模拟100 m氦氮氧常规潜水水下阶段减压方案的计算与动物实验验证*

李洋洋， 石 路, 2△， 张延猛， 肖婵娟， 刘洪涛

(1. 上海交通大学海洋水下工程科学研究院， 上海 200231； 2. 上海交通大学-千叶大学国际合作研究中心， 上海 200240)



模拟100 m氦氮氧常规潜水水下阶段减压方案的计算与动物实验验证*

李洋洋1， 石 路1, 2△， 张延猛1， 肖婵娟1， 刘洪涛1

(1. 上海交通大学海洋水下工程科学研究院， 上海 200231； 2. 上海交通大学-千叶大学国际合作研究中心， 上海 200240)

目的：制定100 m氦氮氧(Trimix)常规潜水水下阶段减压方案并通过模拟家兔100 m Trimix常规潜水对方案的安全性和可行性进行验证。 方法：根据何尔登理论(Haldane theory)，确定适合100 m Trimix常规潜水水下阶段减压方案计算的假定时间单位、理论组织分类、氮过饱和安全系数及其选取方法，建立潜水减压方案的计算方法。本实验减压方案计算中共取五类理论组织：5 min、10 min、20 min、40 min和75 min，氮过饱和安全系数则以1.6计算；8只家兔作为对照组，8只潜水组家兔按实验设计和计算所得减压方案实施模拟100 m Trimix常规潜水，通过比较和观察潜水组家兔肺、脑组织湿干比的变化以及行为学表现来评价减压方案的安全可行性。 结果：按计算得到的减压方案减压出舱后的家兔均未出现行为学异常；潜水后家兔肺、脑组织湿干比均较对照组无显著变化(均P>0.05)。结论：按haldane理论计算得到的减压方案安全可行，潜水呼吸气的配比浓度使潜水家兔不致发生氧中毒和氮麻醉，减压时在肺型氧中毒剂量单位(UPTD)安全范围内使用富氧气体大大提高了潜水效率。

氦氮氧常规潜水；何尔登理论；减压方案；湿干比；家兔；动物行为学

近年来，潜水人数逐年递增，据估计目前全球已有约700万人活跃于运动潜水。但空气潜水的深度因为氧中毒和氮麻醉而受限，为防止氧毒性、氮麻醉以及减压病的发生，SCUBA(self-contained underwater breathing apparatus)空气潜水一般限制在60 m。氦氧潜水(heliox diving)虽然可以下潜的比较深，但氦气昂贵的价格和“氦语音”现象是其主要缺点，而且在100 m(11 ATA)时，氦氧潜水易出现高压神经综合征(high pressure nervous syndrome，HPNS)，而降低HPNS发生风险的有效措施就是在呼吸气中加入少量麻醉性气体(比如氮气)[1]。氦氮氧混合气(Trimix)潜水技术可以通过改变呼吸气组分最大限度地减小氧中毒和氮麻醉的发生从而下潜的更深[2，3]，而且Trimix中适量的氮气还可以防止大深度潜水中HPNS的发生[1]。减压时将呼吸气换为富氧气体(enriched air nitrox, EAN)或纯氧可以缩短减压时间，而减压时间减少可以大幅提高潜水工作效率。因此Trimix潜水较常规空气潜水和氦氧潜水在医学保障和潜水操控方面均具有不可比拟的优势，而我国目前尚无Trimix常规潜水减压表的相关研究，因此设计一套安全可行的Trimix常规潜水减压表就显得尤为重要。本研究以家兔为实验对象，根据何尔登理论(Haldane theory)建立了模拟100 m Trimix常规潜水作业水下阶段减压方案，并通过观察家兔行为学、检测敏感组织湿干比来评价减压表的安全可行性，为建立并完善Trimix常规潜水减压表提供前期实验数据。

1 材料与方法

1.1 动物分组及实验材料

健康雄性家兔16只，购自上海市松江区车墩实验动物良种场，体重2～3 kg，室温饲养，正常喂食，自由饮水。将动物随机分为两组(n=8)：对照组不进行模拟潜水；潜水组，按实验设计进行模拟潜水。

