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45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
45章 深海ダイビング,および
他の高圧状態の生理学
UNIT VIII
航空,宇宙,深海潜水の生理学
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
海面下を降下すると,体周囲の圧が次第に上
昇する.
肺を虚脱から防ぐためには,非常に高い圧で空
気が供給される必要がある.
この処置は,肺内の血液を,非常に高い肺胞気
圧にさらすことになるーhyperbarism
この圧が,ある限度を超えると,全身の生理に過
大な変調をきたし,致死的になり得る.
hyperbarism 高圧症
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O.Yamaguchi
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海水柱33ft.(10.1m)の深さでは,その柱の底の
圧は,海上での大気圧と同一となる.
よって,海面下33ft.にいる人は,2気圧に暴露さ
れている(一気圧は海面上の圧,一気圧は水の
重さによる圧).
66ft.では,3気圧.
深度と圧の関係
気圧
深度(ft./m)
海面
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
ガスのvolumeと深度 Boyleの法則
bell jar
bell jar
bell jar
♣ 海面上で,1Lの空気をふくむbell jar
♣ 33ft.,2気圧のレベルでは,1/2Lに縮小
♣ 8気圧(233ft.)では,1/8まで縮小
♣ 圧とvolumeは,反比例
Boyleの法則
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体内の個々のガスが,高い分圧と
なった際の影響
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
窒素分圧が高まると,様々な程度のnarcosis昏
迷を呈する.海底に,1時間以上留まり,圧縮空気で
呼吸している場合
120ft.
初期症状である軽度の窒素性narcosisを呈する. 陽
気になり,注意力を喪失
150-200ft.
嗜眠傾向
200-250ft.
体力が低下し,作業を実行できなくなる.
250ft.以上
窒素性narcosisの結果,殆ど役に立たなくなる.
高窒素分圧による窒素性ナルコーシス
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
窒素性ナルコーシスは,アルコールによる酩酊と
似ていることから,“深さの恍惚”と称される.
機序は,他の多くの麻酔ガスと同様と考えられて
いる.
神経細胞膜に溶け込み,膜のイオン透過性を変化
させて,神経の興奮性を低下.
浅い深度まで上昇すると,ナルコーシスは数分
以内に解消し,上昇速度が速すぎなければ,⾧
期的な影響は無い.
高窒素分圧による窒素性ナルコーシス
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
高圧時の酸素毒性
酸素-ヘモグロビン 解離曲線
血中全酸素量
Hbと結合している
酸素
血中の
溶存酸素
正常肺胞気
酸素分圧
酸素
中毒
肺内の酸素分圧(mmHg)
血中の酸素含量(vol.%)
♣ PAO𝟐が,正常範囲
(<120mmHg)の場合は,
酸素含量に占める溶存酸
素は,ほとんど無い.
♣ PAO2が何千mmHgにも
及ぶと,結合酸素に加えて,
酸素含量のかなりの部分
を溶存酸素が占める.
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
高いPAO2が組織PO2に及ぼす影響
酸素-ヘモグロビン 解離曲線
血中全酸素量
Hbと結合している
酸素
血中の
溶存酸素
正常肺胞気
酸素分圧
酸素
中毒
肺内の酸素分圧(mmHg)
血中の酸素含量(vol.%)
♣ PAO𝟐が約3000mmHg
(4気圧)の時,酸素含量は
29mL/dL(A点). このうち
20mL/dLは,結合酸素に
より,9mL/dLが溶存酸素
による.
♣ この血液が,毛細血管を
通過する際に,通常量の
酸素(5mL/dL)が組織に
よって消費されると,組織を
離れる毛細血管内には,ま
だ24mL/dLの酸素が残
存(B点).このときのPO2は
約1200mmHg.
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
組織を離れる毛細血管内のPO2が約
1200mmHg
通常の40mmHgではなく,この異常に高いPO2
で組織に供給される.
PAO2が,臨界値を超えると,Hb-O2緩衝機構が,
組織のPO2を通常の安全域20-60mmHgの
範囲に維持できなくなる.
高いPAO2が組織PO2に及ぼす影響
41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
安静時,組織は血液100mLあたり酸素約5mL
を必要とする.
結果として,血液PO2は,40mmHgまで低下
組織のPO2は,この40mmHg以上には,上昇し
得ない.(Hbが,組織PO2の上限を約40mmHg
となるように規定している)
Hbが,組織のPO2を緩衝
41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
激しい運動時,通常の20倍にも及ぶ余分な酸
素をHbから組織に付与する必要がある.
組織PO2が低下することにより達成可能
1. 酸素解離曲線が急峻
2. PO2低下により,組織血流量が増加
Hbから余分な酸素が大量に移送されるため,組織の
PO2低下は,非常に少なく抑えられる.
 血中Hbは,組織PO2が厳密に約15~40
mmHgの範囲に収まるように,自動調節してい
る.
