減壓理論 – Part 2: 彎腰的山羊

decompression-theory2作者:理查.迪凡尼

在本系列減壓理論的一開始我們試著描述身體對於氣體進入與排出的處理。本篇文章將繼續這個主題,並且更詳細的介紹氣體進出的關鍵因素與速率。

在我們開始之前,讓我們花點時間來做個複習來暖暖身,首先專注在氮氣(N2)的項目上。在水面上,氮氣(N2)的分壓是0.79。我們的身體在這樣的壓力下呈現氮氣飽和狀態,透過正常的呼吸程序,氮氣溶解在我們身體組織內的量沒有增加或減少,在這個壓力下不會有更多的改變 – 這就是飽和的意思。當潛水下潛時,圍繞在我們身體周圍的環境壓力迅速增加。如果我們要下潛到20米深(3ATA)並停留在此深度,這意味著我們的組織會有2.37個氮分壓(PPN2)。氮氣在我們身上不會有任何的減少,因為氮氣透過我們的肺進入我們身體同樣也是在3ATA(同樣是2.37氮分壓),所以不會有任何擴散梯度產生。只有在進一步下潛後,我們組織內的氮氣含量才會再進一步增加,也就是說,30米或4ATA(或是增加我們呼吸氣體中氮氣百分比)。這樣的下潛會增加氮氣在我們肺部的分壓到3.16,並且透過擴散及灌注作用讓我們身體組織融入更多的氮氣,直到最後組織中的氮分壓從2.37到3.16,並在該壓力下達到飽和。在初始混合氣體與組織張力之間分壓上的差異被稱之為惰性氣體梯度(如果到目前為止你仍沒有進入狀況的話,其實也不用再看下去了!)。在此值得特別指出的一點是,我所使用的數字並不完全準確,因為在我們將空氣吸入肺中時在肺中存在的氣體已經稀釋了進入的氣體,因此氣體分壓會有略為的減少,但是拿來作為說明的目的期使已經足夠了。

現在,讓我們繼續講下去,如果我們的身體都是由同樣的構造所組成,那麼透過科學來解釋將會更加的簡單,那你可能也不會對本文章有什麼興趣了。在身體組織方面,我們有血液、大腦、韌帶、軟骨、骨骼、脂肪、肝臟、腎臟、眼球、脾臟等等。這些組織會吸收溶解各種不同速率的氣體,並用不同的速率來灌注血液。這代表我們身體的眾多組織在融入稀出氣體都有著不同的速率。減壓的研究從19世紀生物學家保羅.伯特(Paul Bert) 對他心愛的狗從事一系列有控制的實驗試著去了解這些反覆的程序。22隻狗被暴露在介於7~10個大氣壓力下,接著快速的減壓。不可避免的悲劇發生了,其中的21隻狗失去了生命。

bending-goats-300x236約翰.哈登(John Haldane)(照片中左側的男子) 在20世紀初是第一個試圖以嚴謹的科學方法來研究減壓模式。哈登是一個非常有成就的科學家,而且在生活與工作上有點古怪。他曾在主辦一場晚宴中,因為感到無聊而開始思考工作,便漫步到他的實驗室而忘了他的客人。另一個令人難以置信的時刻是,當他妻子因為發現他的缺席而去找他時,她發現他在床上睡著了。他的解釋是,因為他要更換適合晚宴的衣服,但他卻發現自己的衣服被脫光了,所以唯一合理的推斷是他換上了他的睡衣,並且爬上了床!儘管有這些古怪的行為,並不影響他被人稱為減壓理論之父的名號。他在1908年發表了第一份潛水表格,這是基於他將山羊及其家族放在減壓艙中(不是同時放置),並記錄來自不同的模擬深度被帶回1ATA後發生了什麼事情,他們的研究針對不同的時間- 緩慢卸壓,或是快速卸壓。豬有最接近人類的生理學構造,但是山羊在那個時間點的供給更為充足,它們的體重及心輸出量在比例上是類似於一個瘦子的。他還協調了在蘇格蘭比特島附近戰艦上執勤的皇家海軍潛水員進行一系列的實際潛水測試。作為這些測試的一部分,他想證明潛水員是可以快速下潛而不至於造成傷害。他決定要讓自己成為第一位測試的潛水員。所以他穿上潛水裝束及頭盔並且攜帶了155磅的配重躍入水中,還好他忘記了他從沒學過游泳這件事。

