Функциональные особенности дыхательной системы у профессиональных водолазов Текст научной статьи по специальности «Науки о здоровье»

© БУРЛАК Е.Ю., МИРОШНИКОВ Е.Г., КИРИЛЛОВ О.И. - 2013 УДК 612.2; 591.12; 612.766.1; 612.825.8

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ У ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ВОДОЛАЗОВ

Елена Юрьевна Бурлак, Евгений Георгиевич Мирошников, Олег Иванович Кириллов (Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН, директор - акад. РАН, проф., д.б.н. А.В. Адрианов, отдел гипербарической физиологии и водолазной медицины, зав. - к.м.н. Е.Г. Мирошников, лаборатория фармакологии, зав. - д.б.н., проф. Ю.С. Хотимченко)

Резюме. Проведено одномоментное сравнительное исследование функций респираторной системы профессиональных водолазов. Обследованы 29 здоровых водолазов мужского пола. Группу контроля составили 18 здоровых мужчин, не имеющих опыта подводных погружений. Выявлены более высокие статические лёгочные объемы у водолазов. Показатели жизненной ёмкости лёгких у водолазов и лиц контрольной группы составили 114,1±15,1% и 104,6±11,2%, p=0,03; форсированной жизненной емкости легких - 120,3±15,2% и 108,3±10,8%, p=0,01; альвеолярного объема - 101,5±10,9% и 93,2±7,4%, p=0,01 соответственно. В отношении диффузионной способности легких исследуемые группы не различались. Показатели трансфер-коэффициента (DLCO/Va) у водолазов были значимо ниже, чем у контрольных лиц: 99,1±11,1% и 88,3±10,2%, p=0,003 соответственно. Выявленные особенности респираторной системы водолазов предположительно отражают долговременную адаптацию к систематическим подводным погружениям и формирование дисбаланса вентиляционно-перфузионных отношений.

Ключевые слова: водолазы, респираторная система.

FUNCTIONAL RESPIRATORY CHARACTERISTICS IN PROFESSIONAL DIVERS

E.Yu. Burlak, E.G. Miroshnikov, O.I. Kirillov (A.V.Zhirmunsky Institute of Marine Biology of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences,

Vladivostok, Russia)

Summary. A comparative cross-sectional study of the respiratory characteristics in professional divers was carried out. Twenty nine healthy male SCUBA divers were examined. Eighteen healthy men with no diving experience formed the control group. Higher lung static volumes were found in divers. The vital capacity values in divers and in control subjects were 114,1±15,1% and 104,6±11,2% (p=0,03); the forced vital capacity values were 120,3±15,2% and 108,3±10,8% (p=0,01); alveolar volume was 101,5±10,9% and 93,2±7,4% (p=0,01) respectively. There was no difference in the lung diffusing capacity between the investigating groups. The transfer coefficient (DLCO/Va) of the lung was significantly lower in divers than in control subjects: 99,1±11,1% and 88,3±10,2% (p=0,003) respectively. The revealed respiratory features in divers are likely to reflect the long-term adaptation to regular scuba diving and the formation of a ventilation-perfusion mismatch.

Key words: divers, respiratory system.

Профессиональная водолазная деятельность ассоциирована с экстремальными воздействиями и высоким риском развития специфических повреждений. Первые детальные описания острых заболеваний (декомпрессионной болезни, баротравмы легких) вследствие водолазных и кессонных работ появились в начале XIX века. В настоящее время значительно углубились знания о патогенезе этих нарушений, продолжают совершенствоваться меры их профилактики и терапии.

Вместе с тем, исследования последних десятилетий выявили возможность специфических функциональных и/или клинических изменений у водолазов как следствие регулярных гипербарических воздействий, даже при отсутствии острых профессиональных заболеваний и травм в анамнезе. Продемонстрировано формирование у водолазов гипокинетического стереотипа гемодинамики, преобладание парасимпатической активности [1,2]. В ряде работ выявлено более высокое распространение среди водолазов неврологических и психоэмоциональных расстройств, нарушений со стороны опорно-двигательного аппарата в сравнении с лицами других профессий [7].

