Descompresión

Carga y descarga del gas disuelto en los tejidos

 

Principio básico 

La solubilidad de gases en líquidos es proporcional a la presión parcial de éstos en la superficie del líquido. En estado de equilibrio (presión y temperatura), un líquido contiene una cantidad de gas constante. Se dice que está saturado. Al variar presión o temperatura, el líquido puede admitir más gas en su seno, está infrasaturado, o puede tener en exceso, está sobresaturado, lo que le va a provocar un desequilibrio que produce una reacción de acumulación o desprendimiento de gas, hasta que se alcance de nuevo el equilibrio. 

Los desequilibrios existentes entre las concentraciones de gases o sólidos disueltos en nuestro tejidos producen efectos de difusión (movimiento de moléculas desde las concentraciones más altas hacia las mas bajas) que perduran hasta que no se alcanza un nuevo equilibrio. 

Un gas en contacto con la superficie de un líquido (o un tejido orgánico) establece un equilibrio dependiente de la presión parcial del gas y de la concentración de gas disuelto en el líquido. Este equilibrio se establece cuando el número de moléculas que entran en el líquido, es el mismo que el de moléculas de gas que se escapan del líquido 

Cuando nos sumergimos se produce un desequilibrio, en el sentido de que las presiones parciales de los gases respirados aumentan, produciendo un flujo neto entrante de moléculas de gas en nuestra sangre, que va a provocar procesos de difusión de ese gas excedente en el resto de nuestro organismo. 

Al emerger, el exceso de gas existente produce un flujo neto de moléculas expulsadas en forma gaseosa en los alvéolos pulmonares y en las microburbujas gaseosas existentes de forma natural en todos nuestros tejidos. 

En una inmersión de corta duración, estamos acumulando gas y se dice que estamos infrasaturados. Durante el proceso de ascenso desde el fondo, llega un momento en el que existe un exceso de gas disuelto en alguna parte de nuestro organismo. Decimos que esa parte está sobresaturada. Al llegar a la superficie todo nuestro cuerpo está sobresaturado. 

Leyes básicas 

El proceso de acumulación y eliminación de gases en nuestro organismo está, casi en su totalidad, gobernado por los sistemas cardiovascular y respiratorio, unidos al efecto “almacén” de las microburbujas tisulares. 

Existe un pequeño intercambio a través de la piel, que no voy a considerar, aunque se han descrito efectos nocivos provocados al usar trajes secos rellenados con gases más ligeros que los respirados. 

En nuestro organismo existen, de forma simplificada, tres interfaces de intercambio de gases: los alvéolos, la superficie surfactante de las microburbujas y las membranas de separación entre los capilares y los tejidos. En estas interfaces se produce un efecto tal que el flujo neto de moléculas que atraviesan el interfaz, es proporcional al desequilibrio existente entre las dos partes del mismo: a mayor desequilibrio, mayor flujo. La constante de proporcionalidad  es la que va a determinar el tiempo que tarda en producirse un nuevo equilibrio. 

En los alvéolos el interfaz es gas-líquido y en él esta constante de proporcionalidad es muy alta, ya que depende entre otras cosas de la superficie de contacto, muy grande, y del espesor de la membrana, muy pequeña, de forma que el equilibrio entre los gases libres y disueltos se alcanza casi en el tiempo que tarda la sangre en pasar por el alveolo. 

En las microburbujas el interfaz es líquido-gas. La constante es también muy grande, dado que el espesor del interfaz es aún menor que el de los alvéolos y, por tanto, el equilibrio entre concentraciones y presiones parciales se alcanza casi instantáneamente a los efectos de los tiempos que vamos a considerar. 

En los capilares-tejidos, el interfaz es líquido-líquido. La constante es menor y va a depender de la naturaleza del tejido bañado por el capilar: predominancia de lípidos, azúcares, proteínas, etc. La constante de proporcionalidad es la constante de semisaturación. Estos procesos en los que intervienen membranas y líquidos en movimiento los llamaremos “perfusión” 

Una vez atravesados los interfaces, el gas se difunde por la masa los tejidos en los que penetra. 

La sangre, dado su régimen de movimiento turbulento, es prácticamente homogénea en su composición, salvo en las variaciones globales que se producen a lo largo de su recorrido por el organismo: reducción del oxígeno y aumento del anhídrido carbónico tras su paso por los capilares y efecto contrario tras su paso por los alvéolos. En ella la homogeneización es casi instantánea y no hay que considerar procesos de difusión de gases en su seno. 

