高壓氧艙設(shè)備的發(fā)展概況

張禹，肖宏，呂艷，孟祥恩，張敦曉，潘樹義

(海軍總醫(yī)院 全軍高壓氧中心，北京100048)

眾所周知，高壓氧治療是在密閉艙內(nèi)吸高于一個大氣壓的氧氣來治療疾病，所以高壓氧治療離不開氧艙和其相關(guān)的設(shè)備。在高壓氧醫(yī)學(xué)的發(fā)展過程中，高壓氧設(shè)備的更新和改進起著至關(guān)重要的作用。從1834年法國人Junod建造的世界上第一個銅制高壓氧艙至今，高壓氧艙設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步，極大地推動了高壓氧醫(yī)學(xué)向更高、更深層次的發(fā)展。

1 高壓氧艙的類型

一般而言，高壓氧艙按艙內(nèi)加壓物質(zhì)不同分為空氣加壓艙和純氧艙；按容納人數(shù)多少分單人艙、多人艙，其中多人艙又分大型高壓空氣艙、中型高壓空氣艙、小型高壓空氣艙；按用途不同分為高壓氧艙、嬰兒高壓氧艙、動物實驗用高壓氧艙、潛水加壓艙、低壓艙、高低壓兩用艙、潛水加壓艙群等。

空氣加壓艙就是加壓時向艙內(nèi)充填高壓空氣，即加壓介質(zhì)是空氣，與之對應(yīng)的是純氧艙，加壓介質(zhì)是氧氣，所以空氣加壓艙相對安全，而純氧艙的危險系數(shù)則大大增加。目前世界范圍內(nèi)，純氧艙的事故發(fā)生率遠遠高于空氣加壓艙，所以純氧艙在許多國家和地區(qū)已被禁用，我國絕大多數(shù)地區(qū)也禁止純氧艙的使用。

單人艙一般都是純氧艙，多人艙多為空氣加壓艙，其中大型空氣加壓艙可容納人數(shù)在14人以上，艙體內(nèi)徑大于2000mm，同時配備過渡艙，所以大型艙最少都擁有兩個和兩個以上獨立的艙室，根據(jù)艙室和艙門數(shù)量的不同，大型氧艙又分為三艙三室七門的高壓氧艙群、二艙二室四門的大型高壓氧艙、一艙二室四門的大型高壓氧艙、一艙二室三門的大型高壓氧艙。中型空氣加壓艙一般主艙能容納6～13人，艙體內(nèi)徑在2000～2800mm，也必須配備過渡艙。小型空氣加壓艙的容納人數(shù)在3～5人，艙體內(nèi)徑小于2000mm，可不設(shè)過渡艙。嬰兒艙一般也是純氧艙，所以嬰兒高壓氧治療時要格外小心。低壓艙在一定意義上不屬于高壓氧艙，但它的艙體與高壓氧艙是一樣的，它的原理與高壓氧治療正好相反，是用真空泵(罐)把艙室內(nèi)的空氣抽掉，模擬不同高度的高空情況(低壓缺氧狀況)，多用在航空、航天醫(yī)學(xué)及高原醫(yī)學(xué)的研究中。高低壓艙是一個艙體，即可以用作高壓氧艙，也可用作低壓艙，為一艙兩用，故稱高低壓艙。潛水加壓艙是用來治療潛水減壓病的，所以它的加壓可達10個大氣壓以上(1MPa以上)，而我國民用高壓氧艙一般在3個大氣壓(0.3MPa)，所以就設(shè)備而言，潛水加壓艙較普通的高壓氧艙的條件更高，如果同時配備吸氧系統(tǒng)，那么潛水加壓艙也可用作高壓氧艙。潛水加壓艙群是除外一個潛水加壓艙體外還配有操作室和休息艙，一般用作潛水相關(guān)的研究。

2 醫(yī)用空氣加壓氧艙設(shè)備的基本組成

空氣加壓氧艙是目前國內(nèi)外最常用、最安全的高壓氧艙，下面以醫(yī)用空氣加壓氧艙為例介紹高壓氧艙的基本組成和工作流程。高壓氧治療最基本的流程是用空氣壓縮機將高壓空氣經(jīng)過濾后泵入儲氣罐中備用，在高壓氧治療時通過供氣管路及空氣過濾系統(tǒng)將儲氣罐中的高壓空氣注入艙中，使艙內(nèi)壓達到高壓氧治療所需的壓力即可，與此同時開通供氧系統(tǒng)，此時患者即通過吸氧面罩在艙內(nèi)吸與艙壓等同的高壓氧，整個高壓氧治療過程全部由工作人員在操縱臺操作完成。所以，按系統(tǒng)功能可將高壓氧艙設(shè)備分成如下幾個大的系統(tǒng)：供排氣系統(tǒng)，供排氧系統(tǒng)，艙體及輔助系統(tǒng)，操控系統(tǒng)。按功能組成又可將高壓氧艙設(shè)備分為：艙體部分，空氣加減壓部分，供排氧部分，氧艙電氣部分，氧艙空氣調(diào)節(jié)部分，氧艙消防及緊急減壓部分。如圖1所示。

