Nutec NORSK UNDER VANNSTEKNOLOGISK SENTER A.S. Rapport nr: 07,91 Dato: Prosjekt nr: Rapportens tittel: Godkjent av

Transkript

1 , p Klientjoppdragsgiver: Klientsikontaktpersons referanse: Rapport nr: 07,91 Dato: Prosjekt nr: Rapportens tittel: Godkjent av metningsdykking. i Effekten av forhøyet partialtrykk av oksygen på lungefunksjon ved Kai-in Jakobsen G NORSK UNDER VANNSTEKNOLOGISK SENTER A.S Nutec Fortrolig Appendiks 110 ERKLÆRING VED FORDELING x Fri Distnbusjon Antall Sider : 16 + Graderingen gjelder til: ISBN: Emneord på engelsk: Emneord på norsk: Lungefunksjon Oksygentoksisitet av oksygendose etter UTPD bør opprettholdes. Eksponering til oksygen i konsentrasjoner på 60 - Oksygen h& toksiske effekter på lungene i konsentrasjoner over 50 kpa. Eksponering til oksygen i konsentrasjoner på 30 - Sammendrag: Einar Thorsen, Kåre Segadal Arbeidet utført av : Rapportskrivers signatur: J.A. Ask (Oljedirektoratet) I. Smith-Sivertsen (Statoil) FUDT (Statoil, Norsk Hydro, Saga Petroleum, Oljedirektoratet) C. Hordnes (Norsk Hydro) Postboks 6, 5034 Ytre Laksevg. Telefofi (05) Te.lex nulec n. Telefax: (05) arbeidsbelastninger. En reduksjon i oksygen partiaitrykket ved lock-outs vil dermed redusere sikkerhetsrnarginene. Måling 50 kpa ved metningsdykking synes ikke å være avgjørende for reduksjonen i lungefunksjon etter memingsdykk. kpa ved lock-outs medfører økt ut.holdenhet ved maksimale

2 c EFFEKTEN AV FORHØYET PARTIALTRYKK AV OKSYGEN Å LtJNGEFUNKSJON VED METNINGSDYKKING. Einar Thorsen og Kåre Segadal

3 2.1 Cellulære effekter Effekter på lungefunksjon 7 2. Fysiologiske effekter 5 1. Innledning 4 c I NNI-iOLD 4. Konklusjoner Referanser Måling av toksisk oksygen dose il 6. Appendiks 6.1 Reduced pulmonary function after a single saturaion exposure. E Thorsen, K Segadal and B Kambestad. dive correlates with depth and excessive oxygen

4 gevinster. kpa. forholdet er karakterisert i de tidlige studiene av Car, påvises en reduksjon av vitalkapasiteten og dose espdns c 1. INNLEDNING vitalkapasitet (3) ffdrhoet. respons Ved operasjonell metningsdykking er det vanlig prosedyre å øke Oksygen har velkjente toksiske effekter på lungefunksjon () partialtrykket av oksygen i bunnfasen til 30 eksponering til oksygen ved partialtrykk over 50 kpa kar. miksingen av gass i kammersystemet. Ved dekompresjonen økes partialtrykket av oksygen til kpa for å påskynde Ved behandling av dekompresjonssykdom og ved bruk av nzdcuste genering (Choteau Larnbertsen som en hyperbol funksjon (2) Dose respons forhold slik som det er beskrevet for endringene i av oksygen ved partialtrykk opp til 50 kpa og vurdere bruken av partialtrykket av oksygen i pustegassen vanligvis effekten) 110 sert, men in vitro studier på cellekulturer indikerer et. dose for andre lungefunksjonsvariabler er ikke tidligere karakt.er fremst av sikkerhetsmessige årsaker for å sikre adekvat cks:, tilfellene vil man kunne akseptere en viss toksisk effekt av inertgasseliminasjonen. Ved arbeid i vann og i sveisehabioat er systemer brukes enda høyere partialtrykk av oksygen. Ved disse oksygen sett i forhold til andre eventuelle terapeutiske studier (Appendiks), forsøke å belyse mulige toksiske effekter I denne rapporten vil man, basert på litteraturstudier og egne og unngå episoder med hypo::i ved kpa, først og

5 forholdet reaksjonen dannes såkalte høyreaktive oksygenradikaler inter Oksygen reduseres i elektrontransportkjeden til vann. I denne 2. FYSIOLOGISKE EFFEKTER i sveisehabitat. 2.1 Cellulære effekter eksponering over en gitt konsentrasjon. en viss hyperoksi over lang tid uten funksjonsnedsettelse, men responsene på hyperoksi, hvor det ser ut til at man kan tolerere i slike studier er altså sarnrnenlignbare med de lungefysiologiske fysiologiske funksjoner (3) in vitro. Dose respons oksydativ celleskade. Dette er påvist for cellulære kjeri.isk hele systemet bryte sammen og man får en rask utvikling av systemet har. Hvis eksponeringen overskrider en gitt grense, vil er imidlertid en begrensning på hvor stor kapasitet dette for oksygeneksponering øker ved intermittent eksponering (5). Det sesenzymer (4). Dette kan settes i sammenheng med at roleransen ler øke, og det kan induseres en økning i mengden av beskytrel eksponering til hyperoksi vil mengden av toksiske oksygenradka peroksidase, superoxide dismutase, og glutathione reduktase. Ved gjøre disse mellomproduktene som kommer på avveie ; catalase, oksygen i pustegasstilførselen ved dykking i vann og ven arbeid har et betydelig beskyttelsessystem for enzymatisk å uskadelig disse som forårsaker den toksiske effekten av oksygen. Celene mediært, som kan lekke ut i det intracellulære miljøer. Det er at man får en rask utvikling av funksjonsnedsettelse ved

6 0 Det er særlig cellenes mernbransystemer som er spesielt flsorrne for oksydativ skade. Det inntreffer en nedbrytning av membranenes integritet med skade av de transportmekanismene som foregår over membranene og som er nødvendige for opprettholdelse av det n:ra og intercellulære miljøet. Endothelceller synes mer følsomme enn epiteiceller, og det første tegn på oksydativ skade er som regel en lekkasje over kapillærene. Dette gir en økt interstitiell væsketransport. Hvis kapasiteten for lymfesystemet overskrides får man interstitielt ødem, og hvis den oksydative belastningen er så stor at epiteicellene også skades, vil man i lungene få væskelekkasje ut i alveolene. I tillegg til det enzymatiske beskyttelsessystemet, finnes et uspesifikt beskytteissystem, såkalte oxygen scavengers. Toksiske oksygenradikaler kan reagere med disse molekylene uten at det medfører cellulære funksjonsforstyrrelser og mengden av disse kan påvirkes. Polyumettede fettsyrer og vitamin E er to eksempler på slike molekyler. En optimal tilførsel av disse vil til en viss grad øke beskyttelsen mot oksygenskade. Dannelse av toksiske oksygenradikaler er en normal prosess i granulocytter i medieringen av en uspesifikk betennelsesprosess, og dannes for å bryte ned skadelige agens. Man vet at dannelse av gassbobler er meget vanlig ved enhver form for dekornpresjon etter aksepterte operasjonelle tabeller, uten nødvendigvis utvikling av klinisk dekompresjorissykdom (6,7). Bobler oppfattes som et fremmedlegeme og induserer en uspesifikk betennelsespro sess på det stedet som de blir filtrert. Hvis man samtidig er

7 øket (8,9). bar) Studier på langvarig eksponering til oksygen partialtrykk på 23 potenseres fordi substratet for dannelse av oksygenradikaler er utsatt for hyperoksi, er det en mulighet for at denne skaden kan C Ved eksponeringer til over 50 kpa oksygen, viste to tidlige ble gjort ved et omgivelsestrykk lik eller mindre enn 100 k?a (1 endringer i disse parametrene (13). Disse eksponeringsforszkene 2.2 Effekter på lungefunksjon 100 kpa som er vanlig ved hyperbar oksygenbehandling og behand tisk signifikante endringer. 14 dagers eksponering til 49 kpa oksygen hos 6 forsøkspersoner gav heller ikke signifikante og arterielle blodgasser under og etter eksponeringene som varte høyere, er reduksjon i vitalkapasitet, statiske lungevolum, 33 kpa er gjort av NASA i forbindelse med Gemini prosjekte (10 kpa i timer. Ved senere studier med mer omfattende studier av Comroe og Ohlsson fra 1945 og 1947 (14,15), reduksjon dager for i alt 34 forsøkspersoner, viste ingen statis 12). Måling av vitalkapasitet, residualvolum, diffusjonskapasitet i vitalkapasitet ved eksponering for 75 kpa i 24 timer og ved 83 diffusjonskapasitet og arterielle blodgasser påvist (16). Humane ved eksponeringer til 60 kpa i fem døgn. Ved eksponeringer over lungefunksjonstesting ved eksponeringer til 95 kpa oksygen og i dyreforsøk er karakteristiske lungefunksjonsendringer påvist forsøk med eksponeringer på kpa oksygen mangler også, men

