大型复合低压舱模拟海拔高度稳定性和准确性验证研究

张东辉，许永华，是文辉，董 翔，赵红艳，许 琴，李建瑛，李佳佳，马 娜，张 玲，陈振洲

大型复合低压舱模拟海拔高度稳定性和准确性验证研究

张东辉，许永华，是文辉，董 翔，赵红艳，许 琴，李建瑛，李佳佳，马 娜，张 玲，陈振洲

目的：验证大型复合低压舱模拟海拔高度的稳定性和准确性。方法：（1）验证稳定性：将153名健康人员分为15组，每次进入舱内一组。使用指式脉冲便携式血氧饱和度检测仪分别在9个不同海拔高度上记录个人的血氧饱和度值，对同一海拔高度的15组数据进行单因素方差分析。（2）验证准确性：实验组、文献对照组Ⅰ、文献对照组Ⅱ、文献对照组Ⅲ中，每组包含6个海拔高度的血氧饱和度值。对4个组分别作回归分析，应用回归方程计算出每组对应海拔高度缺失的理论血氧饱和度值，在此基础上作组间的相关分析。结果：（1）在舱内每一模拟高度上，15组健康人员的血氧饱和度值的组间差异不显著（P＞0．05），表明该舱在模拟这9个海拔高度时运行稳定；（2）实验组与文献对照组Ⅰ、文献对照组Ⅱ、文献对照组Ⅲ在不同海拔高度血氧饱和度值的相似度分别为0．991、0．990、0．999，说明该舱模拟不同海拔高度时健康人员的血氧饱和度值与在自然环境中的相同海拔高度时是相似的，表明大型复合低压舱模拟的海拔高度是准确的。结论：在模拟高原海拔高度时，大型复合低压舱运行稳定，能够准确模拟自然海拔高度，表明该舱能够满足在基础研究、医学诊断和治疗及高原生理学、高原运动训练和高原设备试验中重复性好、误差小的要求。

大型复合低压舱；血氧饱和度；模拟；海拔高度

0 引言

特殊环境下的科学研究常常受现场环境条件不确定性的影响，实验误差大、重复性差。为了完成高原、高寒、干热、高紫外线特殊环境下的医学科学实验，我院研制了大型复合低压舱。该复合低压舱能模拟从地面到10 000m的某一海拔高度，还能模拟出高温、低温、干热、强紫外线辐射等环境。环境控制系统的各个子系统可独立控制，也可以联合控制，可模拟出10余种复合环境，满足在多因素复合环境条件下的实验研究要求[1-2]，可用于基础研究、医学诊断与治疗及高原生理学、高原运动训练和高原设备试验[3]。该设备已通过军队验收[4]，投入运行。

大型复合低压舱模拟从地面到10 000m的某一海拔高度是其主要功能之一。该舱在模拟海拔高度时各项参数误差均在设计范围内，运行平稳，操作界面显示的实时高度与物理高度表显示的一致。不同批次健康人员在舱内同一模拟高度的生理指标变化是否一致，即该舱运行是否稳定；健康人员在该舱模拟不同海拔高度的生理指标变化与在自然环境中相同海拔高度时是否一致，即该舱模拟的海拔高度是否准确。为了初步探讨这2个问题，我们选择了随海拔高度变化而变化，且比较显著的一项生理指标——血氧饱和度值。我们收集了15组153名进入低压舱检测耳功能人员的血氧饱和度值，并对数值进行分析。如果在某一海拔高度上，15组数据间不存在统计学差异，表明大型复合低压舱在模拟这一海拔高度时运行稳定；如果低压舱模拟的海拔高度中人的血氧饱和度值与在自然环境中急进高原时同一海拔高度人的血氧饱和度值是相似的，说明大型复合低压舱模拟的海拔高度与自然环境中的海拔高度是一致的，表明大型复合低压舱模拟的海拔高度是准确的。我们期望通过人的血氧饱和度值这一项生理指标进一步验证大型复合低压舱运行的稳定性和模拟自然海拔高度的准确性。

1 对象和方法

1.1 对象

选择汉族男性153名，最小22岁，最大52岁，平均年龄（29.97±5.44）岁，进低压舱前询问病史，进行心电图、电耳镜、前鼻镜、鼻内镜检查，确定无低压舱检查禁忌证[5]。

