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減圧理論は、周囲の圧力の変化にさらされた際に、呼吸ガスの不活性ガス成分が肺のガスから組織へ、また組織から肺へ移動する過程を研究し、モデル化するものである。水中ダイビングや圧縮空気作業の場合、主に周囲の圧力が局所的な表面圧力よりも高いことが関係するが[1]、宇宙飛行士、高所登山家、海面圧力に加圧されていない航空機の旅行者は[2] [3]、一般に標準的な海面大気圧よりも低い周囲の圧力にさらされる。いずれの場合も、減圧によって引き起こされる症状は、圧力が大幅に低下した後、数時間以内、時には数日以内に発生する。[4]
「減圧」という用語は、生物が経験する周囲圧力の低下に由来し、圧力の低下と、この圧力低下中および低下後に溶解した不活性ガスを組織から除去するプロセスの両方を指します。組織によるガスの吸収は溶解した状態で行われ、除去にもガスの溶解が必要ですが、周囲圧力が十分に低下すると組織内に気泡が形成され、組織損傷や減圧症と呼ばれる症状を引き起こす可能性があり、ガスの除去も遅れます。[1]
減圧モデルは、周囲の圧力の変化中および変化後の生物体内でのガス除去と気泡形成のメカニズムを説明および予測するものであり、[5]現場での減圧に対する許容できるほどリスクが低く、合理的に実行可能な手順を予測しようとする数学モデルを提供します。[6]決定論的モデルと確率論的モデルの両方が使用されており、現在も使用されています。
効率的な減圧には、ダイバーが、症状を引き起こす気泡の発生を誘発することなく、安全に可能な限り多くの組織で高い減圧勾配を確立できるほどの速さで浮上する必要があります。これは、呼吸ガス中の酸素分圧を許容範囲内で最大限に高め、逆拡散気泡の形成や成長を引き起こす可能性のあるガスの変化を回避することで実現します。安全かつ効率的なスケジュールの開発は、さまざまな環境条件や作業負荷に対する個人の反応の違いなど、多数の変数と不確実性によって複雑になっています。
減圧の生理学
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ガスは大気圧で呼吸され、その一部は血液やその他の体液に溶解します。不活性ガスは、組織に溶解したガスが肺のガスと平衡状態になるまで（飽和潜水を参照）、または大気圧が下げられて組織に溶解した不活性ガスの濃度が平衡状態よりも高くなり、再び拡散し始めるまで、吸収され続けます。[1]
液体へのガスの吸収は、特定の液体への特定のガスの溶解度、通常は分圧で測定されるガスの濃度、および温度に依存します。[1]減圧理論の研究では、組織に溶解したガスの挙動が調査され、時間の経過に伴う圧力の変化についてモデル化されます。[7]
溶解すると、溶解したガスの分布は、溶媒のバルクフローがない場合には拡散によって、または溶媒（血液）がダイバーの体の周りを循環し、ガスがより低濃度の局所領域に拡散する灌流によって行われます。呼吸ガスの特定の部分圧で十分な時間が与えられると、組織内の濃度は、溶解度、拡散速度、灌流に応じた速度で安定または飽和します。[1]
呼吸ガス中の不活性ガスの濃度がいずれかの組織の濃度よりも低くなると、ガスが組織から呼吸ガスに戻る傾向があります。これはガス放出と呼ばれ、減圧時に周囲の圧力の低下または呼吸ガスの変化によって肺内の不活性ガスの部分圧が低下するときに発生します。[1]
特定の組織におけるガスの総合濃度は、圧力とガス組成の履歴によって異なります。平衡状態では、酸素が組織内で代謝され、生成された二酸化炭素の方がはるかに溶解しやすいため、溶解ガスの総濃度は周囲圧力よりも低くなります。ただし、周囲圧力の低下中は、圧力低下の速度が拡散と灌流によってガスが除去される速度を超える場合があり、濃度が高くなりすぎると、過飽和組織で気泡形成が発生する段階に達する可能性があります。気泡内のガスの圧力が、周囲圧力と気泡と液体の界面からの表面張力の複合外部圧力を超えると、気泡が成長し、この成長によって組織が損傷する可能性があります。この損傷によって引き起こされる症状は、減圧症として知られています。[1]
拡散と灌流の実際の速度や特定の組織におけるガスの溶解度は一般には知られておらず、かなり異なります。しかし、実際の状況を多かれ少なかれ近似する数学モデルが提案されており、これらのモデルは、特定の圧力曝露プロファイルで症状のある気泡形成が発生する可能性があるかどうかを予測するために使用されています。[7] 減圧には、ガスの溶解度、分圧と濃度勾配、拡散、バルク輸送、生体組織における気泡の力学の複雑な相互作用が伴います。[6]
溶解相ガスダイナミクス
液体中の気体の溶解度は、溶媒液体と溶質の性質、[8]温度、[9]圧力、[10] [11]および溶媒中の他の溶質の存在によって影響を受けます。[12]拡散は、ヘリウムが極端な例であるより小さく軽い分子の方が速くなります。 ヘリウムの拡散率は窒素の2.65倍速いです。[13]濃度勾配は、拡散の駆動メカニズムのモデルとして使用できます。[14]この文脈では、不活性ガスは代謝的に活性でないガスを指します。 大気中の窒素（N 2）が最も一般的な例であり、ヘリウム（He）はダイバーの呼吸混合物によく使用されるもう1つの不活性ガスです。[15]大気中の窒素の分圧は、海面で約0.78 barです。肺胞内の空気は、血液から放出される代謝産物である飽和水蒸気（H 2 O）と二酸化炭素（CO 2）によって希釈され、代謝に利用するために血液に一部取り込まれるため、大気中の酸素（O 2）よりも少なくなります。その結果生じる窒素分圧は約0.758バールです。[16]
大気圧では、体組織は通常、0.758 bar (569 mmHg) の窒素で飽和している。深度や生息環境の加圧により周囲圧が上昇すると、ダイバーの肺は増加した圧力の呼吸ガスで満たされ、構成ガスの分圧も比例して増加する。[7]肺の呼吸ガスからの不活性ガスは、肺胞毛細血管で血液中に拡散し、灌流として知られるプロセスで全身循環によって体中に分配される。[7]溶解した物質は、拡散のみで分配される場合よりもはるかに速く血液中に輸送される。[17]全身毛細血管から溶解したガスは細胞膜を通過して組織に拡散し、そこで最終的に平衡に達する。組織への血液供給が多いほど、新しい分圧でガスと平衡に達するまでの時間が短くなる。[7] [17]この平衡は飽和と呼ばれる。[7]ガスの吸収は単純な逆指数方程式に従うようです。組織が分圧の変化で溶解ガス容量の差の50％を吸収または放出するのにかかる時間を、その組織とガスの半減期と呼びます。[18] [19]
ガスは、肺内のガス分圧が十分に低下して血液中の濃度が関連組織よりも低くなるまで、組織に溶解したままである。血液中の濃度が隣接組織の濃度よりも低下すると、ガスは組織から血液中に拡散し、その後肺に戻って肺ガス中に拡散し、呼気によって除去される。周囲圧力の低下が限られている場合、この脱飽和は溶解相で起こるが、周囲圧力が十分に低下すると、血液と他の過飽和組織の両方で気泡が形成され成長する可能性がある。 [7]組織に溶解したすべてのガス分圧が組織にかかる全周囲圧力を超えると、組織は過飽和となり、 [20]気泡形成の可能性がある。[7]
ダイバーが呼吸するガスの分圧の合計は、必然的に肺ガスの分圧の合計とバランスをとらなければなりません。肺胞ではガスが加湿され、静脈血から二酸化炭素を獲得しています。酸素も動脈血に拡散し、肺胞内の酸素分圧を低下させます。肺胞内の全圧は周囲圧とバランスをとらなければならないため、この希釈により、通常の大気圧の空気中の窒素の有効分圧は約 758 mb (569 mmHg) になります。[21]定常状態では、組織が呼吸混合物の不活性ガスで飽和すると、代謝プロセスによって溶解度の低い酸素の分圧が低下し、水への溶解度がかなり高い二酸化炭素に置き換わります。一般的な組織の細胞では、酸素の分圧が低下し、二酸化炭素の分圧が上昇します。これらの分圧（水、酸素、二酸化炭素、窒素）の合計は、呼吸ガスの全圧よりも低い。これは大きな飽和不足であり、過飽和に対する緩衝材となり、気泡を溶解する原動力となる。[21]実験では、不飽和度は、一定の組成の呼吸混合物では圧力とともに直線的に増加し、呼吸混合物中の不活性ガスの割合とともに直線的に減少することが示唆されている。[22]結果として、不飽和度を最大化するための条件は、呼吸ガス中の不活性ガスの割合が可能な限り低く、つまり、最大許容分圧で純粋な酸素である。この飽和不足は、固有不飽和、「酸素ウィンドウ」とも呼ばれる。 [23]または分圧空隙。[24]
微小核の位置や気泡が最初に形成される場所は不明です。[25]減圧モデルに気泡の形成と成長のメカニズムを組み込むことで、モデルがより生物物理学的になり、より適切な外挿が可能になります。 [ 25]流動条件と灌流速度は、組織と循環気泡の間、および複数の気泡の間での、気泡の成長のための溶存ガスをめぐる競争において主要なパラメータです。[25]
バブルメカニクス