8 ingen til oksygen ved operasjonell metningsdykking. Våre studier kpa oksygen i 20 dager som er den karakteristiske eksponer 30 Det finnes ingen studier av langvarige eksponeringer ril met kan da også inntre. produktet (1,2) (CPTD, se senere). Effekter på øye og riervesyse og diffusjonskapasitet i løpet av timer, avhengig av dose c ung av dekompresjonssykdom inntrer reduksjon i v:alkaas::e: vi har sett. Reduksjonen i vitalkapasitet kan motvirkes ved en Ved oksygentoksisitet ville man forvente en reduksjon i diffu metningsdykk korrelerer best med dybden eller dekompresjonstiden, treningseffekt på respirasjonsmuskulaturen som vil tendere til gassembolier som filtreres i lungene affisere gassutvekslin;en eksponeringsvariabler viser at reduksjonen i lungefunksjon etter og statiske lungevolum, og ikke en signifikant økning slik som å øke vitalkapasiteten og de statiske lungevolumene (18) sjonskapasitet, men samtidig også en reduksjon i vitalkapasitet asitet og økning i statiske lungevolum etter metningsdykk (17) viser at det er en korrelasjon med oksygeneksponeririg, men lysene for endringer i lungefunksjonsvariabler mot dykke i lungene og gi en redusert diffusjonskapasitet. Regresjonsana Samtidig vil dekompresjons stresset med dannelse av venose av metningsdykk viser en signifikant reduksjon i diffusjonskap eksponering bortsett fra i forandringene i lukningsvolum som er nøye knyttet til hverandre. Enkel korrelasjonsanalyse svakere enn for dybde/ dekompresjonstid, og ved multippel regresjonsanalyse gjenfinner man ikke korrelasjonen med oksygen (Appendiks).

9 kpa målemetodene og de inter individuelle variasjonene i responsen matematiske modelleringen av responsen slik som det er ;jor: av med de metodene for lungefunksjonstesting som er benyttet. Den kanskje ikke gir lungefunksjonsforandringer som er detekterbare analysene kan imidlertid ikke utelukke effekter; følsomheteri av Clark og Lambertsen (2) indikerer også dette. De statistiske Resultatene av foreliggende studier synes etoer dette at oksygeneksponeringen ved metningsdykking pà 40 - Ved arbeid i vann og i sveisehabitat med separat gassforsyning tilgjengelig svarende til fire ukers eksponering for 40 etter slike eksponeringer operasjonelt, vet man ikke noe om en effekten eventuelt bidrar til reduksjonen i lungefunksjon etter et metningsdykk, men oksygeneffekten kan neppe forklare hele oksygen. Bare et eksperimentelt forsøk kan si hvor mye oksygen reduksjonen idet indikasjonene på effekter av dekompresjonss:res er for store til det. Dessuten er det ikke eksperimentelle data til dykkeren, utsettes man for partialtrykk av oksygen som man vet man ikke sikkert. Operasjonelt holder man seg innenfor vet har toksisk effekt, men selvsagt avhengig av eksponeringstid set med mikroembolisering er meget sterke. en. I hvor stor grad denne eksponeringen bidrar til totaleffekten akseptable grenser hva gjelder dose målt etter UPTD begrepet (se eksponeringer er influert av toleranseutviklingen som man vet senere) når det gjelder døgndose, men responsen ved repeterte finner sted (4,5). Toleranseutviklingen kan skyldes både repeterte dykk, men også kontinuerlig eksponeririg til hyperoksi i boligkamrene. Ettersom det ikke forefinnes målinger før og 50

10 slik eventuell effekt og om tiden mellom eksponerrene er tilstrekkelig for eventuell full restitusjon. Reduksjonene i vitalkapasitet, hvis < 20 %, er så ianr man kjenner fullt reversible i løpet av i 2 uker (2) Reduksjnnefl i diffusjonskapasitet kan vedvare i inntil 2 4 uker etter eksponeringen. Langtidseffekter utover dette som med sikkerhec. kan tilskrives oksygeneksponering alene kjenner man ikke, men det er påvist sikre langtidseffekter av dykking (19,20) Er det nødvendig å øke partialtrykket til kpa ved dykking i vann eller arbeid i sveisehabitat? Fysiologisk synes det som om dette er adskillig høyere enn nødvendig. Forsøk av Flynn og medarbeidere (21) og Salzano og medarbeidere ved (22) 180 og 300 meter sjøvann viste begrensninger i gassutvekslingen ved submaksimalt arbeid inntil 200 Watt når partialtrykket av oksygen i pustegassen var 22 og 28 kpa. Dette medførte imidlertid ikke reduksjon i utholdenhet eller hypoxi ved de gitte belastnin gene. Ved maksimale arbeidsbelastningsforsøk under Deep-ex dykkene på NUTEC ble det påvist at maksimal yteevne og utholden het økte ved økning av partialtrykket av oksygen i pustegassen fra 35 til 100 kpa (22a) Ved en lav hyperkapnisk ventilatorisk respons (23) hvor man ikke øker ventilasjonen adekvat som en respons til karbon dioksyd produksjonen ved fysisk arbeid, vil man kunne utvikle hypoksi under slike forhold, men eksperi mentelle data på dette mangler.

