할데인의 감압모형

Haldane의 감압 모델은 주변 압력에서 압축 공기를 호흡하는 다이버의 해수면 대기압에 대한 감압에 대한 수학적 모델로, 스코틀랜드의 생리학자인 John Scott Haldane (1860년 5월 2일 ~ 1936년 3월 14일/15일)이 제안했습니다.^[1]

Haldane은 1908년 영국 해군을 위해 최초로 인정된 감압표를 준비했는데, 이는 증상이 있는 감압병의 임상적 종말점을 이용한 염소와 다른 동물들에 대한 광범위한 실험을 바탕으로 한 것입니다.

Haldane은 해수의 165피트(50m) 깊이로 포화된 염소는 후속 감압이 주변 압력의 절반으로 제한될 경우 감압병(DCS)이 발생하지 않는다는 것을 관찰했습니다. Haldane은 반감기를 특징으로 하는 5개의 가상 신체 조직 구획에서 임계 과포화 비율을 "2"로 제한하는 일정을 작성했습니다. 반감기는 방사성 붕괴와 같은 지수 과정과 연결될 때 반감기라고도 합니다. Haldane의 5개 구획(하프타임: 5, 10, 20, 40, 75분)은 50년 동안 감압 계산과 단계적 감압 절차에 사용되었습니다.^{[citation needed]}

1878년 폴 베르트가 매우 느린 감압이 케이슨 병을 피할 수 있다고 지적한 바와 같이, 홀데인에 대한 이전의 이론들은 "균일한 감압" 비율을 "20분당 한 대기"로 제안했습니다. 1907년 Haldane은 "단계적 감압"(특정한 비교적 빠른 상승 속도를 사용하여 일정한 깊이에서 특정 기간에 의해 중단되는 감압)을 연구했고, 당시 사용된 속도로 "균일한 감압"보다 안전하다는 것을 증명했고, 이를 바탕으로 그의 감압표를 만들었습니다.

이전작업

폴 버트

폴 베르트(Paul Bert, 1833년 10월 17일 ~ 1886년 11월 11일)는 1863년 파리에서 의학박사로, 1866년 과학박사로 졸업한 프랑스의 생리학자입니다. 그는 보르도 (1866)와 소르본 (1869)에서 연달아 생리학 교수로 임명되었습니다. 폴 버트는 기압의 생리학적 영향에 대한 포괄적인 조사인 라 프레스온 바로메트리크(La Pression barometrique, 1878)의 작품을 따라 "항공 의학의 아버지"라는 별명을 얻게 되었는데, 이 책은 케이슨병의 증상을 매우 느린 감압을 통해 피할 수 있다는 것을 지적했습니다. 그러나 그의 연구는 안전한 감압율에 대한 데이터를 제공하지 않았습니다.^[2][3]

슈뢰터

안톤 헤르만 빅터 토마스 슈뢰터(Anton Hermann Victor Thomas Schroötter, 1870년 8월 5일 ~ 1928년 1월 6일)는 오스트리아의 생리학자이자 비엔나 태생의 의사로 항공 및 고압 의학의 선구자였으며,^[4] 감압병 연구에 중요한 공헌을 하였습니다. 그는 빈 대학교와 스트라스부르 대학교에서 의학과 자연과학을 공부했고 1894년에 의학 학위를 받았고 그 다음 해에는 철학 박사 학위를 받았습니다. 그는 의학과 생리학의 많은 분야에서 활동했습니다. 1895년부터 그의 첫 번째 관심은 케이슨 병의 조사와 전투였고, 누스도르프에 있는 그의 재임 기간 동안 그는 발생한 수많은 질병들을 연구하고 치료와 예방의 방법을 찾고 있었습니다.

1900년 그가 리처드 헬러 박사와 함께 발표한 보고서. 기압병에 관한 빌헬름 마거는 잠수와 고압의학의 기본적인 독일어 작업으로 여겨집니다. Schröttter, Heller and Mager는 안전한 감압을 위한 규칙을 만들었고 20분당 한 대기(atm)의 감압율이 안전할 것이라고 믿었습니다. Hill과 Greenwood는 6 atm (610 kPa)에 노출된 후 심각한 증상 없이 스스로 감압했습니다.

할데인의 작품

해군 위원회는 심해 잠수를 위해 가능한 한 짧은 시간 내에 안전한 감압을 위한 명확한 규칙을 마련할 필요가 있었고, 따라서 Haldane은 1905년 영국 해군에 의해 심해에서 상승하는 다이버를 위한 감압 테이블을 설계하도록 위임되었습니다.

