高空高血壓環(huán)境醫(yī)學(xué)生理研究的新進(jìn)展

飛機(jī)氧氣防護(hù)裝備是飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能發(fā)展的產(chǎn)物。隨著飛機(jī)性能的提高，其防護(hù)性能不斷變化和改進(jìn)。自人類開始升空探索,創(chuàng)造和發(fā)展了高空供氧、增壓座艙、加壓供氧和機(jī)載分子篩制氧4大技術(shù)。這些技術(shù)進(jìn)步對(duì)飛機(jī)性能的提高,尤其是高空防護(hù)性能的提高起到了不可估量的作用。可以說(shuō)這4大技術(shù)是航空供氧防護(hù)裝備與生理研究發(fā)展史上的4個(gè)里程碑。1數(shù)據(jù)規(guī)定和應(yīng)用1783年人類第一次乘氣球升空。1903年由人類操縱飛行的飛機(jī)問(wèn)世。從此人類對(duì)高空環(huán)境的影響有了由淺到深的認(rèn)識(shí)。1804年俄國(guó)科學(xué)家Charophy在氣球飛行前后測(cè)試了脈搏、呼吸和自覺(jué)癥狀,這是人類史上第一次研究人體在高空飛行時(shí)的變化,認(rèn)識(shí)到了高空低氣壓對(duì)人體生理的影響。1804年,3名意大利人Andreoli、Brasette和Zambeccari升空到6000m時(shí)出現(xiàn)嘔吐并失去知覺(jué)。1862年9月5日英國(guó)氣象學(xué)家Glaisher和飛行家Coxwell乘氣球進(jìn)行了人類第一次高空探測(cè),當(dāng)飛到9144m時(shí)Glaisher失去了知覺(jué)。Glaisher和Coxwell首次記錄了升到9450m的高空生理反應(yīng):當(dāng)他們上升到5640m時(shí),脈搏加快到100/min;在5850m時(shí),感到呼吸急促、心悸、手和嘴唇發(fā)紺、判讀儀表困難;在8700m高度上,兩人都感到極度疲乏,“好像沒(méi)有四肢一樣”。1875年4月15日法國(guó)飛行家Tissandier企圖打破他們的記錄,攜帶了專門設(shè)計(jì)的氧氣裝置,當(dāng)上升到6949m時(shí)開始吸氧,到8000m時(shí)感到呼吸困難、眩暈和乏力,在他稍清醒時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)同伴面色青紫、口鼻出血而死,這第一次證實(shí)了身體條件不同,缺氧耐力也不同。法國(guó)PaulBert(1833～1886年)在1878年發(fā)表了《大氣壓力》和《大氣壓-實(shí)驗(yàn)生理學(xué)研究》,是世界上闡明高空低壓缺氧和屈肢痛的第一人,他還第一個(gè)建造了模擬高空低氣壓的低壓艙,并用它從事高空生理訓(xùn)練。氧氣的成功應(yīng)用極大地鼓舞著探險(xiǎn)家的飛行活動(dòng)。第一次世界大戰(zhàn)期間,意大利首先將飛機(jī)用于戰(zhàn)爭(zhēng),有了飛行帶氧和供氧裝置。2高空探測(cè)的原理持續(xù)高空飛行超過(guò)了人的生理耐限,導(dǎo)致低壓缺氧、高空減壓病等,為此人們?cè)O(shè)計(jì)了減輕低壓暴露的密封式和增壓座艙。1927年5月4日,美國(guó)陸軍上尉Gerry帶著氧氣上升到12802m時(shí),感到胸悶不適,便終止飛行,在2438m跳傘逃生,未被國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)承認(rèn)。同年11月4日再次升空,當(dāng)升到11887m時(shí)失去了知覺(jué),達(dá)12945m時(shí)由于氧氣用盡而死。先驅(qū)者的高昂代價(jià)使人們懂得,敞開座艙升空的高度是有限的,必須設(shè)計(jì)新的裝備。1931年5月27日,德國(guó)科學(xué)家Paiccard和他的助手乘坐自己設(shè)計(jì)的壓力艙,完成了15240m的高空探險(xiǎn)。從此人們就開始了壓力艙的設(shè)計(jì)。1933年P(guān)aiccard首次發(fā)表了提高座艙壓力的設(shè)計(jì)方案,1937年后才用于實(shí)際。