Подписаться
"Все об экстремальных видах спорта"
 
   Реклама






 

Строение и функции уха в контексте фридайвинга, ч.1

  Опубликовано: 2011-04-21 13:00:00  
 

Кликните для увеличенияПри нырянии в глубину ухо подвергается воздействию большого давления и для безопасного занятия фридайвингом необходимо иметь представление о строении уха и происходящих в нем процессах.

Настоящий реферат был написан в попытке собрать справочную информацию по строению и функциям уха и осмыслить ее применительно к фридайвингу. На некоторые вопросы не удалось найти ответов в литературе. Возможно, они слабо освещены или не освещены вовсе. Вопросы, требующие дальнейшего изучения, отмечены символом ■.

Для удобства рассмотрения в ухе различают наружное, среднее и внутреннее ухо (см. рис. 1, а также схему на рис. 3).

Наружное ухоКликните для увеличения

Рис. 1. Ухо человека[1]

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина представляет собой хрящевую пластинку, покрытую кожей. Лишь часть ее, называемая мочкой, лишена хряща. Ушная раковина необходима для различения направлений на источники звука, расположенные на разной угловой высоте, т.е. спереди, сверху, сзади и снизу. Наружный слуховой проход покрыт кожей, которая имеет волосы и серные железы. Он защищает среднее и внутреннее ухо от механических повреждений и перепадов температуры и влажности. Ушная сера защищает ухо от пыли, влаги, сухости и обладает бактерицидными и репеллентными свойствами.

Среднее ухоКликните для увеличения

Рис. 2[2].
А) Барабанная перепонка снаружи.
Б) Барабанная перепонка изнутри.
С) Среднее ухо.

Границей между наружным и средним ухом служит барабанная перепонка — тонкая, но довольно прочная, полупрозрачная пластинка овальной формы, перламутрово-серого цвета. Ее размер приблизительно 9×8 мм, толщина 0,05–0,1 мм. Она состоит из трех слоев: эпидермиса (со стороны наружного уха), фиброзной ткани (фиброзная ткань — волокнистая соединительная ткань. Волокна состоят в основном из коллагена), слизистой (со стороны среднего уха). За барабанной перепонкой располагается барабанная полость — основная часть среднего уха. Ее объем 0,7–1,0 мл. Внутри этой полости имеются слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремя), подвижно подвешенные на связках и соединенные истинными суставами между собой. Общая масса слуховых косточек около 60 мг и в несколько раз превышает массу барабанной перепонки. В среднем ухе имеются две мышцы — мышца, натягивающая барабанную перепонку, и мышца, напрягающая стремя. Первая мышца (m. tensor tympani) прикреплена к рукоятке молоточка и втягивает барабанную перепонку внутрь (рис. 1, 2). Вторая, стременная мышца (m. stapedius), прикреплена к головке стремени и втягивает основание стремени (подножную пластинку) внутрь барабанной полости[3]. Она является самой миниатюрной мышцей в теле. Указанные мышцы настраивают барабанно-косточковый механизм среднего уха на оптимальное проведение звука и регулируют чувствительность уха к звуку, — при громких звуках они рефлекторно напрягаются и проводимость звука уменьшается. Они также уменьшают амплитуду отклонения барабанной перепонки и основания стремени при перепадах давления.Кликните для увеличения

Слуховые косточки и среднее ухо[4]

К барабанной полости прилегают сообщающиеся с ней многочисленные воздухоносные полости височной кости (рис. 1) — сосцевидная пещера и сосцевидные ячейки. Большая часть их объема расположена сзади ушной раковины. Общий объем сильно вариабелен — от 0 до 20 мл с каждой стороны. По данным компьютерной томографии среднее значение и дисперсия: у мужчин 10±3 мл, у женщин 8±3 мл[5]. Таким образом, объем полости среднего уха определяется в основном объемом воздухоносных полостей височной кости. Очевидно, эти полости улучшают акустические свойства среднего уха за счет увеличения его объема (упругость барабанной перепонки при тихих звуках определяется преимущественно упругостью воздуха в среднем ухе, а не упругостью ткани перепонки [Bekesy, 1960]), выполняют теплоизолирующую функцию для предотвращения колебаний температуры во внутреннем ухе. Температура и влажность вблизи барабанной перепонки не зависит от погодных условий[6]. Кроме того, через поверхность слизистой ячеек происходит газообмен N2, а также O2, CO2, H2O[7]. Этот газообмен, хоть и является довольно медленным (десятки минут), но оказывается существенным механизмом в изменении давления при нарушении проходимости слуховой трубы.

Слуховая труба

Барабанная полость сообщается с носоглоткой через слуховую (евстахиеву) трубу (рис. 1), которая пропускает воздух из носоглотки в среднее ухо. Хороший обзор по анатомии слуховой трубы дан Лагутиной Т.[8]

Длина евстахиевой трубы у взрослых равна 3–4 см. На 1/3 длины она образована костной тканью (со стороны барабанной полости) и на 2/3 — перепончато-хрящевой (со стороны носоглотки). Перепончато-хрящевой отдел состоит из хряща в форме желоба, формирующего верхнюю, медиальную и небольшую часть латеральной (медиальный — расположенный ближе к середине тела, латеральный — расположенный ближе к боковой поверхности тела) стенки трубы, и фиброзной перепонки, образующей остальную часть стенки слуховой трубы. Эта подвижная перепонка может прилегать к хрящевой части, перекрывая тем самым трубу. Область стыка двух отделов трубы называется перешейком.

Внутренняя поверхность всех частей слуховой трубы покрыта слизистой оболочкой, выстланной мерцательным эпителием. Движения его ресничек направлены к носоглотке и способствуют очищению барабанной полости и слуховой трубы от слизи, частиц слущенного эпителия и других твердых или жидких тел, которые могут образоваться в барабанной полости или попасть в нее через трубу. Вблизи глоточного отверстия слуховой трубы в слизистой оболочке носоглотки сосредоточено скопление лимфоидной ткани, образующее трубную миндалину. Слизистые железы слуховой трубы выделяют бактерицидные вещества.

