便攜式PSA制氧機(jī)高原適應(yīng)性試驗(yàn)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

阮俊勇，姜茂剛，李遠(yuǎn)轍，翟明明，韓 偉，景 達(dá)，蔡 婧，劉 娟，申廣浩，羅二平*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系軍事醫(yī)學(xué)裝備與計(jì)量學(xué)教研室，西安 710032；

2.海軍青島特勤療養(yǎng)中心器材科，山東青島 266071）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高原醫(yī)學(xué)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，高原環(huán)境對(duì)人體的影響也越來(lái)越被人們重視。大量研究表明[1-5]，高原低氧環(huán)境會(huì)對(duì)人體中樞神經(jīng)、心血管、消化、內(nèi)分泌等多個(gè)系統(tǒng)存在不同程度的影響。目前，圍繞著高原缺氧問(wèn)題出現(xiàn)的抗缺氧手段可以分為2類：藥物防治[6-8]和吸氧防治[9-11]。人體各系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)極為復(fù)雜，藥物作為靶向治療手段并不能徹底解決缺氧問(wèn)題，因此，從根本上來(lái)說(shuō)，吸氧是解決高原缺氧問(wèn)題的最佳手段。目前主流便攜式制氧機(jī)大體分為膜分離制氧機(jī)和變壓吸附（pressure swing adsorption，PSA）制氧機(jī)2種，膜分離制氧機(jī)的特點(diǎn)是體積小、耗能少、續(xù)航久、富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)較低[12-13]；PSA制氧機(jī)的特點(diǎn)是富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)高、耗能較高、體積較大、質(zhì)量較重[14-15]，因此續(xù)航短且不易便攜。經(jīng)過(guò)高原實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)市面上常用的PSA制氧機(jī)都是采用連續(xù)供氧方式，且大多固定在門診部、衛(wèi)生隊(duì)或家庭使用。

PSA制氧機(jī)富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)較高，連續(xù)供氧方式所產(chǎn)生的富氧氣體總量遠(yuǎn)超過(guò)人體正常耗氧量，因此本研究擬采用脈沖供氧方式以降低整機(jī)功耗，從而實(shí)現(xiàn)PSA制氧機(jī)的更易便攜。在模擬高原環(huán)境下測(cè)試了自主研制的便攜式PSA制氧機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“制氧機(jī)”）的性能參數(shù)，通過(guò)對(duì)比使用該制氧機(jī)富氧前后被試人員血氧飽和度（SpO2）和心率（HR）的變化對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

該制氧機(jī)（樣機(jī)）基于PSA技術(shù)[16-17]，改變了傳統(tǒng)制氧機(jī)持續(xù)供氧方式，根據(jù)人體吸氣-呼氣比例，通過(guò)高靈敏度壓力傳感器感知口鼻吸氣和呼氣的壓力變化，進(jìn)而控制氧氣輸出，實(shí)現(xiàn)了氧氣輸出與人體呼吸的同步，最大程度避免了氧氣浪費(fèi)，大大地提高了氧氣利用率。該制氧機(jī)在平原環(huán)境下的設(shè)計(jì)富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)為（93±3）%，自動(dòng)擋時(shí)供氣量為40 ml/次、25次/min；總質(zhì)量為1.45 kg（不含電池），機(jī)身的尺寸為 220 mm×85 mm×16 mm（長(zhǎng)×寬×高）；整機(jī)功率小于90 W；內(nèi)置可更換鋰離子充電電池，一次性充電可連續(xù)工作4 h。與當(dāng)前高原通用PSA制氧機(jī)相比，該制氧機(jī)具有功耗低、續(xù)航久、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，利于攜行。儀器的工作流程圖如圖1所示。

圖1 便攜式PSA制氧機(jī)工作流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)應(yīng)用效果測(cè)試：8名進(jìn)入低壓艙模擬急進(jìn)高原環(huán)境的被試人員，其中男性6名、女性2名，年齡22～37周歲，身體健康，無(wú)煙酒嗜好，近期未服用任何藥物；開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前3 d避免劇烈運(yùn)動(dòng)。

高原實(shí)地環(huán)境下制氧機(jī)應(yīng)用效果測(cè)試：重新招募8名乘坐飛機(jī)到達(dá)海拔3 800 m地區(qū)（西藏日喀則）的被試人員，其中男性6名、女性2名，年齡25～35周歲，身體健康，無(wú)煙酒嗜好，無(wú)久居高原經(jīng)歷，近期未服用任何藥物；開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前3 d避免劇烈運(yùn)動(dòng)。

所有被試人員均自愿參加本次實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.3.1 模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)性能測(cè)試

采用低壓艙分別模擬3 000、4 000、5 000 m 3個(gè)海拔高度，在每個(gè)海拔高度對(duì)2臺(tái)制氧機(jī)的富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)和供氣量分別進(jìn)行3次測(cè)試，各海拔高度下3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

制氧機(jī)富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)測(cè)試：采用西安比恩電子科技有限公司生產(chǎn)的BEE-AO-210型微型智能氧氣分析儀檢測(cè)制氧機(jī)的富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)。該氧氣分析儀采用離子流氧傳感器（也叫極限電流型氧傳感器），其量程為10%～99.99%，測(cè)量精度≤±1%FS，響應(yīng)時(shí)間T90≤15 s。

制氧機(jī)供氣量測(cè)試：該制氧機(jī)采用非連續(xù)供氧方式，無(wú)法用氣體流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行流量檢測(cè)，因此本研究采用倒置量筒排水法進(jìn)行供氣量檢測(cè)[18]，并假設(shè)低壓艙內(nèi)溫度、濕度和量筒水壓等對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很小，可忽略不計(jì)。具體實(shí)驗(yàn)步驟：取一體積為500 ml量筒，灌滿水后用玻璃片蓋住量筒，然后倒置量筒于一盛水器皿內(nèi)，在水下取下玻璃片，保證量筒內(nèi)無(wú)氣體殘留。然后啟動(dòng)制氧機(jī)，選擇自動(dòng)擋，將連接制氧機(jī)出氣口的導(dǎo)管出氣端置于量筒內(nèi)，每次收集制氧機(jī)出氣10次的氣體體積，取平均值作為制氧機(jī)每次供氣量（由于該制氧機(jī)在使用過(guò)程中出氣頻率因人而異，我們僅檢測(cè)其在自動(dòng)擋時(shí)每次供氣體積作為供氣量參考值）。由于供氣量采用體積測(cè)量法，受低壓艙內(nèi)壓力變化影響較大，所以本研究將模擬高原環(huán)境下測(cè)得的供氣量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)態(tài)體積后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。轉(zhuǎn)換公式：標(biāo)態(tài)體積V0=V1×p1/p0，其中V1為模擬高原環(huán)境下供氣量，p1為模擬高原環(huán)境下低壓艙內(nèi)大氣壓力，p0為海平面標(biāo)準(zhǔn)氣壓（101.3 kPa）[19]。根據(jù) GB/T 4797.2—2017中提供的計(jì)算公式算得西安（海拔430 m）的大氣壓力為96.3 kPa，海拔3 000、4 000、5 000 m的大氣壓力分別為70.1、61.6、54.0 kPa[20]。

1.3.2 模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)的應(yīng)用效果測(cè)試

首先，檢測(cè)8名被試人員進(jìn)入低壓艙前靜息狀態(tài)下SpO2和HR值；然后，將低壓艙內(nèi)壓力緩慢下降，使其模擬的等效海拔高度緩慢上升至3 000 m水平（速度10 m/s），待壓力穩(wěn)定后讓被試人員靜息適應(yīng)低壓環(huán)境10 min后記錄SpO2和HR值；30 min后，要求被試人員統(tǒng)一使用該制氧機(jī)進(jìn)行富氧（鼻氧管方式富氧5 min）后再次采集SpO2和HR數(shù)據(jù)，行自身前后對(duì)照實(shí)驗(yàn)。同理，依次采集模擬海拔4 000和5 000 m環(huán)境下被試人員使用該制氧機(jī)富氧前后的數(shù)據(jù)。

1.3.3 高原實(shí)地環(huán)境下制氧機(jī)的應(yīng)用效果測(cè)試

首先，在靜息狀態(tài)下檢測(cè)8名被試人員的SpO2和HR值；30 min后，要求被試人員統(tǒng)一使用該制氧機(jī)進(jìn)行富氧（鼻氧管方式富氧3 min）后再次采集SpO2和HR數(shù)據(jù)；然后立即去除制氧機(jī)，記錄被試人員停止富氧后5、10、15 min時(shí)的SpO2和HR值，行自身前后對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（xˉ±s）表示，方差齊性采用 Levene檢驗(yàn)，組間差異采用單因素方差分析，組內(nèi)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，P<0.05表示有顯著性差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)的富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)和供氣量在各海拔的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)性能測(cè)試結(jié)果（n=6）

結(jié)果顯示，該制氧機(jī)在平原環(huán)境下（430 m）富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)最高[（93.33±1.05）%] 、供氣量最大[（40.83±1.94）ml/次] ，符合設(shè)計(jì)要求；隨著海拔高度的上升，其富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)和供氣量會(huì)有一定的下降（P<0.05），但是在海拔5 000 m高度時(shí)富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)仍能維持在88%，實(shí)際供氣量高于36 ml/次，且在固定海拔高度時(shí)該制氧機(jī)的富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)和供氣量波動(dòng)不大，性能基本穩(wěn)定。

