減壓理論 – Part I

Decompression-theory作者:理查.迪凡尼

就潛水的所有面向來說,減壓理論可能是最不容易的一塊。它可以是難懂又充滿術語的科學及複雜的理論,常常會讓讀者認為需要花更多的時間來鑽研讓自己能多些理解!然而更糟糕的是,科學家們對於減壓理論了解的仍然非常有限。對我們一般人來說,這並不是一件好的消息。

然而,這卻又是在我們潛水學習與嘗試成為安全潛水員的過程中一個讓人著迷的部分。在本文中我試著去讓大家方便理解這個題目,並且希望能帶些娛樂性。但是這是一個很大的領域,我們僅會在一些原理上透過接下來的一些文章來跟各位介紹,好吧,那我們就開始吧。

在休閒潛水員圈子裡一個常見的誤解是減壓理論是一個被充分了解的程序。雖然在我們的理解中套用在30米深度限制內的非減壓潛水下對大多數人來說運作順暢(減壓病的發生大約是每10萬次潛水中大約會發生10~20次),減壓病仍有可能會在保守潛水限制下發生。超過休閒潛水的限制那麼你基本上將成為減壓潛水研究的實驗品。

呼吸
在開始介紹融氮與排氮之前,首先我們最好先了解為什麼我們需要在水下呼吸?答案很簡單,因為事實是我們在陸地上需要呼吸。但是,為什麼我們需要呼吸?當我們在呼吸的時候到底發生了什麼事呢?

讓我們先把潛水放到一旁,在陸地上,我們所呼吸的空氣中含有大約21%的氧(O2)及79%的氮(N2)。事實上以體積來說是20.55%的氧及78.08%的氮,然後剩下不到1%的部分包括氬、氖、氦、氪、氫、氙氣,和二氧化碳。然而,因為這些存在在大氣中的氣體是如此之少,所以我們將他們忽略不計,並且將他們都視為氮氣,他們都被認為是“惰性氣體”,意味著他們在我們體內(陸地上)在化學與生物學上都不會與我們的身體產生作用。

呼吸是一種自主的程序,但是我們可以在一定的程度上控制它。當我們需要呼吸時,透過胸部肋骨上升與外張以及橫隔膜上肌肉的收縮使得胸腔底部向下移這減少了費中的空氣壓力,因此空氣透過呼吸道進入肺泡進行氣體交換。當我們吐氣時則是相反的狀況,這會讓空氣被擠出肺部。

在吸入時,空氣進入肺中與那些已經在肺中的氣體混合。這意味著肺中的空氣在比例上與在大氣中會有些許不同。空氣一旦進入肺中,空氣隨即被傳輸到血管,然後透過動脈,將氧氣供應到身體的細胞,然後氧氣將被使用來產生能量。而作為這個過程的副產品,二氧化碳(CO2)因此產生,並且透過靜脈流回肺部。在空氣中氮氣充斥及圍繞著身體。因為它是(大部份情況下)惰性氣體,它只是透過循環系統繞了一圈再透過肺部隨著二氧化碳一起排出。在水面上,氮氣進入身體的量維持不變。對於那些從來沒有從事過潛水活動的人,整件事差不多就此告一段落了。但是作為潛水員,當我們潛入水中而環境壓力增加時,這個流程就變得更加的複雜了。

道爾頓定律與氣體交換
我們在水深的地方呼吸的氣體有著同深度的環境壓力,不然的話,我們的肺將無法呼吸。所以在30米的氣體在肺中的壓力是水面的4倍,所以我們的調節器會提供4大氣壓力的氣體給我們(4倍的密度:4倍的空氣消耗率)。隨著深度變化的造成氣體的壓力會隨著深度而增加,所以每個個別氣體的壓力也會跟著改變 – 稱之為分壓。這個現象被名叫約翰.道爾頓的人發現,並以此命名為道爾頓定律,是在闡述分壓的狀態是:

“混合氣體的總壓力,將等同於每個個別氣體所佔相同體積所產生的壓力總和”

