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

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)測技術(shù)的國外應(yīng)用研究進(jìn)展

閆 碩，方以群，魯 剛，顧靖華

氧監(jiān)測;循環(huán)呼吸器;氧電池

循環(huán)呼吸器(rebreather)發(fā)明于1813年，與開放式潛水相比，具有無氣泡、隱蔽、延長潛水時間、氧含量高、體內(nèi)余氮張力低、呼吸氣溫度不致過低等優(yōu)點［1］，在歐美軍事、水下攝影、休閑潛水等領(lǐng)域開始逐漸盛行。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)呼吸器是比較危險的。但經(jīng)過生產(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)用價值。筆者結(jié)合MK15、MK16等國外閉式循環(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)計數(shù)據(jù)出發(fā)，著重討論氧監(jiān)測技術(shù)在循環(huán)呼吸器使用中的關(guān)鍵作用，并對目前國際上的各類氧監(jiān)測產(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)呼吸器對氧監(jiān)測的要求

在歐洲和美國，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。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)合召開了循環(huán)呼吸器致死事故的調(diào)查研討會，針對由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，與會的業(yè)內(nèi)人士對引起事故的原因進(jìn)行了分類與識別，認(rèn)為問題主要集中在醫(yī)學(xué)、設(shè)備及潛水程序3個方面。圖1為338起開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。可以看到，設(shè)備問題和浮力問題在循環(huán)呼吸器死亡案例中最為常見。設(shè)備問題主要包括程序問題和設(shè)備失靈。其中3起設(shè)備失靈問題為:呼吸器進(jìn)水、無法供氧、100 m洞穴潛水時的一起不明設(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題為:供氧閥未打開、電子設(shè)備未打開、氣體未檢查、氧傳感器安裝錯誤、氧氣噴嘴部分堵塞、連接松動等。

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)呼吸器通過人手或電子全自動控制氣體補(bǔ)充閥門，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)到在水下停留更長的時間，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)一定時間，會將氣體排出。

圖1 開放式呼吸器和循環(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)。氧分壓過低會導(dǎo)致潛水員在毫無預(yù)警的情況下發(fā)生缺氧昏迷，最終可能導(dǎo)致死亡，氧分壓過高會導(dǎo)致潛水員因氧中毒而驚厥，引起溺水。因此，需要實時監(jiān)測循環(huán)呼吸器呼吸回路中的氧分壓，并在其過高或過低時，發(fā)出聽覺、視覺或震動信號來警示潛水員，使?jié)撍畣T能夠針對具體情況采取手動補(bǔ)氧、切換應(yīng)急呼吸氣或暫停上浮等措施［4］。

2 高氣壓下的測氧手段——電流燃料電池

循環(huán)呼吸器利用一種對氧氣敏感的傳感器——電流燃料電池(electro-galvanic fuel cell)來監(jiān)測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，產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)會在鉛陽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，在潛水過程中監(jiān)測的氧分壓變化［3］。

燃料電池也可用于檢測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。可直接將燃料電池置于高壓環(huán)境中，將信號通過穿艙電纜引出來進(jìn)行監(jiān)測，也可通過采樣將氣體減至常壓后進(jìn)行濃度測量再換算為高壓下的氧分壓。該項技術(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，其響應(yīng)曲線無規(guī)律可言，此時用校準(zhǔn)方法無法進(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，在每次使用前要對其進(jìn)行準(zhǔn)確的測試。潛水員可在下水前進(jìn)行測試，如向循環(huán)呼吸器回路中充入氧氣，使氧分壓大于常壓時的氧分壓，以檢測燃料電池是否能在高氧分壓情況下正常工作，但這種單點測試無法完全準(zhǔn)確的評估燃料氧電池在高壓情況下的工作性能。唯一精確的測試方法是在一個可以穩(wěn)壓無漂移的測試校準(zhǔn)艙中進(jìn)行多點測試，并對結(jié)果進(jìn)行對數(shù)分析和繪圖［8］。

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

20世紀(jì)70年代末期，美國的Biomarine公司聯(lián)合美國海軍進(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、英國及澳大利亞海軍均在使用其升級版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)，通過電流燃料電池監(jiān)測呼吸回路中的氧分壓，并通過電子控制的壓控自動稀釋閥，將氧分壓控制在一個合理的定量范圍內(nèi)［3］。圖2分別為MK15和MK15.5的含有3個微燃料氧傳感器的控氧裝置，安裝在過濾罐中心位置。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

對于半閉式和手動補(bǔ)氧等不具備自動控氧系統(tǒng)的循環(huán)呼吸器，通常通過外置測氧裝置來監(jiān)測呼吸回路中的氧分壓，雖不能控制氧分壓，但可在氧分壓過高或過低時報警，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，這些外置的測氧裝置除了本身具備顯示功能外，通常還通過無線通訊技術(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 國外的外置測氧裝置產(chǎn)品

圖5 外置測氧裝置與潛水手表的無線通訊

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)的第一臺燃料氧電池檢測裝置是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)備制造商展會金獎和2010年Eurotek先進(jìn)潛水產(chǎn)品革新獎。

綜上所述，循環(huán)呼吸器氣路中的氧監(jiān)測技術(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)，歐美國家近年來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)呼吸器的測氧產(chǎn)品，該類氧監(jiān)測技術(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)時的用氧安全，應(yīng)借鑒國外的技術(shù)應(yīng)用方法，著力研究適用于我軍潛水裝具的氧監(jiān)測技術(shù)及裝備。

圖6 Narked at90公司生產(chǎn)的燃料氧電池檢測裝置

［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.

［4］ Chapter 5.3 Control of the breathing gasmix［EB/OL］.http:// en.wikipedia.org/wiki/Rebreather，2013-05-16/2013-10-11.

［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.

［8］ Chapter1 Cell limitations［EB/OL］.http://en.wikipedia.org/wiki/Electro-galvanic_fuel_cell，2008-03-30/2013-02-28.

R84

A

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)