気泡が存在するためには、表面上の力の平衡が必要です。周囲圧力と、表面の外側に作用する組織の歪みによる圧力、および気泡と周囲との界面にある液体の表面張力の合計は、気泡内部の圧力によって平衡が保たれていなければなりません。これは、気泡への、または気泡からのガスの正味拡散による内部のガスの部分圧の合計です。気泡上の力のバランスは、きれいな気泡の表面張力によって急速に崩壊するサイズでマイクロバブルを安定させることができる表面活性分子の層によって変更される可能性があり、この表面層の透過性は変化する可能性があるため、気泡が十分に圧縮されると拡散に対して不浸透性になる可能性があります。[26]泡の外側の溶媒が飽和または不飽和の場合、部分圧は泡の内部よりも低くなり、表面張力は表面曲率に正比例して内部圧を増加させ、圧力勾配を提供して泡からの拡散を増加させ、事実上「泡からガスを絞り出す」ことになり、泡が小さいほど早く絞り出される。ガス泡は、周囲の溶媒が表面張力を克服するのに十分な過飽和状態にある場合、または表面層が表面張力を克服するのに十分な反応を提供する場合にのみ、一定圧力で成長することができます。[26]十分に小さいきれいな泡は、過飽和度が低い場合、表面張力により崩壊します。半透性表面を持つ泡は、圧力、表面層の組成、および過飽和度に応じて特定の半径で安定するか、臨界半径より大きい場合は無限に成長し続けます。[27]泡の形成は、血液または他の組織で発生する可能性があります。[28]
溶媒は、過飽和のガスを溶解して運ぶことができます。溶媒の大部分からガスが溶け出して泡を形成するかどうかは、いくつかの要因によって決まります。表面張力を低下させるもの、ガス分子を吸着するもの、局所的にガスの溶解度を低下させるもの、流体内の静圧を局所的に低下させるものにより、泡の核生成または成長が起こる可能性があります。これには、流体の速度変化や乱流、固体および半固体の局所的な引張荷重が含まれます。脂質やその他の疎水性表面は表面張力を低下させる可能性があります (血管壁がこの効果を持つ可能性があります)。脱水により、他の溶質の濃度が高くなり、ガスを保持する溶媒が少なくなるため、組織内のガスの溶解度が低下する可能性があります。[29]別の理論では、生体組織を含む水性媒体には常に微細な泡核が存在すると推定されています。これらの気泡核は球状の気相であり、浮遊状態を維持できるほど小さく、崩壊に抵抗するほど強力であり、その安定性は表面張力の影響に抵抗する表面活性分子からなる弾性表面層によってもたらされる。[30]
マイクロバブルが形成されると、組織が十分に過飽和状態にある場合、そのバブルは成長し続ける可能性があります。バブルが成長すると、周囲の組織を歪ませ、細胞を損傷したり、神経を圧迫して痛みを引き起こしたり、血管を塞いで血流を遮断し、血管によって通常灌流されている組織に低酸素症を引き起こしたりする可能性があります。[31]
気体分子を集める泡または物体が存在する場合、この気体分子の集まりは、内部圧力が表面張力と外部圧力の合計を超える大きさに達し、泡が成長する可能性がある。[32]溶媒が十分に過飽和状態にある場合、気体の泡への拡散は、それが溶液に戻る拡散速度を超え、この過剰圧力が表面張力による圧力よりも大きい場合、泡は成長し続ける。泡が成長すると、表面張力が低下し、内部圧力が下がるため、ガスはより速く拡散し、より遅く拡散するため、泡は正のフィードバック状況で成長または縮小する。表面積は半径の2乗で増加し、体積は半径の3乗で増加するため、泡が成長するにつれて成長速度は低下する。上昇中に静水圧が低下して外部圧力が低下すると、泡も成長し、逆に、外部圧力が増加すると泡は縮小するが、圧縮に強い表面層が存在する場合は完全に除去されない可能性がある。[32]
減圧気泡は、ガス濃度が最も高い全身毛細血管、特に活動的な四肢を排出する静脈に血液を供給する毛細血管で主に形成される。動脈血が肺に余分なガスを放出した直後であるため、周囲の圧力低下が急激でない限り、動脈には通常形成されない。静脈を通って心臓に戻った気泡は、この中隔欠損を持つダイバーの卵円孔開存を介して全身循環に移行する可能性があり、その後、体のどの部分に到達しても毛細血管が閉塞するリスクがある。[33]
静脈を通って心臓に戻った気泡は心臓の右側に入り、そこから通常は肺循環に入り、肺胞の周囲にあり呼吸ガスに非常に近い肺の毛細血管を通過するか、その中に閉じ込められます。ここで気泡から毛細血管と肺胞壁を通って肺のガスにガスが拡散します。これらの気泡によって閉塞された肺毛細血管の数が比較的少なければ、ダイバーに症状は現れず、組織も損傷しません（肺組織は拡散によって十分に酸素化されます）。[34]肺毛細血管を通過できるほど小さい気泡は、表面張力と拡散の組み合わせにより溶解して周囲の血液中の濃度が低下するほど小さい可能性がありますが、可変透過性モデルの核形成理論によれば、肺循環を通過するほとんどの気泡は十分なガスを失い、毛細血管を通過してリサイクルされながらも安定した核として全身循環に戻ります。[35]組織内に形成された気泡は拡散によってその場で除去されなければならないが、これは適切な濃度勾配を意味する。[34]
等圧逆拡散（ICD）
等圧逆拡散とは、周囲の圧力が変化しないまま、外部の周囲ガスまたは呼吸ガスの組成が変化することによって生じる、反対方向へのガスの拡散である。ダイビング後の減圧中に、呼吸ガスが変更された場合、またはダイバーが呼吸ガスとは異なるガスが充満した環境に移動した場合に、この現象が発生する可能性がある。 [36]厳密に言えば減圧現象ではないが、減圧中に発生する可能性のある合併症であり、環境圧力が変化しなくても気泡の形成または成長につながる可能性がある。この現象の2つの形式がランバートセンによって説明されている。[37] [36]
表層ICD（定常等圧逆拡散とも呼ばれる）[38]は、ダイバーが呼吸した不活性ガスが、体の周囲の不活性ガスよりもゆっくりと体内に拡散するときに発生します。[37] [36] [38]この例としては、ヘリオックス環境での空気の呼吸が挙げられます。ヘリオックス内のヘリウムは皮膚に急速に拡散しますが、窒素は毛細血管から皮膚に拡散し、体外に拡散するのが遅くなります。その結果、表層組織の特定の部位で過飽和が発生し、不活性ガスの泡が形成されます。[36]
深部組織ICD（一過性等圧逆拡散とも呼ばれる）[38]は、ダイバーが異なる不活性ガスを連続して吸入したときに発生します。[37]急速に拡散するガスは、拡散が遅いガスが組織から排出されるよりも速く組織に輸送されます。[36]これは、ダイバーが窒素混合物からヘリウム混合物に切り替えたとき、または飽和ダイバーがハイドロオキシを呼吸している状態からヘリオックス混合物に切り替えたときに発生する可能性があります。[36] [39]
ドゥーレットとミッチェルによる内耳減圧症（IEDCS）の研究では、内耳は一般的な（例えばビュールマン）アルゴリズムではうまくモデル化できない可能性があることが示されています。ドゥーレットとミッチェルは、テクニカルダイビングでよく見られるように、ヘリウムを多く含む混合ガスから窒素を多く含む混合ガスに切り替えると、内耳内で不活性ガスが一時的に過飽和状態になり、IEDCS を引き起こす可能性があると提唱しています。[40]ドゥーレットとミッチェルは、ヘリウムを多く含む混合ガスから窒素を多く含む混合ガスへの切り替えは、減圧による過飽和状態が最大になる期間を避けるため、深いところ（窒素中毒を考慮して）または浅いところで慎重にスケジュールすべきだと提唱しています。また、酸素毒性を考慮して、安全に耐えられる最大の吸入酸素分圧で呼吸しているときに切り替えを行う必要があります。[40]
酸素の原因となる役割
DCS は不活性ガスの過飽和によって引き起こされると一般的に考えられていますが、ヘンプルマンは次のように述べています。
...しかし、許容減圧率を十分に削減することはできず、計算では高酸素分圧を考慮に入れるようになりました。空気（または混合物）中の酸素分圧が 0.6 bar を超える場合は常に、組織にかなりの量の溶存酸素が存在し、減圧リスクが増大していると考えられます。これは、潜水深度に 25% を追加し、仮定 (1) を使用して、先ほど概説した計算を進めることで推定されます。こうして酸素の最初の停止深度が得られ、この深度で 5 分間過ごして、余分な溶存酸素ガスを代謝に利用します。この「酸素停止」の後、計算は上記のように進みます。[41]
減圧症
全身毛細血管に形成された血管気泡は、肺毛細血管に閉じ込められ、一時的に閉塞することがある。これが重度の場合、「チョーク」と呼ばれる症状が発生することがある。[33]ダイバーが卵円孔開存症（または肺循環のシャント）を患っている場合、気泡はそこを通過して肺循環を迂回し、動脈血に入ることがある。これらの気泡が動脈血漿に吸収されずに全身毛細血管に留まると、それらの毛細血管によって供給される組織への酸素化血液の流れが妨げられ、それらの組織は酸素不足になる。ムーンとキスロ（1988）は、「証拠は、PFO を介した安静時の右から左へのシャントを持つダイバーでは、重篤な神経性 DCI または早期発症 DCI のリスクが増加することを示唆している。現時点では、PFO が軽度または後期発症の屈曲と関連しているという証拠はない」と結論付けている。[42]
気泡は血管だけでなく他の組織内にも形成される。[33]不活性ガスは組織間の気泡核に拡散する可能性がある。この場合、気泡は組織を歪ませ、永久的な損傷を与える可能性がある。気泡が成長するにつれて、神経を圧迫して痛みを引き起こすこともある。[34] [43]
血管外または自発性の[a]泡は、通常、関節、腱、筋鞘などの緩慢な組織に形成されます。直接膨張すると組織損傷を引き起こし、ヒスタミンの放出とそれに関連する影響を引き起こします。生化学的損傷は機械的影響と同等か、それ以上に重要である可能性があります。[34] [33] [44]