Hbが,組織のPO2を緩衝
41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
正常肺胞気酸素分圧PAO2は,約104mmHg
 登山,飛行機などでは,この値が容易に半減
 深海,高圧酸素室などでは,この値が10倍にまで上昇
それでも,組織PO2の変化はわずか.
PAO2が60mmHgにまで低下した場合,SaO2は89%で,
正常値SaO297からわずか8%低下したのみ.
組織は,100mLの血液あたり5mLの酸素を摂取
この酸素摂取のため,静脈血PO2は35mmHgまで低下
するが,この値は正常値40mmHgより5mmHg低いのみ.
よって,PAO2が104mmHgから60mmHgにまで低下し
ても,組織のPO2変化は,限定的.
酸素濃度が変動しても,組織PO2は維持される.
41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
PAO2が500mmHgにまで低下した場合,SaO2は
決して100%を超えないため,正常値97%を3%上
回るのみで,血液に溶け込む酸素の増加も僅か.
組織毛細血管を,血液が流れる際に血中から失わ
れる酸素は,数mLで,PO2を正常値40mmHgより
僅か数mL多い値にまで減少するのみ.
結果として,PAO2が60mmHgから500mmHg以
上にまで大きく変化しても,末梢組織のPO2は,正
常値から数mLを超えて変化することは無く,血液
Hbシステムが,beautifully見事に組織の酸素緩
衝機能を果たしていることを示すものである.
酸素濃度が変動しても,組織PO2は維持される.
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
非常にPAO2が高い場合,組織PO2も非常に高
値となり,生体の多くの組織に有害となる.
例,4気圧の酸素(PO2=3040mmHg)を吸入中
多くの人で,30-60分以内に,痙攣から昏睡状態に
陥る.
痙攀は,予兆も無く,きっかけも無いことがしばしば
ダイバーにとっては,致死的
その他の症状
悪心,筋攣縮,幻暈,視力障害,過敏,失見当識
労作で,酸素中毒に陥りやすくなり,安静時より症状
が早期に出現し,より重症化し易くなる.
急性酸素中毒
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
 細胞内の酸素は,他の化学物質を酸化する能力を殆ど持た
ない.
 かわりに,真っ先に活性酸素に変換される.
 oxygen free radical 酸素フリーラジカル
 superoxide free radical O2
-
 hydrogen peroxideの形をとったperoxide radical
 組織PO2が正常値40mmHgの時でも,少量のfree radical
は,溶存酸素から持続的に形成されている.
 組織は,これらのfree radicalを取り除くいくつかの酵素を持
ち合わせている
 peroxidase,catalase,superoxide dismutase
 Hb-O2緩衝機構が,組織のPO2を正常に維持している限
り,free radicalは, 組織から迅速に除去され,組織への影響
は僅少.
細胞内の過剰な酸素化
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
PAO2が,臨界値(≧2気圧,1520mmHg)を超える
と,Hb-O2緩衝機構が機能しなくなり,組織のPO2
は数百から数千mmHgにまで上昇しうる.
組織PO2が過剰になると,free radicalの量が,そ
れを除去する酵素系を圧倒し,細胞にとって深刻な
破壊的,致死的な作用を呈しうる.
多くの細胞膜で,構成上必須の不飽和脂肪酸を酸化
細胞酵素のいくつかを酸化し,細胞の代謝系を破壊.
神経系の組織は,特に脂質に富んでいるため,影響を受
けやすく,急性酸素中毒の致死的影響は,脳機能障害
が原因.
細胞内の過剰な酸素化
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
持続的に1気圧の酸素に暴露されても,急性酸
素中毒による神経障害を呈することはない.
肺は,わずか12時間程,1気圧酸素に暴露した
だけでも,気管支,肺胞を裏打ちしている細胞の
損傷から,気道のうっ血,肺水腫,無気肺などが
起こり始める.
肺におこり,他の臓器には起こらない理由
気道は,高いPO2に直接暴露される一方他の組織
へは,Hb-O2緩衝機構により, ほぼ正常なPO2で酸
素供給がなされるため.
慢性酸素毒性による肺傷害
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
潜水具の設計が適切で,正常に機能していれ
ば,深度でPACO2が上昇することは無く,二酸化
炭素中毒の憂いは無い.
深度が増すと,炭酸ガス排泄量が増加する訳で
は無く,ダイバーが通常の一回換気量で呼吸し,
産生された炭酸ガスに応じて呼出している限
り,PACO2は正常に維持される.
深海における二酸化炭素毒性
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Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
ダイビング用ヘルメットと再呼吸装置の場合
再呼吸装置の死腔にCO2がたまり,ダイバーはそれ
を再呼吸することになる.
正常の2倍,すなわちPACO2 約80mmHgまでは,分
時換気量を通常の8-11倍に増やして代償して耐え
られる.
