減壓程序理論的起源及其歷史

   

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The history and principle of decompression theory
減壓病病理學 - Pathophysiology of Decompression illness

        要了解減壓病病理學，首先要對潛水減壓程序理論的起源及其歷史作詳細解釋。希望通過閱讀而下文將，我們可以對潛水減壓力病發生有一定程度的了解。

1.我們將會就潛水減壓程序、理論作解釋；
2.氣泡的起源作分析；
3. 從現有所得到的知識結合臨床症狀，試圖解釋潛水減壓病。

        很少人會知道其實早在一六七０年，使用第一個有抽空能力的抽氣泵的幫助下，Robert Boyle 把研究用的複蛇 (viper)，放到連接上一個抽氣泵的玻璃器皿之內，當這個器皿內空氣被抽走時候，發現這條複蛇眼睛內出現可以四處流動的氣泡，這個亦是現代所知道其中一個著名的實驗。相似的減壓實驗，隨後在其他動物的實驗中同樣發現以上的氣泡，以及由氣泡引發的組織功能受損。這個可以算是我們現代所謂的減壓病始祖。

十九世紀初隨著軍用研究日漸廣泛，生理學家 Professor J.S. Haldane 進行一系列的由軍部資助的研究，就以上的發現，希望制訂出一些海軍潛水人員應用的潛水安全指引，用於預防潛水減壓病。在進行這些研究時，Haldane 希望可以制定出一些最近似人類結構的動物模型，於是他據人類身體各種組織的百分比，按比例地把脂肪組織、肌肉組織、水份比例、骨頭比例等等多個因素以及希望找出一些動物，可以有人類相類似的減壓病關節症狀，最後 Haldane選擇了山羊 (goat) 為最終的動物實驗模型。經過漫長而重覆的多次測試，發現只要按梯級比例將環境壓力，逐級下降，山羊不再出現減壓病的關節痛現象。這裏所指的梯級比例，就是我們現今形應用在潛水減壓的階梯狀減壓表的始祖。這些實驗，主要反應到當身體內氮氣的脫飽和，如果不超過一定的壓力範圍，減壓病是可以減少或者避免的。

氮氣飽和及脫飽和 Nitrogen saturation and desaturation 

        說到這裏我們又要談一個關於氮氣飽和以及脫飽和這個概念。試想想我們長期生活在地球上，生物處於一個大氣壓力的環境中，來自空氣中的氮氣會以物理狀態溶解在我們身體各個組織內並且達到平衡，於是我們自有生命開始其實就已完成氮的飽和狀態了(Fully saturated with nitrogen at sea-level, 1ata)。如果要將我們身體內氮氣排光，然後呼吸沒有氮氣的空氣，用來觀察氮氣在我們身體內的脫飽和過程是比較困難。但是我們只要從常壓下(sea-level)移到高壓環境中，我們便可以觀察到一個新的氮飽和過程或者我們可以說一新的氮氣溶解平衡狀態 (new level of nitrogen saturation)。

        當動物從常壓（1ata）進入高壓環境中，由於空氣及肺泡內氮氣分壓（PN2）增高，氮氣會進一步向肺泡毛細血管內彌散，溶解在血漿、血細胞胞以及各個組織內，組織內氮氣分壓會逐漸增高，在足夠的時間後，最終達到新的飽和狀態（new level of nitrogen saturation）。

    由於肺泡的面積極大，故流經肺泡的血液可以很快地被氮氣所飽和，而血液流經組織時，由於不同組織內毛細血管數量不一，而且機體內的氮氣飽和速度，也取決於血液的運輸速度、不同組織對氮氣的溶解特性、溫度以及環境壓力等等有關。Haldane等根據實驗以及以上提及的因素，假定機體內存在不同的組織成分，由於他們的生理特性，分別存在各自的氮氣溶解平衡狀態時間 (different times for nitrogen saturation)。不同組織結構有不同的氮氣溶解平衡狀態時間，脂肪組織需要較長時間才可到達平衡狀態，而血液及水分相對需要比較短的時間就可以達到平衡，其他組織包括肌肉以及骨骼關節等，需要的平衡狀態時間，處與這兩者之間。