1.2 方法

1.2.1 验证大型复合低压舱模拟海拔高度的稳定性

将被测者分为15组，每组最少6人，最多12人。每次进入低压舱一组。被测者坐在低压舱内，应用深圳迈瑞公司生产的PM-50OSMz指式脉冲便携式血氧饱和度检测仪，校准后由专人操作，将血氧检测仪指夹夹在左手食指处，按压测量键即可出现测量值。低压舱以15m/s的速度“上升”至4 000m高度，停留5min后，以5m/s的速度“下降”至地面。被测者每1 000m记录一次，共9个海拔高度的血氧饱和度值。对同一海拔高度的15组数据进行统计学分析，观察组间是否有统计学差异。

1.2.2 验证大型复合低压舱模拟海拔高度的准确性

低压舱模拟的海拔变化近似于急进高原的现象。由于没有急进高原不同海拔高度人的血氧饱和度的标准参考值，我们选择了3篇均为急进高原的文献，文中含有不同海拔高度人的血氧饱和度值，且统计的数量集较大（最少330人，最多416人）。本文选择6个海拔高度：地面～1 000m、1 000～2 000m、2 000～3 000m、3 000～4000m、4000～5 000m、5000 m以上。以这6个海拔高度为基础，在低压舱内测定的血氧饱和度值作为实验组，文献中记载的血氧饱和度值作为对照组，分为4个组：实验组、文献对照组Ⅰ[6]、文献对照组Ⅱ[7]、文献对照组Ⅲ[8]。

实验组与文献对照组在6个海拔高度上均存在1～3个血氧饱和度测量值的缺失，无法进行组间的相关分析。于是，我们对实验组、文献对照组Ⅰ、文献对照组Ⅱ、文献对照组Ⅲ分别作回归分析，列出回归方程，根据方程计算出对应海拔高度的理论血氧饱和度值，在此基础上作组间的相关分析。

1.2.3 统计学方法

采用PASW Statistics 18统计软件进行统计学处理，计量资料以均数±标准差（±s）表示，组间比较采用单因素方差分析，a=0.05检验水准。大型复合低压舱模拟海拔高度变化获得的人的血氧饱和度值与参考文献中在自然环境中随海拔高度变化的人的血氧饱和度值的相似性比较采用相关分析中的距离相关分析法。

2 结果

2.1 验证大型复合低压舱模拟海拔高度稳定性的结果

大型复合低压舱模拟9个海拔高度，每个海拔高度均有15个组，使用单因素方差分析作同一海拔高度血氧饱和度值的组间比较（见表1）。

从表1中可以看出，同一模拟高度各组间血氧饱和度值差异不显著（P＞0.05），不同批次健康人员在舱内同一模拟高度的血氧饱和度值是一致的，表明大型复合低压舱在模拟这9个海拔高度时运行稳定。

2.2 验证大型复合低压舱模拟海拔高度准确性的结果

2.2.1 根据方程计算出表中缺失的理论血氧饱和度值

运用回归分析法，列出海拔高度与血氧饱和度之间的回归方程，根据方程计算出表中缺失的理论血氧饱和度值（见表2）。

从表2中可以看出，R2分别为0.998、0.997、0.988，表明各组血氧饱和度测量值与回归方程的拟合优度较高，运用方程式计算的理论值是可信的。

2.2.2 组间相关分析

对表2中的4组不同海拔高度血氧饱和度值作距离相关分析。分析实验组与文献对照组在自然环境中血氧饱和度测量值之间的相似度，结果见表3。

从表3中可以看出，实验组与文献对照组Ⅰ、文献对照组Ⅱ、文献对照组Ⅲ的不同海拔高度血氧饱和度值的相似度分别为0.991、0.990、0.999，相似性非常高。说明该舱模拟不同海拔高度时，健康人员的血氧饱和度值与在自然环境中的相同海拔高度是相似的，表明大型复合低压舱模拟的海拔高度是准确的。

表1 各组在同一海拔高度血氧饱和度值的组间比较

表2 各组海拔高度与血氧饱和度回归方程和运用方程计算出的缺失值

表3 实验组与文献对照组血氧饱和度值相似性分析结果

3 结论

在模拟高原海拔高度时，大型复合低压舱运行稳定，能够准确模拟自然海拔高度。表明该舱能够满足在基础研究、医学诊断与治疗及高原生理学、高原运动训练和高原设备试验中重复性好、误差小的要求。该舱克服了受高原现场环境不确定性因素对科研、医疗影响的状况，推进了西北地区高原课题研究的广泛深入开展。