高いPCO2が,組織代謝を抑制し,呼吸中枢も興奮
よりむしろ抑制的に働き,換気が抑制されはじめる.
ダイバーは,次第に呼吸性アシドーシスとなり,様々
な程度の嗜眠傾向,昏睡,最後には麻酔状態となる.
深海における二酸化炭素毒性
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
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高圧で,⾧時間呼吸していると,体液に溶けている
窒素量が増加する.
数時間すると,組織の窒素分圧は,肺内の高圧窒
素と平衡して高い窒素分圧となる.
窒素は,体内で代謝されないため,肺胞内の窒素
分圧が低下しない限り体全体の組織に溶け続け
る.
肺胞気の窒素分圧を下げれば,窒素は体内から
排出され始めるが,時間を要するために,
decompression sickness潜函病と呼ばれる問
題を引き起こす.
過剰な圧からの減圧
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海面レベルでは,約1Lの窒素が体内に溶けている.
1/2弱は,体液に溶存
1/2強は,脂質に溶存
窒素は,水の5倍,脂質に溶けやすいため.
異なる深さで体液に溶け込む窒素の量
海面下(Feet) 溶存窒素(L)
0 1
33 2
100 4
200 7
300 10
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肺胞気と組織の窒素分圧が,平衡に達するのに数
時間を要する.
血流の速度が速くない
窒素の拡散速度が速くない
体液に溶けている窒素が平衡に要するのは,1時間
以内だが,脂肪組織での拡散時間は5倍を要する
うえに,脂肪組織の血流量が不十分なため,完全
な平衡には数時間を要する.
水面下に,数分潜っていた場合には,体液,体組織
に溶け込む窒素は多くないが,深海に数時間潜っ
ていた場合には,体液,組織いずれも窒素で飽和し
ている.
肺胞気窒素と組織窒素との平衡
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同義語
Decompression Sickness,
Bends,
Compressed Air Sickness,
Caisson Disease,
Diver’s Paralysis,
Dysbarism
潜函病
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
海面下に,十分⾧い時間滞在してた場合,大量
の窒素が体内に溶け込んでいる.
急に,海上に浮上すると,窒素の泡が細胞内,細
胞外あらゆる所に発生し,全身を損傷. 程度は,
泡の数と大きさによる.
潜函病
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
窒素泡形成の原理
体外の圧
除圧
以前
急激な
除圧後
体内
体液の
ガス圧
体内
体液の
ガス圧
除圧以前
♣ 組織は,正常の約6.5
倍,PN2 3918mmHgの
溶存窒素で平衡してい
る.
♣ ダイバーが,深海にいる
限り体外の圧
5000mmHgにより体を
圧迫しているため窒素
は溶存し続ける.
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O.Yamaguchi
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窒素泡形成の原理
体外の圧
除圧
以前
急激な
除圧後
体内
体液の
ガス圧
体内
体液の
ガス圧
急激な除圧後
♣ 体外の圧力は760mmHg
♣ 体内のガス圧は,水蒸
気,CO2,O2,N2のガス分圧の
合計4065mmHgとなり,そ
の内の97%は窒素
♣ よって,溶存状態から泡に
なって組織内,血液内に出
現し,小血栓となる.
♣ 窒素は,過飽和状態で溶
存する場合があるので,泡が
出現するまでに数分から数
時間,間があることがある.
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
泡による血流障害
関節痛(“Bends”という名の由来)
四肢の筋肉痛
潜函病罹患者の85-90%に出現
 5-10%の人は,神経症状
 5% めまい
 3% 麻痺,虚脱,意識消失
麻痺は,一過性のことも恒久的なことも
 約2% 窒息(呼吸促迫,重篤な肺水腫,死亡)
肺毛細血管を閉塞する,無数の微細な泡が原因
潜函病,“Bends”の症状
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O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
ダイバーが,ゆっくり海面に移送される場合,潜函病を防ぐた
めに,肺からの呼出により充分な量の溶存窒素が除去可
能
 全窒素量の2/3は1時間で放出される
 約90%は,6時間で放出される.
アメリカ海軍により安全な減圧方法の表が提示されてい
る.
 海底190ft.に60分間滞在した場合の減圧例
深度50ft.で10分
深度40ft.で17分
深度30ft.で19分
深度20ft.で50分
深度10ft.で84分
海底での作業が僅か1時間でも,減圧に要する時間は,約3時間.
体内からの窒素の排泄
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
プロの潜水夫の間で,広く行われている方法は,
ダイバーを加圧タンクにいれ,中の圧力をゆっくり
下げる方法.
圧の下げ方は,前述のアメリカ海軍のスケジュール
と同様.
すでに海上に戻ったダイバーに,数分から数時
間後に潜函病の症状が出現した際にも,タンク
による除圧法が有効.
