预先吸入不同浓度富氧气体对急性低压缺氧暴露的生理影响

预先吸入不同浓度富氧气体对急性低压缺氧暴露的生理影响 预先吸入不同浓度富氧气体对急性低压缺 氧暴露的生理影响 |rt{|) l50?中华航空医学杂志1994年9月第5卷第3期ChineseJournalANatlaaMedicine5(3).1994.9 预先吸入不同浓度富氧气体 对急性低压缺氧暴露的生理影响 0蔓竺三至丝芏英陈晓勤鬲瑞霞贾玉兰王堆山?// 摘要通过人体急性暴露到低氧性缺氧环境和动物高空迅速减压实验.观察了预先嗳人模拟分子 筛产氧系统不同富氧浓度的气体对应急减压瞬间的生理影响模拟暴发性缺氧实验结果明,当预先供 氧浓度低于6O,在暴露到暴发性缺氧环境lOs内出现缺氧反应,而高于70黼g供氧浓度B蛛出现毓氧 变化+神街高空迅速减压结果进一步表明,减压前预先嗳人氧浓度为7O,l00,在迅速硪压瞬闻的生 理反应墨等效的,吸人各种富氧浓度气体与纯氧之问的血氧饱和度及静脉氧分压无明显差别(P >o.05)t但与迅速减压前呼吸空气(21氧)的结果之间有显着的差别(P<o.05).高空迅速减压时曩皇 体内向外界的反向弥散有两个过程,它与减压瞬间生理效应和有效 意识时间有密切关系.此结果为机羹 分子筛氧气系统的研制与应用提供了生理依据. 啊髓舡瓤蝻徼,獬碲f Eff’ectsofprecededo:c0哪蜘删伽 oMIphyadoiogtca!responsestodecompress/onathlghattlId薯.Xi ?Huajun,WanChanghong?WangYing..Imtitut~AviationMedicine.AirForce,Beijing 100036 A/~trsetToobservetheeffectsofprecededO2fractionalconcentrationsonphysiologicalrespons. eatodecompressionathighaltitudes,thetestssimulatingfulminatinghypoxiaatgroundleve1inbumen. andofrapiddecompressionathighahitudesindogsweremade.Eightyoungmenaged18~21werear— rangedtoinhalegasmixtureofvarious02coneentrations(5O.6O.70,80,90,100)for5 minseparatelyinrandomorder?andtheninhale0.8low—oxygengasfor15s, ECG,HbSo:.Po2and Pco2ofexpiredgaswererecordedfollowingtransferedtolow-oxygengasfor30s.Eightdogsserved” experimentalanimalsinanotherexperiment.ThepreeededO2concentration sUBedwere70,80. 900Aand100一 Decompressionaltitudeswere12km,14km,16km,18km.Followingdecompression thebreathingoxygenrichgaswasturntoairfor30s.andthephysiologicalparameterswererecordedt Thegroupunderwentrapiddecompressionprecededwithair(21O2)wasusedascontro1.There, suitsofthefulminatinghypoxiatestsshowedthatinthegroupsprecededwith50and60O?the hypoxiaresponsesappearedfollowinglow—oxygenexposurewithin10s.w hileinthegsOUp,’~withpre— cededoxygenconcentrationabove70.hypoxiaeffectswerenotfound.Theanimalexperiments demonstratedthattherewasanequivalentphysiologicalreactionfollowingrapiddecompressionwithin6 , 8swhenprecededO:concentrationswere70, 100.Inrichoxygengasgroups.oxyhemoglobin saturationandVenOUSPo2hadnosignificantdifferenceascomparedto10002group,buttherewgs