Arctic diving : staying alive in a hostile environment

In the Arctic diving occurs in cold water throughout the year. At a depth of 20 meters sea/fresh water (msw/mfw) temperatures are 4°C even in the warmest summer. Cold is not only a discomfort factor for divers. It also impairs physical and cognitive performance, which in turn may jeopardize diving safety, and is one of the major risk factors for decompression illness (DCI). In our study we looked for factors that influence diving safety in Arctic water temperatures and searched for possible ways to reduce the risks. Based on the results from our three studies we aimed to suggest improvements for cold water diving procedures. First, we studied special features of DCI in the Finnish diving population, and different factors associated with DCI. Second, we investigated different thermal protection properties by comparing argon and air used as drysuit inflation gas. Argon is a widely-used passive method to reduce heat loss in cold water diving. Third, we studied the autonomic nervous system (ANS) responses to cold water diving with heart rate variability (HRV) measures. With results from these studies we aimed to give recommendations to make diving in Arctic conditions safer. We carried out a retrospective study to evaluate DCI treated in Finland over a time period of 20 years (1999-2018). The study included by estimation over 95% of all hyperbaric oxygen- treated DCI patients (n = 571) during the years studied. We divided cases into technical divers (n = 200) and non-technical divers (n = 371) and examined differences between the groups. Technical diving was defined as the usage of mixed breathing gases, closed circuit rebreather diving or planned decompression diving. The mean annual number of treated DCI cases in Finland was 29 (range 16– 38). The number of divers treated seemed to show a shift towards technical diving. Technical dives were deeper and longer and were mainly performed in cold water or in an overhead environment. Technical divers were more likely to utilize first aid 100% oxygen (FAO2) and sought medical attention earlier than non-technical divers. The symptom profiles were similar in both groups. Recompression was performed using US Navy Treatment Table Six (USN TT6) in the majority of the cases and resulted in good final outcomes. Eighty two percent of the patients were asymptomatic on completion of all recompression treatment(s). To study the difference in thermal insulation properties of argon compared to air we measured the rectal temperature and eight standardized skin temperatures during tests for navy drysuit diving equipment development in Arctic water conditions. Four divers completed 14 dives, each lasting 45 minutes: seven dives used air insulation and seven used argon insulation. From the measured temperatures, changes in the calculated mean body temperature (MBT) were assessed. There was a significant reduction in the area weighted skin temperature over time (0-45min) during air dives (ΔTskin = -4.16°, SE = 0.445, p<0.001). During argon dives the reduction was significantly smaller compared to the air dives (difference between groups = 2.26°C, SE = 0.358, P<0.001). There were no significant changes in rectal temperatures, nor was a significant difference seen between groups in rectal temperatures. We investigated the human diving responses in cold water temperatures by retrospectively analyzing repeated 5-minute HRV measures and mean body temperature measurements from dives at regular intervals using naval diving equipment measurement tests in 0°C water. The human body reacts to cold through ANS-mediated thermoregulatory mechanisms. Diving also induces ANS responses as a result of the diving reflex. Three divers performed seven dives without engaging in physical activity (dive time 81–91 min), and two divers performed four dives with physical activity after 10 min of diving (0–10 min HRV recordings were included in the study). Based on changes in the root mean square of successive RR interval differences (RMSSD) an increase in parasympathetic nervous system (PNS) activity could be seen at the beginning of the dive. First from the measure at rest to the measure 0 to 5 min showed a significant increase of 14.67 ms (SE = 6.09, p = 0.02). After this PNS activity decreased: the measure from 0 to 5 min to the measure at 5 to 10 min had a significant decrease of 12.92 ms (SE = 6.09, p = 0.04). The remaining measures showed an increase in PNS activity over time: the measure from 5 to 10 min until the measure at 75 to 80 min (n = 7), showed a significant increase of 97.86 ms (SE = 2.28, p < 0.001). As a conclusion there has been a shift towards technical diving in the Finnish diving population, and hence a more demanding types of diving. The number of diagnosed DCI cases in Finland has been quite constant over the last 20 years (1999 to 2018), estimated from a mean incidence of 29 primary decompression treatments annually. Fortunately, the majority of divers recovered well and could continue diving after successful treatment. The use of FAO2 was relatively uncommon in the treatment of DCI symptoms. Compared to air, argon seemed to have better thermal insulation properties when used as drysuit inflation gas, suggesting it would be beneficial when diving in Arctic conditions. Using argon could make diving safer and reduce the risks of fatal diving accidents. The results of the HRV measures suggested a rapid decrease in parasympathetic activity (PNS) after an initial PNS increase at the beginning of the dive. This decrease in