野戰(zhàn)醫(yī)療供氧方法探討

吳劍威 張魯閩 馬繼民 陶 干

氧氣是維持生命的第一要素，是戰(zhàn)時(shí)軍隊(duì)藥材供應(yīng)的重要內(nèi)容。傷員在救治的黃金時(shí)間或白金時(shí)間能否及時(shí)吸氧，是降低傷死率，提高戰(zhàn)傷救治能力的重要因素?，F(xiàn)代野戰(zhàn)醫(yī)療對(duì)氧氣要求連續(xù)不間斷供應(yīng)，并且對(duì)其機(jī)動(dòng)性、安全性有一定要求。

目前常用的供氧方式主要有：儲(chǔ)氧供氧、物理制氧和化學(xué)制氧。本文對(duì)現(xiàn)代國(guó)內(nèi)外的供氧方法進(jìn)行討論，針對(duì)不同供氧方法的使用、成本、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和技術(shù)條件等因素綜合分析，提出適用于野戰(zhàn)不同環(huán)境下的供氧方法。

1 儲(chǔ)氧供氧方法

儲(chǔ)氧供氧主要采用氧氣袋(目前市場(chǎng)上常用的氧氣袋包括42 L、40 L、35 L、30 L等規(guī)格)、氧氣鋼瓶和液氧供氧，這是最常用，也是最成熟的供氧方式，其特點(diǎn)是使用方便、成本低，但是運(yùn)輸攜帶不便，使用、儲(chǔ)存的安全性差。

1.1 氧氣袋供氧

吸氧的目的在于糾正機(jī)體的缺氧狀態(tài)，是一種重要的搶救措施。為達(dá)到吸氧的目的，對(duì)吸入的氧量應(yīng)有一定的要求[1]：鼻導(dǎo)管吸氧時(shí)吸氧量為2～4 L/min，嚴(yán)重缺氧時(shí)吸氧量為4～6 L/min；按流量分為低流量吸氧和高流量吸氧兩種，低流量氧氣吸入量為1～6 L/min，吸氧濃度水平為22%～40%，高流量氧氣吸入量可加大到8 L/min，吸氧濃度水平可在60%～90%。孫秀紅等[2]對(duì)氧氣袋供氧流量實(shí)驗(yàn)表明，剛充滿(mǎn)氧的氧氣袋不需要壓力即能達(dá)到1 L/min流量，隨著袋內(nèi)氧氣量的減少，則需對(duì)氧氣袋逐漸增加壓力才能保持1 L/min流量。為達(dá)到5 L/min流量，需對(duì)氧氣袋施加60 kg的壓力(相當(dāng)于成人體重)，氧氣袋供氧方式達(dá)不到5 L/min以上的要求。因此，氧氣袋儲(chǔ)量少、流量小，只適用于短途運(yùn)送低流量吸氧的患者。

1.2 氧氣鋼瓶供氧

氧氣鋼瓶是鋼制式或玻璃鋼高壓壓力容器，容量一般為2 L、5 L、10 L、20 L、40 L等規(guī)格。氧氣用氣體的方式進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸，供氧的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、通用，不但可以作為醫(yī)療氣源，還可作為一些醫(yī)療儀器的動(dòng)力源，如呼吸機(jī)、麻醉機(jī)和負(fù)壓吸引器的動(dòng)力源。武兵等用氧氣鋼瓶組成的野戰(zhàn)中心供氧系統(tǒng)[3]，包括40 L氧氣鋼瓶1個(gè)，減壓閥1個(gè)，濕化瓶、三通閥若干及橡膠管、一次性吸氧鼻導(dǎo)管組成，能滿(mǎn)足野戰(zhàn)條件下4～5名輕傷員同時(shí)2 L/min持續(xù)低流量吸氧，以及2～3名重度、休克傷員同時(shí)3～4 L/min中流量吸氧需求。但氧氣鋼瓶也有很多缺點(diǎn)：①效率低，使用時(shí)間短；②高壓氧氣在使用中有一定的危險(xiǎn)性；③氧氣存儲(chǔ)裝置體積大且笨重，如40 L氧氣鋼瓶的自重為75 Kg以上，而裝置內(nèi)的氧氣重量只有10 Kg左右；④運(yùn)輸不便，一般常用的40 L氧氣鋼瓶體積為30cm×160 cm，一輛4 t汽車(chē)一次只能裝20～30瓶左右，有效重量只占1/10(目前大部分醫(yī)院已淘汰使用)；⑤不便于機(jī)動(dòng)條件下使用。

