休閒潛水中的減壓理論

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文:陳徵蔚

休閒潛水以安全為首要條件,切忌發生「減壓疾病」(decompression illness,DCI)。減壓疾病分為兩類,其一為「減壓病」(decompression sickness,DCS),另一種則是「動脈氣體栓塞」(arterial gas embolism,AGE)。

在休閒潛水領域,這兩種症狀的成因都與人體內殘餘氮氣量(nitrogen residual)有關。減壓病大多是因為潛水時間過長,超過「免減壓極限」(no decompression limit,NDL),且上升速度過快,又或者未完成減壓程序(安全停留)所引起,常發生在潛水後1-6小時。而動脈氣體栓塞則多因上升速度過快,氣泡引發動脈栓塞導致,發病很快,常在潛水後5分鐘內發生。

身體內為什麼會殘餘氮氣呢?我們透過呼吸將空氣從肺泡帶入血液,血液再傳輸到全身。吸入的空氣中21%氧氣會被代謝,剩下約78%氮氣(乾燥空氣在海平面的氮氣含量為78.084%)卻會累積在體內。在陸地上,人體內的氮氣會逐漸累積達到飽和(saturation),直至氮分壓(partial pressure of nitrogen)與大氣壓力平衡為止。所以,人體內平時就累積著一定含量的氮氣。

陸地上也有可能發生減壓病

搭乘高空熱氣球、坐在開放式機艙快速爬升,甚至機艙突然失壓時,壓力陡降,導致人體內的氮分壓突然大於環境壓力,就會造成氮氣「過飽和」(supersaturation)。這就像開罐後,汽水中的二氧化碳快速釋出形成氣泡。當人體內突然出現大量氣泡,便產生「高海拔減壓病」(altitude DCS)。

這種現象在1930年代熱氣球蓬勃發展後被廣泛研究。如今的潛水減壓理論,也源自於保羅伯特(Paul Bert)對於高海拔登山、搭乘熱氣球導致減壓病的發現而來。保羅伯特的貢獻,在於他確認了形成體內氣泡的是「氮氣」,同時也提出了純氧在高壓下會產生「中樞神經氧中毒」(Central Nervous System Oxygen Toxicity,CNS)的概念,因此CNS也被稱為「保羅伯特效應」(Paul Bert Effect)。

為避免氣壓快速下降造成危害,今日的機艙內都會加壓,讓艙內壓力維持在海拔2,000公尺左右的氣壓(約0.8 bar)。飛機起飛後,機艙內的壓力從海平面的1 bar降至0.8 bar就維持穩定,這樣的差異對於一般人不會產生太大影響,頂多耳膜稍受擠壓,只需吞嚥口水,或是咀嚼幾下,打開耳咽管平壓就好。

然而,對於飛行前曾經潛水的人來說,壓力驟降卻可能造成體內餘氮太快釋放,產生危險。因為如此,PADI建議潛水一支12小時內不要搭乘飛機,而重複潛水超過兩支以上18小時內禁飛。潛水電腦更加嚴格,24小時內建議不可搭飛機。

由此可知,不只潛水可能發生減壓病,高海拔同樣也會發生。一般所謂的「高空跳傘」(skydiving)平均在海拔1,000-4,000公尺,所以減壓病風險相對較小。然而,「高空軍事跳傘」中的「高空低開跳傘」(HALO Jump,亦即High Altitude Low Opening)必須從8,600-9,500公尺跳下(一般民航機飛行高度為8,000-12,000公尺),而且要自由落體到低空,方才開傘。由於8,000公尺的大氣壓力只剩0.37 bar,且氧含量僅剩7%,不但減壓病風險大幅提升,人員也可能缺氧。正因如此,高空低開跳人員必須預先在飛機上呼吸純氧,排出體內氮氣,降低氮分壓,減少氣泡形成的機率,這樣才能在機艙開啟、壓力驟降時避免減壓病。在跳傘過程中,也必須持續呼吸純氧,以免高空缺氧。

