기사

다이브 컴퓨터의 이해
지은이: 세르지오 안젤리니 박사
번 역: 강영천 박사


다이빙 컴퓨터의 감압관련 알고리즘은 다이빙이 인체에 미치는 영향을 수학적 공식을 사용하여 모의 실험을 해보는(시뮬레이션) 것입니다. 인체 내의 조직(tissue)군을 나타내는 소위 컴파트멘트(Compartment) 이란 용어를 사용해서 질소의 축적과 배출의 모의실험을 하게 됩니다. 그래서 예를 들면 근육을 대표하는 구획, 뼈를 대표하는 구획 등으로 가지게 되는 것입니다.
질소가 흡수되는 속도를 나타내는 매게 변수인 반기(Half-time)[1]*으로 조직을 구분합니다. 마레스 알고리즘은 2.5, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 120 240 분의 반기를 분단위로 표현하여 10개의 조직을 응용합니다. 반기가 짧은 조직을 “빠른” 조직이라고 부르고 반기가 긴 조직을 “느린” 조직이라고 부릅니다.

*(Half-time을 반감기라고 부르는 것은 문제가 있습니다-반감기도 되지만 반가기도 되기 때문에 그냥 반기라고 부르고 우리가 그 용어에 익숙해질 필요가 있다고 봅니다)
각 조직은 또한 소위 M-치(값)(M-value)[2]라고 부르는 제 2의 매개 변수에 의해 구분됩니다. 이것은 주위압에 대해서 주어진 조직이 받아들일 수 있는 최대 압력 비율을 나타냅니다. 주위압에 비해 조직 내에 압력이 더 높아지는 것을 나타내는 용어가 과포화(Supersaturation)입니다.

핵심적인 내용을 말씀 드리자면, 컴퓨터는 시간-수심 프로필과 각 조직의 반기에 근거하여 각 조직 내에서의 질소의 축적과 배출을 추적하는 것입니다. 안전한 상승에 대한 관리 기준은 어떤 조직도 다이빙 중이나 다이빙을 마친 후 M-value를 초과하지 않는다는 것입니다.
각 조직 내 압력 혹은 장력의 변화는 “다이브 오가나이저”의 해당 스크린에 표시됩니다. 10개의 조직은 좌에서 우로 반기의 증가에 따라 가로(수평) 축으로 표시됩니다.

각 조직은 2개의 세로(수직) 막대로 나타납니다. 좌측 막대의 높이는 주어진 순간 계산된 순간적인 질소 양을 시간으로 표시합니다. 우측 막대의 높이는 현재 수심에서 분당 10미터의 속도로 상승한 이후 추정 치를 반영합니다.


조직의 질소흡수 막대그래프

상승 중에도 질소는 교환이 이루어지기 때문에 이것은 매우 중요한 사항이고 반드시 계산에 포함되어야 합니다(40미터에서 상승할 때 최소 4분이 소요되어야 하는데 이 시간은 가장 빠른 조직의 반기의 거의 두 배에 달하고 두 번째 빠른 조직의 거의 절반과 가깝기 때문에 이것은 아주 명백한 사실입니다.)

주어진 시간에 따른 조직의 상태에 의하여 왼쪽 막대가 오른쪽 막대보다 조금 높을 수도 있고 낮을 수도 있습니다. 만일 조직에 질소가 어느 정도 가득 차있고 상승 과정에서 압력이 줄어듦에 따라 기체를 배출하게 되면 왼쪽의 그래프가 더 높게 됩니다. 만일 조직에 질소가 아직 가득 차지 않아 비어있고 상승과정 동안 압력이 줄어드는 상황이 됨에도 불구하고 기체가 배출되기 보다는 축척 되는 상황에서는 왼쪽의 바가 오른쪽 바보다 낮아지게 됩니다. (물론 수면에 근접하게 되면 모든 조직은 기체를 배출합니다.)

우측의 느린 조직에서는 긴 반감기 때문에 상승중의 차이가 극히 작으며 해당하는 조직의 2개의 바는 동일한 높이를 갖게 됨을 유의하십시오.

