59 the limbic system and the hypothalamus behavioral and motivational mechan...
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
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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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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
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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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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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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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
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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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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
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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
24. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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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
25. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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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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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
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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.
29. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
36. 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
38. 45 Physiology of Deep-Sea Diving and Other Hyperbaric Conditions
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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
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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
40. 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