        進入高氣壓環境中的人呼吸壓縮空氣，每經過一個固定時間，溶解在身體各部份組織內的氮氣會漸漸達到飽和。對於高氣壓環境中，機體組織內氮氣達到半飽和所需的時間我們稱之為半飽和時間。這個半飽和時間用於計算氮飽和時間與飽和度時，為了方便，人為地把一個半飽和時間假定為一個時間單位。     停留一個假定半飽和時間單位的時間；組織氮飽和度達會達到50％（尚未飽和部分稱為飽和缺額），這個時候飽和缺額為50％。又經過一個假定半飽和時間單位，氮飽和度進一步增加（新增加的部分為餘下的飽和缺額的一半（50％ × 50％= 25％），此時飽和度為第一個半飽和時間再加上第二個半飽和時間，即 50％ ＋ 25％ = 75％，飽和缺額為25％。再經過一個假定半飽和時間單位，組織飽和度又增加為上次飽和缺額（25％）的一半（25％ × 50％ = 12.5％），達到75％ + 12.5％ = 87.5% ，尚未飽和的飽和缺額為12.5％。依次類推，詳細列于下表：
經過若干假定時間單位，組織氮飽和規律
 

假定半飽和時間單位	飽和度增長 (上次缺額之一半)	飽和度缺額 (尚未飽和部分)	累積飽和度
1	100%x50%=50%	100%x0.5=50%	(1-0.5)1x100%=50%
2	50%x50%=25%	(50%)x50%=0.52=25%	(1-0.5)2x100%=75%
3	(50%)2x50%=12.5%	(50%)2x50%=0.53=12.5%	(1-0.5)3x100%=87.5%
4	(50%)3x50%=6.25%	(50%)3x50%=0.54=6.25%	(1-0.5)4x100%=93.75%
5	(50%)4x50%=3.125%	(50%)4x50%=0.55=3.125%	(1-0.5)5x100%=96.87%
6	(50%)5x50%=11.56%	(50%)5x50%=0.56=1.56%	(1-0.5)6x100%=98.43%
7	(50%)6x50%=10.75%	(50%)6x50%=0.57=0.79%	(1-0.5)7x100%=99.21%
.
n	(50%)n1x50%=10.75%	(50%)n	(1-0.5)nx100%=

  

氮氣飽和及脫飽和 Nitrogen saturation and desaturation 
機體組織內氮飽和曲線
        根據以上的規律，以橫坐標為假定時間單位，縱坐標為氮飽和度。我們可以勾畫出一個曲線圖形，這個圖形呈弧形而非直線。說明：
(1) 從物理學的角度上分析，組織氮飽和永遠達不到100％的飽和。因此我們把氮飽和度達到98.437％的時候，判定他為完全飽和。從上表可以查出，經6個假定半飽和時間單位時間，氮飽和度可達98.437％；
(2) 另外，氮飽和過程中，隨時間延長，單位時間內飽和度增加的絕對值會越來越小。
減壓程序理論 半飽和時間和理論組織
Principle of decompression theory
        半飽和時間，具體是多長，在各種組織中均有不相同數值，與組織的血流量，氮的溶解度，彌散係數等等有關。Haldane 通過大量減壓艙內潛水模擬測試 (動物實驗) 資料，將人類各種組織的半飽和時間的分別地劃分為五類組織。不過我們要注意，由於這種分類並非絕對，而是一種人為假定的假設數值，所以稱“理論組織”。

組別	半飽和時間	組織成分
第一類理論組織，需要最短的半飽和時間	5分鐘	血液，淋巴以水份為主
第二類理論組織	10分鐘	大腦，脊髓灰質，腺體
第三類理論組織	20分鐘	肌肉等
第四類理論組織	40分鐘	神經白質，脂肪以脂肪為主
第五類理論組織，需要最長的半飽和時間	75分鐘	肌腱，韌帶等

