閆 碩，方以群，魯 剛，顧靖華

·綜述與講座·

循環(huán)呼吸器中氧監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)外應(yīng)用研究進(jìn)展

閆 碩，方以群，魯 剛，顧靖華

氧監(jiān)測(cè);循環(huán)呼吸器;氧電池

循環(huán)呼吸器(rebreather)發(fā)明于1813年，與開(kāi)放式潛水相比，具有無(wú)氣泡、隱蔽、延長(zhǎng)潛水時(shí)間、氧含量高、體內(nèi)余氮張力低、呼吸氣溫度不致過(guò)低等優(yōu)點(diǎn)［1］，在歐美軍事、水下攝影、休閑潛水等領(lǐng)域開(kāi)始逐漸盛行。早期，由于技術(shù)條件的局限，使用循環(huán)呼吸器事故頻發(fā)，導(dǎo)致大眾對(duì)循環(huán)呼吸器產(chǎn)生一定的誤解，認(rèn)為循環(huán)呼吸器是比較危險(xiǎn)的。但經(jīng)過(guò)生產(chǎn)商和技術(shù)人員不斷的努力和改進(jìn)，循環(huán)呼吸器已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，并且進(jìn)入休閑潛水的領(lǐng)域，讓潛水更加安全、舒適。

呼吸回路中的氧濃度監(jiān)測(cè)是循環(huán)呼吸器的關(guān)鍵技術(shù)，其研究和發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值。筆者結(jié)合MK15、MK16等國(guó)外閉式循環(huán)呼吸器的原理分析，從循環(huán)呼吸器致死事故原因的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出發(fā)，著重討論氧監(jiān)測(cè)技術(shù)在循環(huán)呼吸器使用中的關(guān)鍵作用，并對(duì)目前國(guó)際上的各類氧監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在循環(huán)呼吸器潛水中的應(yīng)用研究進(jìn)行展望。

1 循環(huán)呼吸器對(duì)氧監(jiān)測(cè)的要求

在歐洲和美國(guó)，隨著循環(huán)呼吸器應(yīng)用的快速增加，與其相關(guān)的潛水事故也隨之增長(zhǎng)。2006年，66名呼吸器制造商、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、政府機(jī)關(guān)、循環(huán)呼吸器使用者及全球潛水組織——潛水員警示網(wǎng)(Divers Alert Net，DAN)聯(lián)合召開(kāi)了循環(huán)呼吸器致死事故的調(diào)查研討會(huì)，針對(duì)由DAN收集的1998－2006年80起休閑潛水中使用循環(huán)呼吸器潛水死亡的案例，進(jìn)行了討論與分析［2］。為降低今后此類事故的發(fā)生，與會(huì)的業(yè)內(nèi)人士對(duì)引起事故的原因進(jìn)行了分類與識(shí)別，認(rèn)為問(wèn)題主要集中在醫(yī)學(xué)、設(shè)備及潛水程序3個(gè)方面。圖1為338起開(kāi)放式呼吸器死亡案例(1992－2003年)和30起循環(huán)呼吸器死亡案例(1998－2006年)的事故觸發(fā)原因?qū)Ρ葓D?？梢钥吹?，設(shè)備問(wèn)題和浮力問(wèn)題在循環(huán)呼吸器死亡案例中最為常見(jiàn)。設(shè)備問(wèn)題主要包括程序問(wèn)題和設(shè)備失靈。其中3起設(shè)備失靈問(wèn)題為:呼吸器進(jìn)水、無(wú)法供氧、100 m洞穴潛水時(shí)的一起不明設(shè)備失靈;11起準(zhǔn)備、保養(yǎng)不當(dāng)或操作失誤引起的潛水程序問(wèn)題為:供氧閥未打開(kāi)、電子設(shè)備未打開(kāi)、氣體未檢查、氧傳感器安裝錯(cuò)誤、氧氣噴嘴部分堵塞、連接松動(dòng)等。

