Tecnica & Medicina

61. LA MALATTIA DA DECOMPRESSIONE (MDD)

MDD – AZOTO CHE VIENE… AZOTO CHE VA di Alvise Bertuzzi ( Articolo tratto da “Gli approfondimenti di www.tuttomaldive.it “ )

Il lavoro svolto e qui sotto proposto è stato reso possibile grazie al prezioso aiuto ricevuto dalla consultazione della “The Encyclopedia of Recreational Diving” della PADI, delle numerose note pubblicate dal DAN e di altri interessanti articoli di settore “scovati” qua e là.

Mi rendo conto che alcuni concetti sono stati ripetuti più volte e talvolta utilizzando perfino le stesse parole, ma ciò è dovuto al fermo impegno preso con me stesso di evitare tassativamente l’uso di qualsiasi formula e di qualsiasi simbolo matematico per potermi rivolgere, così, a tutti i subacquei e non relegarne la lettura solo a coloro che avessero già buona dimestichezza con le discipline scientifiche.

I MAGNIFICI CINQUE

Boyle, Charles (anche se fu Gay Lussac a prenderne il merito e la fama), Dalton, Henry e Laplace sono cinque scienziati che, insieme, ci danno una chiave di lettura chiara ad interpretare in modo esauriente il comportamento fisico dei gas e la sua correlazione alla attività subacquea.

In buona sostanza cosa affermavano questi signori?

Boyle ha dimostrato che, a temperatura costante (badate bene: a temperatura costante) il volume di una data massa di gas è inversamente proporzionale alla pressione assoluta. In pratica: se a temperatura costante la pressione assoluta di una determinata massa di gas diminuisce, il suo volume aumenta proporzionalmente e viceversa. Vedere per credere: si osservino le bollicine che dal fondo di un bicchiere di spumante (od anche, più prosaicamente, di una comune bevanda gasata) e si noterà come, man mano che si portano alla superficie (e quindi man mano che si riduce la loro pressione interna), il loro volume (il loro diametro) aumenta!

Questo non riguarda effettivamente da vicino il nostro problema (al più ci aiuta a comprendere i consumi d’aria durante le nostre immersioni alle differenti profondità), ma è stato propedeutico al suo collega Charles che studiò l’influenza della temperatura sul comportamento dei gas tracciato da Boyle.

Charles scoprì (e ne trasse una formula matematica ) che se la pressione di un gas veniva mantenuta costante all’interno di un contenitore, il volume del gas aumentava all’aumentare della temperatura e ,viceversa (sempre a pressione costante), il volume diminuiva quando la temperatura diminuiva. La stessa legge può essere letta anche così: a volume costante una diminuzione della temperatura porta una diminuzione della pressione (Charles scoprì che una diminuzione di un grado Celsius comportava una riduzione di 0,7 bar). Sempre vedere per credere: prima di un’immersione si lasci scaldare al sole la propria bombola e successivamente si vedrà come la pressione dell’aria diminuirà man mano che la bombola (e quindi l’aria contenuta) si raffredda a contatto con l’acqua (e non solo perché ne respiriamo!) durante la nostra discesa.

Queste leggi descrivevano, però, il comportamento dei gas senza considerare che un gas può essere a sua volta costituito da una miscela di più gas.

Dalton studiò questo aspetto e verificò che i gas che costituiscono una miscela (come, ad esempio, l’aria), anche se sono perfettamente mescolati nel volume in cui sono contenuti, mostrano il loro proprio comportamento individuale per la pressione che singolarmente esercitano.

John Dalton sentenziò che la pressione esercitata da una miscela di gas è uguale alla somma delle pressioni di ciascun componente che agisce come se fosse solo ad occuparne il volume totale.

In buona sostanza ogni gas all’interno di una miscela agisce indipendentemente dagli altri: le pressioni di ciascun gas che insieme e sommate determinano la pressione della miscela sono chiamate “pressioni parziali”.

Nel caso specifico l’aria, che è una miscela composta da azoto (78%), ossigeno (21%), argon ed anidride carbonica (1%), alla superficie del mare esercita una pressione di 1 bar assoluto costituita dalla somma delle pressioni parziali dei gas che la compongono: 0,78 bar di azoto, 0,21 bar di ossigeno e 0,1 bar complessivamente di argon ed anidride carbonica.

Va da sé che ad una profondità di 10 metri, dove la pressione alla quale respira il subacqueo è di 2 bar assoluti, le pressioni parziali dell’azoto, dell’ossigeno e dell’argon con l’anidride carbonica saranno il doppio e cioè rispettivamente 1,56 bar, 0,42 bar e 0,2 bar assoluti.