От слуховой трубы берут начало три мышцы мягкого неба: мышца, напрягающая нёбную занавеску; мышца, поднимающая нёбную занавеску и трубно-глоточная мышца. Эти мышцы называют тубарными, потому что их сокращение изменяет просвет этого органа. Так при глотательных движениях слуховая труба раскрывается и воздух свободно проникает в барабанную полость.

Слуховая труба взрослого человека имеет направление от среднего уха к подбородку (точнее вниз, вперёд и медиально, образуя угол 45° со срединной и 30° с горизонтальной плоскостью). Направленность вниз способствует выведению секрета из барабанной полости и препятствует проникновению в неё содержимого носоглотки. Ширина просвета слуховой трубы в перепончато-хрящевой части составляет 2–4 мм, в области перешейка — менее 2 мм, а в костной части — от 2 до 6 мм. Таким образом, объем слуховой трубы — 0,1–0,5 мл.

О барофункции слуховой трубы будет отдельно сказано далее.

В ходе развития в матке на стадии эмбриона слуховая труба образуется из эмбриональной жаберной щели. У человека слуховая труба впервые подробно описана в 1564 г. итальянским врачом и анатомом Бартоломео Евстахио (В. Eustachio).

Внутреннее ухоКликните для увеличения

Рис. 3. Схема внутреннего уха[9]

Внутреннее ухо располагается кнутри от среднего уха в височной кости черепа (рис. 3). Оно состоит из двух частей — органа слуха (улитки) и органа равновесия (полукружных каналов).

Орган слухаКликните для увеличения

Рис. 4. Улитка в поперечном разрезе. Длина эндолимфатического канала улитки — около 3 см[10]

Орган слуха имеет спиралевидную форму и напоминает улитку внутри кости (рис 1, 2, 3). Полость улитки разделена на три параллельных канала, заполненных жидкостью. Сверху расположен верхний перилимфатический канал, под ним — эндолимфатический и под ним — нижний перилимфатический (рис 3, 4). Верхний и нижний перилимфатический каналы соединены в конце улитки и поэтому в действительности образуют один перилимфатический канал. Наполняющая его жидкость называется перилимфой. По составу она сходна с внеклеточной и цереброспинальной жидкостью и имеет сообщение с последней через водопровод улитки (cochlear aqueduct). Перилимфатические каналы имеют выходы в среднее ухо: верхний через овальное окно, к которому с помощью эластичной кольцевой связки герметично присоединено стремя, нижний — через круглое окно, герметично закрытое тонкой эластичной мембраной. Жидкость, наполняющая эндолимфатический канал, называется эндолимфой и по составу сходна с внутриклеточной жидкостью.

Звуковые волны проходя через наружный слуховой проход, давят на барабанную перепонку. Она приводит в движение прикрепленный к ней молоточек. Молоточек давит на наковальню, наковальня — на стремя, стремя — на перилимфу в верхнем перилимфатическом канале. Площадь барабанной перепонки в 20—25 раз больше площади овального окна, поэтому происходит усиление давления и оптимизация передачи звуковых волн из газовой среды в жидкую. Если бы овальное окно непосредственно контактировало с воздушной звуковой волной (такое случается при отсутствии барабанной перепонки), то им бы воспринималось всего около 0,1 % падающей на него звуковой энергии. При звуковых колебаниях амплитуда движения овального окна доходит до 50—70 % от амплитуды движения барабанной перепонки[11]. Амплитуда звуковых колебаний барабанной перепонки очень мала — при самых тихих звуках, какие способен услышать человек, она составляет менее 10—10 м[12]. Звуковое давление на барабанную перепонку при этом около 2×10—5 Па (этот уровень принят за 0 дб). При громкости звука на грани боли давление звука достигает 2×10—2 Па (т.е. больше поргового в 107 и составляет 140 дб).[4] Под давлением стремени перилимфа приходит в движение, так что мембрана круглого окна выгибается наружу. Давление на эндолимфатический канал со стороны нижнего и верхнего перилимфатических каналов вызывает движение жидкости в нем. Внутри эндолимфатического канала имеется желеобразное вещество (текториальная мембрана, рис. 4), которое удерживается волосками чувствительных клеток. Движение эндолифмы смещает желеобразное вещество и вызывает изгибание волосков чувствительных клеток, которые при этом посылают нервные импульсы в мозг. В коре головного мозга происходит анализ звуков и возникают слуховые ощущения.

Строение улитки из двух каналов (перилимфатического и эндолимфатического) и ее форма позволяют распознавать различные частоты звука, поскольку разные частоты создают в улитке бегущие волны на мембране, имеющие разное положение максимумов амплитуд вдоль улитки. Межушные нервные связи позволяют определять разность фаз между колебаниями в левой и правой улитках. Комплекс механических, биохимических и электрических процессов в улитке обеспечивает усиление и дифференциацию слабых звуковых колебаний (детали этого процесса до конца не исследованы и здесь не приводятся, чтобы не перегружать текст). Чувствительность уха удивительна: при самых тихих звуках, какие способен услышать человек, амплитуда движения барабанной перепонки меньше размера молекулы водорода, равного 0,7×10—10 м, а амплитуда движения мембраны в улитке меньше еще на порядок! Благодаря своему строению этот деликатный орган не повреждается при погружении даже на сотни метров[5]. Вместе с тем, он оказывается чувствительным ко многим лекарствам, а также алкоголю, которые оказывают на него негативное (ототоксическое) влияние.

Благодаря распознаванию частоты мы отличаем одни звуки от других, а распознавание разности фаз между ушами является одной из составляющих в функции определения направления на источник звука (акустической пеленгации).

Через границу воздух-вода (в обе стороны) проходит около 0,1 % звуковой энергии, остальная часть отражается. Это соответствует ослаблению силы звука на 30 дб. Поэтому звуковая коммуникация между находящимися в воде и на суше затруднена. Для подачи сигналов можно шлепать по воде или стучать по опущенному в воду предмету.