根據 Haldane 以上的理論，所有機體組織只要經過6個半飽和時間，均可以達到氮氣接近完全飽和狀態。其中血液和淋巴液只需要（5分鐘 × 6 = 3 0分鐘）即可達氮飽和，而第五類理論組織中的肌腱和韌帶的氮飽和時間卻需要（75分鐘 × 6 = 450分鐘）。快(短半飽和時間) 慢(長半飽和時間)組織之間，有非常大的差別。這裏有一點我們可會發覺，這些快慢組織之間時間差別是以倍數增長的，唯獨是第五類理論組織並不完全一致。
減壓程序理論 氮的脫飽和 Nitrogen Desaturation
Principle of decompression theory
        機體在任何氣壓環境中一段時間後，當有了氮氣飽和之後，體內的氮氣已達完全飽和狀態。也就是說機體組織內已溶解了與環境中氮分壓相適應的氮所謂新的平衡狀態。但是當機體要再一次，返回低氣壓環境中，組織內過多的氮氣必須先溶解在血液中，然後隨血液循環到肺部，再經過彌散到肺泡而呼出體外。這個氮氣排出過程叫氮氣脫飽和。以上的物理定律會有變化，那麼氮脫飽和過程應該與氮的飽和過程相同，而且只是方向相反。其特點：      
(1)     脫飽和與飽和速度相同，飽和比較快的組織，脫飽和亦會快。
(2)     脫飽和與飽和的時間相同，經過6個飽和時間（假定時間單位）可完成脫飽和的98.43％。亦即是接近完全脫飽和。 第一個假定時間單位，從體內排出多餘氮氣的百分比，還剩下50％；第二個假定時間單位，從體內又排除剩餘氮的一半，即 （5％×50％）25％，得到總排出氮（50％＋25％）75％，身體來還剩了多餘的氮氣25％。第三個假定時間單位，又排除多餘下來的25％的一半，即（25％×50％）12.5％，總排除氮量為（75％＋25％）87.5％，還剩氮12.5％。第四個……依此類推。我們可以再次繪製出氮脫飽和曲線圖，這個圖表與氮氣飽和曲線相似，只不過是方向相反。
減壓程序理論 氮的脫飽和 影響氮脫飽和的因素
Principle of decompression theory
        與氮氣在身體吸收的情況一樣，氮的脫飽和是靠血液將氮運輸到肺，然後由肺呼出。該過程與氮的飽和過程相同，只是方向相反。所有能加速血液循環和呼吸的因素，均可有助加速氮氣飽和與脫飽和過程。
 1. 體溫較高可使呼吸、循環加快，皮膚血管擴張，有利於氮的飽和與脫飽和。在寒冷的天氣之下則相反。在潛水時，運動強度大，體溫會提高，會使氮飽和過程加快；減壓出水時由於活動減少，水溫度偏低，又使脫飽和過程減慢，所以這些因素都會引發減壓病。
 2. 肌肉活動時：①會產生較多的熱量，刺激血管擴張；②另外肌肉活動可以對靜脈和淋巴管產生擠壓作用，加速血液及淋巴液回流加速循環；③ 組織內二氧化碳及乳酸產生增多，同樣會刺激血管擴張。故可加速氮的脫飽和過程。實驗證明，人在一密閉容器中吸純氧，同時作中等肌肉活動，可使最初10分鐘內排出的氮氣增加一倍。
3.   疲勞、緊張、恐懼、情緒低落等因素，均會使體內的神經調節功能減退，不利於氮的職飽和。
 4. 在高壓環境中呼吸純氧氣（潛水、沉箱作業、高壓艙治療），由於吸入氣中無氮氣，體內不會被氮飽和。故，減壓時不會發生減壓病。
5. 另外一些興奮呼吸、刺激循環系統的藥物，均有可能加速氮氣的脫飽和程序。
以上這些不利脫飽和的因素，其實同樣是引發減壓病的因素。
減壓程序理論 氮氣過飽和狀態
Principle of decompression theory - Nitrogen Supersaturation
        上面的兩段已經解釋氮氣的飽和以及脫飽和，但是我們進行潛活動後，往往不能夠用這麼漫長的時間來令到氮氣完全脫飽和。當身體從高氣壓環境中轉移到低氣壓環境時候，原先在高壓環境中溶解在組織內的氮氣，不能立即被完全排出體外，但也不在組織中形成氣泡，只不過僅僅地留存在組織中，這個時候組織中保持過量氮氣的狀態便被我們稱為氮氣過飽和狀態。
如何能夠令到氮氣在身體內可以產生安全過飽和？