Единое мнение о влиянии систематических водолазных погружений на функциональное состояние респираторной системы в настоящее время отсутствует. Тем не менее, эта проблема заслуживает тщательного изучения. Органы дыхания являются уязвимой мишенью для агрессивных факторов подводной среды. Высокая плотность дыхательных газов, повышенное давление окружающей среды, значительные физические нагрузки, сопровождающие водолазные погружения, вызывают увеличение работы дыхания. Гипероксия и газовые пузырьки, образующиеся в процессе декомпрессии, способны повреждать эпителий дыхательных путей и эндотелий легочных сосудов.

В настоящем сообщении представлены результаты

сравнительного анализа функций органов дыхания водолазов, осуществляющих спуски на малых и средних глубинах (до 60 м).

Материалы и методы

Группу наблюдения составили 29 профессиональных водолазов мужского пола гражданских учреждений Приморского края, совершающих систематические погружения на малые и средние глубины с использованием снаряжения с открытой схемой дыхания (акваланг), дыхательная смесь - сжатый воздух. В контрольную группу были включены 18 здоровых мужчин, чей труд не связан с вредными и опасными условиями и не имеющие опыта подводных погружений.

Проект исследования одобрен междисциплинарным этическим комитетом Тихоокеанского государственного медицинского университета. Все испытуемые подписали добровольное информированное согласие на участие в исследовании.

Обследование органов дыхания выполнено на оборудовании Master Screen Body (Erich Jaeger, Германия) и включало спирометрию, общую бодиплетизмографию, определение диффузионной способности легких методом одиночного вдоха (без коррекции по гемоглобину и карбоксигемоглобину). Все измерения выполнены в соответствии с объединенными рекомендациями Американского торакального и Европейского респираторного обществ (ATS/ERS (2005)). Манипуляции выполнялись в первой половине дня одним исследователем. Испытуемых информировали о необходимости воздержаться от курения и употребления алкоголя, а также физических нагрузок в течение четырех часов до обследования. Водолазы были обследованы не менее чем через двое суток после последнего подводного погружения.

Оценивали следующие показатели: жизненную ёмкость лёгких (ЖЕЛ), форсированную жизненную емкость легких (ФЖЕЛ), объем форсированного выдоха за первую секунду ФЖЕЛ (ОФВ;), соотношения ОФВ;/ ЖЕЛ и 0ФВ1/ФЖЕЛ, среднюю объемную скорость на уровне от 25 до 75% ФЖЕЛ (СОС25 ), общую ёмкость (ОЕЛ) и остаточный объем лёгких ("(ЗОЛ), диффузионную способность лёгких (DL), альвеолярный объем (Va) и отношение DLCO/Va или трансфер-коэффициент (K). Полученные фактические данные сравнивали с должными величинами.

Статистический анализ данных производили с помощью пакета прикладных программ Statistica 6.0 (StatSoft Inc.). Вид распределения величин в выборке определяли по критерию Шапиро-Уилка. Для характеристики групп использовали среднее значение признаков и стандартное отклонение (M±SD) - в случае параметрического распределения; медиану и интерк-вартильный размах (Me (LQ - UQ)) - для непараметрических данных. Оценку значимости различий между группами производили с помощью U критерия Манна-Уитни. Значимость различий между двумя величинами, выраженными в процентах, оценивалась с помощью одностороннего теста в подмодуле «Difference Tests: R, %, Means» (Statistica). Различия считали статистически значимыми при p<0,05.

Результаты и обсуждение

Водолазы и лица контрольной группы не имели статистически значимых различий в отношении возраста и антропометрических параметров. Средний возраст (M±SD) лиц контрольной группы и водолазов равнялся 36±13 и 39±10 лет (p=0,3), рост - 178±7 и 179±7 см (p=0,8), масса тела - 81±10 и 83±11 кг (p=0,4), индекс массы тела - 25,7±3,7 и 26,0±3,2 кг/м2 (p=0,7). Число курильщиков в группе контроля и среди водолазов составляло 4 (22,2%) и 12 (41,4%) (p=0,2); индекс курения - 6,5 (3,2 - 26,5) и 13,8 (8,5 - 18) пачка/лет (p=0,3) соответственно.