血液と組織間の溶解ガスの交換は灌流によって制御され、特に不均質な組織では、ある程度は拡散によって制御されます。組織への血流の分布は変化しやすく、さまざまな影響を受けます。血流が局所的に高い場合、その領域は灌流によって支配され、血流が低い場合は拡散によって支配されます。血流の分布は平均動脈圧と局所血管抵抗によって制御され、動脈圧は心拍出量と全血管抵抗に依存します。基本的な血管抵抗は交感神経系によって制御され、代謝物、温度、局所および全身ホルモンは二次的かつしばしば局所的な影響を及ぼし、状況によって大きく異なります。冷水中での末梢血管収縮は、震えが始まるまで酸素消費量を増やすことなく全体的な熱損失を減らします。震えが始まると、血管収縮は持続しますが、酸素消費量は増加します。[33]
圧力暴露および減圧中の呼吸ガスの組成は、所定の圧力暴露プロファイルにおける不活性ガスの摂取および排出に重要です。ダイビング用の呼吸ガス混合物は、通常、空気とは異なる窒素ガス分率を持ちます。各成分ガスの分圧は、任意の深さでの空気中の窒素の分圧とは異なり、各不活性ガス成分の摂取および排出は、時間の経過に伴う実際の分圧に比例します。混合呼吸ガスを使用する主な 2 つの理由は、酸素で希釈して窒素分圧を下げてナイトロックス混合物を作ることです。これは主に、圧力暴露中の窒素摂取率を下げるためです。また、高分圧暴露下での麻酔効果を減らすために、窒素をヘリウム (および場合によっては他のガス) で置き換えることもあります。ヘリウムと窒素の割合に応じて、これらのガスは、窒素がない場合はHeliox 、必須酸素とともに窒素とヘリウムがある場合はTrimixと呼ばれます。 [45] [46]窒素の代替として使用される不活性ガスは、生体組織内での溶解度と拡散特性が、それらが置き換える窒素とは異なります。例えば、窒素の最も一般的な不活性ガス希釈代替品はヘリウムですが、生体組織内での溶解度は大幅に低くなっていますが、[47] He原子はN2分子と比較してサイズと質量が比較的小さいため、拡散も速くなります。 [48]
皮膚と脂肪への血流は皮膚と体幹温度の影響を受け、安静時の筋肉灌流は筋肉自体の温度によって制御される。運動中、働く筋肉への血流増加は、腎臓、脾臓、肝臓などの他の組織への血流減少とバランスが取れていることが多い。[33]筋肉への血流も冷水では低下するが、運動により筋肉は温かく保たれ、皮膚が冷えていても血流は増加する。脂肪への血流は通常、運動中に増加するが、冷水に浸かると抑制される。寒さへの適応により、冷水に浸かると通常起こる極度の血管収縮が軽減される。[33]灌流分布の変化は必ずしも呼吸の不活性ガス交換に影響するわけではないが、一部のガスは灌流の変化によって局所的に閉じ込められる可能性がある。寒冷環境での休息は皮膚、脂肪、筋肉からの不活性ガス交換を減少させるが、運動はガス交換を増加させる。減圧中の運動は、気泡が存在しなければ減圧時間とリスクを軽減できるが、気泡が存在するとリスクを増大させる可能性がある。[33]不活性ガス交換は、ガスを吸い込む段階では暖かく、深度で運動し、減圧段階では休息して寒いダイバーにとって最も不利です。[33]
減圧症のリスクに影響する可能性のある他の要因には、酸素濃度、二酸化炭素濃度、体位、血管拡張薬と収縮薬、陽圧呼吸または陰圧呼吸などがある。[33]脱水（血液量）も影響を受ける。 [49]減圧症に対する個人の感受性には、特定の原因に起因する要素とランダムと思われる要素がある。ランダムな要素があるため、連続した減圧は感受性のテストとしては不十分である。[33]肥満と血清脂質の高値は、いくつかの研究でリスク要因として示唆されており、リスクは加齢とともに増加すると思われる。[50]別の研究でも、理由は不明だが、高齢者は若年者よりも泡立ちやすいことが示されたが、体重、体脂肪、性別と泡立ちの間に傾向は確認されず、なぜ一部の人が他の人よりも泡立ちやすいのかという疑問は依然として不明である。[51]
減圧モデルの概念
減圧モデル化には2つの異なる概念が用いられてきた。1つ目は、溶解ガスは溶解相で除去され、無症候性減圧中には気泡は形成されないと仮定するものである。2つ目は、実験的観察によって裏付けられており、ほとんどの無症候性減圧中に気泡が形成され、ガス除去には溶解相と気泡相の両方を考慮する必要があると仮定するものである。[32]
初期の減圧モデルは溶解相モデルを使用する傾向があり、症状のある気泡形成のリスクを減らすために、多かれ少なかれ恣意的な要因で調整されていました。溶解相モデルには 2 つの主なグループがあります。並列コンパートメント モデルでは、ガス吸収速度 (半減期) が異なる複数のコンパートメントが互いに独立して存在すると考えられ、限界条件は特定の曝露プロファイルの最悪のケースを示すコンパートメントによって制御されます。これらのコンパートメントは概念的な組織を表しており、特定の有機組織を表すものではなく、有機組織の可能性の範囲を表すことを目的としているだけです。2 番目のグループはシリアル コンパートメントを使用し、ガスは 1 つのコンパートメントを通過してから次のコンパートメントに到達すると想定されます。[52]シリアル コンパートメント モデルの最近のバリエーションは、ゴールドマン相互接続コンパートメント モデル (ICM) です。[53]
最近のモデルでは、表の計算を容易にし、後に潜水中のリアルタイム予測を可能にするために、単純化されたモデルによって気泡のダイナミクスをモデル化しようとしています。気泡のダイナミクスを近似するために使用されるモデルは多様であり、溶解相モデルよりもそれほど複雑ではないものから、かなり大きな計算能力を必要とするものまであります。[54]
さまざまな仮説に対応する数学的モデルの解釈が提案されているものの、減圧モデルはどれも生理学的プロセスを正確に表現しているとは言えません。それらはすべて、多かれ少なかれ現実を予測する近似値であり、収集された実験データに対する較正の範囲内でのみ許容できるほど信頼できるものです。[55]
適用範囲
理想的な減圧プロファイルは、気泡を形成させずに組織から不活性ガスを除去するための最大の勾配を作り出します。 [56]溶解相減圧モデルは、気泡形成を回避できるという仮定に基づいています。しかし、これが実際に可能かどうかは定かではありません。一部の減圧モデルでは、安定した気泡微小核が常に存在すると仮定しています。[30]気泡モデルでは、気泡は存在するが、許容される総気相体積[30]または許容される気泡サイズ[57]が存在するという仮定を立て、これらの許容範囲を考慮して最大勾配を制限します。[30] [57]
減圧モデルは、理想的には、無減圧限界内での短時間の潜水、極限暴露潜水や反復潜水を含む実用範囲全体にわたる減圧バウンス潜水、ガススイッチや一定PO2を含む代替呼吸ガス、潜水プロファイルの変化、飽和潜水など、暴露の全範囲にわたってリスクを正確に予測する必要がある。これは一般的には当てはまらず、ほとんどのモデルは可能な範囲の深度と時間の一部に限定されている。また、指定された範囲の呼吸ガスに限定されており、空気に限定されることもある。[58]
減圧表の設計における根本的な問題は、1回の潜水と浮上を規定する簡略化されたルールが、すでに組織気泡が存在する場合には適用されないことである。組織気泡は不活性ガスの除去を遅らせ、同等の減圧が減圧症を引き起こす可能性があるからである。 [58]反復潜水、1回の潜水内での複数回の浮上、および水面減圧手順は、DCSの重大な危険因子である。[56]これらは、比較的高いガス相体積の発生に起因しており、それが後続の潜水または鋸歯状プロファイルの最終浮上に部分的に持ち越される可能性がある。[6]
減圧モデルの機能はドップラー超音波気泡検出器の登場により変化し、減圧症の症状の発現を抑えるだけでなく、潜水後の無症状の静脈気泡も抑えるようになりました。[25]無症状のダイバーが浮上直後にドップラー測定で静脈気泡を特定して以来、溶解相モデルには多くの経験的修正が加えられています。[59]
組織区画
解決策の 1 つの試みは、体のさまざまな部分がさまざまな速度でガスを吸収および排出すると仮定したマルチ組織モデルの開発でした。これらは、飽和速度を表すために高速と低速として指定された仮想組織です。各組織またはコンパートメントには、異なる半減期があります。実際の組織も飽和するのに多かれ少なかれ時間がかかりますが、モデルは実際の組織の値を使用しなくても有用な結果を得ることができます。1 から 16 の組織コンパートメントを持つモデル[60]は減圧表の作成に使用され、ダイビング コンピューターは最大 20 のコンパートメントを使用しています。[61]
たとえば、脂質含有量の多い組織は窒素をより多く吸収できますが、血液供給が乏しい場合が多くあります。このような組織は平衡に達するまでに時間がかかり、遅いと表現されます。一方、血液供給は豊富で溶解ガスの容量が少ない組織は平衡に達するのが速いと表現されます。
速い組織は比較的速くガスを吸収しますが、一般的に浮上中に素早く放出します。速い組織は通常のレクリエーションダイビング中に飽和状態になることがあります。一方、遅い組織は潜在的なガス容量のほんの一部しか吸収していない可能性があります。各コンパートメントのレベルを個別に計算することで、研究者はより効果的なアルゴリズムを構築できます。さらに、各コンパートメントは他のコンパートメントよりも過飽和を許容できる場合があります。最終的な形は複雑なモデルですが、さまざまなダイビングに適したアルゴリズムとテーブルの構築を可能にします。一般的なダイビングコンピューターには、8～12の組織モデルがあり、ハーフタイムは5分から400分までさまざまです。 [ 61]ビュールマンテーブルは、16の組織を使用したアルゴリズムを使用しており、ハーフタイムは4分から640分までさまざまです。[60]