1.3 液氧供氧

以液氧方式供氧，是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展較為成熟的一種方法，得到大中型醫(yī)院的認(rèn)可，并已經(jīng)在外軍中得到普遍的應(yīng)用[4]。液氧是一種利用深層冷分離的方法制成的氧氣液體，它的溫度在–180℃左右，使用時(shí)可由揮發(fā)器揮發(fā)成氣體，由液體揮發(fā)成氣體的比例是1∶1800，且為純氧，其質(zhì)量好，效率高。外軍新型液氧發(fā)生系統(tǒng)與我軍目前使用的深冷分離制氧法基本相同，只是在現(xiàn)代化技術(shù)的改進(jìn)下具有體積小、效率高的優(yōu)勢(shì)。我軍與外軍目前在液氧裝置上的不同是：我軍是將氧氣氣化后裝瓶運(yùn)輸使用，而外軍是由多種方式組合。外軍首先將液態(tài)氧氣裝入液氧罐運(yùn)輸(如圖1所示)，到達(dá)目的地后可根據(jù)不同的需求進(jìn)行處理。它的優(yōu)勢(shì)是：①無(wú)高壓泄露危險(xiǎn)；②運(yùn)輸方便(運(yùn)輸設(shè)備與液氧重量比＜1)；小型液氧氣化裝置在外軍已有成熟產(chǎn)品，如戰(zhàn)地氧氣發(fā)生器(如圖2所示)，它通過(guò)一個(gè)60 L小型液氧罐和一個(gè)可移動(dòng)的氧氣氣化裝置直接為氧氣瓶充氣，該裝置一次可為36個(gè)10 L的氧氣瓶在30 min內(nèi)充氣完畢。外軍小型液氧罐包括20 L、30 L、37 L、45 L、60 L(如圖3所示)，便攜式液氧罐有1.25 L、0.63 L(如圖4所示)，它們?cè)诎惭b了氣化裝置后，可直接供氧。

圖1 119 L中轉(zhuǎn)液氧罐

圖2 60 L液氧罐和氧氣氣化系統(tǒng)

圖3 45 L液氧罐

圖4 1.25 L液氧罐

2 物理制氧

常用的物理制氧方法為深冷空分法、變壓吸附法和膜分離法。

2.1 深冷空分法

深冷空分法是利用空氣液化后各成分沸點(diǎn)的差異，將空氣中各成分精餾分離，制得氧氣的方法。此方法生產(chǎn)能力比較大，制得的氧氣既可以是氣體，也可以是液氧，但設(shè)備比較復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中需消耗大量能量，比較適合工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 變壓吸附空氣分離法

變壓吸附空氣分離法的基本原理是利用吸附劑對(duì)不同氣體在吸附量、吸附速率、吸附力等方面的差異，以及吸附劑的吸附容量隨壓力的變化而變化的特性，在加壓時(shí)完成混合氣體的吸附分離，在降壓條件下完成吸附劑的再生，從而實(shí)現(xiàn)氣體分離及吸附劑循環(huán)使用的目的?，F(xiàn)代工業(yè)常用的吸附劑是沸石分子篩，在相同氣體壓力下對(duì)氮?dú)夂脱鯕獾奈搅坎煌?，采用高壓吸附，低壓解吸的循環(huán)工藝從空氣中分離出氧氣?，F(xiàn)在沸石分子篩已經(jīng)在制氧行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。此方法的特點(diǎn)是產(chǎn)氧量較大，平均產(chǎn)氧成本低，比較適合空間體積大、人員相對(duì)集中的環(huán)境中供氧。石梅生等研制的野戰(zhàn)制氧掛車(chē)[5]，采用分子篩變壓吸附法，產(chǎn)氧量達(dá)到8 m3/h，氧氣濃度＞90%。制造的氧氣可以直接供應(yīng)氧氣，或者進(jìn)行壓氧充瓶。劉應(yīng)書(shū)等研制的便攜式制氧機(jī)[6]，把大型的變壓吸附設(shè)備小型化，其氧氣流量可達(dá)到200～500 ml/min，氧氣濃度91%，采用脈沖式供氧方法(900 ml/min的脈沖氧氣相當(dāng)于連續(xù)流量5 L/min)，外部電源或內(nèi)置電池供電，內(nèi)置電池工作時(shí)間3～5 h，此設(shè)備可應(yīng)用于小型野戰(zhàn)醫(yī)療所個(gè)人供氧，但離單兵攜帶還有很大的差距。

