Ulyanovsk Medico-biological Journal

PHYSIOLOGY

Download  article

DOI 10.34014/2227-1848-2019-3-89-97

 

NEW POSSIBILITIES FOR DIVER’S MONITORING DURING UNDERWATER DIVING USING NOISES ASSOCIATED WITH NATURAL RESPIRATION

 

A.E. Kostiv, V.I. Korenbaum

V.I. Ilyichov Pacific Oceanological Institute, Far East branch of Russian Academy of Sciences, Vladivistok, Russia

e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Under normal conditions, breathing is reflexive, so it provides the necessary content of oxygen and carbon dioxide to the human body. However, elevated levels of partial oxygen, carbon dioxide and nitrogen pressure during underwater diving (considering the depth of diving, physical activity load, respiratory delays and changes in the inhaled gas density), require a conscious breathing control from the diver. Loss of breathing control can cause panic and/or loss of consciousness under water.

The purpose of the paper is to study the possibility to control diver’s physiological state under water by in-situ breathing noises.

Materials and Methods. The authors developed a method to record underwater breathing noises of a scuba diver. The method ensures the determination of the breathing rhythm without violating the integrity of the respiratory apparatus tract. They also proposed a method to separate the inspiration and expiration sounds, which allowed them to control the duration of respiratory phase ratio. Methods of analyzing heart rate variability were used to assess respiration rhythms.

Results. During field experiments, it was shown that in case of a regular diving, the average respiratory rhythm of a diver was 9.3 respiratory movements per minute; inhalation/exhalation ratio was 1:2.5; mean square deviation – 1.4 s. In the case of an emergency, the average respiratory rhythm of a diver was 18 respiratory cycles per minute; the ratio of respiration phases was 1:1.3; variability – 1 s. Thus, in an emergency situation, the diver’s breathing was 2 times faster, exhalation shortened in regard to inspiration, and the breathing rhythm became less variable. Consequently, the acoustical physiological parameters of the respiratory rhythm, namely, its variability, inspiration/expiration ratio can indicate the diver’s state.

Conclusion. The developed method allowed us to measure underwater parameters of the diver’s breathing rhythm and inspiration/expiration ratio without violating the integrity of the respiratory apparatus tract. Indication of the physiological respiration parameters can be implemented in the decompression computer of an underwater swimmer.

Keywords: diver, monitoring, breathing noises, breathing rhythm, respiratory cycle, variability, voice recorder.

 

References

  1. Rostain J.C., Balon N. Recent neurochemical basis of inert gas narcosis and pressure effects. Undersea Hyperb. Med. 2006; 33: 197–204.

  2. Cibis T., Groh B.H., Gatermann H., Leutheuser H., Eskofier B.M. Wearable real-time ECG monitoring with emergency alert system for scuba diving. 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2015: 6074–6077.

  3. Altepe C., Egi S.M., Ozyigit T., Pierleoni P. Nerites. Proceedings of the International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies. SCITEPRESS-Science and Technology Publications, Lda. 2016: 119–124.

  4. Altepe C., Egi S., Ozyigit T., Sinoplu D., Marroni A., Pierleoni P. Design and validation of a breathing detection system for scuba divers. Sensors. 2017; 17 (6): 1349.

  5. Smolin V.V., Sokolov G.M., Pavlov B.N. Vodolaznye spuski i ikh meditsinskoe obespechenie [Diving and its medical support]. Moscow: Firma «Slovo»; 2001. 266 (in Russian).

  6. Clark J.M., Thom S.R. Oxygen under pressure. In: Physiology and Medicine of Diving. 2003: 358–418.

  7. Duane S.F., Weir E.K., Stewart R.M., Niewoehner D.E. Distal airway responses to changes in oxygen and carbon dioxide tensions. Respiration physiology. 1979; 38 (3): 303–311.

  8. Thorsen E., Skogstad M., Reed J.W. Subacute effects of inspiratory resistive loading and head-out water immersion on pulmonary function. Undersea & hyperbaric medicine. 1999; 26 (3): 137.

  9. Wilmshurst P.T., Crowther A., Nuri M., Webb-Peploe M.M. Cold-induced pulmonary oedema in scuba divers and swimmers and subsequent development of hypertension. The Lancet. 1989; 333 (8629): 62–65.