圖1 空氣加壓氧艙的基本組成

2.1 艙體部分

圖1中的6部分是艙體。包括：氧艙殼體、艙門、窗體、遞物筒、通艙孔等。

2.2 空氣加減壓部分

空氣加減壓部分由圖1 中的 1、2、3、4、5、8、10 部分組成。其中1、2、3、4、5組成氣源。1為空氣壓縮機，簡稱空壓機，為氣源中高壓空氣的原始來源；2為冷干機，對從空壓機輸出的壓縮氣體冷凍干燥，進行第一次除水除油，冷干機的工作壓力應(yīng)與空壓機最大工作壓力一致；3為油水分離器，對冷干機輸出的壓縮空氣進行精密濾水濾油；4為儲氣罐，為壓縮空氣的存儲地，它的容積大小和儲氣的壓力大小直接關(guān)系到氣源能量的高低；5為空氣過濾器，對從儲氣罐輸出的壓縮空氣進行最后一次過濾，將各種粉塵、油氣等雜質(zhì)與壓縮空氣完全分離；8、10為高壓氧艙加減壓閥門。

2.3 供排氧部分

供排氧部分由圖1中的7、11、12部分組成。其中7、12組成氧源。7為醫(yī)用氧氣瓶，12為氧氣減壓器。一般由2至4瓶醫(yī)用氧氣瓶組成，利用盤管并聯(lián)再經(jīng)氧氣減壓表減壓至0.4～0.6MPa。如果醫(yī)療單位利用液氧槽集中供氧，也可代替氧氣瓶。11為高壓氧艙的排氧閥。

2.4 氧艙電氣部分

包括高壓氧艙的對講、視頻監(jiān)視、照明、通信等部分。

2.5 氧艙空氣調(diào)節(jié)部分

主要包括對艙內(nèi)空氣溫度、氧濃度、空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)。

2.6 氧艙消防及緊急減壓部分

高壓氧艙應(yīng)配備水噴淋系統(tǒng)，水噴淋系統(tǒng)由高壓氮氣源、儲水罐、閥門和水噴淋頭組成。另外還應(yīng)配備滅火器。艙內(nèi)常用滅火器：1301鹵代烷滅火器、貯壓式輕水泡沫滅火器等。緊急減壓由閥門和卸壓管道組成，艙內(nèi)外各一套。緊急卸壓管的內(nèi)徑要足夠大。GB-12130-95規(guī)定，從最高工作壓力將艙壓減到0.01MPa的時間：單人艙≤1min,小型艙≤1.5min,中型艙≤2min,大型艙≤2.5min。另外高壓氧艙頂部必須配備安全閥。

3 醫(yī)用空氣加壓氧艙設(shè)備的工作原理

3.1 艙體設(shè)備

艙體是高壓氧治療的主要載體，一切治療均在其中完成，是整個醫(yī)用空氣加壓艙的最基本組成。艙體由鋼板焊接而成，鋼板必須符合GB150-89的規(guī)定，焊條應(yīng)選用與艙體鋼質(zhì)相適應(yīng)的焊條。焊條必須合格，焊接的各個環(huán)節(jié)應(yīng)按規(guī)定和國家標準嚴格掌握，艙體焊縫要經(jīng)100%X線探傷，結(jié)果應(yīng)符合GB3323-2005中的Ⅲ級要求。

艙體必須經(jīng)水壓試驗，并且符合《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的要求(無滲漏，無變形等)。其中：氧艙殼體是構(gòu)成氧艙艙體的最主要部件，按氧艙殼體結(jié)構(gòu)也就是外型可分為圓柱形和橢圓型；艙門是患者進出氧艙的通道，可分內(nèi)開式和外開式兩種，艙門的閉鎖裝置還可分為機械式和電動式；窗體是固定在艙壁上的透光窗孔，可分為照明窗、監(jiān)視窗和觀察窗，窗體為工業(yè)有機玻璃覆蓋，材料質(zhì)量應(yīng)采用GB/T7134-1996《澆鑄型工業(yè)有機玻璃板材、棒材和管材》標準中一級品的規(guī)定；遞物筒是氧艙內(nèi)外傳遞物品的通道，起過渡作用；通艙孔是艙體上的孔洞，是連接各種管道和電纜進出的通道。

