±1, принимает максимальное значение только для фиксированного значения εx.
Читайте также: