低压舱技术的发展及应用

低压舱技术的发展及应用

1低氧和低压舱氧气是维持身体的生命活动所必需的物质。如组织得不到正常的氧气供应,或者不能充分利用氧来进行代谢活动,则可引起一系列生理及病理改变,称缺氧。低氧是指机体生命活动所需要的氧不能得到充足的供给。当今,低氧与健康研究受到我国生物学和医学界的关注。低压舱是在地面模拟低气压和缺氧等高空环境的地面实验设备,它主要用于飞行员、航天员的选拔、高空生理训练、健康检查鉴定、航空航天医学体验、基础研究与医学治疗等。随着科技的进步和研究的深入,人们更加注重“天上问题陆地解决,高原问题平原研究,战时需要平时准备”。2低压物理性影响关于缺氧对认知、感觉、生理及心理等影响的文献已有很多,缺氧最早出现的生理变化是呼吸、循环和脑功能的改变,而最早出现的缺氧反应是神经症状,如头痛、头昏、恶心、呕吐、嗜睡或睡眠不良等,这些症状的出现可以认为是脑功能改变的结果。航空活动中,现代飞机如座舱发生破损,舱内乘员会直接暴露于低气压之下,轻者构成事故征候,重者可能造成飞行事故。载人航天中,航天员出舱活动前处于座舱阶梯减压或舱外活动中处于航天服低压条件时,也可能发生低气压物理性影响。航空航天中低气压的物理性影响主要是高空胃肠胀气、高空减压病、体液沸腾、迅速减压—肺损伤、中耳及鼻窦的气压性损伤。在现代航空中,虽然已有各种类型的密封座舱及性能良好的供氧装备,但据国内、外事故调查资料,因急性高空缺氧所致航空事故征候仍占有相当比例。在高原缺氧的刺激下,长期居住在青藏高原的人群在机体缺氧适应过程中常发生相应的病理生理变化,包括高原性心脏病、高原红细胞增多症及血压异常等。3低空气压缩法及其原理低压舱是人工模拟低气压和缺氧等高空环境的地面设备。3.1高空大气压力人类从热气球升空,到高空飞行,再到太空行走,共同的特点是离地面越来越远。众所周知,随着海拔升高,大气压力不断降低,氧分压逐渐减小,温度逐步下降。20000m高空大气压力是地面的5.4%,氧分压为地面的42%,温度低于地面70°以上。这种低气压、缺氧、寒冷的环境对人的生理功能和工作能力产生严重的影响。18世纪末期,随着航空医学的萌芽,低压舱横空出世,进入了人们的视野。3.2低水箱结构经过了200多年的发展,各种低压舱应运而生。它由舱体、抽气系统、控制系统、供氧系统、连接管道、照明及通讯等组成(见图1)。3.3抽气量及通气量低压舱是通过调节抽气量与进气量的比例来实施上升与下降的。上升时抽气量大于进气量,停留时抽气量等于进气量,下降时抽气量小于进气量。原则是在模拟不同低气压条件的同时,保证舱内充分的通气量。学员进行低压舱体验升降示意图见图2。3.4s现场总线数字化网络技术目前,国内新舱群采用符合国际标准的西门子PROFIBUS现场总线数字化网络技术,实现一根屏蔽双绞线对舱群各主、副舱间的智能控制和O2、CO2等成分检测,安装了对设备状态、故障诊断、通讯、供电和现场等进行实时监控的系统。4低负荷应用低压舱的用途较多,主要用于航空航天、基础研究、医学治疗、体育训练和高原适应等领域。4.1航空航天的应用4.1.1不良反应发生情况研究表明,人的高空耐力是有个体差异的。少部分人在1800m高度、部分人在3000m高度就可能出现胸闷、气喘、头痛、头晕、恶心、呕吐等不良反应(高原反应)。选拔飞行员、航天员,一般用低压舱上升至5000m高度,就能排除低气压敏感者、缺氧敏感者和耳气压功能不良者。4.1.2高空生理训练高空缺氧直接影响飞行员、航天员的协调动作和脑力功能,严重缺氧会引起意识障碍,导致飞行事故。飞行员、航天员的高空生理训练包括缺氧耐力训练、加压供氧训练和迅速减压训练。藏云宁等按空军航空医学研究所制定的《低压舱高空生理训练方案》,低氧混合仪训练方法按航空生理训练的常规缺氧训练方法,对2组受训飞行员共232人模拟高度为7500m进行缺氧训练效果的比较观察,发现倒写错误,字迹混乱代表缺氧影响到大脑功能,可能发生意识障碍。4.1.3气体压力波动健康检查鉴定是判断飞行员、航天员身体状况能否适应飞行训练和驾机战斗的重要依据。