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摘要：目的從潛水醫學角度分析半閉式潛水呼吸器的潛在安全風險，為合理使用提供參考。方法根據吸入氣氧分壓公式，針對某型半閉式呼吸器，計算不同工作負荷不同深度條件下的吸入氣氧分壓。結果最大工作深度40m，耗氧量低于0.5L/min時，氧分壓大于1.4ata，存在氧中毒的風險；工作深度5m，耗氧量大于2.5L/min，吸入氣氧分壓低于0.18ata，存在缺氧風險。結論半閉式潛水呼吸器有一定的優勢，但由于其工作原理，存在的醫學安全風險無法完全避免。本研究顯示配置呼吸氣體氧分壓監測傳感器將風險大幅降低，并且對于不能預先計劃的潛水過程，不建議采用半閉式潛水呼吸器。

關鍵詞：半閉式呼吸器；安全分析；氧分壓；氧中毒；缺氧；減壓

潛水呼吸器是保證潛水員水下安全呼吸的必須裝備，按照供氣方式的不同，潛水呼吸器可分為開放式潛水呼吸器和循環式潛水呼吸器。其中，半閉式潛水呼吸器是循環式呼吸器的一種，通常采用定質量流量的供氣方式。與開放式系統相比，半閉式潛水呼吸器節約了氣體，提供了更長的水下工作時間。定質量流量氮氧半閉式潛水呼吸器的基本工作原理是預先配好的一定氧濃度的混合氣（新鮮氣體）以預先設定的流量供給呼吸袋。新鮮氣體與呼吸袋內的氣體混合后，供潛水員呼吸，潛水員呼出的氣體經過吸收劑罐吸收凈化后，返回到呼吸袋，多余的氣體以與新鮮氣體供入速率相同的速率排出呼吸袋。典型的半閉式潛水呼吸器的工作原理見圖1[1]。雖然半閉式潛水呼吸器有諸多優點，但由于工作原理較復雜，與開放式潛水呼吸器相比，會存在一定的安全風險。本文基于定質量流量半閉式潛水呼吸器的工作原理，計算呼吸器的呼吸袋內氧分壓隨潛水深度（壓力）和作業強度（耗氧量）變化的規律，從醫學生理學角度分析了這類呼吸器潛在的安全風險。

1材料與方法

 1.1呼吸器某型半閉式潛水呼吸器，主要參數為混合氣氧濃度32%，混合氣供氣流量11L/min，最大工作深度40m。

1.2計算參數

潛水深度、耗氧量、呼吸袋內氧分壓。

1.3計算方法

呼吸器主要功能就是給潛水員提供水下呼吸支持，保證合適的氧攝取和二氧化碳清除。根據工作原理，推導穩定狀態下呼吸器呼吸袋中的氧濃度（體積分數）計算公式，見式（1）[1]。根據式（1），定質量流量的半閉式潛水呼吸器呼吸袋內的氧分壓（即潛水員吸入氣中的氧分壓）可用式（2）計算。根據式（2），計算不同深度、不同耗氧量情況下，吸入氣（呼吸袋內氣體）氧分壓。

1.4分析方法

在循環呼吸器潛水中，通常將氧分壓控制在0.18～1.40ata。以氧分壓小于0.18ata為存在低氧的閾值，大于1.40ata為存在氧中毒的閾值，對計算結果進行描述性分析。

2結果

2.1吸入氣氧分壓隨深度和耗氧量變化的推算

由式（1）可知，半閉式潛水呼吸器呼吸袋中的氧濃度與深度和呼吸袋的容積無關。一旦呼吸器的供氣流量和氣源的氧濃度確定后，僅有的變量是耗氧量，而耗氧量與潛水員在水下的工作負荷相關。由于潛水員水下工作負荷不是一個恒定的值，因此，與吸入氣中氣體組分恒定的開放式呼吸器不同，這類呼吸器呼吸袋內的氧濃度（即提供潛水員呼吸氣體中的氧濃度）在潛水過程中是變化的，是一個不確定的動態過程，從而導致氧分壓也是動態變化的。根據公式（2）計算得出吸入氣氧分壓隨深度和耗氧量的變化情況。耗氧量越大，呼吸袋內氣體氧分壓越小。當耗氧量達到供氣氧濃度與供氣量乘積時，呼吸袋內氧分壓無限趨近于0。

2.2氧中毒風險的推算

潛水員使用該呼吸器，當耗氧量為0.7L/min時，如在最大工作深度40m工作，根據式（2），計算得呼吸袋內的氧分壓為1.36ata。深度增加至42m時，計算得呼吸袋內氧分壓為1.42ata。當潛水員耗氧量為1L/min時，使用上述同樣的呼吸器，如潛水深度超過最大工作深度，增加至45m時，計算得呼吸袋內氧分壓為1.39ata，未超出高氧分壓值，潛水員能安全工作；但是，當潛水員在該深度休息，耗氧量為0.5L/min時，計算得呼吸袋內氧分壓為1.58ata。