Henry, grazie alle leggi dei suoi colleghi, va avanti nel discorso e si occupa del fenomeno della dissoluzione dei gas nei liquidi.

E’ certamente noto il fenomeno dello scioglimento di una materia solida in un liquido: è il caso, ad esempio, dello zucchero in una tazza di caffè dove la sostanza solida “zucchero” viene incorporata tra le molecole della sostanza liquida “caffè”.

E’ invece meno evidente che anche un gas possa sciogliersi in un liquido, ma d’altra parte questo fenomeno risulta chiaro se si pensa a cosa accade quando si stappa una bottiglia di buon spumante o si apre una lattina di una bibita gasata (soprattutto se … il contenitore è stato prima agitato!).

Pur “intrappolate” dalle molecole del liquido, le molecole del gas continuano ad esercitare una pressione all’interno del liquido: questa pressione viene chiamata “tensione” di quel gas e se il gas è una miscela di componenti come l’aria la sua “tensione” sarà la somma delle “tensioni” parziali dei singoli gas componenti (legge di Dalton ).

Henry determinò che la quantità di gas disciolta in un liquido ad una determinata temperatura è quasi direttamente proporzionale alla pressione che il gas esercita a contatto con quel liquido.

La differenza fra la pressione esterna del gas a contatto con il liquido e la tensione dello stesso gas disciolto nel liquido si chiama “gradiente di pressione” e quanto più è alto il gradiente di pressione tanto più veloce sarà lo scioglimento del gas nel liquido.

Durante il fenomeno di diffusione (scioglimento) del gas, la sua tensione nel liquido andrà via via ad aumentare con conseguente diminuzione del gradiente e, quindi, anche della velocità.

Risulta quindi evidente come la diffusione di un gas in un liquido avverrà fino a che sussisterà un gradiente fra pressione esterna del gas esercitata sul liquido e la sua tensione all’interno dello stesso liquido: quando i due valori si equivalgono il liquido si considererà “saturo” di quel gas.

Ora due considerazioni riassuntive.

Prima considerazione: la velocità di diffusione di un gas in un liquido sarà elevata all’inizio per ridursi mano a mano che il liquido si “satura”,

Seconda considerazione: una variazione del gradiente determina una conseguente variazione dello stato del liquido.

Su quest’ultima considerazione è bene soffermarsi perché riguarda da molto vicino il tema della MDD che stiamo affrontando.

Poniamo in esame un gas disciolto “in equilibrio” con il gas esterno al liquido (gradiente uguale a zero, quindi saturo) ad una determinata pressione. Se si varia la pressione del gas a contatto varierà conseguentemente anche il gradiente che dal valore zero potrà diventare positivo (nel caso di aumento di pressione) o negativo (nel caso di diminuzione della pressione): nel primo caso il gas riprenderà a disciogliersi nel liquido fino al raggiungimento del nuovo stato di saturazione (in cui nuovamente il gradiente sarà uguale a zero), mentre nel secondo caso il liquido sarà sovrasaturo contenendo, disciolto, più gas di quanto ne possa contenere a quella pressione (ed a quella temperatura) ed il gas disciolto in eccesso, essendo la sua tensione maggiore della pressione esterna, abbandonerà il liquido fino al ristabilirsi di un nuovo equilibrio (tensione del gas nel liquido eguale alla pressione esterna del gas). Quest’ultimo fenomeno tenderebbe a svilupparsi con la formazione di bolle (così intendendo le bolle con dimensioni maggiori delle microbolle e delle bolle silenti).

Ho scritto “tenderebbe” perché, fortunatamente ci viene incontro Laplace (…il quinto "magnifico") che in pratica afferma che una bolla è una superficie sferica di liquido. La “tensione superficiale” del liquido ( che è, per intenderci, quella forza intermolecolare che non consente, ad esempio, ad una goccia d’olio, caduta su un piano, di spandersi ) è una forza che tende a ridurre questa superficie, ma ciò viene contrastato dalla pressione interna del gas che pertanto non sarà semplicemente uguale, ma bensì maggiore della pressione esterna (dovendo in pratica contrastare sia la pressione esterna che la “tensione superficiale” del liquido).

In buona sostanza la bolla inizierà a formarsi all’interno di un liquido quando forza determinata dalla tensione del gas sarà eguale alla somma della forza determinata dalla pressione esterna e di quella determinata dalla tensione molecolare di superficie di quel liquido.