11 3. MÄLING AV TOKSISK OKSYGEN DOSE I toksikologien er det vanlig å beregne kumulativ eksoneririgs dose for et agens som produktet av konsentrasjon og tid. Når det gjelder oksygeneksponering er også dette mulig å gjøre slik v har gjort (Appendiks), men da med korreksjon for den r.ormae oksygeneksponeringen som er på 21 kpa. Excessive oxjgen exposure (EOE) ble beregnet som: EOE = I (P102 21) dt Denne eksponeringsparameteren viste en svakere korrelasjon med lungefunksjonsendringene etter metningsdykk enn dybde/dekompre sjonstid, og i rnultippel regresjonsanalyse var det bare endringe ne i lukningsvolum som korrelerte til denne parameteren (Apcen diks). Fordelen med å beregne oksygeneksponering på denne måten er at det også taes hensyn til oksygeneksponering ved partial trykk mindre enn 50 kpa. Ciark og Larnbertsens (2) metode for beregning av toksisk oksygen dose enhet (Unit Pulmonary Toxic Dose, UPTD), baserer seg på endringer i vitalkapasitet ved oksygeneksponering og kan defineres som den endring i vitalkapasitet som inntrer ved eksposisjon for 100 kpa oksygen i ett minutt. Basert på den hyperbole relasjonen for endring i vitalkapasitet ved hyperoksi, kan man så beregne UPTD for enhver gitt eksponering. En forutset ning i denne modellen er at oksygen partialtrykk mindre enn 50 kpa ikke medfører endringer i vitalkapasitet:

12 I operasjonell dykking tillater man eksponeringer som gir 40 gjennomsnittlig 2 % reduksjon i vitalkapasiteten. Dette tilsvarer CPTD = I (P(t) - /501 1/1.2 dt 50) Kumulativ dose (Cumulative Pulmonary Toxic Dose, CPTD) blir da: dykking at det bør opprettholdes. c UPTD =.[ (P102 50) /50] 1/1.2 Man kjenner ikke dose respons karakteristika for endringer i ene av dykking på lungefunksjon, selv om altså andre eksponer tyder på at den generelle hyperbole responskurven endres. Selv dykking. UPTD begrepet er så godt innarbeidet i operasjonell reduksjon i vitalkapasiteten som tilsvarer 1425 UPTD. Det kan ikke utelukkes at denne eksponeringen bidrar til langtidseffekt lungefunksjori som funksjon av EOE, men.det er ingen ting som om eksperimentelle data mangler ved langvarige eksposisjoner for EJPTD. Ved behandling av trykkfallsyke tillater man inntil 10% ingsfaktorer kan være mer dominerende. forandringer ut fra de dataene vi har i forbindelse med metnings kpa oksygen, synes det ikke som om man vil forvente s.ore

13 4. KONKLUSJONER 1. Oksygen har toksiske effekter på lungene i :Kose-a sjoner over 50 kpa. 2. Eksponering til oksygen i konsentrasjoner på kpa ved metningsdykking synes ikke å være av;jorede for reduksjonen i lungefunksjon etter metningsdykk. 3. Eksponering til oksygen i konsentrasjoner på kpa ved lock outs gjør at utholdenheten ved rnaksiraie arbeidsbelastninger forlenges, men reduksjon til < 50 kpa medfører ikke fysiologiske begrensninger i oksygenopptaket ved sumaksimale arbeidsbelastnirlger. Sikkerhetsmarginene vil imidlertid innsnevres ved reduksjon i oksygenpartialtrykket. 4. Måling av oksygendose etter UPTD bør opprettholdes.

14 The Physiology and Medicine of Diving. 3rd ed. LondDn: lung permeability and edema in the rat exposed to 100 % 2. Ciark JM, Lambertsen CJ. Oxygen toxicity: a review. Balliere Tindall, 1982: Ciark JM. Oxygen coxicity. In: Bennett PB, Ei1Ot Ds-i, eds. c 5. REFERANSER 5. Widell PJ, Bennett PB, Kivlin P, Gray W. Pulmonary oxygen 4. Harabin AL, Eraisted JC, Flynn ET. Response of anoioxidant 7. Spencer MP, Ciark HF. Precordial monitoring of pulmonary gas 6. Thorsen E, Hjelle J, Segadal K, Gulsvik A. Exeroise 8. Flick MR, Pere]. A, Staub NC. Leucocytes are required for 9. Flick MR, Milligan SA, Hoeffel JM, Goldstein IM. Catalase Aerosp Med 1974; 45: 407 Pharmacol Rev 1971; 23: 37 enzymes to intermittent and continuous hyperbaric oxygen. oxygen. J Appi Physiol 1990; 69: Royston BD, Webster NR, Nunn JF. Time course of ohanges in J Appi Physiol 1990; 69: 328 toxicity in man at 2 ata with intermittent air breathing. dives. J Appi Physiol 1990; 68: tolerance and pulmonary gas exchange after deep saturation em.bolism and decompression sickness. Aerosp Med 1972; 43: prevents increased lung microvascular permeability during increased lung microvascular permeability after microernboli zation in sheep. J Appi Physiol 1981; 48: 344 air emboli in unanesthetized sheep. J Appi Physiol 1988; 64:

15 c 10. Morgan TE, Cutler RG, Shaw EG, Ulvedal F, -{argreaves JJ, Moyer JE, McKenzie RE, Welch BE. PhysiologiC efec:s o exposure to increased oxygen tension at 5 psia. Aerosp ed 1963; 34: Robertson WG, Hargreaves JJ, Herlocher JE, elch EE. Physiologic response to increased oxygen partial pressre. II. Respiratory studies. Aerosp Med 1964; 35: Dubois AB, Hyde RW, Hendler E. Pulmonary mechanics and diffusing capacity following space flight of two weeks duration. J Appi Physiol 1963; 18: Helvey WM, Albright GA, Benjamin FE, Gall LS, Peters JM, Rind H. Effects of prolonged exposure to pure oxygen on human performance. Republic Aviation Corporation, Report 393 1, NASA Contr. NASr 92, Comroe JH jr, Dripps RD, Dumke PR, Deming M. Oxygen toxici ty. The effect of inhalation of high concentracicns off oxygen for twentyfour hours on normal men at sea levd and at simulated altitude at feet. J Arn Med Assoc 945; 128: Ohisson WTL. A study on oxygen toxicity at atmospheric pressure. Acta Med Scand 1947; suppi Fisher AB, Hyde RW, Puy RJM, Ciark JM, Lambertsen CJ. Effect of oxygen at 2 atmospheres on the pulmonary mechanics off normal man. J Appi Physiol 1968; 24: Thorsen E, Segadal K, Myrseth E, Påsche A, Gulsvik A. Pulmonary mechanical function and diffusion capacity after deep saturation dives. Br J md Med 1990; 47:

16 18. Leith DE, Bradley M. Ventilatory muscle streng_h and endurance training. J Appi Physiol 1976; 41: Thorsen E, Segadal K, Kambestad B, Gulsvik A. DiverS lung function: small airways disease. Br J md Med 1990; 47: Thorsen E, Segadal K, Kambestad B. Characterisics o :he response to exercise in professional saturation divers. Undersea Biomed Res. In press. 21. Flynn ET, Saltzman HA, Summitt JK. Effects of head out immersion at ATA on pulmonary gas exchange in man. J Appi Physiol 1972; 33: Salzano J, Rausch DC, Saltzman HA. Cardiorespiratory responses to exercise at a simulated seawater depth of 1000 feet. J Appi Physiol 1970; 28: a. Segadal K, Petersen R, Olsen C, Eines LG, Bolstad G. Deep ex 80. Exercise capacity experiments. Preliminary report. NUTEC report No 49/ Segadal K, Nicolaysen G, Gulsvik A. Changes of ventilatory response to CO2 with 3.7 MPa helium oxygen saturation diving. Proceedings of Annual meeting of European Undersea Biomedical Society, Palermo, 1987:

17 BRONCHIAL REACTIVITY AND RESPIRATORY EFFECTS OF DRY BREATHING GAS AT INCREASED AMBIENT PRESSURE C Address for correspondence: Einar Thorsen, M.D. Running title: Bronchial reactivity and dry breathing gas Gravdalsveien 255, N 5034 Ytre Laksevàg, Norway. Einar Thorsen, Ivar Rønnestad and Káre Segadal Norwegian Underwater Technology Centre A/S N 5034 Ytre Laksevàg, Norway. NUTEC, P.O.Box 6,

18 ABSTRACT Inhalation-of cold, dry gas results in increased airways resis: ance. The effect is related to respiratory heat and water loss. We have measured forced expired volume in one second (E), forced vital capacity (FVC) and maximal midexpiratory flow rate (MMEF) before and after exposure to dry or humidified breath:n gas of 37 C when diving to pressures of 1.17, 3.75 and 5.98 AA in five divers. The response was compared with the subjects reactivity to pharmacological bronchoprovocation with metacho line. Baseline FEV 1 and MMEF decreased in accordance with the increasing gas density. After exposure to dry breathing gas, there was a further reduction in FEy 1 and MMEF (p<o.ol), which relative to baseline increased with increasing gas density. This response was related to the bronchial reactivity to metacholr.e (p<o.ol). There was no significant change in FVC, FEV 1 and IMEE after exposure to humidified breathing gas. Convective respira tory heat loss was negligible in these experiments, indicating that dry gas itself had a significant bronchoconstrictive effect. Divers with increased bronchial reactivity may be at increased risk of development of bronchial obstruction and air trapping during diving. Key words: Diving; Pulmonary function; Respiratory heat loss; Respiratory water loss.