1.2 实验设备及模拟潜水方案

高、低压两用动物舱，舱容0.3 m3，模拟高气压最大为6 MPa。

模拟家兔100 m Trimix常规潜水加减压方案为：加压下潜速度10 m/min，减压上升速度6 m/min。加压时50 m以浅家兔呼吸空气，50 m以深往舱内补入氦气使呼吸气成为Trimix，加压到100 m时舱内混合气为Tx14.5/41.8(14.5%氧，41.8%氦，43.6%氮，下同)，在100 m停留30 min后按计算所得减压方案减压，具体各停留站设置及停留时间见图1。

Fig. 1 Schedule of simulated 100 m Trimix conventional diving

潜水过程氧分压控制在1.6 ATA以下，氮分压控制在4.8 ATA以下。高压暴露期间持续通风，并于舱底放置钠石灰以吸收家兔呼出的CO2，暴露过程中舱内温度保持在22℃～28℃。

1.3 观察、检测指标

按实验设计的加减压方案实施模拟100 m Trimix潜水，观察、分析家兔以下生理指标。

1.3.1 行为学的观察 家兔出舱后30 min内的整体行为学指标包括行走困难，前肢和(或)后肢瘫痪等。1.3.2 组织湿干比 由于减压不当会影响家兔肺间质、肺泡血管以及血脑屏障通透性，进而引起肺、脑组织水肿改变组织湿干比，因此肺、脑组织可以作为评价减压方案安全与否的敏感组织。本实验分别取对照组和潜水组家兔肺、脑组织，在冰生理盐水中漂洗去组织表面残血，用滤纸吸干组织表面，称湿重；放置80℃烤箱内连续烘烤72 h，称干重，计算组织湿干比。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 模拟100 m Trimix水下阶段减压方案的计算

2.1.1 氮过饱和安全系数的选择 本研究减压方案的计算中按氮过饱和安全系数1.6计算。Haldane关于过饱和安全系数的理论，要求减压过程的速度和幅度必须掌握得使体内的惰性气体张力与外界总气压的比值不超过过饱和安全系数，以避免发生气泡；又尽量地接近过饱和安全系数，以保证惰性气体的扩散有尽量充足的驱动力。选取1.6为合适的过饱和安全系数可以满足本实验减压方案的计算。

2.1.2 领先组织的确定 Haldane根据不同组织中氮的半饱和时间不同而对组织进行分类，这样分类的组织被称为理论组织：含脂肪多而血液灌流少的组织，半饱和时间会很长，称为慢组织；含脂肪少而血液灌流很多的组织，半饱和时间会很短，称为快组织[4]。本实验共选取5类理论组织，Ⅰ类为5 min组织, Ⅱ类为10 min组织, Ⅲ类为20 min组织, Ⅳ类为40 min组织,Ⅴ类为75 min组织，依次由快组织到慢组织。领先组织为饱和程度最高的组织，确定领先组织时首先找出氮张力最高的那一类组织，并求出该类组织在相应停留站必须脱饱和的氮张力，然后再与后一类组织必须脱饱和氮张力乘以2的积进行比较，如果后者的乘积大于临近前一类组织必须脱饱和的氮张力，即以后一类组织为领先组织；反之，则以前一类组织为领先组织。

2.1.3 根据Haldane理论的方法、步骤和公式计算减压方案[4]计算的基本原理就是Haldane关于惰性气体在体内饱和、过饱和及脱饱和的理论。计算步骤主要包括四步：(1)计算水下停留结束机体各类理论组织的氮张力；(2)根据减压前领先组织的总氮张力及氮的过饱和安全系数算出第一停留站的深度；(3)计算出在停留站必须停留的时间，这是由领先组织脱去必须脱饱和的氮张力所需时间决定的；(4)计算出停留站停留结束时组织内的氮张力。第3、第4步根据具体停留站的多少，逐站反复计算，直至出舱。计算氮张力、假定时间单位数、饱和(或脱饱和)百分数时各类理论组织都应分别进行计算。计算所得各停留站深度及停留时间见表1，即本实验减压方案。减压至第一停留站45 m耗时10 min,期间家兔呼吸Tx14.5/41.8；到达45 m停留站后家兔换吸空气直到 25 m停留站，呼吸空气时间为21 min(不包括移行时间)；到达20 m停留站后家兔换吸EAN(50%氧-50%氮)直到8 m停留站，呼吸EAN时间为54 min(不包括移行时间)；到达6 m停留站后家兔换吸纯氧直到减压结束，呼吸纯氧时间为35 min(不包括移行时间)；站间移行时间6 m以深为1 min/stop，6 m以浅为2 min/stop，从第一停留站到减压结束总移行时间为18 min，减压总时间为138 min(表2)。

