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ダイブコンピュータに搭載されている減圧理論について調べてみました
ダイブコンピュータはレクリエーショナルスキューバダイビングをする際、必須の物になっています。ダイブコンピュータを選ぶ基準はいろいろあるんですが、演算方法もいろいろあるんですよね。ぼくは以前マイクロバブルができにくく配慮した演算方法が搭載されたダイブコンピュータを使っていたんですが、じつはその演算方法がどんなものなのかは理解していませんでした。今回は自分の勉強のために、ダイブコンピュータがどんな理論に基づいて演算をしているのかを、ChatGPTくんに尋ねた結果をまとめてみました。
もしこれを読んでくださっているあなたが、自分のダイブコンピュータがどんな理論で演算しているのか、特徴はどんなところにあるのか把握した上で、ダイビングをされるとより安全なダイビングができるのではないかと思ったりします。
まず、減圧理論の基本と概要をまとめてあるサイトをいくつか紹介します。
●JCUE
次にどんな演算方法があるかですが、現在市販されているダイブコンピュータに使われている理論は、少なくとも以下のタイプがあるようです。もっとあるかもしれません。
VPM-B
ZHL-16C
RGBM
VGM
VVAL-18M
DSAT
DCIEM
それぞれにChatGPTくんの回答を列記します。一部数式などは省略しました。
【VPM-B】
●可変透過性モデル（VPM：Varying Permeability Model、または Variable Permeability Model）は、特定の呼吸ガスを使用する潜水プロファイルにおいて、減圧の計算に用いられるアルゴリズムです。 このモデルは、D.E. Yount らによって、職業的およびレクリエーションダイビング用に開発されました。圧力にさらされた無生物および生体内システムにおける気泡の発生と成長の実験観察をモデル化するために考案され、1986年にはハワイ大学の研究者によって、減圧テーブルの計算にも適用されました。
このアルゴリズムにはいくつかのバリエーションがあり、モバイルやデスクトップ用の潜水計画ソフトウェア、ならびにダイブコンピュータに採用されています。
●理論的基盤
VPMでは、水や水分を含む組織内には常に微細な気泡核（バブルの元）が存在すると仮定しています。そして、潜水中の最大深度（曝露圧）に関連する「臨界サイズ」を超える核は、浮上の際の減圧中に成長します。VPMの目的は、これら成長する気泡の総体積を最小限に抑えることにあり、そのために減圧中の外部圧力を十分に高く保ち、吸入する不活性ガスの分圧を比較的低くするよう調整します。
このモデルは以下の仮定に基づいています：
体内には様々なサイズの気泡核が存在する。
大きい気泡は小さいものよりも成長を始めるために必要な圧力低下が少ない。
そして大きな気泡の数は小さなものより少ない。
これらの仮定により、潜水中に問題を引き起こす前に大きな成長中の気泡を除去するよう設計された減圧スケジュールを提供するアルゴリズムが構築できます。
「可変透過性（Varying Permeability）」とは、気泡を取り囲む分子の層の透過性が状況により変化し、それが気泡内と周囲の間のガス拡散や、圧力変化に対する気泡の圧縮性に影響することを指します。
【ZHL-16C】
●ZHL-16Cは、ダイビングの減圧計算で使用される、アルバート・ビュールマン博士によって開発されたアルゴリズムの一種です。具体的には、ビュールマン博士が1956年から研究を進めた「グラディエント・ファクター」に基づいており、ダイブコンピューターで減圧症のリスクを評価する際に用いられます。
●詳細:
グラディエント・ファクター:
ZHL-16Cは、体内に吸収された窒素が減圧によってどのように排出されるかを予測するモデルです。このモデルでは、窒素の排出速度は、水深や潜水時間、そして体内の窒素濃度分布に依存すると考えられています。
●減圧計算:
ZHL-16Cは、ダイビング中に体内に吸収された窒素の排出状況を予測し、減圧停止を決定する際に重要な役割を果たします。
●ダイブコンピューター:
ZHL-16Cは、ダイブコンピューターに組み込まれており、ダイビング中にリアルタイムで減圧症のリスクを評価し、安全な浮上をサポートします。