1939年美國(guó)空軍HarryG.Armstrong將軍指出,提高座艙環(huán)境壓力是防止出現(xiàn)高空生理問(wèn)題的最有效的手段。20世紀(jì)30年代末至40年代初,密封增壓座艙的廣泛應(yīng)用以及航空供氧裝備的進(jìn)一步完善,使高空飛行成為可能。隨著高空升限的進(jìn)一步提高,一旦發(fā)生座艙爆破,人體被突然暴露到極為嚴(yán)重的低氣壓環(huán)境中,除遭受迅速減壓的機(jī)械影響外,還可能經(jīng)受高空暴發(fā)性缺氧、體液沸騰的危害。高空加壓供氧技術(shù)及其全套防護(hù)服裝有效地保證了飛行人員高空飛行的安全。3加壓呼吸技術(shù)在人體中的應(yīng)用在第一、二次世界大戰(zhàn)之間,隨著飛機(jī)升空性能的不斷提高,人類高空暴露的高度大幅度增加,飛行實(shí)踐和悲慘的缺氧事故使人類又進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到,如果飛行高度過(guò)高,靠呼吸純氧已不足以防止缺氧事故的發(fā)生。因此,人們發(fā)明了提高壓力的供氧裝置和特殊的供氧面罩,強(qiáng)制性供氧,從而形成了最初有正壓(小余壓)呼吸的概念。第二次世界大戰(zhàn)前夕,德國(guó)人發(fā)展了肺式氧氣調(diào)節(jié)器。后來(lái)英、美等國(guó)發(fā)展了高空加壓供氧裝備,使飛機(jī)的高空、高速飛行成為現(xiàn)實(shí)。德國(guó)Benzinger將臨床加壓呼吸技術(shù)應(yīng)用于加壓供氧調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)上。美國(guó)Gagge進(jìn)行了相關(guān)研究,通過(guò)密閉的口鼻面罩與肺式氧氣調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)加壓供氧。加拿大Barjet等采用連續(xù)供氧調(diào)節(jié)加壓呼吸,于1942年研究了不同于美國(guó)的加壓呼吸氧氣調(diào)節(jié)器,即以連續(xù)流量調(diào)節(jié)為基礎(chǔ),通過(guò)儲(chǔ)氣囊向供氧面罩加壓。1943年和1944年此技術(shù)方案被用于英國(guó)和德國(guó)的偵察機(jī)。1944年Hoet觀察到狗胸膜腔內(nèi)壓變化對(duì)心輸出量和靜脈壓的影響。1946年Barach等系統(tǒng)地研究了加壓呼吸時(shí)循環(huán)與呼吸系統(tǒng)的變化。1947年Drury、Henry和Goodman研究認(rèn)為,給軀干施加對(duì)抗壓力,人體能耐受加壓6.0kPa長(zhǎng)達(dá)10～20min。1955年Ботвинников在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀察到,肺內(nèi)壓為0.67～0.80kPa,對(duì)呼吸和循環(huán)系統(tǒng)功能的影響較輕微,動(dòng)脈血壓僅有呼吸性波動(dòng),心率增加不明顯。英國(guó)航空醫(yī)學(xué)研究所的生理學(xué)家Ernsting等率先研究了“加壓面罩+加壓背心+抗荷褲”部分加壓系統(tǒng),1955～1961年,又系統(tǒng)地研究了不同加壓服裝和不同防護(hù)水平加壓呼吸8.0～9.3kPa的生理反應(yīng),為英國(guó)空軍飛行員高空代償服裝的研制提供了生理學(xué)依據(jù)。20世紀(jì)50年代我國(guó)的生理學(xué)家蔡翹教授開創(chuàng)了航空生理研究。1956年,廖德三教授主持開展了動(dòng)物加壓供氧實(shí)驗(yàn)。1958年開始對(duì)人體高空缺氧和加壓供氧進(jìn)行研究,提出了加壓呼吸體能評(píng)定指標(biāo)。1958年鄭兆家等還成功地用前蘇聯(lián)的KK0-1～3供氧系統(tǒng)研究了人體高空生理變化,并制定了高空衛(wèi)生保障方案。20世紀(jì)80年代,航天醫(yī)學(xué)工程研究所賈司光開展了急性高空缺氧與醫(yī)學(xué)監(jiān)督的研究。第四軍醫(yī)大學(xué)張立藩、馬瑞山開展了呼吸阻力負(fù)荷對(duì)人體生理心理影響的研究。