この場合は,直ちに深海レベルまで加圧し,通常の数
倍の時間をかけて除圧をおこなう.
タンクによる除圧,潜函病治療
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
250-1000ft.の深海で作業をする場合
大きな加圧タンク内で,作業予定の深海相当の圧
に加圧して,数日から数週間生活する.
この間に,組織や体液は,潜水中に暴露されるガスに
飽和される.
作業後に,このタンクにもどれば減圧バブルは発生
しない.
飽和潜水
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
非常に深い場合,飽和潜水の間,窒素のかわりに
heliumを使用する.
1. heliumの麻酔作用は,窒素の1/5
2. 組織に溶け込むheliumの容量は窒素の1/2で,しかも減
圧の際に組織から拡散するheliumは,窒素より数倍速く,
潜函病を起こしにくい.
3. heliumの密度は窒素の1/7と低く,気道の抵抗を最小に
抑えられる. 窒素は,密度が高く,気道抵抗が非常に高く,
呼吸仕事量を耐えがたいほど大きくする.
 混合ガスの酸素濃度を低くする.
 深度700ft.(22気圧)では,1%の酸素で,ダイバーの必要な
酸素を満たす.
 21%の酸素では,PAO2が4気圧以上となり,わずか30分で
痙攣をおこす可能性が非常に高いレベルとなる
Helium酸素混合気の使用
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
1940年代以前は,海上からホースで潜水夫の
かぶったヘルメットに空気を送っていた.
1943年,フランスの冒険家
Jacques Cousteauが,SCUBA(self-contained
underwater breathing apparatus ) を普及した.
 スポーツ,商業用の99%以上は,open-circuit
demand system
Self-Contained Underwater Breathing Apparatus
(Scuba) Diving
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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open-circuit demand type of SCUBA
構成要素
1. 一つ以上の圧縮空気ないしそ
の他の呼吸ガス混合気のタンク
2. 初段階の減圧弁
3. Demand valve. 僅かな陰圧
で空気が肺内に流入し,海水よ
り僅かな陽圧で肺のガスが海中
に呼出される弁.
4. マスクとホースが,僅かな死腔
で構成されている.
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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open-circuit demand type of SCUBA
水面下に留まる時間に制限がある
点が最大の問題
• 200ft.では数分しか留まれない.
• 肺から,CO2を洗い流すために
大量の気流が必要なのに,深度
が深いとガスが圧縮されてい小
さくなるため効率が低下する.
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潜水艦からの避難離脱
300ft.の深さで,何ら装備をつけずに離脱する事態が起
こりうる.
正しく再呼吸装置,とくにheliumを使用した,を使用すれ
ば理論的には600ft.ないしそれ以上の深海からの避難
離脱が可能
主たる問題は,空気塞栓の予防
人が,浮上する際に,肺内のガスが膨張して,肺血管が
破綻してガスが血管内に入り込み空気塞栓をおこしう
る.
浮上する際には,持続的に呼気努力を続ける必要が
ある.
潜水艦特有の生理学的問題点
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
O.Yamaguchi
Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
避難とは別に,潜水艦内部環境から危険を遠ざけ
るために,潜水艦医学はいくつかの工学的問題に
焦点を当てている.
1. 原子力潜水艦では,放射線障害の問題があるが,適
切なシールドを行うことで,海底に沈められた乗組員が
受ける放射線の量は,宇宙から海面上で受ける通常
の放射線量よりも少ない.
2. 有毒ガスが,潜水艦内の大気に漏出する危険があり,
直ちに制御する必要がある. 数週間にわたる水没中,
乗組員による喫煙は,一酸化炭素中毒を引き起こす
のに充分なCOを放出する可能性がある.冷凍システ
ムからのフレオンガスが,その毒性を引き起こすに充分
な量が拡散する可能性もある.
潜水艦の内部環境と健康問題
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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通常2ないし3気圧相当の酸素がマスク,あるいは
気管挿管チューブ越しに投与され,体表周囲は,通
常の空気が,同等の高圧状態に与圧される.
ガス壊疽
clostridial organism
嫌気状態で発育する菌で,PO2>70mmHgで発育が停
止する. 組織を高圧酸素状態にすると,感染過程を完
全に停止させることが可能で,以前は100%致死的だった
疾患が,高圧酸素療法で殆どの症例が治癒できるように
なった.
 その他の高圧酸素療法が有効な病態
 潜函病,動脈ガス塞栓,一酸化中毒,骨髄炎,心筋梗
塞
高圧酸素療法
45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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45章 深海ダイビング,および
他の高圧状態の生理学
UNIT VIII
航空,宇宙,深海潜水の生理学

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45 physiology of deep sea diving and other hyperbaric conditions 14th

  • 1. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.
