高压氧疗法及应用研究现状

【作 者】林高藏 ，刘晨沁 ，乐航宇 ，叶继伦，张旭，金浩

1 深圳市生物医学工程重点实验室，深圳市，518000

2 深圳大学 医学部 生物医学工程学院，深圳市，518000

3 湖南泰瑞医疗科技股份有限公司，长沙市，410035

0 引言

近年来，我国发生窒息的活产婴儿数量达到两百多万，因为窒息导致婴儿残疾的数量超过四十万，其严重性足以引起重视[1]。发生窒息时可采用呼吸机结合高压氧疗法的治疗方式，当患者体内氧气充足后，身体可以逐渐恢复至稳定状态，以达到抢救的目的。

高压氧疗法（hyperbaric oxygen therapy，HBO）是一种通过呼吸面罩在高压环境下呼吸单一氧气或高浓度氧气治疗缺氧、缺血性疾病的方法，所吸入的氧的浓度可达到99%，血氧含量约为常压下吸氧的数十倍[2]。由于该治疗方式加入了负离子生成装置，没有侵害性，也没有任何毒素，具有无创、无害、操作简单、副作用小以及抗菌等特点，并且它还能够增强细胞代谢，因此已经逐渐发展为目前临床上各种疾病治疗中不可或缺的一种措施，被国内外医学领域广泛承认[3-4]。

1 简介

1.1 高压氧发展历史

国外高压氧发展早于国内，至今已有两百多年历史，高压氧舱的生产始于1860年。保罗伯特被认为是高压氧医学之父，描述了HBO疗法的有效性。同年，Haldane报告一氧化碳中毒可以通过HBO治疗法得到有效治疗[5]。到了19世纪，法国人使用2～4个大气压的压缩空气治疗肺疾病，取得了不错的效果[6]。当今国外主要高压氧舱的生产商主要有美国SECHRIST高压氧舱制造公司、美国伯明翰Nidek医疗器械公司、日本川崎工程公司高压氧舱部以及著名家用高压氧舱公司O2BOX，其主要产品有美国的3300E、3600H，日本的O2BOX等。

我国高压氧医学开始于1964年，但发展十分迅速，随着医、技、护各类从业人员不断增加，高压氧舱的发展迎来新的曙光。国内为首的生产厂家主要是烟台冰轮高压氧舱有限公司以及上海七零一所杨园高压氧舱有限公司，主要产品包括多功能高低压舱、便携式软体舱、便携式医疗加压舱等。图1为中国高压氧医学发展过程。

图1 中国高压氧医学发展过程Fig.1 Development process of hyperbaric oxygen medicine in China

1.2 高压氧治疗原理

图2 机体气体交换过程Fig.2 Gas exchange process of engine block

（1）血管收缩作用：CO中毒是常见的缺氧性疾病，不同的机制导致了高水平的毒性。最常见的是分子中铁离子的高亲和力促进了与血红蛋白的强结合，致使机体缺氧[7]。高压氧可以调节血管收缩舒张功能，促进侧支循环建立，增强缺血区血流量，改善局部缺血、供血和供氧；将水肿从细胞间向血管内区域收回，减少溶解氧，到达组织所必须超过的距离。

（2）压力作用：根据博伊尔-马里奥特定律，气体在压力的作用下体积会缩小。在加压期间，含有气体的腔体会收缩。肺部的空气可以通过呼吸变窄；鼻窦和场内的空气自由平衡。有了这种效果，就有可能缩小组织和血管内区域的气泡，并降低疾病中的组织血压[8-10]。

（3）抗菌作用：由于氧舱是富氧环境，不利于厌氧菌的生存，随着氧分压的升高，其生长逐渐受到抑制。此外，当氧气含量充足时，过氧化物质增加，白细胞的杀菌作用也有所增强。有研究显示，通过HBO治疗可以有效地提高肺部感染患者的治疗效果，足以看出高压环境对于细菌的抑制作用[11]。

1.3 高压氧舱的类型

根据加压介质的不同，一般来说，高压氧舱可以分为空气加氧舱和氧气加压舱；按用途又可以分为婴儿舱、潜水舱、动物实验高压氧舱等。

空气加压舱也叫多功能高低压舱，这是一套综合的系统设备，主要由舱体、舱门、供氧系统、控制系统等一系列部件组成，主要用于常规的高压氧治疗，可同时容纳多人，其加压介质是空气，舱内可进行多项操作，治疗时需要佩戴呼吸面罩，其结构见图3。氧气加压舱体积较小，只能容纳一人，即所谓的单人舱，但治疗不需要戴呼吸面罩吸氧，但是由于其加压介质是氧气，所以对安全性要求较高，其事故发生率远高于空气加压舱。婴儿舱一般是纯氧舱，由于婴儿没有认知能力，因此使用时要格外小心；潜水舱一般用于治疗潜水减压病，它的加压可达到10个大气压以上，就该设备本身而言，潜水舱的生产要求更高。