Essendo questo il fenomeno descritto da Laplace, al passaggio da saturazione a sovrasaturazione, più sopra ipotizzato, non corrisponde, contestuale, una diffusione del gas all’esterno del liquido in forma di bolle in quanto, perché ciò avvenga, è necessario che il “gradiente negativo” abbia sufficiente “energia” da vincere anche la tensione molecolare di superficie di quel liquido.

Sarà proprio questo a determinare il concetto di “valore M” affrontato più avanti.

IL VIAGGIO DELL'AZOTO NEL CORPO UMANO

Già nei tempi lontani era stato determinato che la causa della malattia da decompressione (MDD) era da attribuirsi all’eccesso di azoto (sovrasaturazione) nel nostro corpo.

Il corpo umano è costituito da un grande varietà di tessuti come, ad esempio, il sangue, il midollo, la massa cerebrale, le ossa, il grasso e le cartilagini: ciascuno con caratteristiche proprie per quanto riguarda il comportamento nei confronti dell’assorbimento e del rilascio dell’azoto.

Assimilando il comportamento dei tessuti a quelli di un liquido può essere loro applicata la legge di Henry che correla l’assorbimento e la cessione dell’azoto in quantità e con velocità tanto maggiori quanto più elevati saranno la sua pressione esterna ed il gradiente (differenza fra pressione esterna e tensione del gas nel tessuto).

Il trasferimento dei gas verso i tessuti del corpo umano avviene in modo indiretto e cioè grazie all’azione veicolante del sistema circolatorio (qui si tratterrà solo di azoto ed ossigeno in quanto gli altri gas componenti dell’aria non sono significativi per quantità).

Durante la discesa del subacqueo l’aria inspirata nei polmoni si distribuisce negli alveoli e da qui, in relazione ai gradienti di pressione (l’alveolo presenta l’azoto e l’ossigeno con una pressione parziale superiore alla tensione degli stessi gas nel plasma) l’azoto e l’ossigeno si diffondono nel sangue.

Quanto più grande sarà la differenza fra la “pressione” dell’azoto negli alveoli e la sua “tensione” nel sangue tanto più veloce sarà la diffusione del gas nel plasma.

Nel sangue, che ora circola verso i tessuti, la tensione dell’azoto e dell’ossigeno sarà maggiore della tensione degli stessi gas nei tessuti interessati e quindi si svilupperà un naturale processo di diffusione verso di essi, ma mentre l’ossigeno viene immediatamente metabolizzato, l’azoto vi si discioglie.

Durante la risalita verso la superficie avviene il processo contrario: dai tessuti, sempre grazie al gradiente di pressione che si inverte, l’azoto si diffonde nel sangue e dal sangue agli alveoli polmonari che lo elimineranno mediante il sistema respiratorio.

Anche qui la velocità con cui il gas viene eliminato dai tessuti dipende dal gradiente di pressione del gas fra i tessuti ed il plasma, ma, in questo caso, dipende anche dalla capacità del sangue a “ricevere” tutto l’azoto che i tessuti tendono a “cedere” e dalla capacità del sangue a “cedere” questo gas all’area alveolare.
Se si verificano le condizioni per le quali la velocità di diffusione dell’azoto dai tessuti è maggiore della sua velocità di dissoluzione nel sangue l’azoto in eccesso, in forma di bolle, diffonderà all’esterno del sistema circolatorio (con conseguente MDD di 1° grado).

Se, pure, si verificano le condizioni per le quali la quantità di azoto nella circolazione venosa è così elevata da non poter essere totalmente eliminata dagli alveoli attraverso l’espirazione, si formerà nei vasi sanguigni dei polmoni una concentrazione di bolle che tenderanno a rallentare la circolazione del sangue in quest’ultimi o a “trasferirsi” nella circolazione arteriosa ostruendo il flusso del sangue verso gli organi cerebrali con conseguente, possibile, grave MDD neurologica (detta MDD di 2° grado).

L’azoto si “muove” nel sangue anche sotto forma di microbolle e bolle “silenti” che non danno, da sole, origine a MDD a meno che non si sviluppino le condizioni per le quali queste bolle si raggruppino rapidamente ed in grande quantità per formare bolle di maggiori dimensioni.

I tessuti hanno differenti caratteristiche sia per la quantità di azoto disciolto che possono accogliere prima di raggiungere la saturazione, sia per la velocità con cui l’azoto si diffonde in loro: la prima è correlata principalmente alla diversa capacità a legarsi chimicamente con l’azoto, la seconda è conseguente soprattutto alla loro maggiore o minore irrorazione di sangue da parte del sistema circolatorio.

