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di Tecnica & Medicina

109.  LA TEORIA DELLA DECOMPRESSIONE

di Gigi Muriago, Direttore Corsi del G.S.V. Gruppo Subacqueo Vicentino

Che cos'è un "modello multi-tissutale"?
Quasi ogni sostanza assorbe gas se è sottoposta a pressione e lo rilascia quando la pressione viene ridotta; così si comportano i tessuti del corpo.
E' risaputo, infatti, che tutto l'organismo assorbe azoto durante un'immersione, e che diverse parti del corpo si saturano di azoto con ritmi e tempi differenti.
Queste diverse parti del corpo sono comunemente denominate "tessuti" ma dovrebbero essere, più adeguatamente, definite "compartimenti", perché nessun tessuto o organo, inteso in senso anatomico (sangue, osso, muscolo, gasso, etc.) corrisponde ad uno specifico ritmo di assorbimento di azoto.
In realtà ci sono solo 4 tipi basilari di tessuto che compongono il corpo umano: tessuto muscolare, connettivo, epiteliale e nervoso.
Organi come il cuore o i polmoni, per esempio, sono composti di diversi tessuti, ognuno dei quali contribuisce alla struttura ed al funzionamento dell'organo con le sue caratteristiche specifiche. L'idea d i una varietà di diversi tessuti a rappresentare le varie aeree dell'organismo che assorbono gas in modi differenziali rappresenta, in realtà solo una convenzione di carattere matematico.
Non si potrebbe prendere, per esempio, un fegato e dire che assorbe azoto ad un certo ritmo ed in una determinata quantità. Questa convenzione matematica, però, è di importanza cruciale per l'impostazione degli algoritmi (i sistemi di equazioni matematiche) utilizzati per il calcolo delle tabelle di decompressione o per il funzionamento dei computer subacquei. Questo sistema viene chiamato "modello multi-tissutale".

Che cos'è l'"assorbimento"?
Se si inspirano dei gas, una parte di ciascuno dei gas che vengono respirati si discioglie nel sangue attraverso gli alveoli polmonari e si trasferisce ai vari tessuti corporei, con un meccanismo di diffusione, dalle zone ad elevata pressione di quel gas alle zone dove la sua pressione è minore.
L'entrata ed il discioglimento del gas nel tessuto vengono definiti "assorbimento" o uptake, nella terminologia anglosassone frequentemente usata in questi casi.
Il livello di assorbimento aumenta con l'aumentare della profondità e della pressione e con il trascorrere del tempo. Il processo inverso di eliminazione del gas assorbito durante la saturazione viene definito "desaturazione" o offgassing, nella terminologia anglosassone.
L'organismo utilizza l'ossigeno per i suoi processi metabolici. Questo gas, pertanto, non si accumula in modo significativo nei tessuti, in quanto viene rapidamente utilizzato. L'azoto, invece, si accumula nei tessuti durante la permanenza in pressione, perché non partecipa ad alcuna reazione chimica nell'organismo ed è "metabolicamente inerte", da cui la definizione di gas inerte.
Ogni gas inerte che sia respirato sotto pressione, viene assorbito e satura i tessuti, ma ognuno possiede differenti proprietà di solubilità e diffusibilità che influiscono sul processo di assorbimento.
L'elio, per esempio, è molto meno solubile nei tessuti rispetto all'azoto, ma si diffonde più rapidamente. La minor solubilità fa sì che la quantità di elio assorbito sia minore, e questo consente tempi di decompressione più brevi dopo lunghe immersioni professionali in alto fondale. Ma la grande diffusibilità dell'elio richiede fermate di decompressione più profonde per impedire la troppa rapida uscita dallo stato di discioglimento nei tessuti e la produzione di bolle.
I processi di assorbimento e desaturazione dell'intero organismo avvengono, principalmente, attraverso i polmoni.