significantdifferenceascomparedwithair(2102)group(P<0.05).Theoxy geninvers]ofldiffusion frombodytoenviromentafterdecompressionhadtwoprocesseswhichwe$’erelatedwiththetimeofel- fectivecon3ciousnessandphysiologicaleffects.Theresultsmentionedaboveprovidethephysiologieal basisfordesignandapplicationofmolecularsieveoxygengenerationsystem(MSOGS). Key~vordsMixedoxygenAlveolarpartialpressureRapiddecompressionHypoxia Oxygeninversiondiffusion 作者单位,100036北京?空军航空医学研兜所 中华航牵疾学杂志1994年9月第5卷第3期 ChinesemofAviationMed~ine5(3),19949 机载分子筛氧气系统已成为现代和未来武 器装备发展的趋势].但是.该系统只能为飞行 员提供富氧气体,达不到供纯氧的要求.不同富 氧浓度能否满足飞行员供氧需要.尤其是在飞 机发生迅速减压时会不会增加暴发性缺氧的威 胁,引起各国航空医学和工程界的高度重 视].以往由于实验方法各异,所得的结果不 尽相同,为此我们进行了如下的实验研究. 方法 一 ,人体模拟暴发性缺氧实验 8名健康男性被试者.年龄l8,21岁,在地 面通过混合气呼吸器,分别吸人5种不同富氧浓 度(50,60,70,80,90)的气体及 100纯氧(以下简称第1,6组),次序随机排 定,持续5min,然后迅速转换供气开关,呼吸低 氧混合气(O,8O)15s(相当于在16km高度 上呼吸空气),尔后转为呼吸空气(21O),共 48人次转吸低氧混合气后,连续心电图, 血氧饱和度,呼出气的氧及二氧化碳分压30s (注:肺泡氧及二氧化碳通常用末份潮气表示, “呼吸气”系指呼出混合气). 二,动物迅速减压实验 受试狗8条,体重l5.5土2,9kg.雄雌各半, 分为两个拉丁方组.禁食24h,用硫喷妥钠全麻 后,行气管插管,气管插管的远心端接上三通 管.在三通管的另两个接头上分别设置1个电磁 阀开关(直径分别为5mm和15ram).井分别与 氧氮混合仪和医用呼吸质谱仪(MGA1100, usA)相连接;再行颈静脉切开术.将氧分压电 极固定于颈静脉腔;然后把血氧饱和度传感器 安放在舌体部.准备就绪后,在低压舱内,接好 测试仪器,按拉丁方设计程序分别进行4种富氧 浓度(70,80,90,100),4个减压高度 (12km,14km,16km和18km)的迅速减压实 验,并与减压前呼吸空气相对照,共35次.具体 减压程序是先呼吸富氧气体5rain,然后以29.3 kPa(220mmHg)的压差,0.3s的时问迅速减 压到各实验高度,与此同时,在舱外通过电磁阀 断开富氧气源,开通外界空气开关,让狗呼吸外 界空气30s,连续记录各种生理指标 实验数据均由医用数据软件包处理,含F 测验和拉丁方变异分析.统计的显着性界限为 尸<o.05. 结果 一 ,人体模拟暴发性缺氧实验 8名被试者除1人因身体不适取消实验外, 均完成了预定的实验.在呼吸不同浓度富 氧气体5min后.突然暴露于0.8Oz的低氧环 境15s期间,大多数被试者无不良生理反应有 5人在第1组实验中出现一过性头晕,胸闷及轻 度恶心,在转为呼吸空气后消失. 肺泡氧分压在实验前无明显差别 (F一2.30.尸>0,05),呼吸各种富氧气体后肺 泡氧分压之间存在豆着差异(F=153.20, P<0.05).暴露于0,8O2的低氧环境后10s, 肺泡氧分压很快下降(P<0.05).由于在地面 模拟实验,氧气装备容腔内外压力基本一致,肺 泡氧分压随呼吸通气逐渐变化,在暴露低氧环 境15s及转为呼吸空气后5s内降至最低,第1 和第2组的肺泡氧分压都低于4.0kPa (30mmHg),且分别持续了15s和10s(表1), 其结果与纯氧组之问有显着的差别(P <O.O5).10s后.第3,4,5与第6组的肺泡氧分 压无显着差别(P>0.O5). 血氧饱和度在呼吸富氧气体5rain后,第1 组与其他组之间,第2组与第6组之间都存在显 着差N(F?38.5,P<0,05).第1,2组的血氧饱 和度在暴露到低氧环境5s时,分别由暴露前降 到93和95}10s时降到88和91;15s时 的平均值最低,为83和87;与第4,5,6组之 间存在明显差别(P<0.05).