常壓低氧環(huán)境中呼吸道水蒸氣壓對(duì)模擬高度影響的分析

王海濤，盧恒志，李 娜，宋振興

常壓低氧環(huán)境中呼吸道水蒸氣壓對(duì)模擬高度影響的分析

王海濤，盧恒志，李 娜，宋振興

闡述了呼吸道水蒸氣壓對(duì)常壓低氧方法所模擬的海拔高度的影響，分析了在同樣環(huán)境的氧分壓條件下，由于呼吸道水蒸氣壓的影響，常壓低氧模擬的海拔和高原海拔之間的差異，發(fā)現(xiàn)二者的差異量和高原海拔值是正相關(guān)的。為了真實(shí)地模擬高原低氧環(huán)境，常壓低氧環(huán)境氧分壓要低于相應(yīng)的高原環(huán)境值。

常壓低氧；低壓低氧；飽和水蒸氣壓；高原醫(yī)學(xué)

0 引言

高原的低氧環(huán)境對(duì)人體生理有特定的影響，是高原醫(yī)學(xué)的主要研究內(nèi)容。高原低氧的本質(zhì)是氧分壓的降低，雖然氧氣百分比和平原環(huán)境相同，但是高原大氣壓低于平原，所以，氧分壓低于平原環(huán)境。人工低氧環(huán)境是高原醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)員高原鍛煉等相關(guān)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)設(shè)施，依據(jù)采取的技術(shù)途徑的不同，有2類人工低氧環(huán)境，即常壓低氧和低壓低氧[1-2]。在同樣的氧分壓條件下，2種環(huán)境的生理效應(yīng)是否相同？已有研究從分鐘通氣量、血氧飽和度、心率、呼氣末二氧化碳（氧氣）分壓等多個(gè)變量來比較2種低氧類型的生理效應(yīng)。Roach RC[3]的研究表明，在相同的條件下，相比于常壓低氧，低壓低氧導(dǎo)致的急性高原病更加嚴(yán)重，出現(xiàn)癥狀的時(shí)間也更早。Loeppky JA[4]表明，30～60 min 2種類型的低氧，分鐘通氣量沒有差異，但血氧飽和度在常壓低氧下高于低壓低氧。Savourey G[5]把18個(gè)受試者以隨機(jī)順序處于40 min的低壓低氧和常壓低氧環(huán)境中，測(cè)量的生理數(shù)據(jù)表明，低壓低氧導(dǎo)致更嚴(yán)重的低碳酸和堿中毒，更低的血氧飽和度，并分析這些生理效應(yīng)差異可能是通氣死腔增加的后果。也有其他可能的機(jī)制來解釋這種差異，如氣壓降低導(dǎo)致的血管內(nèi)氣泡的形成、通氣和血液灌流的不匹配、肺泡上皮細(xì)胞的滲透率等等，但是仍然沒有最終的系統(tǒng)性結(jié)論。

鑒于常壓低氧是普遍的人工低氧方式，因此探討常壓低氧模擬實(shí)際高原環(huán)境的低壓低氧在生理效應(yīng)方面的差異，在低氧設(shè)備研制、低氧生理效應(yīng)研究、高原病的防治等方面具有重要的意義，本文從呼吸道水蒸氣壓的角度分析常壓低氧和低壓低氧的差異，并給出常壓低氧的修正方法。

1 呼吸道水蒸氣壓的影響分析

高原低氧的實(shí)質(zhì)是氧分壓下降，氧分壓是大氣壓和氧氣容積百分比的乘積，而常壓低氧，則是在平原大氣壓條件下，通過氧氣容積百分比的下降達(dá)到氧分壓降低的目的。對(duì)于常壓低氧設(shè)備（以艙式設(shè)備為例），都是通過調(diào)節(jié)環(huán)境中氧氣百分比來模擬高原海拔。

如果只是簡單地把高原的氧分壓轉(zhuǎn)換為常壓低氧艙內(nèi)的氧氣濃度百分比，盡管環(huán)境氧氣分壓相等，但由于呼吸道水蒸氣分壓的影響，使二者的實(shí)際海拔并不等效。因?yàn)槌旱脱跸庐吘故欠蝺?nèi)的氧分壓，而不是環(huán)境中的氧分壓，會(huì)對(duì)身體機(jī)能產(chǎn)生直接的生理效應(yīng)。以4 000 m為例，環(huán)境大氣壓和各個(gè)氣體成分的分壓見表1，僅僅考慮氧氣分壓相同的情況下常壓低氧模擬4 000 m時(shí)的數(shù)據(jù)列在表1的最后一行，惰性氣體的分壓忽略不計(jì)。

表1 3種條件下的氣體分壓數(shù)據(jù)mmHg

因?yàn)榄h(huán)境空氣進(jìn)入呼吸道后被加濕至飽和，各個(gè)氣體成分的分壓，包括氧分壓按比例減少。在低壓和常壓下，由于氧分壓比例的不同，水蒸氣對(duì)于氧分壓的降低有著不同的影響。氧分壓的減少量和進(jìn)入肺泡時(shí)的分壓值見表2，處于高原和海平面時(shí)的呼吸道內(nèi)的飽和水蒸氣分壓都按照47 mmHg