우리는 각각의 조직에 대한 M-value를 100이 되게끔 수직축을 표준화한 후 M값 100과 130에 수평선을 그렸습니다. 만일 어던 우측의 막대라도 다이빙 중에 100을 넘게 되면, 의무적인 감압을 해야만 한다는 것을 의미합니다. 그래프를 보다 쉽게 이해할 수 있게 막대의 색상을 파란색에서 빨간색으로 바뀌게 됩니다. 마찬가지로 어떤 우측의 막대도 130의 선을 넘게 되면 6m 수심에서의 의무적인 감압을 해야만 하는 것을 의미합니다. 왜냐하면 3m 수심에 바로 올라가기에는 최대 과포화 한계치를 넘겼기 때문입니다. 6m에서의 정지가 반드시 6m에 머물러야 한다기 보다는 3m의 얕은 수심에 바로 올라갈 수는 없다고 생각하시면 됩니다. 따라서 3m 단위로 나누는 것은 체내로 녹아 든 질소의 양이 3m 수심의 주위압에 버틸 수 없을 경우에는 6m 수심에서 반드시 정지하여 3m 수심의 주위압에 버틸 수 있을 때까지 기체를 배출해야 하는 것을 의미합니다. 이러한 추론은 9m 수심으로 확대할 수 있으며 그 이상도 가능합니다. 하지만 여기에서는 그래프의 지나치게 복잡해 지는 것을 막기 위하여 두 가지 경우로만 제한합니다.

M값은 각 조직마다 다르며 (빠른 조직은 느린 조직보다 더 많은 과포화를 지탱할 수 있음), 첫 다이빙을 시작 시 질소의 부분압은 0.79atm이므로 (대기압에서의 호흡기체의 질소포화도), 첫 다이빙의 시작 시 왼쪽의 조직은 오른쪽의 조직보다 낮게 됩니다. (바의 높이는 M값을 기준으로 100분위로 나누었음) 우리가 사용하는 첫 다이빙(first dive)이란 단어는 반복다이빙이 아님을 말하며 따라서 이전 다이빙에서 지표면으로 계산 시 잔류 질소가 없음을 의미합니다. 즉 반복다이빙으로 간주하는 모든 것은 단지 이전 다이빙과 수면휴식에 따른 체내 잔류 질소량을 계산함으로써 다이빙 시작 시 모든 조직의 체내 질소의 부분압(ppN₂)이 0.79atm이 아닌 것을 의미합니다. 어쨌든 그림으로 설명하듯이 반복다이빙은 좀 더 보수적이어야 함을 이해해야 합니다. 만일 이전 다이빙에 의하여 질소가 남아 있다면 각각의 바들은 다이빙 시작 시 100선에 더 근접하게 되며 더 짧은 다이빙 시간에 그 바는 한계치를 넘게 됩니다.

또한 각 조직에 해당하는 그래프는 작은 수평 세그먼트(“-“로 표시됨)를 나타내며 각 조직의 왼쪽 바에 포개집니다. 수직축을 따라서 변화하는 이 세그먼트의 위치는 호흡기체 내 질소의 부분압을 나타냅니다. 다이빙 중에 수심의 변화에 따라 이 세그먼트는 올라가거나 내려가게 됩니다. 호흡기체 교환 시에는 (일반 공기에서 나이트록스 50%로 바꾸듯이) 이 세그먼트의 위치가 갑자기 점프하게 됩니다.

수직축을 따라 움직이는 이 세그먼트의 위치는 동적인 조직의 상태를 이해하는 데 중요합니다. 예를 들어 세그먼트와 바의 윗부분과의 차이가 조직 내 질소의 부분압과 호흡기체의 질소의 부분압(바꿔 말하면, 교환기체에 의해 움직이는 압력)의 차이를 나타내기 때문입니다. 소위 압력 편차(pressure gradient)를 말하는 것입니다. 만일 이 두 개가 서로 많은 차이가 난다면 아주 강한 기체의 축척이나 기체의 배출이 (반감기의 한계 내에서) 있게 됩니다. 만일 이 두 개가 서로 가깝다면 조직은 거의 균형을 이루고 있음을 말합니다. 그래프를 좀 더 쉽게 설명한다면, 세그먼트가 바보다 높을 때는 조직이 기체를 흡수하며 (호흡기체의 부분압이 조직의 부분압보다 높다면) 바 자체의 색상은 노란색입니다. 만일 세그먼트가 바 내부에 있다면 조직은 기체를 배출하며 (호흡기체의 부분압이 조직의 부분압보다 낮다면) 바 색상은 녹색입니다.


•기본적인 다이빙에 대한 설명
위에서 언급한 여러 상황을 설명하기 위하여 개인적으로 가장 간단한 프로파일인 30m 수심에서 30분의 다이빙을 한다고 가정합니다. 이 프로파일은 그림1에서 나타나며, 여기에서 다이빙을 막 시작한 순간의 조직에 대한 압력을 볼 수 있습니다. 낮은 수평라인이 M값을 나타내며, 각 바의 높이가 M값을 참조하여 그려집니다. 조직의 반감기가 길수록 M값은 작아지므로 바들의 높이는 좌측에서 우측으로 갈수록 높아지게 됩니다. 호흡기체의 부분압을 표시하는 작은 세그먼트가 각 바의 윗부분(대기압에 포화되어 있는)에 일렬로 있는 것을 확인하십시오. 나이트록스 다이빙의 경우에는 이 세그먼트가 바 내부에 있게 됩니다. 수면에서는 나이트록스 기체가 처음에는 질소의 배출을 유도하게 됨을 의미합니다.