Акустическая пеленгация

Акустическая пеленгация имеет огромное значение для выживания, особенно для животных. Если животное не будет знать с какой стороны приближается опасность — его шансы на выживание сильно падают. Акустическая пеленгация основана на трех составляющих — разности фаз между ушами (так называемый временной механизм), разности громкости между ушами (интенсивностный механизм) и изменении частотного спектра звука ушными раковинами (спектральный механизм). Первый механизм состоит в том, что к дальнему от источника звука уху звук приходит с опозданием. Фазовый механизм позволяет определять направление на источник звука в диапазоне от низких частот до 1,5 кГц. На частотах выше 1,5 кГц возникает неоднозначность фаз и фазовый механизм дополняется интенсивностным механизмом. Он состоит в том, что при частотах выше 1,5 кГц длина звуковой волны становится меньше размера головы и появляется звуковая тень, — когда звук приходит сбоку, дальнее ухо оказывается в тени головы, и громкость звука в нем оказывается меньше. На частотах ниже 1,5 кГц из-за дифракционного огибания головы звуковыми волнами тень почти не образуется. На частотах свыше 7 кГц ухо начинает хуже различать изменения в громкости и интесивностный механизм теряет чувствительность (а вместе с ним, по-видимому, и фазовый), но примерно на этих частотах в силу вступает спектральный механизм. Грубо говоря, спектральный механизм состоит в том, что при 7 кГц длина волны сравнивается с размером ушной раковины и на частотах больше 7 кГц она образует различные звуковые тени для звуковых волн разных частот и направлений, что позволяет их различать. Только спектральный механизм обеспечивает вертикальную пеленгацию.

Естественные источники звука обычно содержат сочетание низких, средних и высоких частот, и поэтому пеленгация осуществляется сразу всеми тремя механизмами, что существенно повышает ее точность.

У человека точность азимутальной (горизонтальной) пеленгации неподвижных источников звука, находящихся спереди, около 12º. Когда источник находится сбоку, точность падает в несколько раз. При азимутальном смещении источника, расположенного спереди, человек способен заметить смещение, если отклонение превышает 1–3º, что соответствует разнице во времени распространения звука до ушей менее 3·10-5 с. Как мозг достигает такой точности до сих пор не ясно[13] ■. Точность вертикальной пеленгации намного ниже азимутальной.

В водной среде способность определять направление на источник звука у человека нарушается. Кажется, что звук приходит сразу со всех сторон.

Это обусловлено тем, что звуковые волны в системе голова-вода, распространяются иначе, чем в системе голова-воздух. Если в воздушной среде 99,9% энергии звука отражается от головы и звук проникает к внутреннему уху преимущественно через барабанные перепонки, то в водной среде звук меньше отражается от головы и большая его часть проникает в нее. В результате звуковая тень от головы образуется слабо и чувствительность интенсивностного механизма существенно снижается. Ушные раковины оказываются почти прозрачными для звука в водной среде, и обеспечиваемый ими спектральный механизм не работает. Кроме того, скорость звука в воде примерно в 4,5 раза выше, чем в воздухе. Это влияет на работу фазового механизма, - поскольку разности фаз становятся в 4,5 раза меньше, аудиообраз смещается к средней плоскости. К этому нужно добавить, что скорость растространения звука в костях черепа еще выше, чем в воде, поэтому разности фаз в действительности оказываются еще меньше. Из-за большей длины волны в воде увеличивается дифракционное огибание головы звуковыми волнами. Звуковая тень от головы становится заметной лишь на частотах выше 7 кГц. Поэтому интесивностный механизм может работать под водой только на высоких частотах. На этих частотах ухо человека хуже различает изменения в громкости (свыше 20 кГц оно вообще становится глухим), поэтому чувствительность интенсивностного механизма дополнительно снижается.

Из-за вышеперечисленного в мозг поступает непривычная ему информация о звуковом поле. Положение усугубляется тем, что в воде звуковая отражательная способность предметов иная, чем на воздухе. Из-за большей длины волны звуковой размер предметов как-бы уменьшается. В закрытых помещениях отражение звука от стен и образование стоячих волн делает невозможной пеленгацию в воздушной среде на низких частотах. В ванне с водой 25×30×6 м это затруднит пеленгацию и на средних частотах.

Тем не менее, представляется правдоподобным, что при наличии достаточного количества слуховых и зрительных стимулов мозг будет адаптироваться к этим условиям и точность определения направления будет возрастать, особенно, если изолировать почти всю голову и шею достаточно толстым шлемом. Если оставлять отверстия для ушей, то нужно удалить воздух из наружного слухового прохода, потому что воздушная пробка препятствует прохождению звуковых волн к барабанной перепонке.

В общем виде задача о распространении звуковых волн в голове при частичном контакте ее с водой довольно сложна и требует математического моделирования. Мне неизвестно проводились ли такие исследования, хотя их прикладное значение очевидно. ■

В известном учебнике водолазного дела[14] сообщается, что в экспериментах по ориентированию водолазов в воде удавалось определять направление на источник звука частотой 10—14 кГц, когда на голову был надет шлем, закрывающий всю голову кроме лица. Интенсивность слышимого звука была максимальной при повороте лица к источнику звука. Очевидно здесь имел место интесивностный механизм, благодаря образованию звуковой тени от шлема.

В данном контексте интересно строение ушей у дельфинов, которые прекрасно определяют направление звука в воде. Верхние воспринимаемые частоты у дельфина достигают 150 кГц и выше, а наибольшая чувствительность слуха приходится на диапазон 20–100 кГц. Его слуховые кости изолированы от черепа пустотами, заполненными звукопоглощающей пенообразной эмульсией[15]. Слуховой проход у дельфинов не толще нити и не может служить для проведения звука (у некоторых китообразных он и вовсе зарос). Звук проникает к внутреннему уху через ткани и кости головы. У косатки (которая примерно в 4 раза длиннее дельфина, и поэтому расстояние между ушами у нее тоже больше) наибольшая чувствительность слуха приходится на частоты 5—30 кГц.