在航空和航天活动中,座舱及压力服内的气体压力波动可能会引起人体出现耳胀、耳痛、听力障碍等,严重可引起耳鼓膜穿孔。低压舱良好地模拟了飞行实际,可进行飞行人员的耳气压机能检查、评定等,为飞行人员停飞、放飞提供科学依据。4.1.4教学上的意义低压舱是航空航天医学模拟实验设备,在航空航天医学的教学上具有重要意义。只有让航医真正体验低气压缺氧的感觉,深刻了解飞行中可能出现的各种生理变化,才能胜任航医工作,才能更好地服务于飞行员、航天员。4.2基础研究4.2.1高空增氧器低压舱四医大航医人通过大量的人体实验,研究制定了低压舱上升方案;用低压舱进行高空减压病易感性筛选实验;低压舱作为国家重大科技专项平台的重要组成部分,还用于疲劳和过度疲劳的研究;“单兵高原增氧呼吸器”,在低压舱内行增氧效果的前期研究和实验验证;急性低氧暴露对飞行基本能力要素影响的系列研究等。4.2.2健康男性青年李学义等利用低压舱模拟3600、4400m高度缺氧暴露1h,5000m高度缺氧暴露30min,考察16名健康男性青年的注意广度和黑红数字测验综合绩效的变化。杜建英等利用低压舱模拟2800、3600、4400m高度缺氧暴露1h,考察18名健康男性青年的记忆长廊、记忆扫描、连续识别记忆和空间记忆测验绩效的变化。张志军等应用低压舱仿海拔8000m高空缺氧模型,采用免疫组织化学并结合图像分析等技术,应用人参银杏复方制剂对缺氧复氧后大鼠学习记忆障碍作用的研究。4.2.3优势作业测试项目近年来,国内也有部分学者对缺氧工效进行了研究,但侧重于生理和心理。CHENShou-ping等采用已往手动作业工效研究工作中筛选出的5种具有工效优势的手动作业测试项目(插钉板、拧螺母、形状感知、握力和主观感觉),较为全面地探讨常见的急性轻、中度低压缺氧对手动作业工效的影响。呼慧敏等利用低压舱模拟高空缺氧环境,设计4项目和1种主观感觉项目(问卷),观察9名被试者在5种模拟高度(3500、4000、4500、5000、5500m)缺氧暴露(25±5)min,结果5种模拟高度均显著降低(P<0.01),在5000、5500m高度缺氧反应进一步加剧(P<0.001)。4.3医学领域世界上许多国家已利用低压舱模拟高山作气候治疗、康复,收到了较好的效果。俄罗斯在低压缺氧治疗方案、治疗适应证、禁忌证等研究比较深入。4.3.1低压舱s桂芹等使哮喘患儿每天早8∶00进入低压舱中,以3m/s的速度进行减压,达到相当海拔2500m高度,维持2h,然后再逐渐升压恢复到正常状态,患儿即可出低压舱。一个治疗过程为10d,其临床症状和肺功能改善。4.3.2手术前耐训练低压缺氧环境可以校正患者的情绪、体力和智力状态,提高患者的非特异性抵抗力,用于开胸等大型手术的术前耐受性训练。龙超良等利用间断低氧习服大鼠(3000、5000m各2周,4h/d)和正常大鼠经8000m缺氧4h后,观察其整体心功能,急性重度缺氧可显著抑制心功能,动物经低氧适应后,心脏功能明显改善,可减轻缺氧对心脏的损伤。4.3.3坏死伤口HengM-C等利用低压氧治疗坏死性伤口,既提高了治愈率,又降低了治愈成本。4.3.4听力损伤的动物模型纵亮等采用低压舱模拟高原低气压缺氧环境,复制了低气压环境下噪声性听觉损伤的动物模型,以听觉脑干反应测试、血液流变学检测、耳蜗病理形态、氧自由基水平以及耳蜗谷氨酸免疫组织化学改变等作为判断指标,研究急性低气压环境下噪声对听器的损伤以及葛根素的防治作用和机理。4.4萨拉萨尔载氧能力对人体健康的影响低压缺氧环境可以升高人体红细胞数目,增加血红蛋白含量,增大红细胞压积,使载氧能力增加,反映出其对人体健康有利的一面。美国著名马拉松选手萨拉萨尔仿高原训练,2次创造马拉松世界最好成绩,多次获得重大国际马拉松赛的冠军。中国“铁人”张健再度出征我国最大的内陆咸水湖—青海湖前曾搬进低压氧舱适应。4.5去“低压”氧舱青藏铁路的顺利通车使西藏“在那遥远的地方”已不再遥远。旅游出发之前可以去低压氧舱进行适应,如果出现高原反应,则吸点纯氧。这样既可以提高耐力,又可以预防高原反应。此外,内地