La massa cerebrale è, ad esempio, largamente irrorata e quindi presenta di una maggiore velocità a ricevere azoto rispetto i tessuti grassi (meno irrorati) nei quali, però, può essere disciolta, nel tempo, una più elevata quantità di questo gas avendo con esso una maggior affinità chimica.

Eguale considerazione può essere fatta sul midollo spinale rispetto alle ossa od alle giunture (il primo molto più irrorato delle seconde).

Per queste considerazioni si è voluto suddividere il corpo umano in diversi compartimenti di tessuti definendoli “veloci” o “lenti”.

Il sangue (il plasma) ammette una rapida dissoluzione (e, quindi, una rapida cessione), ma nel contempo accetta una ridotta quantità di azoto (si satura velocemente) ed è per questo che è un ottimo veicolo per la distribuzione di questo gas nel corpo umano.

roprio in relazione a ciò è da tenere in alta considerazione qualsiasi elemento esterno che abbia a disturbare una completa ed omogenea circolazione: il raffreddamento del corpo, ad esempio, comporta, per la conservazione del calore, la veicolazione del sangue prioritariamente verso certe aree (cervello, stomaco) riducendola verso quelle periferiche e compromettendo, durante la risalita, il “degasaggio” di queste ultime con la conseguenza di avere in quei tessuti, al termine dell’immersione, una quantità di azoto percentualmente superiore al loro livello di saturazione.

nche la disidratazione ha un effetto analogo riducendo la quantità di sangue disponibile allo scambio gassoso e rallentando, così, la rimozione dell’azoto dai diversi compartimenti del corpo umano.

Ora, ricordando Henry, mentre la tensione dell’azoto nei tessuti sale tendendo ad equilibrarsi con la pressione parziale del gas circostante (o, meglio, alla tensione del gas nel plasma) il gradiente di pressione (fra il sangue ed i tessuti) conseguentemente si riduce rallentando così sempre più la velocità di diffusione del gas verso il tessuto.

Per tale motivo, in ciascun tessuto, occorre molto meno tempo a raggiungere il primo 50% del suo livello di saturazione rispetto a quello necessario a “coprire” il restante 50%.

Haldane, all’inizio del secolo scorso ed a seguito di proprie sperimentazioni nell’immersione subacquea, determinò che il tempo necessario alla saturazione è una caratteristica specifica di ciascun tessuto e rimane costante qualunque sia la quantità di gas assorbito, cioè qualunque sia la pressione del gas inspirato (profondità dell’immersione).

Haldane verificò inoltre che ciascun compartimento tissutale impiega, per saturarsi di azoto al 50%, circa un sesto del tempo necessario a saturarsi completamente (100%) come risulta evidente dalle figure a lato.

ella figura 1 il compartimento tissutale preso in esame si satura al 50% di azoto, nella figura 2 il compartimento si satura al 50% del quantitativo di azoto ancora assorbibile ovvero il 25% (raggiungendo così il 75%), la terza figura rappresenta l’assorbimento del 50% del restante azoto assorbibile (12,5% del totale) e così via fino all’ultima sesta figura dove il tessuto si considera convenzionalmente saturo al 100%. Il tempo necessario a saturare del 50% di azoto ciascun tessuto è quindi una caratteristica propria di quel tessuto e viene chiamato tempo di emisaturazione o emitempo (nelle figure rappresentato come “t”).

La variazione nel tempo della tensione d’azoto in un tessuto (velocità di dissoluzione) è proporzionale al gradiente di pressione: quanto più grande è la differenza fra la pressione del gas respirato e la tensione dello stesso gas nel tessuto, tanto più alta sarà la velocità con cui il gas si scioglierà in quel tessuto.

Come abbiamo visto mano a mano che il gas si discioglie nel tessuto, si riduce anche il gradiente (fino ad arrivare al valore zero quando si raggiunge la saturazione).

Da tutto questo si comprende allora che il gradiente al termine del primo emitempo (Fig. 1) è il 50% del gradiente iniziale ed è anche il gradiente di partenza del secondo emitempo. A sua volta il secondo emitempo terminerà con un gradiente corrispondente al 50% di quello presente alla propria partenza (25% di quello iniziale) e così via per il terzo, quarto, quinto e sesto emitempo (Fig. 7).

Cosa vuol significare tutto ciò? Semplicemente che la velocità “media” di dissoluzione del secondo emitempo è la metà rispetto quella del primo e quindi, a parità di tempo (emitempo), percorrerà metà della strada verso la saturazione rispetto quella percorsa nel primo emitempo e così via per le successive fasi di emisaturazione.

