大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性驗(yàn)證研究

張東輝，許永華，是文輝，董 翔，趙紅艷，許 琴，李建瑛，李佳佳，馬 娜，張 玲，陳振洲

大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性驗(yàn)證研究

張東輝，許永華，是文輝，董 翔，趙紅艷，許 琴，李建瑛，李佳佳，馬 娜，張 玲，陳振洲

目的：驗(yàn)證大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。方法：（1）驗(yàn)證穩(wěn)定性：將153名健康人員分為15組，每次進(jìn)入艙內(nèi)一組。使用指式脈沖便攜式血氧飽和度檢測儀分別在9個不同海拔高度上記錄個人的血氧飽和度值，對同一海拔高度的15組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。（2）驗(yàn)證準(zhǔn)確性：實(shí)驗(yàn)組、文獻(xiàn)對照組Ⅰ、文獻(xiàn)對照組Ⅱ、文獻(xiàn)對照組Ⅲ中，每組包含6個海拔高度的血氧飽和度值。對4個組分別作回歸分析，應(yīng)用回歸方程計算出每組對應(yīng)海拔高度缺失的理論血氧飽和度值，在此基礎(chǔ)上作組間的相關(guān)分析。結(jié)果：（1）在艙內(nèi)每一模擬高度上，15組健康人員的血氧飽和度值的組間差異不顯著（P＞0．05），表明該艙在模擬這9個海拔高度時運(yùn)行穩(wěn)定；（2）實(shí)驗(yàn)組與文獻(xiàn)對照組Ⅰ、文獻(xiàn)對照組Ⅱ、文獻(xiàn)對照組Ⅲ在不同海拔高度血氧飽和度值的相似度分別為0．991、0．990、0．999，說明該艙模擬不同海拔高度時健康人員的血氧飽和度值與在自然環(huán)境中的相同海拔高度時是相似的，表明大型復(fù)合低壓艙模擬的海拔高度是準(zhǔn)確的。結(jié)論：在模擬高原海拔高度時，大型復(fù)合低壓艙運(yùn)行穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確模擬自然海拔高度，表明該艙能夠滿足在基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)診斷和治療及高原生理學(xué)、高原運(yùn)動訓(xùn)練和高原設(shè)備試驗(yàn)中重復(fù)性好、誤差小的要求。

大型復(fù)合低壓艙；血氧飽和度；模擬；海拔高度

0 引言

特殊環(huán)境下的科學(xué)研究常常受現(xiàn)場環(huán)境條件不確定性的影響，實(shí)驗(yàn)誤差大、重復(fù)性差。為了完成高原、高寒、干熱、高紫外線特殊環(huán)境下的醫(yī)學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，我院研制了大型復(fù)合低壓艙。該復(fù)合低壓艙能模擬從地面到10 000m的某一海拔高度，還能模擬出高溫、低溫、干熱、強(qiáng)紫外線輻射等環(huán)境。環(huán)境控制系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)可獨(dú)立控制，也可以聯(lián)合控制，可模擬出10余種復(fù)合環(huán)境，滿足在多因素復(fù)合環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)研究要求[1-2]，可用于基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)診斷與治療及高原生理學(xué)、高原運(yùn)動訓(xùn)練和高原設(shè)備試驗(yàn)[3]。該設(shè)備已通過軍隊(duì)驗(yàn)收[4]，投入運(yùn)行。

大型復(fù)合低壓艙模擬從地面到10 000m的某一海拔高度是其主要功能之一。該艙在模擬海拔高度時各項(xiàng)參數(shù)誤差均在設(shè)計范圍內(nèi)，運(yùn)行平穩(wěn)，操作界面顯示的實(shí)時高度與物理高度表顯示的一致。不同批次健康人員在艙內(nèi)同一模擬高度的生理指標(biāo)變化是否一致，即該艙運(yùn)行是否穩(wěn)定；健康人員在該艙模擬不同海拔高度的生理指標(biāo)變化與在自然環(huán)境中相同海拔高度時是否一致，即該艙模擬的海拔高度是否準(zhǔn)確。為了初步探討這2個問題，我們選擇了隨海拔高度變化而變化，且比較顯著的一項(xiàng)生理指標(biāo)——血氧飽和度值。我們收集了15組153名進(jìn)入低壓艙檢測耳功能人員的血氧飽和度值，并對數(shù)值進(jìn)行分析。如果在某一海拔高度上，15組數(shù)據(jù)間不存在統(tǒng)計學(xué)差異，表明大型復(fù)合低壓艙在模擬這一海拔高度時運(yùn)行穩(wěn)定；如果低壓艙模擬的海拔高度中人的血氧飽和度值與在自然環(huán)境中急進(jìn)高原時同一海拔高度人的血氧飽和度值是相似的，說明大型復(fù)合低壓艙模擬的海拔高度與自然環(huán)境中的海拔高度是一致的，表明大型復(fù)合低壓艙模擬的海拔高度是準(zhǔn)確的。我們期望通過人的血氧飽和度值這一項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證大型復(fù)合低壓艙運(yùn)行的穩(wěn)定性和模擬自然海拔高度的準(zhǔn)確性。