航空醫(yī)學(xué)研究所賀登焰、陳婉瑩和肖華軍分別對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員飛行中肺通氣量、瞬時(shí)流量等肺功能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試;王相林研究了迅速減壓峰值對(duì)人體的影響;張玉明等制定了一套航空供氧裝備生理鑒定方法和標(biāo)準(zhǔn);鄭曉惠、李全真研究與制定了高空低壓實(shí)驗(yàn)方法;盧子和、賀登焰和肖華軍等先后開展了飛行員管式代償裝備簡(jiǎn)化方案的研究,并通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化服裝方案供氧總壓下限值的深入研究,提出了不同加壓供氧總壓制條件下“肺循環(huán)氣血分流”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn),為高空供氧低總壓供氧簡(jiǎn)化服裝的應(yīng)用提供了理論依據(jù)[11,12,13,14,15,16]。4車載分子篩制氧系統(tǒng)的研發(fā)和試驗(yàn)研究飛機(jī)氧源的發(fā)展與完善直接影響飛機(jī)的高空性能。第一次世界大戰(zhàn)期間,氣態(tài)氧源在航空上的應(yīng)用,使人們突破了高空飛行的屏障。第二次世界大戰(zhàn)之后,液態(tài)氧源的應(yīng)用,對(duì)減少機(jī)載重量、節(jié)省空間,提高飛機(jī)作戰(zhàn)能力起了很大的作用?？罩屑佑妥鳛槿蚩罩辛α康谋对銎?使高性能戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)效能顯著提高,但飛機(jī)航程的加大也暴露了機(jī)載氣、液氧限制航程的不足。因此,機(jī)載制氧(onboardoxygengeneratingsystem,OBOGS)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。美國(guó)先后研究了機(jī)上電解水制氧技術(shù)、氟礦物吸附制氧技術(shù)和電化學(xué)空氣濃縮制氧技術(shù),但因裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)對(duì)空氣、冷卻劑或電能要求過(guò)高等原因,不得不結(jié)束研制計(jì)劃。后來(lái),經(jīng)過(guò)多年的研究與探索,從機(jī)載制氧性能、設(shè)備的空間尺寸、重量、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠、節(jié)省能源、飛機(jī)的起降靈活性等方面綜合比較,篩選并研制出最有前途的機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)(molecularsieveoxygengeneratingsystem,MSOGS),其美中不足的是最大產(chǎn)氧濃度為95%。美國(guó)海軍首先對(duì)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)給予極大的關(guān)注。而后,經(jīng)過(guò)許多國(guó)家20多年的研究和發(fā)展,此技術(shù)日趨成熟,并成功地應(yīng)用于高性能戰(zhàn)斗機(jī)上。美國(guó)海軍航空發(fā)展中心首次對(duì)分子篩制氧系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)境實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),又選用了EA-6B作為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)機(jī),進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn),完成了機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的BA-6B飛機(jī)的飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。