2.3 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是一種新型的物理制氧方法，其技術(shù)原理為：利用氧氣和氮?dú)庠诓煌牧系闹锌漳ぶ械娜芙夂蛿U(kuò)散系數(shù)的差異，將空氣分離，從而得到較高純度的氧氣，膜分離技術(shù)的關(guān)鍵是中空膜材料的制備。和前兩種方式相比，膜分離技術(shù)具有體積小、重量輕，可靠性高，控制簡(jiǎn)單，對(duì)水蒸氣不敏感，無(wú)粉塵污染等優(yōu)點(diǎn)，但由于中空膜制備技術(shù)的限制，該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還需等待時(shí)日[7]。

綜上所述，物理法制氧雖具備產(chǎn)氧量高，產(chǎn)氧成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其在供氧過(guò)程中都需消耗動(dòng)力，同時(shí)設(shè)備體積比較大，適合空間體積大，人員相對(duì)集中的環(huán)境中供氧，不適合作為人員比較分散的野戰(zhàn)環(huán)境及動(dòng)力缺少的環(huán)境。

3 化學(xué)制氧

化學(xué)制氧法雖然制氧成本較高，但其氧密度高，體積小，便于貯存、攜帶、運(yùn)輸方便，而且在產(chǎn)氧過(guò)程中無(wú)需外加動(dòng)力，也不會(huì)產(chǎn)生噪音，是一種理想的供氧方式?；瘜W(xué)制氧方法主要是超氧化物、過(guò)碳酸納、氯酸鹽氧燭和氧泵。

3.1 超氧化物

主要指超氧化鉀、超氧化鈉和超氧化鈣等化學(xué)物質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)外主要采用超氧化鉀。其產(chǎn)氧裝置主要用于礦井事故中急救、登山吸氧、潛艇及飛機(jī)供氧[8]，同時(shí)可作為CO2吸附劑。二次世界大戰(zhàn)期間就已用于軍事目的，作為隔絕式防毒面具等個(gè)人防護(hù)[9]。超氧化物產(chǎn)氧的原理是利用人體呼出的CO2和水蒸氣與其反應(yīng)釋放出氧氣，生成供人員呼吸的氧氣，用化學(xué)反應(yīng)表示為：

3.2 過(guò)碳酸納

過(guò)碳酸納產(chǎn)氧技術(shù)是80年代開(kāi)始研究的一種新的產(chǎn)氧方法，具有裝置簡(jiǎn)單、操作方便、體積小、便于攜帶、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。過(guò)碳酸鈉是碳酸鈉和過(guò)氧化氫的復(fù)合物，在催化劑的作用下，于水中發(fā)生分解反應(yīng)，生成碳酸鈉和水，同時(shí)釋放氧氣(見(jiàn)反應(yīng)式4)。與超氧化物相比，過(guò)碳酸納產(chǎn)氧反應(yīng)平緩，使用比較安全，為化學(xué)產(chǎn)氧裝置的小型化提供了良好的途徑。

3.3 氯酸鹽氧燭

從20世紀(jì)40年代至今，美國(guó)、西歐等國(guó)家一直致力于單功能的氧燭制氧技術(shù)的研究，并作為應(yīng)急供氧設(shè)備應(yīng)用于核潛艇[10-12]。氯酸鹽氧燭是在氯酸鈉或氯酸鉀中加入燃料、催化劑、抑氯劑、粘結(jié)劑等制成，一般鑄成圓柱形，使用時(shí)將其引燃，釋放出氧氣，經(jīng)內(nèi)置的氣體過(guò)濾系統(tǒng)處理后可直接供人體使用?；瘜W(xué)方程式表示為：

氧燭是一種容易儲(chǔ)存和使用的固體氧源，它儲(chǔ)氧量大，類(lèi)似于液氧的密度，大約是同體積壓縮氧的3倍。氧燭比較穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生泄露現(xiàn)象，并且具有產(chǎn)氧迅速、設(shè)備體積小、無(wú)需動(dòng)力、受環(huán)境影像因素少和有效存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)(10 a)等優(yōu)點(diǎn)。氧燭使用前后體積無(wú)變化，同時(shí)氧燭的產(chǎn)氧速度和產(chǎn)氧量不受環(huán)境溫度、濕度和壓力的影響。氧燭產(chǎn)氧過(guò)程無(wú)需以水為介質(zhì)，便于儲(chǔ)存、攜帶和使用?，F(xiàn)在氧燭已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，包括航天、潛水艇、礦井等領(lǐng)域，都是應(yīng)用于密閉大空間的供氧。王雅娟等[13]將氧燭應(yīng)用于高原缺氧環(huán)境的供氧，設(shè)計(jì)一種產(chǎn)氧量為300 L，平均產(chǎn)氧速率為15 L/min的氧燭，并將其應(yīng)用于士兵臥室的供氧實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。氧燭可進(jìn)一步小型化，但目前未見(jiàn)報(bào)道。