Орган равновесияКликните для увеличения

Рис. 5. Работа горизонтального полукружного канала при повороте головы [Шмидт, 1996]

Орган равновесия (вестибулярный аппарат) состоит из трех полукружных каналов, расположенных в трех перпендикулярных плоскостях (рис. 1, 3), а также двух маленьких мешочков. Каналы заполнены перилимфой и сообщаются с перилимфой улитки. Внутри этих перилимфатических каналов имеются эндолимфатические каналы, заполненные эндолимфой. Они сообщаются с эндолимфатическими каналами улитки. Эндолимфатический канал в каждом полукружном канале перекрыт одной желеобразной перегородкой, так называемой купулой (рис. 3). В эту перегородку погружены волоски чувствительных нервных клеток. При повороте головы эндолимфа приходит в движение и давит на перегородку (рис. 5), волоски изгибаются, и чувствительные клетки генерируют нервные импульсы. Таким образом в мозг поступает информация о поворотах головы во всех трех плоскостях пространства (по одному полукружному каналу на каждую плоскость). В двух мешочках внутри эндолимфы находится желеобразное вещество, так называемая макула (рис. 3), в которое для утяжеления погружены маленькие кальциевые камушки. Макула удерживается в эндолимфе волосками чувствительных клеток. При изменении положения головы по отношению к земле макула сдвигается под действием силы тяжести, и чувствительные нервные окончания генерируют импульсы. Таким образом всего в органе равновесия имеется пять датчиков ускорения — по одному в трех полукружных каналах и по одному в двух мешочках. В совокупности эти датчики позволяют мозгу определить все возможные ускорения головы, как линейные, так и угловые. Информация о положении всего тела вычисляется мозгом на основе информации о положении головы и положения тела по отношению к голове (есть рецепторы, посылающие в мозг информацию о напряжении мышц шеи и тела).

Бывают ситуации, когда чувствительные клетки вестибулярного аппарата раздражаются по другим причинам, нежели перемещение головы. Например, при воспалении или термостимуляции внутреннего уха. Последняя случается при попадании холодной или горячей воды в наружное ухо. При попадании воды в среднее ухо (например при разрыве барабанной перепонки) стимуляция оказывается сильной, но преходящей (температура воды постепенно выравнивается с температурой тела). При стимуляции вестибулярного аппарата возникают неприятные ощущения от головокружения и тошноты, до рвоты и потери ориентации (в зависимости от силы раздражения).

Барофункция слуховой трубы

Как отмечалось выше наличие слуховых косточек вызвано необходимостью акустического согласования между газовой средой во внешнем ухе и жидкой средой во внутреннем. Поскольку для этой цели косточки должны располагаться в газовой среде возникает необходимость в барабанной полости. Для обеспечения выравнивания давления с двух сторон барабанной перепонки (барофункции) необходимо сообщение барабанной полости с внешней средой — этой цели и служит слуховая труба. Чтобы барабанная перепонка была в оптимальном для звуковосприятия положении и не подвергалась колебаниям давления из носоглотки, барабанная полость должна большую часть времени быть закрытой и открываться лишь для выравнивания давления. Поэтому существует специальный клапан на носоглоточном конце слуховой трубы, который открывается при глотании или при перепаде давлений на концах слуховой трубы. Клапан также предотвращает попадание содержимого носоглотки в слуховую трубу и воздействие на барабанную перепонку звуковых колебаний собственной речи (аутофонию). Помимо глотания этот клапан может открываться при зевании, чихании и просто при напряжении тубарных мышц носоглотки.[6]

При отеке слуховой трубы, который может вызываться разными причинами, или при пониженном давлении газа в трубе по отношению к давлению в тканях она спадается в хрящевом отделе. Слизистая оболочка трубы имеет радиальные складки, гребни которых обращены в сторону носоглотки[16]. При спадении трубы они затрудняют продувание.

Барофункция слуховой трубы нередко нарушается при различных заболеваниях уха и носоглотки, например, при насморке, воспалении среднего уха, увеличении трубных миндалин и др. Нарушение барофункции приводит к изоляции полости среднего уха и развитию патологических процессов в нем. В частности, постепенное растворение азота в слизистой и последующее унесение его током крови приводит к существенному понижению давления в среднем ухе. Лечение в этих случаях в первую очередь направлено на восстановление барофункции слуховой трубы.

Воздействие давления на ушиКликните для увеличения

Рис. 6. Баротравма мембраны круглого окна и барабанной перепонки[17]

При погружении под воду давление во внешнем слуховом проходе становится равным давлению воды, независимо от того, есть ли воздух в проходе или проход заполнен водой, — оставшийся в проходе воздух сжимается, пока его давление не сравняется с давлением воды. Под действием давления барабанная перепонка прогибается внутрь.

При сильном прогибе барабанной перепонки возникает боль, и дальнейший прогиб может привести к ее растяжению или разрыву. Чтобы предотвратить это необходимо выровнять давление в барабанной полости с давлением снаружи. Для этого с помощью специального маневра в барабанную полость нагнетают воздух через слуховую трубу. Это называется «продуванием». Носоглоточное устье трубы и ее перепончато-хрящевой отдел при погружении под воду пережимаются давлением, что затрудняет продувание. Поэтому продуваться нужно достаточно часто, чтобы не перенапрягать барабанную перепонку и не допускать сильного пережима слуховой трубы, который может сделать продувание вовсе невозможным или требующим нагнетания большого давления в носоглотку. Существует два основных способа продувания: маневр Вальсальва и маневр Френзеля.

Манёвр Вальсальва

В этом способе продувания давление в полостях головы (и подмасочном пространстве) повышается путем выдоха при закрытых носовом и ротовом отверстиях. Повышенное давление создается в легких за счет напряжения диафрагмы и межреберных мышц. Этот маневр прост в исполнении, но имеет недостатки. С энергетической точки зрения для повышения давления в полостях головы неэффективно использовать легкие, объем которых в десятки раз больше объема полостей головы, - при напряжении дыхательных мыщц расходуется неоправданно много кислорода. Кроме того, создание избыточного давления в легких затрудняет кровообращение в них и повышает кровяное давление в организме, что дополнительно сжимает просвет слуховой трубы. Если продувание выполняется несвоевременно, то повышение кровяного давления при чрезмерно напряженной попытке продуться маневром Вальсальва может привести к травме мембраны круглого окна. Это обусловлено тем, что при повышении давления крови повышается давление перилимфатической жидкости, в результате чего мембрана круглого окна выгибается наружу. Если в барабанной полости уже было пониженное давление в сравнении с давлением в тканях и мембрана круглого окна была выгнута наружу, то из-за натуживания она может выгнуться еще больше и порваться (рис. 6).[7] Кроме того, смещение перилимфатической жидкости стимулирует орган равновесия, что вызывает головокружение.