1 對象和方法

1.1 對象

選擇漢族男性153名，最小22歲，最大52歲，平均年齡（29.97±5.44）歲，進(jìn)低壓艙前詢問病史，進(jìn)行心電圖、電耳鏡、前鼻鏡、鼻內(nèi)鏡檢查，確定無低壓艙檢查禁忌證[5]。

1.2 方法

1.2.1 驗(yàn)證大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度的穩(wěn)定性

將被測者分為15組，每組最少6人，最多12人。每次進(jìn)入低壓艙一組。被測者坐在低壓艙內(nèi)，應(yīng)用深圳邁瑞公司生產(chǎn)的PM-50OSMz指式脈沖便攜式血氧飽和度檢測儀，校準(zhǔn)后由專人操作，將血氧檢測儀指夾夾在左手食指處，按壓測量鍵即可出現(xiàn)測量值。低壓艙以15m/s的速度“上升”至4 000m高度，停留5min后，以5m/s的速度“下降”至地面。被測者每1 000m記錄一次，共9個海拔高度的血氧飽和度值。對同一海拔高度的15組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，觀察組間是否有統(tǒng)計學(xué)差異。

1.2.2 驗(yàn)證大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度的準(zhǔn)確性

低壓艙模擬的海拔變化近似于急進(jìn)高原的現(xiàn)象。由于沒有急進(jìn)高原不同海拔高度人的血氧飽和度的標(biāo)準(zhǔn)參考值，我們選擇了3篇均為急進(jìn)高原的文獻(xiàn)，文中含有不同海拔高度人的血氧飽和度值，且統(tǒng)計的數(shù)量集較大（最少330人，最多416人）。本文選擇6個海拔高度：地面～1 000m、1 000～2 000m、2 000～3 000m、3 000～4000m、4000～5 000m、5000 m以上。以這6個海拔高度為基礎(chǔ)，在低壓艙內(nèi)測定的血氧飽和度值作為實(shí)驗(yàn)組，文獻(xiàn)中記載的血氧飽和度值作為對照組，分為4個組：實(shí)驗(yàn)組、文獻(xiàn)對照組Ⅰ[6]、文獻(xiàn)對照組Ⅱ[7]、文獻(xiàn)對照組Ⅲ[8]。

實(shí)驗(yàn)組與文獻(xiàn)對照組在6個海拔高度上均存在1～3個血氧飽和度測量值的缺失，無法進(jìn)行組間的相關(guān)分析。于是，我們對實(shí)驗(yàn)組、文獻(xiàn)對照組Ⅰ、文獻(xiàn)對照組Ⅱ、文獻(xiàn)對照組Ⅲ分別作回歸分析，列出回歸方程，根據(jù)方程計算出對應(yīng)海拔高度的理論血氧飽和度值，在此基礎(chǔ)上作組間的相關(guān)分析。

1.2.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用PASW Statistics 18統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，組間比較采用單因素方差分析，a=0.05檢驗(yàn)水準(zhǔn)。大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度變化獲得的人的血氧飽和度值與參考文獻(xiàn)中在自然環(huán)境中隨海拔高度變化的人的血氧飽和度值的相似性比較采用相關(guān)分析中的距離相關(guān)分析法。

2 結(jié)果

2.1 驗(yàn)證大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度穩(wěn)定性的結(jié)果

大型復(fù)合低壓艙模擬9個海拔高度，每個海拔高度均有15個組，使用單因素方差分析作同一海拔高度血氧飽和度值的組間比較（見表1）。

從表1中可以看出，同一模擬高度各組間血氧飽和度值差異不顯著（P＞0.05），不同批次健康人員在艙內(nèi)同一模擬高度的血氧飽和度值是一致的，表明大型復(fù)合低壓艙在模擬這9個海拔高度時運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 驗(yàn)證大型復(fù)合低壓艙模擬海拔高度準(zhǔn)確性的結(jié)果

2.2.1 根據(jù)方程計算出表中缺失的理論血氧飽和度值

運(yùn)用回歸分析法，列出海拔高度與血氧飽和度之間的回歸方程，根據(jù)方程計算出表中缺失的理論血氧飽和度值（見表2）。

從表2中可以看出，R2分別為0.998、0.997、0.988，表明各組血氧飽和度測量值與回歸方程的擬合優(yōu)度較高，運(yùn)用方程式計算的理論值是可信的。

