다이브 테이블과 감압 이론(Dive Table & Decompression Theory)

1. 다이브 테이블의 필요성(Why Dive Table is needed?)
  우리가 호흡을 하면 숨을 들이쉴 때 산소와 질소가 흡수되었다가 산소는 신진대사 작용으로 일부가 소모되고 이산화탄소로 바뀌어 숨을 내쉬면 질소와 함께 배출된다. 대기압 하에서는 이런 상태가 평형을 이루고 있기 때문에 불활성 기체인 질소는 마치 그대로 들어왔다 그대로 나가는 것처럼 보인다. 그러나 압력이 높아지면 우리 인체에 용해되고 질소의 양은 점점 많아진다. 그래서 압력이 높아진 상태로 시간이 흐르면 흐를수록 용해되고 배출되는 질소의 차이는 점점 줄어들고 평형상태를 이룬다. 그러다가 압력이 낮아지면 이번에는 배출되는 양이 흡수되는 양보다 작게 되는데 처음에는 많이 배출되다가 시간이 지날수록 점점 차이가 줄어 다시 평형상태를 이루게 된다. 이러한 과정은 압력변화가 급격하지 않을 때 일어난다.
  감압병(decompression sickness)은 주위의 압력이 급격히 감소하여 체내에 녹아있던 질소가 폐를 통해 미처 배출되지 못해 체내에서 기포를 형성하게 되는 병이다. 이를 벤즈(Bends) 또는 케이슨(cassion)병이라고도 불린다. 감압병은 매우 고통스러우며 불구가 될 수 있으므로 안전수칙을 지켜 예방을 철저히 해야한다.
  다이브 테이블은 한마디로 이 감압병을 예방하기 위해 제작된 것이다. 다이브 테이블에는 질소 흡수량을 제한하기 위해 각 수심별로 감압을 하지 않고 체류할 수 있는 시간을 정하고 있다. 이 제한을 무감압한계(no decompression limit) 또는 비감압한계라고 부르며, 일부 단체에서는 최대잠수시간(Maximum Dive Time)이라 부르기도 한다.

2. 관련 용어(Terms)
(1) 조직(Tissue)
  인체에는 근육(muscle), 관절(joint), 상피(epithelial), 신경(nerve) 조직들이 있다. 인체의 각 기관들은, 예를 들어 심장이나 허파, 몇 개의 조직들로 복합적으로 구성되어 있다. 이들 인테의 모든 부위들을 조직이라고 부른다.
  질소는 호흡과정을 통하여 인체에 흡수된다. 즉 폐포를 통하여 혈액에 용해되고, 인체의 압력이 높은 부위에서 낮은 부위로 확산(diffusion)과 분산(perfusion)에 의해 수송되는데, 질소가 인체의 각 조직에 용해되는 것을 흡수(uptake)라고 한다. 수심이 증가할수록 또 체류시간이 길수록 그에 따라 질소흡수량도 증가한다.
  흡수된 질소를 제거하는 과정을 배출(off-gassing 또는 out-gassing)이라고 한다. 질소와 함께 흡수된 산소는 신진대사 작용에 쓰이기 때문에 인체의 조직에 흡수되지 않는다. 그러나 불활성 기체인 질소는 인체 내에서 어떠한 화학반응도 하지 않기 때문에 높은 압력하에서는 조직에 축적이 된다.
  산업잠수에서는 질소의 이러한 문제점을 피하기 위해 헬륨, 아르곤등과 같은 불활성 기체들이 사용된다. 이들은 흡수에 영향을 미치는 용해도(solubility)와 확산도(diffusibility)가 질소와 다르다. 예를 들어 헬륨은 질소보다 더 적게 용해되지만 확산은 빠르게 진행된다. 낮은 용해도는 흡수되는 총량을 감소시키기 때문에 장시간 잠수후의 감압시간을 단축시킬 수 있다. 그러나 큰 확산 도는 기체형성을 쉽게 하기 때문에 기포를 형성시키지 않도록 하기 위해 좀더 깊은 수심에서 감압을 실시해야 한다.
  고압하에서 질소가 흡수되는 양은 조직별로 각각 달라서 어떤 특정한 질소 흡수비율로 나타낼 수 없다. 그러나 감압 이론에서는 이들 조직에서 흡수되는 질소의 양(비율)을 수학적으로 얼마라고 숫자로 표기한다. 하지만 사람의 간이나 심장을 떼어 그 조직의 질소 흡수비율을 측정할 수 없기 때문에 실제로는 정확히 얼마라는 것을 알 수 없다. 이 수학적 표기는 다이브 테이블을 구성하는데 결정적인 역할을 하며 이를 Multi-tissue모델이라고 부른다.