Манёвр ФрензеляКликните для увеличения

Рис. 7. Манёвр Френзеля

В этом способе продувания заполняют полость рта воздухом (перед нырком или под водой выдохом из легких), закрывают голосовую щель (т. е. вход в трахею) и затем используют язык или нижнюю челюсть для повышения давления в носоглотке, оставляя мышцы туловища расслабленными, а давление в легких неизменным. Выполнить продувание по методу Френзеля несложно, сложнее объяснить как это сделать. Если для повышения давления используется язык (языковой маневр Френзеля), то он герметично прижимается к зубам и его средняя часть используется как поршень для проталкивания воздуха в нос. Если для повышения давления используются челюсти (челюстной маневр Френзеля), то сначала ротовая полость наполняется воздухом, при этом нижняя челюсть отводится вниз. Затем, не допуская утечки воздуха через рот, челюсти смыкаются. В результате давление воздуха в носоглотке возрастает и уши продуваются. Язык при этом не должен герметично примыкать к зубам, иначе воздух не будет поступать в носоглотку. Языковой маневр позволяет получить высокую степень сжатия, но из-за малого объема сжимаемого воздуха обеспечивает только оно продувание. Челюстной маневр дает меньшее сжатие (оно ограничено способностью губ не выпускать воздух), но за счет существенно большего объема сжимаемого воздуха может обеспечить несколько продуваний.

Маневр Френзеля требует периодического нагнетания воздуха в рот. Наполненного рта хватает от одного до нескольких продуваний, после чего рот наполняется снова выдохом из легких. Для наполнения рта требуется меньшее напряжение легких, чем при продувании ушей, поэтому достигается экономия усилий в сравнении с маневром Вальсальва. Чтобы увеличить объем воздуха, набираемого в ротовую полость, вместе с отведением вниз нижней челюсти надувают щеки. В этом положении ротовая полость вмещает более 100 мл воздуха.[8] Надувание щек должно выполняться в момент нагнетания воздуха в рот, а не после закрытия голосовой щели; в противном случае оно превращается в бесполезную гримасу. Собственно говоря, установка сразу делается на надувание легкими щек, а рот при этом наполняется сам собой.

В челюстном маневре нужно соблюдать осторожность, следя за тем, чтобы не загнать воздух в слюнные железы, что может привести к их баротравме. Чтобы воздух открывал слуховую трубу до того, как он откроет протоки слюнных желез, первая должна достаточно легко продуваться. Поэтому начинающим, пока они не разработают слуховую трубу, не следует прилагать больших усилий в челюстном маневре Френзеля.

В продувании маневром Френзеля можно выделить три фазы.

  1. Наполнение рта воздухом. Сразу после максимального заполнения рта и щек выполнение продувания затруднительно, однако по мере увеличении глубины воздух в ротовой полости сжимается и его объем становится подходящим для маневра. Чем выше мастерство ныряльщика, тем больше объем воздуха во рту, при котором он может начать выполнять продувание.
  2. Продувание слуховой трубы повышением давления воздуха во рту за счет смыкания челюстей (челюстной маневр). Чтобы воздух не вышел через сжатые губы приходится напрягать щеки, и создается ощущение, что продувка осуществляется за счет щек.
  3. Когда объем воздуха в ротовой полости уменьшается до такой степени, что челюсти соединяются, дальнейшее уменьшение объема и повышение давления осуществляется за счет движения языка и горла внутрь (рис. 7) (языковой маневр). После третьей фазы горло остается в вогнутом положении и в носоглотке создается пониженное давление. Это создает дискомфорт и затрудняет открытие голосовой щели для наполнения рта воздухом — для ее открытия нужно вернуть горло в невогнутое положение, но это понижает давление в носоглотке. При нырянии в маске в этот момент можно ощутить присасывание маски к лицу. Поэтому третью фазу лучше выполнять во время нырка лишь один раз — для последнего продувания перед разворотом.

Все три фазы можно тренировать на суше, имитируя уменьшение объема под действием давления медленным выпусканием воздуха через нос. Тренировками в воде и на суше повышается объем максимального заполнения рта и объем, при котором удается выполнить продувание.

Оценим на какую глубину можно погрузиться после наполнения рта воздухом до следующего наполнения. Объем воздухоносных полостей головы при сомкнутых челюстях составляет порядка 100 мл, при надувании щек — порядка 200 мл. Поэтому полного рта воздуха хватит на то, чтобы удвоить давление. Отсюда несложно вычислить интересующую нас глубину. Например, допустим, что рот был наполнен воздухом на глубине 5 м. Давление на этой глубине составляет 1,5 ат. Удвоенное давление будет 3,0 ат, что соответствует глубине 20 м. Результаты расчета для других глубин приведены в таблице 1:

Таблица 1. Глубины заполнения рта при продувании с помощью маневра Френзеля при нырянии без маски. Объем полостей головы при сомкнутых челюстях принят равным 100 мл, объем при надувании щек — 200 мл.

Полное заполнение рта произведено на глубине, м Следующее заполнение рта будет необходимо на глубине, м
0 10
3 16
5 20
10 30
15 40
20 50
30 70
40 90
50 110

При нырянии с маской к объему воздухоносных полостей головы нужно добавить объем подмасочного пространства, которое составляет 60-100 мл. В качестве иллюстрации возьмем 100 мл. Тогда при сомкнутых челюстях объем воздухоносных полостей и маски составит 200 мл, а при надувании щек — 300 мл. Давление можно будет увеличить в 1,5 раза. Исходя из этого получаем таблицу для ныряния с маской:

Таблица 2. Глубины заполнения рта при продувании с помощью маневра Френзеля при нырянии с маской. Объем полостей головы и подмасочного пространства при сомкнутых челюстях принят равным 200 мл, объем при надувании щек — 300 мл.

Полное заполнение рта произведено на глубине, м Следующее заполнение рта будет необходимо на глубине, м
0 5
3 10
5 13
10 20
15 28
20 35
30 50
40 65
50 80

Для вычисления максимальной глубины погружения к правой колонке нужно прибавить величину интервала между продувками. К примеру, если при нырянии без маски последнее наполнение рта сделано на 30 м, то последнее продувание возможно на 70 м. После этого можно погрузиться без продувания на глубину, равную интервалу между продувками. Как показано далее, этот интервал зависит от свойств ушей ныряльщика. Обычное значение интервала на этой глубине — 15 м. Таким образом глубина погружения составит 85 м.

