Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. CHƯƠNG 17. ÁP SUẤT CAO VÀ LẶN

Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology 9th Edition.
Chủ biên: Andrew Lumb, Caroline Thomas. Nhà xuất bản ELSEVIER. Biên dịch: Ts.Bs. Lê Nhật Huy, Ths.Bs. Lê Đình Sáng. ISBN-13: 978-0702079085. 
Ấn bản tiếng Việt của cuốn sách này được dịch & chia sẻ vì mục đích lan toả tri thức, hoàn toàn phi lợi nhuận, duy nhất trên các website sachyhoc.com & yhoclamsang.net của THƯ VIỆN MEDIPHARM. NGHIÊM CẤM THƯƠNG MẠI HOÁ bản dịch tiếng Việt của cuốn sách này dưới bất cứ hình thức nào.

CHƯƠNG 17. ÁP SUẤT CAO VÀ LẶN

High pressure and diving
Andrew Lumb, MB BS FRCA; Caroline Thomas, BSc MBChB MRCS(Ed) FRCA

Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology, 17, 218-224.e2

Con người đã lưu trú tạm thời trong các môi trường áp suất cao kể từ khi chuông lặn được phát minh. Nguồn gốc của kỹ thuật này đã chìm vào dĩ vãng từ thời cổ đại, nhưng có tài liệu cho rằng Alexander Đại đế đã từng được thả xuống đáy biển trong một chiếc chuông lặn.

Môi trường của thợ lặn thường là môi trường nước, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Các thợ lặn bão hòa (saturation divers) dành phần lớn thời gian của họ trong môi trường không khí bên trong các buồng chứa được duy trì ở một mức áp suất gần bằng với áp suất ở độ sâu của vùng nước mà họ sẽ làm việc. Các công nhân làm việc trong hầm ngầm và giếng chìm (caisson workers) cũng có thể làm việc ở áp suất cao trong môi trường không khí. Những người ở trong môi trường nước còn phải chịu thêm tác động bổ sung của các lực hấp dẫn khác nhau tác dụng lên thân mình, điều này ảnh hưởng đến cơ học của quá trình hô hấp và các hệ thống khác của cơ thể. Những người lao động ở cả hai môi trường này đều có chung những vấn đề sinh lý học liên quan đến sự gia tăng áp suất môi trường xung quanh và áp suất phần của các khí thở.

Trong lĩnh vực này, cũng như các lĩnh vực khác, chúng ta không thể tránh khỏi việc sử dụng nhiều đơn vị đo lường khác nhau, và một số đơn vị này được trình bày trong Bảng 17.1. Cần đặc biệt lưu ý rằng ‘áp suất theo đồng hồ đo’ (atmosphere gauge) là giá trị tương đối so với áp suất môi trường. Do đó, 2 atm tuyệt đối (atmospheres absolute – ATA) tương đương với 1 atm theo đồng hồ đo tương đối so với mực nước biển. Trong toàn bộ chương này, các đơn vị atmosphere của áp suất đều đề cập đến áp suất tuyệt đối chứ không phải áp suất theo đồng hồ đo.

TRAO ĐỔI OXY VÀ CARBON DIOXIDE

Ảnh Hưởng Của Áp Suất Lên PCO₂ Và PO₂ Phế Nang

Áp suất có những tác động phức tạp và quan trọng lên PCO₂ và PO₂. Nồng độ CO₂ phế nang bằng tốc độ sản sinh CO₂ chia cho thông khí phế nang. Tuy nhiên, cả hai thể tích khí này phải được đo lường trong cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Nồng độ CO₂ phế nang ở mức 10 ATA sẽ bằng khoảng một phần mười so với giá trị ở mực nước biển, nghĩa là 0,56% so với 5,3% ở mực nước biển. Khi các nồng độ này được nhân với áp suất để tính ra PCO₂, các giá trị đạt được là tương tự nhau ở cả mức mực nước biển và mức 10 atm. Do đó, như một phép tính xấp xỉ gần đúng, nồng độ CO₂ phế nang giảm tỷ lệ nghịch với áp suất môi trường, nhưng giá trị PCO₂ vẫn duy trì ở mức gần bằng với giá trị tại mực nước biển.

Các ảnh hưởng lên PO₂ thì phức tạp hơn một chút. Sự chênh lệch giữa nồng độ oxy hít vào và nồng độ oxy phế nang tương đương với tỷ lệ giữa mức tiêu thụ oxy và thông khí phế nang hít vào. Phân số này, cũng giống như nồng độ CO₂ phế nang, giảm tỷ lệ nghịch với sự gia tăng áp suất. Tuy nhiên, áp suất phần tương ứng của nó sẽ vẫn duy trì gần với giá trị ở mực nước biển, giống như PCO₂ phế nang. Do đó, sự chênh lệch giữa PO₂ hít vào và PO₂ phế nang sẽ duy trì ở mức gần như không đổi, và PO₂ phế nang theo phép tính xấp xỉ bậc một, sẽ gia tăng một lượng tương đương với mức tăng của PO₂ hít vào (Hình 17.1). Tuy nhiên, những cân nhắc này mới chỉ tính đến tác động trực tiếp của áp suất lên áp suất phần của khí. Vẫn còn có những tác động khác, tinh tế hơn, tác động lên cơ học hô hấp và quá trình trao đổi khí mà chúng ta phải xem xét ngay sau đây.