組織は直列であると仮定することができ、その場合溶解したガスは1つの組織を通過して次の組織に到達しなければならず、その組織は溶解度特性が異なる。並列であると仮定することができ、その場合各組織への拡散と組織からの拡散は他の組織とは独立していると考えられる。また直列組織と並列組織の組み合わせであると仮定することができ、その場合計算が複雑になる。[53]
ガス注入モデル
組織の半減期とは、分圧が変化した際に組織が溶解ガス容量の差の 50% を吸収または放出するのにかかる時間です。連続する半減期ごとに、組織は ½、¾、7/8、15/16、31/32、63/64 などの順序で累積差の半分を吸収または放出します。[19]組織コンパートメントの半減期は 1 分から少なくとも 720 分の範囲です。[62]特定の組織コンパートメントでは、溶解度と拡散速度が異なるガスに対して半減期が異なります。ガスの吸収は一般に、減圧モデルに応じて約 4 回 (93.75%) から 6 回 (98.44%) の半減期後に飽和すると想定される単純な逆指数方程式に従ってモデル化されます。[18] [63] [64] このモデルは、ガス相の泡が存在する場合、ガス放出のダイナミクスを適切に説明できない可能性があります。[65] [66]
ガス放出モデル
減圧を最適化するには、気泡の形成と成長による症状のある組織損傷（症状のある減圧症）を引き起こさない限り、または何らかの理由で拡散が遅れる状態を生じない限り、組織の脱飽和の駆動力を最大に保つ必要があります。[67]
これには、根本的に異なる 2 つのアプローチがあります。1 つ目は、症状のある気泡形成を引き起こさない過飽和レベルが存在するという仮定と、容認できない症状率をもたらさない最大減圧速度の経験的観察に基づいています。このアプローチは、症状がない場合に濃度勾配を最大化することを目指しており、わずかに修正された指数関数的半減期モデルが一般的に使用されます。2 つ目は、組織内の総ガス張力が周囲圧力よりも大きい過飽和レベルであれば、気泡はどのレベルでも形成され、気泡内のガスは溶解ガスよりもゆっくりと除去されると仮定しています。[64]これらの考え方により、2 つのモデルから導出される減圧プロファイルの特性が異なります。臨界過飽和アプローチでは、濃度勾配を最大化する比較的急速な初期上昇と長く浅い停止が得られますが、気泡モデルでは、より遅い上昇と深い最初の停止が必要ですが、浅い停止は短くなる場合があります。このアプローチでは、さまざまなモデルが使用されます。[64] [68] [69] [67] [70]
臨界過飽和アプローチ
JS ハルデーンは当初、人体の飽和度が気圧の約 2 倍を超えてはならないという原則に基づき、減圧の臨界圧力比を2 対 1 としていました。 [71]この原則は、全周囲圧力の圧力比として適用され、呼吸する空気の成分ガスの分圧は考慮されていませんでした。彼のヤギの実験と人間のダイバーの観察は、この仮定を裏付けているように見えました。しかし、やがて、これは減圧症の発生率と矛盾していることが判明し、当初の仮定が変更されました。これは後に、窒素分圧比 1.58:1 に変更されました。[72]
ロバート・ワークマンなどの研究者によるさらなる研究では、基準は圧力の比率ではなく、実際の圧力差であると示唆されている。これをハルデンの研究に当てはめると、限界は1.58:1の比率ではなく、組織圧と周囲圧の間の臨界圧力差0.58気圧によって決まることが示唆される。ビュールマン表を含む20世紀半ば以降のハルデン表のほとんどは、臨界差仮定に基づいている。[73]
のM値とは、減圧症の症状を呈することなく、組織区画が所定の周囲圧力で耐えることができる絶対不活性ガス圧力の最大値である。M値は、各区画における不活性ガス圧力と周囲圧力の間の許容勾配の限界である。M値の別名には、「過飽和限界」、「許容過圧限界」、「臨界張力」などがある。[68][74]
勾配係数は、減圧アルゴリズムで使用するために、M 値をより保守的なに変更する方法です。勾配係数は、アルゴリズム設計者が選択した M 値のパーセンテージであり、特定のダイビングの最大深度と表面の間で線形に変化します。勾配係数は 2 つの数値で表され、最初の数値は深い M 値のパーセンテージ、2 番目の数値は浅い M 値のパーセンテージです。[69]勾配係数はすべての組織コンパートメントに均等に適用され、周囲の圧力に比例して線形に変化する M 値を生成します。[69]
- たとえば、勾配係数が 30/85 の場合、深度での許容過飽和は設計者の最大値の 30% に制限され、表面では 85% に制限されます。
実際には、ユーザーは設計者が適切とみなしたよりも低い最大過飽和度を選択していることになります。グラジエント係数を使用すると、特にM値が最も減少する深度ゾーンで減圧時間が長くなります。グラジエント係数は、最初の数字が小さいグラジエント係数を使用することで、通常は比較的浅い停止をもたらす傾向があるモデルで、より深い停止を強制するために使用できます。[69]ダイブコンピューターのいくつかのモデルでは、より保守的で、したがってリスクが低いと推定される減圧プロファイルを誘導する方法として、ユーザーがグラジエント係数を入力できます。[75]深いM値で低いグラジエント係数を強制すると、浮上中にガスの吸収が増加する効果があり、通常はより遅い組織で、浅い深度でより大きなガス負荷を放出する必要があります。これは非効率的な減圧戦略であることが示されています。[76] [77]
可変勾配モデルは、実際の深さに関係なく深いM値に同じ係数を使用して直線調整を行うよりも、実際の深さにリンクされたM値を使用する方が適切ではないという仮定に基づいて、勾配係数を深さプロファイルに合うように調整します。（浅いM値はどちらの場合も実際の深さ0にリンクされています）[78]
過飽和を起こさないアプローチ
ヒュー・ルメスリエとブライアン・アンドリュー・ヒルズの熱力学モデルによれば、ガス放出の最適な駆動力の条件は、周囲圧力が相分離（気泡形成）を防ぐのにちょうど十分なときに満たされる。[70]
このアプローチの根本的な違いは、減圧後の各ガスの組織内の部分ガス張力の合計を絶対周囲圧力と同一視し、それを超えると気泡形成が予想される限界点としていることである。[70]
このモデルは、代謝による酸素分圧の低下による組織内の自然な不飽和度が気泡形成に対する緩衝材となり、周囲圧力の低下がこの不飽和度値を超えない限り組織は安全に減圧できると仮定している。明らかに、不飽和度を高める方法は、濃度勾配が大きくなり気泡形成のリスクがなくなるため、より速い減圧を可能にする。[70]
自然不飽和度は深度とともに増加するため、深度が深いほど周囲の圧力差は大きくなり、ダイバーが浮上するにつれて減少する。このモデルでは、除去すべき気泡相ガスが少なくなるため、浮上速度は遅くなり、最初の停止は深くなるが、浅い停止は短くなる。[70]
臨界ボリュームアプローチ
臨界容積基準は、組織内に蓄積されたガス相の総量が臨界値を超えると、DCSの兆候または症状が現れるという仮定に基づいています。この仮定は、ドップラー気泡検出調査によって裏付けられています。このアプローチの結果は、使用される気泡形成および成長モデル、主に減圧中に気泡形成が実際に回避できるかどうかに大きく依存します。[32]
このアプローチは、実際の減圧プロファイル中に、生体組織を含む水性媒体中に常に存在する安定した微小気泡核の成長が起こると仮定した減圧モデルで使用されています。[67]
効率的な減圧は、気泡の総蓄積を許容可能な非症状臨界値に制限しながら、総浮上時間を最小限に抑えます。気泡の成長と除去の物理学と生理学は、気泡が非常に小さい間に除去する方が効率的であることを示しています。気泡段階を考慮したモデルは、溶解相ガスのみを考慮したモデルと比較して、気泡の成長を抑制し、早期除去を促進する方法として、より遅い浮上とより深い初期減圧停止を伴う減圧プロファイルを生み出しました。[79]
バウンスダイブ
バウンスダイビングとは、呼吸ガス中の不活性ガスとすべての組織が平衡に達するのに十分長く圧力にさらされないダイビングのことである。[80]
飽和潜水
飽和曝露とは、圧力にさらされた時間が、呼吸混合物中の不活性ガスとすべての組織が平衡に達するのに十分である状態を指します。実用上、これは通常、モデル内の最も遅い組織の半減期の6倍とみなされます。[80]
無制限の制限
無減圧限界（NDL）とも呼ばれる無減圧限界は、モデルが選択した浮上速度で、体全体の各組織区画の理論上の最大溶解ガス含有量であり、減圧症の症状を発症するリスクが許容できる深さでガス抜きのために停止する必要なく、モデルが選択した浮上速度で直接表面圧力まで減圧できます。無減圧限界は、指定された浮上速度での浮上が減圧であるため誤った名称ですが、この用語は歴史的に慣性があり、引き続き使用されています。[81] [82]
減圧天井
