正壓式氧氣呼吸系統(tǒng)的應(yīng)力分析

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作者：張仁良，陳金岳

氧氣呼吸器的防護(hù)性能主要取決于面罩的密貼性，而面罩的密貼性又與面罩內(nèi)外的壓力差有關(guān)。如果吸氣時面罩內(nèi)壓力高于外界大氣壓，有毒氣體就無法泄漏進(jìn)去，從而提高了氧氣呼吸器的防護(hù)能力。這種在呼吸全過程中保證面罩內(nèi)壓力始終大于外界大氣的氧氣呼吸器，被稱為正壓式氧氣呼吸器。

1正壓呼吸系統(tǒng)工作原理

氧氣呼吸器結(jié)構(gòu)主要分成供氣系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)2個系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由氣瓶、減壓器、壓力表、定量閥、自動補給閥、手動補給閥等組成；呼吸系統(tǒng)由面罩或口具鼻夾、呼吸軟管、吸收二氧化碳的清凈罐、氣囊或氣倉、排氣閥、冷卻器等組成。決定氧氣呼吸器防護(hù)能力大小的是氧氣呼吸器的呼吸系統(tǒng)。正壓式氧氣呼吸器與普通氧氣呼吸器的主要區(qū)別在于呼吸系統(tǒng)。

正壓呼吸系統(tǒng)與普通呼吸系統(tǒng)差別是在氣囊上增加一個彈簧力，加大了排氣閥的開啟壓力、還相應(yīng)提高了自動補給閥的開啟壓力和關(guān)閉壓力。圖1為普通氧氣呼吸器和正壓式氧氣呼吸器的工作原理圖。



圖1呼吸器工作原理

從圖1中可以看出：在普通氧氣呼吸器中，吸氣閥是靠吸氣時面罩內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓來打開的，自動補給閥是在負(fù)壓下進(jìn)行補氣。而在正壓氧氣呼吸器中，面罩內(nèi)是不會產(chǎn)生負(fù)壓，吸氣時呼吸氣體能自動流入面罩。自動補給閥是在正壓下就開啟進(jìn)行補氣；呼氣時面罩內(nèi)壓力大于氣囊壓力，由于壓差使吸氣閥自動關(guān)閉，呼氣閥打開；為了保證呼出氣體不能直接從排氣閥流出，必須加大排氣閥的彈簧力。正壓呼吸系統(tǒng)就是用這種方法使面罩在呼吸全過程中保持正壓。

2正壓呼吸系統(tǒng)靜態(tài)應(yīng)力分析

從上面的正壓呼吸系統(tǒng)工作原理分析得知：氧氣呼吸器產(chǎn)生正壓的主要部件是增加氣囊上的彈簧力，提高自動補給閥開啟壓力，加大排氣閥的開啟壓力。所以在分析正壓呼吸系統(tǒng)應(yīng)力時可以把這3部件看成同一部件處理。

2.1普通呼吸器的靜態(tài)應(yīng)力

肺部吸氣時，在面罩內(nèi)產(chǎn)生相對于大氣壓負(fù)值的吸氣壓力P_x。面罩內(nèi)的吸氣負(fù)壓是由于吸氣閥膜片開啟阻力、吸氣軟管的氣流阻力、冷卻罐的流動阻力、氣囊變形阻力、自動補給閥的功能阻力等引起。因此可以把面罩內(nèi)吸氣負(fù)壓看成呼吸器的吸氣阻力、它的大小與呼吸量有關(guān)，一般在-200～-600Pa之間。吸氣壓力達(dá)到自動補給閥開啟壓力時自動補給閥就能自動打開，向氣囊充氣。如果吸氣量不超過自動補給所提供的呼吸氣體（60～80L/min），面罩內(nèi)吸氣壓力就不會低于自動補給閥的開啟壓力P_b（300Pa）。如果吸氣量超過自動補給所提供的呼吸氣體，吸氣時就會感到供氣不足，甚至發(fā)生缺氧，這時吸氣負(fù)壓就會持續(xù)下降。所以，在正常使用條件下面罩內(nèi)靜態(tài)應(yīng)力的負(fù)壓值P_x應(yīng)高于自動補給閥的開啟壓力P_b，即P_x≥P_b。肺部吸氣時，在面罩內(nèi)產(chǎn)生一個相對于大氣壓P_a較高的呼氣壓力P_h是用于克服呼氣閥膜片開啟力、呼氣軟管的氣流阻力、清凈罐的流動阻力、氣囊變形阻力、自動補給閥的功能阻力、排氣閥的開啟阻力等。所以，也可以把呼氣壓力P_h看成呼氣阻力，它也與呼吸量大小有關(guān)。中等勞動強(qiáng)度下，呼吸阻力為200～300Pa；在50L/min呼吸量下，達(dá)到450Pa；一般在200～700Pa之間。當(dāng)面罩內(nèi)的呼吸氣壓力P_h達(dá)到排氣閥開啟壓力P_p時，自動排氣。如果呼氣量不超過排氣量，面罩內(nèi)的呼氣壓力就不會大于排氣閥的開啟壓力P_p。如果人體呼氣量超過排氣量，就會感覺弊氣，這時呼氣正壓就會持續(xù)上升。因此，一般情況下面罩內(nèi)靜態(tài)應(yīng)力的正壓值Ph不應(yīng)大于排氣閥的開啟壓力P_p即P_h≤P_p^[1]。

