脈沖式高濃度單兵制氧機高原實地應(yīng)用效果評價

謝康寧，韓偉,2，姜茂剛，阮俊勇，丁攀，羅二平

1.空軍軍醫(yī)大學 軍事生物醫(yī)學工程學系，陜西 西安 710032；2.解放軍第987醫(yī)院 醫(yī)學工程科 陜西 寶雞 721000

引言

我國幅員遼闊，境內(nèi)有多處高原，其中最大的青藏高原平均海拔4500 m，面積約240萬平方公里，占我國總面積的1/4。高原地區(qū)低壓低氧，容易導致人體產(chǎn)生高原反應(yīng)。高原反應(yīng)是由于對環(huán)境的習服適應(yīng)機制尚未建立而發(fā)生的一系列應(yīng)激反應(yīng)，常見表現(xiàn)為頭痛、頭暈、惡心嘔吐、心慌氣短、胸悶胸痛、失眠、記憶力減退、注意力不集中等。急速進入高原者發(fā)病率高，癥狀較重；緩慢進入高原者反應(yīng)較輕[1]。有資料顯示，長期居住青藏高原的人數(shù)大約1000多萬，每年新進高原的人員超過200萬。在這些新進高原人群中，50%以上人員罹患急性高原?。ˋcute Mountain Sickness，AMS），20% 患慢性高原?。–hronic Mountain Sickness，CMS）[2]。我國既有常駐高原的部隊，也有因執(zhí)行任務(wù)而急進高原的部隊，因高原反應(yīng)造成的非戰(zhàn)斗減員對部隊來說影響巨大。如何在惡劣環(huán)境下，確保部隊官兵保持清醒的頭腦和充沛的體力將是保證部隊戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵[3]。

積極尋找各種有效的促缺氧習服的措施是高原醫(yī)學工作者不懈追求的目標。在高原地區(qū)，當人體缺氧時，通過給氧來增加吸入氣體的氧濃度，是臨床上治療高原病的常用方法和有效手段[4-5]。血氧飽和度（Pulse Oxygen Saturation，SpO2）和心率（Heart Rate，HR）都是反映人體循環(huán)生理參數(shù)的重要指標。平原人群急進高原后，由于空氣氧分壓急劇下降，從而導致人體SpO2下降，此時機體會代償性地增加HR以補償其不良影響[6]。因此適當提高SpO2并降低HR，可以減小機體不良反應(yīng)，有效預(yù)防高原病的發(fā)生[7]。

目前，高原上常見的制氧機以市場化產(chǎn)品為主，普遍體積較大，質(zhì)量較重，多數(shù)采用持續(xù)供氧方式。在人體呼氣過程中，制氧機產(chǎn)生的氧氣是多余的，因此持續(xù)供氧方式會造成一定程度的浪費，且需要更大功耗。針對以上不足，我們自主研發(fā)了一款脈沖式高濃度制氧機（以下簡稱“制氧機”），并在高原地區(qū)通過測量人體吸氧前后的SpO2與HR，對其使用效果進行了實地驗證和評價。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備

制氧機由空軍軍醫(yī)大學軍事生物醫(yī)學工程學系研制，目標人群是常駐高原和急進高原部隊，目前已獲II類醫(yī)療器械注冊證。實物外觀如圖1所示。機身長寬高為22 cm×8.5 cm×16 cm，重 1.45 kg（不含電池），十分便攜；采用交直流供電，提供市電和車載兩種電源適配器，電池續(xù)航約4 h；以空氣為原料，基于分子篩原理實現(xiàn)氧氣的富集，制氧濃度為93%±3%，產(chǎn)出氣體符合《醫(yī)用分子篩制氧設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》中產(chǎn)品氣的理化指標要求。該款制氧機有兩個突出特點：一是采用小型化設(shè)計，整機部件均選用小型化低功耗部件，合計設(shè)計輸氣和散熱模塊，因此體積小，重量輕，功耗低，便于攜行；二是采用脈沖式供氧，通過高靈敏度壓力傳感器感知口鼻吸氣和呼氣的壓力變化，進而控制氧氣輸出，實現(xiàn)了氧氣輸出與人體呼吸的同步，很大程度避免了氧氣浪費，極大提高了氧氣利用率。該款制氧機使用方法非常簡便，具體步驟如下：首先連接好電源或電池，按下啟動按鈕；然后將吸氧管連接到制氧機的出氣孔接頭，約2 min后預(yù)熱完畢；最后將吸氧管的另一端連接到人體，即可開始使用。

