便携式PSA制氧机高原适应性试验及应用效果评价

阮俊勇，姜茂刚，李远辙，翟明明，韩 伟，景 达，蔡 婧，刘 娟，申广浩，罗二平*

（1.空军军医大学军事生物医学工程学系军事医学装备与计量学教研室，西安 710032；

2.海军青岛特勤疗养中心器材科，山东青岛 266071）

0 引言

近年来，我国高原医学取得了长足发展，高原环境对人体的影响也越来越被人们重视。大量研究表明[1-5]，高原低氧环境会对人体中枢神经、心血管、消化、内分泌等多个系统存在不同程度的影响。目前，围绕着高原缺氧问题出现的抗缺氧手段可以分为2类：药物防治[6-8]和吸氧防治[9-11]。人体各系统之间相互关联极为复杂，药物作为靶向治疗手段并不能彻底解决缺氧问题，因此，从根本上来说，吸氧是解决高原缺氧问题的最佳手段。目前主流便携式制氧机大体分为膜分离制氧机和变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）制氧机2种，膜分离制氧机的特点是体积小、耗能少、续航久、富氧气体氧体积分数较低[12-13]；PSA制氧机的特点是富氧气体氧体积分数高、耗能较高、体积较大、质量较重[14-15]，因此续航短且不易便携。经过高原实地调研发现市面上常用的PSA制氧机都是采用连续供氧方式，且大多固定在门诊部、卫生队或家庭使用。

PSA制氧机富氧气体氧体积分数较高，连续供氧方式所产生的富氧气体总量远超过人体正常耗氧量，因此本研究拟采用脉冲供氧方式以降低整机功耗，从而实现PSA制氧机的更易便携。在模拟高原环境下测试了自主研制的便携式PSA制氧机（以下简称“制氧机”）的性能参数，通过对比使用该制氧机富氧前后被试人员血氧饱和度（SpO2）和心率（HR）的变化对其应用效果进行初步评价。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

该制氧机（样机）基于PSA技术[16-17]，改变了传统制氧机持续供氧方式，根据人体吸气-呼气比例，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，最大程度避免了氧气浪费，大大地提高了氧气利用率。该制氧机在平原环境下的设计富氧气体氧体积分数为（93±3）%，自动挡时供气量为40 ml/次、25次/min；总质量为1.45 kg（不含电池），机身的尺寸为 220 mm×85 mm×16 mm（长×宽×高）；整机功率小于90 W；内置可更换锂离子充电电池，一次性充电可连续工作4 h。与当前高原通用PSA制氧机相比，该制氧机具有功耗低、续航久、体积小、质量轻等优点，利于携行。仪器的工作流程图如图1所示。

图1 便携式PSA制氧机工作流程图

1.2 实验对象

模拟高原环境下制氧机应用效果测试：8名进入低压舱模拟急进高原环境的被试人员，其中男性6名、女性2名，年龄22～37周岁，身体健康，无烟酒嗜好，近期未服用任何药物；开始实验前3 d避免剧烈运动。

高原实地环境下制氧机应用效果测试：重新招募8名乘坐飞机到达海拔3 800 m地区（西藏日喀则）的被试人员，其中男性6名、女性2名，年龄25～35周岁，身体健康，无烟酒嗜好，无久居高原经历，近期未服用任何药物；开始实验前3 d避免剧烈运动。

所有被试人员均自愿参加本次实验。

1.3 实验方法与步骤

1.3.1 模拟高原环境下制氧机性能测试

采用低压舱分别模拟3 000、4 000、5 000 m 3个海拔高度，在每个海拔高度对2台制氧机的富氧气体氧体积分数和供气量分别进行3次测试，各海拔高度下3次测试结果的平均值作为最终结果。

制氧机富氧气体氧体积分数测试：采用西安比恩电子科技有限公司生产的BEE-AO-210型微型智能氧气分析仪检测制氧机的富氧气体氧体积分数。该氧气分析仪采用离子流氧传感器（也叫极限电流型氧传感器），其量程为10%～99.99%，测量精度≤±1%FS，响应时间T90≤15 s。

制氧机供气量测试：该制氧机采用非连续供氧方式，无法用气体流量计对其进行流量检测，因此本研究采用倒置量筒排水法进行供气量检测[18]，并假设低压舱内温度、湿度和量筒水压等对测试结果影响很小，可忽略不计。具体实验步骤：取一体积为500 ml量筒，灌满水后用玻璃片盖住量筒，然后倒置量筒于一盛水器皿内，在水下取下玻璃片，保证量筒内无气体残留。然后启动制氧机，选择自动挡，将连接制氧机出气口的导管出气端置于量筒内，每次收集制氧机出气10次的气体体积，取平均值作为制氧机每次供气量（由于该制氧机在使用过程中出气频率因人而异，我们仅检测其在自动挡时每次供气体积作为供气量参考值）。由于供气量采用体积测量法，受低压舱内压力变化影响较大，所以本研究将模拟高原环境下测得的供气量统一转换为标态体积后再进行统计分析。转换公式：标态体积V0=V1×p1/p0，其中V1为模拟高原环境下供气量，p1为模拟高原环境下低压舱内大气压力，p0为海平面标准气压（101.3 kPa）[19]。根据 GB/T 4797.2—2017中提供的计算公式算得西安（海拔430 m）的大气压力为96.3 kPa，海拔3 000、4 000、5 000 m的大气压力分别为70.1、61.6、54.0 kPa[20]。