3.2 空氣加減壓設(shè)備

常壓空氣由空壓機的進氣口被吸入，經(jīng)電動機的拖動，在氣缸內(nèi)壓縮體積提高壓力，再由空壓機的排氣口排出，此處的壓縮空氣壓力大、溫度高、含油、水等雜質(zhì)，完全不符合醫(yī)用空氣加壓艙的氣源質(zhì)量要求。為提高壓縮空氣的質(zhì)量必須先經(jīng)冷干機處理，冷干機對壓縮空氣起冷凍干燥的作用，使壓縮空氣中的大部分油蒸汽和水蒸氣結(jié)露析出，然后再經(jīng)油水分離器進一步凈化其中的油水等雜質(zhì)。油水分離器中有大量擋板，由冷干機排出的壓縮空氣進入油水分離器后，由于氣流速度比較大，沖擊在不同的擋板上，即可將油水等雜質(zhì)從壓縮空氣中分離并排出，然后清潔后的壓縮空氣由油水分離器的排氣口排出并進入儲氣罐，此時的壓縮空氣中僅含有極少量的雜質(zhì)，在儲氣罐中經(jīng)過沉淀進一步凈化，再經(jīng)過空氣過濾器即可進艙升壓。以上為空氣加壓艙的氣源工作原理。氧艙升壓時，首先要保證氣源啟動，減壓閥呈關(guān)閉狀態(tài)，開啟加壓閥對氧艙升壓。減壓時，加壓閥呈關(guān)閉狀態(tài)，開啟減壓閥對氧艙進行減壓。

3.3 供排氧設(shè)備

3.3.1 供氧。氧源是指能提供穩(wěn)定壓力并保證足夠流量的氧氣源。一般氧源壓力為0.4～0.6MPa，由銅管或不銹鋼管連接氧源和氧艙，再經(jīng)氧艙法蘭進入艙內(nèi)并連接吸氧裝置?；颊呶鯐r經(jīng)面罩、三通和吸氧管再連接吸氧裝置。

3.3.2 排氧。排氧利用的是負壓原理。一條高速氣流流過的管道，在管道上開一小孔，而內(nèi)壁處氣流速度快會形成一個負壓，這樣管道外的空氣就會經(jīng)小孔進入管道。在氧艙中有一主排氧管，各患者的排氧管連接主排氧管，主排氧管最里端開有孔洞。這樣，在氧艙排氧時，由于艙內(nèi)外壓力的不同，在主排氧管中形成流向艙外的高速氣流，在患者的排氧管中形成負壓即可排出廢氧。用排氧閥開啟的大小來控制患者排氧管中的負壓大小，負壓不能太大。

3.4 氧艙電氣設(shè)備

艙內(nèi)電氣部分只能直流電驅(qū)動，并且不能超過24V。艙外電氣部分接市電時必須經(jīng)變壓器隔離，并且要配備UPS不間斷電源，保證在斷電時，可提供氧艙的照明、對講機至少30min的電力供應(yīng)。

3.5 氧艙空氣調(diào)節(jié)設(shè)備

空氣溫度的調(diào)節(jié)，主要靠空調(diào)。艙內(nèi)的空調(diào)只有盤管和風(fēng)葉，空調(diào)的其他電氣和機械部分置于艙外，風(fēng)葉靠艙外的電動機提供動力。氧濃度和空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)主要靠通風(fēng)換氣。通風(fēng)是利用風(fēng)機將艙內(nèi)空氣進行過濾，實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。換氣是指將艙內(nèi)的空氣排出，同時將氣源中的干凈空氣供入艙內(nèi)，并保持艙壓動態(tài)穩(wěn)定。

3.6 氧艙消防及緊急減壓設(shè)備

艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的步驟：① 關(guān)閉氧源、關(guān)閉氣源、切斷主供電線路并開啟應(yīng)急電源；② 開啟水噴淋系統(tǒng)，并指導(dǎo)艙內(nèi)人員開啟艙內(nèi)滅火器；③ 打開緊急減壓閥，并開啟其他減壓通道；④ 迅速組織人員、藥品準備進行搶救。

3.7 計算機控制設(shè)備

計算機控制由軟件和硬件兩部分組成。

3.7.1 硬件。主要包括：工控機、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、傳感器、執(zhí)行器等部分。

