潛水病理學

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1.氧中毒 2.減壓病病理學 3.無菌性骨壞死4.高氣壓神經綜合症5.肺部壓力傷

         氧化傷害可以改變細胞的生物分子，造成細胞和組織在結構及功能上的一些特殊改變。氧化傷害的細胞水平變化，包括多鍊不飽和脂肪、醣類、蛋白質及核酸，且對 細胞氧化還原、離子平衡、細胞訊號及基因轉錄產生影響。所有這些情況，最後使得氧化應激對細胞週期及死亡過程造成干擾。

(a) 氧中毒(Oxygen Toxicity)

         在前述章節潛水時呼吸系統的生理變化中我們已經簡單提及過氧中毒的問題，以下會對這個問題更加詳細分析。

氧中毒時細胞受損的機制一般認為與“活性氧”(Reactive Oxygen Species，ROS -反應性氧族 )的毒性作用有關。

         關於這個活性氧(Reactive Oxygen Species)問題，最初不受人注意，直到一九五０年代，研究發現經過核輻射照射的病人其病理組織變化與氧中毒時，細胞受損非常相似。漸漸又發現自身體 內抗氧化系統 (superoxide dismutase – endogenous superoxide)、白細胞殺菌功能與氧化系統，以及近代發現的缺血再灌注受損 (ischemia/reperfusion induced injury) 均與“活性氧”有關。

氧化應激 (Oxidative Stress) - 氧化壓、氧化性應力

       在這，要簡單介紹氧化應激。氧化應激是指組織或細胞中，自由基/抗氧化物，比值不平衡的狀態，尤其是當體內自由基過剩的情況下，抗氧化物被過度耗損的失衡狀態。

         大量研究表明氧化應激與人類各種相關分子的系列改變之病理變化，包括血管疾病狀態（如高血壓、動脈粥樣硬化）有關。氧化應激的幾個重要成因，包括內因性或 外因性異常製造自由基、含血質基（heme）金屬蛋白酵素的區隔喪失（decompartmentalization）、游離或復合之過渡金屬 （transition metals）如鐵和銅、及抗氧化防禦系統有缺損。當上述一個或多個因素存在時，氧化應激或者我們在這裏強調的氧中毒就會產生。而這個氧化應激中的自由基 實際上包含以上所提的“活性氧”。

         氧中毒的發生取決於氧分壓而非氧濃度。吸入氣的氧分壓（Partial Pressure of inspired oxygen, PiO2）與氧濃度(Fractional inspired Oxygen, FiO2)關係如公式：PiO2 ＝（PP － 6.27）× FiO2，式中PP (partial pressure) 為吸入氣壓力（kPa）:6.27kPa即47mmHg為肺泡內水蒸汽壓力。

吸入不同氧氣份壓下，氧氣的人體的變化Inspired oxygen partial pressure and its range of toxicity

Oxygen partial pressure (ata)	Physiological effect 生理效應
0.1	Death 死亡
0.16	Hypoxia 缺氧狀態
0.21	Normal air (Normoxic) 正常空氣
0.50	Pulmonary toxicity begin 呼吸系統開始出現氧中毒
1.6	Central Nervous system toxicity begin 神經系統開始出現氧中毒

 

         如果我們簡化公式的概念，忽略肺泡內水蒸汽壓力，可以換算出以下的結果。
潛 水活動在水深50m的海水下所產生的壓力為608kPa， 即4560mmHg (約6個ata)，這個時候雖然吸入壓縮空氣的氧濃度正常（FiO2 = 0.21），但是氧分壓卻高達 (608kPa × 0.21 = 127.6kPa = 957mmHg = 1.26ata)，已經超過呼吸系統氧中毒水平；相反，在太空中的宇航員由於環境壓力大約只有地面上的３份１左右，這時候即使吸入純氧（FiO2 ＝1），實際氧氣氣體分壓PiO2也僅27.5kPa(206mmHg)，因此也不易出現氧中毒。

(b) 肺部氧中毒(pulmonary oxygen toxicity –又稱為 Lorraine-Smith Effect)

         在娛樂性潛水運動中由於所使用的壓縮空氣、潛水深度、逗留時間短因此很少會呈現氧中毒的問題。只有在高濃度氧氣潛水運動(Nitrox diving) 飽和潛水(Saturation Diving) 或治療減壓病時吸純氧時間較長才有可能發生。值得一提的地方，如果潛水減壓病發生在飽和潛水後，這個時候的潛水員由於已經在先前的飽和潛水當中以及治療時 間往往維持數天，需要長時期暴露在高氧分壓環境下，無論是患者以及照顧他的高壓氧倉內操作員同樣會發生氧中毒的問題。