Che cos'è la "tensione di azoto"?
La tensione di azoto corrisponde alla pressione parziale di quel gas ed è una misura per definire l'entità e la rapidità del processo di assorbimento.
La tensione di azoto è una misura di pressione del gas a livello tissutale e non del volume di gas contenuto nei tessuti, e viene normalmente espressa in Atmosfere Assolute (ATA).
Durante l'immersione, la pressione ambiente aumenta rapidamente, ma il processo di assorbimento di azoto è relativamente lento e richiede tempo prima che venga assorbita una quantità di gas tale da far aumentare la tensione (pressione) dell'azoto nei tessuti. Per lo stesso motivo, ma con processo inverso, il prolungamento degli intervalli in superficie fra due immersioni fa diminuire sensibilmente la tensione di azoto che si era accumulata nel tessuto durante la prima immersione.
Questa è la ragione per la quale viene raccomandato di ridurre i tempi di fondo rispetto agli intervalli in superficie.
Tutti i subacquei sanno che, al livello del mare, la pressione dell'aria è di 1 atmosfera, che equivale ad una colonna d'acqua di 10 metri circa; la pressione assoluta a cui è sottoposto un sub immerso è, quindi, uguale alla pressione dell'acqua più la pressione dell'aria sovrastante (cioè la pressione idrostatica più la pressione atmosferica).
E' anche noto che, poiché l'aria è composta per circa il 79% di azoto, solo la parte corrispondente al 79% della pressione totale esercitata dall'aria atmosferica è dovuta all'azoto, mentre il rimanente 21% è esercitato dall'ossigeno ed, in minima quantità, dagli altri componenti dell'atmosfera.
Per questo motivo la pressione dell'azoto nell'aria viene chiamata pressione parziale.
Durante l'immersione, mentre non cambiano le percentuali di ossigeno e di azoto nell'aria inspirata, le loro pressioni parziali aumentano con l'aumentare della pressione ambiente.
Per esempio a 10 metri di profondità e 2 atmosfere assolute di pressione, le pressioni parziali di azoto e ossigeno saranno raddoppiate.
Sono proprio le pressioni parziali dei diversi gas a condizionare ed a regolare l'assorbimento dei gas stessi nei tessuti dell'organismo.
Questo significa che la pressione parziale dell'azoto (PPN₂) nell'aria inspirata, regola l'assorbimento tissutale dell'azoto. Tutto ciò avviene secondo il principio della legge di Dalton sulle pressioni parziali dei gas.
Questa, incidentalmente, è una delle ragioni per cui la somministrazione di ossigeno è così importante nel trattamento delle patologie da decompressione. Infatti, meno azoto c'è nella miscela respirata, maggiore è la forza e la velocità (il "gradiente") con cui avviene la desaturazione (offgassing) dell'azoto dai tessuti.
Vivendo sulla superficie terrestre e respirando aria, tutti i tessuti corporei assorbono il gas inerte fino a completare il processo di saturazione e raggiungere l'equivalenza della pressione parziale del gas fra l'interno dei tessuti e l'aria inspirata (stato di equilibrio).
Per esempio a pressione atmosferica la pressione parziale dell'azoto tissutale sarà il 79% circa di 1 atmosfera, ovvero 0,79 atmosfere.
Se si vive in montagna, ad altitudini dove la pressione atmosferica è minore rispetto al livello del mare, la tensione di azoto nei tessuti sarà inferiore a 0,79 atmosfere, perché la pressione parziale dell'azoto nell'aria inspirata sarà inferiore rispetto al livello del mare.
Se, per esempio, la pressione ambiente a 1.000 metri di altitudine è di 0,9 atmosfere, la pressione parziale dell'azoto, allo stato di equilibrio, sarà uguale al 79% di 0,9 atmosfere, ovvero 0,71 atmosfere, sia nell'aria inspirata che nei tessuti. Solo quando ci si sposta rapidamente da una situazione di pressione ambiente ad una diversa (sia inferiore che superiore) le pressioni parziali dei gas nell'aria inspirata e nei tessuti si differenziano e la spiegazione è data dai diversi tempi di emisaturazione tissutali.

