用人体呼吸生理学原理探讨呼吸器的设计与使用

用人体呼吸生理学原理探讨呼吸器的与使用 用人体呼吸生理学原理探讨呼吸器的设计 与使用 2006年8月矿业安全与环保第33卷第4期 用人体呼吸生理学原理探讨呼吸器 的设计与使用 杜朝辉,周方年 (1.重庆工商大学体育系,重庆400067;2.煤炭科学研究总院重庆分院,重庆400037) 摘要:从人体呼吸生理学原理出发,阐述再生式氧气呼吸器所涉及的人体呼吸生理 学指标,确定 产品设计的几个重要参数值,进而提出产品使用的相关建议. 关键词:呼吸生理;呼吸器;设计参数;使用 中图分类号:'1I)774文献标识码:B文章编号:1008—4495{2006)04—0059—03 再生式氧气呼吸器(以下简称呼吸器)广泛地应 用于矿业,消防,钢铁,石油,化工等行业,人们佩戴 呼吸器可以在窒息性或在有毒有害气体环境中进行 工业性作业或抢险救灾….因为佩戴呼吸器与维持 人体在异常环境中的正常呼吸密切相关,所以正确 地设计呼吸器的各种参数和根据人体呼吸原理正确 地使用呼吸器,对保护呼吸器佩戴者的生命和健康 至关重要. 1呼吸器所涉及的人体生理学原理 人体呼吸过程可分为外呼吸和内呼吸两部分 (见图1),而呼吸器是对人体呼吸系统进行保护,所 以在设计和使用呼吸器时,关键是研究人体外部呼 吸时的物理化学过程,不必考虑人体的组织呼吸(内 呼吸)部分. 血液循环 组织j}日 --02 C(2 一 CO2- 胞 肺通气肺换气气体在血液组织细胞内氧 中的运输换气化代谢 ,—_-,,?—一,—_-,,?—, 外呼吸内呼吸 图1人体呼吸全过程示意图 1.1人体外部呼吸 人体外部呼吸或肺呼吸是指在肺部实现的外界 环境与血液间的气体交换,包括肺通气(外界环境与 肺之间的气体交换过程)和肺换气(肺与肺毛细血管 中血液之间的气体交换过程). 人体要维持基本的功能,必须要进行物质和能 量的代谢,人体与外界环境进行气体交换,吸入o2 呼出新陈代谢过程中产生的氧化产物(co2)].如 果氧化过程中止,会造成某些细胞的生命终止,在数分 钟后机体就会死亡_2J.因此,呼吸是维持机体新陈代谢 和其它功能活动所必需的基本生理过程之一. 1.2肺容积及其组成 人体呼吸系统内的气量是反映进行外呼吸的空 间,是通气和气体交换的基础.因此对人体肺容积 的测定是研究人体呼吸功能最基本的数据_3J.有关 人体肺容积的定义见表1. 表1人体肺容积的定义 名称定义 潮气量(VT) 肺总量(眦) 肺活量(VC) 深吸气量(IC) 补呼吸量(ERv) 残气量(RV) 收稿日期12005—12—05;2006—02—14修回 作者简介:杜朝辉(1),女,四川人,讲师,研究方向功能残气量(FRc) 为人体科学. 每次吸人和呼出的气量 深吸气后肺充分扩张时的气量,是肺活量与残 气量的和 深吸气达到肺总量,所能呼出的最大气量,是 深吸气量和补呼气容积的和 平静呼气后能吸人的最大气量,也是潮气容积 和补呼气容积的和 平静呼气后所能呼出的最大气量 深呼气后肺内残余的气量 平静呼气后肺内存留的气量,是残气容积和补 呼气容积的和.这部分气量起着稳定肺泡气 分压力的作用,是反映机体通气状态的一项重 要指标 ? 59? 2006年8月矿业安全与环保第33卷第4期 肺容积各组成成分是在静态下测量的,是呼吸 生理最基本的数据,其相互关系见图2[,其正常值 见表2【引. 