A Fisiologia do Mergulho com Gás Comprimido






Respirar gás comprimido enquanto submerso e exposto a uma pressão ambiente aumentada impõe desafios homeostáticos significativos ao corpo (isto é, desafios para a manutenção do equilíbrio fisiológico). Este artigo discute os mecanismos importantes destes desafios, com particular atenção ao sistema respiratório.

I. O SISTEMA RESPIRATÓRIO
Equipamento para respiração de gás comprimido


O equipamento de mergulho autônomo é o sistema de gás comprimido de uso recreativo mais comumente utilizado, e fornece exemplos de importantes características e funções relevantes para a fisiologia do mergulho. O equipamento básico de mergulho consiste em um cilindro de ar de alta pressão, um regulador de válvula de demanda e um dispositivo para manter esse equipamento nas costas do mergulhador, normalmente um dispositivo de controle de flutuabilidade (CE). Juntamente com uma roupa de mergulho (necessária para mergulho em águas temperadas) e um cinto de lastro, esse aparato pode exercer uma força significativamente restritiva sobre o tórax e o abdómen do mergulhador.

O regulador reduz a alta pressão do ar no cilindro à pressão ambiente e fornece ar sob demanda. Assim, a uma profundidade de 30 metros, onde a pressão absoluta é de 4 atmosferas, o regulador fornece ar a 4 atmosferas, e o ar é quatro vezes mais denso do que o ar ao nível do mar (1 atmosfera). A pressão ambiente é medida pelo segundo estágio do regulador (ligado ao bocal), que em um mergulhador na posição vertical fica aproximadamente 20 cm acima do centro do peito. A pressão da água atuando sobre o peito será, portanto, de aproximadamente 20 cm de água maior que a do gás inspirado, criando uma pressão transmural negativa (diferença de pressão através da parede torácica) que é maior na base dos pulmões.

A resistência respiratória de um regulador está inversamente relacionada com a qualidade de fabricação e padrão de manutenção. Além disso, a resistência à respiração tende a aumentar com a profundidade à medida que o ar mais denso flui através do mecanismo do regulador.

Finalmente, deve ser notado que o volume interno de uma parte do segundo estágio do regulador é efetivamente uma extensão do espaço morto respiratório anatômico.
A Mecânica da Respiração
Alterações na complacência: Alterações na complacência são vistas nos pulmões e na parede torácica. A pressão transmural negativa através da parede torácica do mergulhador vertical provoca algum ingurgitamento capilar pulmonar. Esse efeito é reforçado pela relativa centralização do volume sanguíneo que ocorre com a imersão, especialmente em água fria. Este ingurgitamento dos capilares pulmonares provoca redução da complacência no tecido pulmonar. Isso reduz a capacidade vital do pulmão em 10-15 por cento.

Equipamentos de mergulho, roupas de mergulho e cintos de lastro exercem uma força restritiva sobre a parede torácica e abdômen. Este efeito é potencialmente significativo se o equipamento estiver excessivamente apertado. A complacência da parede torácica é reduzida e a respiração diafragmática é impedida.

Alterações na resistência das vias aéreas: A resistência das vias aéreas é afetada por alterações na densidade do gás. Resistência é definida como a diminuição de pressão


através de um tubo dividido pelo fluxo. No fluxo laminar, o fluxo é em grande parte independente da densidade do gás. No fluxo turbulento, entretanto, o fluxo está inversamente relacionado à densidade do gás. Portanto, no fluxo turbulento, para uma determinada diminuição de pressão, o fluxo será diminuído se a densidade do gás for aumentada e, por definição, a resistência ao fluxo será maior.

De acordo com as previsões do número de Reynolds (um método de predizer o fluxo), o fluxo dentro dos pulmões e das vias aéreas é em grande parte laminar; Essa suposição, entretanto, é provável que seja inválida por causa dos vórtices que ocorrem no ar inspirado em cada divisão da árvore brônquica. Na verdade, é provável que o fluxo turbulento ocorra amplamente nas grandes vias aéreas, particularmente durante a respiração rápida quando as taxas de fluxo são muito mais elevadas.