2.2正壓呼吸器的靜態(tài)應(yīng)力

在使用普通呼吸器時，如果打開氣瓶后不進(jìn)行呼吸，排氣閥和自動補給閥都是處于關(guān)閉狀態(tài)。正壓呼吸器是在氣囊上安裝了一個增壓彈簧，同時調(diào)整了自動補給的開啟壓力和排氣閥的開啟壓力，使呼吸系統(tǒng)在呼吸時能獲得更高的壓力。從平衡觀點分析，在氣囊上增加的彈射力P_s可以看成面罩在靜態(tài)下的正壓。如果面罩佩帶合適，不進(jìn)行呼吸就會在呼吸系統(tǒng)內(nèi)建立一個靜態(tài)壓力P_s。肺部吸氣時，需要從氣囊里獲得呼吸氣體，呼吸系統(tǒng)內(nèi)靜態(tài)壓力P_s失去平衡，這時吸氣閥膜片受到壓差作用就立即打開。這樣呼吸氣體自動流進(jìn)面罩。直至再一次達(dá)到壓力平衡。所以在正壓氧氣呼吸器里，正壓能夠幫助送氣，吸氣時不需要做功。呼吸氣體往面罩里流入的時候，是動態(tài)過程。雖然作用在吸氣閥膜片上的壓力P_zx比正壓值P_s低，但在正常情況下總是比環(huán)境大氣壓高。所以，面罩內(nèi)的吸氣靜態(tài)壓力P_zx為：P_zx= P_s-P_x> P_a。如果吸氣量不超過自動補給閥的供氣量，面罩內(nèi)吸氣靜壓就不會低于補給閥的開啟壓力，即P_zx≥P_zd。在普通呼吸器中，肺部呼吸氣時會在面罩內(nèi)形成正壓P_h，這正壓足以打開呼氣閥。而在正壓呼吸器中，呼氣閥受到所以使用正壓呼吸器,為了克服呼氣閥開啟阻力。肺部必須產(chǎn)生P_s和P_p之和的合力，在大流量呼吸氣體內(nèi)還需要克服相應(yīng)呼吸氣體流動阻力。所以，面罩內(nèi)的呼氣靜態(tài)壓力P_zh應(yīng)是P_zh=P_s+ P_h。

圖2為普通呼吸器和正壓呼吸器呼吸系統(tǒng)在30L/min呼吸量時的靜態(tài)應(yīng)力，它是下面動態(tài)應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。

2.3正壓呼吸系統(tǒng)靜態(tài)應(yīng)力分析

正壓呼吸器的呼吸阻力會直接影響到呼吸系統(tǒng)正壓值P_s的確定。因為正壓值設(shè)得太高會使呼氣阻力太大，設(shè)得太低又不能保證呼吸器的保護(hù)能力。為了保證呼吸舒適，呼氣不感到費勁，要求呼吸系統(tǒng)的正壓值和呼氣阻力，其和（P_s+ P_h）不得超過800 Pa。吸氣阻力的最小值，決定著呼吸器保護(hù)能力，它與正壓值之差（P_s－P_h）越大，呼吸保護(hù)能力就越高。因此，在正壓氧氣呼吸器中，降低呼吸阻力是提高保護(hù)性能的關(guān)鍵所在。選用氫氧化鋰吸收劑，降低清凈罐的通氣阻力；增大氣囊橫截面，減小氣囊變形阻力；應(yīng)用硬壁氣倉，減少外力對氣囊變形的影響；實施雙排氣閥，保證排氣穩(wěn)定性；采用雙氣囊，減緩清凈罐通氣流量；改變冷卻罐通氣結(jié)構(gòu)，減小吸氣流通阻力等方法都可以有效地降低呼吸阻力，提高呼吸保護(hù)能力。