哈登的兒子約翰.伯頓.桑德森.哈登(J.B.S Haldane),一位知名且頗具成就的遺傳學家(阿道斯.赫胥黎(Aldous Huxley)根據他的角色人物,撰寫了他的著作:美麗新世界 )。他在參與了他父親的研究計畫,並且渴望能夠讓他自己進入減壓艙進行實驗。事實上,在1906年,他13歲的時候,他發現自己在船上穿著過大的潛水裝備被丟入海中,因為老哈登希望能夠證明他所設計的減壓停留也能夠讓沒受過潛水訓練的人士使用!他在8月的蘇格蘭海底,在被水淹沒的潛水裝備中待了30分鐘。當她回到船上,他被裹著棉被,並且給予威士忌讓他取暖!如果不是他是如此有名的話真是無法理解他們的異常行為。

半時間(Half-times)
老哈登是第一個嘗試將身體在潛水時所發生的情況模型化,他提出所謂的組織艙格可以使用來規範不同的身體組織。他使用了5個不同的艙格,全部都有不同的”半時間”。半時間是一般科學術語,通常使用在放射性物質上。它描述一個放射性物質衰變到原來一半數目的原子所需要花費的時間。但是它也可以適用在攝取氣體方面,對於給定的組織艙格是意味著將需要它成為半飽和所需要的時間,或惰性氣體的半去飽和時間。5分鐘半時間的組織艙格被稱為快組織艙格,例如血液,而240分鐘的艙格屬於慢組織艙格,例如骨頭。5分鐘艙格正如所述,因為下潛中需要花費5分鐘來達到50%的氣體飽和。再5分鐘後將會達到75%飽和,然後15分鐘後達到87.5%,再來96.88%、98.44%。每一次循環,組織艙格將會比前一次的循環增加一半的飽和。所以理論上它永遠不會達到完全飽和,因為它總是增加一半的飽和。為了實用目的我們可以考慮在6個半時間後達到飽和。你可以看到,最大的氣體融入速率是在第一個週期發生。然後每個連續的週期產生越來越少的額外飽和。當上升時氣體排出也適用相同的原則在運作,只是在相反的方向。

過飽和 (SupersatuRation)
一旦組織艙格是完全飽和的,這代表該組織張力與初始氣體有著相同的分壓。飽和時,組織在實際上無法在特定的環境壓力下承受更多的氣體。當我們上升時,我們減少了環境壓力,這會減少初始氣體的分壓,反過來也會產生惰性氣體梯度。雖然這些壓力的削減會觸發氣體攜出作用,但是半時間的概念告訴我們,在到達組織與肺部的平衡需要時間。因為這些延遲,組織張力會比初始分壓還要大,並且也可能比環境壓力還要高。這便稱之為過飽和。我們需要一定數量的過飽和來驅使氣體的壓力梯度從組織擴散到肺部。

雖然這可能是在休閒潛水中快組織艙格趨近於飽和,慢艙格將不會飽和 – 除非你有辦法做一個1,440分鐘的滯底潛水來讓240分鐘的組職達到飽和。現在,如果組織張力變得比環境壓力還要高,它將會在上升過程中變成“過飽和”。這需要花一些時間來描述與展示,各位可以參考TDI教練訓練官“馬克.包威爾(Mark Powell)”的大作, 潛水員的減壓(Deco for Divers)

deco-theory-chart

透過馬克書中的例子,在30米時,組織1呈現飽和狀態。組織2,作為一個慢艙格仍然在融入並且只達到2.50的組織張力。當我們上升到30米(3ATA),初始的氮氣掉到2.37。組織1因為組織張力大於環境壓力及初始的氮氣分壓而呈現過飽和狀態,所以因為惰性氣體梯度而開始攜出氣體。組織2也將開始攜出氣體,但是它尚未達到過飽和狀態。當我們上升到10米,我們可以看到,組織1仍然是過飽和,但現在組織2,即使它不是在開始上升時處於過飽和狀態。在過飽和的半時間下意味者組織將會從目前的過飽和等級中去一半掉,回來看看飽和狀態。如果過飽和狀態不嚴重那麼釋放出來的50%將是很小的數量。但是如果數量很高,那麼釋放出來的50%將會是很大的數量。對5分鐘的組織艙格來說,如果我們將環境壓力從4ATA減少至3ATA,然後在5分鐘後組織將會變成3.5。但是如果我從4ATA上升到2ATA,那麼對於組織張力與初始氣體張力來說就會是比較大的距離。這會造成兩邊都產生一半的氣體攜出,但是對後者來說,這個50%產生了較大的差距。這意味著更快的攜出速度。

臨界過飽和與M值
雖然我們需要過飽和來讓氣體攜出作用更為有效的發生,每個組織有著過壓的理論極限,這被稱為臨界過飽和。當超過特定點時,隨著環境壓力的充分減少氣體無法足夠快速的從組織中被釋放出來,這將會從溶液中被釋放出來(記得亨利定律(Henry’s Law))並且產生氣泡,這當然就造成了減壓病(Decompression Sickness, DCS)。