Che cos'è il "tempo di emisaturazione"?
Come si è detto, il processo di variazione della tensione dell'azoto tissutale richiede tempo. Le tensioni tissutali aumentano gradualmente a seconda del ritmo e della velocità di assorbimento di ciascun tessuto o compartimento.
I vari tessuti dell'organismo, infatti, sono costituiti da componenti diversi ed hanno livelli di afflusso sanguigno differenti fra loro, così che assorbono azoto con caratteristiche di velocità e tempi diverse. Queste diverse caratteristiche sono chiamate anche "tempi di emisaturazione" (a volte scritti: T 1/2).
Un tempo di emisaturazione è il tempo in minuti necessario perché un tessuto (o compartimento) assorba gas inerte fino alla metà della differenza di pressione fra il gas inspirato e la tensione del gas nel tessuto (cioè fino alla metà del gradiente di pressione), ovvero per saturarsi a metà.
Da questo momento sarà necessario lo stesso tempo perché il tessuto si saturi fino alla metà del gradiente residuo (metà della metà) e poi ancora fino alla metà del gradiente che resta (metà di un quarto) e così via fino allo stato di equilibrio.
E' un processo che ricorda la normale lotta che ogni sub compie per riempire il borsone dell'attrezzatura: più si riempie e più è difficile (e lento) farci entrare qualcos'altro.
Questo rallentamento del processo di assorbimento, man mano che ci si avvicina all'equilibrio, segue una precisa curva, calcolabile matematicamente, che viene definita "curva esponenziale".
Prendendo ad esempio un ipotetico tessuto da 60 minuti (cioè che si satura per 1/2 dopo 60 minuti), dopo altri 60 minuti il tessuto avrà assorbito una metà del gradiente residuo di 1/2, cioè sarà saturo per 3/4 (1/2+1/4); dopo ancora 60 minuti avrà assorbito la metà del gradiente residuo di 1/4 ed il tessuto sarà saturo per 7/8 (1/2+1/4+1/8), e così via.
Il processo di assorbimento e saturazione ha le caratteristiche di un fenomeno a spettro continuo. Questo significa che i vari tessuti dell'organismo assorbono e cedono azoto con tempi di emisaturazione che variano da pochi secondi a diverse ore.
Per poter rappresentare il fenomeno sia matematicamente che concettualmente (cioè per semplificare la soluzione del problema) i vari tessuti reali sono stati raggruppati in tessuti matematici (o compartimenti), definiti da tempi di emisaturazione espressi in minuti.
Si avranno così tessuti da 5 minuti, da 10 minuti, da 40 minuti, eccetera. I vari modelli di calcolo utilizzati dai diversi studiosi possono utilizzare raggruppamenti e valori di emisaturazione differenti, secondo la necessità o le preferenze di calcolo del ricercatore.
Un fattore che complica i calcoli, ma di cui occorre tenere conto, è che, quando la pressione ambiente viene diminuita, non tutto il gas assorbito da un tessuto ritorna al sangue direttamente dallo stesso tessuto, in modo da consentire una desaturazione (offgassing) diretta attraverso il sangue ed i polmoni.
Infatti, poiché diversi tessuti, vicini anatomicamente, possono avere differenti tempi di emisaturazione, si possono creare differenze di tensione di azoto fra un tessuto e l'altro, che producono gradienti di tensione di azoto fra gli stessi tessuti adiacenti e la diffusione di azoto da un tessuto all'altro.