Ảnh Hưởng Lên Cơ Học Hô Hấp

Có hai yếu tố chính cần phải được xem xét. Đầu tiên, đó là sự gia tăng mật độ của các loại khí dưới tác động của áp suất, mặc dù điều này có thể được giảm nhẹ bằng cách thay đổi thành phần của khí hít vào. Yếu tố thứ hai là áp lực của nước tác dụng lên cơ thể, làm thay đổi các tác động của trọng lực mà hệ hô hấp thường phải tiếp xúc.

Mật độ khí tăng tỷ lệ thuận với áp suất. Do đó, không khí ở mức 10 atm có mật độ gấp 10 lần không khí ở mực nước biển, điều này làm tăng sức cản đối với luồng khí xoáy (turbulent gas flow). Kết quả là sức cản đường thở bị gia tăng, cả khi nghỉ ngơi và ở mức độ lớn hơn là trong quá trình gắng sức, và có những giới hạn đối với công suất thở tối đa (maximal breathing capacity – MBC) có thể đạt được. Trên thực tế, thông thường người lặn sẽ thở bằng hỗn hợp khí heli/oxy ở các mức áp suất vượt quá khoảng 6 atm vì tình trạng ngộ độc nitơ (nitrogen narcosis) (xem phần sau). Heli chỉ có mật độ bằng một phần bảy so với không khí, và do đó dễ thở hơn. Hơn nữa, nồng độ oxy hít vào thấp hơn là điều vừa được cho phép vừa thực sự đáng mong muốn khi áp suất tăng lên (Bảng 17.1). Do đó, ở mức 15 atm, việc thở một hỗn hợp gồm 98% heli và 2% oxy sẽ là một lựa chọn hợp lý. Điều này sẽ làm tăng hơn gấp đôi công suất thở tối đa (MBC) mà thợ lặn có thể đạt được so với khi thở không khí ở cùng áp suất đó. Khí hydro thậm chí còn có mật độ thấp hơn cả heli và đã được sử dụng trong các hỗn hợp khí cho những chuyến lặn sâu hơn 500 mét.

Tác động của việc ngâm mình trong nước là một yếu tố bổ sung cho bất kỳ sự thay đổi nào về mật độ của các khí thở. Trong phương pháp thở bằng ống thở mở (open-tube snorkel breathing), khí phế nang có áp suất gần bằng với áp suất khí quyển bình thường, nhưng thân mình lại phải tiếp xúc với một áp suất phụ thuộc vào độ sâu của người lặn, vốn bị giới hạn bởi chiều dài của ống thở. Điều này tương đương với một áp suất âm tĩnh được áp dụng lên miệng, và sẽ rất khó để hít vào khi phải chống lại một tải áp suất ‘âm’ lớn hơn 5 kPa (50 cmH₂O). Mức này tương ứng với độ sâu ngâm mình trung bình chỉ là 50 cm, và do đó gần như không thể sử dụng ống thở ở độ sâu 1 mét. Tuy nhiên, chiều dài thông thường của một ống thở đảm bảo rằng người bơi hầu như không vượt quá mức mặt nước, vì vậy những vấn đề này thường không xảy ra.

Tình trạng chịu tải áp suất âm được ngăn ngừa bằng cách cung cấp khí đến đường thở của người lặn ở một mức áp suất gần bằng với áp suất thủy tĩnh bao quanh thợ lặn. Điều này có thể đạt được bằng cách cung cấp một luồng khí dư thừa có gắn van giảm áp được điều khiển bởi áp suất nước xung quanh. Một sự sắp xếp như vậy đã được sử dụng cho các thợ lặn đội mũ bảo hiểm truyền thống được cung cấp khí bằng một máy bơm không khí trên mặt nước. Các thợ lặn bơi lội tự do mang theo nguồn cung cấp khí nén của riêng họ dựa vào các van cung cấp khí theo nhu cầu hít vào (inspiratory demand valves), các van này cũng được cân bằng bởi áp suất nước xung quanh.

Những hệ thống này cung cấp khí ở mức gần với áp suất thủy tĩnh bao quanh thân mình. Tuy nhiên, ‘tải áp suất tĩnh lên phổi’ (static lung loading) chính xác lại phụ thuộc vào vị trí của thiết bị kiểm soát áp suất so với cấu trúc hình học của lồng ngực. Những khác biệt nhỏ là do các tư thế khác nhau mà thợ lặn có thể đảm nhận. Vì vậy, nếu người lặn ở tư thế ‘đầu hướng lên’ khi sử dụng một chiếc van ở ngang mức ống ngậm, thì áp suất bao quanh thân mình sẽ cao hơn áp suất đường thở với một giá trị trung bình khoảng 3 kPa (30 cmH₂O). Nếu người lặn ở tư thế ‘đầu hướng xuống’, áp suất đường thở sẽ lớn hơn áp suất mà thân mình đang phải tiếp xúc. Tư thế đầu hướng xuống do đó tương ứng với việc thở áp lực dương, và tư thế đầu hướng lên tương ứng với việc thở áp lực âm. Thở áp lực âm gây ra sự suy giảm dung tích cặn chức năng (functional residual capacity) khoảng 20% đến 30%, nhưng nhìn chung việc thở ở tư thế đầu hướng lên được đánh giá là dễ dàng hơn so với tư thế đầu hướng xuống.

Ngoài những cân nhắc này, việc ngâm mình trong nước có tương đối ít ảnh hưởng đến chức năng hô hấp, và công hô hấp bổ sung để di chuyển phần nước bên ngoài cơ thể dường như không làm tăng đáng kể tổng công hô hấp.