Alterações no trabalho respiratório: O trabalho respiratório no mergulho é consequentemente aumentado. O trabalho é realizado pelos músculos respiratórios no alongamento dos tecidos elásticos dos pulmões e da parede torácica, movendo os tecidos inelásticos e movendo o ar pelas passagens respiratórias. A discussão anterior demonstra que no mergulhador imerso há um aumento no trabalho elástico (devido à diminuição da complacência nos pulmões e parede torácica), trabalho de deslocamento de tecidos inelásticos (devido ao equipamento constritivo) e trabalho de movimentar o ar através das vias aéreas (devido ao aumento da densidade do ar). A componente de resistência das vias aéreas desse aumento no trabalho respiratório depende da profundidade.
A Combinação Ventilação / Perfusão no Mergulho
O determinante único mais importante de trocas gasosas eficientes é a adequação da ventilação alveolar à perfusão dos capilares alveolares. A relação ideal entre esses dois fatores é a coesão.


Unidades pulmonares sub-ventiladas e superperfundidas representam um shunt direita-esquerda. A mistura de sangue hipóxico de unidades sub-ventiladas e / ou superperfundidas com sangue arterial sistêmico é uma causa importante de gradiente de oxigênio alveolar-arterial significativo.

Os pulmões de um mergulhador são submetidos a mudanças tanto na perfusão quanto na ventilação. Há um aumento na perfusão das unidades pulmonares devido ao ingurgitamento capilar (particularmente na base dos pulmões) e à relativa centralização do volume sanguíneo que ocorre com a imersão. Há uma diminuição na ventilação devido à diminuição da complacência pulmonar e torácica, constrição abdominal e aumento da resistência das vias aéreas. O efeito final é na direção de um aumento nas unidades sub-ventiladas e / ou superperfundidas e, portanto, de um desvio do sangue da direita para a esquerda.
Mudanças no Transporte de Gás
Oxigênio: O oxigênio é transportado no sangue ligado à hemoglobina (Hb) ou dissolvido no plasma. A solubilidade do oxigênio no plasma é baixa, e em condições normobáricas a maior proporção de oxigênio é de longe transportada ligada à Hb.

A Hb está normalmente 97 por cento saturada quando respiramos ar a 1 atmosfera de pressão, por isso há pouco potencial para aumento do transporte de oxigênio pela Hb ao aumentarmos a pressão parcial de oxigênio. Em contraste, o oxigênio dissolvido aumenta linearmente com o aumento da pressão parcial de oxigênio, embora seja somente em condições hiperbáricas com uma fração elevada de oxigênio inspirado que a fração dissolvida se torna significativa.

A 3 atmosferas e respirando ar, ainda há apenas uma quantidade relativamente pequena de oxigênio dissolvido. Respirar 100 por cento de oxigênio a 3 atmosferas, no entanto, resulta numa fracção dissolvida suficiente para satisfazer as necessidades do corpo em repouso na ausência de Hb, daí a importância de se receber oxigénio hiperbárico em condições nas quais a entrega de oxigénio está comprometida (tal como anemia e intoxicação por monóxido de carbono).