1907년 Haldane은 심해 잠수부들을 더 안전하게 만들기 위해 감압실을 만들었고 동물들을 대상으로 광범위한 실험을 한 후 최초의 감압표를 만들었습니다. 1908년 Haldane은 영국 해군을 위한 최초의 인정된 감압표를 출판했습니다. 그의 테이블은 1955년까지 영국 해군에 의해 사용되었습니다.

"압축 공기 질병의 예방"은 1908년 Haldane, Boycott, Damant가 단계적 감압을 권고하면서 출판되었습니다.^[5] 이 테이블들은 영국 해군이 사용하는 것으로 받아들여졌습니다.

Haldane은 다양한 신체 조직에서 혈액으로 질소의 흡수와 방출을 모델링하기 위해 반감기의 개념을 도입하고, 반감기가 5분, 10분, 20분, 40분, 75분인 신체 조직 구획 5개를 제안했습니다.

Haldane은 그의 가설에서 상승 속도가 각 가상 조직에서 불활성 가스(질소)의 분압이 환경 압력을 2배 이상 초과(2:1 비율)하지 않으면 이들 조직에서 기포가 형성되지 않을 것이라고 예측했습니다. 이는 기본적으로 감압 문제 없이 30m(100ft) – 주변 압력 4bar(60psi) – 10m(33ft)(2bar(29psi)) 또는 포화 시 10m(33ft)(2bar(30psi)) – 표면(1bar(15psi))까지 상승할 수 있음을 의미합니다. 이를 보장하기 위해 다수의 감압 정류장이 상승 테이블에 통합되었습니다.

상승률과 모델에서 가장 빠른 조직이 첫 번째 정지의 시간과 깊이를 결정합니다. 그 후, 더 느린 조직은 언제 더 올라가는 것이 안전한지를 결정합니다.

아웃라인

Haldane은 염소, 기니피그, 쥐, 쥐, 암탉, 토끼와 같은 다른 종류의 동물들 사이의 차이를 보여주는 일부 동물들에 대한 실험을 실행했지만, 그의 주요 연구와 결과는 염소와 사람들에게 행해졌습니다.

Haldane은 그의 책에서 " 감압 시 기포가 형성되는 위험을 피하기 위해 지금까지 감압은 느리고 가능한 한 전체적으로 균일한 속도로 이루어져야 한다고 권장되었습니다. 따라서 우리는 느리고 균일한 감압 과정에서 신체의 불포화 과정을 신중하게 고려해야 합니다."^{[citation needed]}라고 그의 작업 개요는 다음과 같습니다.

• 사람이나 동물을 압축 공기에 넣으면 폐를 통과하는 혈액이 단순 용액 속의 가스를 많이 차지합니다. 이 양은 폐포 공기에 존재하는 각 가스의 분압 증가에 비례하여 증가합니다.

• 산소의 경우 동맥혈의 단순 용액의 양은 증가하겠지만 혈액이 신체 조직에 도달하는 즉시 여분의 용존 산소를 사용하여 정맥혈의 산소 분압이 약간 증가할 것입니다.
• 이산화탄소와 관련하여 Haldane과 Greenwood의 실험은 대기압의 상승에 따라 폐포 공기 중 CO의₂ 분압이 일정하게 유지되므로 압축 공기에 노출되는 동안 혈액 중 CO의₂ 증가는 발생하지 않음을 보여주었습니다.
• 질소와 관련하여 신체 조직의 포화도를 고려해야 합니다.

• 

  조직의 단위 질량당 질소의 용해율은 신체의 여러 부위에 따라 크게 달라지기 때문에 기압이 갑자기 상승한 후에는 그에 따라 달라집니다.
• 압축 공기에서 포화 상태에 노출된 후 압력이 정상으로 급격히 감소하면 정맥혈은 폐로 이동하는 동안 용해된 질소의 전체를 방출합니다. 너무 급속한 감압으로 인해 기포가 형성되면 기포 내로 확산되어 크기가 증가하여 작은 용기가 막히게 됩니다. 감압 시 거품이 생기는 위험을 피하기 위해서는 감압이 느려야 하고 근육운동으로 혈액순환 속도를 상당히 높일 수 있습니다.

• 

  

  잠수사가 아주 짧은 시간 동안 하강할 때 하강과 상승에서 차지하는 시간을 고려합니다. 하강하는 동안 다이버는 질소로 포화 상태가 되기 때문에 가능한 한 빨리 하강해야 합니다. 반면에 상승하는 동안 Haldane은 감압이 끝날 때 약 7분 또는 8분 이내에 절반으로 포화된 것을 제외한 신체의 모든 부분에서 위험한 과잉의 포화가 있음을 보여주었습니다. 단계 감압 실험에 사용된 염소들은 같은 시간과 노출에서 균일한 감압을 받았고, 36번의 감압 실험에서 1명이 사망하고 2명이 마비되었으며, 1명은 성격이 심각한 무기한 일반 증상을 보였고, 의심스러운 2건 외에 11건의 "굴복" 사례가 발생했습니다.
• 잠수기간:

• 반복적인 잠수가 없는 7분에서 8분 미만의 짧은 잠수 기간 동안: 염소에 대한 Haldane의 실험은 해수 42미터(138피트)에 해당하는 75psi(5.2바)에서 4분까지 노출된 후 1분 이내에 갑자기 감압된 염소는 아무런 증상이 나타나지 않았음을 보여주었습니다. 어떤 경우에는 노출 시간을 6분으로 늘렸을 때도 말입니다. 이것은 당시 지중해에서 숙련된 그리스 다이버들의 보고와 일치합니다. 그들의 장비가 바닥에 얽히면 30 파미터(55m)까지 잠수하여 공기 파이프와 줄을 자르고 1분도 안 되어 수면 위로 몸을 날릴 것입니다.^{[citation needed]}
• 몇 분을 초과하거나 짧은 반복적인 잠수를 하는 경우: 힐과 그린욱은 매우 높은 압력과 위험한 실험인 해수 53m(174피트)에 해당하는 91psi(6.3bar)로 압축했고, 감압 후 휘어졌습니다.^{[citation needed]}

  

  신체 일부에 대한 실험의 포화 곡선이 발표되었습니다.

• 염소에 대한 실험은 계속되었고, 염소에 대해 관찰된 증상은 거품의 존재가 아닌 증상의 존재를 기록하기 위해 적절한 일정에 따라 매번 기록되었습니다.

• 가장 흔한 증상인 굴곡입니다. 사지, 가장 일반적으로 앞다리.
• 일시적인 마비, 전반적인 산소 결핍 증상
• 통증, 지속적인 출혈
• 영구 마비, 대개 감압 직후
• 질병, 국소 증상을 식별할 수 없음, 때로는 실명함
• 호흡곤란과 사망
• 압박하는 동안 염소가 귀에 문제를 일으켰다면 기계적 증상은 중요하지 않습니다.

• 염소를 대상으로 한 실험은 다음과 같습니다.

• 다양한 압력과 다양한 감압 시간에 대한 단계적 감압과 균일한 감압과의 비교도 포함되었습니다. 결과는 염소에게 증상을 주기 위해서는 일정한 최소 압력이 필요하며 감압 시간이 다른 고압에 노출되는 기간도 영향을 미쳤다는 것을 보여주었습니다.
• 실험은 다른 종류의 동물들과 그것들의 감압 증상에 대한 민감도를 비교하고, 짧은 노출과 긴 노출 사이의 크기와 감압 시간 사이의 영향을 비교했습니다.
• 염소의 혈액량과 부피에 대한 실험은 감수성과 분명히 관련이 없는 것으로 나타났습니다.
• 감압 후 염소의 사후 모습에 대한 병리학적 관찰은 혈액에서 발견되는 기포의 크기와 관련하여 실질적인 중요성을 보여주었습니다. 주요 증상의 기저에 있는 병리학적 변화는 굴곡을 제외하고는 충분히 감지되었습니다. 굴곡의 정확한 원인은 밝혀지지 않았습니다.

Haldane의 작업의 주요 결과

이 작품은 "압축공기 질병의 예방" 책에 실려 있습니다. 결과는 424페이지와 425페이지의 "요약" 아래 동일한 책으로 출판됩니다. 그의 감압 모형의 주요 결론은 다음과 같습니다.

• 354쪽에서 Haldane은 "(1) 정맥혈과 폐의 공기 사이의 질소 압력의 차이를 증가시키거나 (2) 혈액 순환 속도를 증가시킴으로써 포화 속도가 빨라질 수 있음이 분명합니다."라고 결론지었습니다. 그래서, 더 빠른 불포화를 달성하기 위해, Haldane은 근육 운동이 혈액 순환 속도를 상당히 증가시킬 수 있고, 따라서 "압축 중 근육 운동도 있어야 한다"고 결론지었습니다.
• 요약하자면, 424쪽, Haldane의 다섯 번째 결론은 "체내 질소의 압력이 대기 질소의 두 배 이상이 되면 감압은 안전하지 않습니다."입니다. Haldane은 염소의 조직이 질소로 완전히 포화된 것을 확인하기 위해 오랜 시간 동안 압축실에 염소를 놓아두었고, 이러한 실험 후에 "절대 압력이 50% 감소되면 DCI를 유발하지 않을 것"이라고 결론지었습니다.
• Haldane은 그의 "해체표" 표 I과 표 II를 442쪽과 443쪽에 출판했습니다. 사용하기 쉽도록 0.3048을 곱하여 미터로, 0.0689475729를 곱하여 psi에서 막대로 발을 변환합니다. 이 표를 사용하면 다이버는 주변 절대 압력의 절반까지 상승하고 계산된 감압 시간 동안 유지한 후 마지막 단계의 절대 압력의 절반까지 더 상승할 수 있습니다. Haldane은 자신의 스케줄을 "보통 노출"에 대한 표 I과 "보통 시간의 한계를 넘어서는 지연"에 대한 표 II로 나누었습니다. 현재 평가할 때 Table II 감압 시간은 감압병의 큰 위험과 관련이 있었습니다.
• Haldane은 신체 조직을 다른 범주로 나누고, 각각의 범주에서 질소 포화도를 측정했습니다. 이것은 빠른 조직과 느린 조직 개념으로 이어졌습니다. 어떤 조직은 가스를 채우고 빠르게 비워내는 것입니다. 이것들이 빠른 조직입니다. 반면에, 느린 조직은 천천히 채워지고 천천히 비웁니다. Haldane은 이 조직들이 채워지고 비워지는 대수적 경향을 묘사했습니다.