循環(huán)呼吸器主要分閉式循環(huán)呼吸器(closed circuit rebreather)和半閉式循環(huán)呼吸器(semi-closed circuit rebreather) 2種［3］。閉式循環(huán)呼吸器通過(guò)人手或電子全自動(dòng)控制氣體補(bǔ)充閥門(mén)，調(diào)整循環(huán)系統(tǒng)在不同深度的氧分壓并維持其恒定，達(dá)到在水下停留更長(zhǎng)的時(shí)間，半閉式循環(huán)呼吸器的供氣方式通常可分為氧質(zhì)量恒定、氧比例恒定和氧分壓恒定3種形式，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閉，到達(dá)一定時(shí)間，會(huì)將氣體排出。

圖1 開(kāi)放式呼吸器和循環(huán)呼吸器死亡案例的事故觸發(fā)原因?qū)Ρ葓D

循環(huán)呼吸器控制呼吸回路中混合氣體的基本要求是去除二氧化碳，將其濃度控制在可容忍水平之下，并將氧分壓控制在安全范圍內(nèi)。氧分壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致潛水員在毫無(wú)預(yù)警的情況下發(fā)生缺氧昏迷，最終可能導(dǎo)致死亡，氧分壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致潛水員因氧中毒而驚厥，引起溺水。因此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)呼吸器呼吸回路中的氧分壓，并在其過(guò)高或過(guò)低時(shí)，發(fā)出聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)或震動(dòng)信號(hào)來(lái)警示潛水員，使?jié)撍畣T能夠針對(duì)具體情況采取手動(dòng)補(bǔ)氧、切換應(yīng)急呼吸氣或暫停上浮等措施［4］。

2 高氣壓下的測(cè)氧手段——電流燃料電池

循環(huán)呼吸器利用一種對(duì)氧氣敏感的傳感器——電流燃料電池(electro-galvanic fuel cell)來(lái)監(jiān)測(cè)呼吸回路中的氧分壓。

當(dāng)燃料電池中氫氧化鉀與氧氣接觸時(shí)，產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)在鉛陽(yáng)極和鍍金陰極之間的負(fù)載電阻上產(chǎn)生電流，該電流與當(dāng)時(shí)的氧濃度(分壓)成正比。電流燃料電池多用于潛水技術(shù)的氧分析儀中，可在潛水前檢測(cè)混合氣體中的氧濃度［5］，也可用于電控的閉式循環(huán)呼吸器，在潛水過(guò)程中監(jiān)測(cè)的氧分壓變化［3］。

燃料電池也可用于檢測(cè)潛水加壓艙中的氧分壓和水面供氣式潛水中混合氣的氧分壓?？芍苯訉⑷剂想姵刂糜诟邏涵h(huán)境中，將信號(hào)通過(guò)穿艙電纜引出來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可通過(guò)采樣將氣體減至常壓后進(jìn)行濃度測(cè)量再換算為高壓下的氧分壓。該項(xiàng)技術(shù)已在飽和潛水和水面供氣式混合氣潛水中得到廣泛應(yīng)用［6-7］。

當(dāng)氧分壓超出燃料氧電池的量程之外時(shí)，其響應(yīng)曲線無(wú)規(guī)律可言，此時(shí)用校準(zhǔn)方法無(wú)法進(jìn)行修正。為防止由氧電池失效導(dǎo)致的循環(huán)呼吸器潛在事故，在每次使用前要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試。潛水員可在下水前進(jìn)行測(cè)試，如向循環(huán)呼吸器回路中充入氧氣，使氧分壓大于常壓時(shí)的氧分壓，以檢測(cè)燃料電池是否能在高氧分壓情況下正常工作，但這種單點(diǎn)測(cè)試無(wú)法完全準(zhǔn)確的評(píng)估燃料氧電池在高壓情況下的工作性能。唯一精確的測(cè)試方法是在一個(gè)可以穩(wěn)壓無(wú)漂移的測(cè)試校準(zhǔn)艙中進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)數(shù)分析和繪圖［8］。

