감압 (잠수)
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목차
1. 개요
감압은 불활성 기체가 다이버의 조직에서 호흡 기체로 이동하는 것을 연구하고 모델링하는 과정으로, 압력 변화에 노출될 때 발생한다. 감압 이론은 감압병을 예방하기 위해, 압력, 기체 용해도, 확산, 관류 등 다양한 요소를 고려한다.
감압 모델은 용해된 상태 모델과 기포 모델로 나뉘며, 실제 상황을 근사하기 위한 수학적 모델을 사용한다. 감압 실습은 감압 모델, 장비, 절차를 포함하며, 다이빙 방식, 장비, 환경에 따라 다양하다. 감압 연구는 로버트 보일의 실험에서 시작되어, 감압병의 원인 규명과 감압 테이블 및 알고리즘 개발로 이어졌다. 최근에는 기포 모델과 생존 분석을 활용한 연구가 진행되고 있으며, 다이버의 안전을 위한 감압 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
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| 감압 (잠수) | |
|---|---|
| 잠수 중 감압 | |
 | |
| 개요 | |
| 유형 | 생리학 기술 |
| 관련 항목 | 감압병 감압 정지 수중 환경 의학 |
| 원리 | |
| 설명 | 압력 감소와 그 영향 |
| 관련 법칙 | 헨리의 법칙 보일의 법칙 |
2. 감압 이론
감압 이론은 불활성 기체가 호흡 기체 성분으로서 폐에서 다이버의 조직으로, 그리고 주변 압력 변화에 따라 다시 조직에서 폐로 이동하는 과정을 연구하고 모델링한다. 이는 수중 다이빙, 압축 공기 작업, 우주비행사, 고산 등산가, 객실 기압 조절이 되지 않는 항공기 탑승 등 다양한 환경에서 발생할 수 있다. 감압 이론은 주변 압력이 크게 감소하는 동안, 또는 비교적 짧은 시간 안에 발생하는 감압병 증상을 예방하고 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
2. 1. 감압의 물리학 및 생리학
감압 이론은 불활성 기체가 호흡 기체에서 폐를 거쳐 다이버의 조직으로 이동하고, 주변 압력 변화에 따라 다시 조직에서 폐로 이동하는 과정을 연구하고 모델링한다. 수중 다이빙 및 압축 공기 작업의 경우, 이는 대부분 지역 표면 압력보다 큰 주변 압력을 포함한다. 하지만 우주비행사, 고산 등산가, 객실 기압 조절이 되지 않는 항공기의 탑승자는 표준 해수면 대기압보다 낮은 주변 압력에 노출된다. 모든 경우에서, 감압병의 증상은 주변 압력이 크게 감소하는 동안 또는 비교적 짧은 시간(몇 시간), 때로는 며칠 이내에 발생할 수 있다.
액체 내 기체의 흡수는 특정 액체 내 특정 기체의 용해도, 기체의 농도(일반적으로 부분 압력으로 표시) 및 온도에 따라 달라진다. 감압 이론 연구의 주요 변수는 압력이다.
일단 용해되면, 용존 기체의 분포는 확산 또는 관류에 의해 이루어질 수 있다. 확산은 용매의 부피 흐름이 없는 상태에서, 관류는 용매(이 경우 혈액)가 잠수부의 신체 주위를 순환하며 이루어진다. 이때 기체는 농도가 낮은 국소 영역으로 확산될 수 있다. 호흡 기체의 특정 부분 압력에서 충분한 시간이 주어지면, 조직 내의 농도는 용해도, 확산 속도 및 관류에 따라 속도로 안정화되거나 포화되는데, 이 모든 과정은 신체의 다른 조직에서 다양하게 나타난다. 이 과정을 내기화라고 하며, 일반적으로 역 지수 과정으로 모델링된다.
호흡 기체 내 불활성 기체의 농도가 조직 내의 농도보다 낮아지면, 기체가 조직에서 호흡 기체로 되돌아가는 경향이 있다. 이것을 ''제거''라고 하며, 감압 중에 발생한다. 감압 시 주변 압력의 감소로 인해 폐 내 불활성 기체의 부분 압력이 감소한다. 이 과정은 기포 형성에 의해 복잡해질 수 있으며, 모델링은 더 복잡하고 다양하다.