Общий трудовой стаж водолазов (Me (LQ - UQ)) составлял 9 (5-12) лет, подводный стаж - 2300 (900-3400) часов, средняя глубина подводных погружений - 15 (1216) м, максимальная глубина - 36 (30-45) м. У 6 (20,7%) испытуемых в анамнезе имелись указания на декомпрессионную болезнь лёгкой степени.

Примечание: здесь и далее данные представлены в виде M±SD и Ме ^ - Ш).

Водолазы отличались от лиц контрольной группы значимо более высокими показателями жизненной емкости легких и форсированной жизненной емкости легких. У половины обследованных водолазов значения ФЖЕЛ превышали 120% должных значений, а максимальный показатель составил 147%. Различия между исследуемыми группами в отношении других статических легочных объемов, а также скоростных экспираторных потоков (ОФВ;, СОС25 75) были несущественными (табл.

Таблица 2

Показатели респираторной функции водолазов и контрольных лиц (в процентном соотношении к должным величинам)

Показатель(%) Контроль (n=18) Водолазы (n=29) Р

ЖЕЛ 104,6±11,2 114,1±15,1 0,03

ФЖЕЛ 108,3±10,8 120,3±15,2 0,01

ОФВ1 107,9±11,2 113,1±15,1 0,22

СОС25-75 91,3±19,3 85,6±23,6 0,27

ООЛ 114,6±32,4 107,6±19,8 0,34

ОЕЛ 104,1±8,6 109,3±13,0 0,13

DLCO 90,2±10,7 87,3±10,5 0,44

Va 93,2±7,4 101,5±10,9 0,01

DLCO/Va (KCO) 99,1±11,1 88,3±10,2 0,003

Показатели диффузионной способности лёгких в сравниваемых группах различались незначимо, но отношение DLCO/Va у водолазов оказалось более низким. У 8 водолазов, в том числе у 3 некурящих лиц, показатели DL были менее 80% от должных величин. Трансфер-коэффициент ниже 80% от должных значений выявлен у 7 водолазов (24,1%), в том числе и у 4 некурящих лиц. В контрольной группе подобные изменения выявлены у 2 курильщиков.

Факторы, сопровождающие водолазные погружения (высокая плотность дыхательных смесей, повышенное давление окружающей среды и иммерсия, воздействия дыхательных аппаратов), приводят к увеличению сопротивления дыхательных путей, ограничению растяжимости легких и грудной клетки. В результате многократно увеличивается работа респираторной мускулатуры, и происходят заметные изменения механики дыхания, направленные на поддержание адекватного газообмена. Увеличение статических легочных объемов у водолазов, продемонстрированные в нашем наблюдении, а также в других сравнительных исследованиях [5], может отражать результат адаптации к перечисленным воздействиям. Тем не менее, этот вопрос продолжает обсуждаться, некоторые исследователи полагают, что высокие величины ЖЕЛ и ФЖЕЛ более отражают медицинские требования к профессиональным водолазам, диктующие необходимость хорошей физической подготовки и исключающие любые малые респираторные дисфункции [3].

Взаимосвязь регулярных физических нагрузок и состояния респираторной мускулатуры с показателями спирометрии не вызывает сомнений и продемонстрирована в ряде исследований. Наибольшие показатели жизненной ёмкости лёгких характерны для профессиональных спортсменов, особенно пловцов и гребцов, и объясняются гипертрофией вспомогательной дыхательной мускулатуры [4]. Однако в данных случаях, помимо увеличения легочных объемов, наблюдается пропорциональный рост диффузионной способности легких, что не характерно для водолазов. Диффузионная способность легких у водолазов нередко ниже, чем у лиц других профессий [10]. Кроме того, описаны более высокие возрастные темпы снижения этого показателя у профессиональных водолазов [9]. В нашем наблюдении группы сравнения не имели существенных различий в отношении DLCO, несмотря на заметное преобладание показателей альвеолярного объема у водолазов.

