Is zuurstof ‘narcotisch’? Aanbieders van technische duikopleidingen als CMAS, GUE, NAUI, PADI en PSAI nemen zuurstof op in hun berekeningen voor equivalente narcotische diepte (END). Andere opleidingen, zoals BSAC, IANTD en TDI, niet. Het probleem tot nu toe was altijd het betrouwbaar meten van gasnarcose. Xavier Vrijdag ontwikkelde een nieuw algoritme voor EEG (de elektrische signalen van de hersenen) dat de subtiele effecten van gasnarcose op de hersenen kan waarnemen.
‘Met mijn onderzoek wilde ik een objectief en betrouwbaar meetinstrument ontwikkelen om niveaus van gasnarcose te kwantificeren, zodat we een beter waarschuwingssysteem hebben voor duikers’, zegt Vrijdag. ‘Ik deed onderzoek met drie methoden: pupillometrie (het meten van de grootte van de pupil in je oog – red.), critical flicker fusion frequency (CFFF) en nieuwe kwantitatieve elektro-encefalogram (qEEG) algoritmen.’
Ingewikkelde termen voor de meeste duikers, maar Vrijdag legt uit waar hij hoopt dat zijn onderzoek aan bijdraagt: ‘Duikers kunnen worden blootgesteld aan verdovende effecten veroorzaakt door ademgassen. Dan gaat het met name om stikstof als onderdeel van lucht, bij verhoogde druk. Het belangrijkste gevaar van gasnarcose is het opwekken van euforie, overmoed en verlies van beoordelingsvermogen. Dit kan ertoe leiden dat de duiker minder alert wordt, extra risico’s neemt en een reeks gebeurtenissen in gang zet die uitmonden in een ernstig duikongeval. Er is geen vroegtijdig waarschuwingssignaal beschikbaar. Daarom zou een objectieve methode om narcose op te sporen de veiligheid van duikers kunnen verbeteren en nuttig kunnen zijn bij gerelateerd onderzoek.’
Ademhalen
Elk persoon moet ademhalen, zoveel is zeker. En elk gasmengsel dat je inademt moet, om te kunnen leven van wat je inademt, zuurstof bevatten. Dat geldt ook voor duikers. Zonder zuurstof in ons ademmengsel, welk mengel je ook gebruikt, komen we niet ver. Zuurstof wordt gemengd met andere gassen, zoals stikstof en helium, om geschikte mengsels voor specifieke diepten te creëren. Een van de grenzen om almaar dieper te gaan als duiker is de ervaring van gasnarcose.
Om verschillende ademmengsels (bijvoorbeeld lucht, nitrox of trimix) te kunnen vergelijken, maken we in de duikwereld gebruik van END: de equivalente narcotische diepte (END). Zo kan je bijvoorbeeld trimix ‘vergelijken’ met ademlucht. Precies hierover gaat al lang de discussie in duikwereld: neem je de zuurstof op in het deel ‘is verdovend’ of ‘is niet verdovend’?
Het belangrijkste gevaar van gasnarcose is het opwekken van euforie, overmoed en verlies van beoordelingsvermogen
Hoe dieper je gaat, hoe meer je de effecten van gasnarcose merkt. Dit komt, simpel gezegd, doordat de effecten toenemen. Je gaat – zeggen we in de basisopleidingen – minder snel handelen, krijgt slechtere cognitieve vaardigheden. Het ‘dronken’ gevoel, wat omschreven wordt in de lesboeken en dat je misschien als duiker wel eens hebt ervaren op een (diepe) duik wordt in verband gebracht met stikstof bij het inademen van lucht. We kunnen daarom ons luchtmengsel aanpassen door helium toe te voegen: dat vermindert de narcose-effecten. Het inwisselen van een deel van de stikstof door zuurstof zou ook de narcotische invloed van een gasmengsel kunnen verminderen.