1 つ以上の組織区画のガス負荷が無減圧限界として許容される最大レベルを超えると、ダイバーが適切な浮上速度で減圧症の許容リスク内で浮上できる最小深度が存在します。この深度は減圧限界として知られています。この深度は、物理的にこれ以上浮上するのは容易なためソフトオーバーヘッドとみなされることもありますが、減圧モデルによれば、症状のある減圧症を発症するリスクが高まります。最初に減圧限界に達する組織は、限界組織と呼ばれます。[83]
減圧義務
減圧義務とは、使用している減圧モデルに規定された浮上速度で直接水面圧まで浮上した場合に、組織内に溶解したガスが十分に存在し、症状のある減圧症のリスクが許容できない状態をいう。減圧限界を持つダイバーは減圧義務があると言える。つまり、適切な浮上速度で浮上する時間に加えて、浮上中にガス抜きに時間を費やす必要がある。この時間は名目上、減圧停止時に最も効率的に費やされるが、動脈血と肺ガスの不活性ガス分圧が限界組織よりも低い深度であれば、ガス抜きはどの深度でも起こる。[80]
浮上する時間
浮上時間（TTS）は、ダイバーがダイビングプロファイル上の特定の地点から、特定の減圧ガスを使用し、公称浮上速度で浮上し、指定された深度ですべての停止を行った後に浮上するのに必要な推定合計時間です。この値は、ダイビングプランから計算された推定値で、ダイバーが浮上スケジュールに従っているか、またはダイブコンピュータの画面にリアルタイムで更新されて表示されます。現在選択されているガス、またはコンピュータ上でアクティブガスとして設定されているすべてのガスから最適なガスが選択されます。[84]
段階的減圧
段階的減圧は、簡単に理解できる一連の手順に基づいて、指定された深度で停止します。ほとんどの表では、歴史的に3メートル（10フィート）間隔が便利でしたが、減圧停止の計算に使用される限り、任意の間隔を使用できます。ダイバーは、シーリングが次の浅い停止深度まで下がるまで、指定された停止深度に留まらなければなりません。その時点で、ダイバーは次の停止のためにその深度まで浮上します。[83]
減圧限界に従って停止時間の計算を行うこともできます。これにより、不活性ガスの排出のための圧力勾配が最大になり、全体的な減圧時間が約4～12%短縮されます。このオプションを有効にしたダイブコンピューターを使用すると、この戦略をほぼ実行できます。この戦略による減圧リスクへの影響は不明であり、2022年時点ではテストが行われていません。[83]
残留不活性ガス
ガス泡の形成は、不活性ガスの除去を著しく阻害することが実験的に示されています。[16] [85] ダイバーが浮上した後、減圧症の症状が現れなくても、かなりの量の不活性ガスが組織内に残ります。この残留ガスは溶解しているか、または亜臨床的泡の形で、ダイバーが水面に留まっている間、放出され続けます。繰り返し潜水を行うと、組織にこの残留ガスが事前に充填され、より早く飽和状態になります。[86] [87]
反復潜水では、潜水の間にガスを排出する時間が十分でない場合、動きの遅い組織に毎日ガスが蓄積する可能性がある。これは、複数日にわたる複数回の潜水状況で問題になる可能性がある。複数日にわたって1日に複数回の減圧を行うと、無症状の気泡が蓄積してガス放出速度が低下するため、減圧症のリスクが増大する可能性があるが、ほとんどの減圧アルゴリズムでは考慮されていない。[88]そのため、一部のダイバートレーニング組織では、「7日目は休む」などの追加の推奨事項を出している。[89]
実際の減圧モデル
決定論的モデル
決定論的減圧モデルは、減圧を計算するためのルールベースのアプローチです。[90]これらのモデルは、さまざまな組織における「過度の」過飽和は「安全ではない」（減圧症を引き起こす）という考えに基づいています。モデルには通常、理想化された組織コンパートメントの数学的モデルに基づく、深度と組織に依存する複数のルールが含まれています。経験的なテスト結果と比較する以外に、ルールまたは全体的なリスクを評価する客観的な数学的方法はありません。モデルは実験結果や現場からのレポートと比較され、改訂されたモデルが観察された現実をより正確に予測するように、定性的な判断と曲線フィッティングによってルールが改訂され、その後、以前にテストされていない範囲への外挿におけるモデルの信頼性を評価するためにさらに観察が行われます。モデルの有用性は、浮上中の症状のある減圧症と無症候性の静脈気泡の発症を予測する際の正確性と信頼性によって判断されます。[90]
現実には、血液循環による灌流輸送と、血流がほとんどまたは全くない組織での拡散輸送の両方が起きていると合理的に想定できる。灌流と拡散を同時にモデル化しようとすると、すべての組織区画間の相互作用により変数が多数存在し、問題が手に負えなくなるという問題がある。組織へのガス移動と組織からのガス移動のモデル化を簡素化する方法は、減圧を制御する組織への溶解ガス輸送の制限メカニズムについて仮定することである。灌流または拡散のいずれかが支配的な影響を持ち、他方は無視できると仮定すると、変数の数を大幅に減らすことができる。[67]
灌流制限組織と並列組織モデル
灌流が制限メカニズムであるという仮定から、灌流速度は異なるが、ほぼ同等のガス濃度の血液によって供給される組織群からなるモデルが導かれる。また、拡散による組織区画間のガス移動はないものと仮定する。この結果、独立した組織の並列セットが生まれ、各組織は組織を流れる血液の速度に応じて独自のガス吸収速度とガス放出速度を持つ。各組織のガス吸収は、通常、区画の半減期を固定した指数関数としてモデル化され、ガス除去も、同じかより長い半減期を持つ指数関数、または指数線形除去モデルのようにより複雑な関数としてモデル化される。[86]
臨界比仮説は、溶存ガス分圧と周囲圧力の比が特定の組織で特定の比率を超えると、組織内で気泡が発生すると予測する。この比率はすべての組織コンパートメントで同じ場合もあれば、異なる場合もあり、実験観察に基づいて各コンパートメントに特定の臨界過飽和比が割り当てられている。[18]
ジョン・スコット・ホールデンは、血液への窒素の取り込みと放出をモデル化するために、ハーフタイムの概念を導入した。彼は、ハーフタイムが 5、10、20、40、75 分の 5 つの組織コンパートメントを提案した。[18]この初期の仮説では、浮上速度によって各仮想組織の不活性ガス分圧が環境圧力を 2:1 以上超過しない場合は、気泡が形成されないと予測された。[71]基本的にこれは、減圧の問題なしに、飽和状態であれば 30 メートル (4 bar) から 10 メートル (2 bar) まで、または 10 メートル (2 bar) から地表 (1 bar) まで浮上できることを意味していた。これを確実にするために、浮上スケジュールには複数の減圧停止が組み込まれた。浮上速度とモデル内の最速組織によって、最初の停止の時間と深度が決定される。その後、より遅い組織によって、さらに浮上しても安全な時期が決定される。[71]この2:1の比率は、速い組織（短い潜水）には保守的すぎるが、遅い組織（長い潜水）には保守的ではないことがわかった。この比率は深度によっても変化するようだった。[91]ハルデーンの減圧モデル化のアプローチは、主にコンパートメントの数と使用されるハーフタイムの変更など、小さな修正を加えて1908年から1960年代まで使用された。1937年の米海軍の表はODヤーブローの研究に基づいており、3つのコンパートメントを使用していた。5分と10分のコンパートメントは削除された。1950年代に表が改訂され、5分と10分のコンパートメントが復元され、120分のコンパートメントが追加された。[92]
1960年代、米国海軍実験潜水部隊(NEDU) のロバート・D・ワークマンは、モデルの基礎とその後の米国海軍による研究を再検討した。ハルデンの研究とその後の改良に基づく表は、より長く深い潜水には依然として不十分であることが判明した。ワークマンは、圧力の許容変化は臨界圧力差としてより適切に記述できると提案し、ハルデンのモデルを改訂して、各組織区画が深度に応じて異なる量の過飽和を許容できるようにした。彼は、各区画が特定の深度で許容できる過飽和の最大量を示す「M値」という用語を導入し、160分、200分、240分のハーフタイムを持つ3つの区画を追加した。ワークマンは、自分の発見を、任意の深度で結果を計算するのに使用できる方程式として提示し、M値の線形投影はコンピュータプログラミングに役立つと述べた。[92]
アルバート・A・ビュールマンの研究の大部分は、窒素とヘリウムの最長ハーフタイムコンパートメントを決定することであり、彼はコンパートメントの数を16に増やした。彼は高所でのダイビング後の減圧の影響を調査し、さまざまな高度で使用できる減圧表を公開した。ビュールマンは、ワークマンが提案したものに似た減圧計算方法を使用した。この方法では、組織コンパートメント内の最大不活性ガス圧力と周囲圧力との線形関係を表すM値が含まれていたが、絶対圧力に基づいていたため、高所でのダイビングに簡単に適応できた。[52]ビュールマンのアルゴリズムは、多くのスポーツダイビング協会の標準減圧表を生成するために使用され、いくつかの個人用減圧コンピューターで、時には修正された形で使用されている。[52]
