בשימוש במערכות נשימה סגורות גוברת חשיבות הבנת מכלול עומסי הריאות ההידרוסטאטיים שכן בצלילה כזו ייחשף הצולל להפרשי לחצים גדולים בין הגז שבריאות למרכז הריאות והפרשים אלו ישתנו בכל נשימה ובכל שינוי בנפח הגז בריאות ובתנוחת הצולל. כאשר כמות הגז בריאות הנגדיות יורדת בעת השאיפה משתנה המיקום האנכי של הנקודה העמוקה ביותר של הגז בהן ביחס למרכז הריאות, דבר המוביל להפרשי לחצים. השינוי בהתנגדות האלסטית הנגרם ע"י השינוי בעומס הריאות ההידרוסטאטי בזמן נשימה גורם לשרירי הנשימה מאמץ שהם לא מורגלים אליו במצב הטבעי של נשימה מחוץ למים. גודל השינוי באלסטיות ובעומס הריאות ההידרוסטאטי לבדו אחראים ליותר ממחצית מסך מאמץ הנשימה האמיתי.
כמובן שיש להימנע מכל עומס ובמיוחד משינוי בעומס על הריאות בכדי להימנע ממצב של חוסר אוורור והתעייפות. עומס ריאות שלילי מייצר יותר עייפות וחוסר אוורור מאשר עומס חיובי. עומס חיובי מייצר עייפות בלבד ולכן חוק האצבע אומר שהוא עדיף על עומס שלילי. מאידך, עומס ריאות נמוך והפחתה בשינוי בעומס הריאות ההידרוסטאטי עדיפים מכיוון שככל שהאוורור של הריאות טוב יותר כך נוצר פחות פחמן דו חמצני ומכאן שהסיכויים להרעלת חמצן ומחלת הדקומפרסיה יורדים.
השפעת תנוחת הצולל במים על עומס הריאות ההידרוסטאטי
בעמודים הבאים נסקור את התצורות השונות של ריאות מלאכותיות במערכות סגורות ואת ההשפעה של מבנה ריאות אלו על מאמץ הנשימה בשתי תנוחות צלילה. צלילה בתנוחה אופקית וצלילה בתנוחה אנכית.
האיורים מתארים צולל במים, כאשר כפי שהוזכר קודם הפרשי העומקים במים באים לידי ביטוי בהפרשי לחצים על הריאות המלאכותיות ועל גוף הצולל
ריאות מפוצלות:
ריאות מפוצלות - אחת לשאיפה ואחת לנשיפה אשר ממוקמות בין הכתף לחזה, המשמשות במערכות סגורות מודרניות כגון האינספריישן, המגאלדון והפוסיידון דיסקברי, אלו מפחיתות את תחושת מאמץ הנשימה בתנוחה אופקית ואנכית. זאת בגלל שהנשימה אל הריאות נשארת פחות או יותר באותו מרחק ( לחץ/עומק) ביחס למרכז הנשימה.
ריאת חזה:
ריאת חזה מייצרת עומס נמוך בתנוחה אופקית ובתנוחה אנכית. בתנוחה אופקית שליש מהעומס על הריאה שלילי כאשר בתנוחת שחיה אין עומס שלילי כלל. ריאה זו נפוצות בעיקר במערכות חמצן לשימושים צבאיים.
ריאות גב:
ריאות גב מתפקדות בזהה לריאות חזה בתנוחה האנכית ומייצרות עומס ריאות הידרוסטאטי שלילי גדול יותר בתנוחה אופקית. למרות שטווח השינוי קטן יחסית כל טווח השינוי בין התנוחות הינו של לחץ שלילי, מה שעלול לגרום לאוורור ריאות נמוך
ריאת דיאפרגמה:
ריאות דיאפרגמה הינן ריאות שמחוברות על היקף הסופח, ריאות אלו נמצאות בשימוש במערכות סגורות כגון ה BIO Marin CCR-100 ה Mk-15 ו Mk-16 והאורובורוס של VR Technologies.
לריאות אלו יש מאפייני עומס ריאות הידרוסטאטי דומים מאוד לריאות גב, ההבדל היחיד היא שצורתן העגולה מקטינה את שינוי העומס בעת נשימה.
ריאות מעגליות (ביגלה) :
ריאות אלו מספקות תחושת נוחות נשימה גדולה יותר מראות מפוצלות על הכתפיים גם בתנוחה אופקית וגם בתנוחה אנכית אך מתפקדות פחות טוב במושגים של עומס ריאות הידרוסטאטי שלילי כאשר הצולל במצב אופקי.