(1) 工控機是整個計算機控制系統(tǒng)的最核心部分，所有的數(shù)據(jù)庫和程序模塊都在其中，工控機包括外設(shè)、主板、硬盤、電源等組成。

(2) A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過接口被工控機識別。

(3) D/A轉(zhuǎn)換器將工控機從接口處給出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過電纜傳入執(zhí)行器。

(4) 傳感器感受環(huán)境變量，并將所感應(yīng)的環(huán)境變量轉(zhuǎn)換成一定的電壓或電流量。

(5) 執(zhí)行器將電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成行程信號，是整個控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行點。

3.7.2 軟件。數(shù)據(jù)庫技術(shù)在控制軟件中的作用是至關(guān)重要的。控制軟件的組成部分：壓力值、氧濃度、溫度值、濕度值的采集、讀取、顯示和儲存，控制方程的編寫、控制信號的傳遞等?？刂栖浖木帉懣梢杂肅++、VB、Delphi等，大部分為Delphi編寫代碼。另外，工控機可以作為上位機+智能PLC來作為氧艙的控制系統(tǒng)。上位機不直接提供控制程序，可通過仿真程序來監(jiān)控氧艙的各參數(shù)，而所連接的智能PLC作為直接控制單元控制氧艙運行。

4 醫(yī)用空氣加壓氧艙設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 氧艙設(shè)備

(1)艙體整體已朝向美觀化、輕型化、優(yōu)質(zhì)化發(fā)展。所用鋼材的韌性和強度都有了長足的進步。

(2)艙門是艙體的最重要部位之一，過去以機械門多見，比較笨重，艙門磨損快，近年已發(fā)展出電動式、電磁式艙門等，美觀輕便，但也有缺點，即必須在有電源的情況下才能正常工作。

從材質(zhì)上看，現(xiàn)在新建氧艙艙門大部分為薄殼門，薄殼門制造工藝簡單，美觀、重量輕，容易關(guān)門，缺點是若橡膠墊的放置不平整則極易造成關(guān)門不嚴、漏氣等問題。另外，艙門的鎖緊方式也由搖桿壓緊式發(fā)展到彈簧鎖子式，后者的優(yōu)點是省力，關(guān)門簡單，彈簧鎖緊即可，減少了磨損，缺點是若主艙副艙分別加壓，則極易造成門沒壓緊而漏氣。

(3)遞物筒的原理沒有大的改變，但工藝在不斷進步，使其更輕巧、美觀、方便。

4.2 空氣加減壓設(shè)備

(1)空氣壓縮機是高壓氧艙最主要設(shè)備之一，現(xiàn)已從傳統(tǒng)的活塞式壓縮機向螺桿式壓縮機轉(zhuǎn)變?；钊娇諝鈮嚎s機的缺點是噪音大，壓縮空氣中含油量高，故障率高，但可經(jīng)多級壓縮提供至少3MPa的壓力。螺桿式空氣壓縮機噪音小，壓縮空氣中含油量低，故障率低，但只可提供最高1.5MPa的壓力。另外，國外已經(jīng)發(fā)展出純無油空氣壓縮機，壓縮空氣在空壓機中不跟任何潤滑油接觸，使壓縮空氣質(zhì)量更高。

(2)冷干機是對壓縮機進行冷卻的設(shè)備，過去主要采用被動方式冷卻，包括風(fēng)冷、水冷兩種形式，目前發(fā)展到制冷機主動制冷方式。風(fēng)冷和水冷的設(shè)備造價低，但體積大、設(shè)備易腐蝕、冷凍干燥效果差；制冷機制冷的設(shè)備造價高、體積小，干凈衛(wèi)生，設(shè)備不易出現(xiàn)故障，并且冷凍干燥效果很好。

(3)油水分離器主要向小型化發(fā)展，并且除油濾水的效果更好。

(4)空氣過濾器也向小型化發(fā)展，過濾質(zhì)量已提高至微米級。

(5)加減壓閥由單純電磁閥發(fā)展為機械節(jié)流閥、電磁閥和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥三者共存的狀況，它們各有優(yōu)缺點，其中電磁閥不能調(diào)節(jié)氣流速度，機械節(jié)流閥利用人力可改變氣流速度，氣動薄膜調(diào)節(jié)閥利用電流來遙控氣流速度。

4.3 供排氧設(shè)備

氧源由單純的氧氣瓶加匯流排發(fā)展成了液氧槽集中供氧。氧氣瓶加匯流排的方式造價低，設(shè)備占用空間小，但是需要經(jīng)常更換氧氣瓶。液氧槽集中供氧的方式，一次性投資大，需要專門的設(shè)備占用場地，一次裝填液氧可提供較長時間的氧氣供應(yīng)。二者相比較，在經(jīng)濟效益上液氧槽占先，在設(shè)備占用空間和管理人員編制上氧氣瓶加匯流排占先，在氧氣純度上液氧槽占先，但是液氧槽故障更難查難修。