下潛時的氮氣吸收

回到潛水來看,隨著深度、水壓增加,氮氣無法被代謝,因此會被「壓制」在人體內,致使體內氮氣濃度(氮分壓)上升,慢慢與環境壓力一致,直到體內氮氣趨近飽和。

由於人體不同組織達到氮氣飽和的速度都不一樣。因此,哈登(John Scott Haldane)提出了「組織腔隔」(tissue compartment)理論。所謂「腔隔」並非不同「隔間」,而是不同「類型」。也就是說,不同的組織腔隔,就是吸收氮氣速度不同的組織類型(tissue types)。

有些組織因為血液輸送量大,吸收氮氣速度較快(例如心臟、大腦),便稱為「快組織」;有些吸收速度慢(例如骨骼、脂肪),就叫做「慢組織」。快組織、慢組織不同,吸收氮氣達到飽和的時間也不一樣。然而,針對單一組織達到飽和的時間,可以透過計算推導出來。

哈登利用「半時」(half time)的概念,來量測不同組織的達到氮氣飽和的時間長度。所謂「半時」就是某個組織吸收氮氣,達到一半飽和的時間。這種「半時」的概念,與放射性元素「半衰期」(half-life)有異曲同工之妙。

簡單的來說,一個組織達到50%飽和的時間,正好等於它達到75%(剩下50%的再半飽和)的時間。進一步舉例,如果某個組織的半時為5分鐘,那麼達到這個組織50%飽和的時間就需要5分鐘。接著,達到75%飽和(即剩下未飽和的那一半,再達到一半飽和)時間也是5分鐘。以此類推,每過5分鐘,剩下未飽和的那一半,便會再趨近半飽和,故可得出以下表格:

半時數

時間長度

飽和比例

計算公式

1

5分鐘

50%

1*0.5=0.5

2

10分鐘

75%

0.5+(0.5*0.5)=0.75

3

15分鐘

87.5%

0.75+(0.25%*0.5)=0.875

4

20分鐘

93.75%

0.875+(0.125*0.5)=0.9375

5

25分鐘

96.88%

0.9375+(0.0625*0.5)=0.96875

6

30分鐘

98.44%

0.96875+(0.03125*0.5)=0.984375

如果將上方表格的飽和百分比以曲線圖表示,則可畫出下方圖示:

由上圖可得知,組織趨近飽和(98.44%)需要6個半時。不過,這六個半時,會因為快組織、慢組織不同,而有不同達到飽和的時間長度。前面已談過,如果某個組織的半時是5分鐘,就需要30分鐘趨近飽和(5分鐘*6半時),而半時為10分鐘的組織,需60分鐘(10分鐘*6半時),半時為15分鐘的組織,需90分鐘趨近飽和(15分鐘*6半時)。他們的曲線圖如下:

從上圖可知,由於組織達到飽和的時間快慢不同,當慢組織尚未達到氮氣飽和前,快組織可能已經趨近飽和了。因此,潛水時需要同時監控數個快組織與慢組織,取一個保守值,才能夠讓所有組織都能夠維持在安全的範圍內。

哈登建議監控五個理論組織腔隔(hypothetical tissue compartments),分別是半時5、10、20、40與75分鐘。美國海軍在1937年的減壓表僅監控三個腔隔,省去了半時5、10分鐘的快組織;但在1950年更新版本中,採取了六個組織腔隔,除哈登的五個外,另外又再增加了一個半時為120分鐘的慢組織。現今一般潛水電腦大多採用十六個組織腔隔,例如Garmin Descend MKx、Atmos Mission One、Crest CR4、Shearwater PEREGRINE等,都採用Bühlmann ZHL-16C演算法,其中的16便是16個組織腔隔(ZH為Zürich蘇黎世,L為limits或linear)。