●保守性:
ZHL-16Cは、減圧症のリスクを考慮して、安全マージンを設けられています。つまり、減圧停止時間が長めに設定されたり、潜水時間が短く制限されたりする場合があります。
ZHL-16Cは、ダイビングにおける減圧症の予防に重要な役割を果たしているアルゴリズムと言えるでしょう。
ZHL-16Cは、ダイビングで使用する減圧モデルのひとつで、特に減圧計（ダイブコンピューター）や減圧表に組み込まれている減圧理論モデルです。
正式には Bühlmann ZH-L16C と呼ばれ、スイスの医師 Dr. Albert A. Bühlmann が開発した減圧アルゴリズムの改良版のひとつです。
ZH → Zürich (チューリッヒ大学)
L → "Limit"（限界）
16 → 16の仮想組織コンパートメントを使用
C → バージョンC（A→B→Cと進化した3つ目）
●基本の考え方：減圧理論の基礎
ダイバーが水中に潜ると、呼吸ガスに含まれる窒素（N₂）が体の組織に溶け込んでいきます。浮上時に急激に圧力が下がると、溶けていた窒素が気泡となってしまい、これが**減圧症（DCS）**の原因になります。
このため、浮上速度や減圧停止を適切に設定する必要があり、その指標となるのが減圧モデルです。
●ZHL-16Cの特徴と理論的な根拠
16の組織コンパートメント
人間の体を**窒素の吸収・排出速度の異なる16の仮想組織（コンパートメント）**に分けて考えます。
例えば：
1番：血液・脳など早い組織（ハーフタイム 4分）
16番：脂肪組織など遅い組織（ハーフタイム 635分）
●ハーフタイム（T₁/₂）
それぞれの組織で、吸収・排出する窒素量が半分になるのにかかる時間。
→ これにより、組織ごとに異なる窒素分圧の変化を計算。
●M値（M-value）
そのコンパートメントが耐えられる最大の許容窒素圧（＝減圧限界）
→ 組織ごとに設定されたM値を超えないように浮上・減圧停止を計画。
●ZHL-16A・B・Cの違いは？
バージョン 特徴 用途例
ZHL-16A 初期版。保守的 医療・研究目的
ZHL-16B より現実的なM値を設定 スポーツ・レクリエーショナル
ZHL-16C 安全マージンを改善し現代的な運用に適合 最新のダイブコンピューター搭載
●なぜZHL-16Cが多く採用されるのか？
・多様なダイブプロファイルに対応できる
・実績・データが豊富で信頼性が高い
・ダイブコンピューターでリアルタイム計算が可能
・Gradient Factor（安全係数のカスタマイズ）との相性も良い
【RGBM】
RGBM（Reduced Gradient Bubble Model）は、アメリカの物理学者Dr. Bruce Wienkeが開発した減圧モデル。
Bühlmann（ZHL）などの古典モデルが「溶解ガス理論」に基づくのに対し、RGBMはそれに「気泡動力学」を組み合わせたハイブリッドモデル**。
つまり：
体内に溶け込んだ窒素の挙動と
減圧中に発生する気泡のサイズと数、成長・縮小の過程
の両方を数値モデル化して浮上計画を立てます。
●理論的な根拠と基本構造
・ RGBMの基本前提
すべてのダイビングでマイクロバブル（微細な気泡）は発生する減圧症（DCS）は、溶解ガスの過飽和＋気泡の成長によって引き起こされる
よって、減圧モデルには溶解ガス動態＋気泡動態の両方を組み込むべき
●気泡動力学の理論
・ マイクロバブルの考え方
ダイビング中、体内に微小なガスの核（bubble seeds）が常に存在し、浮上・減圧中にこれらが成長・崩壊・再吸収する。
RGBMは、この核の成長を抑えつつ浮上するプロファイルを計算することで、DCSリスクを軽減。
●RGBMの数理モデルの仕組み
以下の要素を組み合わせて減圧計算を行います。
要素 内容
ガス溶解方程式 ZHLなどと同様の組織コンパートメントを使用し、溶解ガス量を計算
気泡拡散方程式 気泡内外のガス分圧差による気泡の膨張・収縮をモデル化
再膨張制限 気泡が再膨張しないよう、浮上速度や減圧停止を厳しく設定
連続潜水・反復潜水の累積効果 体内の未排出マイクロバブルの残存を考慮
●ZHLとの違い
項目 ZHL (Bühlmann) RGBM
基本理論 溶解ガス理論のみ 溶解ガス理論＋気泡動力学