Диффузионная способность лёгких определяется множеством физиологических составляющих (возраст, пол, размеры лёгких, уровень гемоглобина) и изменяется при различных патологических состояниях. Все водолазы, участники исследования, были признаны здоровыми в результате предшествующего медицинского освидетельствования и не имели вентиляционных нарушений. При отсутствии нарушений механики дыхания и сохранении нормальных величин эффективного альвеолярного объема уменьшение диффузионной способности легких может объясняться структурными изменениями

Таблица 1

Показатели респираторной функции водолазов и контрольных лиц

Показатель Контроль (n=18) Водолазы (n=29) Р

ЖЕЛ, л 5,4±0,7 5,9±0,9 0,03

ФЖЕЛ, л 5,4±0,7 5,9±0,9 0,01

ОФВ1, л/с 4,4±0,7 4,6±0,7 0,31

ОФВ1/ФЖЕЛ 82 (81-83) 77(74-81) 0,003

ОФВ1/ЖЕЛ 80 (79-85) 77 (75-82) 0,04

СОС25-75 4,2±1,1 3,8± 1,1 0,17

ООЛ, л 2,1 ± 0,7 2,1±0,5 0,56

ОЕЛ, л 7,4±0,9 7,9±1,1 0,07

DLCO, ммоль/мин/кПа 10,2±1,3 9,9±1,6 0,36

Va, л 6,5±0,8 7,2±0,9 0,02

DLCO/Va (KCO), ммоль/мин/кПа/л 1,6±0,2 1,4±0,2 0,002

альвеолярно-капиллярной мембраны и дисбалансом вентиляционно-перфузионных отношений.

Перечисленные нарушения у водолазов могут быть следствием воздействий комплекса неблагоприятных факторов, сопровождающих подводные погружения. Гипероксия и газовые пузырьки, образующиеся в процессе декомпрессии, повреждают эндотелиальные клетки, активируют каскады иммунных и нейрогумо-ральный реакций, инициирующих воспалительные процессы. Развитие воспалительных реакций в ответ на гипербарические воздействия (в том числе и в случаях, не сопровождающихся клиническими признаками специфических заболеваний) подтверждается результатами исследований, продемонстрировавших признаки активации системы комплемента и изменения уровней ряда цитокинов после подводных погружений [6,8]. Легкие представляют собой своеобразный фильтр, препятствующий попаданию газовых пузырьков в артериальный кровоток, и в наибольшей степени подверже-

ны их повреждающим эффектам [11]. Повреждению эндотелия легочных капилляров способствуют также низкие температуры подводной среды и иммерсия, под действием которых происходят перераспределение кровотока и повышение давления в малом круге кровообращения.

Полученные результаты предполагают формирование у водолазов функциональных особенностей органов дыхания, являющихся следствием их профессиональной деятельности и отражающих процессы долговременной адаптации к регулярным гипербарическим воздействиям.

Предположительно, систематические водолазные погружения в сочетании с определенными условиями (генетические особенности, дополнительные факторы риска) могут способствовать персистирующему течению воспалительных процессов с развитием структурных изменений альвеолярно-капиллярной мембраны и сосудистого русла лёгких.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирошников Е.Г. Сердечно-сосудистая система водолазов // Вестник ДВО РАН. - 2005. - №1. - С.83-90.

2. Титков С.И., УставщиковВ.Л., КруглякА.Е. Отдаленные последствия длительного пребывания человека в гипербари-ческих условиях // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 1992. - Т. 26. №1. - С.13-15.

3. Adir Y., Shupak A., Laor A., Weiler-Ravell D. Large lungs in divers: natural selection or a training effect? // Chest. - 2005. -Vol. 128. №1. - P.224-228.

4. Armour J., Donnelly P.M., Bye P. T.P The large lungs of elite swimmers: an increased alveolar number? // European Respiratory Journal. - 1993. - Vol. 6. - P.237-247.

5. Crosbie W.A., Clarke M.B., Cox R.A.F., et al. Physical characteristics and ventilatory function of 404 commercial divers working in the North Sea // British Journal of Industrial Medicine.

- 1977. - Vol. 34. №1. - P. 19-34.

6. Ersson A., Walles M., Ohlsson K., Ekholm A. Chronic hyperbaric exposure activates proinflammatory mediators in humans // Journal of Applied Physiology. - 2002. - Vol. 92. -

P.2375-2380.

7. Macdiarmid J.I., Ross J.A.S., Taylor C.L., et al. Coordinated investigation into the possible long term health effects of diving at work. Examination of the long term health impact of diving: the ELTHI diving study. Sudbury: HSE Books, research report 230. 2004. - 91 p.