Testjes
Wie heeft ze niet gedaan: de kleine testjes op – vaak nog niet eens zo heel grote – diepte om je vaardigheden te meten. Je doet rekenvragen, motorische taken of geheugenvragen. Elk van deze vaardigheden wordt minder bij verhoogde partiële stikstofdrukken en dus wordt verergerd bij grotere diepten bij gebruik van ademlucht. Al op 20 meter diepte worden hogere cognitieve functies, zoals redeneren en geheugen, aangetast. Je kan dan zo’n 5 procent minder. Op 50 meter is dit al 30 procent lager.
Onze grovere motorische vaardigheden zijn alleen maar aangetast op veel grotere dieptes en bij dus veel hogere druk. Als je dit wilt meten is dat een uitdaging, zeker omdat ook hier – net als bij alle testen die je uitvoert – de uitkomsten beïnvloed kan worden door leereffecten, motivatie van deelnemers of verveling. Objectieve neurofysiologische metingen, zoals de critical flicker fusion frequency (CFFF) en kwantitatieve elektro-encefalogramanalyse (qEEG), die Vrijdag gebruikt in zijn onderzoeken, zouden in principe kunnen worden gebruikt om deze problemen op te lossen.
CFFF en qEEG
Tijdens de CFFF-test kijkt de deelnemer naar een klein lampje dat snel aan en uit gaat, een flikkerend lichtje. De testpersoon mag aangeven of hij nog een lampje ziet flikkeren of het gewoon ziet branden. De overgang van het zien knipperen naar een brandend lampje is de CFFF. Hoe hoger de CFFF is, hoe alerter de persoon. En andersom. Sommige onderzoeken tonen aan dat tijdens duiken met luchtademhaling bij 4 atmosfeer (30 meter diepte op zeeniveau) de alertheid is afgenomen ten opzichte van de meting aan de oppervlakte.
Over het algemeen blijkt uit metingen met EEG dat we vertraagde hersenactiviteit zien bij hyperbare stikstofnarcose. Deze analyses worden alleen wel vaak achteraf uitgevoerd. qEEG geeft de mogelijkheid voor real-time analyse, waardoor de gebruiker een gemakkelijk te interpreteren resultaat krijgt over het narcotische effect. Zo kan je subtiele veranderingen van gasnarcose op sportduikdieptes detecteren en de analyses zouden vergelijking tussen duikers en opeenvolgende duiken mogelijk maken.
Het meten van de subtiele effecten van stikstofnarcose
In het onderzoek van Vrijdag naar stikstofnarcose ademden twaalf technische duikers lucht en 21%/ 79% zuurstof-helium (‘heliox’) in op 18 meter en 50 meter (2,8 en 6 atmosfeer) in een hyperbare kamer. De onderzoekers registreerden met EEG de elektrische signalen van de hersenen, ze namen een wiskundetest af en pasten CFFF toe. Het inademen van lucht op 50 meter diepte wordt vaak als oorzaak aangewezen van slaperigheid, euforie, overmoed, fixatie op ideeën en verminderde redenering, geheugen, analyse en beoordelingsvermogen. Deze symptomen kunnen echter worden verlicht door een verhoogde concentratie bij gemotiveerde duikers.
De CFFF veranderde niet tijdens de lucht-ademende hyperbare blootstelling aan 6 atmosfeer (50 meter) in vergelijking met oppervlakte-metingen. Daarom heeft de CFFF het stikstofnarcose-effect op deze diepte niet gedetecteerd. Vrijdag: ‘We hebben ook de CFFF-duikliteratuur bekeken en een ingewikkeld en vaak tegenstrijdig overzicht gevonden. Verschillende onderzoeken tijdens het ademen van lucht, uitgevoerd op een diepte van 30 meter, hebben gesuggereerd dat stikstofnarcose de oorzaak is van een vermindering van CFFF op deze diepte. Dit resultaat kan echter niet worden doorgetrokken naar grotere diepten, ook al is bekend dat de cognitieve prestatie dan verder afneemt. Verschillende onderzoeken, waaronder onze experimenten, werden uitgevoerd bij 6 atmosfeer, terwijl het inademen van lucht geen verslechtering vertoonde, maar in plaats daarvan geen verandering of een toename van CFFF vertoonde. CFFF slaagde er in onze studie niet in een narcotisch effect te ontdekken of te kwantificeren waarvan bekend is dat het aanwezig is bij 6 atmosfeer.’