1.3.2 模拟高原环境下制氧机的应用效果测试

首先，检测8名被试人员进入低压舱前静息状态下SpO2和HR值；然后，将低压舱内压力缓慢下降，使其模拟的等效海拔高度缓慢上升至3 000 m水平（速度10 m/s），待压力稳定后让被试人员静息适应低压环境10 min后记录SpO2和HR值；30 min后，要求被试人员统一使用该制氧机进行富氧（鼻氧管方式富氧5 min）后再次采集SpO2和HR数据，行自身前后对照实验。同理，依次采集模拟海拔4 000和5 000 m环境下被试人员使用该制氧机富氧前后的数据。

1.3.3 高原实地环境下制氧机的应用效果测试

首先，在静息状态下检测8名被试人员的SpO2和HR值；30 min后，要求被试人员统一使用该制氧机进行富氧（鼻氧管方式富氧3 min）后再次采集SpO2和HR数据；然后立即去除制氧机，记录被试人员停止富氧后5、10、15 min时的SpO2和HR值，行自身前后对照实验。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0统计学软件进行统计分析，实验数据以均值±标准差（x¯±s）表示，方差齐性采用 Levene检验，组间差异采用单因素方差分析，组内比较采用配对t检验，P<0.05表示有显著性差异。

2 实验结果

2.1 模拟高原环境下制氧机性能测试结果

模拟高原环境下制氧机的富氧气体氧体积分数和供气量在各海拔的测试结果如图2所示。

图2 模拟高原环境下制氧机性能测试结果（n=6）

结果显示，该制氧机在平原环境下（430 m）富氧气体氧体积分数最高[（93.33±1.05）%] 、供气量最大[（40.83±1.94）ml/次] ，符合设计要求；随着海拔高度的上升，其富氧气体氧体积分数和供气量会有一定的下降（P<0.05），但是在海拔5 000 m高度时富氧气体氧体积分数仍能维持在88%，实际供气量高于36 ml/次，且在固定海拔高度时该制氧机的富氧气体氧体积分数和供气量波动不大，性能基本稳定。

2.2 模拟高原环境下制氧机应用效果评价

模拟高原环境下，使用该制氧机富氧前后被试人员SpO2和HR数据统计结果如图3所示。

图3 模拟高原环境下制氧机应用效果评价（n=8）

结果显示，与平原（430 m）相比，在 3 000、4 000、5 000 m 3个海拔高度下被试人员富氧前的SpO2均显著下降（P<0.05），且海拔越高，变化越大（P<0.05）；HR均显著上升（P<0.05），但3个海拔高度下被试人员的HR无显著性差异（P>0.05）。与富氧前相比，在各海拔高度下使用该制氧机富氧后被试人员的SpO2均显著上升（P<0.05），且均与平原环境下的SpO2无统计学差异（P>0.05）；HR 均显著下降（P<0.05），但是尚未降至平原水平（P>0.05）。

2.3 高原实地环境下制氧机应用效果评价

在海拔3 800 m使用该制氧机富氧前后被试人员的SpO2和HR数据统计结果见表1。

表1 富氧前后SpO2和 HR 测量结果（±s，n=8）

表1 富氧前后SpO2和 HR 测量结果（±s，n=8）

注：*表示与富氧前相比P＜0.05，#表示与富氧3 min相比P＜0.05

富氧前后SpO2/%HR（/次·min-）1富氧前86.00±2.51 75.88±9.30富氧 1 min 96.25±1.16* 66.25±7.74*富氧 3 min 96.50±0.76* 65.25±7.52*停止富氧 1 min 93.00±1.69* 76.63±8.25#停止富氧 3 min 90.75±2.12* 75.88±7.49#停止富氧 5 min 89.88±2.75* 75.88±7.75#停止富氧 10 min 89.25±3.28* 75.25±9.32#

高原实地环境测试结果显示，使用该制氧机富氧1 min即可有效改善被试人员的SpO2和HR水平（P<0.05），且富氧3 min对SpO2的提高效果可以持续到停止富氧后10 min（P<0.05），但停止富氧后HR迅速升高至富氧前水平。

3 讨论

人体在静息呼吸时总氧耗量为200～300 ml/min，呼吸频率为12～18次/min，剧烈运动时总氧耗量比安静时大10倍[21-22]。从图2结果可知，该制氧机在海拔5 000 m高度时富氧气体氧体积分数仍能维持在88%左右，供气量高于36 ml/次，能够满足人体正常需求且设备性能稳定。

SpO2是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。正常人体动脉血氧饱和度为98%，一般认为SpO2正常应不低于94%，有学者将SpO2<90%定为低氧血症的标准[23]。平原人群快速进入高海拔地区时，由于肺泡与肺毛细血管之间的氧分压差明显小于平原，导致在短时间内氧不能完全弥散到毛细血管中，从而引起SpO2下降[24]；同时低氧环境会引发交感神经兴奋，使人体出现代偿性HR加速、心搏及心排血量增加，且海拔越高，HR加速越明显[25]。从模拟高原环境和实地高原环境下的实验结果可以看出，使用该制氧机富氧可以迅速有效改善急进高原人群的SpO2和HR水平，且使用该制氧机富氧3 min对SpO2的提高至少可以维持到富氧后10 min，能够有效缓解急进高原人群缺氧状态，有望为高原地区人群提供更好的抗缺氧方式，对于保障进驻高原人群的身体健康具有十分重要的意义。

高原低氧对人体生理功能的影响是一个复杂的整体性反应[5]，本研究仅从SpO2和HR方面对该制氧机的应用效果进行了初步评价，而使用该制氧机对急进高原人群其他生理指标的影响以及对久居高原人群应用效果的相关评价是下一步继续研究的方向。从实地调研反映来看，该制氧机的续航能力、抗摔打能力仍需进一步改善，以保证能在各种复杂环境中正常使用，质量和便携性仍有改善的空间。