無論從動物實驗以及人類方面的研究發現：對經長期吸入純氧治療，而最終未能挽救生命的患者作屍體檢驗，可以發現肺部損害的病理變化主要有以下幾方面 :

         (a) 肺部大面積充血、出血(intra-alveolar haemorrhage) 和水腫(edema)，呈 "肝臟樣肺"。顯微鏡下檢查，可觀察到肺毛細血管內皮細胞和肺泡上皮細胞(Type I alveolar epithelial cell) 破壞，呈現玻璃 (fibrinous exudates & hyaline change) 樣變，基質密度喪失，線粒體 (mitochondrion edema) 腫脹和斷裂。正常人吸氧氣分壓力在83kPa、100kPa、200kPaO2分別在6小時、4小時、3小時就可出現這些症狀。

         (b) 隨後出現，肺泡明顯增厚，成纖維細胞增生(proliferative fibrosis)  (c)由於這些纖維化、玻璃樣變導致肺部不張、血漿滲至肺泡內，氣體交換受阻。 由於這個過程與長期呼吸純氧之下才發生，因此這種情況被命名為 “氧過多性缺氧”(hyperoxic hypoxia)。由於這些變化往往需要較長時間發生所以又稱為 “慢性氧中毒”。
如果吸入純氧時間並不很長，沒有引發疤痕形成，那麼大部份急性期的變化，會在停止呼吸純氧後，可以漸漸完全復原不留痕跡。但是如果呼吸純氧時間過長並且已經造成疤痕形成，那麼永久性的後遺症是應該會存在的。

        肺部氧中毒的臨床表現可以類似支氣管肺炎，在最開始階段可以出現鼻粘膜充血，有發癢感覺。繼而發生咽痛、咳嗽、胸骨後不適；頻繁咳嗽、吸氣時胸骨後灼痛， 以及聽診兩肺部會出現呼吸雜音，呼吸困難等等症狀。肺功能的檢查，可以發現肺活量(Vital Capacity)下降，肺部的彌散功能下降， X光檢查 (Chest X-ray) 肺部紋理明顯增加，可見片狀陰影類似大葉性肺炎的肺部病變。呼吸氧分壓愈高這些症狀及體征出現的潛伏期愈短。

        用作量度氧中毒的單位，最常用有兩類，第一類型，單位肺部氧中毒 (Unit Pulmonary Toxic Dose – UPTD)；第二類型，神經系統氧中毒指數(CNS%)。 這兩個指標都是由美國賓夕法尼亞州大學, (University of Pennsylvania Institute for Environmental Medicine)所研發出來, 用來監控呼吸及神經系統氧中毒。從簡單的解釋為，一個UPTD 等於在一個大氣壓力之下呼吸百分之一百氧氣一分鐘所得的結果。可以從數學公式之中運算出 UPTD。
 

肺部功能的下降百分比與UPTD 關係 

肺部功能的下降百分比 %	UPTD
2	615
4	825
6	1035
8	1230
10	1425
15	1815
20	2190

        臨床上有醫生也可以使用肺活量(Vital Capacity) 指標作為監察肺型氧中毒程度，而肺活量的變化，隨症狀加重而不斷下降。肺活量下降完全發生在肺容量的吸氣部分(第一秒鐘內用力吸氣量及最大吸氣量中期流速)，反應是吸氣功能受損。停止呼吸純氧氣之後後，症狀大約在二至到四小時內迅速減輕，肺部症狀大約需要三數天內完全復原。

        臨床上常用的高壓氧治療應用常規療程，2.5ata 九十分鐘呼吸純氧氣時間，大約可以產生270個UPTD單位，而應用美軍減壓病治療第六表格 (USN Recompression Treatment Table 6)大約可以產生645個UPTD，換句話說可以造成大約兩個百分比(2%)的肺功能下降，這個細小的百分比肺功能下降，經過休息後可以復原。但是在臨床治療上我們不能只單靠計算UPTD，而忽略患者的實際臨床表現，合理休息呼吸正常空氣間隔(air-break)及間隔時間(recovery intervals)。

(c) 腦部氧中毒(Neurological oxygen toxicity –又稱為 Paul-Bert Effect)

        在美國海軍的潛水研究單位中，過往經廣泛應用海軍潛水員進行真人測試，希望總結出所謂抽筋(癲癇 Convulsion)先兆症狀(pre-convulsive aura)，並且應用腦電波圖(Electroencephalography – EEG) 監測腦部氧中毒前的信號，很可惜這些監察都未能得到肯定的結論，只有在癲癇發作中所記錄的腦電波圖最有意義。可以追溯到的資料包括：

