脉冲式高浓度单兵制氧机高原实地应用效果评价

谢康宁，韩伟,2，姜茂刚，阮俊勇，丁攀，罗二平

1.空军军医大学 军事生物医学工程学系，陕西 西安 710032；2.解放军第987医院 医学工程科 陕西 宝鸡 721000

引言

我国幅员辽阔，境内有多处高原，其中最大的青藏高原平均海拔4500 m，面积约240万平方公里，占我国总面积的1/4。高原地区低压低氧，容易导致人体产生高原反应。高原反应是由于对环境的习服适应机制尚未建立而发生的一系列应激反应，常见表现为头痛、头晕、恶心呕吐、心慌气短、胸闷胸痛、失眠、记忆力减退、注意力不集中等。急速进入高原者发病率高，症状较重；缓慢进入高原者反应较轻[1]。有资料显示，长期居住青藏高原的人数大约1000多万，每年新进高原的人员超过200万。在这些新进高原人群中，50%以上人员罹患急性高原病（Acute Mountain Sickness，AMS），20% 患慢性高原病（Chronic Mountain Sickness，CMS）[2]。我国既有常驻高原的部队，也有因执行任务而急进高原的部队，因高原反应造成的非战斗减员对部队来说影响巨大。如何在恶劣环境下，确保部队官兵保持清醒的头脑和充沛的体力将是保证部队战斗力的关键[3]。

积极寻找各种有效的促缺氧习服的措施是高原医学工作者不懈追求的目标。在高原地区，当人体缺氧时，通过给氧来增加吸入气体的氧浓度，是临床上治疗高原病的常用方法和有效手段[4-5]。血氧饱和度（Pulse Oxygen Saturation，SpO2）和心率（Heart Rate，HR）都是反映人体循环生理参数的重要指标。平原人群急进高原后，由于空气氧分压急剧下降，从而导致人体SpO2下降，此时机体会代偿性地增加HR以补偿其不良影响[6]。因此适当提高SpO2并降低HR，可以减小机体不良反应，有效预防高原病的发生[7]。

目前，高原上常见的制氧机以市场化产品为主，普遍体积较大，质量较重，多数采用持续供氧方式。在人体呼气过程中，制氧机产生的氧气是多余的，因此持续供氧方式会造成一定程度的浪费，且需要更大功耗。针对以上不足，我们自主研发了一款脉冲式高浓度制氧机（以下简称“制氧机”），并在高原地区通过测量人体吸氧前后的SpO2与HR，对其使用效果进行了实地验证和评价。

1 材料与方法

1.1 实验设备

制氧机由空军军医大学军事生物医学工程学系研制，目标人群是常驻高原和急进高原部队，目前已获II类医疗器械注册证。实物外观如图1所示。机身长宽高为22 cm×8.5 cm×16 cm，重 1.45 kg（不含电池），十分便携；采用交直流供电，提供市电和车载两种电源适配器，电池续航约4 h；以空气为原料，基于分子筛原理实现氧气的富集，制氧浓度为93%±3%，产出气体符合《医用分子筛制氧设备通用技术规范》中产品气的理化指标要求。该款制氧机有两个突出特点：一是采用小型化设计，整机部件均选用小型化低功耗部件，合计设计输气和散热模块，因此体积小，重量轻，功耗低，便于携行；二是采用脉冲式供氧，通过高灵敏度压力传感器感知口鼻吸气和呼气的压力变化，进而控制氧气输出，实现了氧气输出与人体呼吸的同步，很大程度避免了氧气浪费，极大提高了氧气利用率。该款制氧机使用方法非常简便，具体步骤如下：首先连接好电源或电池，按下启动按钮；然后将吸氧管连接到制氧机的出气孔接头，约2 min后预热完毕；最后将吸氧管的另一端连接到人体，即可开始使用。

指脉氧使用飞利浦DB12型，指夹式设计，使用方便，可无创测量SpO2和HR数据。SpO2测量精度为±2%，HR测量精度为±1%或±1 bpm，取较大者。

1.2 实验对象

（1）急进高原人群。在海拔1250 m的平原地域，选取18名常驻人员（至少3个月），近期无服药史，身体健康，均自愿参与本实验。被试均为男性，年龄23～42岁（平均29.2岁）。采取摩托化机动方式急进高原，其中6人到达海拔3700 m地域，12人到达海拔4200 m地域。

图1 脉冲式高浓度单兵制氧机外观

（2）高原习服人群。在海拔3700、4200、5370 m地域，分别选取14、12、8名常驻高原人员（至少3个月），均为男性，近期无服药史，身体健康，均自愿参与本实验。3700 m的14名被试年龄20～31岁（平均24.5岁）；4200 m的12名被试年龄22～34岁（平均26.9岁）；5370 m的8名被试年龄22～32岁（平均25.4岁）。

1.3 实验方法

（1）急进高原人群使用制氧机吸氧前后SpO2和HR对比。进行自身前后对照实验，步骤如下：首先在海拔1250 m地域，静息状态下记录18名被试SpO2和HR数值；然后摩托化机动急进高原（约 4 h和6 h分别到达 4200 m和 3700 m地域，两个海拔所得数据均按高原处理，见图2），静息状态下记录SpO2和HR值；最后给被试佩戴鼻氧管，使用制氧机吸氧5 min，记录吸氧后的SpO2和HR值。

图2 急进高原人群实验设计图

（2）高原习服人群使用制氧机吸氧前后SpO2和HR对比。进行自身前后对照实验，步骤如下：在三个不同海拔高度（3700、4200、5370 m），被试处于静息状态下，首先记录吸氧前的SpO2和HR值；然后佩戴鼻氧管，使用制氧机吸氧5 min；最后记录吸氧后的SpO2和HR值。