  10. Kukes V.G., Marinin V.F., Reutskiy I.A., Sivkov S.I. Vrachebnye metody diagnostiki: uchebnoe posobie [Medical diagnostic methods: Manual]. Moscow: GEOTAR-Media; 2006. 300 (in Rusian).

  11. Tyurin. V.I. Vnimanie, glubina [Attention: depth]. Moscow: DOSAAF; 1974. 26 (in Russian).

  12. Fothergill D.M., Sims J.R., Curley M.D. Neoprene Wet-Suit Hood Affects Low-Frequency Underwater Hearing Thresholds. Aviation, Space and Environmental Medicine. 2004; 75 (5): 397.

  13. Korenbaum V.I., Tagil'tsev A.A., D'yachenko A.I., Kostiv A.E. Sravnenie kharakteristik akusticheskikh datchikov razlichnykh tipov pri registratsii dykhatel'nykh zvukov na poverkhnosti grudnoy kletki cheloveka [Comparison of various acoustic sensor characteristics when registering respiratory sounds from the human chest surface]. Akusticheskiy zhurnal. 2013; 59 (4): 530–538 (in Russian).

  14. Donskoy D.M. Acoustic Emission Mechanism from Scuba Diving Equipment. Journal of the Acoustical Society of America. 2007; 12 (5): 3086.

  15. Donskoy D., Imas L., Yen T., Sedunov N., Tsionskiy M., Sedunov A. Turbulence-Induced Acoustic Emission of SCUBA Breathing Apparatus. AIP Conference Proceedings. 2008; 1022 (1): 95–98.

  16. Rostig S., Kantelhardt J.W., Penzel T., Cassel W., Peter J.H., Vogelmeier C., Becker H.F., Jerrentrup A. Nonrandom variability of respiration during sleep in healthy humans. Sleep. 2005; 28 (4): 411.

  17. Hnatkova K., Copie X., Staunton A., Malik M. Numeric processing of Lorenz plots of RR intervals from long-term ECGs. Comparison with time-domain measures of heart rate variability for risk stratification after myocardial infarction. Journal of electrocardiology. 1995; 28: 74.

  18. Grishin O.V., Grishin V.G., Kovalenko Yu.V. Variabel'nost' legochnogo gazoobmena i dykhatel'nogo ritma [Variability of pulmonary gas exchange and respiratory rhythm]. Fiziologiya cheloveka. 2012; 38 (2): 87 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 534.7

DOI 10.34014/2227-1848-2019-3-89-97

 

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ВОДОЛАЗОВ В ПРОЦЕССЕ ПОДВОДНОГО ПОГРУЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШУМОВ, СВЯЗАННЫХ С ЕСТЕСТВЕННЫМ ДЫХАНИЕМ

 

А.Е. Костив, В.И. Коренбаум

ФГБУН Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Владивосток, Россия

e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

В нормальных условиях дыхание осуществляется рефлекторно, обеспечивая необходимое содержание кислорода и двуокиси углерода в организме человека. Однако повышенные уровни парциального давления кислорода, двуокиси углерода и азота при подводном погружении с учетом глубины погружения, уровня физической нагрузки, наличия задержек дыхания и изменения плотности вдыхаемого газа требуют от водолаза сознательного контроля над дыханием. Утрата контроля над дыханием может стать причиной панических состояний и/или потери сознания под водой.

Цель работы – исследование возможности контроля физиологического состояния водолаза под водой по шумам дыхания in situ.

Материалы и методы. Разработан метод регистрации шумов дыхания водолаза-аквалангиста под водой, обеспечивающий определение ритма дыхания без нарушения целостности трактов дыхательного аппарата. Предложен способ разделения шумов вдоха и выдоха, который позволяет контролировать соотношение продолжительностей фаз дыхания. При оценке ритма дыхания применены методы анализа вариабельности частоты сердечных сокращений.

Результаты. В ходе натурных экспериментов показано, что при штатном погружении водолаза средний дыхательный ритм составил 9,3 дыхательного движения в минуту; отношение продолжительностей вдоха и выдоха – 1:2,5; вариабельность по среднеквадратическому отклонению – 1,4 с. В случае нахождения водолаза в нештатной ситуации средний дыхательный ритм составил 18 дыхательных циклов в минуту; соотношение продолжительностей фаз дыхания – 1:1,3; вариабельность – 1 с. Таким образом, у водолаза в нештатной ситуации дыхание участилось в 2 раза, выдох укоротился по отношению к вдоху, а ритм дыхания стал менее вариабельным. Следовательно, получаемые акустически физиологические параметры ритма дыхания, его вариабельности, соотношения фаз вдоха и выдоха могут служить индикаторами состояния водолаза.