Dióxido de carbono: Ao contrário do oxigénio, que é fornecido a pressões parciais crescentes em profundidade, o número de moléculas de dióxido de carbono que são produzidas permanece constante para uma dada carga de trabalho, independentemente da profundidade. O transporte do dióxido de carbono dos tecidos para os pulmões, no entanto, pode ser menos eficiente no ambiente hiperbárico, onde uma pressão parcial aumentada de oxigênio causa uma queda na Hb no sangue venoso. A Hb reduzida forma compostos carbamínicos com dióxido de carbono e amortece o íon hidrogênio resultante da hidratação do dióxido de carbono nos glóbulos vermelhos. Esses são dois dos mecanismos de transporte de dióxido de carbono quantitativamente menos importantes, entretanto, e a importância desta perturbação é questionável.
Alterações no Controle Respiratório


A anatomia e a fisiologia precisas do controle respiratório ainda são desconhecidas, mas há pouca dúvida de que os níveis de dióxido de carbono e oxigênio no líquido cefalorraquidiano e no sangue arterial, monitorados por quimiorreceptores centrais e periféricos, sejam determinantes importantes da taxa e da profundidade respiratórias. Um aumento na pressão parcial de dióxido de carbono ou uma queda na pressão parcial de oxigénio do sangue arterial aumenta o nível de atividade do centro respiratório do tronco cerebral e as mudanças na direção oposta têm um efeito inibitório. No ambiente hiperbárico, acredita-se que o aumento da pressão parcial de oxigênio produza uma ligeira depressão do impulso respiratório. Além disso, muitos mergulhadores, especialmente os mais experientes, mostram uma resposta reduzida a níveis elevados de dióxido de carbono. O mecanismo dessa resposta reduzida é desconhecido, mas tem sido sugerido, sem bons dados de suporte, que seja uma resposta aprendida em alguns mergulhadores.

Em um nível cortical, alguns mergulhadores deliberadamente anulam seus mecanismos de controle insensíveis na tentativa de estender seu tempo de fundo conservando o suprimento de ar. Essa prática não segura, em que a ventilação é intencionalmente retardada ou pontuada com períodos curtos de apnéia, é chamada de "skip breathing".
Efeitos Finais das Alterações Respiratórias
A produção do trabalho sustentado pelos tecidos é em grande parte limitada pelo fornecimento de oxigénio. No exercício normal, o fornecimento de oxigênio tecidual é limitado pelo débito cardíaco em vez da ventilação ou troca de gases. Em uma pessoa saudável, a ventilação pode ser aumentada dramaticamente para 200 litros por minuto ou mais, e um rápido tráfego de sangue através de capilares alveolares (normalmente cerca de 0,35 segundos) em situações de alto rendimento não impede o equilíbrio dos gases através da barreira respiratória. Além disso, o perfil de ventilação / perfusão do pulmão normalmente melhora durante o exercício.

Embaixo da água, mesmo a uma profundidade relativamente modesta de 30 metros comumente atingida por mergulhadores recreativos, a densidade do ar / fatores de resistência das vias aéreas mediam uma redução na ventilação voluntária máxima para aproximadamente metade do valor da superfície. Essa redução na capacidade ventilatória, o aumento concomitante do custo do trabalho e do oxigênio da respiração, o aumento de unidades pulmonares sub-ventiladas e / ou superperfundidas e os efeitos no espaço morto determinam que o trabalho subaquático pode ser limitado pela ventilação e não pela perfusão. Pode-se facilmente verificar que um mergulhador a uma profundidade modesta nadando em uma corrente de 1 nó (o consumo de oxigênio para nado com nadadeiras a 1 nó é de aproximadamente 2 litros por minuto), vestindo um equipamento mal ajustado, usando um regulador mal mantido e estando sujeito aos comprometimentos fisiológicos acima descritos pode deixar de sustentar o trabalho necessário para progredir.

Outra consequência importante dessas alterações respiratórias é a predisposição do mergulhador para reter dióxido de carbono. Fatores que contribuem para essa situação incluem o aumento do trabalho respiratório (que aumenta a produção de dióxido de carbono e limita a ventilação), diminuição do ímpeto respiratório, diminuição da sensibilidade ao dióxido de carbono em alguns mergulhadores, skip breathing e efeitos do espaço morto. As consequências da hipercapnia em mergulhadores incluem sintomas desagradáveis e perigosos como dispneia, dor de cabeça, náuseas e inconsciência, bem como a potencialização da narcose por nitrogênio, intoxicação por oxigênio e doença descompressiva.