指脈氧使用飛利浦DB12型，指夾式設(shè)計，使用方便，可無創(chuàng)測量SpO2和HR數(shù)據(jù)。SpO2測量精度為±2%，HR測量精度為±1%或±1 bpm，取較大者。

1.2 實驗對象

（1）急進高原人群。在海拔1250 m的平原地域，選取18名常駐人員（至少3個月），近期無服藥史，身體健康，均自愿參與本實驗。被試均為男性，年齡23～42歲（平均29.2歲）。采取摩托化機動方式急進高原，其中6人到達海拔3700 m地域，12人到達海拔4200 m地域。

圖1 脈沖式高濃度單兵制氧機外觀

（2）高原習服人群。在海拔3700、4200、5370 m地域，分別選取14、12、8名常駐高原人員（至少3個月），均為男性，近期無服藥史，身體健康，均自愿參與本實驗。3700 m的14名被試年齡20～31歲（平均24.5歲）；4200 m的12名被試年齡22～34歲（平均26.9歲）；5370 m的8名被試年齡22～32歲（平均25.4歲）。

1.3 實驗方法

（1）急進高原人群使用制氧機吸氧前后SpO2和HR對比。進行自身前后對照實驗，步驟如下：首先在海拔1250 m地域，靜息狀態(tài)下記錄18名被試SpO2和HR數(shù)值；然后摩托化機動急進高原（約 4 h和6 h分別到達 4200 m和 3700 m地域，兩個海拔所得數(shù)據(jù)均按高原處理，見圖2），靜息狀態(tài)下記錄SpO2和HR值；最后給被試佩戴鼻氧管，使用制氧機吸氧5 min，記錄吸氧后的SpO2和HR值。

圖2 急進高原人群實驗設(shè)計圖

（2）高原習服人群使用制氧機吸氧前后SpO2和HR對比。進行自身前后對照實驗，步驟如下：在三個不同海拔高度（3700、4200、5370 m），被試處于靜息狀態(tài)下，首先記錄吸氧前的SpO2和HR值；然后佩戴鼻氧管，使用制氧機吸氧5 min；最后記錄吸氧后的SpO2和HR值。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 實驗結(jié)果

2.1 急進高原實驗組使用制氧機吸氧前后SpO2和HR對比

18名急進高原的被試在平原、吸氧前及吸氧后的SpO2和HR測量結(jié)果，見表1。從表1可以看出，被試急進高原后，SpO2明顯下降，HR有所上升，二者均具有顯著的統(tǒng)計學差異（P＜0.01）。與使用制氧機吸氧前相比，吸氧后SpO2明顯上升，HR明顯下降，二者均具有顯著的統(tǒng)計學差異（P＜0.01）在高原吸氧后SpO2水平與平原相當，無統(tǒng)計學差異（P＞0.01）。

表1 急進高原實驗組在平原、高原吸氧前及吸氧后SpO2和HR測量結(jié)果（，n=18）

表1 急進高原實驗組在平原、高原吸氧前及吸氧后SpO2和HR測量結(jié)果（，n=18）

注：*高原吸氧前與平原對比，P＜0.01；#高原吸氧后與高原吸氧前對比，P＜0.01。

組別 SpO2 (%) HR (次/min)平原 94.94±1.11 86.11±12.27高原吸氧前 84.44±4.68* 90.00±12.41*高原吸氧后 95.22±1.06# 78.94±12.19#

2.2 高原習服實驗組使用制氧機吸氧前后SpO2和HR對比

在三個不同海拔高度的高原習服被試使用制氧機吸氧前后SpO2和HR測量結(jié)果，見表2。從表2可以看出，在3700、4200、5370 m三個不同海拔高度，被試在使用制氧機吸氧后SpO2均明顯上升，HR均明顯下降，二者均具有顯著的統(tǒng)計學差異（P＜0.01）。

表2 不同海拔高度高原習服實驗組吸氧前后SpO2和HR測量結(jié)果（）

表2 不同海拔高度高原習服實驗組吸氧前后SpO2和HR測量結(jié)果（）

注：*三個海拔高度吸氧后與吸氧前對比，P＜0.01。

海拔3700 m (n=14) 海拔4200 m (n=12) 海拔5370 m (n=8)SpO2 (%) HR (次/min) SpO2 (%) HR (次/min) SpO2 (%) HR (次/min)吸氧前 90.64±2.37 91.07±14.20 89.17±2.86 88.75±9.86 82.65±3.42 92.33±13.12吸氧后 95.86±0.77* 76.93±6.60* 95.5±0.91* 81.92±10.86* 92.50±2.31* 77.22±10.48*