주어진 조직 내의 기체 농도의 조합은 압력 및 기체 조성의 역사에 따라 달라진다. 평형 조건에서 용존 기체의 총 농도는 주변 압력보다 적다. 산소는 조직 내에서 대사되고 생성된 이산화탄소는 훨씬 더 용해되기 때문이다. 그러나 주변 압력이 감소하는 동안, 압력 감소 속도는 확산 및 관류에 의해 기체가 제거되는 속도를 초과할 수 있다. 농도가 너무 높아지면 과포화 조직에서 기포 형성이 발생할 수 있다. 기포 내 기체의 압력이 주변 압력과 기포-액체 경계면의 표면 장력을 합한 외부 압력을 초과하면, 기포가 성장하며, 이 성장은 조직을 손상시킬 수 있다.
2. 1. 1. 감압병
감압병(Decompression sickness영어, DCS)은 잠수병, 벤즈, 케이슨병이라고도 불리며, 신체 조직 내에서 용해된 불활성 기체가 용액 밖으로 나와 기포를 형성할 때 발생한다. 모든 기포가 증상을 유발하는 것은 아니며, 도플러 기포 검출에 따르면 비교적 가벼운 고압 노출 후에도 무증상 잠수부의 상당수에게서 정맥 기포가 발견된다.기포는 신체의 어느 부위에서나 형성되거나 이동할 수 있으므로, 감압병은 관절 통증 및 발진에서 마비 및 사망에 이르기까지 다양한 증상을 유발할 수 있다. 개인의 감수성은 매일 달라질 수 있으며, 동일한 조건에서도 다른 개인은 다르게 또는 전혀 영향을 받지 않을 수 있다.
잠수 후 감압병의 위험은 효과적인 감압 절차를 통해 관리할 수 있으며, 현재는 드물지만 어느 정도 예측 불가능한 상태로 남아 있다. 잠재적 심각성 때문에 이를 예방하기 위한 많은 연구가 이루어졌으며, 잠수부들은 노출을 제한하거나 모니터링하고 상승 속도 및 감압 절차를 제어하기 위해 거의 보편적으로 감압 표 또는 다이브 컴퓨터를 사용한다. 감압병에 걸린 경우, 일반적으로 재압력 챔버 내에서 고압 산소 요법으로 치료하며, 조기에 치료하면 성공적인 회복 가능성이 현저히 높다.
자유 잠수 또는 스노클링 시 대기압에서만 기체를 호흡하는 잠수부는 일반적으로 감압할 필요가 없지만, 짧은 수면 간격으로 반복적인 깊은 자유 잠수를 하는 경우 감압병 또는 타라바나에 걸릴 수 있다.
감압병의 증상은 조직 내 불활성 기체의 기포 형성 및 성장으로 인한 손상과, 기포 형성 및 조직 손상에 따른 색전증으로 인한 조직으로의 동맥 혈액 공급 차단에 의해 발생한다.
2. 2. 감압 모델
감압 모델은 잠수 중 신체 내에서 일어나는 불활성 기체의 흡수 및 배출 과정을 수학적으로 표현하여 감압병 발생 위험을 예측하고 안전한 감압 절차를 제시하는 데 사용된다.실제 확산 및 관류 속도, 특정 생리 조직에서 기체의 용해도는 일반적으로 알려져 있지 않으며, 상당히 다양하다. 그러나 실제 상황을 어느 정도 근사하는 수학 모델이 제안되었다. 이러한 모델은 주어진 다이빙 프로필에 대해 증상성 기포 형성이 발생할 가능성이 있는지 예측한다. 이러한 모델을 기반으로 한 알고리즘은 감압 테이블을 생성한다. 개인 다이브 컴퓨터에서는 감압 상태에 대한 실시간 추정치를 생성하고 다이버에게 감압 정지를 포함할 수 있는 권장 상승 프로필을 표시한다.