        日常生活中，我們只要打開汽水瓶蓋時，便會見到大量氣泡溢出，這是由於汽水瓶內有過多的二氧化碳，當開啟瓶蓋後，瓶壓力減低氣泡立即溢出造成的。在高氣壓環境停留後如果過快地移入低氣壓環境中，由於壓力減低，組織內過多的氮氣也應以氣泡的形式逸出。不過事實上有的時候，見到的卻是另外一種情況，這種情況是當人進入低氣壓環境中，組織內溶解的氮氣並不立即形成氣泡，而仍以溶解狀態存在組織中，然後慢慢溶解到血液中，隨血液運送到肺部，最後從肺泡呼出。這種現象叫安全過飽和現象。我們如何能夠好好利用這個現象，那麼在潛水運動後，高氣壓環境工作後減壓時，應該可以減少減壓病的發生。
過飽和安全係數 (比值)
         Haldane 等經過重複研究和統計許多潛水記錄，發現只要潛水深度在12.5m以內，不論在水下停留多長時間，不論出水多快一般都不會發生減壓病。而潛水深度如果超過12.5m，停留時間稍為延長，或者出水過快，就可能發生減壓病。這個現象說明氮的安全過飽和實際上也有一定的限度。因此努力尋找並確定這個限度，對控制 (縮短) 減壓時間及預防減壓病是有相當大的意義。
         Haldane 當進行了大量的動物和人類實驗後，他們有以下的發現：第一點，從2個大氣壓減至常壓   （1ata）不論速度多快，均不會發生減壓病；第二點，在一定壓力範圍內，壓力迅速減少一半（1/2）譬如從4ata減至2ata或者從6ata減至3ata也不會發生減壓病。因此，他們認為減壓時的安全過飽和狀態的是一個穩定的數值，這個數值不取決於所減掉壓力的絕對值（即不決定於減多少個大氣壓力）而取決於減壓前後壓力的比值。只要由高壓力處下降到低壓比值控制在一定範圍內，即使速度快些也不會產生減壓病。總結多個實驗之後， Haldane 等認為這個安全減壓數值應保持大約在2.25：１。為計算方便簡化為2：1的比例減壓，比如從6個大氣壓可先減至3個大氣壓，然後從3個大氣壓減至1.5個大氣壓，就應該不會出現減壓病。現代經過多次改良後，現時我們所應用安全比值，實際已經採用 1.6：１或者更保守的潛水電腦表 (diving computers) 1.4：１等減壓比值。這些系數是制訂各種減壓表的依據。後人把這套理論稱為 Haldane 理論。
減壓理論 高壓氧治療中的純氧氣飽和及脫飽和
Principle of decompression theory
         Haldane 的理論是從大量實驗和經驗中總結出來的，以Haldane 的安全過飽和係數比直制定的減壓表實施以後，潛水員減壓病發生率大大減少。但通過大量實踐經驗，特別在美軍的減壓表格 (U.S. Navy Decompression Tables)研製過程中，逐漸發現即使嚴格遵守 Haldene 理論的減壓表減壓，仍然有2％～5％的人會發生減壓病，尤其是潛水過深，水中停留時間長的人。隨後又還發現潛水深度，即使在6～10m以內，也有人會發生減壓病。這說明過飽和安全係數絕對受個體差異、潛水深度、停留時間、運動強度、水溫、吸入氣體種類、二氧化碳儲留、換氣情況、潛水員的精神狀態及其他疾病因素等影響。因此，Haldane 從理論推測出來的過飽和安全係數是個可變值。
高壓氧治療中的純氧氣飽和及脫飽和
        其實以上所提及的氮氣飽和、脫飽和及超飽和等等狀態，同樣會發生在應用純氧氣治療的高壓氧環境內。事實上純氧氣溶解在身體內的過程於氮氣非常相近，不同組織有不同的溶解系數。大過這些純氧氣即是產生超飽和狀態，或者在體內產生一些氣泡，由於這些氧氣氣泡 (oxygen bubble) 很快地會被組織完全利用、分解及變化成為水分，因此不會產生減壓病。
         同樣是這個道理，臨床應用高壓氧治療的時候，只要身體呼吸一段時間純氧氣後，身體之內氮氣會被沖淡化，組織內取而代之的是純氧氣。換句話說，經過連續一段時間高壓氧治療，在剛剛離開治療艙之後，我們身體內應該是有大量的氧氣儲備，不同組織結構有不同的氧氣儲存量。
         打個笑話的比喻，在接受高壓氧治療過程中有一名患者，突然出現心跳呼吸停頓，平常我們會非常緊張，馬上準備人工呼吸以及心外壓等急救措施。幸好這這次這名患者，由於在接受治療的時間內氧氣儲備非常充足，足以令患者可以安全而且不缺氧的情況之下存活數分鐘。高壓氧治療的醫生大概可以有充足的時間，先喝完手中的咖啡飲品，才開始著手進行急救！！

資料來源 http://www.hkhyperbaric.com/default.htm

   

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