3 討論

高原地區(qū)大氣壓小，空氣稀薄，氧分壓低，機體的心肺功能及對氧的攝取、運輸和利用能力是適應(yīng)低壓低氧環(huán)境的關(guān)鍵[8]。高原環(huán)境中人體器官、組織和細胞供氧量的減少，會嚴重制約人體在高原地區(qū)的作業(yè)能力，甚至會危害作業(yè)人員的生命健康[9]。在高海拔地區(qū)進行運動時，SpO2下降非常明顯，HR增加也非常明顯。要想減輕高原對機體的危害，就必須設(shè)法提高動脈氧分壓[10]。該款制氧機便是通過提高吸入氣體的氧分壓來緩解缺氧狀態(tài)。通過實驗結(jié)果可以看出，急進高原后人體SpO2水平明顯低于平原（P＜0.01），由于此時身體還未習服，其SpO2水平同樣低于已經(jīng)高原習服的人群。無論是急進高原人群，還是在不同海拔高度的高原習服人群，使用該款制氧機吸氧后，SpO2和HR均得到迅速改善（P＜0.01），約2 min后便逐漸趨于穩(wěn)定。這說明，該款制氧機抗缺氧效果顯著，可迅速緩解缺氧狀態(tài)，且對于急進高原和高原習服人員都適用。

隨著高原醫(yī)學的不斷發(fā)展，科研人員發(fā)現(xiàn)，對急進高原人群及時地進行氧療可以明顯緩解機體不適，促進高原習服過程，提高人體在高原上的勞動能力和健康水平[11-13]。一系列相關(guān)研究指出，不同海拔高度氧體積分數(shù)升高1%所對應(yīng)降低的等效海拔略有不同，在海拔4000～5000 m，增加氧濃度1%相當于降低海拔高度300 m[14-17]。從實驗效果來看，急進高原人群在海拔約4000 m的地域使用該制氧機后，其SpO2和HR水平與海拔1250 m地域的水平相當，甚至更優(yōu)，這說明在海拔4000 m的地域使用該制氧機后，人體機能狀態(tài)大致等效于平原水平。此次急進高原的被試中部分人員發(fā)生了輕度高原反應(yīng)，表現(xiàn)為頭疼、困倦、呼吸急促、胸悶等，在吸氧后這些癥狀均得到了有效緩解。長遠來看，該款制氧機對維護高原官兵身體健康，促進高原習服，提高高原部隊作業(yè)效能，降低高原部隊官兵急慢性高原病發(fā)生率均有積極意義。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)象。由于壓縮機組件的存在，制氧機在運轉(zhuǎn)過程中有一定程度發(fā)熱，這種發(fā)熱在合理范圍內(nèi)，而這種溫升恰好有助于提高產(chǎn)品氣的溫度，保護使用者的鼻黏膜，有利于提升干燥寒冷高原環(huán)境下吸氧的舒適性能[18]。此外，從不同海拔高度的實驗結(jié)果來看，隨著海拔升高，使用制氧機吸氧后最終達到的SpO2均值略微有所下降。我們推測是大氣壓降低的緣故，隨著海拔升高，當人體通過鼻氧管呼吸時，混合氣中來自外界空氣的分壓降低，導致吸入的單位體積混合氣中氧含量略微減少。另外，制氧機的原料即空氣氣壓減小，也可能會使制氧效率略有下降。具體原因及定量關(guān)系有待進一步實驗進行驗證。

在實地測試過程中，基層官兵對該制氧機表現(xiàn)出極大的興趣，一致認為該設(shè)備輕巧便攜，富氧效果顯著，能夠滿足部隊的實際需求。同時他們提出，佩戴鼻氧管吸氧不夠方便，尤其是進行特殊作業(yè)的時候。這也啟發(fā)我們不僅要讓高原官兵“有氧吸”，還要考慮讓他們“吸得舒服”。下一步課題組擬對現(xiàn)用的吸氧裝置進行進一步研究和改進，研發(fā)適合高原部隊使用地更加方便舒適的吸氧裝置。