19 INTRODUCT ION The inhalation of dry and cold gas results in increased airways resistance in both normal subjects (O Cain et al., 1980) anc asthmatics (Deal et al., 1980). The response is reaced cc total respiratory heat loss. The response correlates with the response to pharmacological bronchoprovocation with hiscanine cc metacholine (O Byrne et al.,1982; Aquilina,1983). At increased ambient pressure, pulmonary mechanical function is limited by the increased density of the breathing gas. Airways resistance increases in proportion to gas density (Maio and Fahri, 1967) Jammes et al. (1988), have shown that the inhalation of cold gas (helium oxygen mixture) at 25 ATA resulted in increased airways resistance in divers who had a normal bronchial reactivity cc carbachol. Burnet et al. (1990), showed that this effect was linearly related to convective respiratory heat loss. This effect will add to the pulmonary limitations already imposed by the increased gas density. In deep saturation diving with the use of helium or heliumhydrogen mixtures as breathing gas, warming of the breathing gas is necessary to avoid excessive heat loss and general hypothermia due to the larger heat capacity of the gas mixture (Piantadosi et al., 1980). For operational reasons, the breathing gas supplied to the divers when working in water, has to be dry to prevent freezing and obstructions in the gas supply. Inhalation of dry breathing gas may result in airway epithelial damage and inflammation (Barbet et al., 1988). Furthermore, changes in the

20 osmolarity of the bronchial mucosa may induce a brrnchdc strictive (Eschenbacher and Sheppard, 1985) and vasoacrve effe: (Baile et al., 1990), and the evaporative hear loss contribute to the total respiratory heat loss. We have prevous reported that humidified breathing gas was subjectively more comfortable for divers than dry breathing gas, and that there was a reduction in maximal midexpiratory flow rate after breathn dry gas at 5.98 ATA (Rønnestad, 1985). In this study, rhe respiratory effects of exposure to dry or humidified breathing gas of 37 C when diving to ambient pressures up to 5.98 ATA, were compared with the response to pharmacological bronchopro vocation with metacholine. SUBJECTS AND METHODS Four male and one female diver aged years were studied. The subjects characteristics and baseline pulmonary function are shown in Table 1. Predicted values for the lung function variables were those of Gulsvik (1978). None of the subjects had ever smoked. They were recruited from the Subaqua Club at the University of Bergen, and they were all experienced sports divers and scientific divers for the University. The protocol for the study was approved by the Ethical Committee of the Norwegian Research Council for Science and the Humanities (NAVF). An informed consent was obtained from each subject. Pulmonary function was measured before and after exposure to humidified or dry breathing gas of 37 C when diving at ambient

21 pressures of 1.17, 3.75 and 5.98 ATA. The dives to a pressure of 1.17 ATA were done in a pool, and the dives to pressures of and 5.98 ATA were done in the wet pot of the hyperbaroc chamber complex at the Royal Naval Base at Haakonsvern, Norway. 7ne divers wore wet suits and the underwater breathing system was a prototype designed by Ottestad Breathing Systems A/S (Tznsberg, Norway), consisting of a low resistance breathing valve and humidifier. The temperature of the breathing gas was continuously monitored with a Fenwal GB 42S MM1 thermistor (Fenwal Electron ics, Framingham, MA, USA). Relative humidity, measured at the output of the humidifier, was % depeding on gas flow, at a temperature of 37 C at 1.0 ATA, but humidity was not continuously monitored during the dives. Environmental water temperature was C. The bottom time for each dive was 30 minutes and the decompres sion procedures followed were those of the US Navy Diving Tables. At the bottom depth, the divers performed physical activity in the form of swimming against a resistance that could be regulat ed. The work load was standardized for each depth. The work load could not be measured accurately, but based on previous experi ence, it was subjectively classified as moderate at 3.75 and 5.98 ATA, and hard at 1.17 ATA. At each depth, the divers dived once with dry breathing gas, bypassing the humidifier, with a temperature of 37 C, and once with humidified breathing gas of 37 C. Exposure to dry or humidified breathing gas was given in random order and on

22 different days. As a control condition they were breathing do:; or humidified breathing gas at 37 C for one hour, resting room air at 1.0 ATA. One diver did not take part in the dives 3.75 ATA and one diver did not take part in one of the dives 5.98 ATA. Forced vital capacity (FVC), forced expired volume in one second (FEV) and maximal midexpiratory flow rate (MMEF) were measured on an Ohio rolling seal spirometer. The highest values from three manouevers, not differing by more than 5% from the highest FVC, were used for analysis. The measurements were taken before entering the wet pot of the chamber or the pool, and immediately after surfacing. A questionnaire for subjective evaluation of pulmonary symptoms and comfortability of the breathing gas ;as administered after the dives. Bronchial reactivity to metacholine was measured four weeks after the diving experiments according to the method of Cockcroft et al. (1977). Doubling concentrations of metacholine, starting with 0.25 mg m1, were inhaled from a Pan Nebulizer for 2 minutes of tidal breathing. Forced expiratory volumes were measured 1 and 3 minutes after the inhalation. The time between each administe red dose was 5 minutes. The control was isotonic saline. Bronchial reactivity was expressed as the provocative concentrat ion causing a 20% reduction in FEy 1 (PC 20). The maximum concentra tion of metacholine administered was 64 mg ml.