그림1. 다이빙 시작

그림2에서 하강 이후의 상황을 볼 수 있습니다. 1분 30초 동안 하강에 따라 질소가 흡수되므로 바들의 높이가 약간 상승하게 됩니다. 또한 호흡기체 내의 질소의 압력을 나타내는 세그먼트들이 위쪽으로 올라가면서 각각의 세그먼트와 각 바의 윗부분과의 거리와 비례한 속도로 기체가 조직에 힘을 가하는 것을 보여줍니다.


그림2. 하강 종료

일정한 수심을 유지하면 조직에서 기체가 배출되는 속도는 줄어들게 됩니다. 호흡기체와 조직의 장력과의 압력 차이가 줄어들기 때문입니다. 호흡기체의 질소의 압력을 의미하는 세그먼트는 움직이지 않지만(수심이 일정하기 때문에), 반면 조직은 질소를 흡수하므로 바의 높이가 높아지며, 바와 세그먼트는 서로 가까워지게 됩니다. 만일 일정한 수심에서 충분히 오래 머물게 되면 조직은 세그먼트[3]에 닿게 되며 더 이상 기체의 이동이 없게 됩니다. 이때 조직은 포화되었다고 말합니다. 뒤에 나오는 그림5에서 우리는 30m 수심에서 30분간 다이빙한 이후 모습을 보게 됩니다. 실제로 2.5와 5분 조직은 포화되었으며, 반면 반감기가 긴 느린 조직일수록 압력평형과는 더 넓은 간극을 보이고 있습니다.

그림3에서 무감압 한계시간이 끝나기 직전인 17분이 경과된 상황을 볼 수 있습니다. 우리는 빠른 조직은 실질적으로 포화된(세그먼트와 바의 윗부분이 서로 일치하는) 것을 볼 수 있습니다. 하지만 아주 느린 조직은 바가 아주 조금 올라가 있습니다. 이 순간에 가장 주의할 사실은 세 번째 세그먼트의 우측 바가 수평라인에 거의 맞닿아 있다는 점입니다. 사실상 그림4에서 보듯이 바로 다음단계에서 이 한계선을 넘게 됩니다.


그림3. 무감압 시간의 종료

그림4에서는 세 번째 조직이 수평라인의 한계에 도착하여 있습니다. 앞에서 설명하였듯이, 이 상황에서 분당 10m의 속도로 올라오게 되면 이 조직은 안전한 상승 기준치를 위반하게 되며 따라서 의무적인 감압을 시작하여야 합니다. 보다 쉽게 그래프를 이해하기 위하여 바 자체의 색상이 파란색에서 빨간색으로 바뀝니다. 또한 흥미로운 점은 두 번째 조직의 좌측 바 또한 한계치를 넘게 됩니다. 하지만 이 조직은 정상적인 상승 중 충분히 기체를 배출하므로 안전한 상승 기준을 위반하지 않는 다는 점입니다.


그림4. 감압 다이빙 시작

이제 30m 수심에서의 다이빙 종료 시점을 보겠습니다. 그림5에서 보면 총 5개의 세그먼트에서 안전한 상승 기준을 위반하게 됩니다. 신기하게도 4atm의 흡입압력에 포화된 앞의 두 조직은 상승 중 충분한 기체를 배출하게 됨으로, 안전한 상승 기준을 위반하지 않습니다. 즉 30m 수심까지의 다이빙에서는 앞의 두 조직은 결코 한계치를 넘지 않게 됩니다. 만일 우리가 1m쯤 상승하게 되면 그림6처럼 앞의 두 조직은 즉시 기체 배출로 전환되며, 30m에 포화된 이후 작은 압력의 감소로도 바의 윗부분 바로 아래에 세그먼트가 위치하게 됨을 이해할 수 있습니다.