普通呼吸系統(tǒng)應(yīng)力 正壓值 正壓呼吸系統(tǒng)應(yīng)力

P_a——外界環(huán)境大氣壓； P_x——普通面罩內(nèi)的吸氣靜壓； P_zx——正壓面罩內(nèi)的吸氣靜壓； P_b——普通自動補給閥開啟壓力； P_zb——正壓自動補給閥開啟壓力； P_h——普通面罩內(nèi)的呼氣靜壓； P_zh——正壓面罩內(nèi)的呼氣靜壓； P_p——普通排氣閥開啟壓力； P_zp——正壓排氣閥開啟壓力； P_s——作用在氣囊上的彈簧力，也就是呼吸系統(tǒng)的正壓值。

圖2呼吸系統(tǒng)在30L/min呼吸量時的靜態(tài)應(yīng)力。

3正壓呼吸系統(tǒng)動態(tài)應(yīng)力分析

氧氣呼吸器的呼氣阻力和吸氣阻力都是隨著呼吸量而發(fā)生變化。它們之間的函數(shù)關(guān)系取決于呼吸器的結(jié)構(gòu)特性。為了便于分析，把它們看成線性關(guān)系。

3.1普通呼吸器的動態(tài)壓力

動態(tài)壓力曲線的起始點是靜態(tài)壓力值。呼吸動態(tài)曲線可以這樣確定，呼氣量為零時呼氣閥的開啟壓力為100Pa；呼吸量在50L/min，呼氣阻力為300Pa。把坐標(biāo)上這兩點（0，1），（50，3）聯(lián)成直線便成為呼氣阻力隨著呼吸量而變化的函數(shù)曲線。同理，吸氣曲線的第一點是（0，-2），第二點是（50，-4.5）。這2點確定的直線表示吸氣阻力隨著呼吸量而變化的函數(shù)曲線。這2條直線近似反映出普通呼吸器動態(tài)壓力變化。

3.2正壓呼吸器的動態(tài)壓力

如果要使呼吸系統(tǒng)在整個呼吸周期中都是正壓，也就是呼吸量達(dá)到60L/min時，整個呼吸過程保持最低正壓，這就要在氣囊和自動補給閥上增加一個彈簧力。在這個彈簧力作用下能使自動補給閥以大于60L/min流量的氧氣瞬間流出。我們可以在圖3上作X軸的平行線，并與吸氣直線交于60L/min點上。把這平行直線定為X₁軸。可以看出：呼吸量達(dá)到60L/min后再進(jìn)一步提高呼吸量，吸氣就會出現(xiàn)負(fù)值。在普通呼吸器中。呼吸量達(dá)到60L/min時，面罩內(nèi)靜態(tài)壓力為-500Pa。所以應(yīng)該在氣囊上相應(yīng)施加500Pa彈簧力。當(dāng)減小呼吸量時，為了避免呼吸氣體直接從排氣閥流走，所以排氣閥的開啟壓力定為900Pa。由于Y軸表示外界大氣壓力，所以呼吸系統(tǒng)內(nèi)動態(tài)壓力就用右邊的Y₁軸表示，也就是把X₁軸變成壓力零線。在呼吸量0～60L/min時，呼氣動態(tài)壓力是在600～950Pa。在正壓系統(tǒng)中，呼氣阻力是由呼吸系統(tǒng)正壓加上靜態(tài)呼氣波動壓力。由于影響動態(tài)壓力的附加阻力與普通呼吸器總體大致相同，所以呼氣曲線的位置和方向沒有什么變化。在小于規(guī)定的極限呼吸量時，吸氣壓力是正的。圖3是氧氣呼吸器呼吸系統(tǒng)動

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td="14157">態(tài)應(yīng)力條件示意圖。其中，縱坐標(biāo)Y表示普通呼吸器的呼吸阻力，縱坐標(biāo)Y₁表示正壓呼吸器的呼吸阻力，橫坐標(biāo)X表示呼吸量。



圖3呼吸系統(tǒng)動態(tài)壓力

3.3正壓呼吸系統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)力分析

正壓呼吸器的呼吸阻力曲線是隨著呼吸量而變化的，為了保證呼吸器在較大的呼吸量下還能維持面罩內(nèi)正壓，必須使呼吸阻力曲線趨勢平坦，提高呼吸器的靜態(tài)正壓值。也就是說，要求呼吸器阻力受呼吸氣體流量變化的影響越小越好。比如，德國DRANGER公司的BG4正壓式氧氣呼吸器和美國BAOMARINE公司的BAOPAK240正壓式氧氣呼吸器，面罩內(nèi)呼吸靜態(tài)壓力分別是500Pa和418Pa；面罩內(nèi)吸氣靜壓分別是100Pa和197Pa。如果這兩種呼吸器都能在60L/min的呼吸量下保證面罩正壓，說明GB4的呼吸阻力曲線趨勢比較平坦，正壓值定的比較低，呼吸比較舒適。如果要把呼吸量取得更大，比如80L/min以上，保證呼吸器還是正壓。唯一的辦法是抬高正壓值，但這樣會把呼吸阻力提得很高，使用時難以忍受。因此，在國家標(biāo)準(zhǔn)中并不規(guī)定在70L/min的大呼吸量下必須保證呼吸器處于正壓。

