DUIKCOMPUTERS - HOE HET ZIT by S. Angelini, Ph.D. Mares S.p.A.
Duikcomputer DUIKCOMPUTERS - HOE HET ZIT Het decompressie-algoritme in een duikcomputer is een poging om de effecten van een duik op het lichamelijk lichaam met behulp van wiskundige modellen te vertalen. De opname en afgifte van stikstof worden gesimuleerd aan de hand van een aantal zogenoemde compartimenten - elk van deze compartimenten staat voor een groep weefsels in het lichaam. Er is bijvoorbeeld een compartiment voor de spieren, één voor de botten, enz. De weefsels worden geïdentificeerd door middel van hun halfwaardetijd 1, een variabele voor de snelheid waarmee stikstof wordt opgenomen. Het Mares-algoritme is gebaseerd op tien weefsels met de volgende halfwaardetijden (in minuten): 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 120 en 240. Weefsels met korte halfwaardetijden zijn de zogenoemde snelle weefsels, weefsels met lange halfwaardetijden zijn de langzame weefsels. Elk weefsel wordt ook aangegeven met een tweede parameter, de zogenoemde M-waarde 2. Deze waarde is de verhouding tussen de maximale druk (ook spanning genoemd) ten opzichte van een omgevingsdruk die een bepaald weefsel kan verdragen. De term waarmee de overmatige druk in een weefsel ten opzichte van de omgevingsdruk wordt aangegeven, is oververzadiging. Waar het op neerkomt, is dat een duikcomputer de opname en afgifte van stikstof in elk weefsel bijhoudt op basis van een tijd-/diepteprofiel en de halfwaardetijd van elk weefsel. Het bepalende criterium voor een veilige opstijging is dat geen enkel weefsel de M-waarde tijdens de duik of bij het bovenkomen overschrijdt. Indien aan dit criterium niet wordt voldaan, wordt de opstijging onderbroken voor één of meer decompressiestops zodat de stikstof het lichaam kan verlaten terwijl de duiker op een diepte zit waar de druk nog wel aan het criterium voldoet. In dit artikel wordt beschreven hoe de stikstofdruk (of weefselspanning) zich tijdens een duik ontwikkelt en de decompressieberekening beïnvloedt. Hiervoor maken we gebruik van de nieuwe weefselgrafiek in de Icon HD Net Ready 4.0, die tijdens de duik de evolutie van de spanning in elk weefsel live volgt. Dezelfde evolutie van de weefselspanning kan achteraf worden bekeken op een pc of Mac (met respectievelijk DiveOrganizer of DivesDiary) zodra u de gegevens van de duik vanaf een compatibele Mares duikcomputer heeft gedownload. De tien weefsels worden weergegeven op een horizontale as - de halfwaardetijden nemen van links naar rechts toe. Elk weefsel wordt weergegeven met twee verticale balken. De hoogte van de linkerbalk staat voor de huidige belasting op een bepaald moment. De hoogte van de rechterbalk is de verwachte waarde na opstijging naar de oppervlakte vanaf de huidige diepte met een snelheid van 10 meter per minuut. Dat is erg belangrijk omdat er tijdens een opstijging nog steeds stikstof wordt opgenomen. Daar moet uiteraard rekening mee worden gehouden (wat voor de hand ligt wanneer u zich bedenkt dat een opstijging vanaf 40 meter minimaal 4 minuten duurt, bijna tweemaal de halfwaardetijd van het snelste weefsel en bijna de gehele halfwaardetijd van het een na snelste weefsel). Afhankelijk van de status van het weefsel op een bepaald tijdstip kan de linkerbalk iets hoger of lager zijn dan de rechterbalk. De linkerbalk is hoger indien het weefsel tamelijk verzadigd is met stikstof en de stikstof tijdens de opstijging als gevolg van de afnemende druk zal worden afgevoerd. De balk is lager indien er nog maar weinig stikstof door het weefsel is opgenomen en er ondanks de afnemende druk tijdens de opstijging meer stikstof zal worden opgenomen dan afgegeven (elk weefsel zal uiteraard stikstof afgeven als u maar dicht genoeg bij de oppervlakte bent). Voor de langzame weefsels helemaal rechts geldt overigens wel dat het verschil tijdens de opstijging vanwege de lange halfwaardetijden nauwelijks waarneembaar is en de twee balken dezelfde hoogte hebben. De verticale as van de grafiek wordt genormaliseerd zodat de M-waarde voor elk weefsel even hoog is. Vervolgens tekenen we ter hoogte van deze waarde een horizontale lijn over de volle breedte van de grafiek. Dit is