2.1.4 肺型氧中毒剂量单位(unit pulmonary toxic, UPTD) 整个模拟潜水过程中氧分压始终控制在1.6 ATA以下，模拟潜水减压至45 m时将舱内Trimix置换为空气，减压至20 m时将舱内空气置换为EAN；减压至6 m时将舱内EAN置换为纯氧(≥95%)。整个潜水过程中UPTD值为243.53，大大小于615，故不致发生肺型氧中毒。减压时在UPTD安全范围内换用EAN或纯氧作为呼吸气大大缩短了减压时间，提高了潜水效率。

2.2 模拟100 m Trimix水下阶段减压方案的动物实验验证

2.2.1 动物行为学观察结果 按计算所得减压方案出舱的家兔30 min内走动步态和四肢落地情况良好：均未出现行走困难、前肢和(或)后肢瘫痪等症状。

2.2.2 肺、脑组织干湿比检测结果 潜水组织湿重与干重之比为5.83±0.44，对照组为5.82±0.42；潜水组脑组织湿重与干重之比为4.83±0.24，对照组为4.98±0.19，两组相比较均无显著差别(均P>0.05)。

2.2.3 其他指标的测定结果 潜水组家兔其他指标检测结果显示潜水后家兔心率、心电图、心率变异性较对照组无显著变化，未见窦性心律失常等改变；血清氧化-抗氧化指标SOD、CAT、GSH、MDA、LPO和组织炎性因子IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-8、MPO、MMP-9在模拟潜水后均处于正常生理允许范围内，此部分具体内容另文报道。

按计算所得减压方案减压出舱的动物未出现减压病，提示该减压方案安全可行。

Tab. 1 Underwater decompression schedule of simulated 100 m Trimix conventional diving

EAN: Enriched air nitrox

Tab. 2 The total decompression time of simulated 100 m Trimix conventional diving

Travel time: 1 min/stop (≥6m), 2 min/stop (<6m)

3 讨论

由于Trimix潜水在防止氮麻醉、氧中毒和减小HPNS发生等方面的优势，越来越多的人开始研究Trimix潜水技术，Van Liew和Burkard等人[5]的研究表明Trimix潜水在减少峰值气泡体积方面比常规空气潜水和氦氧潜水更有效；日本的Trimix潜水实例表明，相比于常规空气潜水，Trimix潜水技术在大深度潜水工程中能更好地进行健康与安全风险管理[6]。虽然Trimix潜水的优势得到业界普遍认可，但目前并没有公认的Trimix减压方案，而且在气体配比、减压换气方面也没有统一标准[7-9]。Trimix潜水中减压表的设计是重中之重，Trimix减压表研制的关键是最大限度的减小氮麻醉、氧中毒、以及减压病的发生对潜水员造成的伤害，这取决于呼吸气分压、暴露时间、潜水时的体力负荷等诸多因素；同时Trimix的配比和减压时气体的置换也是Trimix潜水不可忽略的环节。纵观国内研究现状，还未见有大深度Trimix常规潜水的相关研究，因此本实验的开展就显得尤为重要，兼具创新和理论意义。

本研究以Haldane经典理论计算减压方案，虽然Trimix含有两种惰性气体：氮气和氦气，但由于氦气较快的饱和、脱饱和性质，本实验在计算时以氮气过饱和安全系数1.6计算，并选取经典的5 min、10 min、20 min、40 min和75 min五类理论组织，结果表明这种最经典的算法得出的减压方案是安全可行的：减压结束后30 min内家兔未出现行走困难、前肢和(或)后肢瘫痪等异常行为学；以往研究表明组织湿干比的变化对高压下机体生理功能的评价十分重要[10]，肺、脑组织W/D较空白对照组无显著变化，说明潜水后家兔肺间质及肺泡血管通透性良好，血脑屏障及脑微循环正常，未发生炎症反应引起的肺、脑水肿。另外在模拟潜水过程中还对家兔心电图、血清氧化-抗氧化指标、以及组织炎性因子的表达等进行了测定，结果也提示本减压方案安全可行。在气体配比方面，本实验主要控制潜水过程中的氧分压、氮分压不超过耐受限值，家兔在50 m以浅呼吸空气，50 m时达到氮分压控制最大值4.8 ATA，随后在50 m以深停止供应空气，氮分压不再升高，随后往舱内补入氦氧混合气，氦氧混合气的比例以加压到100 m时的氧分压最高控制值1.6 ATA进行配比，本实验的氦氧混合气比例为8%氧-92%氦，这样就保证了在加压到目标深度100 m时，家兔呼吸的气体为Tx14.5/41.8，又确保氧分压和氮分压在合理的范围内不至于发生氧中毒和氮麻醉现象。因为机体过长时间呼吸高分压氧气会导致肺型氧中毒，高分压氧气在肺组织内产生过量的活性氧(reactive oxygen species, ROS),损伤肺组织上皮细胞和血管内皮细胞,炎性细胞渗入肺泡,形成炎症,影响肺组织气体交换,最终可能造成死亡[11]。本研究中置换气体的氧浓度逐级增加，在达到第一停留站时即将Trimix换为空气，随后在20 m时换为EAN，6 m时换为纯氧，这样既保证家兔在安全的UPTD范围内，又确保其不至于在短时间内承受高氧分压，大大缩短了减压时间，提高了潜水工作效率。

