高气压减压中生理性气泡的形成

季春华，李华江，牛三元，徐佳骏，徐伟刚

高气压减压中生理性气泡的形成

季春华，李华江，牛三元，徐佳骏，徐伟刚

为了探讨高气压暴露后减压过程中气泡的来源和生长，通过分析总结该领域的全部文献，对相关的研究以及当前进展进行综述。在过去50多年中，潜水医学、生理学、有机化学和物理学等专业人员对该问题进行了持续关注，提出了多个理论模型，解释了潜水实践中的很多现象，但仍有很多问题未获解答。在气泡的形成中，异相成核仍是最有证据的机制，表面疏水性和组织弹性是解释气核稳定性的2个主要理论；在单气泡和多气泡的生长方面将有更多的研究予以关注。

潜水；减压；减压病；气泡；微核

减压病（decompression sickness，DCS）是涉及潜水员、航天员、飞行员和压缩空气作业人员的一种疾病，由减压过程或减压后体内产生的气泡引起。全世界估计有700万名休闲潜水员活跃参与潜水活动。而商业、科学、军事领域中潜水员的数量也越来越多。虽然DCS的总体发病率并不高（0.01%～0.10%），但在某些特殊地域或条件下，有可能会较常见［1-2］。DCS风险本质上取决于潜水方案，尤其是上升减压方案。通过遵守选择自减压表或生成自潜水电脑的减压方案，在不同深度处停留等待组织气体脱饱和，通过呼吸系统有效排出体外。

高气压生理学中有关气泡生成和生长及其影响因素的研究，对于理解DCS的病理生理学、促进其预防和治疗极其重要。此研究领域很复杂，和多个学科有关，涉及从数学建模到生理学研究的完全不同的方法学。全面理解不同观点，有利于理清问题，探索未来发展方向。

1 气核概念的提出

很久前即推测存在气体微核，但缺乏直接的在体实验证据。早在1912年，Hill［3］就描述了气泡如何利用“弱点”在液体中生成。1954年Fox等［4］讨论了气核对于超声空化诱导气泡形成的必要性，他们认为如没有气核，需要数百个大气压的压差才能导致产生气泡。

除了Harvey［5］提出的固体裂隙可以支持形成自由相气体。Greenspan等［6］通过观察非平坦表面的气泡生长的接触角，从几何学角度考虑其稳定性，结果显示经过膜过滤后水的超声空化阈值提高。1968年，Campbell［7］定量评估了这一理论，即当两个贴合表面迅速分离时，发生在压力下降区域的液体溶液的摩擦成核作用，讨论了固体表面组成在这种均相成核过程中的作用；他发现，要诱导气泡生长到宏观尺寸，溶液中必须要存在气体。

20世纪70年代末和80年代初，为了解释DCS可以发生在机体任何部位的事实，Yount等［8-9］通过加减压透明明胶研究了气泡的生成过程。结果证明气泡形成于预先存在的气核，经脱气处理后空化阈值明显升高，这是证明气核存在的特异性实验。类似方法也用于观察明胶样品在施加静态压力后的空化阈值，也显示有升高。从这些现象中，Yount等［8］认为气核可能是潜水后气泡形成的起源，他们进一步提出了通过短暂压力处理或者药物进行脱核的方法。他们还提议开发新的减压算法，直接整合气泡动力学（而非仅考虑不同组织的过饱和系数）。他们建议以潜水后超声检测获得的无症状气泡的生成情况作为评判减压方案安全性的指标，因为所有潜水都会产生一定程度的气泡［10］。

早期在体微核的实验证据来自Evans，他在1969年发现在减压前将虾加压到40 530 kPa，气泡形成数量明显减少［11］，他推测是由于在减压前“压碎”了这些微核。类似的结果在大鼠实验中也得到重复［12］。

2 气核的形成机制

2008年，Goldman［13］修正了均相成核所需的压力阈值，认为在表面张力比较低的特殊组织中，成核能量阈值比先前认为的理论值要低，但模型未考虑组织的血液灌注，所以其结论只适用于在成核过程血液灌流很小以致可以忽略的生理组织。即使均相成核确实能在生理条件下发生，它也只占超声观察到的静脉气栓的很小比例，非均相成核、摩擦成核和从先前稳定存在的微核生成气泡的过程明显比均相成核过程重要［14］。

近年，通过原子力显微镜观察到浸在水中的光滑平整的疏水表面上可自发生成5～30 nm的气泡［15］。机体疏水表面，如在大血管和脂肪内部，可能不一定需要裂隙就能形成微核［16］。在证明此假说的实验中，具有亲水或疏水光滑面的硅胶在经过脱气处理的水中被加压到90 m停留15 h后减压，发现气泡只在疏水表面生成。这些纳米气泡可以稳定数小时，而不是如想象中的因巨大的拉普拉斯张力将它们瞬间溶解［17］，但这种超稳定性至今尚未在理论上得到解释。机体脂肪组织比例高是DCS的一个易感因素，其原因通常认为是脂肪溶解了更多的惰性气体，这也可以补充解释为脂肪组织的疏水性使得它成为由纳米气泡到大量微核、再生成气泡的优先部位。