4 讨论

该低压舱根据随海拔升高，气压降低、空气密度减小、空气成分不变的物理原理，采用减压装置（真空泵）使密闭舱内的压力降低、密度减小，从而模拟所需的高原缺氧环境[9]。同时为保证实验舱内不同压力（模拟高度）、不同人数时空气成分不变的需要，舱内必须不断地注入新鲜空气，以确保在各种海拔高度都与对应的自然环境一致，从而构成开放的动态低压低氧环境[10-11]。

为实现上述要求，在舱体设计方面采用法国达索公司CATIA软件建立空气流场模型，确定最佳流场，确定新风层、抽气层的最佳角度，确保舱内空气流场的稳定及均匀；在实验舱的监测控制系统上采用西门子SIMATICST-412-2DPPLC（上位机）和多个ST-314 PLC（下位机）为核心的集散控制系统（distributed controlsystem，DCS），根据系统设定的控制方案对真空泵、调节阀、电磁阀、风机等设备自动进行联锁控制[12]，对复合舱内低压、风速与有害气体的状态进行自动维持控制，完成高度变化（上升、下降）、维持高度、氧分压和CO2体积分数等指标的监测与控制，从而达到试验要求的模拟环境[13]；在操作系统上设立了现场控制站，向控制器发出模拟指令，控制器采集参数后向执行机构发出操作指令，实现模拟指令的要求。

在以上各系统中，硬件与软件的配合以及硬件与硬件的配合均会影响低压舱模拟不同海拔高度的稳定性和准确性。

在大型复合低压舱的研制阶段，许永华等[14]对该舱进行了高度试验、高度控制精度试验、上升速率试验、下降速率试验，这些指标均能满足设计要求；王忠明等[15]测试了该舱1000～10000m，间隔1000m，共计10个模拟高度的海拔高度值、压力、氧分压和CO2体积分数指标，结果显示，除了在10 000m时高度的波动超出设计的±10m外，其他点的所有指标都满足设计要求。表明该舱的稳定性和准确性在物理检测中是达标的。

该舱主要用于动物实验和人的疾病治疗与训练，因此，我们更关注在舱内模拟海拔高度的特殊环境下，人和动物的生理指标能否保持较高的重复性以及与自然环境中的一致性。

为了消除这一疑问，我们收集了15个批次进入舱内进行耳机能测试的153人的血氧饱和度值。通过对15个批次的血氧饱和度值进行分析，发现不同批次同一海拔高度的血氧饱和度值无差别（P＞0.05）；同时也发现，低压舱模拟的不同海拔高度测量的血氧饱和度值与文献中在自然环境下相同海拔高度的血氧饱和度值是非常相似的（相似度＞0.9）。表明该设备在模拟海拔高度的特殊环境下获得的人和动物的生理指标能够保持较高的重复性以及与自然环境中的一致性。该设备减少了实验和诊疗结果的误差，能够最大限度地替代在自然环境中获得的数据，保障了实验和诊疗数据的有效性。同时也表明，该设备在舱体设计、软件控制和硬件运行上均是稳定的，模拟自然环境是准确的。同时也提示我们，模拟不同海拔高度检测实验动物的血氧饱和度也可以作为低压舱运行稳定性和准确性的一个长期性评判指标。在今后的应用中不仅需要记录低压舱运行的物理参数，而且也可以定期做具有检测性质的动物实验[16]，定期对大型复合低压舱内同一模拟环境、不同时间段的实验数据进行组内比较、与在自然环境中获得的相关数据进行组间比较，对于评价低压舱性能、积极发现隐患、延长低压舱的使用寿命有积极的作用，从而保证大型复合低压舱随时处于最佳的工作状态，为西北地区部队平战条件下的卫勤保障研究提供客观依据。

[1] 许永华，张琼，曹金军，等．创建大型复合低压舱扩大医学实验平台种类[J]．中国比较医学杂志，2012，22（7）：60-63.

[2] 王忠明，许永华，黄泽阳，等．基于大型复合低压舱的模拟环境系统研制[J]．医疗卫生装备，2011，32（12）：13-14．

[3] 施雪伟，朱剑，王毅，等.卫生装备高原适应性训练性能分析[J].医疗卫生装备，2010，31（6）：89-90.