Lo mismo ocurre en las microburbujas en las que, dado su reducido tamaño, entre centésimas de micra y pocas micras, la homogeneización de los gases que penetran en sus seno es casi instantánea para la escala de tiempos empleada en los procesos descompresivos (un minuto, como unidad mínima considerada). 

No es así en nuestros tejidos. El gas que penetra a través de los capilares, se difunde conforme a una ley elaborada por Fick, que viene a decir que, en un punto dado, el aumento de la concentración del soluto disuelto en un disolvente con el tiempo, es proporcional a la disminución de la concentración de ese soluto en su entorno adyacente. Es decir la concentración en un punto aumenta con el tiempo si la concentración de los lugares adyacentes a éste es mayor, a costa de que estas concentraciones disminuyan. La constante de proporcionalidad es la constante de difusión 

En las mezclas de gases estamos acostumbrados a emplear la presión parcial de cada gas en la mezcla para determinar los efectos que va a producir ese gas en nuestro organismo: narcosis, hiperoxia, etc. 

En las disoluciones de gases en líquidos, el equilibrio se alcanza para una concentración de gas (gramos de gas por litro de líquido) que es proporcional a la presión parcial del mismo en el contacto con el líquido, y a la constante de solubilidad. La relación entre esa concentración y la constante de solubilidad es la “tensión de disolución”. Por tanto el equilibrio se logra cuando la tensión de disolución del gas en el líquido es igual a la presión parcial de ese gas en la superficie de contacto con el líquido. En el resto de este artículo voy a emplear la expresión “presión parcial” tanto en el caso de gas libre como en el caso de gas disuelto, aunque en este último no tenga una validez física real. 

El equilibrio existente entre dos zonas separadas por un interfaz, solo depende de dos variables: la presión parcial  y el tiempo. La fórmula que describe el proceso es una función exponencial, que es una potencia de base constante y un exponente en el que interviene una variable:  el tiempo. Se caracteriza porque a intervalos de tiempo iguales, la función varía en una relación que es constante. Si como base de la exponencial se elige el número dos, al aumentar en una unidad el exponente (es decir el tiempo por la constante que le acompaña), la función (es decir, la presión parcial), se reduce o aumenta a la mitad. 

La variación de la presión parcial (PP) en función de la presión parcial de saturación final (PPf), la presión parcial inicial (PPo), el tiempo (T) y la constante de semisaturación (Tss), viene dada por la expresión: 

PP = PPf + (PPo – PPf) / 2(T / Tss)  

Tss es la constante de semisaturación, es decir el intervalo de tiempo que hay que dejar pasar para que PP se reduzca o aumente a la mitad de lo que le queda para saturarse. Esta ecuación es la que se emplea para controlar los procesos existentes entre los capilares y los tejidos. Es el único proceso contemplado en los modelos de perfusión. 

En la hoja Excel que acompaña al artículo, se incluyen unos gráficos en los que se aprecia la variación de la presión parcial de un gas en función de la profundidad, del tiempo y del compartimento considerado, dentro de los existentes en el modelo Bülhmann. 

La difusión depende de muchos más parámetros, unos constantes: solubilidad y difusividad de los gases en cada disolvente, forma del recipiente y volumen del mismo. Otros variables: concentración del soluto (aunque también usamos la presión parcial en su lugar), tiempo y espacio (posición respecto del lugar de entrada del gas, en el tejido considerado). La ecuación diferencial que rige este proceso (fórmula de Fick) no es resoluble para todos los casos considerados, por lo que se emplean procedimientos de aproximaciones sucesivas, cálculo numérico o aproximaciones con fórmulas analíticas. 

Una de estas aproximaciones, empleadas en los modelos de difusión, consiste en tomar una suma infinita de funciones exponenciales, la primera con una constante de semisaturación fundamental y el resto múltiplos enteros de ésta. Cada sumando de la serie infinita tiene un valor cada vez menor, conforme aumenta la constante de semisaturación, con lo que la suma de todos ellos no aumenta indefinidamente conforme se suman miembros, sino que converge hacia un valor finito. En la práctica esta suma infinita puede truncarse a partir de un miembro sin que el error obtenido sea excesivo. 

