7.气体的饱和减压理论

1、惰性气体在体内的运动规律及减压理论,赵心亮 北京大学 医学遗传学系 北京大学潜水协会,惰性气体,在化学上，把那些最外电子层电子排列已经饱和的元素称为惰性元素。如氦(Helium;He)、氖(Neon; Ne)、氩(Argon;Ar)、氪(Krypton;Kr)、氙(Xenon; Xe),空气,O2 20.9%,CO2 0.04%,N2 79.0%,生理惰性气体,在高气压医学上，凡是仅以物理状态溶解于组织中，与体内物质不发生化学键关系，不参与机体新陈代谢，仅按体内外该气体的分压差梯度如量扩散进出的气体，就称为“惰性气体”，也称为“中性气体”(indifferent gas)。,各种惰性气体的常用

2、物理常数,21条件下测定值；STP：标准状况（温度、压力）。,气体的饱和,溶解于体内的惰性气体张力与环境中该气体的分压相平衡的状态饱和 已溶解于体内的惰性气体张力高于环境中该气体的分压过饱和 已溶解于体内的惰性气体张力低于环境中该气体的分压，组织中气体将从溶解状态向环境扩散成自由气体脱饱和,惰性气体的饱和,饱和及饱和度 半饱和时间和假定时间单位 饱和过程 理论组织,饱和及饱和度,单位时间内进出溶解的分子数相等、呈现动态平衡的状态，称为饱和 某种组织中溶解气体已达饱和状态，该组织为饱和组织 环境中气体分压高于体内组织该气体的张力时，依压差梯度扩散入体内，直至压差梯度小时，这一过程为饱和的过程 惰

3、性气体在体内的饱和程度，以%表示,饱和及其过程,机体暴露在高压空气下，要饱和的是压差下的那部分氮。,半饱和时间,半饱和时间,填满某类组织当时存在的惰性气体饱和度缺额的一半所需要时间（以t1/2表示）,假定时间单位,以半饱和时间作为惰性气体饱和的计时单位，称为假定时间单位 假定时间单位（n）等于实际时间（T）除以半饱和时间 n=T/ t 1/2,饱和过程,通过呼吸-循环系统完成饱和过程 饱和度的增长幅度按循环周次或假定时间单位数的增加呈指数关系递减 惰性气体在不同组织中的饱和速度不同,以血液循环为计时单位推算氮饱和度,惰性气体饱和度增长图解,气体在液体中扩散规律,压差越小，扩散速度越慢，扩散量越

4、少。,压差越大，扩散速度越快，扩散量越多；,氮在不同组织中饱和速度不同,血供情况不同 血供好，半饱和速度快，饱和时间短； 血供差，半饱和速度慢，饱和时间长。 溶解度 溶解度大的组织,半饱和速度慢,饱和时间长 溶解度小的组织,半饱和速度快,饱和时间短,理论组织,Haldane根据氮气在体内不同组织中的半饱和时间的不同，对组织进行分类,求饱和状态的计算方法,求饱和度增长幅度、饱和缺额、饱和度累计,公式法,惰性气体的过饱和,减压前已溶入体内的惰性气体，在减压后超过了该压力下完全饱和时所溶解的量，但仍能保持溶解状态，称为惰性气体的过饱和状态 过饱和状态是一种亚稳态，有其极限，未超过亚稳态极限，仍属于安

5、全过饱和,过饱和安全系数,决定于溶解气体张力与外界总气压之间的比值 比值不大于2，则为安全 比值大于2，为不安全,气泡主要成分为N2，占空气成分80% 比值为280%，即1.6,溶解的惰性气体不能保持过饱和的溶解状态通过循环呼吸扩散到肺泡转为自由气体，而在组织内原地逸出，即原地生成气泡，属于致病事故,惰性气体的脱饱和,在高气压下已溶入体内的的惰性气体张力高于外界气体的分压，从而按照压差梯度向体外扩散直至平衡.,惰性气体的脱饱和,脱饱和过程也通过呼吸-循环系统的功能活动而完成 快组织与慢组织 完成50%脱饱和需1个假定时间单位；完成68.437%脱饱和需6个假定时间单位 脱饱和程度也依假定时间单