de nullijn, dus op 0 meter - aan de oppervlakte. Zo kunt u de grafiek in één oogopslag aflezen: als één of meer van de rechterbalken tijdens de duik boven deze lijn uitsteekt, wil dat zeggen dat het desbetreffende weefsel wanneer u op dat moment naar de oppervlakte opstijgt, niet langer aan het bepalende criterium voldoet (de M-waarde is overschreden). Dit houdt dan ook in dat u verplicht een of meerdere decompressiestops moet maken, dat wil zeggen dat u enige tijd onder water moet blijven (op een diepte waar de druk hoger is dan de omgevingsdruk aan de oppervlakte en waar nog wordt voldaan aan het bepalende criterium), zodat het lichaam enige stikstof kan afgeven en de balk weer onder de nullijn zakt. Met het oog op de duidelijkheid wordt de blauwe rechterbalk ROOD wanneer de nullijn wordt gepasseerd. Een RODE rechterbalk wil dan ook zeggen dat een decompressiestop verplicht is. Wanneer er voldoende stikstof is afgegeven en de balk weer onder de nullijn zakt, wordt de balk weer BLAUW. In de grafiek ziet u boven de nullijn nog een tweede horizontale lijn - de 3 meter-lijn. Dit is het bepalende criterium voor een diepte van 3 meter. Zoals we ook al zagen bij de nullijn, 1 De term halfwaardetijd wil zeggen dat binnen deze tijd de hoeveelheid stikstof in het weefsel met de helft afneemt. Tweemaal de halfwaardetijd wil zeggen dat de waarde met 75% (50% van de resterende 50%) is afgenomen, driemaal met 87,5%, viermaal met 93,75%, vijfmaal met 96,75% en zesmaal met 98,44%. 2 In het Mares RGBM-algoritme zijn M-waarden dynamisch en passen deze zich automatisch aan het profiel aan. 2
voldoet u als u nu zou opstijgen, al op 3 meter niet aan het bepalende criterium wanneer een rechterbalk boven de 3 meter-lijn komt. In andere woorden, zodra de rechterbalk boven deze lijn uitkomt, moeten we op 6 meter een decompressiestop maken. 3 Dergelijke lijnen kunnen ook worden toegepast voor een stop op 9 meter en dieper, maar om de grafiek overzichtelijk te houden beperken we ons tot deze twee lijnen. Aangezien de M-waarden niet voor elk weefsel gelijk zijn (snellere weefsels kunnen een grotere oververzadiging aan dan langzamere weefsels) en de partiële stikstofdruk aan het begin van de eerste duik 0,79 bar is (weefsels zijn in balans met de atmosferische druk op zeeniveau 4 ), betekent dit dat de balken links aan het begin van de eerste duik lager zijn dan de balken rechts 5. Eerste duik wil in deze context zeggen dat het geen herhalingsduik is - er is dus geen sprake van reststikstof vanwege een eerdere duik. Alles wat hieronder volgt, is ook van toepassing op herhalingsduiken, uiteraard met het enige verschil dat niet alle weefsels beginnen met een ppn 2 van 0,79 bar, maar hoger vanwege de reststikstof van de vorige duik. De grafiek laat goed zien dat tijdens een herhalingsduik meer beperkingen gelden dan tijdens een niet-herhalingsduik: indien er nog stikstof van een eerdere duik in de weefsels aanwezig is, bevinden de balken zich aan het begin van de duik dichter bij de nullijn en is er minder tijd beschikbaar voordat één van de balken de limiet passeert. Voor elk weefsel wordt in de grafiek ook een horizontaal lijntje getoond, dat over de linkerbalk van elk weefsel heen wordt geplaatst. De positie van dit lijntje langs de verticale as is de partiële stikstofdruk in het ingeademde as. Tijdens een duik ziet u dit lijntje naarmate de diepte toeneemt/afneemt, naar boven en naar beneden verschuiven. In het geval van een gaswissel, bijvoorbeeld van lucht naar 80% nitrox, zakt het lijntje flink naar beneden. De positie van dit lijntje langs de verticale as speelt een belangrijke rol om te begrijpen wat zich in de weefsels afspeelt - de afstand tussen het lijntje en de bovenkant van de balk is het verschil in partiële stikstofdruk in het weefsel en het ingeademde gas, de drijvende kracht achter de gasuitwisseling dus. Dit wordt ook de drukgradiënt genoemd. Indien deze twee waarden ver uit elkaar liggen, wordt er veel gas opgenomen of afgegeven (binnen de beperkingen van de halfwaardetijd). Indien de twee waarden dicht bij elkaar liggen, is het weefsel bijna in balans. Voor een betere interpretatie van de grafiek is de balk zelf GEEL