后4组之问无明显 差异(P>o.05).暴露低氧环境后,让被试者呼 吸室内空气,其肺泡氧分压开始回升,第1,2组 与3…456组之间仍有显着差异(P<o.05,表 2) 中华航空医学杂志1994年9月第5卷第3期ChineseJrof肌 2Medicine5(3lt19949 表I模拟暴发性缺氧实验时肺泡气氧分压的变化(kPatX-~s?一7) Tab1ThechangesofalveolarPao—duringtestsimulatingfulm一 5.98,P<CO.05). 二,动物迅速减压实验 肺泡(呼出气)氧分压在减压前,不同富氧 气体组之间及各减压高度组之间均有显着差别 (F一27.07,P<0.01;F一7.54,P<0.01).在 迅速减压后肺泡氧分压大幅度下降,预先呼吸 空气组即刻降至4-0kPa(30mmHg)以下.而 在减压前呼吸富氧气体组减压到18km于4s, 及其它高度于8,10s期间降至4.0kPa (30mmHg),各富氧组之间存在明显差别 (F?2.36饱和度随肺泡氧分压的降低而下降, 各减压高度组之间有显着性差异(F=7.3, P<0.01).减压前4个富氧气体组之间无显着 性差异(F--0.2,P>0.05),而与空气对照组之 间有显着性差异(F一166.83,尸<0.01).减压 后6,8s,血氧饱和度降至9o,80,4个富 氧气体组之间仍无显着差别,与空气对照组有 显着差~lj(F一37.35,P<0.01),10s后接近空 气对照组水平,无显着性差异(尸>0.05)血氧 饱和度在减压后8,10s明显下降(F?2.68, P<0.05,表4),10s后仍继续下降,20s后的 变化不明显(F=0.39,P>0.05,附图) 衰3迅速减压实验中各组问狗肺泡氧分压的显着性检验结果(P) Tab3ResultsofsignificancetestforalveolarPo2among variousgroups0fdogsinrapiddecompressio~teStS(P1 衰4迅速减压实验中各组间狗血氧饱和度显着性检验结果(P) Tab4Resultsofsignificancetestforoxyhemoglobin saturationamongvariousgroupsofdogsinrapiddecompressiontest(P) L厂tr?? 154?中华航空医学杂志1994年9月第5卷第3期Cfd~ese伸rn 口,AviationMedicine5(3),19949 时问’,附图高空迅速减压后生理指标变化时问’, (左:不同浓度一右:不同高度) FigThechangesof 静脉血氧分压在迅速减压后10S内无明显 降低(F一1.02,P<0.05),15,40s期间下降 明显(F一3.10,P<0.05),45s以后仍继续下 降(F一4.19,P<O.05)各富氧组之间无明显 差别,但与浓度之间呈正相关关系(r一0.902, P<0.05),与高度之问呈负相关变化(r一 0.944,尸<0.05,附图).说明体内组织中的氧 向肺泡内反向弥散的时机是在肺泡氧分压和血 氧饱和度下降至一定程度之后.在减压早期 (8s)内体内组织尚没发生氧的反向弥散. 心电图因实验高度不同而有差别,其中在 12,18km4个高度上发生室性,房性心律失常 的例数是1例,2例,8例,8例.这说明高空暴性缺 氧已经危及重要生命器官的供血供氧,严重影 响着心肌的正常兴奋与传导,产生异位节律.心 率在各高度和氧浓度之间的差异无统计学上显 着性(P>0.05). 讨论 ThomasIt]和Buick先后对预先吸入不同 富氧气体对减压后缺氧状况进行了研究.但研 究的目的与本研究不同,他们的实验是在减压 后继续供富氧气体或改供纯氧,末造成减压前 后呼吸气体氧分压的梯度,看不出体内氧散失 的变化.为此,本实验采用电磁阀控制,减压时 立即停止供富氧气体,统一了减压后均呼吸实 验高度上的空气的实验条件,突出了减压前预 先呼吸不同富氧浓度气体对减压后生理影响的 因素,人为地造成减压后呼吸道与外界大气的 氧分压梯度,并通过响应时间短而精度较高的 呼吸质谱仪测定的呼出气氧分压以及血氧饱和 度,观察出该实验条件下氧弥散的变化特点及 其对生理的影响,获得了各种富氧浓度对迅速 减压后生理影响的数据. 一 . 不同富氧浓度对暴发性缺氧的生理影 响 高空减压后暴发性缺氧对高空飞行安全有 致命的威胁.Ernsting等人根据减压前呼吸 空气和纯氧两种条件下,迅速减压到12192m (40000英尺)高度的实验结果,提出减压前供 纯氧可防止迅速减压后不发生一过性意识丧 失,这一结论已被许多作者所接受].然而,在 机载分子筛供氧条件下能否保证应急情况下人 体的救生安全,这是航空工程设计和医学生理 人员极为关注的问题J. 