4.4 氧艙電氣設(shè)備

4.4.1 對講?，F(xiàn)在大部分新建氧艙利用功放機加氧艙雙路對講機來聯(lián)系艙內(nèi)外的語音交流，實現(xiàn)了一臺對講機進行雙路通話。

4.4.2 照明。照明方式有多種，絕大部分為外照明式。光源已由第一代的白熾燈、日光燈發(fā)展到第二代的節(jié)能燈、LED燈和第三代的光纖照明。第二代減少了能耗和對照明窗體的損害，防止設(shè)備過早老化，其中 LED燈體幾乎不產(chǎn)熱，亮度高功率低，而且造價低，是一種良好的光源。第三代也由端面發(fā)光轉(zhuǎn)變成了側(cè)面整體發(fā)光，光線均勻，照明整體效果好，是氧艙照明方式的一個發(fā)展方向，但光纖照明的設(shè)備成本高。

4.4.3 UPS。UPS也有了突飛猛進的發(fā)展，現(xiàn)在的大部分UPS在斷電后的幾微秒時間內(nèi)即可完成備用電源的啟用，并且兩者相位差別幾乎為零，這樣就可保證大部分用電設(shè)備的無相位差的持續(xù)供電。

4.5 氧艙空氣調(diào)節(jié)設(shè)備

氧艙空調(diào)的最新技術(shù)為大功率吊頂式，可保證加壓時的急速制冷和減壓時的快速制熱。風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動可以依靠艙外的電動機，也可由艙內(nèi)氣動機提供動力。

4.6 氧艙消防及緊急減壓設(shè)備

(1)消防部分發(fā)展了水噴淋系統(tǒng)，但是水噴淋系統(tǒng)的真實有效性還尚待驗證。

(2)緊急減壓除了球閥外，另發(fā)展出了電磁閥遙控開啟。

4.7 操作方式

操艙方式由最原始的手動操作，逐漸發(fā)展到電磁閥遙控、單片機+繼電器、計算機控制等方式。

(1)手動操作：方式較繁瑣，人工無法省略，無法達到勻速、穩(wěn)壓，而且各閥門管道堆積在操作臺附近，不美觀。

(2)電磁閥遙控：方式較簡單，但是加減壓的速度無法控制。操作臺附近只有遙控按鈕，所有電磁閥可安裝在艙底部。

(3)單片機+繼電器：可實現(xiàn)氧艙各參數(shù)的監(jiān)視，可實現(xiàn)一定程度的自動控制。但是單片機控制策略簡單，控制精度不高。設(shè)備實現(xiàn)方法比較簡單，也比較通用。

(4)計算機控制：計算機控制可實現(xiàn)各參數(shù)的精確監(jiān)測，具有控制策略多樣化、控制精度高等優(yōu)點，但是控制系統(tǒng)復(fù)雜，需進行調(diào)試。

5 醫(yī)用空氣加壓氧艙設(shè)備的發(fā)展前瞻

從目前高壓氧艙設(shè)備的發(fā)展趨勢看，其發(fā)展方向主要有如下幾個方面:

(1)繼續(xù)對高壓氧艙的所屬設(shè)備進行改造、更新，主要向智能化、簡便化、清潔化、美觀化方向發(fā)展，目的是使高壓氧治療更安全、更方便，為廣大患者提供更加舒適有效的服務(wù)。

(2)根據(jù)實際需要開發(fā)不同類型的高壓氧艙，如沉箱作業(yè)、海洋石油鉆探、高壓氧急救、減壓病患者轉(zhuǎn)運等等，所以出現(xiàn)了便攜式高壓氧艙、高壓氧救護車等。

(3) 氧艙內(nèi)醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)和使用，如氧艙內(nèi)呼吸機、監(jiān)護儀、吸痰器等，打破了常規(guī)醫(yī)療設(shè)備不能進艙的禁忌，使各種救治設(shè)備在艙內(nèi)可安全使用，提高氧艙內(nèi)的救治水平，擴大氧艙內(nèi)的救治范圍。

總之，高壓氧醫(yī)學(xué)的發(fā)展和進步離不開設(shè)備的更新和完善，同時臨床高壓氧治療的需求又為高壓氧設(shè)備的發(fā)展提出了要求和發(fā)展的動力，二者相互依存和促進，不斷推動高壓氧醫(yī)學(xué)向更高、更深、更優(yōu)的層次發(fā)展。

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