2.2.2 組間相關(guān)分析

對表2中的4組不同海拔高度血氧飽和度值作距離相關(guān)分析。分析實(shí)驗(yàn)組與文獻(xiàn)對照組在自然環(huán)境中血氧飽和度測量值之間的相似度，結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，實(shí)驗(yàn)組與文獻(xiàn)對照組Ⅰ、文獻(xiàn)對照組Ⅱ、文獻(xiàn)對照組Ⅲ的不同海拔高度血氧飽和度值的相似度分別為0.991、0.990、0.999，相似性非常高。說明該艙模擬不同海拔高度時，健康人員的血氧飽和度值與在自然環(huán)境中的相同海拔高度是相似的，表明大型復(fù)合低壓艙模擬的海拔高度是準(zhǔn)確的。

表1 各組在同一海拔高度血氧飽和度值的組間比較

表2 各組海拔高度與血氧飽和度回歸方程和運(yùn)用方程計算出的缺失值

表3 實(shí)驗(yàn)組與文獻(xiàn)對照組血氧飽和度值相似性分析結(jié)果

3 結(jié)論

在模擬高原海拔高度時，大型復(fù)合低壓艙運(yùn)行穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確模擬自然海拔高度。表明該艙能夠滿足在基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)診斷與治療及高原生理學(xué)、高原運(yùn)動訓(xùn)練和高原設(shè)備試驗(yàn)中重復(fù)性好、誤差小的要求。該艙克服了受高原現(xiàn)場環(huán)境不確定性因素對科研、醫(yī)療影響的狀況，推進(jìn)了西北地區(qū)高原課題研究的廣泛深入開展。

4 討論

該低壓艙根據(jù)隨海拔升高，氣壓降低、空氣密度減小、空氣成分不變的物理原理，采用減壓裝置（真空泵）使密閉艙內(nèi)的壓力降低、密度減小，從而模擬所需的高原缺氧環(huán)境[9]。同時為保證實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)不同壓力（模擬高度）、不同人數(shù)時空氣成分不變的需要，艙內(nèi)必須不斷地注入新鮮空氣，以確保在各種海拔高度都與對應(yīng)的自然環(huán)境一致，從而構(gòu)成開放的動態(tài)低壓低氧環(huán)境[10-11]。

為實(shí)現(xiàn)上述要求，在艙體設(shè)計方面采用法國達(dá)索公司CATIA軟件建立空氣流場模型，確定最佳流場，確定新風(fēng)層、抽氣層的最佳角度，確保艙內(nèi)空氣流場的穩(wěn)定及均勻；在實(shí)驗(yàn)艙的監(jiān)測控制系統(tǒng)上采用西門子SIMATICST-412-2DPPLC（上位機(jī)）和多個ST-314 PLC（下位機(jī)）為核心的集散控制系統(tǒng)（distributed controlsystem，DCS），根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制方案對真空泵、調(diào)節(jié)閥、電磁閥、風(fēng)機(jī)等設(shè)備自動進(jìn)行聯(lián)鎖控制[12]，對復(fù)合艙內(nèi)低壓、風(fēng)速與有害氣體的狀態(tài)進(jìn)行自動維持控制，完成高度變化（上升、下降）、維持高度、氧分壓和CO2體積分?jǐn)?shù)等指標(biāo)的監(jiān)測與控制，從而達(dá)到試驗(yàn)要求的模擬環(huán)境[13]；在操作系統(tǒng)上設(shè)立了現(xiàn)場控制站，向控制器發(fā)出模擬指令，控制器采集參數(shù)后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出操作指令，實(shí)現(xiàn)模擬指令的要求。

在以上各系統(tǒng)中，硬件與軟件的配合以及硬件與硬件的配合均會影響低壓艙模擬不同海拔高度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

在大型復(fù)合低壓艙的研制階段，許永華等[14]對該艙進(jìn)行了高度試驗(yàn)、高度控制精度試驗(yàn)、上升速率試驗(yàn)、下降速率試驗(yàn)，這些指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求；王忠明等[15]測試了該艙1000～10000m，間隔1000m，共計10個模擬高度的海拔高度值、壓力、氧分壓和CO2體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)，結(jié)果顯示，除了在10 000m時高度的波動超出設(shè)計的±10m外，其他點(diǎn)的所有指標(biāo)都滿足設(shè)計要求。表明該艙的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性在物理檢測中是達(dá)標(biāo)的。

該艙主要用于動物實(shí)驗(yàn)和人的疾病治療與訓(xùn)練，因此，我們更關(guān)注在艙內(nèi)模擬海拔高度的特殊環(huán)境下，人和動物的生理指標(biāo)能否保持較高的重復(fù)性以及與自然環(huán)境中的一致性。

