高压氧舱设备的发展概况

2010-02-06张禹肖宏吕艳孟祥恩张敦晓潘树义

中国医疗设备 2010年2期

张禹，肖宏，吕艳，孟祥恩，张敦晓，潘树义

(海军总医院全军高压氧中心，北京100048)

众所周知，高压氧治疗是在密闭舱内吸高于一个大气压的氧气来治疗疾病，所以高压氧治疗离不开氧舱和其相关的设备。在高压氧医学的发展过程中，高压氧设备的更新和改进起着至关重要的作用。从1834年法国人Junod建造的世界上第一个铜制高压氧舱至今，高压氧舱设备已经发展到相当成熟的地步，极大地推动了高压氧医学向更高、更深层次的发展。

1 高压氧舱的类型

一般而言，高压氧舱按舱内加压物质不同分为空气加压舱和纯氧舱；按容纳人数多少分单人舱、多人舱，其中多人舱又分大型高压空气舱、中型高压空气舱、小型高压空气舱；按用途不同分为高压氧舱、婴儿高压氧舱、动物实验用高压氧舱、潜水加压舱、低压舱、高低压两用舱、潜水加压舱群等。

空气加压舱就是加压时向舱内充填高压空气，即加压介质是空气，与之对应的是纯氧舱，加压介质是氧气，所以空气加压舱相对安全，而纯氧舱的危险系数则大大增加。目前世界范围内，纯氧舱的事故发生率远远高于空气加压舱，所以纯氧舱在许多国家和地区已被禁用，我国绝大多数地区也禁止纯氧舱的使用。

单人舱一般都是纯氧舱，多人舱多为空气加压舱，其中大型空气加压舱可容纳人数在14人以上，舱体内径大于2000mm，同时配备过渡舱，所以大型舱最少都拥有两个和两个以上独立的舱室，根据舱室和舱门数量的不同，大型氧舱又分为三舱三室七门的高压氧舱群、二舱二室四门的大型高压氧舱、一舱二室四门的大型高压氧舱、一舱二室三门的大型高压氧舱。中型空气加压舱一般主舱能容纳6～13人，舱体内径在2000～2800mm，也必须配备过渡舱。小型空气加压舱的容纳人数在3～5人，舱体内径小于2000mm，可不设过渡舱。婴儿舱一般也是纯氧舱，所以婴儿高压氧治疗时要格外小心。低压舱在一定意义上不属于高压氧舱，但它的舱体与高压氧舱是一样的，它的原理与高压氧治疗正好相反，是用真空泵(罐)把舱室内的空气抽掉，模拟不同高度的高空情况(低压缺氧状况)，多用在航空、航天医学及高原医学的研究中。高低压舱是一个舱体，即可以用作高压氧舱，也可用作低压舱，为一舱两用，故称高低压舱。潜水加压舱是用来治疗潜水减压病的，所以它的加压可达10个大气压以上(1MPa以上)，而我国民用高压氧舱一般在3个大气压(0.3MPa)，所以就设备而言，潜水加压舱较普通的高压氧舱的条件更高，如果同时配备吸氧系统，那么潜水加压舱也可用作高压氧舱。潜水加压舱群是除外一个潜水加压舱体外还配有操作室和休息舱，一般用作潜水相关的研究。

2 医用空气加压氧舱设备的基本组成

空气加压氧舱是目前国内外最常用、最安全的高压氧舱，下面以医用空气加压氧舱为例介绍高压氧舱的基本组成和工作流程。高压氧治疗最基本的流程是用空气压缩机将高压空气经过滤后泵入储气罐中备用，在高压氧治疗时通过供气管路及空气过滤系统将储气罐中的高压空气注入舱中，使舱内压达到高压氧治疗所需的压力即可，与此同时开通供氧系统，此时患者即通过吸氧面罩在舱内吸与舱压等同的高压氧，整个高压氧治疗过程全部由工作人员在操纵台操作完成。所以，按系统功能可将高压氧舱设备分成如下几个大的系统：供排气系统，供排氧系统，舱体及辅助系统，操控系统。按功能组成又可将高压氧舱设备分为：舱体部分，空气加减压部分，供排氧部分，氧舱电气部分，氧舱空气调节部分，氧舱消防及紧急减压部分。如图1所示。

