休閒潛水中的減壓理論

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。

The post 休閒潛水中的減壓理論 first appeared on 民生頭條.