23 1 (F 57.4, RESULTS absolute pressure, and the response is given as the slope of the the baseline FEy humidified breathing gas were calculated as the best fit linear 1 and MMEF changed with increasing anoren: Data processing and statistics. Changes in the ung C variables are expressed as per cent change from baseline, because The subjects FVC and FEy Table 1. They were all free of pulmonary symptoms arid had a the effects of dry and humidified breathing gas and the interindividual variability of the response. pressure, Figure 1. The responses of FEV and MMEF CD dry normal physical examination of their heart and lungs. Subject i pulmonary disease. Baseline FEy regression between the change in the lung function variables and had had childhood asthma, while subject 2 had not had any range, but MNEF was lower than predicted in subject 1 and 2, regression line. Two way analysis of variance was used to analyse breathing gas, Figure 1. FVC did not show any significant depth and 5.98 ATA in accordance with the increased density of the dependant changes. The responses of FEy ied breathing gas, and the responsiveness to metacholine are shown in Figure 2 for two of the subjects. The calculated given as the slopes of the regression lines, are shown in Table responses of the change in FEy 2. There was a significantly greater reduction in FEy 1 and MNEF to the dives with dry and humidif 1 were within the normal predicted 1 and M4EF to increasing depth, 1 and MNEF were reduced at 3.75

24 One subject was hyperreactive with a PC 20 of 2 mg ml, one was reduction in lung function after exposure to dry breathing as. iveness to metacholine were the subjects with the greares and as seen from Table 2, the subjects with the highest respr.s compared th humidified gas. There was also a sigffca interindividual difference fl the response (F 20.2, < Q.O1, experiments, implying that dry gas itself had a significant density. Convective respiratory heat loss was negligible in these flow under these circumstances than at normal pressure and gas response will, however, cause a relatively larger reduction in the increased gas density. An additional 0fl 0hoCOn5tct0ry reduced because of the increased airways resistance imposed by with jcreasiflg depth. At 3.75 and 5.98 ATA, FEV 1 and MMEF are on depth because baseline values for FEV 1 and MNEF are reduced breathing dry gas, but this effect IS not necessarily dependant The results of this study show a reduction Ifl lung function after DISCUSSION more comfortable than dry breathing gas. divers reported that subjectively humidified breathing gas was There was no significant change Ifl FVC after the dives. All FEV 1 and FEV 1/FVC ratio were normal. subjects compared with the non-reactive subjects, but their FVC, non-reactive. Baseline MMEF at 1 ATA was lower in the reactive borderline with a PC 20 of 12 mg m1, while the other three were p<o.oo 1) and EF (F 31.2, p<0.oi) after breathing dry

25 bronch000nstrictive effect. The results of the lung function measurements were in addition to the effects of the increased gas density, influenced by :ne wearing of a diving suit when the measurements were oaken, ;h:cn could restrict the movements of the thorax. ur:herncre, immediately after the dives, residual effects of the redistribut ion of blood volume in the thorax due to immersion, may have influenced the results. There was, however, no change in FVC immediately after the dives, and the experimental conditions were the same whether the exposure was to dry or humidified breathing gas. Differences in total evaporative respiratory heat loss may have occured since minute ventilation was not measured, but the divers in water activity was standardized and the same under both experimental conditions. The inhalation to total lung capacity before a forced expiratory manouever has a broncho dilatory effect (Orehek et al.,1981). However, this would have the effect of reducing the difference between the results of the exposure to dry and humidified breathing gas. There was a significant interindividual variability in the response to dry breathing gas and the results from the metachol me challenge indicate a relationship between bronchial reactiv ity and the response to dry breathing gas. The number of subjects in this study is very small, but other studies show a very close relationship between the responses to pharmacological and physical bronchoprovocation (O Byrne et al., 1982; Aquilina, 1983). The mechanisms for the bronchial responses to the stimuli

26 are not fully elucidated, but different mechanisms ma so involved, depending on the stimulus. There may be a neurogenlc response due to stimulation of thermal and irritant receptors the bronchial mucosa, or a response mediated by locally releases transmitters. The response can be triggered by respiratory near loss due to warming and humidification of the breathing gas, ass by local changes in osmolarity of the bronchial mucosa due so water loss (Eschenbacher and Sheppard, 1985; Baile et al., 1990). In studies on isocapnic hyperventilation with dry and cold air, the evaporative heat loss is small compared with convective heat loss. Nevertheless, our results indicate that the evaporative heat loss or water loss contributes to the overall response. Neither professional divers nor sports divers are screened for bronchial reactivity. Subjects with bronchial hyperreactivity may be at increased risk of developing bronchial obstruction during diving with its increased risk of air trapping and gas embolism. In professional diving, warming and humidifying the breathing gas will be of benefit to prevent a bronchoconstrictory stimulus that will add to the limitations of pulmonary function already present.

