野戰醫療供氧方法探討

吳劍威 張魯閩 馬繼民 陶 干

氧氣是維持生命的第一要素，是戰時軍隊藥材供應的重要內容。傷員在救治的黃金時間或白金時間能否及時吸氧，是降低傷死率，提高戰傷救治能力的重要因素。現代野戰醫療對氧氣要求連續不間斷供應，并且對其機動性、安全性有一定要求。

目前常用的供氧方式主要有：儲氧供氧、物理制氧和化學制氧。本文對現代國內外的供氧方法進行討論，針對不同供氧方法的使用、成本、運輸、儲存和技術條件等因素綜合分析，提出適用于野戰不同環境下的供氧方法。

1 儲氧供氧方法

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

1.1 氧氣袋供氧

吸氧的目的在于糾正機體的缺氧狀態，是一種重要的搶救措施。為達到吸氧的目的，對吸入的氧量應有一定的要求[1]：鼻導管吸氧時吸氧量為2～4 L/min，嚴重缺氧時吸氧量為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]對氧氣袋供氧流量實驗表明，剛充滿氧的氧氣袋不需要壓力即能達到1 L/min流量，隨著袋內氧氣量的減少，則需對氧氣袋逐漸增加壓力才能保持1 L/min流量。為達到5 L/min流量，需對氧氣袋施加60 kg的壓力(相當于成人體重)，氧氣袋供氧方式達不到5 L/min以上的要求。因此，氧氣袋儲量少、流量小，只適用于短途運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等規格。氧氣用氣體的方式進行儲存、運輸，供氧的優點是結構較簡單、通用，不但可以作為醫療氣源，還可作為一些醫療儀器的動力源，如呼吸機、麻醉機和負壓吸引器的動力源。武兵等用氧氣鋼瓶組成的野戰中心供氧系統[3]，包括40 L氧氣鋼瓶1個，減壓閥1個，濕化瓶、三通閥若干及橡膠管、一次性吸氧鼻導管組成，能滿足野戰條件下4～5名輕傷員同時2 L/min持續低流量吸氧，以及2～3名重度、休克傷員同時3～4 L/min中流量吸氧需求。但氧氣鋼瓶也有很多缺點：①效率低，使用時間短；②高壓氧氣在使用中有一定的危險性；③氧氣存儲裝置體積大且笨重，如40 L氧氣鋼瓶的自重為75 Kg以上，而裝置內的氧氣重量只有10 Kg左右；④運輸不便，一般常用的40 L氧氣鋼瓶體積為30cm×160 cm，一輛4 t汽車一次只能裝20～30瓶左右，有效重量只占1/10(目前大部分醫院已淘汰使用)；⑤不便于機動條件下使用。

1.3 液氧供氧

以液氧方式供氧，是目前國內外發展較為成熟的一種方法，得到大中型醫院的認可，并已經在外軍中得到普遍的應用[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，使用時可由揮發器揮發成氣體，由液體揮發成氣體的比例是1∶1800，且為純氧，其質量好，效率高。外軍新型液氧發生系統與我軍目前使用的深冷分離制氧法基本相同，只是在現代化技術的改進下具有體積小、效率高的優勢。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輸使用，而外軍是由多種方式組合。外軍首先將液態氧氣裝入液氧罐運輸(如圖1所示)，到達目的地后可根據不同的需求進行處理。它的優勢是：①無高壓泄露危險；②運輸方便(運輸設備與液氧重量比＜1)；小型液氧氣化裝置在外軍已有成熟產品，如戰地氧氣發生器(如圖2所示)，它通過一個60 L小型液氧罐和一個可移動的氧氣氣化裝置直接為氧氣瓶充氣，該裝置一次可為36個10 L的氧氣瓶在30 min內充氣完畢。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)，它們在安裝了氣化裝置后，可直接供氧。

圖1 119 L中轉液氧罐

圖2 60 L液氧罐和氧氣氣化系統

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。此方法生產能力比較大，制得的氧氣既可以是氣體，也可以是液氧，但設備比較復雜，運行過程中需消耗大量能量，比較適合工業化生產。

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，從而實現氣體分離及吸附劑循環使用的目的。現代工業常用的吸附劑是沸石分子篩，在相同氣體壓力下對氮氣和氧氣的吸附量不同，采用高壓吸附，低壓解吸的循環工藝從空氣中分離出氧氣。現在沸石分子篩已經在制氧行業得到廣泛的應用。此方法的特點是產氧量較大，平均產氧成本低，比較適合空間體積大、人員相對集中的環境中供氧。石梅生等研制的野戰制氧掛車[5]，采用分子篩變壓吸附法，產氧量達到8 m3/h，氧氣濃度＞90%。制造的氧氣可以直接供應氧氣，或者進行壓氧充瓶。劉應書等研制的便攜式制氧機[6]，把大型的變壓吸附設備小型化，其氧氣流量可達到200～500 ml/min，氧氣濃度91%，采用脈沖式供氧方法(900 ml/min的脈沖氧氣相當于連續流量5 L/min)，外部電源或內置電池供電，內置電池工作時間3～5 h，此設備可應用于小型野戰醫療所個人供氧，但離單兵攜帶還有很大的差距。

2.3 膜分離技術

膜分離技術是一種新型的物理制氧方法，其技術原理為：利用氧氣和氮氣在不同材料的中空膜中的溶解和擴散系數的差異，將空氣分離，從而得到較高純度的氧氣，膜分離技術的關鍵是中空膜材料的制備。和前兩種方式相比，膜分離技術具有體積小、重量輕，可靠性高，控制簡單，對水蒸氣不敏感，無粉塵污染等優點，但由于中空膜制備技術的限制，該技術的大規模應用還需等待時日[7]。

