循环呼吸器中氧监测技术的国外应用研究进展

闫 硕，方以群，鲁 刚，顾靖华

·综述与讲座·

循环呼吸器中氧监测技术的国外应用研究进展

闫 硕，方以群，鲁 刚，顾靖华

氧监测;循环呼吸器;氧电池

循环呼吸器(rebreather)发明于1813年，与开放式潜水相比，具有无气泡、隐蔽、延长潜水时间、氧含量高、体内余氮张力低、呼吸气温度不致过低等优点［1］，在欧美军事、水下摄影、休闲潜水等领域开始逐渐盛行。早期，由于技术条件的局限，使用循环呼吸器事故频发，导致大众对循环呼吸器产生一定的误解，认为循环呼吸器是比较危险的。但经过生产商和技术人员不断的努力和改进，循环呼吸器已经进入成熟阶段，并且进入休闲潜水的领域，让潜水更加安全、舒适。

呼吸回路中的氧浓度监测是循环呼吸器的关键技术，其研究和发展具有重要的应用价值。笔者结合MK15、MK16等国外闭式循环呼吸器的原理分析，从循环呼吸器致死事故原因的统计数据出发，着重讨论氧监测技术在循环呼吸器使用中的关键作用，并对目前国际上的各类氧监测产品在循环呼吸器潜水中的应用研究进行展望。

1 循环呼吸器对氧监测的要求

在欧洲和美国，随着循环呼吸器应用的快速增加，与其相关的潜水事故也随之增长。2006年，66名呼吸器制造商、培训机构、政府机关、循环呼吸器使用者及全球潜水组织——潜水员警示网(Divers Alert Net，DAN)联合召开了循环呼吸器致死事故的调查研讨会，针对由DAN收集的1998－2006年80起休闲潜水中使用循环呼吸器潜水死亡的案例，进行了讨论与分析［2］。为降低今后此类事故的发生，与会的业内人士对引起事故的原因进行了分类与识别，认为问题主要集中在医学、设备及潜水程序3个方面。图1为338起开放式呼吸器死亡案例(1992－2003年)和30起循环呼吸器死亡案例(1998－2006年)的事故触发原因对比图。可以看到，设备问题和浮力问题在循环呼吸器死亡案例中最为常见。设备问题主要包括程序问题和设备失灵。其中3起设备失灵问题为:呼吸器进水、无法供氧、100 m洞穴潜水时的一起不明设备失灵;11起准备、保养不当或操作失误引起的潜水程序问题为:供氧阀未打开、电子设备未打开、气体未检查、氧传感器安装错误、氧气喷嘴部分堵塞、连接松动等。

循环呼吸器主要分闭式循环呼吸器(closed circuit rebreather)和半闭式循环呼吸器(semi-closed circuit rebreather) 2种［3］。闭式循环呼吸器通过人手或电子全自动控制气体补充阀门，调整循环系统在不同深度的氧分压并维持其恒定，达到在水下停留更长的时间，半闭式循环呼吸器的供气方式通常可分为氧质量恒定、氧比例恒定和氧分压恒定3种形式，在不同的深度只能采用固定的氧含量，而呼吸回路不是完全密闭，到达一定时间，会将气体排出。

图1 开放式呼吸器和循环呼吸器死亡案例的事故触发原因对比图

循环呼吸器控制呼吸回路中混合气体的基本要求是去除二氧化碳，将其浓度控制在可容忍水平之下，并将氧分压控制在安全范围内。氧分压过低会导致潜水员在毫无预警的情况下发生缺氧昏迷，最终可能导致死亡，氧分压过高会导致潜水员因氧中毒而惊厥，引起溺水。因此，需要实时监测循环呼吸器呼吸回路中的氧分压，并在其过高或过低时，发出听觉、视觉或震动信号来警示潜水员，使潜水员能够针对具体情况采取手动补氧、切换应急呼吸气或暂停上浮等措施［4］。

2 高气压下的测氧手段——电流燃料电池

循环呼吸器利用一种对氧气敏感的传感器——电流燃料电池(electro-galvanic fuel cell)来监测呼吸回路中的氧分压。

当燃料电池中氢氧化钾与氧气接触时，产生的化学反应会在铅阳极和镀金阴极之间的负载电阻上产生电流，该电流与当时的氧浓度(分压)成正比。电流燃料电池多用于潜水技术的氧分析仪中，可在潜水前检测混合气体中的氧浓度［5］，也可用于电控的闭式循环呼吸器，在潜水过程中监测的氧分压变化［3］。

燃料电池也可用于检测潜水加压舱中的氧分压和水面供气式潜水中混合气的氧分压。可直接将燃料电池置于高压环境中，将信号通过穿舱电缆引出来进行监测，也可通过采样将气体减至常压后进行浓度测量再换算为高压下的氧分压。该项技术已在饱和潜水和水面供气式混合气潜水中得到广泛应用［6-7］。