Cosa sono i "tessuti rapidi" ed i "tessuti lenti"?
Un tessuto rapido si satura e si desatura con tempi di emisaturazione brevi.
I tessuti rapidi presentano generalmente tensioni di azoto piuttosto elevate dopo un'immersione, rispetto a tessuti più lenti, perché hanno potuto assorbire più azoto in un dato intervallo di tempo.
Le soste di sicurezza, raccomandate dalle più importanti organizzazioni didattiche, hanno proprio lo scopo di abbassare sensibilmente la tensione di azoto dei tessuti veloci, che si desaturano rapidamente.
Il differente comportamento dei vari tipi di tessuto diventa particolarmente importante nel caso di immersioni successive. In queste situazioni, infatti, i tessuti lenti possono non aver avuto abbastanza tempo per desaturarsi prima che la successiva immersione aggiunga altro azoto a quello già presente.
Questo provoca un effetto additivo cosiddetto "a scala", che porta ad un aumento, a volte eccessivo, dei livelli di tensione tissutale di azoto.
Cosa rende un tessuto più veloce di un altro? I fattori più importanti sono le capacità del tessuto di assorbire e trattenere azoto e l'entità del flusso sanguigno che giunge al tessuto.
I tessuti grassi, ad esempio, hanno una maggiore affinità con l'azoto e sono, quindi, in grado di accogliere più gas dei tessuti a contenuto acquoso; questo aumenta il tempo necessario per la saturazione e la desaturazione.
Come regola generale, si può ritenere che le aree del corpo con più elevato afflusso di sangue (una maggiore perfusione), come i polmoni e gli organi addominali, assorbano e cedano azoto più rapidamente di altri tessuti.
Il grasso, l'osso ed i tessuti cicatriziali, che sono meno vascolarizzati, la cartilagine ed i tessuti interni alle articolazioni, che non sono vascolarizzati, sono classificati fra i tessuti più lenti.
All'interno di questi tessuti lenti, la scarsità di vasi sanguigni rende importante, per l'assorbimento del gas inerte, il ruolo della diffusione dell'azoto all'interno del tessuto stesso, oltre a quello rivestito del trasporto di azoto per via sanguigna. I tempi di emisaturazione di questi tessuti sono condizionati dalla capacita di diffusione del gas inerte ed il processo è regolato, in gran parte, dalla diffusione stessa.
Nei tessuti limitati dalla diffusione sono necessari gradienti di tensione di gas inerte più elevati per provocare l'assorbimento e la desaturazione, rispetto ai tessuti controllati dalla perfusione ematica.
Durante la decompressione, questi tessuti avranno costantemente tensioni di azoto più elevate di quelle riscontrabili nei tessuti più vascolarizzati.
Questi tessuti lenti e poco vascolarizzati, creano, in sostanza, una riserva di gas che può contribuire alla crescita di bolle gassose anche diverse ore dopo aver concluso un'immersione.
La perfusione tissutale cambia sensibilmente con l'esercizio fisico, le variazioni della pressione parziale di ossigeno, la temperatura, le condizioni fisiche e di nutrizione e la velocità di compressione o discesa.
L'esercizio fisico provoca vasodilatazione ed aumento del flusso sanguigno nei muscoli che lavorano, con conseguente maggior apporto di azoto.
L'esercizio provoca anche, con meccanismo di compensazione, una vasocostrizione, con riduzione del flusso sanguigno, a livello degli organi non sottoposti a sforzo, come i visceri e la pelle; questa vasocostrizione causa il rallentamento della desaturazione di tali organi.
L'aumento della pressione parziale dell'ossigeno con l'aumentare della profondità provoca una vasocostrizione generalizzata in quasi tutti i tessuti. Il freddo ha scarsi effetti sugli organi centrali, ma causa una profonda vasocostrizione con riduzione della perfusione sanguigna a livello cutaneo e periferico.
Una discesa troppo rapida, può seriamente ridurre la perfusione a livello dell'osso e dei tessuti periferici.
Infine, fattori come il fumo, la disidratazione e l'assunzione di alcuni farmaci, possono causare vasocostrizione localizzata o generalizzata.
Tutte queste variabili, spesso non completamente controllabili o prevedibili, complicano il calcolo matematico dell'assorbimento e della desaturazione di azoto durante l'immersione.