图1 空气加压氧舱的基本组成

2.1 舱体部分

图1中的6部分是舱体。包括：氧舱壳体、舱门、窗体、递物筒、通舱孔等。

2.2 空气加减压部分

空气加减压部分由图1 中的 1、2、3、4、5、8、10 部分组成。其中1、2、3、4、5组成气源。1为空气压缩机，简称空压机，为气源中高压空气的原始来源；2为冷干机，对从空压机输出的压缩气体冷冻干燥，进行第一次除水除油，冷干机的工作压力应与空压机最大工作压力一致；3为油水分离器，对冷干机输出的压缩空气进行精密滤水滤油；4为储气罐，为压缩空气的存储地，它的容积大小和储气的压力大小直接关系到气源能量的高低；5为空气过滤器，对从储气罐输出的压缩空气进行最后一次过滤，将各种粉尘、油气等杂质与压缩空气完全分离；8、10为高压氧舱加减压阀门。

2.3 供排氧部分

供排氧部分由图1中的7、11、12部分组成。其中7、12组成氧源。7为医用氧气瓶，12为氧气减压器。一般由2至4瓶医用氧气瓶组成，利用盘管并联再经氧气减压表减压至0.4～0.6MPa。如果医疗单位利用液氧槽集中供氧，也可代替氧气瓶。11为高压氧舱的排氧阀。

2.4 氧舱电气部分

包括高压氧舱的对讲、视频监视、照明、通信等部分。

2.5 氧舱空气调节部分

主要包括对舱内空气温度、氧浓度、空气质量的调节。

2.6 氧舱消防及紧急减压部分

高压氧舱应配备水喷淋系统，水喷淋系统由高压氮气源、储水罐、阀门和水喷淋头组成。另外还应配备灭火器。舱内常用灭火器：1301卤代烷灭火器、贮压式轻水泡沫灭火器等。紧急减压由阀门和卸压管道组成，舱内外各一套。紧急卸压管的内径要足够大。GB-12130-95规定，从最高工作压力将舱压减到0.01MPa的时间：单人舱≤1min,小型舱≤1.5min,中型舱≤2min,大型舱≤2.5min。另外高压氧舱顶部必须配备安全阀。

3 医用空气加压氧舱设备的工作原理

3.1 舱体设备

舱体是高压氧治疗的主要载体，一切治疗均在其中完成，是整个医用空气加压舱的最基本组成。舱体由钢板焊接而成，钢板必须符合GB150-89的规定，焊条应选用与舱体钢质相适应的焊条。焊条必须合格，焊接的各个环节应按规定和国家标准严格掌握，舱体焊缝要经100%X线探伤，结果应符合GB3323-2005中的Ⅲ级要求。

舱体必须经水压试验，并且符合《压力容器安全技术监察规程》中的要求(无渗漏，无变形等)。其中：氧舱壳体是构成氧舱舱体的最主要部件，按氧舱壳体结构也就是外型可分为圆柱形和椭圆型；舱门是患者进出氧舱的通道，可分内开式和外开式两种，舱门的闭锁装置还可分为机械式和电动式；窗体是固定在舱壁上的透光窗孔，可分为照明窗、监视窗和观察窗，窗体为工业有机玻璃覆盖，材料质量应采用GB/T7134-1996《浇铸型工业有机玻璃板材、棒材和管材》标准中一级品的规定；递物筒是氧舱内外传递物品的通道，起过渡作用；通舱孔是舱体上的孔洞，是连接各种管道和电缆进出的通道。