II. O SISTEMA CARDIOVASCULAR
Alterações na Distribuição do Volume Sanguíneo
Quando um mergulhador está imerso, o efeito hemodinâmico da gravidade é abolido, e há uma consequente redistribuição do sangue periférico para a circulação central. Esse


efeito é aumentado na água fria quando a vasoconstrição periférica promove ainda mais esta redistribuição. A hipervolemia central relativa aumenta a atividade dos receptores de estiramento nas paredes das grandes veias e átrio direito, com receptores no seio carotídeo e arco aórtico também envolvidos se o deslocamento sanguíneo for suficiente para aumentar a pressão arterial média. A atividade aumentada dos receptores de estiramento ajusta uma diminuição na produção de hormônio antidiurético a partir do hipotálamo / glândula pituitária posterior. Isso resulta em uma maior permeabilidade à água nas células dos túbulos distais renais e, consequentemente, ao aumento da perda urinária de água. O resultado líquido é uma tendência indesejável à desidratação, que pode ser exacerbada pela falta de água potável e / ou enjoo.
Efeitos Cardíacos
A imersão mostrou aumentar o débito cardíaco em até 32 por cento na água termoneutra (aproximadamente 33°C - 35°C). O mecanismo é um aumento no retorno venoso devido à centralização do volume sanguíneo. A pré-carga aumentada, manifestada como aumento do alongamento das fibras do músculo cardíaco durante a diástole, invoca o mecanismo de Frank-Starling no qual a força de contração é elevada para lidar com o volume extra. O volume de curso é, portanto, aumentado. Em água mais fria o aumento do débito cardíaco é menor devido a uma bradicardia concomitante (diminuição da frequência cardíaca).

A bradicardia está associada à imersão. O "reflexo de mergulho de mamífero" provocado pela água fria em contato com o rosto inclui uma bradicardia. Em indivíduos predispostos, o fluxo vagal pode ser suficientemente intenso para produzir asistolia (interrupção do batimento cardíaco) ou arritmias (ritmos cardíacos anormais), o que pode levar a um afogamento sem explicação após pular em águas frias. No entanto, uma bradicardia é produzida mesmo em câmara seca a elevadas pressões ambiente, e os pesquisadores tem buscado outras explicações para a bradicardia por imersão em mergulhadores.

Foi


demonstrado que um aumento na pressão parcial de oxigênio e o efeito narcótico de gases inertes pode produzir uma queda na frequência cardíaca em média de 10 batimentos por minuto em mergulhadores, independente do reflexo de mergulho. O grau de bradicardia é aumentado em água mais fria, e concomitantemente, também o é o risco de arritmias em indivíduos predispostos. O papel desses fatores nas fatalidades de mergulho, no entanto, é amplamente desconhecido.

Outro mecanismo de bradicardia de significância questionável em mergulhadores, mas que é frequentemente mencionado na literatura de treinamento de mergulhadores, é o reflexo do seio carotídeo. Há uma possibilidade teórica de que um capuz da roupa úmida que fica muito apertado ao redor do pescoço possa estimular um reflexo sinusal carotídeo e, portanto, a bradicardia.

Há diferentes opiniões quanto ao efeito final desses mecanismos sobre a pressão arterial média. É provável que a pressão arterial permaneça dentro de parâmetros saudáveis no ambiente hiperbárico.

Em conclusão, uma melhor compreensão dos processos fisiológicos envolvidos na respiração subaquática pode levar a um maior conforto e segurança durante os mergulhos, bem como a uma melhor capacidade de ajudar um mergulhador em apuros.
Referência
Edmonds C, Lowry C, Pennefather J, Walker R, eds. Diving and Subaquatic Medicine, 4th edition. London: Hodder Arnold, 2002.

© Alert Diver — 3º Trimestre 2016

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