По мере погружения объем воздуха в легких уменьшается (в основном из-за сжатия давлением и частично из-за расхода на продувание) и становится труднее наполнять рот воздухом. Полное наполнение рта на глубине свыше 20 м требует специальных тренировок легких и грудной клетки.

Неспособность продуть уши, по-видимому, является наиболее частым фактором, ограничивающим глубину погружения у ныряльщиков (желательно было бы собрать статистику по этому вопросу ■).

На основании вышесказанного можно сделать вывод: совершенствование выполнения маневра Френзеля — один из важных аспектов в повышении мастерства ныряльшика и увеличения максимальной глубины погружения.

Для увеличения объема набираемого в рот воздуха используют и технические приспособления, например, надувные шарики. Их максимально надувают на глубине, когда еще можно выдохнуть из легких достаточно воздуха. Набранный воздух затем используют для продувания. Вероятно, в скором времени появятся устройства специально предназначенные для этой цели. Они должны быть гигиеничными, безопасными, удобными и обтекаемыми. Возможны как одноразовые изделия, так и многоразовые. Например это может быть мягкая трубка, один конец которой берется в рот через загубник, а другой прилегая к костюму идет к мягкому обтекаемому резервуару за спиной. В исходном положении трубка и резервуар сдуты (не содержат воздуха). Усилие по надуванию должно быть незначительным. Для обеспечения гигиеничности изделие должно быть удобным для промывки, а материал резервуара и трубки - желательно бактерицидным (например с ионами серебра). Применение облегчающих продувание средств требует осторожности, поскольку они позволяют погрузиться на такую глубину, к которой сосуды легких могут быть еще не готовы, что повышает риск их травмы из-за переполнения кровью.

Интервал между продувками

Продувка ушей отнимает немало сил у ныряльщиков. Интересно рассмотреть, от чего зависит интервал глубины между продувками (шаг продувки). Чем больше шаг продувки, тем меньше продуваний необходимо сделать на протяжении погружения, и тем больше сил экономит ныряльщик.

Сначала для простоты рассмотрим случай, когда среднее ухо не меняет своего объема при изменениях внешнего давления, т.е. пренебрежем изменениями объема из-за вдавливания барабанной перепонки внутрь барабанной полости. В этом случае давление в барабанной полости будет оставаться неизменным, до тех пор пока в нее не поступает воздух. Давление p снаружи барабанной перепонки определяется глубиной d погружения: p=0.1d+patm (здесь и далее давление измеряется в атмосферах, а глубина в метрах, плотность воды принята равной 1 кг/л). После каждой продувки давление с обоих сторон барабанной перепонки становится одинаковым, и при последующем увеличении глубины на величину h разность давлений становится равной 0.1h. Когда эта разность давлений достигает некоторого максимального значения ∆pmax, которое способна без боли выдерживать барабанная перепонка у ныряльщика, возникает желание продуться. Шаг продувки h, таким образом, не зависит от глубины погружения и определяется по формуле:

h = 10∆pmax. (1)

У начинающих ныряльщиков шаг продувки нередко не превосходит 1 м. Поэтому им приходится продуваться очень часто. Это может быть обусловлено слабостью барабанной перепонки, небольшим ее воспалением (а возможно также малой подвижностью суставов слуховых косточек, слабостью стременной мышцы ■). По мере повышения тренированности шаг продувки быстро достигает 3–4 м. Если этого не происходит, следует обратиться к врачу для проверки барабанной перепонки и среднего уха. У высокотренированных ныряльщиков шаг продувки доходит до 6 м и более.

Из опыта известно, что во время нырка по мере увеличения глубины погружения интервал между продувками возрастает, а не остается постоянным, как это следует из формулы (1). Это можно объяснить, если учесть, что при увеличении внешнего давления барабанная перепонка вдавливается внутрь, и следовательно объем полости среднего уха уменьшается. При уменьшении объема давление в среднем ухе возрастает, и тем самым достигается некоторая компенсация давления за счет упругости воздуха. Величина этой компенсации с ростом глубины повышается, поскольку с повышением давления воздух становится более упругим. В результате происходит увеличение интервала между продувками. Для численных оценок найдем формулу для шага n-й продувки с учетом уменьшения объема среднего уха под действием давления воды. Будем считать, что после каждой продувки барабанная перепонка занимает одинаковое положение (в среднем так оно и есть).

Допустим, n-е продувание выполнено на глубине dn. Давление p с обоих сторон барабанной перепонки стало равным 0.1dn+patm. После увеличения глубины на величину h давление снаружи увеличится на 0.1h, а внутри, согласно закону pV=const, на p∆V/ (V0 − ∆V), где V0 − полный объем полости среднего уха (равный сумме объемов барабанной полости и воздухоносных полостей височной кости), ∆V − изменение этого объема из-за разности давлений. Когда разность между внешним и внутренним давлениями достигнет значения ∆pmax, появится желание продуться. Обозначим

α = ∆Vmax / (V0 − ∆Vmax).

(2)


Коэффициент α характеризует максимальное сжатие среднего уха, которое ныряльщик может выдерживать без боли, ∆Vmax - величина уменьшения объема полости среднего уха при разности давлений ∆pmax. С учетом введенного обозначения получаем уравнение для шага продувки: ∆pmax=0.1h-αp. Отсюда шаг продувки равен

h = 10∆pmax + 10αp. (3)

Мы видим, что в сравнении с (1) шаг продувки увеличился на величину 10αp, которая растет прямо пропорционально давлению.

Чтобы найти явное выражение для шага n-й продувки подставим в (3) значение давления на глубине n-й продувки p=0.1dn+patm и учитывая, что согласно (3) шаг первой продувки равен

h1 = 10∆pmax + 10αpatm, (4)


получаем:

hn+1 = h1 + αdn. (5)


Поскольку hn+1 – hn = α(dn– dn–1) = αhn, то нетрудно найти искомое выражение для шага n-й продувки:

hn = h1(1+α)n–1. (6)

Теперь, пользуясь этой формулой, сделаем численные оценки. Если допустить, что при максимально переносимой разности давлений смещение барабанной перепонки не превышает 0,5 см, то с учетом площади барабанной перепонки не более 1 см2, изменение объема среднего уха ∆Vmax не будет превосходить 0,2 см3 (считаем, что смещенная перепонка имеет форму конуса). Реально оно будет заметно меньше, поэтому это оценка сверху. Поскольку полный объем среднего уха V0 около 10 см3, то α не превосходит 0,02. Поэтому между пятой и шестой продувками интервал не будет превосходить (1+α)5=(1,02)5≈1,1 от глубины первой продувки, а между десятой и одиннадцатой — 1,22. Увеличение шага продувки на глубине d в сравнении с несжимаемым ухом согласно (5) составляет αd, что на глубине 20 м даст не более 0,4 м, а на глубине 50 м — не более 1 м.