潛水上升時氮氣的釋放

潛水上升時,深度減少,環境壓力降低,導致原本被「壓制」在人體內的氮氣開始被釋放出來。此時,原本吸收氮氣較快的「快組織」,釋放氮氣也較快。同樣地,「慢組織」釋放氮氣也相對較慢。無論是快組織或慢組織,如果上升速度太快,氮氣的釋放都會太快,形成危險的氣泡,對人體產生威脅。因此在上升時,必須維持每分鐘不超過18公尺的速度,而潛水電腦更加保守,每分鐘不得超過9公尺。除了上升速度要緩慢外,結束潛水前最好也必須進行5米三分鐘「安全停留」(特別是超過「免停留極限」後),讓身體能夠在承受範圍下,盡快釋放多餘的氮氣。關於「免停留」、「免減壓」等相關概念,可參考拙作〈水下能待多久? 潛水員不能超越的「免減壓極限」〉。

哈登研究發現,對於潛水員來說,構成威脅的不是絕對壓力,而是相對壓力的改變。換句話說,造成減壓病的主因不是潛水深度,關鍵是上升時的壓力改變。因此,潛水員上升速度一定要慢!慢!慢!當環境壓力改變和緩,體內氮氣慢慢釋放,潛水就更加安全。

根據哈登研究,當環境壓力降低時,人體內氮氣釋放都會形成氣泡。只不過,如果改變並不劇烈,這些氣泡不至於構成健康威脅,那麼就只是「寧靜的氣泡」(silent bubbles)而已,不會造成傷害。

此外,哈登發現當潛水員從10公尺深的海底(環境壓力為2 bar)直接回到水面(環境壓力為1 bar)時,無論潛水時間多長,都不會發生減壓病。根據這個現象,他做出了一個推論:人體可以承受的鈍性氣體過飽和壓力比為2:1。簡而言之,當相對環境壓力降低比例在2:1以內(例如從2 bar降為1 bar),此時體內的氮氣即使會釋放形成氣泡,但人體仍可承受。

哈登的2:1相對壓力理論,隨後被羅伯沃曼(Robert Workman)修正為1.58:1,後者主要是考量到氮氣大約佔空氣比例的79% (實際為78.084%),故而0.79*2=1.58,得到1.58:1的修正壓力係數。

M值與梯度係數(Gradient Factor)

根據上述壓力係數,羅伯沃曼進一步提出了M值的重要概念。所謂的M值,就是「人體可以承受的鈍性氣體(在此為氮氣)最大過飽和壓力比」(maximum inert gas supersaturation pressure value)。這個M值,對哈登來說是2:1,對於羅伯沃曼則是1.58:1。而布曼(Albert A. Bühlmann)進一步將環境壓力從相對值改為絕對壓力(atmosphere absolute,ATA)。

若將環境壓力、羅伯沃曼M值、布曼M值三者比較,可見下面圖表:

當潛水員停留在某個深度,體內氮氣會逐漸累積,直到氮氣壓力與環境壓力趨於一致(即飽和),這就是上圖中的藍色線。潛水員上升時,體內氮氣壓力會高於環境壓力,形成「過飽和」,此時氮氣開始釋出。為了安全,潛水員釋放體內氮氣時,氮分壓須高於藍色線,同時低於M值,也就是不超過藍線或綠線,才能避免減壓病。

雖然即使到達了M值(也就是等於藍線或綠線),大部分人的身體都可以承受,但是畢竟風險大增。因此,潛水時最好有預留安全空間,不要太逼近M值。體內氮分壓既要大於環境壓力,才能夠有效率地釋放,而釋放的速度又不能太快,超過M值,以免身體無法承受。因此,目前的潛水電腦普遍使用「梯度係數」或稱做「保守值」,而Shearwater則稱為「差異係數」(Gradient Factor,GF)。GF0表示「過飽和」比例是0%,也就是體內氮分壓完全等於環境壓力。GF100則表示「過飽和」比例是100%,完全等於M值。因此,在安全的潛水中,GF值必須維持在兩者之間。