감압 모델링에는 크게 두 가지 접근 방식이 있다.
- 용존 상태 모델: 기체가 항상 용해된 상태로 존재하며 기포 형성은 고려하지 않는다.
- 기포 모델: 기포 형성을 고려하여 기체 제거 과정을 보다 현실적으로 반영한다.
초기에는 주로 용존 상태 모델이 사용되었으며, 이후 실험적 관찰 결과를 바탕으로 기포 모델이 발전하였다.
일부 다이빙 프로필의 경우, 더 깊은 정지로 인한 가스 유입 증가는 더 느린 조직에서 더 큰 감압 스트레스를 유발하여 다이빙 후 더 큰 정맥 기포 부하를 유발할 수 있다는 제한적인 실험 연구 결과가 있다.
2. 2. 1. 병렬 구획 모델
병렬 구획 모델에서 가스 흡수 속도(반감기)는 다양한 여러 구획이 서로 독립적으로 존재하는 것으로 간주되며, 제한 조건은 특정 노출 프로필에 대해 최악의 경우를 나타내는 구획에 의해 제어된다. 이러한 구획은 개념적 조직을 나타내며 특정 유기 조직을 나타내지 않는다. 단지 유기 조직에 대한 가능성의 범위를 나타낼 뿐이다.2. 2. 2. 직렬 구획 모델
직렬 구획 모델은 가스가 다음 구획에 도달하기 전에 하나의 구획을 통해 확산된다고 가정한다.2. 2. 3. 기포 형성, 성장 및 제거
액체 내 기체 흡수는 특정 액체 내 특정 기체의 용해도, 기체의 농도(일반적으로 부분 압력으로 표시) 및 온도에 따라 달라진다. 일단 용해되면, 용존 기체의 분포는 확산과 관류에 의해 이루어질 수 있다. 호흡 기체의 특정 부분 압력에서 충분한 시간이 주어지면, 조직 내 농도는 용해도, 확산 속도 및 관류에 따라 속도로 안정화되거나 포화된다.호흡 기체 내 불활성 기체의 농도가 조직 내 농도보다 낮아지면, 기체가 조직에서 호흡 기체로 되돌아가는 경향이 있는데, 이를 '제거'라고 하며 감압 중에 발생한다. 감압 시 주변 압력 감소로 폐 내 불활성 기체의 부분 압력이 감소하며, 이 과정은 기포 형성에 의해 복잡해질 수 있다.
주변 압력이 감소하는 동안, 압력 감소 속도가 확산 및 관류에 의해 기체가 제거되는 속도를 초과할 수 있다. 농도가 너무 높아지면 과포화 조직에서 기포 형성이 발생할 수 있다. 기포 내 기체의 압력이 주변 압력과 기포-액체 경계면의 표면 장력을 합한 외부 압력을 초과하면, 기포가 성장하며, 이 성장은 조직을 손상시킬 수 있다.
감압 이론#실제 감압 모델
실제 확산 및 관류 속도, 특정 생리 조직에서 기체의 용해도는 일반적으로 알려져 있지 않으며, 상당히 다양하다. 그러나 실제 상황을 어느 정도 근사하는 수학 모델이 제안되었으며, 이러한 모델을 기반으로 한 알고리즘은 감압 테이블을 생성한다. 개인 다이브 컴퓨터에서는 감압 상태에 대한 실시간 추정치를 생성하고 다이버에게 감압 정지를 포함할 수 있는 권장 상승 프로필을 표시한다.
감압 모델링에는 두 가지 다른 개념이 사용되었다. 첫 번째는 용해된 기체가 용해된 상태에서 제거되고, 무증상 감압 동안 기포가 형성되지 않는다고 가정한다. 두 번째는 실험적 관찰에 의해 뒷받침되며, 대부분의 무증상 감압 동안 기포가 형성되고 기체 제거는 용해된 상태와 기포 상태를 모두 고려해야 한다고 가정한다.