6、位先后次序 计算脱饱和百分数 S=（1-0.5n）100%,脱饱和与饱和的异同,脱饱和时间较长的原因： 液体对气体分子的束缚作用，尤其是胶体蛋白 脱饱和为保安全，要受过饱和系数控制 快组织与慢组织脱饱和时间有差异 减压过程差生隐形气泡，引起血液流变学的改变，延长脱饱和过程,影响惰性气体脱饱和的因素,安全脱饱和,高压下停留一定时间后 外界气压降低在一定限度内 过饱和的惰性气体呈溶解状态(安全过饱和) 气泡生成,减压不当,凡速度过快、幅度过大而导致机体内气泡形成引起相应病症的减压,称为不适当减压(inadequate decompression)或简称“减压不当”,减压理论&减压表,赵心亮 北京大

7、学 医学遗传学系 北京大学潜水协会,Paul Bert,Paul Bert的雏形潜水减压理论,大部分气泡产生于静脉系统 只有微米级的气泡才能进入到体循环系统 降低减压速度可以减少气泡产生,N2 : 82%84%，CO2 : 15.2%15.9% O2 : 2%,减压理论的里程碑,John Scott Haldane (1860-1936),John Scott Haldane,他发现如果山羊在46米深的海底进行饱和潜水，将其随后进行减压的深度上限设在现有环境压强一半的位置，山羊就不会罹患减压病。将此发现外推至人类，研究人员认为人体组织细胞最多可以承受比环境压强高出两倍的溶解气体压强，如果超过两

8、倍，人们就会患得减压病。,Haldane理论,体内气体溶解和清除过程是对称的 减压病症状的出现和办组织相关 线性减压方法在开始时减压速度太慢，但临出水时减压又太快。 机体是由n种独立的组织组成的，具有不同的半饱和时间。,John Scott Haldane,气泡会自然形成 模型将人体划分为五个对照间隔，它们的半饱和周期分别为： 5分钟、10分钟、20分钟、50分钟和75分钟 饱和：羊 3hr，狗5hr 20m,Haldane 减压操作,Haldane 减压操作,Haldane 减压操作,Haldane 减压操作,Haldane 减压操作,M 值,惰性气体张力与环境压力的限制比例。 某一特定对照

9、间隔在减压过程中可承受的最大氮气压强值 1905年Haldane将它设定在2:1 即潜水员可以从2ATA的深度上升到1ATA而不会得到神秘的DCS病症 Robert Workman在1960年代修正了这个比例。在我们只讨论氮气的前提下，他修改为1.58:1,莱昂纳多.希尔（Leonard Hill）,临界压强差理论 模型主张通过缓慢均匀地减少环境压强来照顾和调节最慢达到饱和的组织细胞。希尔认为减压计划的设计应该取决于组织细胞内部与周围环境之间的最大压强差，以此为参数计算出的减压计划才能有效阻止气泡的增大。 他认为人体组织细胞的运作模式更接近于“类比电路”（以连续函数形式模拟信号的电子电路）而非

10、“数字电路”（通常只关注0和1两个逻辑电平）,莱昂纳多.希尔（Leonard Hill）,Haldane vs. Hill,美国海军减压理论,1915 年版 源于Haldane 在USS F-4潜艇训练中测试 Max 90m 无减压病症状,美国海军减压理论,1937年，美国海军自己研发了一套潜水计划表 五个对照间隔增加至六个 分别为5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、80分钟和120分钟 每一个对照间隔自己专属的M值,Buhlmann 理论,Buhlmann博士对霍尔丹模型进行了改进，将对照间隔的数量扩充至16组，它们的半饱和周期分布于2.65分钟至635分钟这个区间内。 布尔曼博士采用了指

11、数型-指数型（对照间隔吸收和释放气体的速率都是以指数形式变化的）的算法来计算减压计划，后来他又提出了指数型-线性（对照间隔吸收气体的速率以指数形式变化，释放气体的速率则是线性变化）的算法。 1960-1990 持续改进 80-min compartment 作为决定重复潜水的要素 适应高海拔潜水： 0-700m 700-2500m,现代减压理论的探索,微气泡、气泡核 （Neuclei） 微气泡需积聚于气泡核上，方可形成大气泡,Varying Permeability Model,Varying Permeability Model,虾中的大小气泡,气泡种子的体积决定了它在减压过程中的发展趋势：