Vrijdag vond zelfs het tegenovergestelde. Het onderzoeksteam ontwikkelde een kwantitatieve EEG-meetmethode om narcose geproduceerd door stikstof bij hyperbare druk te meten. Deze methode maakte met succes onderscheid tussen ademlucht aan de oppervlakte en lucht op 50 meter diepte (6 atmosfeer) met een toename van 35% in het EEG-algoritme. ‘Tot onze verbazing zagen we zelfs een trend van een toename van 19% bij de veel lagere druk van 18 meter. Dit duidt op een dosis-respons tussen het EEG-algoritme en stikstofnarcose. Er werd geen significante verandering in de metingen gevonden tijdens de hyperbare heliox-blootstellingen. Dat hadden we ook verwacht, omdat bekend is dat helium een niet-narcotisch gas is. Dit gebrek aan een effect van heliox bevestigde dat blootstelling aan stikstof en niet de verandering in de omgevingsdruk verantwoordelijk was voor de veranderingen die we eerder zagen in de onderzoeken.
Onderzoeksverloop
In het onderzoek naar zuurstofnarcose ademden twaalf technische duikers 100% zuurstof in aan de oppervlakte, op 4 meter en op 18 meter diepte (respectievelijk 1, 1,4 en 2,8 atmosfeer) in een hyperbare kamer, terwijl een EEG-opname gemaakt werd. Er werd gekozen voor vier meter, omdat dit de bovengrens van zuurstofblootstelling benadert die tijdens het duiken wordt geaccepteerd, terwijl 18 meter de maximale blootstelling aan zuurstof in een hyperbare kamer is met een minimaal risico op zuurstofvergiftiging.
Het eerder ontwikkelde EEG-algoritme nam niet toe tijdens het inademen van hyperbare zuurstof. Dit staat in contrast met de toename van 19% die we hierboven meldden bij deelnemers die lucht inademden op 18 meter. Dit suggereert dat zuurstof niet dezelfde veranderingen in de elektrische activiteit van de hersenen veroorzaakt als die veranderingen die worden veroorzaakt door lucht.
Pas nu, met de ontwikkeling van dit nieuwe EEG-algoritme, hebben we de subtiele effecten van hyperbare zuurstof in meer detail kunnen onderzoeken, en op basis van onze resultaten veronderstellen we dat zuurstof waarschijnlijk niet aan dezelfde neuronale receptoren bindt. En veroorzaakt daarom geen vergelijkbare narcotische effecten als die veroorzaakt door stikstof. Voor nitroxduikers betekent dit waarschijnlijk dat de verhoogde zuurstof de narcotische kracht van het ademgas enigszins vermindert.
Voorspellende waarde
Met de resultaten van zijn onderzoek hebben we meer inzicht in wat gasnarcose met je doet en wat het precies is. De methoden pupillometrie en CFFF bleken ongeschikt, maar met de kwantitatieve EEG, de meetmethode waarmee Vrijdag aan het werk ging in zijn onderzoek, blijkt het mogelijk de subtiele effecten van gasnarcose te meten. En hoewel narcose veroorzaakt door verschillende gassen mogelijk verschillende algoritmen vereist, zou het in de toekomst mogelijk moeten zijn om EEG te gebruiken om een duiker in real-time te waarschuwen voor het gevaar van gasnarcose.
Alle situaties zoals hierboven beschreven zijn gedaan in een gecontroleerde onderzoeksomgeving. Geen enkele van deze situaties zijn in het open water zelf – met of zonder opleiding tot technisch duiken – aan te bevelen. Zuurstof ademen op 18 meter met een po2 van 2,8 is vele malen voorbij de grens van wat in het duiken aanvaardbaar is. Wil je meer weten over dit onderzoek of heb je vragen? Mail naar x.vrijdag@auckland.ac.nz.