[4]GB/T 50274—1998 制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范[S].

[5] GBZ 93—2010 职业性航空病诊断标准[S].

[6] 包政权，马国，胡进明，等.观察初次进入高原的旅客在不同海拔高度生理指标变化[J]．高原医学杂志，2011，21（1）：17-19.

[7] 彭宝珠，王涛，曾长明，等.不同海拔高度血氧饱和度和脉搏变化的观察[J]．医学动物防制，2000，16（8）：414-415.

[8] 赵夏夏，谢建华，夏婷婷，等.新入伍战士不同海拔地区血氧饱和度及心率动态监测分析[J]．解放军医药杂志，2011，23（5）：50-51.

[9] 韩文强，胡文东.低压舱技术的发展及其应用[J].医疗卫生装备，2009，30（9）：37-39.

[10]GB 150—1998 钢制压力容器[S].

[11]HG 20583—1998 钢制化工容器结构设计规定[S].

[12]GB/T 1236—2000 工业通风机 用标准化风道进行性能试验[S].

[13]JB 2421—1989 电工电子产品基本环境实验规程总则[S].

[14]许永华，张东辉，王忠明，等．大型低压低氧干热高紫外线复合低压舱的研制[J]．医疗卫生装备，2011，32（11）：33-35．

[15]王忠明，许永华，黄泽阳，等．基于大型复合低压舱的模拟海拔高度系统研制[J]．医疗卫生装备，2011，32（11）：12-13．

[16]施新猷.人类疾病动物模型[M].北京：人民卫生出版社，2008.

[17] 姜海波，陈铁军，沈艳河，等.基于ARM的胎儿心电信号数据采

（收稿：2013-11-28 修回：2014-01-21）

Validation research of simulated altitude stability and accuracy for large composite low pressure chamber

ZHANG Dong-hui1,XU Yong-hua1,SHIWen-hui1,DONG Xiang1,ZHAO Hong-yan1, XU Qin1,LIJian-ying1,LIJia-jia1,MA Na1,ZHANG Ling2,CHEN Zhen-zhou2
(1．UrumqiGeneral Hospital of Lanzhou Military Area Command,Urumqi830000,China; 2．No．69008 Unitof the PLA,Urumqi830002,China)

Objective To verify the simulated altitude stability and accuracy for large composite low pressure chamber．Methods When the stability was verified,153 healthy volunteers in 15 groups went into the chamber in turn,and the values of blood oxygen saturation weremeasured with the portable finger-clamping SaO2meter at 9 altitudes,and the 15 sets of data at the same altitude went through one-way anova analysis．When the accuracy was verified,4 groups of experimental group,literature control groupⅠ，literature control groupⅡ and literature control groupⅢ involved respectively the SaO2values at 6 altitudes,and regression analyses were performed for the four groups respectively,and the theoretical SaO2values of each group for corresponding altitudes were calculated with the regression formulation,and then inter-group correlation analyses were carried out．Results There were no significant differences between the SaO2values at different altitudes,with P＞0．05,and the chamber proved its stability in simulating 9 altitudes．The similarity degrees of the experimental group for the literature control groupⅠ,literature control groupⅡ and literature control groupⅢ were 0．991,0．990 and 0．999 respectively,and then the accuracy of the chamber was verified for simulating the altitudes．Conclusion The chamber shows its stability and accuracy in simulating different altitudes,and can be used for basic researches,medical diagnosis and treatment,high altitude physiology researches,high altitude sports training and equipment experiment for high repeatability and low error．[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：8-11]

large composite low pressure chamber;blood oxygen saturation;simulation;altitude

R318．6；R197．39

A

1003-8868（2014）08-0008-04

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．08．008

总后卫生部“十一五”重大专项课题（08Z004）

张东辉（1969—），男，副研究员，主要从事实验设备操作与管理方面的研究工作，E-mail：582613863@qq．com。

830000乌鲁木齐，兰州军区乌鲁木齐总医院（张东辉，许永华，是文辉，董 翔，赵红艳，许 琴，李建瑛，李佳佳，马 娜）；830002乌鲁木齐，解放军69008部队（张 玲，陈振洲）

许永华，E-mail：xyh821023@sina．com