(2) 질소장력(Nitrogen Tension)
  질소장력은 인체의 조직이 얼마나 많은 양의 질소를 흡수하였는가 하는 척도이다. 질소장력은 부피가 아닌 압력의 단위에 의해 측정되는데, 보통 해수의 깊이(FSWːFeet Sea Water)로 표시한다.
  다이빙을 하면 갑자기 주위의 압력이 높아진다. 그러나 인체의 각 조직들에서의 압력이 주위압력과 같은 압력이 되려면 어느 정도의 시간이 걸린다. 즉 시간이 경과하면 질소장력이 점점 증가하고 반대로 수면휴식을 오래하면 질소장력을 감소시킨다.
  만일 수심 10미터(33피트)에서 잠수를 하게 되면 공기의 79%가 질소이므로 33 FSW의 79%만 질소의 압력으로 작용한다. 수심이 깊어지면 질소의 비율이 증가하는 것이 아니고 부분압력이 증가한다는 사실은 달톤의 법칙에서 이미 배웠다. 이 변화하는 질소의 부분압력이 조직에 질소를 흡수하게 하는 구동력이 된다.
(3) 반감시간(Half-time)
  인체의 조직내에서 질소장력이 변화하는 데는 어느 정도의 시간이 필요하다. 이 필요한 시간(변화하는 소도)은 각 조직별로 서로 다른데, 조직의 장력은 각 조직이 흡수할 수 있는 능력(비율)에 따라 달라진다. 인체의 각 조직은 서로 다른 세포로 되어있어 서로 다른 혈액공급량을 가지고 있기 때문에 각 조직의 질소 흡수비율이 모두 다른 것이다. 감압 이론에서는 이들 각 조직의 서로 다른 흡수비율을 반감시간으로 표시한다.
  반감시간이란 질소가 포화된 상태의 50%가 되는데(half saturated) 걸리는 시간이다. 대부분의 감압이론에서는 역으로 질소가 50% 배출되는 데도 같은 시간이 걸린다고 가정한다. 이런 식으로 나머지 절반이 50%(총 75%) 포화되는 데도 같은 시간이 걸린다고 가정하고, 그 다음의 50%(총 87.5%) 포화되는 데도 같은 시간이 걸린다고 가정한다. 반감시간은 방사능 물질의 반감기 개념과 같다.
  이 개념을 보다 잘 이해하기 위해 반감시간이 60분인 조직을 예를 들면, 60분 조직은 60분 후에 전체 용량의 절반이 질소로 채워진다. 이 조직은 2번의 반감기(60+60=120) 즉 120분이 지난 다음에는 전체 용량의 75%에 질소가 채워지고, 3번의 반감기(60+60+60=180) 후에는 87.5%가 채워진다. 이런 방식으로 6번의 반감기가 지나면 98.4%가 채워지는데 다이빙 이론에서는 6번의 반감기 후에 전체 용량이 다 채워졌다고 가정한다. 참고로 할데인(Haldane)은 그의 모델에서 인체의 조직을 5, 10, 20, 40, 75분의 5개 조직으로 나누었고, 미해군에서는 5, 10, 20, 40, 80, 120분의 6개 조직으로 나누었다. 조직에 질소가 흡수되는 양은 수학에서 반감시간을 변수로 하는 지수함수로 그릴 수 있다.
(4) 느린 조직과 빠른 조직(Slow Tissue & Fast Tissue)
  느린 조직은 질소가 흡수되고 배출되는 시간이 길고, 빠른 조직은 그 반대이다. 즉 빠른 조직은 반감시간이 짧은데 일정 시간, 내에 질소를 더 많이 흡수하기 때문에 다이빙 직후에 느린 조직보다 더 높은 질소장력을 가지게 된다. 또한 빠른 조직은 빠르게 질소를 배출하기 때문에 안전감압정지로 질소의 장력을 크게 낮출 수 있다.
  그러나 느린 조직은 재잠수에 매우 중요한 역할을 한다. 수면휴식 후에 빠른 조직의 질소는 거의 배출되지만 느린조직에 있는 질소들은 충분한 시간이 경과하지 않았기 때문에 질소가 조직 내에 남아있게 된다.