wanneer het lijntje BOVEN de balk staat en het weefsel dus gas opneemt (partiële druk van het ingeademde gas is hoger dan de partiële druk in het weefsel); wanneer het lijntje IN de balk staat en het weefsel dus gas afgeeft (partiële druk van het ingeademde gas is lager dan de partiële druk in het weefsel), is de balk zelf GROEN. VOORBEELD VAN DE WEEFSELGRAFIEK VOOR EEN DUIK MET EEN VIERKANT PROFIEL Wij gaan uit van een duik naar 30 meter met een duiktijd van 30 minuten en een vierkant duikprofiel, omdat we zo de diverse aspecten hierboven het best kunnen beschrijven. Wij analyseren de verzadigingstoestand van alle weefsels op 9 specifieke momenten tijdens de duik. Dit doen we aan de hand van de grafieken die Icon HD tijdens de duik zelf weergeeft. We beginnen met de situatie zoals deze aan het begin van de duik geldt (afbeelding 1). Alle weefsels zitten ruim onder de nullijn en we zien ook dat het v voor de partiële druk van het ingeademde gas gelijk valt met de bovenkant van elke balk (evenwicht bij atmosferische omstandigheden). In geval van een nitroxduik zou het lijntje in de balk vallen - wanneer u nitrox aan de oppervlakte zou ademen, geeft u stikstof af. Afbeelding 1: Weefselspanning aan het begin van de duik. In afbeelding 2 zien we de situatie aan het eind van de afdaling: de balken zijn iets hoger omdat er tijdens de anderhalve minuut durende afdaling stikstof is opgenomen. We zien ook dat de lijntjes van de stikstofdruk in het ingeademde gas zich naar boven hebben verplaatst - dit geeft aan dat het gas in de weefsels wordt gedrukt met een snelheid die in verhouding is met de afstand tussen elk lijntje en de bovenkant van de balk. Afbeelding 2: Weefselspanning aan het eind van de afdaling. Bij een constante diepte neemt de snelheid waarmee een weefsel gas opneemt, in de loop van de tijd steeds verder af, aangezien het verschil in druk tussen het ingeademde gas en de weefselverzadiging minder wordt. Dit is ook in de grafiek te zien omdat het lijntje van de ingeademde stikstofdruk op zijn plaats blijft (de diepte is immers constant) en de balk hoger wordt naarmate er stikstof wordt opgenomen - de twee komen dichter bij elkaar. Indien u lang genoeg op een constante diepte blijft, bereikt de balk het lijntje 6 en wordt er geen gas meer overgedragen: het weefsel is in balans (of verzadigd). In afbeelding 5 verder naar onder zien we dat na 30 minuten op 30 meter de 2,5 en 5 minuten-weefsels inderdaad verzadigd zijn, terwijl de langzamere weefsels dat punt nog lang niet hebben bereikt. In afbeelding 3 zien we de situatie bij minuut 18, net voordat de nultijd is verstreken: het snelste weefsel is zo goed als verzadigd (het lijntje en de bovenkant van de balk vallen samen), terwijl er in de zeer langzame weefsels nauwelijks iets is veranderd. Maar wat hier het meest opvalt, is dat de rechterbalk van het derde weefsel bijna de horizontale lijn raakt. En zoals we in afbeelding 4 kunnen zien, 4 Gaat u duiken in een bergmeer, dan is de atmosferische druk lager dan op zeeniveau - de duikcomputer past dit automatisch aan. De M-waarden voor dergelijke duiken veranderen ook en moeten handmatig worden aangepast: u moet de overeenkomstige hoogteklasse in de duikcomputer selecteren. 5 Aangezien de M-waarde langs de verticale as voor alle weefsels gelijk is ingesteld, is de aanvankelijke hoogte van de balken de hoogte van de nullijn gedeeld door de M-waarde van het weefsel zelf. 3
Duikcomputer gaat het lijntje vervolgens over deze limiet heen. Afbeelding 4: Weefselspanning aan het begin van een decompressieverplichting. We stijgen nu op naar de diepte van de diepe stop (afb. 6): we zien dat de eerste vier weefsels stikstof afgeven onder een waarneembare gradiënt (afstand van de bovenkant van de balk tot het lijntje). Het vijfde weefsel neemt nog altijd stikstof op, maar heel langzaam. Pas vanaf het zesde weefsel is er een aanzienlijke gradiënt voor het opnemen van stikstof. Dit is het 40 minuten-weefsel - met een diepe stop van twee minuten zal de verzadigingstoestand dan ook nauwelijks veranderen. Maar tijdens de 2 minuten kunnen de snelste (en ook meest gevoelige) weefsels een flinke hoeveelheid stikstof afvoeren