Выводы. Разработанный метод позволяет, не нарушая целостности трактов дыхательного аппарата, измерить под водой параметры ритма дыхания водолаза и соотношение продолжительностей фаз вдоха и выдоха. Индикация физиологических параметров дыхания может быть реализована в декомпрессионном компьютере подводного пловца.

Ключевые слова: водолаз, мониторинг, шумы дыхания, ритм дыхания, дыхательный цикл, вариабельность, диктофон.

 

Литература

  1. Rostain J.C., Balon N. Recent neurochemical basis of inert gas narcosis and pressure effects. Undersea Hyperb. Med. 2006; 33: 197–204.

  2. Cibis T., Groh B.H., Gatermann H., Leutheuser H., Eskofier B.M. Wearable real-time ECG monitoring with emergency alert system for scuba diving. 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2015: 6074–6077.

  3. Altepe C., Egi S.M., Ozyigit T., Pierleoni P. Nerites. Proceedings of the International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies. SCITEPRESS-Science and Technology Publications, Lda. 2016: 119–124.

  4. Altepe C., Egi S., Ozyigit T., Sinoplu D., Marroni A., Pierleoni P. Design and validation of a breathing detection system for scuba divers. Sensors. 2017; 17 (6): 1349.

  5. Смолин В.В., Соколов Г.М., Павлов Б.Н. Водолазные спуски и их медицинское обеспечение. М.: Фирма «Слово»; 2001. 266.

  6. Clark J.M., Thom S.R. Oxygen under pressure. In: Physiology and Medicine of Diving. 2003: 358–418.

  7. Duane S.F., Weir E.K., Stewart R.M., Niewoehner D.E. Distal airway responses to changes in oxygen and carbon dioxide tensions. Respiration physiology. 1979; 38 (3): 303–311.

  8. Thorsen E., Skogstad M., Reed J.W. Subacute effects of inspiratory resistive loading and head-out water immersion on pulmonary function. Undersea & hyperbaric medicine. 1999; 26 (3): 137.

  9. Wilmshurst P.T., Crowther A., Nuri M., Webb-Peploe M.M. Cold-induced pulmonary oedema in scuba divers and swimmers and subsequent development of hypertension. The Lancet. 1989; 333 (8629): 62–65.

  10. Кукес В.Г., Маринин В.Ф., Реуцкий И.А., Сивков С.И. Врачебные методы диагностики: учебное пособие. М.: ГЕОТАР-Медиа; 2006. 300.

  11. Тюрин. В.И. Внимание, глубина. М.: ДОСААФ; 1974. 26.

  12. Fothergill D.M., Sims J.R., Curley M.D. Neoprene Wet-Suit Hood Affects Low-Frequency Underwater Hearing Thresholds. Aviation, Space and Environmental Medicine. 2004; 75 (5): 397.

  13. Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Дьяченко А.И., Костив А.Е. Сравнение характеристик акустических датчиков различных типов при регистрации дыхательных звуков на поверхности грудной клетки человека. Акустический журнал. 2013; 59 (4): 530–538.

  14. Donskoy D.M. Acoustic Emission Mechanism from Scuba Diving Equipment. Journal of the Acoustical Society of America. 2007; 12 (5): 3086.

  15. Donskoy D., Imas L., Yen T., Sedunov N., Tsionskiy M., Sedunov A. Turbulence‐Induced Acoustic Emission of SCUBA Breathing Apparatus. AIP Conference Proceedings. 2008; 1022 (1): 95–98.

  16. Rostig S., Kantelhardt J.W., Penzel T., Cassel W., Peter J.H., Vogelmeier C., Becker H.F., Jerrentrup A. Nonrandom variability of respiration during sleep in healthy humans. Sleep. 2005; 28 (4): 411.

  17. Hnatkova K., Copie X., Staunton A., Malik M. Numeric processing of Lorenz plots of RR intervals from long-term ECGs. Comparison with time-domain measures of heart rate variability for risk stratification after myocardial infarction. Journal of electrocardiology. 1995; 28: 74.

  18. Гришин О.В., Гришин В.Г., Коваленко Ю.В. Вариабельность легочного газообмена и дыхательного ритма. Физиология человека. 2012; 38 (2): 87.