本研究结果表明,当预先供氧浓度低于 6O,在暴露到低氧环境中1Os会出现一过性 缺氧反应,如头晕,胸闷,恶心,心率加快等症 状,此时血氧饱和度低于90,肺泡氧分压很快 降至4.0kPa(30mmHg)以下.而预先呼吸 70以上的各富氧浓度组在暴发性缺氧环境 中,无不良生理反应.在迅速减压瞬问,动物肺 泡氧分压保持减压前水平,8,1Os内均降至 4.0kPa,血氧饱和度在6,8s降至9O左右; 静脉血氧分压10s内无明显下降,继肺泡氧分 压和血氧饱和度下降到一定值后,15s开始明 显下降.呼吸富氧气体与呼吸空气的生理指标 变化有明显差别,而富氧浓度组之间无明显差 别.此结果进一步说明,迅速减压前吸氧浓度对 减压后是有生理影响的,证实了Ernsting的观 点.7O以上的吸氧浓度,而不一定要100氧 气郎可避免减压瞬间缺氧的产生. 二,不同富氧浓度对减压后应急供氧生理 效应的理论依据 实验结果表明,当预先吸入供氧浓度大于 70时,在迅速减压瞬间暴露到低气压环境中, 生理效应基本一致,与供纯氧的效应无明显差 别.这与氧在体内存在的形式和运输方式有关. 当预先吸入供氧浓度在7O以上时,肺泡 氧分压大于13.3kPa(100mmHg).在该气体 环境中体内99.2的氧是以化学形式存在的, 血浆中物理溶解不足0.8,有97.5的血红蛋 白已充分氧合,处于氧解离曲线的平坦段, Buick等0最近的实验也有类似结果.在此基 础上即使增加供氧浓度或氧分压,氧合血红蛋 白也不会大幅度增加,这就不难解释为什么在 动物和人体实验中,预先吸入7O以上不同的 富氧浓度的气体减压瞬间的生理效应无明显肺泡中弥散,血氧饱 和度迅速降低.随后,肺泡氧分压进一步降低, 15s后接近空气水平,体内组织中氧分压与肺 泡气氧分压之间出现一个与正常氧运输梯度相 反的氧分压差值,此时进人肺循环的血液不仅 不能从肺泡中摄取氧气,反而向肺泡弥散氧气, 具体表现在静脉氧分压和血氧饱和度的进一步 降低,心电出现节律紊乱和心肌异位激动矗是 氧反向弥散的第二个过程. 影响氧反向弥散第一个过程的因素有减压 高度,减压前供氧浓度,供氧装备的容腔大小及 其供氧管道断开与否.上述因素与减压早期生 理效应和有效意识时间有密切的关系,是氧气 装备设计的主要生理依据.氧气装备只有在减 压后的最初阶段完成应急供氧,才能保证人体 救生安全,否则随暴露时间的延长,氧弥散发展 到第二过程,再应急供氧则已为时过晚.因此, 分子筛氧气系统的设计只有在平时供氧浓度不 低于7o的前提下,才能保证在1Zkm以上发 生高空迅速减压或氧源出现故障时,在3,5s 内给人体实施紧急供氧或加压供氧而不发生一 过性意识丧失. (对空军航空医学研究所张玉明,贺登焰主 任的指导,航天医学工程研究所杨天德,刘学 博,张长春同志的大力协助表示感谢.) 参考文献 1ThomasEN.RonaldDH.HypoxJnsymptomsresulting fromvariousbreathinggasmixturesathighaltitude SAFEJourna1.1989{2:20,Z8 2BuickF.Oxyhemogiobinsaturationfotlowingrapiddecom pressionto18288mprecededbydilutedoxygenbreath— ing.AviatSpaceEnvironMed?1991I82(12)|1119,1128 3XinoHuajun,HeDengynn,ZhangYumlng.Thephysiolog ica[requirmentontheconcentrationofaircrafts’oxygen supplyequipmentProceedings2鼽hSAFEannualsympo— siom.Nevada.1991:192,184 4Ernst44 8肖华军.张玉明.航空氯源的必然趋势——机羲分子缔?航 空系统工程t1992F(2):35,38 [1993一o4—26收藕1994一o7—3o謦回] (本文编辑:安敏) i ?告作者本刊欢迎下列文稿:有关航空医学各分科及与航空医学有关的边缘学科的研究论着,实践经验,文献 综述,述评,专论,学术讲座,读者意见和消息报道等来稿可用中文或英文书写,英文稿优先发表.中文稿一般不超 过5000字,英文稿一般不超过4000个实词.来稿务请一式两份.中文稿件请用3D0或400字方格稿纸单面正楷横写, 标点清楚并占一格或单面打印在16开或A4白色书写纸上,每行20字,行问距不小于4mm,字号不小于5号.英文稿 件或中文稿件中的外文字一律打印.外文字除英文外.请注明文种.题名页,中英文摘要和关键词,正文,致谢,参考 文献及插图均另起一页.从题名页开始连续计算页码. (本刊编辑部)