초기 감압 모델은 용해된 상태 모델을 사용하는 경향이 있었고, 증상성 기포 형성의 위험을 줄이기 위해 실험적 관찰에서 파생된 요인으로 조정했다.
용해된 상태 모델에는 ''병렬 구획 모델''과 ''직렬 구획''을 사용하는 두 가지 주요 그룹이 있다.
더 최근의 모델은 기포 역학을 모델링하려고 시도한다. 기포 역학을 근사하는 모델은 다양하다. 기포 모델은 바닥 프로필과 총 상승 시간이 용해된 가스 모델과 동일한 다이빙에 대해 더 효율적이거나 감압병의 위험을 줄이는 것으로 실험적으로 나타나지 않았다.
3. 감압 실습
잠수부가 감압을 할 때는 감압 모델의 알고리즘이나 표에 나와 있는 대로 계획을 세우고, 잠수 환경에 맞는 장비를 쓰고, 정해진 절차를 따라야 한다. 감압을 할 때는 여러 가지를 고려해야 하는데, 잠수부의 행동에 제한이 생길 수도 있다. 예를 들어, 올라오는 속도를 제한하거나, 감압 정지 외에 추가로 멈춰야 할 수도 있고, 하루나 일주일 동안 잠수할 수 있는 횟수가 정해져 있을 수도 있다. 또, 잠수 후에 너무 힘든 일을 하거나, 비행기를 타거나, 높은 곳에 올라가는 것은 피해야 한다.
3. 1. 감압 절차
잠수부의 감압은 선택한 감압 모델의 알고리즘이나 표에 나타난 프로파일을 계획하고, 잠수 환경에 맞는 장비를 사용하며, 승인된 절차를 따르는 것을 포함한다. 감압 수행은 상승 속도 제한, 감압 정지 외 추가 정지, 하루 잠수 횟수 및 주간 잠수 일수 제한, 잠수 직후 과도한 작업 회피, 비행 또는 고도 상승 전 잠수 금지 등 여러 제약이 있을 수 있다.
감압은 연속적이거나 단계적으로 이루어질 수 있다. 상승은 정해진 수심 간격에서 정지하여 중단되지만, 전체 상승은 감압의 일부이며, 불활성 가스의 안전한 제거에 상승 속도가 중요할 수 있다. 무감압 다이빙(또는 무정지 감압)은 과도한 기포 형성을 막기 위해 상승 속도를 제한한다.
감압 절차는 다이빙 방식, 장비, 환경, 다이빙 프로파일에 따라 달라진다. 상업, 군사, 과학, 레크리에이션 다이버는 서로 다른 절차를 사용하지만, 유사한 장비를 사용하는 경우 겹치는 부분이 많고 일부 개념은 모든 감압 절차에 공통적이다.
일반적인 다이빙 감압 절차는 다음과 같다.
- 제어된 속도를 유지하며 상승 중에 감압이 이루어지는 무정지 다이빙
- 개방 수역 또는 벨에서의 단계적 감압
- 감압 천장 준수
- 포화 시스템의 일부인 감압 챔버에서 이루어지는 포화 감압
불활성 가스 역확산으로 인한 문제를 피하고, 호흡 가스의 산소 함량을 최대화하여 불활성 가스 농도 차이를 늘려 감압을 가속화할 수 있다.
치료적 재압축은 감압병 치료를 위한 의료 절차이며, 비교적 보수적인 일정에 따라 감압을 수행한다.
3. 2. 감압 장비
감압에는 감압 모델의 알고리즘이나 표에 따른 계획 및 모니터링, 잠수 환경에 적합한 장비, 사용될 장비 및 절차에 대한 승인이 필요하다. 감압 수행은 잠수부의 행동에 제약을 가하는 "감압 시스템" 내에서 이루어지기도 한다.감압은 연속적이거나 단계적으로 이루어질 수 있으며, 상승 속도는 불활성 가스의 제거에 중요할 수 있다. 무감압 다이빙은 과도한 기포 형성을 피하기 위해 상승 속도를 제한한다.