  • 2. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 45章 深海ダイビング,および 他の高圧状態の生理学 UNIT VIII 航空,宇宙,深海潜水の生理学
  • 3. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 海面下を降下すると,体周囲の圧が次第に上 昇する. 肺を虚脱から防ぐためには,非常に高い圧で空 気が供給される必要がある. この処置は,肺内の血液を,非常に高い肺胞気 圧にさらすことになるーhyperbarism この圧が,ある限度を超えると,全身の生理に過 大な変調をきたし,致死的になり得る. hyperbarism 高圧症
  • 4. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 海水柱33ft.(10.1m)の深さでは,その柱の底の 圧は,海上での大気圧と同一となる. よって,海面下33ft.にいる人は,2気圧に暴露さ れている(一気圧は海面上の圧,一気圧は水の 重さによる圧). 66ft.では,3気圧. 深度と圧の関係 気圧 深度(ft./m) 海面
  • 5. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ガスのvolumeと深度 Boyleの法則 bell jar bell jar bell jar ♣ 海面上で,1Lの空気をふくむbell jar ♣ 33ft.,2気圧のレベルでは,1/2Lに縮小 ♣ 8気圧(233ft.)では,1/8まで縮小 ♣ 圧とvolumeは,反比例 Boyleの法則
  • 6. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 体内の個々のガスが,高い分圧と なった際の影響
  • 7. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 窒素分圧が高まると,様々な程度のnarcosis昏 迷を呈する.海底に,1時間以上留まり,圧縮空気で 呼吸している場合 120ft. 初期症状である軽度の窒素性narcosisを呈する. 陽 気になり,注意力を喪失 150-200ft. 嗜眠傾向 200-250ft. 体力が低下し,作業を実行できなくなる. 250ft.以上 窒素性narcosisの結果,殆ど役に立たなくなる. 高窒素分圧による窒素性ナルコーシス
  • 8. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 窒素性ナルコーシスは,アルコールによる酩酊と 似ていることから,“深さの恍惚”と称される. 機序は,他の多くの麻酔ガスと同様と考えられて いる. 神経細胞膜に溶け込み,膜のイオン透過性を変化 させて,神経の興奮性を低下. 浅い深度まで上昇すると,ナルコーシスは数分 以内に解消し,上昇速度が速すぎなければ,⾧ 期的な影響は無い. 高窒素分圧による窒素性ナルコーシス
  • 9. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 高圧時の酸素毒性 酸素-ヘモグロビン 解離曲線 血中全酸素量 Hbと結合している 酸素 血中の 溶存酸素 正常肺胞気 酸素分圧 酸素 中毒 肺内の酸素分圧(mmHg) 血中の酸素含量(vol.%) ♣ PAO𝟐が,正常範囲 (<120mmHg)の場合は, 酸素含量に占める溶存酸 素は,ほとんど無い. ♣ PAO2が何千mmHgにも 及ぶと,結合酸素に加えて, 酸素含量のかなりの部分 を溶存酸素が占める.
  • 10. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 高いPAO2が組織PO2に及ぼす影響 酸素-ヘモグロビン 解離曲線 血中全酸素量 Hbと結合している 酸素 血中の 溶存酸素 正常肺胞気 酸素分圧 酸素 中毒 肺内の酸素分圧(mmHg) 血中の酸素含量(vol.%) ♣ PAO𝟐が約3000mmHg (4気圧)の時,酸素含量は 29mL/dL(A点). このうち 20mL/dLは,結合酸素に より,9mL/dLが溶存酸素 による. ♣ この血液が,毛細血管を 通過する際に,通常量の 酸素(5mL/dL)が組織に よって消費されると,組織を 離れる毛細血管内には,ま だ24mL/dLの酸素が残 存(B点).このときのPO2は 約1200mmHg.
  • 11. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 組織を離れる毛細血管内のPO2が約 1200mmHg 通常の40mmHgではなく,この異常に高いPO2 で組織に供給される. PAO2が,臨界値を超えると,Hb-O2緩衝機構が, 組織のPO2を通常の安全域20-60mmHgの 範囲に維持できなくなる. 高いPAO2が組織PO2に及ぼす影響
  • 12. 41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 安静時,組織は血液100mLあたり酸素約5mL を必要とする. 結果として,血液PO2は,40mmHgまで低下 組織のPO2は,この40mmHg以上には,上昇し 得ない.(Hbが,組織PO2の上限を約40mmHg となるように規定している) Hbが,組織のPO2を緩衝
  • 13. 41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 激しい運動時,通常の20倍にも及ぶ余分な酸 素をHbから組織に付与する必要がある. 組織PO2が低下することにより達成可能 1. 酸素解離曲線が急峻 2. PO2低下により,組織血流量が増加 Hbから余分な酸素が大量に移送されるため,組織の PO2低下は,非常に少なく抑えられる.  血中Hbは,組織PO2が厳密に約15~40 mmHgの範囲に収まるように,自動調節してい る. Hbが,組織のPO2を緩衝
  • 14. 41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 正常肺胞気酸素分圧PAO2は,約104mmHg  登山,飛行機などでは,この値が容易に半減  深海,高圧酸素室などでは,この値が10倍にまで上昇 それでも,組織PO2の変化はわずか. PAO2が60mmHgにまで低下した場合,SaO2は89%で, 正常値SaO297からわずか8%低下したのみ. 組織は,100mLの血液あたり5mLの酸素を摂取 この酸素摂取のため,静脈血PO2は35mmHgまで低下 するが,この値は正常値40mmHgより5mmHg低いのみ. よって,PAO2が104mmHgから60mmHgにまで低下し ても,組織のPO2変化は,限定的. 酸素濃度が変動しても,組織PO2は維持される.