8. Nyquist P, Ball R., Sheridan M.J. Complement levels before and after dives with a high risk of DCS // Undersea and Hyperbaric Medicine. - 2007. - Vol. 34. - P.191-197.

9. Skogstad M., Thorsen E., Haldorsen T., Kjuus H. Lung function over six years among professional divers // Occupational and Environmental Medicine. - 2002. - Vol. 59. - P.629-633.

10. Thorsen E., Segadal K., Kambestad B., Gulsvik A. Divers’ lung function: small airways disease? // British Journal of Industrial Medicine. - 1990. - Vol. 47. №8. - P.519-523.

11. Vik A., Brubakk A.O., Hennessy T.R., et al. Venous air embolism in swine: transport of gas bubbles through the pulmonary circulation // Journal of Applied Physiology. - 1990.

- Vol. 69. - P.237-244.

REFERENCES

1. Miroshnikov E.G. Divers' cardiovascular system // Vestnik Dalnevostochnogo otdelenia Rossijskoj Akademii Nauk. - 2005.

- № 1. - P.83-90. (in Russian).

2. Titkov S.I., Ustavschikov VL., Krugliak A.E. The long-term effects of prolonged stay of the person in hyperbaric conditions // Aviakosmicheskaya I ekologicheskaya meditcina. - 1992. - Vol. 26. №1. - P.13-15. (in Russian).

3. Adir Y., Shupak A., Laor A., Weiler-Ravell D. Large lungs in divers: natural selection or a training effect? // Chest. - 2005. -Vol. 128. №1. - P.224-228.

4. Armour J., Donnelly P.M., Bye P.T.P. The large lungs of elite swimmers: an increased alveolar number? // European Respiratory Journal. - 1993. - Vol. 6. - P.237-247.

5. Crosbie W.A., Clarke M.B., Cox R.A.F., et al. Physical characteristics and ventilatory function of 404 commercial divers working in the North Sea // British Journal of Industrial Medicine.

- 1977. - Vol. 34. №1. - P. 19-34.

6. Ersson A., Walles M., Ohlsson K., Ekholm A. Chronic hyperbaric exposure activates proinflammatory mediators in

humans // Journal of Applied Physiology. - 2002. - Vol. 92. -P.2375-2380.

7. Macdiarmid J.I., Ross J.A.S., Taylor C.L., et al. Coordinated investigation into the possible long term health effects of diving at work. Examination of the long term health impact of diving: the ELTHI diving study. Sudbury: HSE Books, research report 230. 2004. - 91 p.

8. Nyquist P., Ball R., Sheridan M.J. Complement levels before and after dives with a high risk of DCS // Undersea and Hyperbaric Medicine. - 2007. - Vol. 34. - P.191-197.

9. Skogstad M., Thorsen E., Haldorsen T., Kjuus H. Lung function over six years among professional divers // Occupational and Environmental Medicine. - 2002. - Vol. 59. - P.629-633.

10. Thorsen E., Segadal K., Kambestad B., Gulsvik A. Divers' lung function: small airways disease? // British Journal of Industrial Medicine. - 1990. - Vol. 47. №8. - P.519-523.

11. Vik A., Brubakk A.O., Hennessy T.R., et al. Venous air embolism in swine: transport of gas bubbles through the pulmonary circulation // Journal of Applied Physiology. - 1990.

- Vol. 69. - P.237-244.

Информация об авторах:

Бурлак Елена Юрьевна - младший научный сотрудник, аспирант; 690059, г. Владивосток, ул. Пальчевского, д. 17, тел. (423)2662465 e-mail: elen.burrlak@gmail.com; Мирошников Евгений Георгиевич - к.м.н., заведующий отделом, e-mail: dvovmc@gmail.com, тел. (423)2310674; Кириллов Олег Иванович - д.м.н., профессор, ведущий научный сотрудник.

Information about of the authors:

Bourlak Elena - junior researcher, graduate student, 690059, Vladivostok, ul. Palchevskogo 17, tel. (423) 2662465 e-mail: elen.burrlak @ gmail.com; Miroschnikov Eugene G. - PhD, MD, Head of Department, e-mail: dvovmc@gmail.com, tel. (423) 2310674; Oleg

Kirillov - PhD, MD, Professor, Senior Researcher.