감압 절차는 다이빙 방식, 장비, 환경, 다이빙 프로파일에 따라 달라진다. 상업, 군사, 과학 및 레크리에이션 다이버는 서로 다른 절차를 사용하지만 유사한 장비를 사용하는 경우도 많다.
일반적인 감압 절차에는 무정지 다이빙, 개방 수역 또는 벨에서의 단계적 감압, 감압병 치료를 위한 치료적 재압축 등이 있다.
감압과 직접 관련된 장비는 다음과 같다.
- 다이빙 계획에 사용되는 감압 테이블 또는 소프트웨어.
- 수심 및 다이빙 시간을 제어하고 모니터링하는 데 사용되는 장비:
- 개인용 다이브 컴퓨터, 수심 게이지, 타이머.
- 샷 라인, 표면 마커 부이 (SMB), 감압 부이 (DSMB) 및 감압 트라페즈.
- 다이빙 스테이지 (바스켓), 습식 및 건식 벨.
- 데크 및 포화 감압 챔버.
- 고압 치료 챔버.
3. 2. 1. 감압 가스
감압 가속화를 위해 다양한 호흡 기체가 사용된다. 감압은 허용 가능한 산소 함량을 최대화하여 호흡 혼합물의 불활성 가스 구성 요소의 농도 차이를 증가시키고 불활성 가스 역확산으로 인한 문제를 피함으로써 가속화할 수 있다.감압 가스 공급은 다음과 같은 방식으로 이루어진다.
- 다이버가 직접 휴대하거나,
- 다이버의 엄빌리컬 또는 벨 엄빌리컬을 통해 표면에서 공급하거나,
- 표면의 챔버 내에서 공급한다.
4. 감압 연구 및 개발 역사
감압 연구는 17세기 로버트 보일의 실험에서 시작되었다. 보일은 공기 펌프 안의 새에 대한 실험을 통해 감압된 환경에 노출된 동물의 체내에서 기포가 형성되는 현상을 관찰했다.
이후 광산과 케이슨에 가압 기술이 사용되면서 광부들이 케이슨병, 굴곡증 등 감압병 증상을 보이기 시작했다. 폴 베르트는 이러한 증상이 감압 과정에서 발생하는 질소 기포 때문임을 밝혀냈다.
1908년 존 스콧 홀데인은 영국 해군을 위한 최초의 감압표를 개발했다. 미국 해군은 홀데인의 감압표를 발전시켜 1912년 미국 해군 잠수 매뉴얼을 출판하고 해군 잠수 학교를 설립했다.
1965년 르메수리에와 힐스는 기존 모델과 다른 새로운 연구를 발표했는데, 감압 정지에서 기포가 제거되는 것이 용액 상태에서 제거되는 것보다 느리다는 것을 시사했다.
알버트 A. 뷜만은 존 스콧 홀데인의 모델을 수정하여 고도 다이빙에 적합한 감압 모델을 제시했다.
최근에는 감소 기울기 기포 모델(RGBM)과 같은 새로운 감압 모델이 등장하고 있으며, 미국 해군 잠수 매뉴얼에도 새로운 연구 결과가 반영되고 있다.
4. 1. 초기 발전
감압과 관련된 최초의 기록된 연구는 로버트 보일이 수행했으며, 그는 실험 동물을 감압된 환경에 노출시키는 실험을 진행했다. 초기 실험에서 실험 대상은 질식으로 사망했지만, 이후의 실험에서 감압병의 징후가 관찰되었다.이후 기술 발전으로 광산과 케이슨에 가압을 사용하여 물의 침투를 막을 수 있게 되면서, 광부들은 케이슨병, 압축 공기 질환, 굴곡증, 감압병으로 알려진 증상을 보이기 시작했다.
증상이 기포에 의해 발생하고 재압축이 증상을 완화할 수 있다는 것이 알려지자, 폴 베르트는 1878년에 감압병이 감압 중 또는 감압 후에 조직과 혈액에서 방출되는 질소 기포에 의해 발생하며, 감압병 발생 후 산소 호흡의 이점을 보여주었다.