減圧計算 コンパートメントの過飽和限界（M値）のみ マイクロバブルの成長・収縮も考慮
浮上・減圧停止の特徴 シンプルで自由度高い 浮上速度制限が厳しく、追加の減圧停止が入ることも
反復潜水の管理 溶存ガスの残留量のみ マイクロバブルの残存も考慮
●RGBMのメリット・デメリット
・ メリット
マイクロバブルを抑制し、DCSリスクを低減
特に反復潜水・ディープダイブ・減圧潜水で効果的
実績豊富で、多くのダイブコンピューターに搭載
・ デメリット
浮上速度や減圧停止が保守的になりがち（ZHLより停止が多いことも）
理論が複雑で、ダイブテーブル化が難しい（ダイブコンピューター向き）
【VGM】
●基本構造
VGMは基本的にはZHL（Bühlmann）ベースの減圧モデルを元にしていますが、そこにダイビング中の条件に応じてM値（限界圧力差）をリアルタイムに動かす補正関数を加えます。
●背景理論
人間の体は静的な環境ではない
→ 同じ深度・同じ時間でも、前回の潜水履歴・ダイバーの状態・浮上速度によってDCSリスクは異なる。
従来の固定M値では現実の潜水条件を十分にカバーできない
→ より現実的な動的管理が求められる。
Gradient Factorの発展型
→ Gradient Factor (GF)は、あらかじめ設定された高圧時と低圧時のM値割合を制御するのに対し、
VGMはその設定すらダイブプロファイルに応じてダイブ中に変化させる。
●VGMの特徴と効果
特徴 内容
動的M値 ダイブプロファイルに応じてM値を常に変動
より現実的な減圧計画が可能 実際の潜水状況・履歴・浮上速度などの影響を直接減圧停止に反映
反復潜水・ディープ潜水に強い 前回のダイブ履歴からM値を調整し、DCSリスクの蓄積を適切に管理
従来モデルより安全マージンを確保 特に浮上速度超過・急浮上後などのリスク状況でも自動で停止を追加調整
●VGM搭載の実例
最近のハイエンドダイブコンピューターにVGM系統のアルゴリズムを採用する例が増えており、特に
Shearwater
Ratio
Scubaproの新型
などで動的減圧モデルの採用例が報告されています。
正式に「VGM」と銘打たれてないこともありますが、実質この機構を取り入れてるモデルも多いです。
●まとめ
・VGMは従来のZHLの「固定M値」の欠点を克服し、ダイブ中の状況や履歴に応じてM値を可変化させる減圧モデル
・特に反復潜水やディープダイブ、緊急浮上時の安全性向上に寄与
・数値モデルはZHL＋動的補正式で実装し、最新ダイブコンピューターで採用例増加中
【VVAL-18M】
VVAL-18Mの理論的背景
1. Exponential–Linear（指数–線形）モデル
VVAL-18Mは、従来のホールデンモデル（Haldane Model）を基にしつつ、ガスの吸収（インガス）と放出（アウトガス）の速度を異なる関数で表現しています。具体的には、組織へのガスの吸収は指数関数的に、放出は線形関数的にモデル化されています。このアプローチにより、特に減圧時のガス放出が遅くなる深度域でのリスクをより正確に評価できます。
2.多組織コンパートメントモデル
VVAL-18Mは、異なる半飽和時間を持つ複数の組織コンパートメントを使用して、体内のガス挙動をシミュレートします。これにより、短時間でガスを吸収・放出する組織から、長時間かけてガスを処理する組織まで、幅広い生理的反応をカバーしています。
3.M値（Maximum Allowable Tissue Tension）
各組織コンパートメントには、許容される最大のガス分圧（M値）が設定されています。減圧中にこのM値を超えないようにすることで、気泡の形成を防ぎ、減圧症のリスクを低減します。
実用化と検証
VVAL-18Mは、米海軍のダイビングマニュアル（Revision 6および7）に基づく減圧テーブルの作成に使用されています。また、閉回路リブリーザー（CCR）や混合ガス潜水など、特定の潜水環境においても適用されています。このアルゴリズムは、実際の潜水データや実験結果を基に検証されており、減圧症の発症率を3.5%未満に抑えることが期待されています 。
他の減圧モデルとの比較