3.2 空气加减压设备

常压空气由空压机的进气口被吸入，经电动机的拖动，在气缸内压缩体积提高压力，再由空压机的排气口排出，此处的压缩空气压力大、温度高、含油、水等杂质，完全不符合医用空气加压舱的气源质量要求。为提高压缩空气的质量必须先经冷干机处理，冷干机对压缩空气起冷冻干燥的作用，使压缩空气中的大部分油蒸汽和水蒸气结露析出，然后再经油水分离器进一步净化其中的油水等杂质。油水分离器中有大量挡板，由冷干机排出的压缩空气进入油水分离器后，由于气流速度比较大，冲击在不同的挡板上，即可将油水等杂质从压缩空气中分离并排出，然后清洁后的压缩空气由油水分离器的排气口排出并进入储气罐，此时的压缩空气中仅含有极少量的杂质，在储气罐中经过沉淀进一步净化，再经过空气过滤器即可进舱升压。以上为空气加压舱的气源工作原理。氧舱升压时，首先要保证气源启动，减压阀呈关闭状态，开启加压阀对氧舱升压。减压时，加压阀呈关闭状态，开启减压阀对氧舱进行减压。

3.3 供排氧设备

3.3.1 供氧。氧源是指能提供稳定压力并保证足够流量的氧气源。一般氧源压力为0.4～0.6MPa，由铜管或不锈钢管连接氧源和氧舱，再经氧舱法兰进入舱内并连接吸氧装置。患者吸氧时经面罩、三通和吸氧管再连接吸氧装置。

3.3.2 排氧。排氧利用的是负压原理。一条高速气流流过的管道，在管道上开一小孔，而内壁处气流速度快会形成一个负压，这样管道外的空气就会经小孔进入管道。在氧舱中有一主排氧管，各患者的排氧管连接主排氧管，主排氧管最里端开有孔洞。这样，在氧舱排氧时，由于舱内外压力的不同，在主排氧管中形成流向舱外的高速气流，在患者的排氧管中形成负压即可排出废氧。用排氧阀开启的大小来控制患者排氧管中的负压大小，负压不能太大。

3.4 氧舱电气设备

舱内电气部分只能直流电驱动，并且不能超过24V。舱外电气部分接市电时必须经变压器隔离，并且要配备UPS不间断电源，保证在断电时，可提供氧舱的照明、对讲机至少30min的电力供应。

3.5 氧舱空气调节设备

空气温度的调节，主要靠空调。舱内的空调只有盘管和风叶，空调的其他电气和机械部分置于舱外，风叶靠舱外的电动机提供动力。氧浓度和空气质量的调节主要靠通风换气。通风是利用风机将舱内空气进行过滤，实现内循环。换气是指将舱内的空气排出，同时将气源中的干净空气供入舱内，并保持舱压动态稳定。

3.6 氧舱消防及紧急减压设备

舱内发生火灾时的步骤：① 关闭氧源、关闭气源、切断主供电线路并开启应急电源；② 开启水喷淋系统，并指导舱内人员开启舱内灭火器；③ 打开紧急减压阀，并开启其他减压通道；④ 迅速组织人员、药品准备进行抢救。

3.7 计算机控制设备

计算机控制由软件和硬件两部分组成。

3.7.1 硬件。主要包括：工控机、A/D转换器、D/A转换器、传感器、执行器等部分。

(1) 工控机是整个计算机控制系统的最核心部分，所有的数据库和程序模块都在其中，工控机包括外设、主板、硬盘、电源等组成。

(2) A/D转换器将传感器送来的模拟信号转换成数字信号，通过接口被工控机识别。

(3) D/A转换器将工控机从接口处给出的数字信号转换成模拟信号，通过电缆传入执行器。

(4) 传感器感受环境变量，并将所感应的环境变量转换成一定的电压或电流量。

(5) 执行器将电压或电流信号转换成行程信号，是整个控制系统的终端执行点。

3.7.2 软件。数据库技术在控制软件中的作用是至关重要的。控制软件的组成部分：压力值、氧浓度、温度值、湿度值的采集、读取、显示和储存，控制方程的编写、控制信号的传递等。控制软件的编写可以用C++、VB、Delphi等，大部分为Delphi编写代码。另外，工控机可以作为上位机+智能PLC来作为氧舱的控制系统。上位机不直接提供控制程序，可通过仿真程序来监控氧舱的各参数，而所连接的智能PLC作为直接控制单元控制氧舱运行。