이후 연구를 통해 점진적인 감압이 증상을 예방할 수 있다는 사실이 밝혀졌고, 안전한 감압 프로파일을 예측하고 감압병을 치료하기 위한 다양한 이론적 모델이 개발되었다.
4. 2. 체계적인 감압 모델 연구 시작
1908년 존 스콧 홀데인은 증상성 감압병을 종점으로 하여 염소에 대한 광범위한 실험을 바탕으로 영국 해군을 위한 최초의 공인된 감압 테이블을 준비했다.미국 해군의 조지 D. 스틸슨은 1912년에 홀데인의 테이블을 테스트하고 개선했으며, 이 연구를 통해 최초의 미국 해군 잠수 매뉴얼이 출판되고 로드아일랜드주 뉴포트에 해군 잠수 학교가 설립되었다.
4. 3. 대안 모델의 등장
1965년, 르메수리에와 힐스는 기존 모델에 의한 감압이 감압 정지에서 재용해되어 제거되는 기포를 형성하며, 이는 용액 상태에서 제거되는 것보다 느리다는 것을 시사하는 연구를 발표했다. 이는 효율적인 가스 제거를 위해 기포 단계를 최소화하는 것이 중요하다는 것을 나타낸다. 1970년대에는 한 불활성 가스 혼합물을 호흡하면서 다른 혼합물에 둘러싸인 피험자에게서 등압성 반확산 현상이 처음 기술되었다.4. 4. 다양한 접근 방식의 발전
알버트 A. 뷜만(Albert A. Bühlmann)은 1984년 ''감압 - 감압병(Decompression–Decompression sickness)''을 출판했다. 뷜만은 고도 다이빙과 관련된 문제를 인식하고, 할데인의 허용 과포화 비율을 수정하여 깊이에 따라 선형적으로 증가시켜 특정 주변 압력에서 조직의 최대 질소 부하를 계산하는 방법을 제안했다.1982년 폴 K. 웨더스비(Paul K Weathersby), 루이스 D. 호머(Louis D Homer) 및 에드워드 T. 플린(Edward T Flynn)은 생존 분석을 감압병 연구에 도입했다.
1984년 DCIEM (캐나다 국방 및 민간 환경 의학 연구소, Defence and Civil Institution of Environmental Medicine)은 키드/스터브스(Kidd/Stubbs) 직렬 구획 모델과 광범위한 초음파 테스트를 기반으로 감압이 없는 다이빙과 감압 테이블을 발표했으며, 에드워드 D. 탈만(Edward D. Thalmann)은 1985년 일정한 PO2 나이트록스(Nitrox) 폐쇄 회로 재호흡기 응용 프로그램을 위한 USN E-L 알고리즘 및 테이블을 출판했으며, E-L 모델의 일정한 PO2 헬리옥스(Heliox) CCR 사용을 확장했다. E-L 모델은 버블 모델로 해석될 수 있다.
1986년 스위스 스포츠 다이빙 테이블과 1987년 영국의 SAA 뷜만 테이블은 할데인 뷜만 모델을 기반으로 하였다.
4. 5. 기포 모델의 유행
1999년 NAUI는 감소 기울기 기포 모델(RGBM)을 기반으로 한 트라이믹스와 나이트록스 테이블을 발표했고, 2001년에는 RGBM 모델을 기반으로 한 레크리에이션 공기 테이블을 출판했다.4. 6. 최근 연구 동향
2007년, 웨인 게르스와 데이비드 둘릿은 탈만 E-L 알고리즘을 기반으로 한 테이블 및 프로그램에 대한 VVal 18 및 VVal 18M 파라미터 세트를 발표했다. 이들은 공기 및 나이트록스에서 개방 회로 및 CCR에 대한 내부적으로 호환되는 감압 테이블 세트(물속 공기/산소 감압 및 수면 산소 감압 포함)를 제작했다. 2008년, 미국 해군 잠수 매뉴얼 개정 6판에는 게르스와 둘릿이 개발한 2007년 테이블 버전이 포함되었다.
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