  • 15. 41 Transport of Oxygen and Carbon dioxide in Blood and Tissue Fluids O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. PAO2が500mmHgにまで低下した場合,SaO2は 決して100%を超えないため,正常値97%を3%上 回るのみで,血液に溶け込む酸素の増加も僅か. 組織毛細血管を,血液が流れる際に血中から失わ れる酸素は,数mLで,PO2を正常値40mmHgより 僅か数mL多い値にまで減少するのみ. 結果として,PAO2が60mmHgから500mmHg以 上にまで大きく変化しても,末梢組織のPO2は,正 常値から数mLを超えて変化することは無く,血液 Hbシステムが,beautifully見事に組織の酸素緩 衝機能を果たしていることを示すものである. 酸素濃度が変動しても,組織PO2は維持される.
  • 16. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 非常にPAO2が高い場合,組織PO2も非常に高 値となり,生体の多くの組織に有害となる. 例,4気圧の酸素(PO2=3040mmHg)を吸入中 多くの人で,30-60分以内に,痙攣から昏睡状態に 陥る. 痙攀は,予兆も無く,きっかけも無いことがしばしば ダイバーにとっては,致死的 その他の症状 悪心,筋攣縮,幻暈,視力障害,過敏,失見当識 労作で,酸素中毒に陥りやすくなり,安静時より症状 が早期に出現し,より重症化し易くなる. 急性酸素中毒
  • 17. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed.  細胞内の酸素は,他の化学物質を酸化する能力を殆ど持た ない.  かわりに,真っ先に活性酸素に変換される.  oxygen free radical 酸素フリーラジカル  superoxide free radical O2 -  hydrogen peroxideの形をとったperoxide radical  組織PO2が正常値40mmHgの時でも,少量のfree radical は,溶存酸素から持続的に形成されている.  組織は,これらのfree radicalを取り除くいくつかの酵素を持 ち合わせている  peroxidase,catalase,superoxide dismutase  Hb-O2緩衝機構が,組織のPO2を正常に維持している限 り,free radicalは, 組織から迅速に除去され,組織への影響 は僅少. 細胞内の過剰な酸素化
  • 18. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. PAO2が,臨界値(≧2気圧,1520mmHg)を超える と,Hb-O2緩衝機構が機能しなくなり,組織のPO2 は数百から数千mmHgにまで上昇しうる. 組織PO2が過剰になると,free radicalの量が,そ れを除去する酵素系を圧倒し,細胞にとって深刻な 破壊的,致死的な作用を呈しうる. 多くの細胞膜で,構成上必須の不飽和脂肪酸を酸化 細胞酵素のいくつかを酸化し,細胞の代謝系を破壊. 神経系の組織は,特に脂質に富んでいるため,影響を受 けやすく,急性酸素中毒の致死的影響は,脳機能障害 が原因. 細胞内の過剰な酸素化
  • 19. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 持続的に1気圧の酸素に暴露されても,急性酸 素中毒による神経障害を呈することはない. 肺は,わずか12時間程,1気圧酸素に暴露した だけでも,気管支,肺胞を裏打ちしている細胞の 損傷から,気道のうっ血,肺水腫,無気肺などが 起こり始める. 肺におこり,他の臓器には起こらない理由 気道は,高いPO2に直接暴露される一方他の組織 へは,Hb-O2緩衝機構により, ほぼ正常なPO2で酸 素供給がなされるため. 慢性酸素毒性による肺傷害
  • 20. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 潜水具の設計が適切で,正常に機能していれ ば,深度でPACO2が上昇することは無く,二酸化 炭素中毒の憂いは無い. 深度が増すと,炭酸ガス排泄量が増加する訳で は無く,ダイバーが通常の一回換気量で呼吸し, 産生された炭酸ガスに応じて呼出している限 り,PACO2は正常に維持される. 深海における二酸化炭素毒性