3.4 氧泵

陶瓷氧氣發(fā)生器(氧泵)[14]是20世紀(jì)90年代伴隨著固體氧化物燃料電池技術(shù)發(fā)展出來(lái)的新型制取純氧的技術(shù)。其特點(diǎn)在于利用電化學(xué)原理和電解槽結(jié)構(gòu)直接從空氣或其他含氧氣體中泵出純氧，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，無(wú)噪音，對(duì)大氣無(wú)污染。氧泵由固體氧化物電解質(zhì)和透氣電極構(gòu)成原理如圖5所示。

圖5 氧泵工作原理

氧泵使用的是固體氧化物電解質(zhì)，該電解質(zhì)在600℃以上允許氧離子通過(guò)，在其兩側(cè)各加上多孔導(dǎo)電陶瓷制成的電極2和3構(gòu)成“電解槽”，在這里進(jìn)行空氣的電解，陽(yáng)極端析出氧氣。在電力驅(qū)動(dòng)下空氣中的氧氣在陰極2電解質(zhì)界面上解離成氧離子，在電力作用下氧離子穿過(guò)電解質(zhì)2陽(yáng)極界面上轉(zhuǎn)化為氧分子，生出高純氧。鑒于這種電解質(zhì)只允許氧離子通過(guò)，所以制成的氧氣濃度可達(dá)99.19%。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所1998年制成由單管式電解槽構(gòu)成的樣機(jī)，生產(chǎn)1 m3氧氣耗電40 kwh，是普通化學(xué)制氧法成本的1/20。在國(guó)外，MSRI公司專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)電解質(zhì)和電極三合一的中溫型復(fù)合陶瓷膜片，工作溫度為600～800 ℃，在中等水平的工作電壓下(＜15 V)就具有高的氧流率。俄羅斯也研制出高溫電解槽—氧泵，它是由兩個(gè)塊狀的疊層電解槽組組成，其性能為25～30 L/h，可作為醫(yī)用的裝置，2001年初一種醫(yī)用氧泵的樣機(jī)問(wèn)世，其產(chǎn)氧量為300 L/h，最大耗電量為1 kW，成本為3000美元。目前氧泵還處于研究階段，相信不久的將來(lái)，在降低成本和提高工藝的基礎(chǔ)上，將會(huì)進(jìn)入廣泛的應(yīng)用。

4 討論

儲(chǔ)氧供氧、物理制氧和化學(xué)制氧各有其優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)儲(chǔ)氧供氧：氧氣袋使用局限性較大，而氧氣鋼瓶和液氧罐在運(yùn)輸條件允許的情況下，有利于野戰(zhàn)供氧。

(2)物理制氧：膜分離技術(shù)現(xiàn)還處于發(fā)展過(guò)程，技術(shù)上還不能使其得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的深冷空分法現(xiàn)已逐漸被變壓吸附空氣分離法取代，在能夠提供電力，需要大量供氧的情況下，采用變壓吸附空氣分離法設(shè)備可建立野戰(zhàn)條件下的供氧中心。

(3)化學(xué)制氧：陶瓷氧氣發(fā)生器(氧泵)目前還處于研究發(fā)展中，技術(shù)上還不能使其得到廣泛應(yīng)用。超氧化物和過(guò)碳酸納在產(chǎn)氧過(guò)程中均存在液體，在使用過(guò)程中攜帶不便，因此不便于野戰(zhàn)環(huán)境下的使用。氧燭是一種理想的野戰(zhàn)供氧裝置，小型氧燭可用于野戰(zhàn)衛(wèi)

生員或軍醫(yī)的隨身攜帶，大型氧燭可用于變壓吸附空氣分離法設(shè)備所建立供氧中心的補(bǔ)充應(yīng)急氧源。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)不同供氧方法優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)條件，在不同的野戰(zhàn)條件下，不同的醫(yī)療單位可采用不同的供氧方式：①單兵攜帶供氧；可采用氧燭供氧，將氧燭小型化后，便于單兵攜帶和使用；②野戰(zhàn)急救車(chē)供氧：可采用氧氣鋼瓶或小型氧燭供氧；③野戰(zhàn)醫(yī)療隊(duì)供氧：可采用氧氣鋼瓶、小型液氧罐供氧或小型變壓吸附法制氧；④野戰(zhàn)醫(yī)療所供氧：可采用氧氣鋼瓶、液氧罐供氧，也可采用變壓吸附法制氧車(chē)或大型氧燭系統(tǒng)，可建立中心供氧系統(tǒng)；⑤野戰(zhàn)醫(yī)院供氧：可采用氧氣鋼瓶、液氧罐和大型變壓吸附制氧設(shè)備供氧，建立中心供氧系統(tǒng)。

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