12、 其体积越大，就越容易发展成真正的气泡； 体积越小，就越容易被压缩。,Reduced Gradient Bubble Model,Bruce Wienke Los Alamos Lab 延长了免减压时长 限制上升速率 10m/min 支持高海拔潜水 支持大深度技术潜水 建议大深度多停留减压 完全基于数据模型（大数据）,Bernhardt Bubble Growth,50m/12min Air vs. Oxygen 3m阶段式减压,RGBM的验证、测试和应,洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，LANL，是美国承担核子武器设计工作的两个实验室之一）

13、近年来一直采用RGBM模型进行潜水，期间共记录398次混合气（三混、氦氧、高氧）潜水，无一例减压病出现。其中，35%的潜水是减压潜水，25%的潜水是不涉及减压、水面间隔停留至少两小时的重复性潜水。 国际潜水教练协会（NAUI）在过去的四年中也采用了RGBM模型计划潜水，在世界范围内总共记录了约700次混合气潜水，其深度范围从18米到150米不等。不论是在温暖的加勒比海还是寒冷的北欧，都无一例减压病发生。 改良版的休闲RGBM模型被写入 Suunto、Abyss、Hydrospace Engineering、Atomic Aquatics 还有 Plexus 的电脑表中，将减压病的发病率降低到了

14、1/10,000以下。 在新墨西哥、犹他、和科罗拉多高山地区的潜水员，记录了约400次应用改良版高海拔RGBM模型进行的潜水，其中无一例减压病发生。,各种减压理论对比,各种减压理论对比 例子,各种减压理论对比 例子,Multi-Deco 软件下载,减压方法,阶段减压法 水面减压法 SCC-DCC减压法 吸氧减压法 轮换呼吸多种气体减压法 “最起码”减压法,阶段减压法,Haldane减压理论要求： 减压速度和幅度必须掌握得使体内惰性气体张力与外界总气压比值不超过过饱和安全系数，以避免发生气泡 又应接近过饱和安全系数，以保证惰性气体的扩散有充足的驱动力,措施,以相当迅速的速度从水底上升一段距离到达

15、浅深度，使组织内的氮气张力与该较浅深度处的总气压比值接近甚至等于过饱和安全系数值 然后停留一段时间，等待组织内安全过饱和的氮气逐渐脱饱和 到领先组织的氮气张力降至与所定其次更浅深度处的总气压的比值接近甚至等于过饱和安全系数时，有相当迅速地上升到更浅的深度 依次反复，直至出水,阶段减压法,阶段减压的实施要点,在潜水员咽鼓管通过性良好和水面供气能充分满足需要的情况下，下潜时间尽可能短，下潜按15m/min30m/min速度进行 潜水员水下工作完毕后，须按减压表规定的速度至第一停留站 必须在第一停留站停留减压一定时间，让体内一部分氮得以脱饱和，然后再上升。自第一停留站到水面，每3米距离设一停留站。潜

16、水员应按减压表规定进行上升和停留。 自第一停留站以后，站间的移行时间均为1分钟,水面减压法,潜水员水下作业结束后上升过程中的停留减压完全不在水下或仅小部分在水下进行，全部或大部分于迅速出水进入加压舱内完成的减压方法 潜水员离开水下最后一个停留站到进舱后加压到规定的压力值之间的这段时间称为水面间隔时间，间隔时间应尽量短，不超过6min。,SCC-DCC减压法,SCC：下潜式加压舱 DCC：甲板加压舱 利用SCC将潜水员吊到水底作业，作业结束离底时上升至第一停留站深度时进入SCC，并又吊至甲板，与DCC对接。,吸氧减压法,在安全用氧的范围内吸用纯氧以完成减压过程的减压方法 吸纯氧可以使肺泡气内惰性气体分压几乎下降到零，有利于惰性气体的充分脱饱和 潜水员在减压至一定深度时开始吸入纯氧，按规定停留站逐站吸相应时间的氧，直至出水 在规定的较浅停留站，较长时间地停留吸氧后，迅速减压不再停留直至常压,轮换呼吸多种气体减压法,在减压开始的更大深度、甚至在减压开始前或加压阶段即开始轮换呼吸含不同惰性气体的混合气，减压到18m后吸纯氧.,“最起码”减压法,在一定深度停留时间不超过一定时间，水下工作时间结束可由工作深处按规定的速度直接上升出水，无需在上升过程中停留减压 在高气压下停留