綜上所述，物理法制氧雖具備產氧量高，產氧成本低等優點，但其在供氧過程中都需消耗動力，同時設備體積比較大，適合空間體積大，人員相對集中的環境中供氧，不適合作為人員比較分散的野戰環境及動力缺少的環境。

3 化學制氧

化學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、運輸方便，而且在產氧過程中無需外加動力，也不會產生噪音，是一種理想的供氧方式。化學制氧方法主要是超氧化物、過碳酸納、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物質。目前國內外主要采用超氧化鉀。其產氧裝置主要用于礦井事故中急救、登山吸氧、潛艇及飛機供氧[8]，同時可作為CO2吸附劑。二次世界大戰期間就已用于軍事目的，作為隔絕式防毒面具等個人防護[9]。超氧化物產氧的原理是利用人體呼出的CO2和水蒸氣與其反應釋放出氧氣，生成供人員呼吸的氧氣，用化學反應表示為：

3.2 過碳酸納

過碳酸納產氧技術是80年代開始研究的一種新的產氧方法，具有裝置簡單、操作方便、體積小、便于攜帶、安全可靠等優點。過碳酸鈉是碳酸鈉和過氧化氫的復合物，在催化劑的作用下，于水中發生分解反應，生成碳酸鈉和水，同時釋放氧氣(見反應式4)。與超氧化物相比，過碳酸納產氧反應平緩，使用比較安全，為化學產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40年代至今，美國、西歐等國家一直致力于單功能的氧燭制氧技術的研究，并作為應急供氧設備應用于核潛艇[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、粘結劑等制成，一般鑄成圓柱形，使用時將其引燃，釋放出氧氣，經內置的氣體過濾系統處理后可直接供人體使用。化學方程式表示為：

氧燭是一種容易儲存和使用的固體氧源，它儲氧量大，類似于液氧的密度，大約是同體積壓縮氧的3倍。氧燭比較穩定，不會發生泄露現象，并且具有產氧迅速、設備體積小、無需動力、受環境影像因素少和有效存儲時間長(10 a)等優點。氧燭使用前后體積無變化，同時氧燭的產氧速度和產氧量不受環境溫度、濕度和壓力的影響。氧燭產氧過程無需以水為介質，便于儲存、攜帶和使用。現在氧燭已經得到了廣泛的應用，包括航天、潛水艇、礦井等領域，都是應用于密閉大空間的供氧。王雅娟等[13]將氧燭應用于高原缺氧環境的供氧，設計一種產氧量為300 L，平均產氧速率為15 L/min的氧燭，并將其應用于士兵臥室的供氧實驗，取得了良好的效果。氧燭可進一步小型化，但目前未見報道。

3.4 氧泵

陶瓷氧氣發生器(氧泵)[14]是20世紀90年代伴隨著固體氧化物燃料電池技術發展出來的新型制取純氧的技術。其特點在于利用電化學原理和電解槽結構直接從空氣或其他含氧氣體中泵出純氧，無轉動部分，無噪音，對大氣無污染。氧泵由固體氧化物電解質和透氣電極構成原理如圖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，該電解質在600℃以上允許氧離子通過，在其兩側各加上多孔導電陶瓷制成的電極2和3構成“電解槽”，在這里進行空氣的電解，陽極端析出氧氣。在電力驅動下空氣中的氧氣在陰極2電解質界面上解離成氧離子，在電力作用下氧離子穿過電解質2陽極界面上轉化為氧分子，生出高純氧。鑒于這種電解質只允許氧離子通過，所以制成的氧氣濃度可達99.19%。中國科學院過程工程研究所1998年制成由單管式電解槽構成的樣機，生產1 m3氧氣耗電40 kwh，是普通化學制氧法成本的1/20。在國外，MSRI公司專門生產電解質和電極三合一的中溫型復合陶瓷膜片，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，它是由兩個塊狀的疊層電解槽組組成，其性能為25～30 L/h，可作為醫用的裝置，2001年初一種醫用氧泵的樣機問世，其產氧量為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，在降低成本和提高工藝的基礎上，將會進入廣泛的應用。

4 討論

儲氧供氧、物理制氧和化學制氧各有其優缺點：

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

(2)物理制氧：膜分離技術現還處于發展過程，技術上還不能使其得到廣泛應用。傳統的深冷空分法現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備可建立野戰條件下的供氧中心。

(3)化學制氧：陶瓷氧氣發生器(氧泵)目前還處于研究發展中，技術上還不能使其得到廣泛應用。超氧化物和過碳酸納在產氧過程中均存在液體，在使用過程中攜帶不便，因此不便于野戰環境下的使用。氧燭是一種理想的野戰供氧裝置，小型氧燭可用于野戰衛

生員或軍醫的隨身攜帶，大型氧燭可用于變壓吸附空氣分離法設備所建立供氧中心的補充應急氧源。

5 結語

針對不同供氧方法優缺點和技術條件，在不同的野戰條件下，不同的醫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野戰急救車供氧：可采用氧氣鋼瓶或小型氧燭供氧；③野戰醫療隊供氧：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野戰醫療所供氧：可采用氧氣鋼瓶、液氧罐供氧，也可采用變壓吸附法制氧車或大型氧燭系統，可建立中心供氧系統；⑤野戰醫院供氧：可采用氧氣鋼瓶、液氧罐和大型變壓吸附制氧設備供氧，建立中心供氧系統。

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