半闭式潜水呼吸器的医学安全探讨范文

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摘要：目的从潜水医学角度分析半闭式潜水呼吸器的潜在安全风险，为合理使用提供参考。方法根据吸入气氧分压公式，针对某型半闭式呼吸器，计算不同工作负荷不同深度条件下的吸入气氧分压。结果最大工作深度40m，耗氧量低于0.5L/min时，氧分压大于1.4ata，存在氧中毒的风险；工作深度5m，耗氧量大于2.5L/min，吸入气氧分压低于0.18ata，存在缺氧风险。结论半闭式潜水呼吸器有一定的优势，但由于其工作原理，存在的医学安全风险无法完全避免。本研究显示配置呼吸气体氧分压监测传感器将风险大幅降低，并且对于不能预先计划的潜水过程，不建议采用半闭式潜水呼吸器。

关键词：半闭式呼吸器；安全分析；氧分压；氧中毒；缺氧；减压

潜水呼吸器是保证潜水员水下安全呼吸的必须装备，按照供气方式的不同，潜水呼吸器可分为开放式潜水呼吸器和循环式潜水呼吸器。其中，半闭式潜水呼吸器是循环式呼吸器的一种，通常采用定质量流量的供气方式。与开放式系统相比，半闭式潜水呼吸器节约了气体，提供了更长的水下工作时间。定质量流量氮氧半闭式潜水呼吸器的基本工作原理是预先配好的一定氧浓度的混合气（新鲜气体）以预先设定的流量供给呼吸袋。新鲜气体与呼吸袋内的气体混合后，供潜水员呼吸，潜水员呼出的气体经过吸收剂罐吸收净化后，返回到呼吸袋，多余的气体以与新鲜气体供入速率相同的速率排出呼吸袋。典型的半闭式潜水呼吸器的工作原理见图1[1]。虽然半闭式潜水呼吸器有诸多优点，但由于工作原理较复杂，与开放式潜水呼吸器相比，会存在一定的安全风险。本文基于定质量流量半闭式潜水呼吸器的工作原理，计算呼吸器的呼吸袋内氧分压随潜水深度（压力）和作业强度（耗氧量）变化的规律，从医学生理学角度分析了这类呼吸器潜在的安全风险。

1材料与方法

 1.1呼吸器某型半闭式潜水呼吸器，主要参数为混合气氧浓度32%，混合气供气流量11L/min，最大工作深度40m。

1.2计算参数

潜水深度、耗氧量、呼吸袋内氧分压。

1.3计算方法

呼吸器主要功能就是给潜水员提供水下呼吸支持，保证合适的氧摄取和二氧化碳清除。根据工作原理，推导稳定状态下呼吸器呼吸袋中的氧浓度（体积分数）计算公式，见式（1）[1]。根据式（1），定质量流量的半闭式潜水呼吸器呼吸袋内的氧分压（即潜水员吸入气中的氧分压）可用式（2）计算。根据式（2），计算不同深度、不同耗氧量情况下，吸入气（呼吸袋内气体）氧分压。

1.4分析方法

在循环呼吸器潜水中，通常将氧分压控制在0.18～1.40ata。以氧分压小于0.18ata为存在低氧的阈值，大于1.40ata为存在氧中毒的阈值，对计算结果进行描述性分析。

2结果

2.1吸入气氧分压随深度和耗氧量变化的推算

由式（1）可知，半闭式潜水呼吸器呼吸袋中的氧浓度与深度和呼吸袋的容积无关。一旦呼吸器的供气流量和气源的氧浓度确定后，仅有的变量是耗氧量，而耗氧量与潜水员在水下的工作负荷相关。由于潜水员水下工作负荷不是一个恒定的值，因此，与吸入气中气体组分恒定的开放式呼吸器不同，这类呼吸器呼吸袋内的氧浓度（即提供潜水员呼吸气体中的氧浓度）在潜水过程中是变化的，是一个不确定的动态过程，从而导致氧分压也是动态变化的。根据公式（2）计算得出吸入气氧分压随深度和耗氧量的变化情况。耗氧量越大，呼吸袋内气体氧分压越小。当耗氧量达到供气氧浓度与供气量乘积时，呼吸袋内氧分压无限趋近于0。

2.2氧中毒风险的推算

潜水员使用该呼吸器，当耗氧量为0.7L/min时，如在最大工作深度40m工作，根据式（2），计算得呼吸袋内的氧分压为1.36ata。深度增加至42m时，计算得呼吸袋内氧分压为1.42ata。当潜水员耗氧量为1L/min时，使用上述同样的呼吸器，如潜水深度超过最大工作深度，增加至45m时，计算得呼吸袋内氧分压为1.39ata，未超出高氧分压值，潜水员能安全工作；但是，当潜水员在该深度休息，耗氧量为0.5L/min时，计算得呼吸袋内氧分压为1.58ata。