  어떤 조직이 빠른 조직이 되고 어떤 조직은 느린 조직이 되는 이유는 조직의 질소 수용능력과 혈액공급량 때문이다. 지방질이 많은 조직은 그렇지 않은 조직보다 더 많은 질소를 수용할 수 있기 때문에 조직에 질소가 흡수되거나 방출시키는데 시간이 더 많이 걸린다. 그리고 혈액공급이 잘되는 허파와 복부의 각 기관들은 다른 조직들보다 질소를 더 빨리 흡수한다. 반대로 혈관이 적은 지방 조직, 뼈 조직, 연골 조직과 관절 조직 등은 느린 조직이다. 이 느린 조직들은 다이빙 후 기포생성에 기여하는 원료 저장탱크 역할을 한다.
(5) 포화 및 과포화(Saturation and Supersaturation)
  조직이 어떤 압력(수심)에서 흡수가능한 모든 양의 질소를 흡수하였을 때 그 조직은 그 수심에서 포화되었다고 한다. 다이빙 이론에서 어떤 조직이 100% 포화되거나 탈포화(desaturation)되려면 6번의 반감시간이 필요하다고 가정한다. 즉 10분 짜리 조직은 60분이 필요하다. 그러나 실제로는 탈포화 과정을 느리게 하는 많은 요인들이 있지만 이론적으로는 보통 포화와 같은 속도로 탈포화가 진행된다고 가정한다.
  미해군 테이블에서 사용되는 가장 긴 반감시간은 120분이다. 즉 다이빙후 모든 조직이 탈포화되는데 걸리는 시간은 12시간이다. 이것이 미해군에서 12시간 이내의 잠수를 재잠수로 정의하는 이유이다. 최근의 다이브 테이블이나 다이브 컴퓨터에서는 120분보다 더 긴 480분이나 720분 짜리 반감시간을 가진 조직을 모델로 사용하고 있다.
  다이빙을 오랫동안 하여 어떤 조직에서 질소가 포화된 상태로 상승을 하게 되면 인체내의 압력이 감소되고 이미 포화가 된 조직들의 장력을 더욱 높이게 된다. 그러나 포화상태의 장력을 초과하였다고 해서 기포가 금방 생기는 것은 아니다. 각 조직들은 기포가 생성되기 전까지 각기 다른 과포화량에 대해 견딜 수 있다. 이를 감압 이론에서는 과포화비(supersaturation ratio)로 표시하는데, 과포화비는 기포를 발생시키기 직전 상태의 조직의 질소장력과 주위압력과 비율을 말한다. 지금까지 밝혀진 바에 의하면 빠른 조직에서는 느린 조직보다 높은 과포화비에 대해 견딜 수 있는 것으로 밝혀졌다.
(6) M-값(M-value)
  M-갑이란 최대로(Maximum) 허용할 수 있는 조직의 압력을 뜻한다. 다이빙 이론에서는 어떤 특정한 과포화비를 초과하지 않으면 용해된 기체는 기포를 형성하지 않고 용해된 채로 인체에 남아있다고 가정한다.
  M-값의 단위는 FSW(Feet Sea Water)로 압력 단위이다. 특히 수면에서의 최대 허용압을 M0라고 표시하는데 감압을 하지 않고 수면으로 상승하기 위해서는 어떤 조직도 M0값을 초과해서는 안 된다. 높은 장력상태에 놓인 조직은 그 만큼 기포를 생성시키기 쉬운 상태라는 것을 의미한다. 그리고 감압정지란 조직내의 M-값이 M0값보다 낮아지도록 조직내의 기체를 배출시키는 것이다.

3. 할데인 이론과 미해군 모델(Haldane Thoery & U.S. Navy Model)
  1908년 영국의 생리학자 John Scott Haldane은 염소를 이용한 실험으로부터 주위 압력의 1/2에 해당하는 압력까지는 빠르게 상승을 하여도 기포가 형성되지 않는다는 이론을 발표하였다. 즉 주위의 압력이 4기압(30미터)에서 2기압(10미터)으로 별안간 낮아져도 문제가 없다는 이론이다.
  이런 가정에 기초를 하여 할데인은 인체의 조직을 5, 10, 20, 40, 75분의 반감시간을 갖는 5개의 조직으로 분류하고 이들 조직의 임계 과포화비를 전부 2:1로 제한하여 감압표를 만들었다. 할데인 모델은 불활성 기체의 흡수와 배출과정을 단지 혈액과 조직사이의 기체교환의 거시적인 관점에 기초한 것이다. 기본적으로 할데인 모델은 용해된 기체와 압력에 대해서만 고려를 하고 다른 기포형성 과정이나 기체들 간의 상호작용 등은 고려가 되지 않았다. 이러한 과정은 급작스러운 감압에서는 확실히 일어나지만 안정된 상태에서는 거의 일어나지 않는다. 최근 신체조직에는 작은 안정된 기체낭이 존재하여 감압을 하면 이것이 성장한다는 이론을 뒷받침하는 자료들이 발표되면서 할데인 이론을 약간은 경험적인 이론이라고 간주하고 있지만 여전히 유용하고 잘 들어맞는다.