ריאת מפוח :
ריאות מפוחים כגון אלו שמשמשות כריאות
מלאכותיות ב DC-55 , ובשני הדגמים של המערכות של הלסיון משמשות למערכות חצי סגורות פאסיביות, מערכות שמספקות גז למעגל הנשימה על פי דרישה (קצב נשימה). ריאות אלו מספקות את תחושת מאמץ הנשימה הגרוע ביותר למרות שהן מייצרות את מאמץ הנשימה האמתי הטוב ביותר בתנוחה האופקית אם ובלי משקולות סיוע. בתנוחת שכיבה, טווח השינוי בעומס בריאות ההידרוסטאטי קטן אולם כולו שלילי. בכדי למנוע זאת מוסיפים משקולת פיצוי בקצה המפוח אשר מסיטה את מרכז הריאות המלאכותיות קרוב למרכז הריאות. ריאות מפוח עם משקולות פיצוי מספקות את מאמץ הנשימה האמיתי הנמוך ביותר כיוון שהן מפחיתות את האלסטיות ואת עומס הריאות ההידרוסטאטי, מה שמייצר אוורור טוב יותר לריאות ומצמצם את עייפות שריר הנשימה. את תחושת מאמץ הנשימה הגבוה ניתן לנטרל בעזרת נשימה עם מסכת פנים מלאה אשר מפחיתה את הפרש הלחצים בין החלק הפנימי לחלק החיצוני של הלחיים.
מתוך ספר 'חמצן ומערכות סגורות'
בהוצאת החטיבה הטכנית בהתאחדות הישראלית לצלילה
תורגם ע"י שלומי פלניצקי מהמאמר:
The true work of breathing in Rebreather, Jack Kellon
עריכה דן אשכנזי
מאמץ נשימתי ומיקום ריאות הנשימה במערכת סגורה
אחד הדברים שקשה להסביר לצולל ריברידר חדש הינו ההבדל בין מה נתפס אצלו כמאמץ נשימה, למאמץ הנשימה האמיתי. או נכון יותר, ההבדל בין התנגדות נשימה למאמץ נשימה. את ההבדל ניתן להקביל להבדל בתחושה בין נשימה מווסת חד קני לתחושת מאמץ הנשימה בווסת דו קני – ווסת בו הדרגה הראשונה והשנייה היו ממוקמים מאחורי ראשו של הצולל ובשימוש בו הורגש הבדל במאמץ נשימה בין צלילה בתנוחה אנכית לתנוחה אופקית. כאשר צולל ירגיש תת לחץ בפיית הנשימה, כזה המייצר תנועת לחיים ("מציצה") הוא יגדיר מצב זה כמאמץ נשימה אך תת לחץ בפיית הנשימה רק מייצר תחושה של מאמץ נשימה, זה אינו מאמץ הנשימה אשר יגרום לעומס נשימתי כי אם התנגדות נשימה. למרות תחושת הצולל, המאמץ המורגש בלחיים אינו קרוב למאמץ הדרוש לריאות הצולל בכדי להפעיל את שריר הסרעפת, זה השולט על תנועתן.
פעולת שרירי הנשימה
בשאיפה במנוחה מתכווצים שרירי הנשימה להגדלת נפח בית החזה, ואיתו נפח הריאה, פעולה אשר יוצרת מפל לחצים בין הלחץ האטמוספירי ללחץ בנאדיות הריאה וגורמת לתנועה של אוויר אל תוך הריאות עד להשוואת הלחצים. השריר העיקרי המשמש לשאיפה הוא הסרעפת אשר אחוזה בצלעות, בעצם החזה ובחוליות. התכווצות הסרעפת, שנמצאת במנח המורכב משני חלקים: האחד רוחבי שטוח שאינו שרירי והשני מקביל לכלוב הצלעות ושרירי, יוצרת כוח אלכסוני, בעל רכיב אנכי המושך את כיפת הסרעפת לכיוון הבטן ורכיב אופקי, כאשר השפעת האנכי גדולה יותר. ירידת הסרעפת לכיוון הבטן דוחקת את איברי הבטן ומגדילה את קוטרו האנכי של בית החזה. במקביל, שריר הסרעפת מפעיל על הצלעות כוח כלפי מעלה, דבר אשר מגדיל את קוטרו הרוחבי של בית החזה.