Va ricordato che il tempo di saturazione dipende soltanto dal tipo di tessuto considerato e non cambia al variare della pressione esterna del gas (profondità dell’immersione) la quale, invece, inciderà sulla quantità di gas assorbibile dal tessuto stesso in misura pressoché proporzionale.

In altre parole ed a titolo di esempio un tessuto che abbia un emitempo di cinque minuti (il sangue) si saturerà completamente in mezz’ora indipendentemente dalla profondità in cui respira il subacqueo (Fig. 8); la profondità (o meglio la pressione assoluta) determinerà la quantità di azoto solubile che a 20 metri (3 bar assoluti) sarà doppia rispetto quella a 5 metri (1,5 bar assoluti) ed a 40 metri (5 bar assoluti) sarà doppia rispetto quella a 15 metri (2,5 bar assoluti).

Più sopra abbiamo visto che quando un subacqueo risale la pressione esterna si riduce e dai tessuti l’azoto si diffonde nel plasma per essere riveicolato, anche in forma di microbolle e bolle silenti, agli alveoli polmonari e quindi espulso attraverso il sistema respiratorio.

Se i compartimenti (e fra questi prioritariamente il sangue), durante la risalita e per effetto della diminuita pressione esterna, si trovassero al limite del loro livello di saturazione di azoto disciolto si potrebbero formare bolle in tal numero e dimensione da provocare come si è visto più sopra una MDD di 1° od anche di 2° grado.

Fortunatamente per noi subacquei qui interviene la teoria di Laplace che determina la necessità che in ciascun tessuto si superi il suo livello di saturazione fino a raggiungere un suo proprio e ben determinato livello di sovrasaturazione (chiamato “sovrasaturazione critica”) prima che l’azoto abbia quella ’“energia” necessaria a diffondersi all’esterno in forma di bolle di tali dimensioni da causare una MDD .

E’ dallo sviluppo di questa considerazione che nel 1965 la Marina Americana (U.S. Navy) ha formulato il concetto del "valore M" (o gradiente critico) come modo più semplice a definire il valore massimo della tensione parziale d’azoto all’interno di ciascun tessuto che determini quella sovrasaturazone necessaria alla formazione di bolle critiche per una MDD.

Lo studio condotto dal DAN, monitorando la formazione di bolle con il rivelatore Doppler su un elevato numero di immersioni, ha successivamente consentito di rimodulare i precedenti "valori M" con maggiore rigore scientifico.

Sappiamo che il sangue è il tessuto veloce (emitempo di 5 minuti) veicolo dell’azoto dagli alveoli polmonari verso gli altri tessuti (fase di discesa durante un’immersione) e dagli altri tessuti verso gli alveoli polmonari (fase di risalita verso la superficie).

Considerando ora il solo processo di desaturazione (quello, cioè, correlato ad una possibile MDD): se il sangue non si desatura non è in grado di “ricevere” azoto dagli altri tessuti e desaturarli a sua volta, ma la desaturazione del sangue (“passaggio” dell’azoto dal plasma agli alveoli polmonari e conseguente sua eliminazione con l’espirazione) avviene agevolmente e rapidamente se il gradiente di pressione (differenza fra la tensione d’azoto nel sangue e la pressione parziale dell’azoto nell’aria presente nei polmoni) è sufficientemente alto, ma non troppo da formare una crescita di microbolle in tal numero o bolle di tal dimensione da non poter essere “smaltite” dai polmoni durante l’espirazione (con conseguente passaggio alla circolazione arteriosa).

Una sosta alla quota corrispondente la metà della massima profondità raggiunta (deep stop) rappresenta, secondo i più recenti studi del DAN e soprattutto per le immersioni definite “in curva”, il “salto” di quota più opportuno per concretizzare il gradiente di pressione più adeguato ad una efficace desaturazione del sangue ed una conseguente desaturazione degli altri tessuti che via via gli cederanno azoto in relazione alle loro velocità (tempi di emisaturazione) in quanto troveranno, come afferma il DAN, nel sangue desaturato un veicolo rapido e sicuro per il trasporto dell’azoto verso i polmoni.

Il ritorno diretto alla superficie, pur con velocità di risalita conservative, configurerebbe, durante la risalita, un gradiente di pressione “istantaneo” (metro dopo metro) non ottimale per una efficace e contestuale desaturazione del sangue (basso gradiente di pressione) e ciò rappresenterebbe pertanto un concreto ostacolo anche alla desaturazione dei tessuti più lenti i quali, nelle immersioni lunghe o ripetitive, potrebbero trovarsi ad un livello di sovrasaturazione maggiore di quello critico superando, così, il "valore M" con le conseguenze che ormai ora conosciamo.

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