聰明如哈登在1905年便瞭解了這樣的原理,並且表示惰性氣體張力與環境壓力的限制比例。他將它設定在2:1,即潛水員可以從2ATA的深度上升到1ATA而不會得到神秘的DCS病症。羅伯特.沃克曼(Robert Workman)在1960年代修正了這個比例。在我們只討論氮氣的前提下,他修改為1.58:1。他檢閱了以往從哈登開始的減壓研究,他意識到這對於潛水安全方面來說是不夠的。他意識到,快組織艙格相對於慢艙格可以容忍更高階層的過壓,也就是所有的艙格在深度增加的情況下可以容許有更大的過壓。他想出了一個由經驗所得出的風城市來描述在不同深度不同組織的過壓,並將其稱為M值。

控制組織的壓力是否在M值範圍內的是深度、停留時間及上升速率。更大的深度代表在我們的肺與組織在剛到大最大深度時有著更多的惰性氣體階梯,這意味著更多的氣體融入液體中。較長的滯底時間意味著越接近飽和狀態,反過來說,這意味著需要更多的時間在上升時攜出氣體。上升速率可以舉例想像著有一個有著小洞的氣球充滿著空氣,在10米深的水中漂浮。如果氣球緩慢的上升,膨脹的空氣將會有足夠的時間透過小洞排出,而氣球的體積將不會有所改變。但是如果上升速度過快,膨脹的空氣將無法快速透過氣球的小洞排出,而氣球將會一直變大直到爆炸 – 臨界過飽和 – 到達M值- #DCS。

休閒潛水員大多是關心快組織和免減壓潛水限制(No Decompression Limit,NDL)以及深度限制,目的在防止太多的氣體融入慢組織。這些限制,結合了最大上升速率代表潛水員可以直接上升到水面並且維持那些領先組織(那些最接近M值的組織)仍然在M值的範圍內。但是對於減壓潛水來說它就變得更加的複雜了。

減壓潛水
還記得哈登想出了5個組織艙格的理論嗎?它們分別式5、10、20、40和75分鐘。現今大多數的潛水電腦表都有16個艙格,每個艙格各自都有自己的M值,根據深度而呈現線性變化,而最慢的艙格可能是240分鐘。一個典型的一般空氣減壓潛水在50米潛25分鐘代表會比免減壓潛水在40米時有更大的氣體融入發生,現在我們不只要關心快組織。在上升時,快組織與慢組織艙格在給定的深度會有超過各自M值的危險。所以我們需要進行停留來爭取時間讓組織內的壓力減少。我們稱之為減壓停留。16個艙格中的任何一個接近M值時都需要一個給定深度的停留來爭取時間讓足夠的氣體攜出,之後才能繼續上升直到另一個組織艙格趨近於限制值,如此這般的進行了一系列不同時間的停留,直到我們回到水面為止。如果我們使用氦氮氧來進行潛水,那麼我們需要追蹤到32個艙格 – 16個是針對氮氣(N2),額外的16個是針對氦氣(He)。上升速率同樣也是要被考慮的一部分。在下潛到最深處,如果我上升的速度太慢,那麼我的慢組織將會繼續進行氣體融入作用,這意味著到達減壓極限可能會更快(取決於上升時是否導致過飽和),或是延長我的減壓停留,或者是兩者皆是。我需要在容許範圍內盡快的移動直到我到達第一次氣源交換深度,透過這樣來最小化我身體慢組織的氣體融入,但是同樣以前面氣球的例子來比喻那些領先組織,我將需要在較淺的水中上升時放慢上升速度。更多關於上升速率的討論會在下一篇討論,並且隨著更加複雜的泡沫力學一起。

M值的觀念已經被潛水界廣泛使用,並且基於沃克曼的研究,他們被不同的研究人員修改與調整,其中最著名的是亞伯特.波曼博士(Dr Albert Buhlmann)的減壓研究。你可以在幾乎每間潛水教學機構的潛水表格及各個潛水電腦表製造商的計算公式中發現他的蹤影。

關於M值及使用一堆圖表來解釋氣體在個別組織的攜出可能會是令人靈魂出竅的無聊話題,尤其是強調如何減少惰性組織壓力及環境壓力並且在上升階段身體組織的M值線。如果你有興趣,你可以很容易便在網際網路上找到一大堆相關的文章。如果你能跟你的潛水夥伴或是在課堂上與你的教練一起討論將會有更好的效果。TDI減壓程序理論課程則是一個很好的機會。不過現在讓你的眼睛與大腦稍作休息吧,請期待第三部分也就是最後一篇減壓理論發表。

參考書目及建議閱讀:
– Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress.
– Goodman, M. (2007). Suffer and survive: The extreme life of JS Haldane.

原文出處:https://www.tdisdi.com/decompression-theory-part-2/