高原單人需氧量分析及吸氧效果研究

朱 浩，蔡 鵬，張 華

（陸軍裝備部駐南京地區軍事代表局駐合肥地區軍事代表室，安徽合肥 230088）

目前，針對高原人員缺氧問題，吸氧是緩解高原反應的最有效措施[2]。隨著變壓吸附制氧技術的發展和分子篩制氧機的應用，越來越多的高原地區配套使用了分子篩制氧機。然而，區別于航空供氧和民用醫療供氧成熟的生理學研究，高原人員的用氧需求及吸氧效果研究報道較少。本文就高原缺氧環境下單人需氧量進行分析，結合吸氧效果試驗對4 500m海拔單人每分鐘補充1L氧氣的可行性進行探究。

1 分子篩制氧供氧概述

在高原缺氧環境下，通過為人員供給高濃度的富氧氣體，可有效改善人體的缺氧癥狀。目前，常用的制氧技術主要包括深冷法、化學試劑法、電解法、膜分離法、變壓吸附法。變壓吸附法產氧量可大可小，產品形式靈活，可以是便攜式、車載式、移動式、固定式，產氧時間短，操作方便。因此，現有高原車輛主要配套分子篩制氧機。此類產品具有體積小、重量輕、安全性高、使用成本低等優點[3]，可安裝在車輛上移動使用，僅需消耗一定的電能，即可持續制取氧氣供人員吸取。

目前，吸氧方式主要有鼻導管法（鼻吸管）、鼻塞法、面罩法、口罩法、頭罩法和氧氣帳法[1]。其中，鼻導管吸氧是指將鼻氧管插至使用者鼻咽部位進行吸氧，這種吸氧方式操作簡單，使用方便，在家庭氧療和高原地區供氧領域得到廣泛應用。采用鼻導管吸入的雖然是純氧，但同時還吸入了大量空氣，最終吸入的是混合氧，一般按下式[1]計算吸氧濃度：

在不同海拔高度下，通過鼻導管吸氧方式提高人員吸入氣氧濃度可有效改善缺氧癥狀。

2 單人需氧量分析

2.1 人體耗氧量

成年人在安靜狀態下，耗氧量約為0.25L/min，但在進行活動量時，耗氧量會極大提高。根據GJB 1336《軍事體力勞動強度分級》中A.3關于能量消耗率、心率、肺通氣量和耗氧量的相互關系規定，得出不同體力勞動等級下人員耗氧量與勞動強度關系如下表1。

表1 不同體力勞動等級下人員耗氧量與勞動強度關系

表1表明：不同勞動等級強度下，人員的耗氧量不同。在缺氧環境下，單人每分鐘補充1L氧氣，能夠進行中或重勞動等級工作，如從事駕駛、搬運、思考等日常工作任務。

2.2 單人補氧量

在不同海拔高度下，人員個體差異導致其缺氧癥狀有所差異，海拔越高，缺氧癥狀越明顯，所需補氧量越高。按照GJB 114《急性缺氧防護生理要求》中規定，在各海拔高度上保持不同肺泡氧分壓（即某一高度）時所需吸入氣含氧百分比FIO2計算公式為：

式中：pAO2為規定的缺氧水平的肺泡氧分壓，kPa；

pACO2為規定的缺氧水平的肺泡二氧化碳分壓，kPa；

pB為環境氣壓，kPa，計算時：pB=101.3×（1-2.257H×10-5）5.256，H：海拔高度，m；

6.3 體溫37℃時飽和水蒸氣壓力，kPa；

FIO2：吸入氣中氧的百分含量，%。

由式（2）計算，在不同海拔高度上，補氧效果達到海平面（海拔0m）、海拔3 000m水平，所需吸入氣中氧的百分含量與供氧曲線如圖1所示。

圖1 補氧效果達到規定海拔高度所需吸入氣氧濃度與海拔高度關系

曲線A：補氧效果相當于海拔0m肺泡氧分壓水平，pAO2=13.7 kPa，pACO2=5.3 kPa。

曲線B：補氧效果相當于海拔3 000m的等效高度，pAO2=8.2 kPa，pACO2=4.7 kPa。

上述結果表明，隨著海拔高度的增加，若要維持人員不缺氧生理狀態，需要補充一定的氧氣，吸氧效果等效海拔0m和等效海拔3 000m，吸入氣氧濃度相差7%，海拔高度增加，其差值越大。由此表明，海拔高度越高，為達到更好的吸氧效果，所需補氧量非固定不變。此外，曲線A表明海拔高度增加到10 000m以上時，僅依靠提高吸入氣氧濃度，已無法有效解決人員缺氧問題，需考慮通過提高吸入氣壓力從而提高肺泡氧分壓水平，達到不缺氧效果。