그림5. 30m 수심에 정지 시 조직의 상태


그림6. 상승 시작 직후의 조직의 상태


이제 딥스톱 수심으로 상승합니다. 그림 7에서 4개의 조직들이 상당한 압력 차이에 의하여 기체를 배출하는 (수평 세그먼트와 바의 윗부분의 차이가 상당히 나고 있는) 모습을 보게 됩니다. 다섯 번째 바는 계속 기체를 흡수하고 있지만 압력 차이는 많이 축소되어 있습니다. 단지 여섯 번째 조직만이 계속하여 기체를 눈에 띄게 흡수하고 있습니다. 따라서 2분간의 딥스톱에 따라 40분 조직의 장력이 뚜렷한 영향을 받습니다. 하지만 2분이란 시간은 반감기가 빠른 조직(상대적으로 민감한 조직)들에게는 주위 압력이 상대적으로 높으므로 기체를 잘 배출하게 되며 마이크로 버블(미세기포)가 커지지 않도록 관리합니다. 따라서 이 프로파일에서 전적으로 이론적인 관점에서 볼 때 상승 중의 딥스톱이 어떠한 장점이 있는지를 알 수 있습니다.


그림7. 딥스톱 동안의 조직의 상태


이제 감압정지를 합니다. 그림8에서 보면 가장 느린 조직은 아직 기체를 흡수하고 있지만, 아직 5개의 조직은 상승 기준을 초과하고 있음을 알 수 있습니다. 하지만 압력 편차에 따라 조직 내 질소를 배출하고 있게 됩니다.


그림8. 감압정지 시작시의 조직 장력


그림9에서 강제적인 감압정지가 끝난 상태를 보게 됩니다. 모든 파란색 바들이 한계선 밑에 위치합니다. 하지만 겨우 안전한 상승이 가능한 수준입니다. 바로 이 때문에 3~5m 수심에서 항상 안전정지(safety stop)을 권유하는 것입니다.


그림9. 감압정지를 마친 후


다음 그림은 실제 다이빙하는 동안 호흡기체를 교체하는 것을 보여줍니다. 특히 기체 교환 전•후의 조직 내 포화상태를 비교할 수 있습니다. 산소(O₂)의 농도가 높은 혼합기체를 이용하면 어떤 장점들이 있는지를 확실히 알 수 있습니다. 흡입기체의 질소의 부분압이 뚜렷이 떨어지게 되면, 단지 기체를 흡수하면 2개 이상의 조직이 기체를 배출하게 될 뿐만 아니라 이미 기체를 배출하고 있던 조직들에서도 기체의 압력편차가 눈에 띄게 커지게 됩니다. 따라서 앞의 그림에서의 딥스톱은 이론적으로 이해할 수 있었다면, 호흡기체 교환 시에는 기체교환 즉시 정지하는 것이 더욱 효과적인 것을 알 수 있습니다.


그림10. 기체 교환 직전의 조직 상태

이러한 다이빙에서도 6m 수심의 강제 정지가 필요합니다. 그림에서 보듯이 수평선(130선) 위로 우측의 바들이 올라가 있습니다.


그림11. 기제 교환 직후의 조직 상태


앞에서 3~5분의 안전정지에 대하여 언급했습니다. 이제 강제적인 감압정지 이후의 3m 수심에서 머무는 것의 장점을 이야기하겠습니다. 아래에 두 개의 그림, 12와 13이 감압정지 이후 3m 수심에서 5분과 19분이 지난 모습을 보여주고 있습니다. 조직의 포화도를 나타내는 바들은 점점 더 가장 낮은 수평선보다 낮아지며, 더욱 안전한 다이빙을 하게 됩니다. 하지만 기체 배출 속도는 기체가 방출되는 만큼 줄어들어 안전정지를 시작할 때의 가장 많은 효과는 시간이 지날수록 줄어들게 됩니다. 기본적으로 안전정지의 목적은 최소 필요 조건(M값)의 아래로 조직의 장력을 떨어뜨리는 것이며, 3~5m 사이의 수심에서 3~5분간 정지하는 것이 가장 효과적입니다.


그림12. 강제적인 감압정지 후의 조직 상태


그림13. 강제적인 감압정지 후 3m 수심에서 5분간 정지 후의 조직 상태


[1] 이 시간 동안 조직에서 질소의 양이 처음 상태에서 반이 줄어들기 때문에 반(감)기라는 이름이 나왔습니다. 두번의 반기 동안조직은 그 차이를 75%로 줄이고(남은 반의 반이 두번째 반기 동안 줄어들고) 세번의 반기 후에는 87.5%, 4번 반기 후에는 93.75%, 5번의 반기 후에는 96.875% 그리고 여섯번의 반기가 지나면 98.44%로 줄어든다.

[2] 마레스 RGBM 알고리즘은, M-치가 역동적이고 다이빙 프로필에 맞추어 계산한다.

[3] 압력평형은 수학적으로 점근적으로 이루어 집니다. 즉 영원히 완벽한 100%를 충족시키지는 못합니다. 하지만 실질적으로 여섯 번의 반감기가 지나면 압력평형이 이루어졌다고 간주합니다.