בנשיפה במנוחה אינה מצריכה מאמץ, אלא נובעת מהרפיית שרירי השאיפה ומאלסטיות הריאה ובית החזה שגורמת לחזרתם למצבם טרום השאיפה. נשיפה מאומצת, לעומת זאת, מפעילה שרירים הגורמים להקטנת בית החזה ועליית הלחץ בו. לצורך נשיפה מאומצת מתכווצים שרירי הבטן, אשר אחוזים בצלעות התחתונות, וכך מושכים את הצלעות אליהם ומקבעים אותם. העלאת הלחץ בבטן גורמת לדחיקה של הסרעפת הרפויה כלפי מעלה, דבר שגורם להקטנת קוטרו האנכי של בית החזה. גם בשאיפה מאומצת מתכווצים השרירים הבין-צלעיים, אלא שהפעם, במקום שימשכו את הצלעות לעבר חגורת הכתפיים, שבשלב זה רפויה, הם מושכים את הצלעות לכיוון הבטן המקובעת. תנועת הצלעות זהה לתנועה בעת שאיפה, אלא בכיוון ההפוך, דבר שגורם להקטנת הקטרים האופקיים.
נפחי ריאה הם ערכים המתקבלים בשלבים השונים של השאיפה והנשיפה נפח חילופי (Tidal volume - (VT הוא הנפח המתקבל משאיפה ומנשיפה במנוחה. באדם בוגר בריא הנפח החילופי עומד על כ-500 מ"ל. נפח האוויר הנותר בריאות לאחר נשיפה רגילה במנוחה נקרא קיבולת השארית התפקודית (functional residual capacity - (FRC באדם בוגר בריא הוא עומד על כ-2.4 ליטר ומהווה 40% לערך מנפח הריאה המרבי. נפח הריאה המרבי נקרא בשם קיבולת הריאות הכוללת total lung capacity (TLC) - ואותו ניתן להשיג בשאיפה מאומצת מרבית. נפח זה באדם בוגר בריא מכיל 5–6 ליטרים של אוויר.
לאחר נשיפה מאומצת עד לתחושת ריקון מוחלט של הריאות, נשאר בריאות נפח שארי residual volume (RV) אשר מקל על ניפוח הריאות חזרה וערכו באדם בוגר בריא עומד על כ-1.5 ליטר. ההפרש בין קיבולת הריאות הכוללת לנפח השארי הוא הנפח המרבי המנוצל על ידי הריאות לנשימה, והוא נקרא הקיבולת החיונית (vital capacity)
גורמים המשפיעים על המאמץ הנשימתי במערכת סגורה
התנגדות טבעית לזרימת גז במערכות נשימה סגורות כמו למשל זו של זרימת הגז דרך הסופח, מייצרת היפו ונטילציה (ירידה באוורור הריאות). התנגדות זו גוברת ככל שמעמיקים וצפיפות הגז גדלה. זה מאמץ הנשימה שהצולל מרגיש בפיו ואשר מהווה רק גורם אחד מתוך אלו המשפיעים על המאמץ הנשימתי בנוסף לו עלינו להכיר שני כוחות נוספים להם השפעה על המאמץ הנשימתי – התנגדות אלסטית ועומס ריאות הידרוסטאטי:
התנגדות אלסטית הינה ההתנגדות לעליה בנפח הגז במערכת הנשימה כמו למשל ניפוח הריאות המלאכותיות.
עומס ריאות הידרוסטאטי הינו הלחץ החיובי או השלילי אשר מיוצר ע"י ריאות הצולל בכדי להתגבר על הפרשי הלחצים שבין מרכז הריאות לדרגה השנייה של הווסת או לנקודה הנמוכה ביותר של הגז בתוך הריאות המלאכותיות.
מחוץ למים כמעט ואין הפרשי לחצים בין הפה לבין הלחץ הממוצע שמופעל על מרכז בית החזה ושריר הנשימה התפתח עם הזמן בכדי להתמודד עם מצב זה. במים לעומת זאת, זז מרכז הנשימה אשר בו אמור להיות מאמץ הנשימה הנמוך בגלל הבדלי הלחצים בין עומק הפה לעומק מרכז הריאות
(ראה איור א).
איור א - מימין השפעת הלחץ הסביבתי מחוץ למים או בתא לחץ יבש, משמאל ההשפעה של לחץ המים על מערכת הנשימה של הצולל.
למאמץ המופעל על שרירי הנשימה אשר מנסים להתגבר על הפרשי הלחצים בעמוד המים בין עומק הפה ועומק מרכז הריאה הנגדית של המערכת הסגורה תרומה משמעותית לתופעת העייפות לאחר הצלילה ( תופעה שנהוג לשייך לדקומפרסיה ).