图2肺容量及其组成 O0 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 表2我国成人肺的基本容积和肺容量mL 注:表中各项数值是分别测出的平均值,而不是有关数据相加,因 此肺容量各数据与计算的略有出入. 1.3肺通气量 肺通气量是指每分钟进或出肺的气体总量,即 呼吸频率和潮气量之积.尽力作深快呼吸时,每分 钟所能吸入或呼出的最大气量为最大通气量b].是 估计一个人的劳动强度或运动量的生理指标之一. 人体每次吸入的气体,一部分将留在从上呼吸 道至呼吸性细支气管以前的呼吸道内,这部分气体 不参与肺泡与血液之间的气体交换,故呼吸道称为 解剖无效腔,其容积成人一般约为150mL;进入肺泡 内的气体,也可因血流在肺内分布不均而未能全部 与血液进行气体交换,未能发生气体交换的这一部 分肺泡称为肺泡无效腔.两种无效腔一起合称生理 无效腔J.健康人平卧时生理无效腔等于或接近于 解剖无效腔. 因此,为了计算真正有效的气体交换,应以肺泡 通气量为准,其值为(潮气量一无效腔气量)×呼吸 频率.假设人体在静态时潮气量是500mL,无效腔 气量是150mL,则每次吸入肺泡的新鲜空气是350 mL.若残气容积为2500mL,则每次呼吸仅使肺泡 内气体更新1/7左右.残气容积增加,可使肺泡气 体更新率降低,不利于气体交换.此外,潮气量和呼 吸频率的变化,对肺通气和肺泡通气有不同的影响. 若肺通气量保持不变,在潮气量减半和呼吸频率加 ? 60? 倍或潮气量加倍而呼吸频率减半时,肺泡通气量却 发生明显变化,见表3[.故从气体交换而言,浅而 快的呼吸是不利的[;深缓呼吸对每个人,尤其对呼 吸器佩戴人员则非常重要. 表3不同呼吸频率和潮气量时的肺通气量和肺泡通气量 1.4人体呼吸流速的类型 不同的个体在劳动强度或运动强度不同情况下 的呼吸流速也不相同,大体可归纳为3种:即穹窿 形,平顶形和三角形,见图3. ' , ,/-,.入 s VL/V 1一穹窿形;2—平顶形;卜三角形. 图3人体呼吸流速示意图 人们天生采用的呼吸方式一般是穹窿形和三角 形.穹窿形呼吸的最大通气体积流速比平均通气流 速大40%,6o%,而三角形呼吸的上述数值为80% 一 100%.这种呼吸方式会在相同的呼吸量时产生 较大的呼吸阻力.同时,瞬间呼吸流速的增高会使 含有Co2的呼出气体通过药罐的速度加快,不利于 药罐对Co2的充分吸收.最适宜的呼吸方式是平顶 形,它的最大呼吸速度与平均速度之比为1.1,1.4, 是呼吸器佩戴者理想的呼吸方式. 1.5人体活动强度与耗氧量的关系 在外部呼吸时,肺内产生气体交换,()2由肺泡 气向肺泡毛细管血液扩散(耗氧),而Co2由肺泡毛 细管向肺泡气扩散.人体的耗氧量与人体的活动强 度有着密切的关系l3],见表4. 表4成年男子活动强度分级表(五级) 2006年8月矿业安全与环保第33卷第4期 续表4 序号 ,( 恸 kJ/ra 量 inn'kg)梅脱 4很重42.0—52.02.00—2.4930.7—38.38.0—9.9 5过重?52.3?2.50?38.410.0 注:"梅脱"为人体安静时能耗量的倍数. 人体所必须的气体交换程度可以用改变肺通气 量的方法达到.肺泡气中的Co2分压安静时一般稳 定在5.3kPa左右,是生物学常数.但是可以通过呼 吸中枢的活动来调节Co2分压从而改变肺通气强 度,提高Co2的分压就能加大肺通气强度,而降低 C02的分压则会减小肺通气强度【3].有关研究资料 表明[2],肺通气空气中扩散的o2量的体积比为 4%,5%,而Co2扩散的体积比为3.5%,4.5%. 