3 氧監(jiān)測(cè)技術(shù)在循環(huán)呼吸器中的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代末期，美國(guó)的Biomarine公司聯(lián)合美國(guó)海軍進(jìn)行了一種電控全閉式混合氣循環(huán)呼吸器MK15的研制。目前美國(guó)、英國(guó)及澳大利亞海軍均在使用其升級(jí)版MK16。這類電子控制的閉式循環(huán)呼吸器具備一套完整的控氧系統(tǒng)，通過(guò)電流燃料電池監(jiān)測(cè)呼吸回路中的氧分壓，并通過(guò)電子控制的壓控自動(dòng)稀釋閥，將氧分壓控制在一個(gè)合理的定量范圍內(nèi)［3］。圖2分別為MK15和MK15.5的含有3個(gè)微燃料氧傳感器的控氧裝置，安裝在過(guò)濾罐中心位置。同類產(chǎn)品還包括CCR155、CABA1600、SM1600。圖3為Narked at 90公司研發(fā)的控氧系統(tǒng)。

圖2 MK15和MK15.5的控氧裝置

對(duì)于半閉式和手動(dòng)補(bǔ)氧等不具備自動(dòng)控氧系統(tǒng)的循環(huán)呼吸器，通常通過(guò)外置測(cè)氧裝置來(lái)監(jiān)測(cè)呼吸回路中的氧分壓，雖不能控制氧分壓，但可在氧分壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)報(bào)警，起到警示潛水員的作用。如Uwatec公司的OXY2可加裝在吸氣管路上，HSEngineering公司的Explore潛水手表、DeltaP公司的VR2、VR3系列產(chǎn)品可以通過(guò)快插接頭和燃料氧電池連接。圖4從左至右分別為 OXY2、HS Engineering Explore、 VR3。如圖5所示，這些外置的測(cè)氧裝置除了本身具備顯示功能外，通常還通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)，使?jié)撍畣T可以在配套的潛水表上直接讀取數(shù)據(jù)。

圖3 Narked at90公司研發(fā)的控氧系統(tǒng)

圖4 國(guó)外的外置測(cè)氧裝置產(chǎn)品

圖5 外置測(cè)氧裝置與潛水手表的無(wú)線通訊

燃料氧電池需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)以保證其工作的可靠性。如圖6所示，目前公認(rèn)的第一臺(tái)燃料氧電池檢測(cè)裝置是Narked at90公司于2005年發(fā)布的，但該裝置并未取得商業(yè)上的成功。該公司2007年發(fā)布的改進(jìn)版贏得了佛羅里達(dá)潛水設(shè)備制造商展會(huì)金獎(jiǎng)和2010年Eurotek先進(jìn)潛水產(chǎn)品革新獎(jiǎng)。

綜上所述，循環(huán)呼吸器氣路中的氧監(jiān)測(cè)技術(shù)是關(guān)系到閉式/半閉式呼吸器使用安全性的關(guān)鍵技術(shù)，歐美國(guó)家近年來(lái)立足于電流燃料電池技術(shù)的應(yīng)用，研發(fā)出一系列用于循環(huán)呼吸器的測(cè)氧產(chǎn)品，該類氧監(jiān)測(cè)技術(shù)并不局限于在循環(huán)呼吸器中使用，也在飽和潛水和水面供氣式混合氣潛水中得到廣泛應(yīng)用。為提高我軍潛水裝具的安全性，進(jìn)一步保障我軍潛水員在訓(xùn)練與作業(yè)時(shí)的用氧安全，應(yīng)借鑒國(guó)外的技術(shù)應(yīng)用方法，著力研究適用于我軍潛水裝具的氧監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝備。

圖6 Narked at90公司生產(chǎn)的燃料氧電池檢測(cè)裝置

［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.

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［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.

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10.3969/j.issn.1009－0754.2014.06.046

2013－04－12)

(本文編輯:林永麗)

200433 上海，海軍醫(yī)學(xué)研究所(閆碩、方以群、顧靖華);海裝軍械保障部(魯剛)