할데인의 원리에 대한 추가적인 발전

Haldane이 제안한 2:1 비율은 빠른 조직(짧은 잠수)에는 너무 보수적이고 느린 조직(긴 잠수)에는 충분히 보수적이지 않은 것으로 나타났습니다. 그 비율도 깊이에 따라 달라지는 것 같았습니다. 오래된 테이블에 사용된 상승 속도는 분당 18미터(59피트/분)였지만, 새로운 테이블은 현재 분당 9미터(30피트/분)를 사용합니다.^{[citation needed]}

• Haldane은 5분, 10분, 20분, 40분, 75분의 절반 시간을 가진 5개의 조직 구획을 기준으로 한 감압표를 소개했습니다.
• 미 해군은 할데인의 테이블을 다듬어 9개의 티슈를 가진 모델을 선보였습니다. 그들은 또한 5분부터 시작해서 최대 240분까지 하프 타임에 대한 계산을 소개했습니다.
• 앨버트 ü만 교수는 산악 호수의 높은 고도에서 다이빙을 할 수 있는 감압표를 만들었습니다. 그의 모델은 Haldanian 원칙에 기반을 두고 있지만 그의 ZHL-16 테이블은 최대 635분의 반 시간으로 16개의 조직을 고려하고 깊이에 따른 과포화 한계의 변화를 모델링하려는 요인을 소개했습니다.

Haldane의 관련 연구 및 연구

Haldane은 다른 많은 관련 연구들을 가지고 있었습니다.

• 위생^[6] 저널 설립
• 딥다이버에^{[clarification needed]} 대한 보조를 용이하게 하기 위한 감압장치 제작
• 1907년, 많은 동물 실험 끝에 영국 해군을 위해 200피트 또는 65미터로 에어 다이빙을 위한 감압 절차를 수립했습니다.
• 헤모글로빈의 특성인 할데인 효과를 설명했습니다.
• 체내의 다양한 조직의 포화계수를 결정하는 공식을 제안한 그의 방정식은 헨리의 법칙에 기초하고 있습니다.

T_N2 = T₀ + (T_f – T₀) (1–0.5^{(t/t₀)})

어디에,

T: 조직 내 가스의 장력(압력)

T₀: 초기장력

T_N2: 현재 질소 장력

T_f: 최종 장력

t₀: 챔버 기간

t: 현재시간

모순작업

Haldane의 모델은 현대적인 감압표의 기초로 남아 있지만, Haldane의 첫 번째 감압표는 이상과는 거리가 먼 것으로 증명되었습니다. Haldane의 방정식은 오늘날 많은 다이브 테이블과 다이브 컴퓨터에서 사용되고 있지만, 점점 더 많은 감압 모델이 다음과 같은 가정과 모순됩니다.

• 불활성기체 포화현상의 비대칭성(흡입 및 제거),
• 순환기포, VPM, Reduced gradient bubble model 등을 고려한 Hempleman과 Thalmann의 각서에 따른 탈포화도

"압축공기 질병의 예방"의 그림과 표

• 
  347페이지, 그림-1, 질소포화도
• 
  363페이지, 그림-4, 5-10-20-40-75분에 반토막으로 신체 부위가 다른 질소의 포화
• 
  365페이지, 그림-5, 질소 다양한 신체 조직의 포화
• 
  367페이지, 그림-6, 서로 다른 신체 조직에 대한 질소 포화도
• 
  442페이지, 압축해제표-I in ft and psi. "수면에서 통상적인 시간 제한 후 다이버 상승 중 정지"
• 
  443페이지, 압축해제표-II in ft and psi. "일반적인 수면 시간 한계를 넘어 지연 후 잠수부 상승 중 정지"

참고문헌