2.3缺氧风险的推算

按照标准，人体的最大耗氧量为3L/min，根据式（2），计算得出在40m深度，呼吸袋内的氧分压为0.33ata，在安全范围内。如果潜水员在水下遇到突发情况，劳动强度增加，导致耗氧量大幅增加，或者部分潜水员虽然从事同等负荷工作时，由于个体差异，耗氧量较大，当耗氧量为3.3L/min，同样在40m深度，计算得出呼吸袋内的氧分压为0.14ata，低于最低安全氧分压。潜水员使用该呼吸器，在40m深度从事工作负荷大的作业，耗氧量为3L/min，根据式（1）和式（2），计算得呼吸袋内的氧浓度为6.5%，氧分压为0.33ata。假设此时潜水员快速上浮出水，则呼吸袋内氧分压随压力下降，到达水面（常压1ata）时，氧分压为0.07ata。

3讨论

3.1减压安全性

水呼吸器提供的呼吸气体成分决定了减压程序，相对安全的减压均需要遵从减压理论模型。减压表的计算参数受氧分压的影响，对于开放式空气潜水，潜水员吸入气中的氧百分比浓度确定，氧分压与深度成正比，与工作负荷无关；密闭式潜水呼吸器潜水员吸入气中的氧分压相对恒定，与深度和工作负荷无关；而半闭式潜水呼吸器由于采用恒定氧百分比浓度的混合气以恒定流量供给的方式控制吸入气中的氧分压，因此在工作负荷稳定的状态下，不同潜水深度吸入气氧分压不同。为此，我国曾专门研究计算了半闭式呼吸器的潜水减压方案[2]。然而，半闭式呼吸器潜水过程中，吸入气中的氧分压随潜水员的工作负荷而变化。计算结果显示，工作负荷越大，氧分压越低。从减压安全考虑，工作负荷越大，减压负荷越大。因此一般需要采用使用工况条件下可能最大摄氧量条件下的氧分压计算减压方案，否则无法保证减压安全，但这也同时意味着很低的减压时间效率。

3.2用氧安全性

生理学研究表明，急性脑型氧中毒（氧惊厥）的阈值为1.88ata。该呼吸器最大深度下呼吸袋内氧分压不超过1.60ata，不存在氧惊厥的可能。但只要大于0.50ata的氧分压下，暴露足够长时间（如数天）均可产生肺组织的损伤。肺型氧中毒剂量单位（UPTD）的概念提示，大于1.00ata的氧分压下暴露，均需要计算累积的氧毒性肺损伤。通常将潜水的安全高氧分压定为1.40ata，即潜水员吸入气中的氧分压最高不能超过1.40ata[3]。当供气氧浓度和供气流量确定后，呼吸袋内的最高氧分压发生在潜水员耗氧量最小（即潜水员工作负荷最小）、潜水深度最大时。本文的结果提示，某型呼吸器在极限工作深度滞留且工作负荷较小（耗氧量<0.7L/min）时，呼吸袋内气体氧分压超过1.4ata。如果出现潜水深度进一步加深的情况，且耗氧量不增加，则吸入气氧分压进一步提高。因此使用定质量流量的半闭式潜水呼吸器潜水时，潜水深度的控制非常重要，不能超过设定的最大潜水深度，否则极有可能发生氧中毒。除了与开放式呼吸器类似的由于气源供气量不足、供气中断等原因造成的缺氧风险外，这类呼吸器还存在由于自身设计和使用导致的缺氧的风险。根据生理学要求，为避免缺氧症的发生，理论上潜水员吸入气的最低安全氧分压为0.17ata[4-8]，在实际使用中，通常将最低氧分压定为0.18ata。由图2可知，半闭式潜水呼吸器其袋内的最低氧分压发生在较浅深度、潜水员耗氧量较大时。为避免在较浅深度发生氧中毒，通常在设计这类呼吸器时，会设定一个大耗氧量值，并确定合适的供气流量来避免缺氧症。但是，潜水员在水下的工作负荷不可能是一个恒定值，其耗氧量是变化的，并且个体差异的存在使不同的潜水员执行同等工作负荷作业时的耗氧量也不同。现行标准中重体力劳动强度对应的人体的最大耗氧量为3L/min，但某些体格强壮的潜水员在水下的最大耗氧量可以超过7L/min，当这类人群在同等条件下使用这类呼吸器时，就可能会发生缺氧。另外，使用这类呼吸器，在潜水员从事较大工作负荷后的减压上升阶段，也可能会发生缺氧症。这是因为潜水员从事较大工作负荷后，由于耗氧量较大，呼吸袋内的氧浓度通常较小，但由于潜水深度较大，呼吸袋内的氧分压可保持在安全范围内。但在减压上升阶段，如上升速度较快，由于此时呼吸袋内的氧浓度仍然保持在较小的值，随着深度的快速减小，呼吸袋内氧分压就可能会低于安全氧分压低限，导致缺氧症发生。因此，使用类似呼吸器时，应当避免在大深度（40m）下作业时的快速上升，否则不仅可能发生减压病，也可能会引起缺氧。计算结果提示，呼吸袋内氧分压甚至低于0.07ata，这个氧分压下，人可迅速失去知觉。