（1 mmHg=133.322 Pa）計(jì)算。

表2 水蒸氣分壓對(duì)進(jìn)入呼吸道前后的氧氣分壓的影響mmHg

從表2數(shù)據(jù)可以看出，常壓低氧和實(shí)際海拔4 000 m的氧氣分壓是相同的，但是在進(jìn)入呼吸道后，由于呼吸道的濕潤而飽和，造成氧氣分壓下降，且下降量不同，導(dǎo)致最終的氧氣分壓不同，實(shí)際海拔條件下氧氣分壓下降的更多，二者的差異為3.8 mmHg（9-5.2=3.8），這對(duì)應(yīng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為0.5%（3.8/760× 100%=0.5%），大致相當(dāng)270 m的海拔梯度。即在不考慮呼吸道加濕效應(yīng)時(shí)常壓低氧4 000 m實(shí)際模擬的是海拔3 730 m。

從以上分析可以看出，水蒸氣分壓導(dǎo)致的海拔模擬偏差與實(shí)際的海拔高度是正相關(guān)，海拔高度越高，偏差越大，但不是線性關(guān)系。利用同樣的計(jì)算步驟，模擬典型的海拔高度對(duì)常壓下的氧氣濃度的修正見表3，其他高度的修正可以利用插值的方法得到。

表3 常壓低氧模擬不同海拔高度的氧氣濃度修正值

2 討論

常壓低氧設(shè)備分為艙室類設(shè)備和面罩式設(shè)備，也有頭盔式的設(shè)備。對(duì)于面罩式、頭盔式設(shè)備而言，除了上述分析的水蒸氣飽和壓影響外，在呼吸過程中往往存在呼氣末正壓，而呼氣末正壓有預(yù)防急性高原病的作用[6]，這會(huì)導(dǎo)致更大的模擬偏差，在低氧環(huán)境模擬中是不希望的，呼氣末正壓對(duì)呼吸生理的效應(yīng)不在本文的討論范圍內(nèi)。所以，與頭盔、面罩式設(shè)備相比，艙室類的常壓低氧環(huán)境在偏差修正后具有更好的模擬精度，此外，艙室類設(shè)備不干擾受試人員的正常行為，人員進(jìn)出方便、安全可靠，具有更廣的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

本文分析了常壓低氧方法模擬高原低氧環(huán)境時(shí)呼吸道水蒸氣分壓對(duì)模擬精度的影響以及氧氣濃度百分比的修正方法，經(jīng)過修正后，常壓低氧設(shè)備可以更精確地模擬實(shí)際的高原低氧環(huán)境。

[1]王忠明，許永華，黃澤陽，等.基于大型復(fù)合低壓艙的模擬海拔高度系統(tǒng)研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（11）：12-13.

[2]韓文強(qiáng)，胡文東.低壓艙技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009，30（9）：37-39.

[3]Roach R C，Loeppky J A，Icenogle M V.Acute mountain sickness: increased severity during simulated altitude compared with normobaric hypoxia[J].J Appl Physiol，1996，81（5）：1 908-1 910.

[4]Loeppky J A，Icenogle M V，Scotto P，et al.Ventilation during simulated altitude，normobaric hypoxia and normoxic hypobaria[J].Respir Physiol，1997，107（3）：231-239.

[5]Savourey G，Launay J C，Besnard Y，et al.Normo-and hypobaric hypoxia:are there any physiological differences[J].Eur J Appl Physiol，2003，89：122-126.

[6]Savourey G，Caterini R，Launay J C，et al.Positive end expiratory pressure as a method for preventing acute mountain sickness[J].Eur J Appl Physiol，1998，77：32-36.

（收稿：2013-01-07 修回：2013-05-28）

Analysis of Effect of Satured Vapor Pressure in Respiratory Tract on Simulated Altitude in Nnormobaric Hypoxia

WANG Hai-tao1,LU Heng-zhi1,LI Na2,SONG Zhen-xing1
(1．Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.China-Japan Friendship Hospital,Beijing 100029,China)

The effect of satured vapor pressure in respiratory tract on simulated altitude in normobaric hypoxia is elaborated.The discrepancy between simulated altitude and real altitude,owing to the influence of satured vapor pressure, is analyzed for the same partial pressure of oxygen.The difference is positively related to the real altitude.To simulate the hypoxia in plateau truly,the partial pressure of oxygen in normobaric hypoxia should be lower than the corresponding one in plateau.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：139-140]

normobaric hypoxia;hypobaric hypoxia;satured vapor pressure;altitude medicine

R318；R122．2＋2

A

1003-8868（2014）01-0139-02

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.139

王海濤（1975—），男，工程師，主要從事高原醫(yī)學(xué)、呼吸生理、醫(yī)療設(shè)備研發(fā)方面的工作，E-mail：wht206@163.com。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（王海濤，盧恒志，宋振興）；100029北京，中日友好醫(yī)院（李 娜）