27 ACKNOWLEDGEMENTS This study was supported by the Norwegian Research Council Science and the Humanities (NAVF). We are grateful to Dr. Svein Eidsvik and the operational personell at the Royal Naval 3ase ac Haakonsvern and to professor Amund Gulsvik at the Deparomenc o: Thoracic Medicine, University of Bergen, for lending us the laboratory facilities necessary for metacholine testing. We thank the subjects for their participation in the study and E.H. Padbury for critical review of the manuscript.

28 112. increase in tracheobronchial blood flow induced by hyperven Baile, E.M., D.J. Godden and P.D. Pare (1990). Mechanism by histamine, metacholine, and isocapnic hyperventiation Aquilina, A.T. (1983). Comparison of airway reactivity induced REFERENCES C Barbet, J.B., M. Chauveau, S. Labbe and A. Lockhart (1988) Burnet, H., M. Lucciano and Y. Jammes (1990). Respiratory ef Cockcroft, D.W., D.N. Killian, J.A. Mellon and F.E. E-iargreave Deal, E.C., E.R. McFadden, R.H. Ingram, F.J. Breslin and J.J. Am. Rev. Respir. Dis. 121: method and clinical survey. Clinical Allergy 7: vironment. Respir. Physiol. 81: : inflammation of the guinea pig trachea. J. Appi. Physio. tilation of dry air in dogs. J. Appl. Physiol. 68: in normal and asthmatic subjects. Thorax. 38: Breathing dry air causes acute epithelial damage and fects of cold gas breathing in humans under hyperbaric en pnea in normal subjects and those with hay fever and asthma. Jaeger (1980). Airway responsiveness to cold air and hyper (1977). Bronchial reactivity to inhaled histamine: a

29 Appl. Physiol. 49: ion. Reprografisk industri A/S, Oslo. pp Gulsvik, A. (1978). Obstructive lung disease in an urban populat isocapnic hyperpnea with dry air. Am. Rev. Respir. Dis. 3: is not the sole stimulus for bronchoconsorictior. nduoea Eschenbacher, W.L. and 0. Sheppard (1985). Respiratory heat ss C Maio, D.A. and L.E. Fahri (1967). Effect of gas density on Jarnmes, Y., H. Burnet, P. Cosson and M. Lucciano (1988). Bror.ch: O Byrne, P.M., G. Ryan, M. Morris, 0. McCormack, N.L. Jones, O Cain, C.F., N.B. Dowling, A.S. Slutsky, M.J. Hensley, K.P. Orehek, J., M.M. Nicoli, S. Delpierre and A. Beaupre (1981) motor response to cold air or helium-oxygen at normal and Influence of the previous deep inspiration on the spirometric measurement of provoked bronchoconstriction in mechanics of breathing. J. Appi. Physiol. 23: high ambient pressure. Undersea. Biomed. Res. 15: J.L.C. Morse and F.E. Hargreave (1982). Asthma induced by veness to metacholine. Am. Rev. Respir. Dis. 125: cold air and its relation to nonspecific bronchial responsi effects of respiratory heat loss in normal subjects. J. Strohi, E.R. McFadden and R.H. Ingram jr (1980). Airway

30 asthma. Am. Rev. Respir. Dis. 123: Piantadosi, C.A., E.D. Thalmann and W.H. Spaur (1980). Therra. responses in humans exposed to cold hyperbaric heliirn oxygen. J. Appi. Physiol. 49: Rønnestad, I. (1985). Effects of dry and humidified breathing gas (air) on pulmonary function in hyperbaric conditions.!ri: Proceedings of XIth annual meeting of European Undersea Biomedical Society, edited by H. ørnhagen. Kugel Tryckeri AB, Bromma, Sweden, ISSN pp

31 Table 1. The subjects characteristics and baseline pulmoriar function as percentage of predicted values (Gulsvik, 1978) Subject Age Height FVC FEV (years) (cm) (%) (%) (%)

32 Subject PD 20 SD SR SD S FEV 1MEF gas given as the slopes (S) of the response curves. :6 5 > Table 2. Results of the metacholine test and the individual responses of FEy, and MMEF to dry (D) or humidified (-i) brea:hn 4 > >

33 LEGENDS TO FIGURES Figure 1. Changes in baseline FVC, FEV and MNEF in relation to increased ambient pressure, given as the mean ± 1 standard deviation. Figure 2. The individual responses to dry ( ) and humidified (- -) breath ing gas in relation to increasing ambient pressure, and the indi vidual responses to metacholine challenge in a hyperreactive and a nonreactive subject.

34 1 I 110 F % C 60 - C T FVC FEV1 PRESSURE (ATA) MMEF

35 SUBJ ILLI I I... 0 I I S I 10 PRESSURE (ATA) PRESSURE (ATA) METACHOIJNE conc (mgftn() SUBJ4 %CIIANGFIEVI %CHANGEMMIF FEVI (%) I: I _- i ii._il I 5( I I I I I it I S I PRESS URE (ATA) PRESSURE (ATA) METAcHOUNE CONC (mglml) L) - 2 %CANGEFVI %CtANGMMFF FV1(%) JO JO Ito JO I -20 6o