BA ヒルズと DH ルメスリエは、トレス海峡で沖縄の 真珠採りダイバーが行った経験的な減圧方法を研究し、当時一般的に使用されていた減圧表と比較して、より深い減圧停止を行っていたものの、総減圧時間は短縮されていたことを観察した。彼らの分析は、気泡の存在がガス除去率を制限することを強く示唆し、酸素の代謝処理による組織の固有の不飽和の重要性を強調した。これは熱力学モデルとして知られるようになった。[70]最近では、レクリエーション テクニカル ダイバーが、使用中の減圧表で要求されるよりも深い減圧停止を使用する減圧手順を開発した。これが RGBM および VPM 気泡モデルにつながった。[93]ディープ ストップは、もともとダイバーが浮上中に、コンピューター アルゴリズムで要求される最も深い停止よりも深い深さで行った追加の停止であった。ディープ ストップを使用すると主張するコンピューター アルゴリズムもあるが、これらのアルゴリズムとディープ ストップの実践は十分に検証されていない。[94]
「パイルストップ」はディープストップの初期の提唱者であるリチャード・パイルにちなんで名付けられたディープストップであり、 [95]底と最初の従来の減圧停止の中間の深さ、および前のパイルストップと最も深い従来の停止の中間の深さ（従来の停止が9メートル以上浅い場合）で行われます。パイルストップは約2分間です。パイルストップに必要な追加の浮上時間は、減圧スケジュールを確定する前のダイビングプロファイルに含まれています。[96]パイルは、定期的に停止して魚の標本の浮き袋を換気したダイビングでは、ダイビング後に気分が良くなったことに気づき、これらの一時停止の深さと時間に基づいてディープストップの手順を決定しました。[94]これらの停止により、ガスがまだ溶解している状態で、または少なくとも泡がまだ簡単に除去できるほど小さい状態でガスを除去する機会が得られ、その結果、ヒルズの熱力学モデルで予測されているように、浅い停止では除去しなければならない静脈の泡がかなり少なくなるか小さくなるという仮説が立てられています。[97]
- 例えば、ダイバーが最大深度60メートル（200フィート）の周囲圧力が7バール（100psi）のところから、圧力が3バール（40psi）の20メートル（66フィート）の減圧停止まで浮上するとします。最初のパイル停止は中間圧力、つまり5バール（70psi）で行われ、これは深度40メートル（130フィート）に相当します。2回目のパイル停止は30メートル（98フィート）です。3回目は25メートル（82フィート）で、これは最初の必要な停止より9メートル（30フィート）未満低いため省略されます。[96] [98]
減圧アルゴリズムから導き出された減圧スケジュールに追加されるディープストップの価値と安全性は不明である。減圧の専門家は、ディープストップは一部の遅い組織へのガスの吸入が続く深さで行われる可能性が高く、遅い組織へのガスの吸入を考慮に入れるために、あらゆる種類のディープストップの追加は減圧スケジュールが計算される高圧曝露に含めるべきであり、後から追加されるべきではないと指摘している。[94]減圧がリアルタイムで計算されるダイビング中に実行されるディープストップは、コンピューターにとっては単にマルチレベルダイビングの一部であり、アルゴリズムに固有のリスクを超えるリスクを追加するものではない。
「ディープストップ」の深さには限界がある。ある程度のガス放出は必要であり、許容できる効果的な減圧のためには継続的なガス注入は最小限に抑える必要がある。特定のプロファイルにおける「可能な限り深い減圧ストップ」は、リーディングコンパートメントのガス負荷が周囲圧力ラインと交差する深さとして定義できる。これは有用な停止深さではない。ガス放出拡散を駆動するには組織ガス濃度のいくらかの過剰が必要であるが、この深さは減圧ゾーンの開始を示す有用な指標であり、そのゾーンでは上昇速度が計画された減圧の一部となる。[99]
2004年にDANが実施した調査では、最も飽和した組織の窒素濃度を許容M値の80%未満に抑えれば、高品位気泡の発生率をゼロにすることができ、ディープストップを追加することが、元の浮上速度を維持しながらこれを実現するシンプルで実用的な方法であることがわかった。[93]
拡散制限組織と「組織スラブ」、およびシリーズモデル
拡散が組織内の溶解ガス輸送の限界メカニズムであるという仮定は、かなり異なる組織コンパートメントモデルをもたらす。この場合、一連のコンパートメントが想定され、1 つのコンパートメントへの灌流輸送と、コンパートメント間の拡散が、単純化のために直列に配置され、一般化されたコンパートメントでは、拡散は反対側の 2 つの隣接するコンパートメント間でのみ行われ、限界ケースは、灌流によってガスが供給および除去される最初のコンパートメントと、隣接するコンパートメントが 1 つしかないラインの終端である。[52]最も単純な直列モデルは単一のコンパートメントであり、これはさらに 1 次元の「組織スラブ」モデルに縮小できる。[52]
バブルモデル
気泡減圧モデルは、水中や水を含む組織中には常に微小な気泡核が存在し、気泡の成長を予測して制御することで減圧症を回避できるという考えに基づいた、ルールベースの減圧計算アプローチです。ほとんどの気泡モデルでは、減圧中に気泡が形成され、溶解相の除去よりも遅い混合相ガスの除去が起こると想定しています。気泡モデルでは、過飽和度を低くしてより多くの溶解ガスを除去し、気泡相の総体積を減らし、浅い深さで気泡を除去するために必要な時間を短縮するために、最初の停止位置を深くする傾向があります。[30] [57] [97]
混合相ガス除去を想定する減圧モデルには以下のものがあります。
- フランス労働大臣表の動脈気泡減圧モデル1992 [57]
- 2008年の米海軍の空気減圧表に使用された米海軍指数線形（タルマン）アルゴリズム（その他）[52]
- BSAC'88表のヘネシーの複合灌流/拡散モデル
- ハワイ大学のDE Yountらが開発した可変浸透率モデル（VPM）[30]
- ロスアラモス国立研究所のブルース・ヴィエンケが開発した縮小勾配バブルモデル（RGBM）[97]
ゴールドマン相互接続コンパートメントモデル
ハルダネアン モデルの独立した並列コンパートメントでは、すべてのコンパートメントがリスクを負うと考えられていますが、ゴールドマン モデルでは、比較的よく灌流された「アクティブ」または「リスクを負う」コンパートメントと、隣接する比較的灌流の悪い「リザーバー」または「バッファー」コンパートメントを仮定しています。これらのコンパートメントは、気泡形成の潜在的な場所とは見なされませんが、アクティブ コンパートメントとの拡散不活性ガス交換によってアクティブ コンパートメントでの気泡形成の確率に影響します。[53] [100]圧縮中、ガスはアクティブ コンパートメントに拡散し、アクティブ コンパートメントを通過してバッファー コンパートメントに拡散するため、アクティブ コンパートメントを通過する溶解ガスの総量が増加します。減圧中、このバッファーされたガスは、除去される前にアクティブ コンパートメントを再度通過する必要があります。バッファー コンパートメントのガス負荷が小さい場合、アクティブ コンパートメントを通過する追加のガス拡散は遅くなります。[100]相互接続モデルでは、比較に使用された独立した並列コンパートメント モデルで予測された速度と比較して、減圧中のガス ウォッシュアウト速度が時間とともに低下すると予測されています。[53]
ゴールドマンモデルはキッド・スタッブス系列減圧モデルと異なり、KSモデルには二次方程式が含まれるのに対し、ゴールドマンモデルは線形速度論を仮定し、また、KSモデルではすべての区画が潜在的なリスクを伴うと仮定するのに対し、ゴールドマンモデルでは中央の灌流の行き届いた区画のみが明示的にリスクに寄与するとみなしている。DCIEM 1983モデルは、4区画系列のうち最も外側の2つの区画にリスクを関連付けている。[53]この概念に基づく数学モデルは、較正に使用される海軍の正方形プロファイルデータに適合するだけでなく、飽和プロファイルのリスクを比較的正確に予測するとゴールドマンは主張している。ICMモデルのバブルバージョンは予測に大きな違いはなく、より複雑で大きな利点がないとして却下された。ICMはまた、DANのプロジェクト・ダイブ・エクスプロレーション・データセットに記録された低リスクのレクリエーションダイビング曝露において、減圧症の発生をより正確に予測した。この研究で使用された代替モデルは、LE1（線形指数）モデルとストレートハルダニアンモデルでした。[100]ゴールドマンモデルは、低リスクダイビングでの安全停止後に大幅なリスク低減を予測し[101]、ナイトロックスの使用により大幅なリスク低減を予測しています（PADIの表が示唆するよりもさらに低減します）。[102]
確率モデル
確率的減圧モデルは、特定の減圧プロファイルで減圧症（DCS）が発生するリスク（または確率）を計算するように設計されています。 [103] [90]統計分析は、多数の被験者が同じ周囲圧力と温度、同様の作業負荷と曝露時間、同じ減圧スケジュールで同様の曝露を受けるため、トンネル工事における圧縮空気作業に適しています。[104]同様の状況下での多数の減圧により、DCS のリスクをすべて排除することは合理的に実行可能ではないことが示されたため、アプリケーションに関連する他の要因に基づいて許容可能なリスクを設定する必要があります。 たとえば、現場での高圧酸素治療という形での効果的な治療への容易なアクセス、またはダイバーをより早く水から出すことのより大きな利点により、より高い発生率が許容される可能性がありますが、作業スケジュールの妨げ、作業員の士気への悪影響、または訴訟の可能性の高さは、許容される発生率を下方にシフトさせます。従業員のストレス解消は勤務時間中に起こるため、効率性も重要な要素となる。[104]