图3 空气加压舱结构Fig.3 Structure of air pressurization tank

2 技术进展

目前，国内氧舱主要以供医院使用的多人舱为主，最新技术显示该设备采用优化的双机组合设计，设备包含加减压、供排氧、氧浓度分析、压力监控等主要功能[12-13]，双机组合设计可确保开机率达到100%。图4是高压氧舱电路控制结构。而国外主要以家庭治疗的微氧舱为主，尤其是日本O2BOX公司生产的胶囊型高压氧舱深受国内外欢迎，其核心零部件材料都是日本工厂设计制造，相关系统的核心算法相对来说比国内更加准确。

图4 高压氧舱电路控制结构Fig.4 Circuit structure of hyperbaric oxygen chamber

2.1 气体加减压技术

气体加减压部分主要由空气压缩机、冷干机、油水分离器、储气罐、空气过滤器以及高压氧舱加减压阀门组成，图5为其结构示意。其核心空气压缩机负责将常压下的空气转换成高压空气，作为气源的最初来源。目前国内产品采用最新的箱装式静音型螺杆空压机，噪声低，寿命长，排气压力为3.0 MPa，排气量为13.5 m3/min[14]。

图5 加减压部分结构Fig.5 Structure of pressure adding and reducing part

以前的氧舱加减压控制系统设置在中央控制台，需要专业的操作人员对其进行手动控制，此方法耗时耗力，通过总结经验以及汲取用户实际使用过程中的反馈意见，目前新研发定型的一项成熟技术可以通过对压力的监测实现自动加减压。该技术通过主控板上的压力传感器感知舱内压力的变化，然后通过单片机自动控制气体流量调节阀的开度，调节出气量[15]。而氧气舱采用俄罗斯航天技术及国际较先进的备份技术，进行智能气动控制，能在45 s内将舱内压力降至0.0 MPa。

由图8可以看出:系统运行0.8 s时,4#变流器退出运行,其输出电流下降到零,由于系统存在冗余链路,负载通过其他变流器供电,其他变流器的输出电流和输出功率增加,在新的状态下重新均匀分配,并在新的状态下稳定运行;系统运行1.6 s时,1#变流器退出运行,1#变流器中的虚拟阻抗不再调整,2#变流器和3#变流器仍能运行,电流在新的状态下重新分配。利用本文所提的分布式控制策略,DG单元仅使用了本地和相邻单元的信息,无需全局信息,DG3不能接受DG1信息时,由于存在冗余链路,仍能实现电流的均匀分配。

2.2 氧气制备技术

制氧的原理主要是利用了物质的物理性质和化学性质，常规的制氧方法有分离液态空气法、膜分离法、吸附法和电解制氧法，表1为不同氧气制备方式[16]。

表1 氧气制备方式Tab.1 Oxygen preparation method

医用高压氧舱一般采用低阻力供氧方式，单人单管供氧流量计监控，氧气流量最高可达1000 L/h，吸氧阻力：-20～50 Pa。目前医用制氧机基本都采用变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）制氧技术，该技术利用空气中氮气和氧气被沸石分子筛吸附的差异实现气体分离，当空气进入吸附塔，氮气自然被吸附，氧气通过出气口进入储气罐[17-18]。由于高压氧舱对于氧气流量的要求较高，目前国内医用级制氧机氧流量一般不超过10 L/min，还不能达到氧舱设计需求。未来，高压氧舱、制氧机联动组合技术的发展，将充分发挥高压氧舱配套设备的潜能，结合PSA制氧技术，从根本上解决高压氧舱的用氧技术难题，同时还能满足病房中心供氧的需要。

2.3 关键参数监测及报警

由于高压氧疗治疗时间较长，因此对于关键参数的监测尤为重要，空气加压舱设计压力为0.3 MPa，工作压力为0.2 MPa，舱内噪声应低于65 dB，氧气浓度不大于21%。氧气加压舱设计压力为0.2 MPa，工作压力为0.1 MPa，舱内噪声应低于60 dB，氧气浓度不大于21%，两种氧舱加减压速率一致。