后來(lái)又決定為AV-8A、A-6攻擊機(jī)、F-14A、F-16、F-15E戰(zhàn)斗機(jī)等研制裝機(jī)使用的分子篩制氧系統(tǒng)。在歐洲,英國(guó)一直密切注視著美國(guó)機(jī)載制氧系統(tǒng)的研究發(fā)展動(dòng)向。NGL公司從美國(guó)買了一套兩床的分子篩氧氣發(fā)生器。后來(lái),又研制了三床的分子篩制氧系統(tǒng),并對(duì)氧氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),簽定了為B-l飛機(jī)供貨的合同。法國(guó)EROS(emergencyrespiratoryoxygensystem)與AirLiquide公司共同設(shè)計(jì),推出一種新型、高效的機(jī)載分子篩氧氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)與英、美同類裝置相比,具有分子篩濃縮器體積小、重量輕、使用方便,呼吸調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)靈敏、響應(yīng)快、呼吸阻力低等特點(diǎn)。尤其是在汲取英美設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,在世界上首家研制了一種采用電子調(diào)節(jié)的低入口壓力的呼吸調(diào)節(jié)器,其靈敏度性能指標(biāo)高于英美的機(jī)械氣動(dòng)型呼吸調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器與機(jī)載分子篩系統(tǒng)配套,經(jīng)過(guò)2000h的飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,裝備在陣風(fēng)、JAS-39和幻影2000型戰(zhàn)斗機(jī)上。經(jīng)過(guò)20多年的研究與發(fā)展,機(jī)載分子篩制氧技術(shù)幾乎被應(yīng)用到所有的戰(zhàn)斗機(jī),目前裝備和改裝試用的機(jī)種有:F-5,F-14A,F-15E,F-16A,F-18,F-22等系列的殲擊機(jī);A-6,EA-6B,AV-8A、B、C,B-1等攻擊機(jī)、轟炸機(jī)和電子對(duì)抗機(jī);法國(guó)的陣風(fēng),幻影2000,英國(guó)的“鷂式”GR5,歐洲2000,瑞典的鷹獅JAS-39等戰(zhàn)斗機(jī)?？梢哉f(shuō),機(jī)載分子篩制氧技術(shù)是第三代和第四代戰(zhàn)斗機(jī)供氧救生性能的重要標(biāo)志。有關(guān)分子篩制氧的生理學(xué)研究也越來(lái)越系統(tǒng)和深入。美軍航空醫(yī)學(xué)研究所報(bào)道了兩床分子篩飛行評(píng)價(jià)的結(jié)果。1989年美國(guó)Thommas觀察了人體在高空呼吸不同富氧氣體的生理反應(yīng)。1991年12月,Buick和Porlier報(bào)道了高空迅速減壓時(shí)人體血氧飽和度的變化。1991年11月,作者在美國(guó)救生安全年會(huì)上先于Buick發(fā)表了模擬分子篩供氧高空暴發(fā)性缺氧的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論。美國(guó)Cooke等實(shí)驗(yàn)測(cè)試了動(dòng)物在高空呼吸氧與氬混合氣體減壓氣泡,認(rèn)為5%的氬對(duì)高空減壓病不構(gòu)成威脅。1994年美國(guó)Miller在B-1B飛機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)了OXYSIV-5分子篩的產(chǎn)氧與供氧性能。Mcgrady和Wright1995年制訂了F-22飛機(jī)救生系統(tǒng)的研究與發(fā)展計(jì)劃,將機(jī)載分子篩制氧技術(shù)應(yīng)用到第四代戰(zhàn)斗機(jī)。英國(guó)Ernsting和Miller1996年合著了《先進(jìn)飛機(jī)氧氣系統(tǒng)》。1997年作者在美國(guó)救生安全雜志上發(fā)表了預(yù)先