Un modelo descompresivo que pretenda acercarse mínimamente a la realidad del cuerpo humano tendría que tener en cuenta tanto los procesos de perfusión como los de difusión. Sin embargo la complejidad matemática que ello supone ha hecho que, desde un punto de vista comercial, solo existan modelos de un tipo o de otro: 

Los modelos de perfusión consideran que los tejidos se cargan / descargan de gas inerte a través de las membranas de separación de los capilares. Dependiendo de la distancia entre capilares y de la naturaleza del tejido alimentado por éstos, se obtiene una constante de semisaturación diferente: muy pequeña (se cargan y descargan rápidamente) para los muy vascularizados y de tipo “acuoso” y muy grande para los poco vascularizados y de tipo “graso” (se cargan / descargan lentamente). Estos modelos introducen gran cantidad de compartimentos (16+1 en Bülhmann), simulan con mucha aproximación los tejidos muy vascularizados, mientras que lo hacen muy groseramente con los tejidos poco vascularizados. El modelo inicial fué el desarrollado por Haldane. Una mejora importante fue desarrollada por Workman (US-Navy), mientras que el modelo más empleado actualmente es el de Bülhmann. 

Los modelos de difusión tienen en cuenta una superficie de contacto por la que penetra el gas y se difunde por un tejido que puede ser único o, como mucho, una sucesión de dos o tres tejidos más. En los modelos multi tejido, se consideran varias constantes fundamentales de semi saturación, en el sentido antes explicado. Reproducen bien los tejidos poco y medianamente vascularizados y peor los muy vascularizados. El modelo original se debió a Hempleman, una mejora del mismo la desarrolló posteriormente él mismo, para la British Sub Aqua Club y el mas conocido actualmente es el modelo DCIEM desarrollado en Canadá por un consorcio de organizaciones gubernamentales. 

En lo que sigue voy a emplear el modelo desarrollado por A.Bülhmann en lo que atañe al proceso de aumento y disminución de gases disueltos en el organismo. 

Acumulación y reducción del gas disuelto conforme al modelo de A.Bülhmann. 

Gas inspirado: Depende del que llevemos en la botella y de la presión ambiente. Si es aire atmosférico contendrá nitrógeno (78,084%), oxígeno (20,946%), argón (0,934%) y vapor de agua (variable, no se incluye en el porcentaje del conjunto), junto con trazas de anhídrido carbónico, hidrógeno, productos de la contaminación y gases nobles (0,036%). El argón y el nitrógeno se tienen en cuenta de forma conjunta, mientras que el vapor de agua no se tiene en cuenta. 

Sin embargo, observando la gráfica, comprobamos que la presión de saturación del agua a temperatura corporal (36ºC) no es despreciable: 0,06 bares, un 5,9% de la presión atmosférica total. 

Gas alveolar. El contenido del gas alveolar varía con el ciclo respiratorio y depende de otros muchos aspectos: ritmo y hábitos ventilatorios, esfuerzo realizado, estado emocional, estado físico, etc. En condiciones normales, sin sobrepasar el umbral ventilatorio, el porcentaje medio de gases contenidos en el alvéolo es de (Deeper into diving, John Lippmann):

            Oxígeno: 0,139 bares (13,9%)

            Anhídrido carbónico: 0,053 bares (5,3%)

            Vapor de agua: 0,063 bares (6,3%)

            Nitrógeno: 0,758 bares (73,1%)

Estos valores no son un “estándar”, pudiendo encontrar otras publicaciones con valores que varían ligeramente 

El anhídrido carbónico es el más variable de los componentes, dependiendo del esfuerzo, hábito respiratorio y estado físico. Partiendo de un hábito ventilatorio correcto, la presión parcial de oxígeno alveolar, depende del “Factor respiratorio”, dado por la relación entre los litros por minuto movidos en el pulmón y los litros de sangre por minuto que pasan por los alvéolos. El valor normal es de 0,8 pero aumenta con el nivel de entrenamiento realizado de forma habitual, a valores comprendidos entre 1 y 1,2 con entrenamientos ligeros, y superando el valor de 2 con entrenamientos intensos.

Podemos obtener la presión de los gases en los alvéolos en función de la presión parcial de anhídrido carbónico y del factor respiratorio

La presión de oxígeno en los alvéolos es de: 

            PaO2 = (Pamb – Pva) x FO2 – PaCO2 / R

            Pva = 0,063

            Pamb (superficie) = 1

            FO2 = 0,21     R = 0,8

            PaCO2, entre 0,02 y 0,07 

            PaN2 = Pamb – PaO2 – Pva – PaCO2

          = (Pamb - Pva) x Fni – PaCO2 x [(1-R) / R] 

PaCO2                       PaO2              PaN2

0,02                 0,172               0,745   Hiperventilación

0,03                 0,159               0,748   Idem

0,04                 0,147               0,750   Ventilación amplia

0,05                 0,134               0,753   Normalidad

0,06                 0,122               0,755   Ventilación escasa

0,07                 0,109               0,758   Hipercapnia 

Cuando la presión ambiental aumenta con el aumento de la profundidad, la presión de vapor de agua y la presión parcial de anhídrido carbónico no varían respecto de los valores de superficie, una vez estabilizados en la profundidad final, por lo que el efecto de ambos sobre los porcentajes de oxígeno y nitrógeno disminuye con la profundidad. 

