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GF梯度系数
By MattiAnttila, Ph.D. 翻译颜开Eric
还记得你参加的第一个潜水课程里面关于冒气的苏打水瓶和过快上升的内容么？不论你对于减压理论的研究进展到了多深，这个苏打气泡分析都还是有效的。不过，是时候来介绍一些关于这个问题的更基础的知识了。就让我们先从历史开始。
减压理论是一个相对老的科学，在19世纪后期，法国生理学家 Paul Bert（1833-1886）发现了减压病以及减压停留和慢速上升的必要性。Bert也研究了氧气对于人体的影响，不过他更关注登山和热气球时产生的生理影响。他也把他的研究扩展到了高压环境中，之后发现了氧中毒。Bert得出结论：“高氧分压对于人体的影响是化学层面上的，而不是物理层面的”。然后他描述了CNS氧中毒的原因。当Bert研究空气和氮气的时候，他正确了确定了减压病DCS的成因：由血液和其他组织中（物理影响）的氮气气泡所导致。Bert最著名的书籍是“La Pressionbarometrique”，著于1878年，研究在低气压和高气压中的人体生理变化。
当Bert致力于减压理论的基础研究时，苏格兰生理学家John Scott Haldane（1860-1936）把减压理论用更科学的方法向前推进了一步。在1905年,Haldane接受皇家海军任命进行海军潜水行动的研究。他的研究重点是减压病和如何避免减压病。haldane进行了一些列的测试并研究在深度下的压缩气体的影响。他于1908年，在医学杂志上公布了测试结果，文章中也包括了他的潜水表格。
Haldane被认为是现代减压理论之父。在他的研究中，他得出了一个非常重要的结论：潜水员可以在10米的深度潜水无限长的时间，而不会得减压病。从这个结果中，他确定人体可以承受大概2:1的压力（在水面的压力是1ATA，10米处的压力是2ATA）。后来这个数值被Robert Workman重新定义到了1.58:1 。Workman是医学博士，在60年代为美国海军研究减压病。他系统的研究了美国海军所使用的，以哈登的研究结果为基础建立的减压模型。除了重新定义了组织压力比例以外，Workman发现这个比例还根据组织类型的不同而变化。（Tissue Compartment或TC）来表示在深度下的不同的“半饱和时间”，例如空气溶解的速度）
来自苏黎世的Albert A Bühlmann (1923-1994)博士将减压理论进一步的发展。在他漫长的研究生涯中，他把组织隔腔的数量扩展到了16个，成为了ZH-L16减压模型的基础。（ZH代表苏黎世，L表示线性 16表示16个隔腔。第一个ZH-L16表格发布于1990年。（早期发布的的table 3包括的隔腔比较少）
关于几个减压理论，全频带阻塞干扰也有个非常详细的文章：减压原理: ZH-L16
我们现在从基础开始：一个潜水员呼吸气瓶中的压缩空气并且下潜。空气包含有氮气，氮气作为一种惰性气体，会溶解到了潜水员的组织中。当潜水员开始上升时，环境压力下降，溶解的氮气开始从组织进入到血液中。并且到达肺部，最终随着每次呼气排出体外。这非常简单，对吧？
在休闲潜水中，进行的是免减压潜水，潜水员被告知要保持他水下时间不超过免减压极限（NDL）。免减压极限就写在潜水表格中，并且潜水员不能超过一定的上升速度。这些信息对于大多数潜水来说是适用的。但是当我们超过了免减压极限，开始了累加减压时间时会怎么样呢？
在我们潜水时，我们一直有一个隐藏着的上升上限（后边简称上限）。这个上限是一个我们可以上升到达而不得减压病（通常来说）的深度。上限是基于我们组织中溶解的惰性气体的数量来决定的。
图1表示了一个典型的包括了多个减压停留的减压潜水记录。在开始潜水前，你的“上限”是负的深度，即在水面以上。表示你的组织可以承受一定的超压梯度，随着时间的增加，潜水员在水下的时间增加，上限开始降低，并且开始限制了可以上升的深度。产生了减压的需求。实际上，一些减压软件在用户需要时会显示上限的深度数值。潜水电脑把上限作为最深的减压深度来显示。
图1:一个典型的减压潜水曲线，数字代表不同的阶段。实线为潜水深度。虚线表示上升上限。横轴表示时间，纵轴表示深度。
在上升时，潜水员上升的深度如果超过了上限会有得减压病的风险。当在上限深度以下的深度潜水时，潜水图里面的减压停留是很清晰的。越来越接近上限时，安全的边界就越小。不过上限深度并没有表示潜水员是在吸收气还是排出气。 Bühlmann一共使用了16个组织隔腔来模拟惰性气体在我们体内的溶解过程。这些隔腔要么吸收溶解的气体（吸气），要么排出溶解的气（排气）。上限深度显示了当前深度开始的压力改变。会导致隔腔排气过快，从而增加减压病的风险。
图2图示了这16个组织隔腔在图1潜水中的变化，当达到100%时，隔腔达到了它的饱和点，在上升阶段，组织隔腔可能处于过饱和状态（超过100%）减压的关键就是处在过饱和状态，但是又不能够过饱和太多以至于溶解的气体会从形成过多的气泡渗透到我们的组织和血液中。
图2：不同组织隔腔内的气体吸收和排出过程。隔腔内的气体压力用百分比表示。100%表示饱和，即隔腔内压力和环境压力一致。低于100%处于吸收状态，超过100%处于排出状态。左侧为吸收和排出速度快的组织，右侧为慢的组织。
如图所示，溶解的气体数量，或者说我们组织中溶解的特定惰性气体的分压，会在我们潜水过程中趋向于接近环境压力。并且压差（压力梯度）越大，气体溶解的速度越快。双向都是如此。这导致了一个明显的问题。为什么不直接上升？过饱和的极限是什么？他们是如何定义的？