Che cos'è la "saturazione"?
Quando un tessuto ha assorbito tutto l'azoto possibile ad una determinata pressione ed ha raggiunto lo stato di equilibrio si dice che il tessuto è "saturo" a quella determinata pressione.
E' necessario un tempo pari a 6 volte il tempo di emisaturazione perché un tessuto raggiunga una saturazione (o una desaturazione) del 99%. Così, un tessuto da 60 minuti, sarà considerato saturo dopo 6 ore. Un tessuto più lento, da 120 minuti, impiegherà 12 ore. Un tessuto da 5 minuti, invece, si saturerà in soli 30 minuti.
Ai fini concettuali, si ritiene che la desaturazione avvenga con gli stessi tempi della saturazione, ma esistono diversi fattori di complicazione che, di fatto, rallentano il processo di desaturazione.
Il tessuto più lento, preso in considerazione dal modello di calcolo della U.S. Navy per le tabelle standard, è il tessuto da 120 minuti. Pertanto si considera che tutto l'organismo sia completamente desaturato dopo 12 ore dall'ultima immersione, in quanto occorrono 12 ore per la desaturazione del tessuto più lento, mentre i tessuti più rapidi si saranno desaturati prima.
Esiste, quindi, un periodo minimo di 12 ore entro il quale ogni immersione deve essere considerata una "ripetitiva" rispetto alla precedente.
La quantità di gas che un tessuto può trattenere in soluzione, cambia con la pressione, secondo il principio della legge di Henry. Il tempo necessario a raggiungere la totale saturazione, secondo il modello della U.S. Navy è di 12 ore; dopo questo tempo, ogni ulteriore permanenza ad una data profondità non comporterà assorbimento di altro azoto.
Se, invece, la profondità viene aumentata, il gradiente di tensione di azoto aumenta di nuovo e viene assorbito altro gas inerte fino alla saturazione alla nuova profondità.
Questa metodica d'immersione ("immersione in saturazione") è, ovviamente, del tutto estranea alle tecniche di immersione sportiva, e impone lunghissimi periodi di decompressione e strumentazioni assai sofisticate.
La tecnica consente di evitare lo spreco di tempo prezioso per lunghe decompressioni e di trascorrere, invece, periodi di giorni ed anche di settimane, lavorando in pressione, per poi eseguire una sola decompressione finale, che comporterà gli stessi tempi dopo una permanenza di 12 ore o di un mese ad una data profondità.
Il vantaggio, dal punto di vista del rischio della decompressione, è che viene affrontato una sola volta con costi operativi decisamente contenuti.
In realtà molti modelli di calcolo per esposizioni prolungate, considerano tessuti più lenti di 120 minuti, fino a 240 minuti ed anche 500 minuti secondo gli ultimi modelli di calcolo. Questo comporta periodi di 24 ed anche 48 ore per il completamento dei processi di saturazione e desaturazione dei tessuti più lenti.

Che cos'è la "sovrasaturazione" e cosa sono i rapporti di sovrasaturazione?
Nell'immersione sportiva, un'immersione di un'ora porterà a saturazione i tessuti con tempi di emisaturazione fino a 10 minuti e farà aumentare le tensioni di azoto negli altri tessuti fino a livelli per i quali questi si troveranno saturi. (cioè in equilibrio con la pressione esterna) o sovrasaturi (cioè con un tensione di azoto nel tessuto, superiore alla pressione esterna) durante la risalita.
Quando, durante la risalita, la pressione viene ridotta, questi tessuti potranno, temporaneamente, continuare ancora ad assorbire azoto, poi si troveranno in equilibrio e quindi diventeranno sovrasaturi rispetto all'esterno.
Se questo sia pericoloso o meno, dipende dal livello e dalla durata dello stato di sovrasaturazione. I diversi tessuti sono, infatti, caratterizzati da differenti livelli di tolleranza alla sovrasaturazione, prima che inizi la formazione di bolle gassose nel tessuto stesso.
In realtà quando un gas è disciolto, non ha più le caratteristiche di un gas: le sue molecole sono in soluzione nel tessuto, come sparse e strette fra le cellule ed all'interno di esse. Quando la pressione ambiente diminuisce, la tensione del gas disciolto aumenta e le molecole tendono a riassumere lo stato gassoso.
Il gioco sta tutto nel sapere di quanto può essere ridotta la pressione ambiente mantenendo, nel contempo, la sovrasaturazione tissutale a livelli sufficientemente bassi per non scatenare il ritorno alla fase gassosa.
Quando il livello di sovrasaturazione tissutale diviene notevole, il ritorno alla fase gassosa può assumere dimensioni tali da scatenare la formazione di bolle gassose nei tessuti stessi, attraverso l'aggregazione di numerose micro quantità di gas. L'immersione sportiva è caratterizzata dalla possibilità di poter sempre risalire in superficie direttamente, senza dover effettuare soste di decompressione (immersione "sportiva" significa immersione in curva di sicurezza).
I calcoli per le immersioni che non necessitano di decompressione devono, quindi, considerare i valori di sovrasaturazione tissutale che si riscontrano in superficie dopo un'immersione.
Secondo il modello di Scott Haldane, del 1908, il rapporto massimo tollerabile fra la tensione di azoto tissutale e la pressione ambiente poteva essere di 2:1, senza che si formassero bolle.
Da allora ci sono state molte modificazioni del modello di calcolo e, attualmente, si sa che i tessuti rapidi possono tollerare rapporti di sovrasaturazione assai più elevati rispetto ai tessuti più lenti.
Per esempio, il rapporto di sovrasaturazione (tensione di azoto nel tessuto rispetto alla pressione ambiente) per un tessuto da 5 minuti è superiore a 3:1, mentre quello di un tessuto da 120 minuti è inferiore a 2:1.
A complicare ulteriormente la situazione, intervengono le riserve di azoto dei tessuti lenti. Se esiste ancora un'abbondante riserva di azoto in questi tessuti, i tessuti veloci saranno, per così dire, continuamente nutriti da questa riserva nel tessuto lento adiacente, che si desatura nel tessuto veloce. Situazioni di questo genere possono originare la formazione di bolle anche nell'apparente rispetto delle indicazioni di tabelle e/o computer.
Riserve sconosciute possono, ad esempio, esistere in casi di abbondante pannicolo adiposo o di tessuti cicatriziali di cospicue dimensioni.