4正壓呼吸系統(tǒng)的應(yīng)力對呼吸器使用影響

（1）對呼吸生理的影響。正壓呼吸器的呼吸阻力分布與普通氧氣呼吸有顯著差別，有人擔(dān)心對人的呼吸生理會有影響。1975年德國Scherrer教授在Berne Inselspital呼吸?？茖W(xué)院進(jìn)行了試驗^[2]，結(jié)果表明：壓力達(dá)到所規(guī)定的最高值時，從生理學(xué)觀點分析，沒有發(fā)現(xiàn)不良癥狀。在佩戴呼吸模擬做功試驗時，只要呼吸阻力稍高于所選擇的壓力（比如800Pa），試驗人員就會表示呼吸不舒服。從呼吸生理講，因為人體是通過肺部肌肉活動進(jìn)行吸氣，所以是主動性。而呼氣是依靠橫膈膜和胸腔回縮進(jìn)行，是被動性。只有在強(qiáng)制性呼吸時，呼氣同樣是主動維持著。在正壓氧氣呼吸器中，即使用很低的呼吸量，呼氣都變成主動的。在吸氣階段，呼吸空氣自動流進(jìn)面罩，是不需要做功。佩戴呼吸器進(jìn)行重體力勞動，在這樣呼吸方式下必然會引起肺部肌肉的暫時性疲勞。按照J(rèn)·H·Comroe觀點^[3]，腹壁肌是最重要的呼吸肌肉。在高呼氣阻力下，人體會做深呼吸。因此，彈性肺部組織伸展范圍更大，而彈性肺部組織的收縮力并由此引起的呼氣力量也就增強(qiáng)。從人體工程學(xué)角度分析，在正壓呼吸條件下呼吸，對人體的呼吸器官和循環(huán)不會產(chǎn)生任何不良影響。

（2）對呼吸防護(hù)能力的影響。普通呼吸器的額定保護(hù)系數(shù)是5000，而正壓氧氣呼吸器的額定呼吸保護(hù)系數(shù)是20000。美國BAOMARINE公司做過試驗，BAOPAK240的呼吸器的呼吸保護(hù)系數(shù)可達(dá)到15萬^[4]。正壓是氧氣呼吸器保護(hù)系數(shù)與呼吸系統(tǒng)中最低吸氣壓力有關(guān)，也就是呼吸器的正壓值與吸氣阻力的差值越大，呼吸保護(hù)系數(shù)越高。因為面罩內(nèi)外的壓差越大，外界有毒氣體就越難以浸入呼吸系統(tǒng)。所以，提高呼吸器的正壓值，降低吸氣阻力能有效提高正壓式氧氣呼吸器呼吸保護(hù)能力。

（3）呼吸氣源的影響。從呼吸系統(tǒng)應(yīng)力分析得知：呼吸氣體在呼吸系統(tǒng)中僅僅提高壓力，并不會增加氧氣消耗。為什么有的正壓式氧氣呼吸器的氧氣利用率可以達(dá)到80％，而有的僅是60％。究其原因，呼吸器的自動補給閥和排氣閥的開啟壓力設(shè)置得太低，與呼吸阻力差距不大。特別是呼吸阻力受呼吸流量影響大的呼吸器，呼吸量稍有增加，呼吸阻力就達(dá)到開啟壓力。所以，在呼氣時排氣閥就排氣，在吸氣時補給閥就進(jìn)行補氣。使用時一邊補氣一邊排氣，造成氣源利用率低下。當(dāng)然通過增大氣囊容積可以彌補呼吸阻力的波動。但在正壓氧氣呼吸器中已經(jīng)有增壓彈簧占據(jù)較大空間，不可能有更大氣囊容積。事實上BG4的氣囊容積只有5.5L，但氧氣利用率高達(dá)82％^[5]。因此，正確設(shè)置自動補給閥和排氣閥的開啟壓力，減小呼吸阻力受呼吸流量影響，是提高氣源利用率的關(guān)鍵所在。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Comros.J.H.呼吸生理［M］.北京：醫(yī)學(xué)年書出版社1965

[4] BAOMARINE.Baopak 240&2409 Operation Maintenance Manual[M].BAOMARINE,Co.P/N B5-06-6900 C Revision 9/1/93

[5] Jens Andersen.BG4 Positlve Pressure oxygen breathing apparatus[J].Drager Review 72.Dec.,1993

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