压力和流量的监测不仅仅是一项指标的显示，同时也是控制台进行操作以及报警提示的重要依据，操作人员根据监测到的值进行氧舱压力以及氧气流量调控，以保证舱内人员的安全。由于此监测装置的使用特殊性，因此对其性能要求较高，尤其是其量程和耐压值的大小，国内传感器对于压力和流量的监测与国外还存在较大差距，对于这种医用级别的传感器，主要靠进口，美国的霍尼韦尔、日本的横河以及SMC都是著名的生产厂家。具有良好灵敏度、稳定性、迟滞性的传感器能更好地提高数据监测的准确性[19]。

3 发展趋势

随着科学技术的不断发展，医用高压氧舱的装备技术也在不断更新换代，加上人类对于高压氧环境的需求不断提高，高压氧疗法在未来会引起医学界的广泛关注，特别是微压氧舱走向社区和家庭。其主要有以下几个发展方向。

3.1 高压氧舱与人工智能技术结合

医疗人工智能具有成本效益和可扩展性，随着该技术在临床医学的广泛应用，高压氧医学将融入人工智能技术，目前智能化氧舱具备按程序化实施自动加减压、自动排氧及氧浓度安全锁定、舱压自动稳定控制等多项功能，并可通过“人机对话”对程序修订和校正，进一步提高了系统的稳定性、可靠性、安全控制性能等。后期的研究可以利用人工智能技术实现数据的智能交互，及时将舱内患者的体征数据反馈给计算机，再通过相应的算法实现对氧气流量和压力的自动调节[20]。

3.2 氧舱微型化和微压发展

微型氧舱主要由新型高科技材料制作的软质囊体组成，配有由碳纤维高压气瓶、静音型小型空压机双套加压设备和先进的自主呼吸装具构成的供排氧系统，舱内设有压力监示和超压报警装置等先进设备。其体积相对较小、携带方便，能在社区和家庭发挥作用。

目前该技术还处于研究试验阶段，市面上的软体舱操作相对烦琐，需要对舱体进行支架支撑，占用空间大且重量在100 kg左右[21]，微型氧舱的发展在保证传统氧舱的基本功能上更加小型化、便携化以及操作简单化，患者可以在社区、家庭通过一键操作的方式直接使用，甚至携带，但是由于其生产成本较高，以及氧气制备设备的小型化发展，还不能在社区以及家庭得到广泛的应用。

3.3 氧疗过程与监护结合

高压氧舱作为一种特殊的治疗方式，其治疗时间相对较长，治疗过程中可能会引起患者生命体征的变化，同时，在高氧的环境下治疗的时间过长可能会引起氧中毒，为了确保高压氧治疗过程中的安全性，提高治疗的效果[22]，需要对氧舱中的患者进行生命信息监测，从而克服医护人员在舱内无法及时对危重患者进行状态量化评估的困难。当舱内患者出现生理数据及波形异常时，舱内外医务人员应积极有效配合，为抢救舱内患者赢得时间[23]。

当今高压氧舱加入了多参数监护仪专用接口，能实现对患者的体温、呼吸、血氧、脉搏等相关参数的实时监测，但目前尚未存在高压环境下对于血压的监测，由于高压环境下的血管收缩，外周阻力增大，导致动脉压升高；高压氧下心肌收缩，导致收缩压下降。特别是对患有高血压和动脉硬化的患者，血压的监测对于患者生命安全具有重要作用[24]。

4 总结与展望

本综述较为全面地介绍了高压氧舱发展历史、治疗原理、氧舱关键技术指标以及未来的发展趋势，旨在让读者更加清晰地了解高压氧疗法在医学上的重要作用。目前高压氧疗法应用广泛，在一氧化碳中毒、缺氧性冠心病、消化系统疾病、新生儿窒息等，几种疾病的治疗方面治疗均取得了良好的效果，但目前高压氧疗法在医学界的普及度还不够高。

随着高压、微压氧舱技术的不断发展，尤其是国内对于氧舱参数监测的核心部件的研发，加上生命监护技术的进一步融合与量化分析，以及高压氧疗法对缺氧性疾病显著的治疗效果和它的生态级治疗方式，未来更加智能化、便携化的氧舱的地位和作用会受到医学界的公认，基于高压、微压氧治疗及生命监护参数量化评估综合系统应用一定会渗透到各个临床学科中去，得到更广泛的应用。