  • 21. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ダイビング用ヘルメットと再呼吸装置の場合 再呼吸装置の死腔にCO2がたまり,ダイバーはそれ を再呼吸することになる. 正常の2倍,すなわちPACO2 約80mmHgまでは,分 時換気量を通常の8-11倍に増やして代償して耐え られる. 高いPCO2が,組織代謝を抑制し,呼吸中枢も興奮 よりむしろ抑制的に働き,換気が抑制されはじめる. ダイバーは,次第に呼吸性アシドーシスとなり,様々 な程度の嗜眠傾向,昏睡,最後には麻酔状態となる. 深海における二酸化炭素毒性
  • 22. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 高圧で,⾧時間呼吸していると,体液に溶けている 窒素量が増加する. 数時間すると,組織の窒素分圧は,肺内の高圧窒 素と平衡して高い窒素分圧となる. 窒素は,体内で代謝されないため,肺胞内の窒素 分圧が低下しない限り体全体の組織に溶け続け る. 肺胞気の窒素分圧を下げれば,窒素は体内から 排出され始めるが,時間を要するために, decompression sickness潜函病と呼ばれる問 題を引き起こす. 過剰な圧からの減圧
  • 23. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 海面レベルでは,約1Lの窒素が体内に溶けている. 1/2弱は,体液に溶存 1/2強は,脂質に溶存 窒素は,水の5倍,脂質に溶けやすいため. 異なる深さで体液に溶け込む窒素の量 海面下(Feet) 溶存窒素(L) 0 1 33 2 100 4 200 7 300 10
  • 24. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 肺胞気と組織の窒素分圧が,平衡に達するのに数 時間を要する. 血流の速度が速くない 窒素の拡散速度が速くない 体液に溶けている窒素が平衡に要するのは,1時間 以内だが,脂肪組織での拡散時間は5倍を要する うえに,脂肪組織の血流量が不十分なため,完全 な平衡には数時間を要する. 水面下に,数分潜っていた場合には,体液,体組織 に溶け込む窒素は多くないが,深海に数時間潜っ ていた場合には,体液,組織いずれも窒素で飽和し ている. 肺胞気窒素と組織窒素との平衡
  • 25. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 同義語 Decompression Sickness, Bends, Compressed Air Sickness, Caisson Disease, Diver’s Paralysis, Dysbarism 潜函病
  • 26. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 海面下に,十分⾧い時間滞在してた場合,大量 の窒素が体内に溶け込んでいる. 急に,海上に浮上すると,窒素の泡が細胞内,細 胞外あらゆる所に発生し,全身を損傷. 程度は, 泡の数と大きさによる. 潜函病
  • 27. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 窒素泡形成の原理 体外の圧 除圧 以前 急激な 除圧後 体内 体液の ガス圧 体内 体液の ガス圧 除圧以前 ♣ 組織は,正常の約6.5 倍,PN2 3918mmHgの 溶存窒素で平衡してい る. ♣ ダイバーが,深海にいる 限り体外の圧 5000mmHgにより体を 圧迫しているため窒素 は溶存し続ける.
  • 28. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 窒素泡形成の原理 体外の圧 除圧 以前 急激な 除圧後 体内 体液の ガス圧 体内 体液の ガス圧 急激な除圧後 ♣ 体外の圧力は760mmHg ♣ 体内のガス圧は,水蒸 気,CO2,O2,N2のガス分圧の 合計4065mmHgとなり,そ の内の97%は窒素 ♣ よって,溶存状態から泡に なって組織内,血液内に出 現し,小血栓となる. ♣ 窒素は,過飽和状態で溶 存する場合があるので,泡が 出現するまでに数分から数 時間,間があることがある.