  한편 미해군에서는 1937년 미해군 고유의 감압표를 만들기 전까지 할데인의 것을 사용하였다. 미해군 테이블과 할데인 테이블의 가장 큰 차이점은 각각의 조직에 대해 서로 다른 임계비율을 적용시킨다는 것이다. 그리고 감압의 관점에서 볼 때 산소는 신진대사 작용으로 소비되기 때문에 불활성 기체인 질소의 부분압만 중요하다고 여겨 총임계비율을 질소임계비율로 수정하였다. 즉 공기중 질소의 비율이 79%이므로 할데인 모델에서의 총임계비 2:1은 미해군 모델에서 질소임계비 1.58:1이 된다. 또한 미해군 테이블에서는 5, 10, 20, 40, 80, 120분의 반감시간을 가진 6개 조직을 사용한다.

4. 다른 다이브 테이블들(Other Dive Tables)
  미해군 테이블 외에도 영국의 BSAC(British Sub Aquatic Club) 테이블이나, 스위스 테이블 등은 할데인의 이론에 근거를 두고 있다. 반면 DSAT(Dive Science and Technology Coorperation)이나 캐나다의 DCIEM(Defence and Civil Institute of Environmental Medicine)등은 할데인 모델과는 약간 다른 개념을 사용하고 있다.
  영국해군의 테이블은 미해군 테이블보다 수중에 체류할 수 있는 시간을 더 짧게 하고 좀더 보수적인 임계비율을 사용한다. 그리고 수면휴식시간에 관계없이 모든 재잠수를 하나의 연속된 잠수로 간주한다. 1980년에는 영국해군의 생리학 실험실인 RNPL(Royal Navy Physiological Laboratory)에서 어느 정도의 수면휴식시간이 고려되어 수정된 감압표가 제시되었다.
  한편 스위스 쥬피히(Zurich)대학에서 개발된 스위스 이론은 근원을 할데인의 이론에 두고 있지만 조직의 반감시간을 2.65분에서 635분까지의 16개 조직으로 구분한다. 이 테이블은 영국이나 미국의 테이블과는 달리 M-값을 상수로 두지 않고 M-값이 대기의 압력에 따라 변한다고 가정하여 그 이론을 고도 다이빙에까지 확장하여 사용하고 있다. 이 이론은 현재 대부분의 다이브 컴퓨터에서 알고리즘으로 채택하고 있고 기술잠수에서도 많이 사용하고 있다.
  이와는 다르게 캐나다 테이블은 그 기원이 할데인 이론이 아니라고 할 수 있다. 할데인 이론에서는 인접한 조직에 관계없이 각 조직들이 주위 환경으로부터 독자적으로 질소를 흡수하고 배출된다고 가정하는데 반하여, DCIEM 이론에서는 연속된 일련의 조직들을 사용한다. 즉 첫 번째 조직만 주어 환경으로부터 질소를 흡수하거나 배출한다고 가정한다. 이 연속적인 조직의 개념은 할데인 테이블보다 더 보수적이라 할 수 있다.
  그리고 DSAT에서는 1987년 미해군에서 사용되는 60분짜리 조직만 사용하는 모델을 소개하였다. 이들의 논리는 상업이나 군사적 목적의 잠수에는 긴 반감시간을 갖는 조직의 사용이 타당하지만 스포츠 다이빙에서는 60분 조직만 사용해도 무리가 없다는 것이다. 이 테이블에서는 재그룹군의 숫자를 늘리고 미해군의 무감압한계 시간보다 낮은 갓을 채택하고 있다.
  이 외에도 Huggins는 미해군 다이버를 대상으로 만들어진 미해군 테이블을 스포츠 다이빙에 적용하는 부적절함을 지적하고, 미해군 테이블을 사용하여 다단계 잠수(Multi-Level Diving)의 이론을 적용시키는 위험성을 고려하여 No-Decompression 테이블을 제작하였다. 그리고 Spencer는 초음파 탐지기를 사용해서 미해군 테이블의 무감압한계를 더욱 줄인 테이블을 제작하였다.