3.3人机工效

在呼吸器人机工效设计时，除了尽可能避免误操作，对供气流量和氧分压等关键参数的控制要求非常高。半闭式呼吸器依靠定量孔定量供氧来保证呼吸气体在安全范围内，但是，当定量孔发生故障（堵塞或部分堵塞）时，由于呼吸过程依然存在，自动补气阀不足以置换呼吸袋内的氮气，导致潜水员吸入气氧分压将会逐渐降低，出现“慢性”低氧现象。虽然半闭式呼吸器还设计了手动补气阀用于大流量补气，但由于这类呼吸器没有氧传感器监控氧分压，手动补气的措施依赖人的感知，由于人体生理上，对“慢性”低氧，也就是氧分压逐渐降低的过程，存在感知迟钝和全或无的反应特点。因此恒定质量流量的定量孔一旦失效，存在整体系统失效的安全风险。

3.4健康风险控制

基于定质量流量半闭式潜水呼吸器固有的工作原理，健康损害的风险是无法完全通过装备本身消除。为提高这类半闭式呼吸器的安全性，需要从装备、医学和潜水程序3个方面进行控制，减少风险的发生。在选择半闭式潜水呼吸器时，应全面了解呼吸器的性能，根据作业任务，选择合适的呼吸器。目前国际上半闭式潜水呼吸器种类较多，为了尽量延长不减压潜水时间和提高减压效率，通常的半闭式潜水呼吸器能保证耗氧量最大时呼吸袋内氧浓度大于17%，但不同种类的呼吸器，设计时设定的最大耗氧量是不同的，如英国皇家海军采用3L/min作为呼吸器的最大耗氧量，有一部分呼吸器如德国的Dolphin，将最大耗氧量设定为2.5L/min[9-12]。因此应选择设定最大耗氧量大于预计任务负荷的半闭式呼吸器，防止缺氧症的发生。条件许可的情况下，应尽量配置呼吸器氧分压监测系统，以实时监测呼吸袋中的氧分压，潜水员可根据实时氧分压值及时采取措施，防止发生氧中毒和缺氧症。美国水下科学研究院（AAUS）的标准规定半闭式潜水呼吸器至少应配置一个氧传感器，以警示潜水员即将发生的缺氧[13-15]。使用半闭式潜水呼吸器潜水存在氧中毒和缺氧的风险，针对这些风险，本文认为可以通过选拔潜水员和选择合适的减压方案来提高医学保障能力[16]。在选拔潜水员时，除了满足医学生理学指标外，还应限制潜水员的体重，防止由于个体差异导致的耗氧量增大，超出呼吸器设定的最大耗氧量。国外部分半闭式呼吸器限定潜水员体重不能超过90kg。国际科学潜水协会的规定中，要求半闭式潜水呼吸器潜水减压时应根据预期的吸入气氧浓度采用相应的开放式氮氧潜水减压表，但需要备有劳动负荷超过预期情况下的应急用空气潜水减压表，并需要根据计划劳动强度、气体流量和气体成分进行等效空气深度（EAD）校正。由于固有风险的必然性，采用定质量流量半闭式呼吸器进行潜水，需要有预定的潜水操作程序，过程需要严格遵循潜水作业计划。半闭式潜水多用于确定潜水深度、确定劳动强度以及易控制潜水深度的计划潜水。在潜水员水下作业期间，必须严格遵循预定的潜水作业计划，严格按照设定的计划潜水深度和计划劳动强度作业，防止由于超过计划潜水深度发生氧中毒或劳动强度过大导致缺氧症。水下作业过程中，也应当注意通风换气和减缓上升速度。使用半闭式潜水呼吸器时，潜水员在下水前、水下工作一定时间和上升前，都应进行换气，以达到冲洗呼吸系统的目的，防止缺氧症；在完成任务的减压上升过程中，应减缓上升速度，必要时进行补气，目的也是防止缺氧症的发生。

4结论

半闭式潜水呼吸器有一定的优势，但由于其工作原理存在的医学安全风险无法完全避免。国际上定质量流量半闭式潜水呼吸器的种类较多，国内也进行了部分引进并开展了一定的研制工作，但是缺乏对这类呼吸器的完善的设计和使用规范。基于以上讨论，从医学风险角度考虑，本文认为配置呼吸气体氧分压监测传感器将使风险大大降低，并且半闭式潜水呼吸器仅适用于计划潜水，对于不能预先计划的潜水过程，不建议采用。

作者：顾靖华；陈锐勇