Con el aumento de la presión parcial de oxígeno aumenta el rendimiento ventilatorio, con lo que el coeficiente R también aumenta. Este aumento también se produce cuando se respiran mezclas sobre oxigenadas en presión ambiente normal. En la hoja Excell adjunta se han tomado valores de R que varían entre 0,8 y 1 a partir de una PPO2 comprendida desde los 0,85 para un %CO2 = 3 y los 0,75 para un %CO2 = 7 hasta el 100% para todos los valores de %CO2 permitidos. 

Si respirásemos una mezcla de tres gases, para los gases inertes, se obtiene: 

            [1]       PaN2 =(Pamb – Pva) x FN2 – PaCO2 x [(1-R)/R] x [FN2/(FN2+FHe)]

[2]          PaHe =(Pamb – Pva) x FHe – PaCO2 x [(1-R)/R] x [FHe/(FN2+FHe)] 

Partiendo de una situación de “normalidad”, la fórmula que describe el proceso de carga y descarga de un tejido, con un gas inerte, viene dada por la expresión 

PGi (t) = PaGi (en sat.) + [PaGi (t=0) – PaGi(en sat.)] x 2-t/tss   

PGi (t): presión parcial de gas inerte al cabo de un tiempo “t”

PaGi(en sat.): presión parcial de gas inerte saturado a la profundidad de ese instante

PaGi(t=0): presión parcial de gas inerte en el comienzo del intervalo de tiempo considerado

t: periodo de tiempo considerado

tss: constante de semisaturación (con dimensiones de tiempo). 

La expresión anterior tiene un valor para el comienzo del periodo considerado (t = 0) igual a “PaGi (t=0)”, es decir el valor inicial 

Para un tiempo mucho mas largo que el valor de “tss”, obtenemos un valor igual a PaGi(en sat.) 

Si dejamos pasar un tiempo igual al de la constante de semisaturación, nos cargaremos (o descargaremos) con una cantidad de gas inerte igual a la mitad de lo que nos quede en ese momento para alcanzar el valor de saturación. 

Nos estaremos cargando siempre que el valor de saturación de la profundidad a la que nos encontremos, sea superior al valor que tengamos en ese momento 

Nos estaremos descargando siempre que el valor de saturación de la profundidad a la que nos encontremos, sea inferior al valor que tengamos en ese momento. 

Los valores de la presión parcial de estos gases se calculan para la presión existente en los alvéolos, teniendo en cuenta las consideraciones anteriores reflejadas en las fórmulas [1] y [2] 

El modelo de Bühlmann modeliza el cuerpo humano dividiéndolo en 17 compartimentos caracterizados por tres constantes cada uno. En el desarrollo de estos artículos solo voy a tomar la constante de semisaturación del modelo de Bühlmann. Los valores obtenidos para el nitrógeno y el helio, son los que se indican: 

Comp.             1          1b        2          3          4          5                      6                      7

Nitrógeno       4,0       5,0       8,0       12,5     18,5     27,0                 38,3                 54,3    

Helio               1,51     1,88     3,02     4,72     6,99     10,21               14,48               20,53   

 

Comp.             8                      9                      10                    11                    12                   

Nitrógeno       77                    109                  146                  187                  239                 

Helio               29,11               41,20               55,19               70,69               90,34                                     

Comp.             13                    14                    15                    16

Nitrógeno       305                  390                  498                  635

Helio               115,29 147,42 188,24 240,03 

Conocidas las constantes para un gas inerte, pueden obtenerse las de otro cualquiera partiendo de sus pesos moleculares y de la fórmula: 

[Tss (Gx) / Tss (Ni)]2 = Pm (Gx) / Pm (Ni) 

Así por ejemplo, el compartimento 2, con una Tss de 8 minutos para el nitrógeno, le corresponde una Tss para el helio de: 

            Pm(He) = 4;   Pm(Ni) = 28

            Raiz cuadrada (4/28) = 1 / Raiz cuadrada (7) = 1 / 2,65

            Tss(He.2) = 8 / 2,65 = 3,019

 

Efecto del esfuerzo en la carga y descarga de los gases inertes 

Siempre que nos movamos en un nivel de esfuerzo por debajo del umbral ventilatorio, el flujo de sangre va a seguir el flujo de los gases movidos en los pulmones: a doble consumo, doble riego sanguíneo. 