3 气核的稳定性

有3个力作用于单个气泡：内含气体向外的推力、环境压力向内的推力和气泡拉普拉斯表面张力。表面张力和半径成反比，所以在环境大气压下小于特定半径的气泡就有溶解的倾向。直径数微米的微核在环境大气压下需要保持稳定，必须要有额外的稳定机制，否则将立刻溶解。机械稳定性是气泡稳定的必要非充分条件。保持微泡的稳定，也需要它在所处的环境中达到热力学稳定或化学平衡。

有研究者证明，压力的周期性变化可以影响气核，这否定了有机不通透膜稳定气核的观点。此外，涉及多种气体时可能出现的逆向扩散现象，也与不通透膜的想法相悖［18］。为解释不通透膜的问题，Yount等［8］提出了具有可变气体通透性的表面活性膜的稳定机制。他们认为气泡表面一开始必须可通透，气体能扩散至气泡内；在超过快速施加的静态压阈值后，膜逐渐变得不通透。这些在实践中被发现的特性与表面活性剂膜相似，因此将此模型称为表面活性剂稳定理论。

Goldman［19］在2010年提出一种替代方案避免了在体内还未确定的表面活性物质的问题。在假设气泡是一种软的均质材料的情况下，关于气泡球型稳定的Young-Laplace公式在数学上广义包含了气泡周围表面张力和弹力的影响［18］。在球形气泡足够大（＞1μm）以致可忽略表面张力和气泡与环境之间相互干扰的微观行为的情况下，所得的广义Young-Laplace公式是准确的，把组织看成是一个过饱和状态下柔软的可变形材料［20］。对于具有不可忽略的切变模量的某个材料而言，这证明稳定小气泡的自由能量井是存在的。于是又提出了“具有表面张力并能抵抗加压和剪切力的均质弹性材料”组织的新模型，在解决微核稳定性问题的同时也可以支持微核假说。因此，他们认为组织弹性作为微核稳定性的一个潜在解释，能同时解释机械和热力学稳定性。推导显示，当气泡小于或大于一定半径时，其是机械稳定的，而中间大小的气泡则都将不稳定，因为表面张力和剪切阻力在气泡上起反作用力。这些阈值取决于被关注的弹性材料的切变模量的相对值，但它们对应的半径大致在小于0.8μm或超过6 μm。此有趣特性能够解释为什么非常小的气泡（气核）需要溶解的惰性气体来促发它们生长至超过第二机械稳定区域所需的半径。另一个将此机械稳定和化学稳定结合考虑的研究发现，具有不可忽略切变模量的弹性材料确实可以产生供气泡生长的稳定微核［19］。然而，假定体内例如肌肉运动时存在摩擦成核——已被认为是运动后DCS高发的机制之一，这可解释在任何时候都不能忽视由于摩擦成核作用产生的微核数量。

有人从几何学角度提出了另一个稳定机制。Chappell等［21］结合真实组织参数对形成于血管内部疏水锥形裂隙的气泡生长模型进行了测试。他们观察了这些气泡在压力下的行为［22］，结果显示这种几何学特征可以通过细微变形和曲率半径的改变来抵抗压力。他们接下来研究了气泡是如何在减压情况下从这些裂隙中生长出来的［23］。设计这个模型是用来解释单种惰性气体可通过裂隙壁发生气体转移。在不考虑气体转移的条件下，还观察了腔隙的几何学特征并对4种不同的几何学特征进行了分析［24］。发现成核行为主要取决于腔隙的开口大小，这发生在气泡生长到达腔隙开口时。在这种情况下流体状况会如我们预料的那样发挥重要作用。

4 单个和多个气泡行为

对固体表面的单气泡生长进行了研究，单气泡通过浸入水中的加热器制备。因为加热，液体局部出现过饱和，由此实现热力学脱气，这涉及了质量转移和热量转移。为了在气泡生成和生长的研究过程中避免重力的影响，在微重力条件下进行了该实验［26］。将实验结果与均匀冷却液体内部加热产生球形气泡的理论模型做比较［25］。多气泡的生长和分离显示，邻近的正在生长的气泡之间会竞争获取过饱和溶液中溶解的气体。这些气泡的最终尺寸会比只生成一个气泡时的小；还发现存在临界温度，超过此温度，气泡的生长不再加快。

Karapantsios等［27］认为，除了研究单个气泡的形成外，有必要研究气泡流（液体中多气泡流动）的特征，因为只有气泡达到一定量后才引起DCS。该研究发现，气泡大小取决于流动速度，和管道、径向、位置或者液体黏度之间没有相关性，而且随着表面活性物质和电解质浓度的升高而降低，并且两者作用可叠加［25］。