当氧分压超出燃料氧电池的量程之外时，其响应曲线无规律可言，此时用校准方法无法进行修正。为防止由氧电池失效导致的循环呼吸器潜在事故，在每次使用前要对其进行准确的测试。潜水员可在下水前进行测试，如向循环呼吸器回路中充入氧气，使氧分压大于常压时的氧分压，以检测燃料电池是否能在高氧分压情况下正常工作，但这种单点测试无法完全准确的评估燃料氧电池在高压情况下的工作性能。唯一精确的测试方法是在一个可以稳压无漂移的测试校准舱中进行多点测试，并对结果进行对数分析和绘图［8］。

3 氧监测技术在循环呼吸器中的应用

20世纪70年代末期，美国的Biomarine公司联合美国海军进行了一种电控全闭式混合气循环呼吸器MK15的研制。目前美国、英国及澳大利亚海军均在使用其升级版MK16。这类电子控制的闭式循环呼吸器具备一套完整的控氧系统，通过电流燃料电池监测呼吸回路中的氧分压，并通过电子控制的压控自动稀释阀，将氧分压控制在一个合理的定量范围内［3］。图2分别为MK15和MK15.5的含有3个微燃料氧传感器的控氧装置，安装在过滤罐中心位置。同类产品还包括CCR155、CABA1600、SM1600。图3为Narked at 90公司研发的控氧系统。

图2 MK15和MK15.5的控氧装置

对于半闭式和手动补氧等不具备自动控氧系统的循环呼吸器，通常通过外置测氧装置来监测呼吸回路中的氧分压，虽不能控制氧分压，但可在氧分压过高或过低时报警，起到警示潜水员的作用。如Uwatec公司的OXY2可加装在吸气管路上，HSEngineering公司的Explore潜水手表、DeltaP公司的VR2、VR3系列产品可以通过快插接头和燃料氧电池连接。图4从左至右分别为 OXY2、HS Engineering Explore、 VR3。如图5所示，这些外置的测氧装置除了本身具备显示功能外，通常还通过无线通讯技术，使潜水员可以在配套的潜水表上直接读取数据。

图3 Narked at90公司研发的控氧系统

图4 国外的外置测氧装置产品

图5 外置测氧装置与潜水手表的无线通讯

燃料氧电池需要定期进行校准以保证其工作的可靠性。如图6所示，目前公认的第一台燃料氧电池检测装置是Narked at90公司于2005年发布的，但该装置并未取得商业上的成功。该公司2007年发布的改进版赢得了佛罗里达潜水设备制造商展会金奖和2010年Eurotek先进潜水产品革新奖。

综上所述，循环呼吸器气路中的氧监测技术是关系到闭式/半闭式呼吸器使用安全性的关键技术，欧美国家近年来立足于电流燃料电池技术的应用，研发出一系列用于循环呼吸器的测氧产品，该类氧监测技术并不局限于在循环呼吸器中使用，也在饱和潜水和水面供气式混合气潜水中得到广泛应用。为提高我军潜水装具的安全性，进一步保障我军潜水员在训练与作业时的用氧安全，应借鉴国外的技术应用方法，着力研究适用于我军潜水装具的氧监测技术及装备。

图6 Narked at90公司生产的燃料氧电池检测装置

［1］ Shreeves KR.Mixed-Gas Closed-Circuit Rebreathers:An overview of use in sport diving and application to deep scientific diving［C］.Proceedings of Advanced Scientific Diving Workshop，2006.Washington，DC:Smithsonian Institution，2006.

［2］ Richard DV，NealWP，Petar JD.Rebreather fatality investigation［C］.2007 Proceedings of the American Academy of Underwater Sciences 26th.Symposium.Dauphin Island:American Academy of Underwater Sciences，2007.

［3］ Steve G.Rebreathers［J］.South Pacific Underwater Medicine Society(SPUMS)Journal，2003，33(2):98-102.

［4］ Chapter 5.3 Control of the breathing gasmix［EB/OL］.http:// en.wikipedia.org/wiki/Rebreather，2013-05-16/2013-10-11.

［5］ Michael AL.DAN nitrox workshop proceedings［C］.Durham，NC:Divers Alert Network，2000:139-145.

［6］ International Marine Contractors Association(IMCA).D030 Surface Supplied Mixed Gas Diving Operations［M］.August，2005.

［7］ International Marine Contractors Association(IMCA).D022 The Diving Supervisor's Manual［M］.May，2000.

［8］ Chapter1 Cell limitations［EB/OL］.http://en.wikipedia.org/wiki/Electro-galvanic_fuel_cell，2008-03-30/2013-02-28.

R84

A

10.3969/j.issn.1009－0754.2014.06.046

2013－04－12)

(本文编辑:林永丽)

200433 上海，海军医学研究所(闫硕、方以群、顾靖华);海装军械保障部(鲁刚)