回到历史: Robert Workman 引入了 M-值,代表一个假定的组织隔腔在不得减压病的前提下能承受的最大的（Maximum）惰性气体压力。像我们提到的，Haldane根据他的研究定义的M值是2，Workman改成了1.58（这个值是在2:1个ATA时，只考虑79%的惰性气体，主要是氮气，2*0.79=1.58）
Workman是使用深度（实为压力值AT）来代替压力的比例。因此随后他得到了深度的线性函数。M值的斜线被称作 M三角。ΔM (delta-M)，它表示了深度变化时M值的改变。
Bühlmann使用了和Workman一样的方法来表示M值，但是没有使用深度压力（相对压力），他使用的绝对压力。他会比深度大1个ATA，区别如图2所示。Workman的M值在Bühlmann的M值之上。
图3，不同的M值曲线比较。横轴表示环境压力，纵轴表示组织内压力。
图三显示了Workman和 Bühlmann的M值曲线的比较。更多的解释可以在第四部分找到。但是这里很容易找到他们最大的不同。Workman 的M值线比Bühlmann的M值线更陡。安全余量更小，并且允许的更多的过饱和度。
如果更进一步的解释，可以注意不同的组织隔腔M值也是不同的，并且每个组织隔腔都有2套M值。 M0值（深度压力，水面压力，读作M naught）和M value 压力比例（ΔM, “delta-M” ）Workman把他们的关系定义为：
这一系列的M值在图4中列出，然而她们关注的是同一个事情：组织隔腔所允许的最大的超压。但是应该知道，减压病并非完全遵循M值：虽然大多数减压病发生在超过M值的压力下，但是有一部分减压病是发生在M值以下的。
如图3所示，上升和减压在M值线和环境压力线之间进行。组织腔隔内的惰性气体压力要超过环境压力才能排出气体，另外一方面，出于安全考虑，我们也不希望我们过于靠近M值线。梯度系数就是用来定义保守度的。
梯度系数定义了在先导（活跃）的组织腔隔中惰性气体过饱和的程度。GF0% 表示没有达到超饱和，惰性气体的分压等于环境分压（注意：先导组织腔隔，Leading TC不一定必须是最快的组织腔隔）。GF100%表示减压过程中，先导组织腔隔是跟随Bühlmann的M值线，此时得减压病的几率要大大超过使用更低的GF值的几率。（有时候为了计算GF值可能使用数字方式比如0.00 1.00。但是含义和使用百分比方式是一样的）
一些潜水员不喜欢在整个上升过程中使用固定的保守度GF设定，所以他们想要在上升时改变这个安全的边界。于是出现了2个GF值“GF low”和“GF high”，LowGF值决定第一个减压停留，HighGF决定水面的值。通过这种方法，GF值在上升过程中是不断地改变的。如图4所示。GF Low和GF High形成了GF值线的端点和终点。在这个图中，减压是从潜水员组织腔隔中的惰性气体分压达到M值线和环境压力曲线之间距离的30%时开始，潜水员在那个深度停留，直到组织腔隔中的分压降到允许上升到下一个停留。两个GF值一般写成“GF Low-%/High-%”例如 GF30/80，其中30是GF Low,80是GF High。
Figure 4:One-tissue model of decompression. Graph starts from top right and goes leftdown, staying between the ambient pressure line and Gradient Factor (GF) line. GF line stays below the M-value line and forms the safety margin for thedecompression. Pure Bühlmann decompression would follow the M-value line (GF 100/100).
Figure 5: Silentbubbles are present in our tissues even when no DCS symptoms are present. It isimportant to know personal safety margin and individual susceptibility to DCS.
我们应该注意到：对于一个给定的潜水来说，不同的人可能有不同的安全边界。因此我们最好知道使用不同的GF值做计划时他们的实际区别，我们来看另外一个例子：
1.一个潜水员在50米停留20分钟。使用18/45的三混气作为主气。在6米使用纯氧做减压。下降速率是15米/分钟上升速度是10米/分钟。减压算法基于Bühlmann ZH-L16B，基于不同的GF值算出5个减压表。如下：
Table 1:Decompression tables for 50m (165ft) / 20min using different Gradient Factors
这个GF参数是对于不同类型的潜水常用的值。（例如：循环呼吸器，深潜/冷水,一些潜水软件的默认值） GF100/100就是原始的Bühlmann表格，在这里作为参考。（因为没有安全边界，所以不是很安全）。更小的GF Low值会产生更深的深度停留，实际上，一些潜水员使用10%的GF Low值产生了5个深度停留。深度停留，也被称作“pyle 停留”是在上升阶段用来降低微小气泡的一种方法。然而，在深度停留阶段，很多慢的组织还在继续吸收气体，因此整个的减压时间就会增加。（但是出于安全考虑，增加一些减压时间是值得的）。
英语原文：https://www.diverite.com/articles/gradient-factors/
以上图片全部来自原文Gradient Factors by MattiAnttila, Ph.D.