2.3缺氧風險的推算

按照標準，人體的最大耗氧量為3L/min，根據式（2），計算得出在40m深度，呼吸袋內的氧分壓為0.33ata，在安全范圍內。如果潛水員在水下遇到突發情況，勞動強度增加，導致耗氧量大幅增加，或者部分潛水員雖然從事同等負荷工作時，由于個體差異，耗氧量較大，當耗氧量為3.3L/min，同樣在40m深度，計算得出呼吸袋內的氧分壓為0.14ata，低于最低安全氧分壓。潛水員使用該呼吸器，在40m深度從事工作負荷大的作業，耗氧量為3L/min，根據式（1）和式（2），計算得呼吸袋內的氧濃度為6.5%，氧分壓為0.33ata。假設此時潛水員快速上浮出水，則呼吸袋內氧分壓隨壓力下降，到達水面（常壓1ata）時，氧分壓為0.07ata。

3討論

3.1減壓安全性

水呼吸器提供的呼吸氣體成分決定了減壓程序，相對安全的減壓均需要遵從減壓理論模型。減壓表的計算參數受氧分壓的影響，對于開放式空氣潛水，潛水員吸入氣中的氧百分比濃度確定，氧分壓與深度成正比，與工作負荷無關；密閉式潛水呼吸器潛水員吸入氣中的氧分壓相對恒定，與深度和工作負荷無關；而半閉式潛水呼吸器由于采用恒定氧百分比濃度的混合氣以恒定流量供給的方式控制吸入氣中的氧分壓，因此在工作負荷穩定的狀態下，不同潛水深度吸入氣氧分壓不同。為此，我國曾專門研究計算了半閉式呼吸器的潛水減壓方案[2]。然而，半閉式呼吸器潛水過程中，吸入氣中的氧分壓隨潛水員的工作負荷而變化。計算結果顯示，工作負荷越大，氧分壓越低。從減壓安全考慮，工作負荷越大，減壓負荷越大。因此一般需要采用使用工況條件下可能最大攝氧量條件下的氧分壓計算減壓方案，否則無法保證減壓安全，但這也同時意味著很低的減壓時間效率。

3.2用氧安全性

生理學研究表明，急性腦型氧中毒（氧驚厥）的閾值為1.88ata。該呼吸器最大深度下呼吸袋內氧分壓不超過1.60ata，不存在氧驚厥的可能。但只要大于0.50ata的氧分壓下，暴露足夠長時間（如數天）均可產生肺組織的損傷。肺型氧中毒劑量單位（UPTD）的概念提示，大于1.00ata的氧分壓下暴露，均需要計算累積的氧毒性肺損傷。通常將潛水的安全高氧分壓定為1.40ata，即潛水員吸入氣中的氧分壓最高不能超過1.40ata[3]。當供氣氧濃度和供氣流量確定后，呼吸袋內的最高氧分壓發生在潛水員耗氧量最小（即潛水員工作負荷最小）、潛水深度最大時。本文的結果提示，某型呼吸器在極限工作深度滯留且工作負荷較小（耗氧量<0.7L/min）時，呼吸袋內氣體氧分壓超過1.4ata。如果出現潛水深度進一步加深的情況，且耗氧量不增加，則吸入氣氧分壓進一步提高。因此使用定質量流量的半閉式潛水呼吸器潛水時，潛水深度的控制非常重要，不能超過設定的最大潛水深度，否則極有可能發生氧中毒。除了與開放式呼吸器類似的由于氣源供氣量不足、供氣中斷等原因造成的缺氧風險外，這類呼吸器還存在由于自身設計和使用導致的缺氧的風險。根據生理學要求，為避免缺氧癥的發生，理論上潛水員吸入氣的最低安全氧分壓為0.17ata[4-8]，在實際使用中，通常將最低氧分壓定為0.18ata。由圖2可知，半閉式潛水呼吸器其袋內的最低氧分壓發生在較淺深度、潛水員耗氧量較大時。為避免在較淺深度發生氧中毒，通常在設計這類呼吸器時，會設定一個大耗氧量值，并確定合適的供氣流量來避免缺氧癥。但是，潛水員在水下的工作負荷不可能是一個恒定值，其耗氧量是變化的，并且個體差異的存在使不同的潛水員執行同等工作負荷作業時的耗氧量也不同。現行標準中重體力勞動強度對應的人體的最大耗氧量為3L/min，但某些體格強壯的潛水員在水下的最大耗氧量可以超過7L/min，當這類人群在同等條件下使用這類呼吸器時，就可能會發生缺氧。另外，使用這類呼吸器，在潛水員從事較大工作負荷后的減壓上升階段，也可能會發生缺氧癥。這是因為潛水員從事較大工作負荷后，由于耗氧量較大，呼吸袋內的氧濃度通常較小，但由于潛水深度較大，呼吸袋內的氧分壓可保持在安全范圍內。但在減壓上升階段，如上升速度較快，由于此時呼吸袋內的氧濃度仍然保持在較小的值，隨著深度的快速減小，呼吸袋內氧分壓就可能會低于安全氧分壓低限，導致缺氧癥發生。因此，使用類似呼吸器時，應當避免在大深度（40m）下作業時的快速上升，否則不僅可能發生減壓病，也可能會引起缺氧。計算結果提示，呼吸袋內氧分壓甚至低于0.07ata，這個氧分壓下，人可迅速失去知覺。