為了消除這一疑問，我們收集了15個批次進(jìn)入艙內(nèi)進(jìn)行耳機(jī)能測試的153人的血氧飽和度值。通過對15個批次的血氧飽和度值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同批次同一海拔高度的血氧飽和度值無差別（P＞0.05）；同時也發(fā)現(xiàn)，低壓艙模擬的不同海拔高度測量的血氧飽和度值與文獻(xiàn)中在自然環(huán)境下相同海拔高度的血氧飽和度值是非常相似的（相似度＞0.9）。表明該設(shè)備在模擬海拔高度的特殊環(huán)境下獲得的人和動物的生理指標(biāo)能夠保持較高的重復(fù)性以及與自然環(huán)境中的一致性。該設(shè)備減少了實(shí)驗(yàn)和診療結(jié)果的誤差，能夠最大限度地替代在自然環(huán)境中獲得的數(shù)據(jù)，保障了實(shí)驗(yàn)和診療數(shù)據(jù)的有效性。同時也表明，該設(shè)備在艙體設(shè)計、軟件控制和硬件運(yùn)行上均是穩(wěn)定的，模擬自然環(huán)境是準(zhǔn)確的。同時也提示我們，模擬不同海拔高度檢測實(shí)驗(yàn)動物的血氧飽和度也可以作為低壓艙運(yùn)行穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的一個長期性評判指標(biāo)。在今后的應(yīng)用中不僅需要記錄低壓艙運(yùn)行的物理參數(shù)，而且也可以定期做具有檢測性質(zhì)的動物實(shí)驗(yàn)[16]，定期對大型復(fù)合低壓艙內(nèi)同一模擬環(huán)境、不同時間段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)比較、與在自然環(huán)境中獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行組間比較，對于評價低壓艙性能、積極發(fā)現(xiàn)隱患、延長低壓艙的使用壽命有積極的作用，從而保證大型復(fù)合低壓艙隨時處于最佳的工作狀態(tài)，為西北地區(qū)部隊(duì)平戰(zhàn)條件下的衛(wèi)勤保障研究提供客觀依據(jù)。

[1] 許永華，張瓊，曹金軍，等．創(chuàng)建大型復(fù)合低壓艙擴(kuò)大醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺種類[J]．中國比較醫(yī)學(xué)雜志，2012，22（7）：60-63.

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[5] GBZ 93—2010 職業(yè)性航空病診斷標(biāo)準(zhǔn)[S].

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（收稿：2013-11-28 修回：2014-01-21）

Validation research of simulated altitude stability and accuracy for large composite low pressure chamber

ZHANG Dong-hui1,XU Yong-hua1,SHIWen-hui1,DONG Xiang1,ZHAO Hong-yan1, XU Qin1,LIJian-ying1,LIJia-jia1,MA Na1,ZHANG Ling2,CHEN Zhen-zhou2
(1．UrumqiGeneral Hospital of Lanzhou Military Area Command,Urumqi830000,China; 2．No．69008 Unitof the PLA,Urumqi830002,China)

Objective To verify the simulated altitude stability and accuracy for large composite low pressure chamber．Methods When the stability was verified,153 healthy volunteers in 15 groups went into the chamber in turn,and the values of blood oxygen saturation weremeasured with the portable finger-clamping SaO2meter at 9 altitudes,and the 15 sets of data at the same altitude went through one-way anova analysis．When the accuracy was verified,4 groups of experimental group,literature control groupⅠ，literature control groupⅡ and literature control groupⅢ involved respectively the SaO2values at 6 altitudes,and regression analyses were performed for the four groups respectively,and the theoretical SaO2values of each group for corresponding altitudes were calculated with the regression formulation,and then inter-group correlation analyses were carried out．Results There were no significant differences between the SaO2values at different altitudes,with P＞0．05,and the chamber proved its stability in simulating 9 altitudes．The similarity degrees of the experimental group for the literature control groupⅠ,literature control groupⅡ and literature control groupⅢ were 0．991,0．990 and 0．999 respectively,and then the accuracy of the chamber was verified for simulating the altitudes．Conclusion The chamber shows its stability and accuracy in simulating different altitudes,and can be used for basic researches,medical diagnosis and treatment,high altitude physiology researches,high altitude sports training and equipment experiment for high repeatability and low error．[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：8-11]

large composite low pressure chamber;blood oxygen saturation;simulation;altitude

R318．6；R197．39

A

1003-8868（2014）08-0008-04

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．08．008

總后衛(wèi)生部“十一五”重大專項(xiàng)課題（08Z004）

張東輝（1969—），男，副研究員，主要從事實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作與管理方面的研究工作，E-mail：582613863@qq．com。

830000烏魯木齊，蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院（張東輝，許永華，是文輝，董 翔，趙紅艷，許 琴，李建瑛，李佳佳，馬 娜）；830002烏魯木齊，解放軍69008部隊(duì)（張 玲，陳振洲）

許永華，E-mail：xyh821023@sina．com