これらの方法は、減圧停止深度と時間を変化させ、総減圧時間を最小限に抑えながら、DCSが発生する特定の確率を想定する減圧スケジュールに到達することができます。このプロセスは逆に機能することもでき、十分な信頼性のあるデータがあれば、任意の減圧スケジュールのDCSの確率を計算することができます。[104]
1936年、英国では圧縮空気作業員の発生率は2%が許容範囲とされていた。2000年に米海軍は軽症の発生率2%を許容範囲としたが、重症は0.1%のみとした。1990年代の北海での商業ダイビングでは軽症の発生率0.5%を許容範囲としたが、重症はほとんどなく、同じく1990年代のメキシコ湾での商業ダイビングでは軽症が0.1%、重症が0.025%を許容範囲としていた。健康安全当局は、経済的要因を含むすべての関連要因を考慮し、許容リスクを合理的に実行可能な限り低く指定する傾向がある。 [104] [103]軽症と重症の症状の確率を分析するには、まず分析に適用可能なこれらの症状のクラスを定義する必要がある。[105]
減圧症の確率推定に必要なツールは、減圧中の不活性ガス交換と気泡形成を記述する生物物理学的モデル、呼吸ガス混合物の圧力/時間プロファイルの形での曝露データ、およびこれらの曝露に対するDCSの結果、モデルと実験データ間の最適な適合を見つけるための生存分析やベイズ分析などの統計的手法である。その後、モデルを定量的に比較し、最も適合するモデルを使用してモデルのDCS確率を予測することができる。このプロセスは、環境条件がDCS確率に及ぼす影響によって複雑になる。不活性ガスの吸収と排出の速度にそれぞれ影響を与える、ガスの吸収と排出中の組織の灌流に影響を与える要因には、浸水、温度、運動などがある。運動は、減圧中の気泡形成を促進することも知られている。[104]
減圧停止の分布も DCS リスクに影響を及ぼすことが知られています。症状のある減圧症をエンドポイントとした米海軍の実験では、同じ潜水時間、水温、作業負荷、同じ総減圧時間で、空気中の潜水作業曝露の 2 つのモデルを、2 つの異なる深度分布の減圧停止で比較しました (これも空気中)。その結果、浅い停止の方が統計的に非常に有意にリスクが低いことがわかりました。このモデルは、減圧時間の深度分布やガス切り替えの使用を最適化しようとはせず、単に 2 つの特定のモデルの有効性を比較しただけですが、それらのモデルの結果は説得力がありました。[104]
もう一つの実験は、一定深度で周囲温度を変えながら、潜水時間を徐々に増やしていくというものだった。比較したのは4つの温度条件、すなわち、底部セクターと減圧の間は暖かい、底部セクターと減圧の間は寒い、底部は暖かくて減圧の間は寒い、底部は寒いけど減圧の間は暖かい、というものだった。その効果は非常に明白で、ガスを吸い込む段階は寒く、減圧の間は暖かいダイバーのほうがDCSの発生率がその逆の場合よりもずっと低かった。これは、温度が灌流、ガスの吸収と排出に与える影響を示していると解釈されている。[104]
2017年に発表された、エアーダイビングとナイトロックスダイビングの症例報告の大規模なデータセットを遡及的に統計的に分析したところ、線形指数脱ガスモデルを用いた場合、軽度の症状では2％、重度の症状では0.1％の許容リスクに対して、重度の症状のリスクが制限要因であることが示された。この分析を複雑にしている要因の1つは、軽度の症例と重度の症例を区別する方法のばらつきであった。[103]
飽和減圧
飽和減圧とは、圧力を上昇させた不活性ガスによる完全飽和の定常状態から、通常の表面大気圧の標準状態に移行する生理学的プロセスである。これは、影響を受ける組織の中で最も遅い速度によって制限される非常に低い速度で不活性ガスが除去される長いプロセスであり、逸脱すると減圧症を引き起こす可能性のあるガス泡の形成を引き起こす可能性がある。ほとんどの操作手順は、深度とガスの混合に依存する可能性のある、連続した低速減圧速度を表す実験的に導き出されたパラメータに依存している。[106]
飽和潜水ではすべての組織が飽和状態にあるとみなされ、最も遅い組織にとって安全な減圧は、理論的には並列モデルにおけるすべての速い組織にとっても安全である。約7mswの空気飽和から直接浮上すると、静脈ガス泡が発生するが、症状のあるDCSは発生しない。より深い飽和状態への曝露には、減圧から飽和までのスケジュールが必要である。[107]
飽和潜水からの安全な減圧速度は、吸入呼吸ガス中の酸素分圧によって制御されます。[108]酸素ウィンドウによる固有の不飽和により、酸素分圧に比例して飽和減圧の初期段階が比較的速くなり、その後、最も遅い区画からの不活性ガスの除去の半分の時間によって制限されるさらなる減圧速度が制御されます。[109]ただし、一部の飽和減圧スケジュールでは、減圧を上方移動から開始することは明示的に許可されていません。[110]現在使用されている（2016 年）移動も減圧手順も単独では減圧の問題を引き起こすことは確認されていませんが、移動によって生じた無症状の気泡が完全に解消される前に減圧が続くと、リスクが大幅に高くなるようです。気泡が存在する状態で減圧を開始することは、通常の飽和減圧中に予期しない減圧症が発生する多くのケースで重要な要因であると思われます。[111]
1985年にバブルモデルを適用することで、4つのグローバル核形成パラメータの1つの設定を使用して、従来の減圧、高度減圧、無停止閾値、飽和潜水をうまくモデル化できるようになりました。[112]
飽和減圧モデルとスケジュールテストに関する研究は継続しています。2015 年には、拡張酸素ウィンドウという概念が、改良された飽和減圧モデルの予備テストで使用されました。このモデルでは、酸素の代謝使用による固有の不飽和を利用するために浮上開始時に減圧速度を速くし、その後、呼吸ガスの酸素分圧によって制限される一定速度で減圧します。一定減圧速度の期間は許容最大酸素分率によっても制限され、この制限に達すると、酸素分圧が低下するため減圧速度は再び遅くなります。この手順は、2016 年 5 月現在、まだ実験段階です。目標は、特定の飽和深度とガス混合物に対して、全体的な減圧時間を許容できるほど安全に短縮することです。[106]
モデルの検証
どのような理論も、慎重に管理された試験手順によって検証されることが重要です。試験手順と機器がより洗練されるにつれて、研究者は減圧が身体に与える影響についてより多くのことを学びます。初期の研究は、減圧症 (DCS) の認識可能な症状のないダイビングを実現することに焦点を当てていました。その後、ドップラー超音波検査が使用されるようになり、DCI の兆候や症状が見られないダイビングでも、体内に気泡が形成されていることが分かりました。この現象は「サイレント バブル」として知られるようになりました。静脈ガス塞栓の存在は、減圧症の特異性が低い予測因子であると考えられていますが、静脈ガス塞栓が存在しないことは、低リスクの減圧の敏感な指標であると認識されているため、VGE の定量的検出は、減圧戦略を比較したり、手順の効率を評価したりする際に、減圧ストレスの指標として役立つと考えられています。[113]
米海軍の1956年の表は、外部のDCSの兆候と症状によって決定された制限に基づいていました。その後、研究者はドップラー検査に基づいて制限を調整することで、この研究を改良することができました。しかし、タルマンアルゴリズムに基づく米海軍のCCR表も、認識可能なDCS症状のみを検査基準として使用しました。[114] [115]検査手順は長くて費用がかかり、傷害をエンドポイントとする人間の被験者に対する実験作業には倫理的な制限があるため、研究者が以前の試験の実験結果に基づいて新しいモデルの初期検証を行うのが一般的な方法です。これは、モデルを比較するときにいくつかの意味を持ちます。[116]
ストップ深度分布の効率
深く短時間の潜水では、深度にいる時間に比べて長い減圧が必要となり、飽和潜水に比べて本質的に非効率的です。浅い潜水で十分に検証された性能を持つ減圧アルゴリズムにさまざまな修正を加えて、より短時間で安全な減圧を開発する努力がなされてきましたが、これらは一般に管理された実験によって裏付けられておらず、ある程度は逸話的な証拠に依存しています。泡モデルをベースとし、より広い範囲の深度にわたって減圧停止を分散させるアルゴリズムは、従来の溶存ガス含有量モデルよりも早期の泡形成を最小限に抑えることで効率的であるという考え方が広まりました。理論的考察に基づくと、主に有効性の証拠がない中で、症状のある減圧症の発生率は低いものの、従来の溶存ガス含有量モデルよりも効率的であるという考え方が広まりました。これらの修正のいくつかに関連する証拠が存在し、分析されており、一般的には反対の見解、つまり、特定の深度プロファイルで同じ合計減圧時間に分散された浅い停止を使用する確立されたシステムと比較して、深い停止は泡の形成と成長の速度が速くなる可能性があるという見解を支持しています。[117] [76]
時間の経過に伴う過飽和度の積分は、特定の組織グループまたはすべての組織グループに対する減圧ストレスの指標となる可能性があります。同じ深度、潜水時間、ガス混合物で、同じ持続時間の減圧スケジュールの範囲で、複合ビュールマン組織グループに対して計算されたこの指標を比較すると、ディープストップを使用するダイビングでは、ディープストップ中に遅い組織が継続的にガスを吸い込むため、全体的な減圧ストレスがより大きくなることが示唆されています。[76]