電腦表的GF值設定裡面有兩個數字,例如GF 30/80,前面的數字稱為 GF Low,代表進行安全停留時的體內氮分壓梯度高出環境壓力30%(即低於M值70%),這界定了安全停留的深度,也就是說,潛水員體內氮分壓梯度高出環境壓力30%的深度時,進行減壓停留。後方 GF High值,則代表浮出水面時的體內氮分壓梯度高出環境壓力80%(即低於M值20%)。這界定了減壓停留的時間長度,因為結束安全停留回到水面時,潛水員體內的氮分壓梯度將高於環境壓力80%。此時氮氣已然有效率地釋放,同時距離人體可耐受極限,仍有20%的安全範圍。

上面這張圖,要從右上角開始看,潛水員開始上升後,體內氮分壓高於環境壓力30%時進行階段性減壓停留,讓體內氮氣逐漸釋出,待浮出水面時,體內氮分壓高於環境壓力80%時,就開始水面休息時間(surface interval)。而這種多階段減壓屬於「技術潛水」的範疇。

但是在休閒潛水,所有潛水都必須維持在免減壓極限內,而且極限深度也只有40公尺而已,因此GF Low所界定的階段性減壓並不適用於休閒潛水,因為GF Low所謂的「第一次減壓停留點」,其實就是水面。所以在休閒潛水中,GF Low所定義的是氮氣釋放的效率值(GF Low越高,氮氣釋放越快),對於NDL影響微乎其微。

真正對於休閒潛水的潛水時間(即「免減壓極限」)有影響的,應該是GF High,也就是浮出水面時的體內氮分壓梯度高出環境壓力(或相對而言低於M值)比例。

為了印證影響休閒潛水的免減壓極限主要是GF High,我先將Garmin Descend MK1的保守度設定為「中等」(原廠值為GF40/85)作為「控制組」,並記錄不同深度的免減壓極限(NDL) (如下圖)。接著,將GF Low調低、調高10%,並且比較免減壓極限的差異,發現改變GF Low時所產生的NDL完全相同。

GF40/85

保守度中等

GF 30/85

GF 50/85

GF 40/75

GF 40/95

10m

242:35

242:35

242:35

171:41

341:38

20m

32:09

32:09

32:09

25:14

40:51

30m

12:00

12:00

12:00

9:24

14:48

40m

6:46

6:46

6:46

5:42

8:00

此設定為控制組

對照組一:GF Low調整對於NDL無影響

對照組二:GF High調整對NDL有顯著影響

潛水條件:海水 / 一般空氣(氧氣比例:21%)

接著,控制GF Low為40%,僅調整GF High,此時NDL發生了顯著的差異!當GF High為75時,表示距離M值仍有25%的預留安全空間,保守度更高,NDL因而減少了。而當GF High設定為95時,因為距離M值僅有5%的預留安全空間,保守度非常低,因此NDL大幅提升。

Garmin Descend MK1使用的演算法是Bühlmann ZHL-16C。有趣的是,即使保守值調到「低」(GF45/95),免減壓極限還是比 Suunto D4i以及PADI RDP保守,特別是在超過18公尺深度後(見下表)。當然,Suunto使用的演算法是RGBM (reduced gradient bubble model),而PADI也是獨家的DSAT (Diving Science and Technology)演算法,與Bühlmann演算法不盡相同,彼此間還有些矛盾(我曾看過Suunto批評Bühlmann演算法忽視氣泡產生的影片),但在休潛潛水的領域中,Bühlmann還是頗安全的。

Shearwater的原廠預設GF值是30/70,而Garmin Descend MK1的保守度是:高GF35/75、中等GF40/85、低GF45/95,無論何者,都有一定的安全性。而且,休閒潛水並不像技術潛水,潛水時間較短,深度又不大,比較不需要如既潛一般精細的減壓設定。然而,為了考量與潛伴出遊時的潛水時間,不至於別人NDL還有剩時,我們的電腦表已經顯示超過免減壓極限了,所以了解GF,適當調整參數,還是有必要的。

潛水是精密風險控制下的極限運動,也因此即使有風險,但只要了解原理、遵循規則,卻其實非常安全。了解減壓理論,就可以與氮氣和平共處,潛得更加安全。接下來,在進一步了解「高氧潛水」,就能夠延長免減壓極限,潛得更久了。