VVAL-18Mは、ビュールマンモデル（ZHL-16）などの他の減圧モデルと比較して、特に深度のある潜水や長時間の潜水において、より保守的な減圧プロファイルを提供する傾向があります。これは、減圧症のリスクをさらに低減するための設計によるものです。
まとめ
VVAL-18Mは、指数–線形モデル、多組織コンパートメント、M値の概念を組み合わせた高度な減圧理論であり、特に高リスクの潜水環境において、安全かつ効率的な減圧を実現するために設計されています。その理論的根拠と実用性から、米海軍をはじめとする多くのプロフェッショナルダイバーに採用されています。
【DSAT】
●DSATの理論的な根拠
1.ビュールマンZHL-16の応用と調整
DSATモデルのベースはスイスのハンス・ビュールマン博士が開発した**ZHL-16（16コンパートメントの多組織コンパートメントモデル）です。
体内の異なる組織を半飽和時間の違いによる16種類の「コンパートメント」**に分け、それぞれのガス吸収と排出を指数関数で表します。
2.レクリエーションダイビング向けの安全係数
レクリエーショナルダイビングでは、テクニカルダイビングや軍用と違い意図的な減圧停止を行わず、水面への直接浮上を原則とするため、
ビュールマンモデルに比べてさらに**保守的なM値（最大許容組織内不活性ガス圧）**が設定されています。
特に浮上速度や「ノーストップタイム（無減圧潜水時間）」に対して厳しい制限を設け、
万が一浮上速度が速くなっても気泡の形成リスクを抑えるように設計されているのが特徴です。
3.指数関数モデルとM値設定
減圧理論の基本である、
**「組織のガス吸収・排出＝指数関数的に進行する」**という考え方に基づき、
それぞれの組織に対し、浮上時に許容できる最大組織内ガス分圧（M値）を定め、
減圧症のリスクを数値的に管理します。
DSATでは、ZHL-16のM値を基にして、レクリエーション用としてより低いM値を設定し、短時間での水面浮上に耐えうるように調整。
4.大量の実潜データと統計解析
開発時にPADI DSATリサーチチームは、数千ダイブ分の実潜データを取得し、
統計学的に減圧症発症率との相関を解析。
その結果、無減圧潜水の限界時間や安全停止ルール（3分 at 5m）などが確立されました。
●まとめ
DSATモデルは
・ビュールマンモデルをベースに
・レクリエーションダイビング向けに安全側へ調整し
・実潜データと統計解析で安全性を検証した減圧理論
といえます。
特に「意図しない減圧停止」を前提としないダイビングのために設計されており、浮上速度や安全停止のルールもこのモデルに基づいています。
【DCIEM】
●DCIEMの理論的な根拠
1.溶解ガス理論（Haldaneanモデル）
やはり基本はここ。
複数の仮想組織コンパートメント（通常8～10個）にガスの吸収と排出を計算する溶解ガスモデル。
ハーフタイムは5分～750分と幅広く、急速・中速・遅い組織の挙動をシミュレーション。
2.実験データに基づく発症確率モデル
DCIEMの革新的な部分。
実験潜水で得たDCS発症データと気泡発生データを用いて、以下の条件ごとにDCS発症リスクを統計的に解析。
ダイブ深度
潜水時間
浮上速度
減圧停止時間と深度
気泡の超音波検出データ
これにより、
許容される組織過飽和圧（M値）
必要な減圧停止プロファイル
を単なる理論値でなく実験でDCSが起きなかった安全域で設定。
3.気泡動力学的影響の統計的考慮
RGBMのように個別気泡の成長計算はしないが、
実験時の気泡検出データ（Doppler超音波）を統計的に解析し、DCS発症と相関する条件を特定
この結果を基に
気泡発生が多かったプロファイル → 保守的に設定
気泡発生が少なく、発症例もなかったプロファイル → 安全域とする
という統計ベースの気泡リスク管理を行う。
●DCIEMの特徴まとめ
項目 内容
コンパートメント数 8～10
気泡動力学の考慮 超音波気泡データの統計的解析による間接的考慮
減圧停止 実験データから安全停止パターンを設定
無減圧潜水限界の設定（NDL） 実験データに基づく保守的設定
減圧症発症率の基準 実験潜水の発症率・気泡検出状況で統計的安全域を決定
●採用実績と用途
・カナダ海軍ダイブテーブル
・商業ダイビング会社（SAT・長時間減圧）
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