不活性ガス成分の変化の影響
オープンサーキットでの減圧中のガス切り替えは、主に酸素分圧を上げて酸素ウィンドウ効果を高め、急性毒性レベルを下回るようにするために行われます。酸素分圧が高いほど、溶解状態と気泡の両方で不活性ガスをより迅速かつ効果的に除去できることは、理論と実践の両方で確立されています。クローズドサーキットリブリーザーダイビングでは、ダイビング中の酸素分圧は比較的高くても許容できるレベルに維持され、オンガスを減らすとともに希釈ガスのオフガスを促進します。浮上中にヘリウムベースの希釈剤から窒素に変更することは、高価なヘリウムの使用を減らすために望ましいですが、他の意味合いもあります。一般的なテクニカルバウンスダイビングプロファイルでは、窒素ベースの減圧ガスへの変更によって減圧が加速される可能性は低いですが、ヘリウムと酸素の混合ガスでの減圧は神経性のDCSを引き起こす可能性が高く、窒素ベースの減圧はDCSが発生した場合に他の症状を引き起こす可能性が高いという証拠がいくつかあります。しかし、ヘリウムを多く含む減圧ガスから窒素を多く含む減圧ガスへの切り替えは、逆拡散効果に関連して内耳DCSを引き起こす可能性があります。このリスクは、十分な初期減圧、高い酸素分圧の使用、ヘリウムから窒素への切り替えを比較的浅くすることで軽減できます。[117]
高度曝露、高度ダイビング、ダイビング後の飛行
米空軍は1982年に人間を対象に実験を行い、高度への即時移動前の空気潜水の無減圧限界と、潜水後すぐに高度8,500フィート（2,600メートル）まで飛行できる高度潜水のスケジュールを検証した。[118] 2004年には、これまでテストされていなかった曝露プロファイルを使用して、高度減圧のバブルモデルの予測を検証する別の一連のテストが行われた。パラメータには、運動、高度18,000～35,000フィート（5,500～10,700メートル）、呼吸前時間、曝露時間が含まれていたが、これらの曝露には最近の潜水は含まれていなかった。[119]
レクリエーションダイビングの無減圧限界に近いプロファイルを使用して DCS 症状をエンドポイントとする実験が行われ、飛行中または飛行後の DCS 発生が飛行前水面休息時間 (PFSI) の長さとどのように関係するかが調べられました。ダイビングと PFSI の後には、75 kPa で 4 時間の曝露が行われました。これは、商業用航空機客室の最大許容高度 8,000 フィート (2,400 m) に相当します。水面休息時間が長くなるにつれて DCS の発生率は低下し、17 時間の水面休息時間では発生しませんでした。反復ダイビングプロファイルでは、発生率を最小限に抑えるために通常、1 回のダイビングよりも長い水面休息時間が必要でした。これらのテストは、飛行時間に関する推奨事項を通知するのに役立っています。[120]
飛行中の経胸壁心エコー検査では、商業用与圧航空機で1週間に渡ってレクリエーションダイビングを繰り返した後、飛行前に24時間水面休息をとった場合、減圧症の確率は低いがゼロではないことが示されており、検査を受けたダイバーのかなりの数で静脈気泡が検出された。[121]
現在の研究
減圧に関する研究は継続しています。詳細に関するデータは一般には公開されていませんが、ダイバーアラートネットワーク（DAN）では、DAN（ヨーロッパ）が運営する市民科学に基づくプログラムが進行中で、ボランティアのレクリエーションダイバーからデータを収集し、DANの研究スタッフや他の研究者が分析しています。この研究は、DANヨーロッパのメンバーの購読料によって賄われています。[122]ダイビング安全研究所は、メンバーがさまざまなダイビングコンピューターから標準形式に変換されたダイビングプロファイルやダイビングに関するその他のデータをアップロードできるデータベースです。[123]数十万件の実際のダイビングのデータが分析され、ダイビングの安全性の側面が調査されています。[124]収集された大量のデータは、減圧リスクの確率分析に使用されます。データ提供者は、同じプロファイルに対して計算されたBühlmann ZH16c M値に基づいて、3つの名目リスクレベル（高、中、低）のいずれかに評価されたダイビングプロファイルの簡単なリスク分析の形で、即時のフィードバックを得ることができます。
リストされているプロジェクト（すべてが減圧に直接関係しているわけではない）には以下が含まれる：[125]
- 血管内気泡に関するデータ収集とデータの分析
- 最適化された上昇プロファイルの特定
- 原因不明のダイビング事故の原因調査
- レクリエーションダイビングにおけるストレス
- 卵円孔開存症（PFO）と減圧症リスクの相関関係
- 喘息と糖尿病を抱えながらのダイビングとそれに伴うリスクの管理
- 息止めの生理学と病態生理学
- 低体温症とダイビング
- 頭痛とダイビング
- ダイビングに伴う血液の変化
- ダイビング後の飛行機旅行の減圧リスク
- リブリーザーダイビングの生理学的影響
- 減圧ストレスが内皮幹細胞と血液細胞に与える影響
- 早期減圧ストレスバイオマーカー
- 常圧酸素が血液とDCI応急処置に与える影響
モデルの実用的有効性
2000年代初頭、減圧のためのバブルモデルはテクニカルダイバーの間で人気があったが、実際にそのモデルの有効性を裏付けるデータはほとんどなかった。それ以来、いくつかの比較研究で、バブルモデルに基づく減圧後の静脈ガス塞栓の数が比較的多いことが示され、ある研究では減圧症の発生率が高いことが報告されている。浮上初期に深い減圧停止を行うことは、仮説が示唆するほどバブル形成を抑制する効果が低いようだ。この失敗は、より深いところで長時間にわたり遅い組織へのガスの吸収が継続し、その結果、これらの組織が浅い深さでより過飽和状態になることによるものと考えられる。ディープバウンスダイビングの最適な減圧戦略は未だ不明である（2016年）。[126]
減圧を加速するためにヘリウムベースの希釈ガスからナイトロックスへのガス切り替えの実際的な有効性は、説得力のある形で実証されていません。これらの切り替えは、逆拡散効果により内耳減圧症のリスクを高めます。[126]
減圧理論の指導
減圧は、学べば学ぶほど、何が起こっているのか本当にはわからないということが分かる領域です。表の記入項目の「白黒」の正確さ、ダイビング コンピューターの秒単位のカウントダウン、そして減圧モデルの数学的な純粋さの裏には、ほとんど探索されていない暗くて神秘的な生理学のジャングルが潜んでいます。
— カール・E・ハギンズ、1992年[128]
ダイバーが自分の減圧ニーズに関して知識に基づいた決定を下せるようになるには、さまざまな理論、モデル、表、アルゴリズムに触れることが必要である。[55]基本的な減圧理論と減圧表の使用は、商業ダイバー向けのトレーニングの理論部分の一部であり、[129]減圧表に基づいたダイビング計画、減圧の実践と現場での管理は、ダイビング監督者の重要な仕事である。[130] [81]レクリエーショナルダイバーは、認定機関が各認定のトレーニング基準で指定する範囲で、減圧の理論と実践のトレーニングを受けている。これは、エントリーレベルのダイバーが減圧義務を回避するのに十分な基礎的な概要から、上級テクニカルダイバーが個人用ダイブコンピューター、減圧ソフトウェア、表を使用していくつかの減圧アルゴリズムを使用する能力までさまざまである。[73]減圧理論の詳細な理解は、一般に商業ダイバーにもレクリエーショナルダイバーにも要求されない。
参照
- 減圧（ダイビング） - 深度から浮上する際の圧力低下とその影響
- 減圧実習 - ダイバーの安全な減圧のための技術と手順
- 減圧症 – 溶解したガスが組織内で泡を形成することで起こる障害
- ダイブコンピューター – 減圧状態をリアルタイムで計算する機器
- 等価空気深度 – 空気と特定のナイトロックス混合物の減圧要件を比較する方法
- 等価麻酔深度 – 混合潜水ガスの麻酔効果を空気と比較する方法
- 減圧研究と開発の歴史 - ダイビングの減圧の歴史における注目すべき出来事の時系列リスト。
- 高圧治療スケジュール – 医療処置として指定された呼吸ガスを使用した高圧曝露の計画
- 酸素ウィンドウ – 静脈血中の総溶解ガス濃度に対する酸素代謝の生理学的影響
- 減圧の生理学 – 減圧理論と実践の生理学的基礎
- 減圧モデル:
- ビュールマン減圧アルゴリズム – 圧力変化による組織不活性ガスの吸収と放出の数学的モデル
- ハルデーンの減圧モデル – ジョン・スコット・ハルデーンが開発した減圧モデル
- 低減勾配バブルモデル – 減圧アルゴリズム
- タルマンアルゴリズム – ダイバーの減圧のための数学モデル
- 減圧の熱力学モデル – 組織内で形成される気泡の体積によって減圧が制御される初期のモデル
- 可変浸透率モデル – 気泡物理学に基づく減圧モデルとアルゴリズム
注記
- 1. ^a 土着の: 発見された場所で形成された、または起源を持つ
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さらに読む
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