由此可见，家兔在11 ATA压力下进行40 min的水底停留(包含下潜时间)后，按计算所得的减压方案经过138 min后完成安全减压，且均未出现减压病，说明本文所述的计算方法和气体配比对100 m Trimix常规潜水是适用的，这对我国今后设计一系列不同潜水深度-不同水底停留时间的Trimix常规潜水减压表有非常重要的理论和参考价值。

本实验通过模拟100 m Trimix常规潜水动物实验，表明按Haldane理论选取5类理论组织和氮过饱和安全系数1.6计算所得的减压方案安全可行，按计算配比的混合气浓度不致使家兔发生氧中毒和氮麻醉，减压时EAN和纯氧的使用大大提高了Trimix潜水效率，填补并丰富了我国目前在潜水医学领域研究的空白和不足，这对今后Trimix常规潜水技术的实际应用(如大深度隧道施工、潜艇救援、水电站建设等)和人员医学保障都有十分重要的指导意义。

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Calculation of underwater decompression schedule for the simulated 100 m Trimix conventional diving and verification of the schedule with animal experiment

LI Yang-yang1, SHI Lu1,2△, ZHANG Yan-meng1, XIAO Chan-juan1, LIU Hong-tao1

(1. Shanghai Jiao Tong University, Institute of Underwater Technology, Shanghai 200231； 2. Shanghai Jiao Tong University-Chiba University International Cooperative Research Center, Shanghai 200240, China)

Objective: To explore the underwater decompression schedule for 100 m Trimix conventional diving operations and evaluate its safety through a simulated rabbits Trimix conventional diving. Methods: According to the Haldane theory，the assumed time units，the classification of tissue compartments，the nitrogen super-saturation safety coefficient and the selection of methods used for the calculation of the simulated 100 m Trimix conventional diving schedule were properly selected，and the calculating method for the dive decompression schedule was thus firmly established. In our experiments, five tissue compartments were selected during the calculation of decompression schedule : 5 min, 10 min, 20 min, 40 min and 75 min, and the nitrogen super-saturation safety coefficient was calculated by 1.6. Eight New Zealand rabbits were performed a simulated 100 m Trimix dive program which was established according to the Haldane theory, and eight rabbits for intact group. The tissues wet/dry ratio and ethology were detected and observed before and after the simulated diving to evaluate the safety of decompression schedule. Results: By using the developed underwater decompression schedule，abnormal ethology changes in rabbits could not be observed after compression and decompression to the surface; and the tissues wet/dry ratio of simulated diving rabbits had no significant changes compared with the intact group (P>0.05). Conclusion: The decompression schedule calculated by Haldane theory seemed to be safe and reliable，the diving breathing gas concentration did not cause oxygen toxicity and nitrogen narcosis among the dive rabbits, and dive efficiency was greatly improved by using enriched oxygen gas in UPTD safety range during decompression.

Trimix conventional diving; haldane theory; decompression schedule; wet/dry ratio; rabbit; ethology

中华人民共和国科学技术部专项基金(2012EG124043)

2014-10-16

2015-02-28

R84

A

1000-6834(2015)03-197-04

10.13459/j.cnki.cjap.2015.03.002

△【通讯作者】Tel： 13701696884； E-mail： shilu@sjtu.edu.cn