簡單來說,分壓是混合氣體的氣體壓力。每個個別的壓力加總會得到總壓力。所以空氣在30米(4個大氣壓力),氮氣分壓為 4 x 0.79 = 3.16。氧氣的分壓為 4 x 0.21 = 0.84。將這兩個答案加總就會得到4個大氣壓力。但是,如果環境壓力越高,分壓也會越高。這是有關聯性的,因為這是我們用來追蹤在潛水時氣體在我們身體移動時到底發生了什麼事。我們也經常使用毫米水銀柱(mmHg)。另外一個重要的氣體定律是亨利定律。但是當我們開始介紹亨利定律前,讓我們再一次更詳細的來看整個呼吸過程。

當空氣進入到我們的肺部,從氣管向下移動並到達兩根支氣管並個別進入到肺。因為空氣進入到更深處的肺支氣管並分支為更小的分支,稱之為細支氣管,然後再繼續分化並越來越小。這樣增加了進行氣體交換所需要的表面積。在這些分支的末端是數以百萬計的氣囊,稱之為肺泡。肺泡組織含有一層扁平的皮膜細胞,外側富含微血管,讓空氣得以從肺透過肺泡的皮膜與血液間轉換。令人難以置信的是,一般人的肺中含有約6億個肺泡,如果你將它們攤平展開,它們將能夠覆蓋滿100平方米的表面積!肺泡的厚度比1000根人類細小的頭髮還要小,並且每一個都圍繞著來自肺動脈攜帶血液的微血管。這是一個多令人驚訝的事實啊!而真正令人吃驚的是,肺泡壁與周圍的微血管只是由一個扁平細胞所組成。這意味著它們與來自肺部的空氣只有一個非常小的距離,這增加了氣體的交換速度,並且使呼吸作用非常高效率的在一個正常健康的身體中進行。它需要大約1秒的時間透過肺部微血管到移動到血液,在此時它幾乎是100%氧飽和狀態,而在同時氧(O2)代謝過程中產生的二氧化碳(CO2)被轉移到肺部並且呼出。

亨利定律,擴散與灌流
還記得我們的身體在海平面所含有的氮氣(N2)嗎?它大部份溶解在我們的血液與其他組織中,類似於把糖放入一杯茶中。相同的流程,但是卻不是甜的。透過血液中的血紅蛋白與氧氣進行化學結合,當我們潛水時,它也溶於我們血液中的血漿中。氮氣(N2)的溶解量是由亨利定律所決定的。由J.威廉 亨利 在1800年所發現的,亨利定律指出:

“在恆定溫度下,被測氣體溶解在溶液中的溶解度與此溶液達成平衡的氣體分壓成正比”

白話一點說,這代表當分壓增加時一定量的氣體將會溶解在液體中。所以,當我們潛入水中,在我們肺部的氣體分壓增加,更多的氣體會溶入血液中。然而,不同的種類的氣體會有不同的溶解度,不同的身體組織也會有所不同。這就是為何減壓理論非常複雜的另一個原因。

water-dye

但是,如何讓氣體進入我們的身體組織多到超過血液呢?在TDI減壓程序課程中這是一個常見的問題。答案是擴散與灌流。擴散是流體(氣體或液體)透過原子的不規則運動,從高濃度階梯移動到低濃度階梯。一個經典的比喻是在裝滿水的容器中滴入一些墨水(如上圖)。你可以看到隨著時間墨水慢慢向外移動,墨水在容器中被均勻的分佈,直到整缸水變成淡藍色。粗口一點的比喻是,有人搭乘電梯時放屁 – 同樣的流程,這很難在開放空間解釋,或是在你媽媽面前展示(無圖)。

氣體融入血液的量取決於道爾頓定律與亨利定律的相互作用。以氮氣(N2)來說,身體在海平面時以達到飽和狀態,所以在總量沒有改變的情況下,些微的融入作用發生在肺部、血液與身體組織。唯一有顯著交換的是氧氣(O2),它被輸送到身體各個組織以及發生代謝作用,而二氧化碳(CO2)則被帶回肺部並排出體外。作為脫氧血返回到肺中,分壓比在肺泡中為低(因為一些氧氣已被身體所使用),所以氧氣擴散到血液中。同樣的,二氧化碳從身體組織中擴散出來(作為代謝作用的副產品)並且進入血液,並且回到肺部。氣體的交換速率是由菲克定律所描述的,但是現在我們沒有需要談論到這一塊。在本質上,肺結合血液的運作來確保從空氣移動到血液的氧濃度階梯,而二氧化碳則是從血液排放到空氣中。正如我們在下潛過程中(我們現在先忽略氦氣),當我們增加擴散階梯時 – 我們的肺處在環境壓力下(當我們所處的深度)氮氣進入身體,所以每個個別氣體的分壓處在較高的位置。