3.3人機工效

在呼吸器人機工效設計時，除了盡可能避免誤操作，對供氣流量和氧分壓等關鍵參數的控制要求非常高。半閉式呼吸器依靠定量孔定量供氧來保證呼吸氣體在安全范圍內，但是，當定量孔發生故障（堵塞或部分堵塞）時，由于呼吸過程依然存在，自動補氣閥不足以置換呼吸袋內的氮氣，導致潛水員吸入氣氧分壓將會逐漸降低，出現“慢性”低氧現象。雖然半閉式呼吸器還設計了手動補氣閥用于大流量補氣，但由于這類呼吸器沒有氧傳感器監控氧分壓，手動補氣的措施依賴人的感知，由于人體生理上，對“慢性”低氧，也就是氧分壓逐漸降低的過程，存在感知遲鈍和全或無的反應特點。因此恒定質量流量的定量孔一旦失效，存在整體系統失效的安全風險。

3.4健康風險控制

基于定質量流量半閉式潛水呼吸器固有的工作原理，健康損害的風險是無法完全通過裝備本身消除。為提高這類半閉式呼吸器的安全性，需要從裝備、醫學和潛水程序3個方面進行控制，減少風險的發生。在選擇半閉式潛水呼吸器時，應全面了解呼吸器的性能，根據作業任務，選擇合適的呼吸器。目前國際上半閉式潛水呼吸器種類較多，為了盡量延長不減壓潛水時間和提高減壓效率，通常的半閉式潛水呼吸器能保證耗氧量最大時呼吸袋內氧濃度大于17%，但不同種類的呼吸器，設計時設定的最大耗氧量是不同的，如英國皇家海軍采用3L/min作為呼吸器的最大耗氧量，有一部分呼吸器如德國的Dolphin，將最大耗氧量設定為2.5L/min[9-12]。因此應選擇設定最大耗氧量大于預計任務負荷的半閉式呼吸器，防止缺氧癥的發生。條件許可的情況下，應盡量配置呼吸器氧分壓監測系統，以實時監測呼吸袋中的氧分壓，潛水員可根據實時氧分壓值及時采取措施，防止發生氧中毒和缺氧癥。美國水下科學研究院（AAUS）的標準規定半閉式潛水呼吸器至少應配置一個氧傳感器，以警示潛水員即將發生的缺氧[13-15]。使用半閉式潛水呼吸器潛水存在氧中毒和缺氧的風險，針對這些風險，本文認為可以通過選拔潛水員和選擇合適的減壓方案來提高醫學保障能力[16]。在選拔潛水員時，除了滿足醫學生理學指標外，還應限制潛水員的體重，防止由于個體差異導致的耗氧量增大，超出呼吸器設定的最大耗氧量。國外部分半閉式呼吸器限定潛水員體重不能超過90kg。國際科學潛水協會的規定中，要求半閉式潛水呼吸器潛水減壓時應根據預期的吸入氣氧濃度采用相應的開放式氮氧潛水減壓表，但需要備有勞動負荷超過預期情況下的應急用空氣潛水減壓表，并需要根據計劃勞動強度、氣體流量和氣體成分進行等效空氣深度（EAD）校正。由于固有風險的必然性，采用定質量流量半閉式呼吸器進行潛水，需要有預定的潛水操作程序，過程需要嚴格遵循潛水作業計劃。半閉式潛水多用于確定潛水深度、確定勞動強度以及易控制潛水深度的計劃潛水。在潛水員水下作業期間，必須嚴格遵循預定的潛水作業計劃，嚴格按照設定的計劃潛水深度和計劃勞動強度作業，防止由于超過計劃潛水深度發生氧中毒或勞動強度過大導致缺氧癥。水下作業過程中，也應當注意通風換氣和減緩上升速度。使用半閉式潛水呼吸器時，潛水員在下水前、水下工作一定時間和上升前，都應進行換氣，以達到沖洗呼吸系統的目的，防止缺氧癥；在完成任務的減壓上升過程中，應減緩上升速度，必要時進行補氣，目的也是防止缺氧癥的發生。

4結論

半閉式潛水呼吸器有一定的優勢，但由于其工作原理存在的醫學安全風險無法完全避免。國際上定質量流量半閉式潛水呼吸器的種類較多，國內也進行了部分引進并開展了一定的研制工作，但是缺乏對這類呼吸器的完善的設計和使用規范。基于以上討論，從醫學風險角度考慮，本文認為配置呼吸氣體氧分壓監測傳感器將使風險大大降低，并且半閉式潛水呼吸器僅適用于計劃潛水，對于不能預先計劃的潛水過程，不建議采用。

作者：顧靖華；陳銳勇