1.4 统计学分析

2 实验结果

2.1 急进高原实验组使用制氧机吸氧前后SpO2和HR对比

18名急进高原的被试在平原、吸氧前及吸氧后的SpO2和HR测量结果，见表1。从表1可以看出，被试急进高原后，SpO2明显下降，HR有所上升，二者均具有显著的统计学差异（P＜0.01）。与使用制氧机吸氧前相比，吸氧后SpO2明显上升，HR明显下降，二者均具有显著的统计学差异（P＜0.01）在高原吸氧后SpO2水平与平原相当，无统计学差异（P＞0.01）。

表1 急进高原实验组在平原、高原吸氧前及吸氧后SpO2和HR测量结果（，n=18）

表1 急进高原实验组在平原、高原吸氧前及吸氧后SpO2和HR测量结果（，n=18）

注：*高原吸氧前与平原对比，P＜0.01；#高原吸氧后与高原吸氧前对比，P＜0.01。

组别 SpO2 (%) HR (次/min)平原 94.94±1.11 86.11±12.27高原吸氧前 84.44±4.68* 90.00±12.41*高原吸氧后 95.22±1.06# 78.94±12.19#

2.2 高原习服实验组使用制氧机吸氧前后SpO2和HR对比

在三个不同海拔高度的高原习服被试使用制氧机吸氧前后SpO2和HR测量结果，见表2。从表2可以看出，在3700、4200、5370 m三个不同海拔高度，被试在使用制氧机吸氧后SpO2均明显上升，HR均明显下降，二者均具有显著的统计学差异（P＜0.01）。

表2 不同海拔高度高原习服实验组吸氧前后SpO2和HR测量结果（）

表2 不同海拔高度高原习服实验组吸氧前后SpO2和HR测量结果（）

注：*三个海拔高度吸氧后与吸氧前对比，P＜0.01。

海拔3700 m (n=14) 海拔4200 m (n=12) 海拔5370 m (n=8)SpO2 (%) HR (次/min) SpO2 (%) HR (次/min) SpO2 (%) HR (次/min)吸氧前 90.64±2.37 91.07±14.20 89.17±2.86 88.75±9.86 82.65±3.42 92.33±13.12吸氧后 95.86±0.77* 76.93±6.60* 95.5±0.91* 81.92±10.86* 92.50±2.31* 77.22±10.48*

3 讨论

高原地区大气压小，空气稀薄，氧分压低，机体的心肺功能及对氧的摄取、运输和利用能力是适应低压低氧环境的关键[8]。高原环境中人体器官、组织和细胞供氧量的减少，会严重制约人体在高原地区的作业能力，甚至会危害作业人员的生命健康[9]。在高海拔地区进行运动时，SpO2下降非常明显，HR增加也非常明显。要想减轻高原对机体的危害，就必须设法提高动脉氧分压[10]。该款制氧机便是通过提高吸入气体的氧分压来缓解缺氧状态。通过实验结果可以看出，急进高原后人体SpO2水平明显低于平原（P＜0.01），由于此时身体还未习服，其SpO2水平同样低于已经高原习服的人群。无论是急进高原人群，还是在不同海拔高度的高原习服人群，使用该款制氧机吸氧后，SpO2和HR均得到迅速改善（P＜0.01），约2 min后便逐渐趋于稳定。这说明，该款制氧机抗缺氧效果显著，可迅速缓解缺氧状态，且对于急进高原和高原习服人员都适用。

随着高原医学的不断发展，科研人员发现，对急进高原人群及时地进行氧疗可以明显缓解机体不适，促进高原习服过程，提高人体在高原上的劳动能力和健康水平[11-13]。一系列相关研究指出，不同海拔高度氧体积分数升高1%所对应降低的等效海拔略有不同，在海拔4000～5000 m，增加氧浓度1%相当于降低海拔高度300 m[14-17]。从实验效果来看，急进高原人群在海拔约4000 m的地域使用该制氧机后，其SpO2和HR水平与海拔1250 m地域的水平相当，甚至更优，这说明在海拔4000 m的地域使用该制氧机后，人体机能状态大致等效于平原水平。此次急进高原的被试中部分人员发生了轻度高原反应，表现为头疼、困倦、呼吸急促、胸闷等，在吸氧后这些症状均得到了有效缓解。长远来看，该款制氧机对维护高原官兵身体健康，促进高原习服，提高高原部队作业效能，降低高原部队官兵急慢性高原病发生率均有积极意义。

实验过程中发现了一些现象。由于压缩机组件的存在，制氧机在运转过程中有一定程度发热，这种发热在合理范围内，而这种温升恰好有助于提高产品气的温度，保护使用者的鼻黏膜，有利于提升干燥寒冷高原环境下吸氧的舒适性能[18]。此外，从不同海拔高度的实验结果来看，随着海拔升高，使用制氧机吸氧后最终达到的SpO2均值略微有所下降。我们推测是大气压降低的缘故，随着海拔升高，当人体通过鼻氧管呼吸时，混合气中来自外界空气的分压降低，导致吸入的单位体积混合气中氧含量略微减少。另外，制氧机的原料即空气气压减小，也可能会使制氧效率略有下降。具体原因及定量关系有待进一步实验进行验证。

在实地测试过程中，基层官兵对该制氧机表现出极大的兴趣，一致认为该设备轻巧便携，富氧效果显著，能够满足部队的实际需求。同时他们提出，佩戴鼻氧管吸氧不够方便，尤其是进行特殊作业的时候。这也启发我们不仅要让高原官兵“有氧吸”，还要考虑让他们“吸得舒服”。下一步课题组拟对现用的吸氧装置进行进一步研究和改进，研发适合高原部队使用地更加方便舒适的吸氧装置。