因此,如果确定了某一活动强度下的耗氧量就能计 算出对应强度下肺通气量的大小. 2呼吸器几个重要参数的确定 在对呼吸器设计时,气囊有效容积,定量供氧 量,自动补给供氧量及手动补给供氧量是几个极其 重要的指标.合理地确定这些参数,不仅可以保证 呼吸器佩戴者的呼吸需求,还能减小呼吸器的质量 和外形尺寸. 2.1气囊有效容积的确定 气囊用于储存人体呼出的气体(过滤C02后), 以供下次吸气时使用.气囊有效容积的大小,直接 影响呼吸器的外形尺寸和质量.若气囊过小,一部 分净化后的呼出气体会通过排气阀排出,不能重复 利用,会造成呼吸器o2的浪费.考虑到呼吸器佩戴 者要从事强体力劳动,因此,气囊的有效容积要大于 肺活量,根据表2列出的成年男性肺活量的平均值, 呼吸器设计时气囊的有效容积取?3.9L较为合理. 2.2定量供氧量的确定 一 般来说,呼吸器佩戴者处于中等劳动强度的 时间最多,呼吸器的定量供氧量应能满足中等劳动 强度时的耗氧量,根据表4定量供氧量取?1.25 L/min,以此作为设计呼吸器储气罐的依据. 2.3自动及手动补给供氧量的确定 当呼吸器佩戴者劳动量增加,定量供氧量不能 满足人体需要时,自动补给阀必须打开,向呼吸系统 提供额外的o2.依据表4,在过重劳动强度下的最 小耗氧量为2.5L/min,此时的肺通气量为2.5/5%= 50L/min(其中5%为肺通气中o2扩散的百分比). 考虑瞬时流速与平均流速比为1.4,则最高呼吸流速 为70L/min.所以自动补给供氧流量应I>70L/min. 而当自动补给失效或呼吸器佩戴者肺通气量较大, 自动补给尚不能满足人体需氧量时,则打开手动补 给阀为呼吸系统补充o2,其供氧量也应I>70L/min. 若自动补给和手动补给同时动作,则可向呼吸系统 提供最大140L/min的气流量. 3人体呼吸生理学原理对呼吸器使用的指 导意义 由于呼吸器呼吸参数是依据大量统计数据确定 的,对少数特殊人群并不合适,因此,呼吸器佩戴者 必须经过挑选,培训. 1)呼吸器佩戴者必须养成深缓呼吸的习惯,一 方面可减小呼吸器无效腔的影响,有利于人体的气 体交换.另外,深缓呼吸是一种平顶形呼吸形式,有 利于降低呼吸气体的瞬时流速,减小呼吸阻力,呼出 气体中的Co2更易被清净罐中的药品吸收,不易发 生Co'中毒. 2)肺活量大的人可以从事强度大,时间长的体 力劳动,但肺活量太大(?6L)佩戴呼吸器时,为保 证人体正常呼吸必须频繁地自动补给,缩短呼吸器 的工作时间.因此,在挑选佩戴者时,肺活量是一个 重要的衡量生理指标. 3)正压氧气呼吸器通过面罩和人体面部结合, 面罩一般是双层结构,外层用于保证呼吸系统和外 界隔绝,而内层小面罩是用于减小呼吸系统无效腔. 人们一般对外层密封功能比较重视,而对内层小面 罩的作用不太注意,如果小面罩和人体面部的间隙 过大必然会增大呼吸系统的无效腔,其后果是不利 于人体的气体交换,严重的会发生Co2中毒.因此 在挑选佩戴者时要考虑佩戴者脸型和面罩是否 匹配. 参考文献: [1]周方年,唐述民.正压氧气呼吸器及其应用[c].重庆:首 届中国职业健康论坛,20O4.157 E2]人体生理学编写组.人体生理学[M].北京:高等教育出 版社,1994 E3]蔡启明,吴海燕.成年男子心率-9能量代谢率关系试验 研究[J].人类工效学,1996,2(2) [4]刘英辉.各种运动强度分类的比较研究[J].山东体育科 技,2001,23(4) (责任编辑:卫蓉) ? 61?