值得注意的是分壓增加後不會推擠氣體進入身體組織就像是對輪胎充氣那般。他是像分子般的沿著濃度梯間進行隨意行動。這意味著一個特定氣體的擴散率是不依賴於在身體組織中的其他氣體。所以一種氣體的移動與另一氣體的壓力階梯完全不受影響。這解釋了氧氣如何穿過肺泡膜並進入到血液,而二氧化碳的行進方向卻是相反的。它們在相反的方向運動卻彼此完全不受干擾(對氮氣與氦氣的等壓反擴散不一定是對的,但是這我們會在別的文章裡討論)。

氣體很好的透過擴散進出身體組織,但是這是發生在非常小的距離時。那麼,對身體來說要如何進行這樣的氣體交換呢?你可能已經猜到了,灌流。這個詞彙是從法文動詞“perfuser”來的,它意味者“通過或傾倒“,基本上,它是指血液的流動,或是血流的速率。換作比較噁心的比喻,它是靠著擴散作用來收集你的垃圾。你只需要走到門口把垃圾倒出來,其他的,就交給擴散作用來收集垃圾了。你可以產生任何你想要的垃圾並且將它留在門口但是如果他們沒有來把它收走,那麼唯一可能發生的是你的門口開始散發令人感到噁心的氣味和阻塞了門口的街道。然而,如果他們過來並且定期把垃圾清走那麼就不會有垃圾的累積以及氣味清新的街道。

同樣的,血液圍著身體四處移動,從肺部攜帶氣體(撿起你的垃圾)並且將它們運送到越來越小的微血管,直到這些微血管只有一個細胞那麼大,這使得氧氣能夠輸送到組織(噁心的比喻是送到了垃圾掩埋場)。在潛水時,氮氣融入血液也能同樣的透過微血管組織有效的擴散到身體組織,因為組織是由豐富且充滿氣體的血液源源不絕的供應。不同的身體組織在血液供給氣體時有著不同的擴散率。大腦、血液、心臟及肌肉都得到了充足的供應,而骨骼、脂肪與軟骨的供給甚少。針對特定組織,如果氮氣在血液中的氣體張力(高局部壓力的結果)高於在組織中的氣體張力,那麼氮氣將會擴散到組織 – 這是氣體排放的過程。這將會在下潛即停留在底部的時候發生。在上升時,組織張力會高過血液張力,這代表著擴散作用會發生在反方向,將氮氣帶回肺部,因為肺部比組織有者更低的氮分壓。

減壓理論,因為它涉及到透過實際潛水來進行真實實驗,這全都是關於如何量化這種雙向氣體的交換,來確保我們在一定的限度下不會超出組織張力限制。我們要如何控制這些極限,直接影響到我們的滯底時間限制、最大深度以及上升速率。如果是技術潛水的話這會變得更加的複雜,特別是當我們開始從事更深、更久或是兩者皆有,使用不同的氣體例如氦氮氧或氦氧混合氣作為滯底氣體,或是高氧混合氣來增加擴散速率,或是除了溶解在我們身體組織的氣體外,嘗試控制在我們身體中游離的寂靜泡泡大小與數目。

本篇文章是將場景設定為下一篇,我們將會談到吸氣與排氣過程並進一步討論飽和、過飽和、臨界過飽和即M值、半時間以及惰性氣體階梯 – 這些感覺很酷炫的術語,敬請期待!

參考書目及建議閱讀:
Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress. Available on Amazon.
Edmonds, C. McKenzie, B, Thomas, R. Pennefather, J. (2013), Diving medicine for scuba divers, 5th edition.
Vorosmarti, J, & Vann, R. Physics, physiology and medicine of diving.

原文出處:https://www.tdisdi.com/decompression-theory-part-1/

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