Este efecto produce una reducción en las constantes de semisaturación de cada compartimento, mas importante cuanto mayor sea el nivel de esfuerzo y cuanto mayor sea la vascularización del compartimento considerado. Es también muy importante el efecto de vasodilatación en los tejidos que tienen recibir mayor aportación de oxígeno con el esfuerzo, fundamentalmente los musculares. 

Los compartimentos rápidos son mucho más afectados que los compartimentos lentos. Los tejidos musculares son mucho más afectados que los tejidos nerviosos 

Las modelos de descompresión se han realizado en unas condiciones de esfuerzo en navegación “normal”. Aquí voy a definir la normalidad equivalente a una precepción del esfuerzo realizado en la escala de Borg igual a 14: “Algo fuerte”. 

Inmersiones con niveles de esfuerzo inferiores, producirían un efecto de aumentar las constantes de carga/descarga, mientras que inmersiones con niveles de esfuerzo superiores, producirían el efecto de reducirlas. 

La modelización que sigue, para tener en cuenta estos efectos, ha sido desarrollada por mi y empleada en casi todas las  inmersiones especiales que he realizado personalmente o como supervisor de otras en cursos y actividades de club, tanto en el campo del espeleobuceo como en el del buceo técnico. Su fiabilidad es la que le da una estadística escasa pero con una ausencia total de incidentes descompresivos. Su uso ha de estar acompañado por el efecto que el esfuerzo produce en los límites de “gas libre” admitido en cada uno de los compartimentos tal como detallaré en un artículo posterior. 

El factor determinante para medir el esfuerzo es la relación existente en el consumo “normal” (nivel Borg de esfuerzo = 14) y el consumo real en la inmersión. 

La variación de este factor la establezco entre 0,5 y 3 suficientemente amplio, siempre que no se supere el umbral ventilatorio. 

Los resultados de la aplicación del modelo de variación de las constantes de semisaturación con el esfuerzo pueden obtenerse en la hoja de cálculo de “Carga – Descarga”. 

La tabla que sigue es la aplicación del modelo a un factor de esfuerzo de 2 (para un rango de esfuerzo igual a: mínimo 0,5 – normal 1 - máximo 3) 

1      1b      2        3        4        5        6        7        8        9

4      5        8        12,5   18,5   27      38,3   54,3   77      109    (valores normales)

4      5        6,7     9,3     15,1   23,0   34,0   49,1   72,4   105,4  (valores con factor 2) 

10             11      12      13      14      15      16

146           187    239    305    390    498    635    (valores normales)

143,2         185    237,1  303,3  388,5  496,9 634,4  (valores con factor 2) 

Para simular en las tablas de descompresión el esfuerzo, hay que aumentar en uno o dos saltos la profundidad de tabla respecto de la profundidad real.

 

Efecto de la hipotermia

La hipotermia leve afecta fundamentalmente a las extremidades y a la piel, en el sentido de reducir el flujo sanguíneo normal y aumentando la solubilidad de los gases inertes en ellas. Ambos efectos producen un aumento de la constante de semisaturación. Sin embargo, la división en compartimentos realizada en los modelos descompresivos, no permiten identificar estructuras complejas como brazos, piernas o piel con determinados compartimentos, por lo que no es posible realizar una simulación mínimamente fiable. 

Una aproximación, en el sentido de aumentar la seguridad, empleada en los modelos que desarrollé para usarlos en las actividades de espeleobuceo y buceo técnico, considera que el efecto hipotérmico afecta a todo el cuerpo por igual, por lo que la variación de los tiempos de semisaturación se aplica por igual a todos los compartimentos. Además, el factor de corrección empleado lo aplico solo en la fase de descarga y no en la de carga 

Considero tres niveles de situación térmica

  Nivel 1: confortable a ligera sensación de frío, sin variación en las constantes de semisaturación

  Nivel 2: de ligera sensación de frío a aparición de entumecimiento en las manos y / o piés, variación en un factor de 1,15

  Nivel 3: desde aparición de entumecimiento en las manos, a la aparición de tiritera, variación en un factor de 1,3 

El efecto combinado de esfuerzo y frío sobre una curva de carga-descarga normal, se puede obtener gráficamente en la hoja Excel que acompaña a este artículo. 

Para simular en las tablas el efecto de la hipotermia, hay que aumentar en uno o dos saltos el tiempo de tabla respecto del tiempo real de inmersión.