5 减压建模的作用

基于物理学参数设计减压模型，必须同时描述成核和生长。把两者结合起来才能根据潜水时间精确计算出气泡的大小分布，然后才能进行检验。如此，可采用离体物理学实验确定哪些参数影响和决定气泡数目和大小（成核期和生长期），而生理学研究只能观察它们的联合影响。尤其是开发出可控的体外实验装置，允许研究各个独立现象，它可以排除前面探讨的热量、质量转移、重力和（或）气泡竞争的影响。

为了设计更加安全的减压方案，研究者使用了静脉气栓来评估减压模型，而不是仅仅依靠DCS发病率。我们在国内率先建立了DCS气泡二维影像探测和分析技术［28］。Copernicus模型考虑到了气泡，并假定气泡生长自先前存在的气核［29］，然后依据Yount在1979年和Chappell在2006年提出的粗略机制稳定存在。

近年设计了一个特别针对关节减压病的生物物理学模型［30］。关节被分为两类组织，通过血液灌注和相互间的扩散来交换惰性气体。扩散界面和相对比较大的扩散系数可以解释经常观察到的迟发症状。自由相气体的临界体积被用以定义DCS。减压一开始就观察到卡滞现象。模型和数据匹配良好。

有关溶解气体模型的研究显示，外推区域并不很准确，因此需要高压减压后气泡生长的真实生物物理学模型。如果模型不能充分模拟生物生理学过程，就不能用以推断分析与它们的校准数据集不同的情况。使用静脉气栓计数比通过使用轻微或“临界”DCS症状来评估减压安全性更为科学重要［31］。

建模时还需要考虑寻找从生理学角度解释已知的危险因素，如运动和浸泡，对气泡数目的影响的方法。在此方面有个模型进行了有意思的尝试，在受控制的生理条件下，预测潜水后多普勒超声测得的气泡中位峰值，结合采用了溶解气相模型和灌注组织的气泡动力学模型［32］。

6 结论

通过原子力显微镜在疏水表面上观测到的自发形成的纳米气泡，成为微核的一个潜在候选者，尽管它们的生长能力由于它们的高稳定性仍存在争议。因此，异相成核和摩擦成核作用仍然是人类高压暴露后气泡生成的主要理论，而均相成核只在有巨大压差时才发生。

微核稳定过程的理论已有修正，并提出了一些新的说法。疏水表面似乎是裂隙生长模型的一个重要因素，它可能和某些将肥胖作为危险因素的生理学研究有关。另一个稳定机制是基于组织弹性的稳定势阱，它结合了机体运动产生的摩擦成核作用的持续程度——能够持续提供微核，可以解释一些生理学研究中观察到的运动影响气泡生成的现象。

在任何情况下，在减压模型中整合气泡生成和生长机制很重要，该研究领域的主要方向是努力使模型更加“生物物理学化”，以获得更好的外推效果。在这个方面，需要开发稳定、能定量监测潜水后静脉气泡的系统，既清晰又可靠，来校准和验证这些结果。

微核的定位或者气泡的生成部位仍然未得到解答，而体内除了观察到循环气泡外，现在也大概可以在体观察到组织（原位）气泡。它们之间以及多气泡之间的相互作用可导致溶解气体竞争性进入气泡，血流情况和灌流率是主要影响因素。

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The physiological bubble formation during decompression from hyperbaric surroundings

JIChunhua1，LIHuajiang2，NIU Sanyuan3，XU Jiajun1，XUWeigang1
（1.Department of Diving Medicine，Facuty of Naval Medicine，Second Military Medical University，Shanghai200433，China；2.The Clinic of the Department of Naval Navigation Guarantee，Tianjin 300050，China；3.The Linxia Clinic，No.1 Hospital of PLA，Linxia Gansu 622900，China）

To explore the origin and growth of bubbles following decompression from hyperbaric exposure，we reviewed the relevant researches and current progress by summarizing the literatures in this field.In the past50 years，although professionals majoring in Diving Medicine，physiology，organic chemistry，and physics paid sustained attention to this question and put forward many theoreticalmodels to explain the physiological observations during diving activities，there are many problems unanswered yet.Heterogeneous nucleation remains the prime candidate mechanism for bubble formation.Surface hydrophobicity and tissue flexibility are two main theories to account for micronuclei stability.More concerns will be given for the growth of single and multiple bubbles.

Diving；Decompression；Decompression sickness；Bubbles；Micronucleus

R845.2＋1

A

2095-3097（2014）01-0009-04

10.3969／j.issn.2095-3097.2014.01.003

2013-12-30 本文编辑：徐海琴）

200433上海，第二军医大学海军医学系潜水医学教研室（季春华，徐佳骏，徐伟刚）；300050天津，海军航海保证部医疗所（李华江）；622900甘肃临夏，解放军第一医院临夏医疗所（牛三元）

徐伟刚，E-mail：wgxu＠hotmail.com