2.2 模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

模擬高原環(huán)境下，使用該制氧機(jī)富氧前后被試人員SpO2和HR數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬高原環(huán)境下制氧機(jī)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)（n=8）

結(jié)果顯示，與平原（430 m）相比，在 3 000、4 000、5 000 m 3個(gè)海拔高度下被試人員富氧前的SpO2均顯著下降（P<0.05），且海拔越高，變化越大（P<0.05）；HR均顯著上升（P<0.05），但3個(gè)海拔高度下被試人員的HR無(wú)顯著性差異（P>0.05）。與富氧前相比，在各海拔高度下使用該制氧機(jī)富氧后被試人員的SpO2均顯著上升（P<0.05），且均與平原環(huán)境下的SpO2無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）；HR 均顯著下降（P<0.05），但是尚未降至平原水平（P>0.05）。

2.3 高原實(shí)地環(huán)境下制氧機(jī)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在海拔3 800 m使用該制氧機(jī)富氧前后被試人員的SpO2和HR數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 富氧前后SpO2和 HR 測(cè)量結(jié)果（±s，n=8）

表1 富氧前后SpO2和 HR 測(cè)量結(jié)果（±s，n=8）

注：*表示與富氧前相比P＜0.05，#表示與富氧3 min相比P＜0.05

富氧前后SpO2/%HR（/次·min-）1富氧前86.00±2.51 75.88±9.30富氧 1 min 96.25±1.16* 66.25±7.74*富氧 3 min 96.50±0.76* 65.25±7.52*停止富氧 1 min 93.00±1.69* 76.63±8.25#停止富氧 3 min 90.75±2.12* 75.88±7.49#停止富氧 5 min 89.88±2.75* 75.88±7.75#停止富氧 10 min 89.25±3.28* 75.25±9.32#

高原實(shí)地環(huán)境測(cè)試結(jié)果顯示，使用該制氧機(jī)富氧1 min即可有效改善被試人員的SpO2和HR水平（P<0.05），且富氧3 min對(duì)SpO2的提高效果可以持續(xù)到停止富氧后10 min（P<0.05），但停止富氧后HR迅速升高至富氧前水平。

3 討論

人體在靜息呼吸時(shí)總氧耗量為200～300 ml/min，呼吸頻率為12～18次/min，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)總氧耗量比安靜時(shí)大10倍[21-22]。從圖2結(jié)果可知，該制氧機(jī)在海拔5 000 m高度時(shí)富氧氣體氧體積分?jǐn)?shù)仍能維持在88%左右，供氣量高于36 ml/次，能夠滿足人體正常需求且設(shè)備性能穩(wěn)定。

SpO2是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。正常人體動(dòng)脈血氧飽和度為98%，一般認(rèn)為SpO2正常應(yīng)不低于94%，有學(xué)者將SpO2<90%定為低氧血癥的標(biāo)準(zhǔn)[23]。平原人群快速進(jìn)入高海拔地區(qū)時(shí)，由于肺泡與肺毛細(xì)血管之間的氧分壓差明顯小于平原，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)氧不能完全彌散到毛細(xì)血管中，從而引起SpO2下降[24]；同時(shí)低氧環(huán)境會(huì)引發(fā)交感神經(jīng)興奮，使人體出現(xiàn)代償性HR加速、心搏及心排血量增加，且海拔越高，HR加速越明顯[25]。從模擬高原環(huán)境和實(shí)地高原環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用該制氧機(jī)富氧可以迅速有效改善急進(jìn)高原人群的SpO2和HR水平，且使用該制氧機(jī)富氧3 min對(duì)SpO2的提高至少可以維持到富氧后10 min，能夠有效緩解急進(jìn)高原人群缺氧狀態(tài)，有望為高原地區(qū)人群提供更好的抗缺氧方式，對(duì)于保障進(jìn)駐高原人群的身體健康具有十分重要的意義。

高原低氧對(duì)人體生理功能的影響是一個(gè)復(fù)雜的整體性反應(yīng)[5]，本研究?jī)H從SpO2和HR方面對(duì)該制氧機(jī)的應(yīng)用效果進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，而使用該制氧機(jī)對(duì)急進(jìn)高原人群其他生理指標(biāo)的影響以及對(duì)久居高原人群應(yīng)用效果的相關(guān)評(píng)價(jià)是下一步繼續(xù)研究的方向。從實(shí)地調(diào)研反映來(lái)看，該制氧機(jī)的續(xù)航能力、抗摔打能力仍需進(jìn)一步改善，以保證能在各種復(fù)雜環(huán)境中正常使用，質(zhì)量和便攜性仍有改善的空間。