PNS activity has not been described in previous studies. To avoid concurrent sympathetic (SNS) and PNS activity at the beginning of dives, which in turn could increase the risk of malign arrhythmia, we suggest a short adaptation phase before physical activity. Moreover, we suggest it is prudent to pay special attention to cardiovascular risk factors during fit-to-dive evaluations for cold water divers.Arktiset vedet ovat kylmiä riippumatta vuodenajasta. Jo 20 metrin syvyydessä veden lämpötila on lämpimämpään kesäaikaankin 4 °C. Kylmä ei ole sukeltajille vain epämukavuustekijä vaan se huonontaa fyysistä ja kognitiivista toimintakykyä ja lisää riskiä sukeltajantaudille. Tutkimuksellamme pyrimme löytämään tekijöitä, jotka vaikuttavat sukellusturvallisuuteen erittäin kylmissä arktisissa olosuhteissa. Kävimme aineistotutkimuksena läpi kaikki Suomessa vuosina 1999 - 2018 Turun yliopistollisessa sairaalassa (painekammioyksikkö) sekä Medioxygen-klinikalla hoidetut sukeltajataudit. Sukeltajantaudin takia hoitoon hakeutuneiden vuotuinen määrä oli keskimäärin 29 henkilöä. Hoitojen perusteella tekniikkasukellus vaikuttaisi merkittävästi lisääntyneen viimeisen 20 vuoden aikana. Tekniikkasukellukset olivat syvempiä ja ne tehtiin suureksi osaksi luolissa ja veden täyttämissä kaivoksissa. Oireprofiili oli samanlainen kummassakin ryhmässä, mutta viive hoitoon oli merkittävästi lyhyempi tekniikkasukeltajilla. Kummassakin ryhmässä tavallisin hoitoprotokolla oli Yhdysvaltain laivaston hoitoprotokolla 6 (USNTT6). 82% sukeltajista parani täysin paineistushoidon jälkeen. Vertasimme ilmaa ja argonia kuivapuvun lämmönerityskaasuina osoitimme, että kahdeksasta mitatusta iholämpötilasta laskettu ihon keskilämpötila laski merkittävästi sukelluksen aikana kummassakin ryhmässä, mutta merkitsevästi enemmän ilmaa käyttävässä ryhmässä (ero ryhmien välillä = 2.26°C, P < 0.001). Tulokset osoittavat, että argon on ilmaa parempi lämmöneristyskaasu kuivapukusukeltamisessa erittäin kylmissä arktisissa olosuhteissa. Tutkimme myös ihmiselimistön sukellusheijasteita tarkastelemalla viiden minuutin sykevälivaihtelujaksoja sekä elimistön keskilämpötilaa 0°C vedessä. Tutkimuksessamme näimme muutoksia tahdosta riippumattoman hermoston paradsympaattisen osan aktiviteetissa, kun arvioimme tämän toimintaa RMSSD-mittauksilla (RMSSD = changes in root mean square of successive RR interval differences). Aluksi parasympaattinen aktiivisuus lisääntyi 14.67 ms (p = 0.02) minkä jälkeen parasympaattinen aktiviteetti vähentyi merkittävästi 12.92 ms (p = 0.04). Tämän jälkeen seuraavat mittaukset osoittivat parasympaattisen aktiviteetin lisääntyvät loppusukellusten ajan 97.86 ms (p < 0.001). Sukelluksen alun parasympaattisen aktiviteetin alun jälkeistä vähentymistä ei ole kuvattu aikaisemmin. Sukelluksen alun samanaisen voimakkaan sympaattisen ja parasympaattisen aktivaation välttämiseksi lyhyt totuttautumisvaihe ennen fyysistä rasitusta olisi suositeltava. Fyysinen rasitus nostaa tahdosta riippumattoman hermoston sympaattisen osan aktiviteettia, ja tunnetusti voimakas samanaikainen parasympaattisen ja sympaattisen aktiviteetin lisääntyminen lisää riskiä pahanlaatuisille sydämen rytmihäiriöille. Lisäksi suosittelemme tiukkoja sydän – ja verisuonitautien riskitekijöiden seulontamenetelmiä kylmissä olosuhteissa sukeltavien työsukeltajien määräaikaistarkastuksissa.Arktiska vatten är kalla oberoende av årstiden. Redan på ett djup av 20 meter är vattnets temperatur 4 °C till och med under sommarens varmaste tid. Kyla är inte bara en obekvämhetsfaktor för dykare, utan försämrar också den fysiska och kognitiva prestationsförmågan samt ökar risken för dykarsjuka. Genom vår forskning har vi strävat till att hitta faktorer som påverkar säkerhet vid dykning i mycket kalla arktiska förhållanden. Vi gick igenom alla fall av dykarsjuka som behandlats på Åbo universitetscentralsjukhus och Medioxygen-kliniken under åren 1999–2018. På grund av symptom på dykarsjuka har i medeltal 29 personer årligen sökt sig till vård. Utgående från antalet vårdade fall verkar det som om mängden teknikdykning skulle ha ökat under de senaste 20 åren. Teknikdykningarna var djupare och de gjordes till stor del i grottor och vattenfyllda gruvor. Symptomprofilen var liknande i båda grupperna, men tiden det tog att få sjukhusvård var betydligt kortare hos teknikdykarna. I båda grupperna var det vanligaste vårdprotokollet Förenta Staternas flottas vårdtabell 6 (USNTT6). I 82 procent av fallen blev patienten totalt symptomfri efter hyperbarisk syreterapi. Vi jämförde luft och argon som värmeisoleringsgaser i torrdräkter och kunde konstatera att en av åtta uppmätta hudtemperaturer beräknade enligt hudens medeltemperatur sjönk signifikant i båda grupperna, men att temperaturen sjönk betydligt mera i gruppen som dök med luft (skillnad mellan grupperna = 2.26°C, P < 0.001). Resultaten tyder på att argon är en bättre värmeisoleringsgas än luft vid torrdräktsdykning i mycket kalla arktiska förhållanden. Vi forskade också i människans dykreflex genom att iaktta fem minuters episoder av hjärtfrekvensvariabilitet och kroppens medeltemperatur i vatten vars temperatur var 0°C. I vår forskning kunde vi konstatera förändringar i det autonoma nervsystemets parasympatiska dels aktivitet då vi betraktade RMSSD-mätningar (RMSSD = changes in root mean square of successive RR interval differences). Inledningsvis ökade den parasympatiska aktiviteten med 14.67 ms (p = 0.02), varefter aktiviteten minskade med 12.92 ms (p = 0.04). Härefter ökade den parasympatiska aktiviteten fram till slutet av dykningarna med 97.86 ms (p