На практике у тренированных ныряльщиков на глубине наблюдается увеличение шага продувки на несколько метров, а относительное увеличение — до 1,5 и более раз. К примеру, если первый шаг был равен 3 м, то на глубине 20 м шаг вполне может достичь 5 м, что соответствует α~0,1. Таким образом, не удается в полной мере объяснить наблюдаемые данные лишь смещениями барабанной перепонки. По-видимому, существуют другие пути уменьшения объема среднего уха.

Здесь выдвигается гипотеза о возможном механизме такого уменьшения. Обратимся к анатомии сосцевидных ячеек. Площадь поверхности слизистой этих ячеек довольно велика — 75–330 см2[18], что достигается за счет большого их числа и малого размера. Толщина слизистой порядка 0,05 мм[19]. Таким образом, объем слизистой порядка 1 см3. Представляется правдоподобным, что изменение кровенаполнения слизистой при перепадах давления может изменять ее объем в 2 раза. Если принять во внимание вызываемое этим уменьшение объема среднего уха, то α может стать порядка 0,1. Этого вполне достаточно для получения наблюдаемого возрастания шага продувки, поскольку (1,1)5≈1,6.

Данное объяснение требует экспериментальной проверки. В результате поиска в доступной литературе упоминаний о компенсации давления слизистой сосцевидных ячеек таковых не было найдено для человека, но были найдены для ныряющих млекопитающих. Наблюдения со спутников за хохлачами[9] показало, что они способны нырять на глубину свыше 1 км и оставаться там до 1 часа. Исследование строения их ушей[20] выявило, что в среднем ухе имеется кавернозная ткань, которая при погружении наполняется кровью и уменьшает объем газа в среднем ухе практически до нуля! - хохлачам вообще нет необходимости продуваться. Применение формулы (2) в случае хохлачей дает α → ∞, и поэтому согласно (4) глубина первой продувки у них h1 → ∞.

Вполне вероятно, что у человека наряду с другими нырятельными рефлексами млекопитающих есть и этот, хотя, конечно не в столь выраженной форме, как у тюленей. Можно предположить, что изменение кровенаполнения слизистой сосцевидных ячеек происходит не только пассивным путем из-за разности давлений, но и с помощью активного изменения просвета сосудов слизистой.

В барабанной перепонке в области основания рукоятки молоточка имеется небольшая ненатянутая часть (pars flaccida, рис. 2), которая лишена фиброзного слоя и легко смещается под действием разности давлений. Высказывалось предположение, что эта часть служит датчиком давления[21]. Если это действительно так, то можно также предположить, что существует рефлекторное изменение кровенаполнения слизистой сосцевидных ячеек с участием pars flaccida. При смещении pars flaccida внутрь кровенаполнение увеличивается, а при смещении наружу - уменьшается, благодаря чему достигается компенсация давления в среднем ухе.

Если существует нервная регуляция кровенаполнения сосудов слизистой сосцевидных ячеек, то очевидно на него будет влиять психическое состояние, подобно тому, как это происходит со слизистой носа. В этом случае степень увеличения интервала между продувками будет также зависеть от психологического настроя. Поскольку при увеличенном интервале между продувками легче нырнуть на бóльшую глубину, то тем самым (в случае подтверждения высказанных гипотез) будут выявлены новые факторы, оказывающие влияние на результативность во фридайвинге.

В данном контексте в новом свете предстают сосудосуживающие средства. Их применение помогает устранить непроходимость слуховых труб, но вместе с тем уменьшает компенсирующее расширение слизистой в среднем ухе, т.е. уменьшает коэффициент α. Продуваться становится легче, но делать это приходится чаще. Поэтому при глубоких погружениях применение сосудосуживающих средств нежелательно. Это тем более справедливо, если учесть, что их действие отчасти распространяется и на сосуды легких, что снижает компенсаторный приток крови к легким и тем самым повышает вероятность баротравмы последних.

Степень уменьшения объема среднего уха зависит от максимальной толерантной разности давлений ∆pmax. Эта разность, по-видимому, лимитируется в основном барабанной перепонкой, поскольку обычно именно она травмируется при превышении ∆pmax, но очевидно этот вопрос требует статистических исследований, поскольку нельзя исключить, что у некоторых индивидов лимитируюшими (т. е. слабыми местами) являются другие части уха ■.

Итак, мы видим, что увеличение интервала между продувками достигается за счет двух факторов: 1) увеличения максимальной толерантной разности давлений ∆pmax и 2) повышения сжимаемости среднего уха α. Это описывается формулой (3). Первый фактор повышается по мере укрепления тренировками тканей уха, прежде всего барабанной перепонки. Второй фактор малоисследован. Пока не ясно, в какой мере он поддается тренировкам, но не исключено, что он зависит от психического настроя (через регуляцию тонуса сосудов в слизистой оболочке среднего уха).

Измерив фактические интервалы между продувками и их глубины можно вычислить ∆pmax и α, при которых формулы (4) и (5) лучше всего соответствуют фактическим значениям. Таким путем можно набрать статистику по фридайверам и продолжить исследование данного вопроса. ■

Продолжительность продувки

На продувание ушей уходит некоторое время и силы. В процессе нырка первая продувка обычно занимает от 0,5 до 2 с.[10]

Продолжительность продувки (время нагнетения воздуха в среднее ухо) определяется объемом воздуха ∆V, который нужно вдуть в среднее ухо, формой слуховой трубы, разницей давлений ∆p в носоглотке и среднем ухе перед продуванием и вязкостью η воздуха.