Che cos'è il "valore M"?
La "M" significa Massimo. I valori M sono i valori massimi ammessi per la tensione di gas inerte tissutale; essi sono, pertanto, valori di pressione parziale del gas inerte.
Nei primi momenti dello sviluppo della teoria della decompressione, si pensava che il gas non sarebbe passato dalla fase di soluzione a quella gassosa, se non si fosse superato un determinato valore massimo di sovrasaturazione. Quindi, per ogni tipo di tessuto, fu calcolato lo specifico valore M.
Per poter ritornare in superficie, è necessario che nessun tessuto abbia superato il proprio valore M di tensione di azoto. Un livello superiore indica che la pressione in quel tessuto è sufficiente ad iniziare il cambio di fase e la formazione di bolle gassose.
Quindi, è necessario fare una sosta di decompressione ad una quota più profonda della superficie, per consentire la cessione di una quantità di gas inerte sufficiente ad abbassare la tensione dell'azoto fino a livelli del valore M.
In un'immersione in curva di sicurezza, nessun tessuto deve superare il valore M. Se ciò invece accade, come quando si supera la curva di sicurezza, ci sarà una profondità alla quale la tensione di azoto tissutale non supera il valore massimo consentito. Quella è la profondità alla quale deve essere fatta la prima tappa di decompressione.
I valori M sono calcolati per ogni tipo di tessuto e vengono tutt'ora utilizzati nella programmazione dei computer subacquei.
Ma è possibile considerare i valori M come limiti assoluti, al di sotto dei quali non ci sono rischi di formazioni di bolle? La risposta è no! Molte variabili, infatti, impediscono che i valori M possano considerarsi dei valori di sicurezza assoluta. In considerazione di questo, ed allo stato attuale, si può solo ricordare che ai fini della maggior sicurezza, un minor tempo in profondità significa minor assorbimento di azoto.

Assorbimento e liberazione dell'azoto
Un esempio pratico può chiarire meglio le idee:
a) I tessuti veloci, medi e lenti possono essere rappresentati come cilindri con fori alla base immersi in una vasca; la pressione può essere paragonata al livello di liquido nella vasca. Se si riempie la vasca di liquido, il cilindro con più fori alla base (tessuto veloce) si riempie più rapidamente di quelli con meno fori (tessuti medi e lenti).
b) La diminuzione di pressione può essere paragonata ad un abbassamento del livello del liquido nella vasca; i cilindri, al cui interno il liquido aveva già superato il livello attuale nella vasca, cominciano a svuotarsi (più o meno velocemente a seconda nella quantità di fori alla base), mentre quelli al cui interno il liquido era ancora ad un livello inferiore rispetto a quello nella vasca continuano a riempirsi.

Bibliografia:
Andreoli-Tarozzi L'attività subacquea, Zanichelli Bologna
La teoria della decompressione, Dan Europe News

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