4 医用空气加压氧舱设备的发展现状

4.1 氧舱设备

(1)舱体整体已朝向美观化、轻型化、优质化发展。所用钢材的韧性和强度都有了长足的进步。

(2)舱门是舱体的最重要部位之一，过去以机械门多见，比较笨重，舱门磨损快，近年已发展出电动式、电磁式舱门等，美观轻便，但也有缺点，即必须在有电源的情况下才能正常工作。

从材质上看，现在新建氧舱舱门大部分为薄壳门，薄壳门制造工艺简单，美观、重量轻，容易关门，缺点是若橡胶垫的放置不平整则极易造成关门不严、漏气等问题。另外，舱门的锁紧方式也由摇杆压紧式发展到弹簧锁子式，后者的优点是省力，关门简单，弹簧锁紧即可，减少了磨损，缺点是若主舱副舱分别加压，则极易造成门没压紧而漏气。

(3)递物筒的原理没有大的改变，但工艺在不断进步，使其更轻巧、美观、方便。

4.2 空气加减压设备

(1)空气压缩机是高压氧舱最主要设备之一，现已从传统的活塞式压缩机向螺杆式压缩机转变。活塞式空气压缩机的缺点是噪音大，压缩空气中含油量高，故障率高，但可经多级压缩提供至少3MPa的压力。螺杆式空气压缩机噪音小，压缩空气中含油量低，故障率低，但只可提供最高1.5MPa的压力。另外，国外已经发展出纯无油空气压缩机，压缩空气在空压机中不跟任何润滑油接触，使压缩空气质量更高。

(2)冷干机是对压缩机进行冷却的设备，过去主要采用被动方式冷却，包括风冷、水冷两种形式，目前发展到制冷机主动制冷方式。风冷和水冷的设备造价低，但体积大、设备易腐蚀、冷冻干燥效果差；制冷机制冷的设备造价高、体积小，干净卫生，设备不易出现故障，并且冷冻干燥效果很好。

(3)油水分离器主要向小型化发展，并且除油滤水的效果更好。

(4)空气过滤器也向小型化发展，过滤质量已提高至微米级。

(5)加减压阀由单纯电磁阀发展为机械节流阀、电磁阀和气动薄膜调节阀三者共存的状况，它们各有优缺点，其中电磁阀不能调节气流速度，机械节流阀利用人力可改变气流速度，气动薄膜调节阀利用电流来遥控气流速度。

4.3 供排氧设备

氧源由单纯的氧气瓶加汇流排发展成了液氧槽集中供氧。氧气瓶加汇流排的方式造价低，设备占用空间小，但是需要经常更换氧气瓶。液氧槽集中供氧的方式，一次性投资大，需要专门的设备占用场地，一次装填液氧可提供较长时间的氧气供应。二者相比较，在经济效益上液氧槽占先，在设备占用空间和管理人员编制上氧气瓶加汇流排占先，在氧气纯度上液氧槽占先，但是液氧槽故障更难查难修。

4.4 氧舱电气设备

4.4.1 对讲。现在大部分新建氧舱利用功放机加氧舱双路对讲机来联系舱内外的语音交流，实现了一台对讲机进行双路通话。

4.4.2 照明。照明方式有多种，绝大部分为外照明式。光源已由第一代的白炽灯、日光灯发展到第二代的节能灯、LED灯和第三代的光纤照明。第二代减少了能耗和对照明窗体的损害，防止设备过早老化，其中 LED灯体几乎不产热，亮度高功率低，而且造价低，是一种良好的光源。第三代也由端面发光转变成了侧面整体发光，光线均匀，照明整体效果好，是氧舱照明方式的一个发展方向，但光纤照明的设备成本高。

4.4.3 UPS。UPS也有了突飞猛进的发展，现在的大部分UPS在断电后的几微秒时间内即可完成备用电源的启用，并且两者相位差别几乎为零，这样就可保证大部分用电设备的无相位差的持续供电。