基于上述分析，對缺氧環境人員供氧時，應根據海拔高度的不同，設計相應的吸氧方式。對于高原單人供氧，考慮到地面海拔高度一般低于7 000m，選擇鼻導管吸氧方式是合適的。同時，在設計單人供氧量時，應結合實際需求，設定合適的供氧效果等效海拔高度。本文按照醫學定義的缺氧海拔高度3 000m作為單人補氧量分析依據，由圖1可知，在海拔4 500m，吸氧效果達到海拔3 000m的等效高度，需要保證吸入氣氧濃度為25.1%，通過公式（1）計算可知，此時需要補充氧氣量為1.0L/min，即人員不會出現缺氧癥狀。

3 單人吸氧效果試驗

3.1 高原試驗

為了進一步研究高原單人補氧量及吸氧效果，于2020年9月在西藏地區海拔4 530m高原，利用某型1升分子篩制氧機制取氧氣供給人員吸氧，分別測試了使用者吸氧前后的血氧飽和度及心率等生理指標。

3.2 試驗條件

試驗儀器：OX-100A型氧分析儀，KM3100-62-1-17-1-10型流量計，NONIN型血氧飽和度測試儀。

參試人員：年齡在19～27歲，在高原地區生活4個月的人員。

3.3 試驗方案

試驗時，選擇以下兩種方案對吸氧人員血氧飽和度、心率生理指標進行監測，對比其改善情況，評價單人補充1升氧氣的吸氧效果。

方案一：人員安靜狀態，吸氧和不吸氧時，分別監測使用者的血氧飽和度和心率。

方案二：人員跑步越野狀態，不吸氧與吸氧試驗情況下，人員分別在進行500m跑步越野，過程監測血氧飽和度和心率。

3.4 試驗結果及分析

3.4.1 制氧機性能測試結果

試驗前，對試驗用分子篩制氧機進行性能測試，其輸出制氧流量為1.2L/min，輸出氧氣濃度為92.5%，產品性能能夠保證人員吸氧時的補氧量達到1L/min。開始試驗時，參試者佩戴好血氧飽和度測試儀和鼻氧管，采用鼻導管吸氧法進行補氧。試驗過程中持續監測參試者生理指標，需要吸氧時，制氧機開機。

3.4.2 安靜狀態試驗結果

對5名參試者在安靜狀態下吸氧和不吸氧的血氧飽和度和心率測試值如表2所示。

表2 參試者在安靜狀態下吸氧和不吸氧的血氧飽和度和心率變化情況

從表2可以看出，不同參試者吸氧前后生理指標參數存在差異，在海拔4 530m地區，補氧量達到1L/min，人員靜態吸氧后血氧濃度飽和度平均提高9.5%，由吸氧前的78%～88%提高到吸氧后89%～96%，人員基本感覺不到缺氧；同時，心率值平均下降5次/min。

3.4.3 單人跑步越野試驗結果

為了進一步研究單人運動時每分鐘補充1L氧氣的效果，參試人員分別在不吸氧與吸氧試驗情況下，進行500m跑步越野，吸氧和不吸氧前后參試者的血氧飽和度、心率和越野時間測試值如表3所示。

表3 進行500m越野，吸氧和不吸氧前后人體的血氧飽和度、心率和越野時間變化情況

在海拔4 530m地區，單人進行500m跑步越野試驗結果表明：

（1）參試者在越野過程中吸氧，其血氧飽和度明顯提高，血氧飽和度平均提高13.8%，但依然存在一定程度的缺氧，血氧飽和度平均值由吸氧前的72%提高到吸氧后的82%，心率平均值降低16.8%，由吸氧前的148次/min降低至123次/min；

（2）單人進行500m跑步越野，吸氧比不吸氧的平均越野時間節省了約1分25s左右，補氧1L/min時，有效提高了人員跑步越野速度；

4 結論

通過理論分析和試驗相結合的方法，探討了高原4500m海拔缺氧環境，單人需氧量及其吸氧效果，得出以下結論：

1）理論分析表明：在海拔4 500m，為保證人員補氧效果達到海拔3 000m的等效高度，需要保證人員吸入氣氧濃度為25.1%，此時單人需要補充氧氣量為1 L/min；

2）試驗研究表明：在4 500m條件下，單人補氧量為1L/min時，能夠不同程度地改善人員的血氧飽和度和心率，減少人員的高原反應。安靜狀態下，補氧1L/min，人員血氧飽和度平均值提高9.5%，心率平均下降5次/min；單人越野狀態下，人體血氧飽和度平均值提高13.8%，心率平均下降16.8%，500m越野時間減少了1分25s；

3）研究結果表明：對于高原4 500m海拔缺氧環境，采用鼻吸氧管供氧方式時，應按照單人補氧量不低于1L/min進行設計，從而能夠保證人員在4 500m海拔缺氧癥狀有效改善。