bij een relatief hoge omgevingsdruk en kan de vorming van microbellen worden beperkt. Afbeelding 3: Weefselspanning aan het eind van de nultijd. In afbeelding 4 is het derde weefsel de nullijn gepasseerd. Zoals eerder uitgelegd betekent dit dat dit weefsel indien er nu een opstijging naar de oppervlakte wordt gemaakt met een snelheid van 10 meter per minuut, niet langer voldoet aan het bepalende criterium en er dus nu sprake is van een verplichte decompressiestop. Dit wordt duidelijk aangegeven - de balk verandert van blauw in rood. Wat ook interessant is, is dat de linkerbalk van het tweede weefsel ook de limiet is gepasseerd, maar dit weefsel zal voldoende stikstof afgeven tijdens een normale opstijging en nog altijd voldoen aan het bepalende criterium. We gaan nu kijken naar de situatie aan het eind van de bodemtijd op 30 meter (afb. 5): we zien dat 5 lijntjes niet aan het bepalende criterium voldoen. Opvallend is dat de eerste twee weefsels, nu beide verzadigd bij een absolute druk van 4 bar, voldoende stikstof afgeven tijdens de opstijging en dus niet in strijd zijn met het bepalende criterium. In andere woorden, in het geval van een duik naar 30 meter zullen de eerste twee weefsels nooit de beperkende factor zijn. Ook zien we dat een afname van de diepte met 0,5 meter voor de eerste twee weefsels voldoende is om weer stikstof af te geven - logisch want deze raakten verzadigd op 30 meter diepte en de minste daling van de druk zorgt ervoor dat het lijntje weer onder de bovenkant van de balk zakt. Afbeelding 6: Weefselspanning aan het begin van een diepe stop. Vanuit het perspectief van het algoritme is een diepe stop tijdens de opstijging bij dit profiel een voordeel. Dit wordt duidelijker in afbeelding 7, waarin de weefselverzadiging aan het einde van de diepe stop wordt getoond: de groene balken zijn aanzienlijk lager, terwijl de gele balken nauwelijks enige verandering laten zien. Afbeelding 5: Weefselspanning aan het begin van de opstijging. 6 Het punt van drukbalans wordt asymptotisch bereikt, maar wij gaan er hier vanuit dat dit binnen 6 halfwaardetijden gebeurt. 4
VOORBEELD VAN EEN WEEFSELGRAFIEK VOOR EEN DUIKPROFIEL MET EEN WISSEL NAAR EEN DECOMPRESSIEGAS MET EEN HOOG ZUURSTOFPERCENTAGE. Afbeelding 8: Weefselspanning aan het begin van de decostop. In afbeelding 9 wordt de situatie aan het eind van de decostop weergegeven: alle blauwe balken zitten nu onder de limiet. Maar er is geen veiligheidsmarge - de balken voldoen krap aan het criterium voor een veilige opstijging. Het is dan ook verstandig om altijd een veiligheidsstop van 3-5 minuten te maken op 3-5 meter, zelfs aan het eind van een decompressieduik. In de afbeeldingen 10 en 11 is sprake van een echte duik waarbij een gaswissel van lucht naar 80% nitrox werd uitgevoerd. We zien de weefselspanning net voor en net na de gaswissel. Het is duidelijk waarom een decomengsel met een hoog zuurstofpercentage gunstig is. De partiële stikstofdruk in het ingeademde gas daalt aanzienlijk en niet alleen geven twee extra weefsels gas af in plaats van dat zij dit opnemen, maar ook de drukgradiënt voor de afgifte is aanzienlijk toegenomen in de weefsels die al stikstof afgaven. Afbeelding 7: Weefselspanning aan het einde van een diepe stop. We gaan door naar de diepte van de decostop (afb. 8) en zien dat alle weefsels behalve het langzaamste weefsel, stikstof afgeven en 5 weefsels nog altijd niet voldoen aan het bepalende criterium. Afbeelding 10: Weefselspanning net voor een gaswissel Afbeelding 9: Weefselspanning aan het eind van de decostop. 5
Duikcomputer Afbeelding 11: Weefselspanning net na een gaswissel In afbeelding 12 wordt voor dezelfde duik de weefselverzadiging aan het eind van de verplichte decompressiestop getoond en in afbeelding 13 de weefselverzadiging 5 minuten later. De balken worden kleiner en hoe verder deze onder de onderste horizontale lijn zakken, hoe veiliger het is. Afbeelding 13: Weefselverzadiging 5 minuten na het eind van de decoduik. Afbeelding 12: Weefselverzadiging aan het eind van de decoduik. Mares S.p.A. - Salita Bonsen, 4-16035 RAPALLO - ITALIË - Tel. +39 01852011 - Fax +39 0185201470 www.mares.com 04/14 - Artbook 10337/14