  • 29. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 泡による血流障害 関節痛(“Bends”という名の由来) 四肢の筋肉痛 潜函病罹患者の85-90%に出現  5-10%の人は,神経症状  5% めまい  3% 麻痺,虚脱,意識消失 麻痺は,一過性のことも恒久的なことも  約2% 窒息(呼吸促迫,重篤な肺水腫,死亡) 肺毛細血管を閉塞する,無数の微細な泡が原因 潜函病,“Bends”の症状
  • 30. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. ダイバーが,ゆっくり海面に移送される場合,潜函病を防ぐた めに,肺からの呼出により充分な量の溶存窒素が除去可 能  全窒素量の2/3は1時間で放出される  約90%は,6時間で放出される. アメリカ海軍により安全な減圧方法の表が提示されてい る.  海底190ft.に60分間滞在した場合の減圧例 深度50ft.で10分 深度40ft.で17分 深度30ft.で19分 深度20ft.で50分 深度10ft.で84分 海底での作業が僅か1時間でも,減圧に要する時間は,約3時間. 体内からの窒素の排泄
  • 31. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. プロの潜水夫の間で,広く行われている方法は, ダイバーを加圧タンクにいれ,中の圧力をゆっくり 下げる方法. 圧の下げ方は,前述のアメリカ海軍のスケジュール と同様. すでに海上に戻ったダイバーに,数分から数時 間後に潜函病の症状が出現した際にも,タンク による除圧法が有効. この場合は,直ちに深海レベルまで加圧し,通常の数 倍の時間をかけて除圧をおこなう. タンクによる除圧,潜函病治療
  • 32. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 250-1000ft.の深海で作業をする場合 大きな加圧タンク内で,作業予定の深海相当の圧 に加圧して,数日から数週間生活する. この間に,組織や体液は,潜水中に暴露されるガスに 飽和される. 作業後に,このタンクにもどれば減圧バブルは発生 しない. 飽和潜水
  • 33. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 非常に深い場合,飽和潜水の間,窒素のかわりに heliumを使用する. 1. heliumの麻酔作用は,窒素の1/5 2. 組織に溶け込むheliumの容量は窒素の1/2で,しかも減 圧の際に組織から拡散するheliumは,窒素より数倍速く, 潜函病を起こしにくい. 3. heliumの密度は窒素の1/7と低く,気道の抵抗を最小に 抑えられる. 窒素は,密度が高く,気道抵抗が非常に高く, 呼吸仕事量を耐えがたいほど大きくする.  混合ガスの酸素濃度を低くする.  深度700ft.(22気圧)では,1%の酸素で,ダイバーの必要な 酸素を満たす.  21%の酸素では,PAO2が4気圧以上となり,わずか30分で 痙攣をおこす可能性が非常に高いレベルとなる Helium酸素混合気の使用
  • 34. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 1940年代以前は,海上からホースで潜水夫の かぶったヘルメットに空気を送っていた. 1943年,フランスの冒険家 Jacques Cousteauが,SCUBA(self-contained underwater breathing apparatus ) を普及した.  スポーツ,商業用の99%以上は,open-circuit demand system Self-Contained Underwater Breathing Apparatus (Scuba) Diving
  • 35. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. open-circuit demand type of SCUBA 構成要素 1. 一つ以上の圧縮空気ないしそ の他の呼吸ガス混合気のタンク 2. 初段階の減圧弁 3. Demand valve. 僅かな陰圧 で空気が肺内に流入し,海水よ り僅かな陽圧で肺のガスが海中 に呼出される弁. 4. マスクとホースが,僅かな死腔 で構成されている.
  • 36. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. open-circuit demand type of SCUBA 水面下に留まる時間に制限がある 点が最大の問題 • 200ft.では数分しか留まれない. • 肺から,CO2を洗い流すために 大量の気流が必要なのに,深度 が深いとガスが圧縮されてい小 さくなるため効率が低下する.
  • 37. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 潜水艦からの避難離脱 300ft.の深さで,何ら装備をつけずに離脱する事態が起 こりうる. 正しく再呼吸装置,とくにheliumを使用した,を使用すれ ば理論的には600ft.ないしそれ以上の深海からの避難 離脱が可能 主たる問題は,空気塞栓の予防 人が,浮上する際に,肺内のガスが膨張して,肺血管が 破綻してガスが血管内に入り込み空気塞栓をおこしう る. 浮上する際には,持続的に呼気努力を続ける必要が ある. 潜水艦特有の生理学的問題点
  • 38. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 避難とは別に,潜水艦内部環境から危険を遠ざけ るために,潜水艦医学はいくつかの工学的問題に 焦点を当てている. 1. 原子力潜水艦では,放射線障害の問題があるが,適 切なシールドを行うことで,海底に沈められた乗組員が 受ける放射線の量は,宇宙から海面上で受ける通常 の放射線量よりも少ない. 2. 有毒ガスが,潜水艦内の大気に漏出する危険があり, 直ちに制御する必要がある. 数週間にわたる水没中, 乗組員による喫煙は,一酸化炭素中毒を引き起こす のに充分なCOを放出する可能性がある.冷凍システ ムからのフレオンガスが,その毒性を引き起こすに充分 な量が拡散する可能性もある. 潜水艦の内部環境と健康問題
  • 39. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 通常2ないし3気圧相当の酸素がマスク,あるいは 気管挿管チューブ越しに投与され,体表周囲は,通 常の空気が,同等の高圧状態に与圧される. ガス壊疽 clostridial organism 嫌気状態で発育する菌で,PO2>70mmHgで発育が停 止する. 組織を高圧酸素状態にすると,感染過程を完 全に停止させることが可能で,以前は100%致死的だった 疾患が,高圧酸素療法で殆どの症例が治癒できるように なった.  その他の高圧酸素療法が有効な病態  潜函病,動脈ガス塞栓,一酸化中毒,骨髄炎,心筋梗 塞 高圧酸素療法
  • 40. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions O.Yamaguchi Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology 14th Ed. 45章 深海ダイビング,および 他の高圧状態の生理学 UNIT VIII 航空,宇宙,深海潜水の生理学