(i) 腦部氧中毒潛伏期(Latent period)： 在高壓氧治療環境下，出現症狀之前會有一個無症狀期，它的長短與吸入氧分壓成反比。腦組織內氧張力值必須達到一定程度才會引起癲癇發作，稱臨界壓力或臨界張力。在氧分壓340kPaO2，6O分鐘或氧分壓40OkPaO2  25分鐘，約有50%的人可發生症狀。奇特的是，氧中毒的臨界張力不是一個固定常數。體內CO2儲留或吸入氣體中CO2增高 (擴張腦部血管)、運動、高體溫、浸在水中等都會縮短潛伏期 ; 過度換氣形成低碳酸血症則可延長潛伏期。由於腦部氧中毒的潛伏斯短，常被稱作 “急性氧中毒”。
(ii) 腦部氧中毒先兆期 (pre-convulsive period)：在癲癇發作之前，大多數潛水員會有自主神經系統功能紊亂的前驅症狀，最初出現額、眼、口唇及面頰肌肉的纖維性顫動，也可累及四肢的小肌肉；並且表現面色蒼白、主訴有異味感、幻聽。繼而會出現有噁心、嘔吐、眩暈、流汗、流涎(口水)，也可出現視覺改變包括視野縮小、幻視；還會有心悸、心動過緩、指 (趾) 端發麻、憂慮及煩躁等精神症狀。接著會出現疲勞、嗜睡、呼吸困難等。前驅期一般維持數分鐘，這個時候神志尚算神智清楚。但是患者有時何以全無任何明顯前驅症狀而突然發生癲癇發作(驚厥)。

(iii) 腦部氧中毒癲癇發作期 (Convulsion)：發生癇發作期之前，往往在聽到突然而來一聲尖叫後，即刻出現癲癇樣發作。先是頸、四肢作強有力的伸張，在強直階段後的數十秒鐘來內，接著出現陣發性痙攣，四肢肌肉出現強而有力的反復抽搐、牙關緊閉、口角歪斜抖動、雙目直視、呼吸暫停(apnoea)、神志喪失、大小便失禁，最後症狀逐步停止。此後便是受儲留CO2刺激引起的強而有力的過度換氣。癲癇樣發作可持續一至兩分鐘，此時如離開HBO環境，常可在5至10分鐘開始恢復知覺，嚴重者則還會發作1至2次。當回到正常壓力(Normoxic) 後仍有意識模糊，出現頭痛、噁心、疲勞困倦、動作不協調，並且會出現短暫性健忘，一般經一至兩小時後可恢復。

而總結一萬五千次臨床高壓氧治療當中，大約有百分之零點二(0.2%)病人出現抽癲癇發作。

如果將神經系統氧中毒的症狀以其發生的次序分類，我們發現：
Neurological oxygen toxicity presentation in order of decreasing frequency
1. Nausea       嘔吐佔- 40%
2. Muscular twitching     肌肉抽筋佔- 21%
3. Dizziness       頭暈佔 - 17%
4. Visual disturbances      眼視力改變佔- 6% 

(d) 眼部氧中毒(Ophthalmological oxygen toxicity)

        觀察長期臨床高壓氧治療的病患者之中可以發現，會出現視力下降、加速白內障晶體成熟，尤其發生在年長或伴有糖尿病的患者身上。不成熟的組織對高分壓氧特別敏感，早產嬰兒在恒溫箱內吸高分壓氧時間過長，視網膜有廣泛的血管阻塞、成纖維組織浸潤、晶體後纖維增生，可因而致盲。

        研發 UPTD的 美國賓夕法尼亞州大學, (University of Pennsylvania Institute for Environmental Medicine) 早在六十年代葵鼠動物實驗中發現，在三倍大氣壓力下吸入純氧氣只要間中加插著呼吸正常空氣(Normoxia Interruption)，葵鼠壽命會延長。

        其後在七十年代臨床實驗當中發現加入同樣的呼吸正常空氣間隔(intermittent air break)，會延長或者減少肺部氧中毒的機會及效應。現時推論在高壓氧治療過程中，這個呼吸正常空氣間隔會誘導身體內抗氧化系統的復原功能，最後減低氧中毒的效應。 

(e) 如何預防氧中毒(How to avoid oxygen toxicity)

 
        最關鍵在於減少接觸，並且在合理的情況之下應用高分壓氧環境包括 (高壓氧治療環境、高氧潛水、深水潛水活動)及時發現症狀，儘快脫離高分壓氧環境。

即使每天進行高壓氧治療，在合理的一定時間內，只要作出適當的中間停頓(air-break and weekend rest intervals)，很少見因為使用高壓氧治療有積累性氧中毒作用。

資料來源  http://www.hkhyperbaric.com/divingpathophysiology1.html

 

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