В первом приближении будем считать, что форма слуховой трубы и разница давлений ∆p одинаковы в каждом акте продувания. Вязкость воздуха при повышении давления увеличивается незначительно: порядка 1 % на 100 м глубины, поэтому ее изменениями тоже можно пренебречь. Что касается объема вдуваемого воздуха ∆V, то его легко оценить исходя из того, что общее число n молекул воздуха в среднем ухе равно n = pV/kT, где p — давление в среднем ухе, V — объем полости среднего уха, k — постоянная Больцмана, T — температура в среднем ухе. Отсюда получаем, что для выравнивания разницы давлений ∆p необходимо вдуть ∆n = ∆pV/kT молекул воздуха. Поскольку разность давлений ∆p приблизительно одинакова во всех актах продувки, то следовательно число вдуваемых молекул ∆n также одинаково. Объем ∆V, занимаемый молекулами ∆n, равен ∆V = ∆nkT/p = ∆pV/p.

Таким образом, объем ∆V вдуваемого в среднее ухо воздуха, уменьшается с ростом глубины обратно пропорционально давлению p воды. Следовательно время, затрачиваемое на продувку, сокращается с ростом глубины. К примеру, если продувка на глубине 3 м потребовала 1 с, то на глубине 30 м она может занять 1/3 c, а на глубине 70 м — всего 1/6 c.

На практике, однако, может случится так, что при увеличении глубины погружения накапливается баротравматический отек слуховой трубы из-за неполного продувания, просвет слуховой трубы сужается и время продувки не уменьшается или даже увеличивается. С другой стороны, на глубинах свыше 30-40 м (а при нырянии на выдохе на меньших глубинах) происходит значительный отток крови к легким, в результате чего кровенаполнение слуховой трубы уменьшается. Поэтому при отсутствии баротравматического отека просвет трубы увеличивается и облегчается ее открытие, что приводит к дополнительному сокращению времени продувки. Таким образом, при глубоких погружениях важно тщательно и своевременно продувать уши, не допуская неполной продувки. Тогда с ростом глубины продуваться будет легче (разумеется, пока хватает запаса воздуха), а сама продувка будет требовать меньше времени.

Прочность барабанной перепонки

При неограниченном повышении разности давлений между полостью среднего уха и наружным слуховым проходом происходит разрыв барабанной перепонки. Разрыв обычно случается в нижней ее части и имеет форму маленькой щели. Поскольку этой щели вполне достаточно для выравнивания давления, дальнейшего повреждения не происходит. При разрыве барабанной перепонки из-за очень резкого изменения давления, например при ударной волне от взрыва, повреждения носят более обширный характер, вплоть до полного отрыва барабанной перепонки.

В отношении давления разрыва имеются противоречивые данные. Так американские врачи Армстронг и Гейм (1937) установили, что повышение давления более 0,04 ат вызывает невыносимую боль в среднем ухе и головокружение, а более 0,13-0,20 ат приводит к разрыву барабанной перепонки[11]. По данным Б. В. Петровского и С. Н. Ефуни (1976), к разрыву барабанной перепонки обычно приводит разница давления около 0,26-0,30 ат, а у лиц с рубцами и атрофией перепонки, снижающими ее упругость, разрыв возможен и при меньшем градиенте давления. В. И. Воячек и К. Л. Хилов (1963) считают, что при медленном нарастании давления барабанная перепонка может выдерживать давление до 1 ат и более.

Эти цифры плохо согласуются между собой и с наблюдаемыми глубинами первой продувки у многих фридайверов (3–4 м, что соответствует разности давлений 0,3-0,4 ат). По-видимому, существует несколько причин этих расхождений. Во-первых, велик разброс в прочности барабанной перепонки у различных индивидов. Во-вторых, не всегда ясно что подразумевается под разницей давлений: разница с разных сторон перепонки или разница между давлением окружающей среды, вызывающем боль или разрыв, и давлением в ухе до повышения давления. В-третьих, некоторые из приводимых в литературе цифр являются средними значениями, в то время как другие носят нормативный характер (для целей обеспечения безопасности) и соответствуют нижним значениям давления разрыва, наблюдаемого в группе.Кликните для увеличения

Рис. 8. Давление в наружном слуховом проходе, приводящее к разрыву барабанной перепонки человека[22]

На рис. 8 приведены данные оригинального исследования 1906 г. В этом исследовании использовались трупы и давление в наружном слуховом проходе повышалось до разрыва барабанной перепонки. Давление в полости среднего уха при этом оставалось практически равным атмосферному, поскольку избыточное давление в среднем ухе могло выравниваться через слуховую трубу. Из этих данных видно, что среднее давление разрыва у взрослых около 1,5 ат, а у детей около 2 ат. С другой стороны, в группе из 100 человек велика вероятность того, что у кого-то из этой группы прочность барабанной перепонки окажется меньше 0,5 ат. Относительно недавнее обследование 90 субъектов при аутопсии дало среднее давление разрыва барабанной перепонки 1,2 ат при полном диапазоне разброса 0,5—2,1 ат.[23]

Эти данные вполне объясняют указанные выше расхождения и согласуются с наблюдаемыми у ныряльщиков глубинами продувки.

Таким образом, прочность здоровой тренированной барабанной перепонки позволяет ей выдерживать без разрыва давление до 20 м водного столба. У ныряльщиков при частых и/или интенсивных тренировках идеальное состояние барабанной перепонки, по-видимому, редко встречается. Это обусловлено частыми небольшими растяжениями, переохлаждением, увлажнением барабанной перепонки водой и последующим ее иссушением из-за вымывания ушной серы. Вымывание серы и повреждение кожи наружного слухового прохода инородными телами (в том числе механическими приспособлениями для чистки ушей) способствует инфицированию. Как указывалось выше, у рядовых тренированных ныряльщиков обычным является появление боли при давлении 3-4 м водного столба, а у высокотренированных — 6—8 м и более. У начинающих ныряльщиков боль может возникать и при давлении менее 1 м. Это, однако, свидетельствует скорее о нездоровье ушей, чем о норме.

(продолжение) 

 

 

Главная | Дайвинг | Охота | Экспедиции | Археология | Фотография | Обучение | Клубы и центры | Снаряжение | Магазины | Дайвинг-сайты | Туры | Страховка | Проишествия | Медиа | Форум | Архив форума | Ссылки