高原单人需氧量分析及吸氧效果研究

朱 浩，蔡 鹏，张 华

（陆军装备部驻南京地区军事代表局驻合肥地区军事代表室，安徽合肥 230088）

目前，针对高原人员缺氧问题，吸氧是缓解高原反应的最有效措施[2]。随着变压吸附制氧技术的发展和分子筛制氧机的应用，越来越多的高原地区配套使用了分子筛制氧机。然而，区别于航空供氧和民用医疗供氧成熟的生理学研究，高原人员的用氧需求及吸氧效果研究报道较少。本文就高原缺氧环境下单人需氧量进行分析，结合吸氧效果试验对4 500m海拔单人每分钟补充1L氧气的可行性进行探究。

1 分子筛制氧供氧概述

在高原缺氧环境下，通过为人员供给高浓度的富氧气体，可有效改善人体的缺氧症状。目前，常用的制氧技术主要包括深冷法、化学试剂法、电解法、膜分离法、变压吸附法。变压吸附法产氧量可大可小，产品形式灵活，可以是便携式、车载式、移动式、固定式，产氧时间短，操作方便。因此，现有高原车辆主要配套分子筛制氧机。此类产品具有体积小、重量轻、安全性高、使用成本低等优点[3]，可安装在车辆上移动使用，仅需消耗一定的电能，即可持续制取氧气供人员吸取。

目前，吸氧方式主要有鼻导管法（鼻吸管）、鼻塞法、面罩法、口罩法、头罩法和氧气帐法[1]。其中，鼻导管吸氧是指将鼻氧管插至使用者鼻咽部位进行吸氧，这种吸氧方式操作简单，使用方便，在家庭氧疗和高原地区供氧领域得到广泛应用。采用鼻导管吸入的虽然是纯氧，但同时还吸入了大量空气，最终吸入的是混合氧，一般按下式[1]计算吸氧浓度：

在不同海拔高度下，通过鼻导管吸氧方式提高人员吸入气氧浓度可有效改善缺氧症状。

2 单人需氧量分析

2.1 人体耗氧量

成年人在安静状态下，耗氧量约为0.25L/min，但在进行活动量时，耗氧量会极大提高。根据GJB 1336《军事体力劳动强度分级》中A.3关于能量消耗率、心率、肺通气量和耗氧量的相互关系规定，得出不同体力劳动等级下人员耗氧量与劳动强度关系如下表1。

表1 不同体力劳动等级下人员耗氧量与劳动强度关系

表1表明：不同劳动等级强度下，人员的耗氧量不同。在缺氧环境下，单人每分钟补充1L氧气，能够进行中或重劳动等级工作，如从事驾驶、搬运、思考等日常工作任务。

2.2 单人补氧量

在不同海拔高度下，人员个体差异导致其缺氧症状有所差异，海拔越高，缺氧症状越明显，所需补氧量越高。按照GJB 114《急性缺氧防护生理要求》中规定，在各海拔高度上保持不同肺泡氧分压（即某一高度）时所需吸入气含氧百分比FIO2计算公式为：

式中：pAO2为规定的缺氧水平的肺泡氧分压，kPa；

pACO2为规定的缺氧水平的肺泡二氧化碳分压，kPa；

pB为环境气压，kPa，计算时：pB=101.3×（1-2.257H×10-5）5.256，H：海拔高度，m；

6.3 体温37℃时饱和水蒸气压力，kPa；

FIO2：吸入气中氧的百分含量，%。

由式（2）计算，在不同海拔高度上，补氧效果达到海平面（海拔0m）、海拔3 000m水平，所需吸入气中氧的百分含量与供氧曲线如图1所示。

图1 补氧效果达到规定海拔高度所需吸入气氧浓度与海拔高度关系

曲线A：补氧效果相当于海拔0m肺泡氧分压水平，pAO2=13.7 kPa，pACO2=5.3 kPa。

曲线B：补氧效果相当于海拔3 000m的等效高度，pAO2=8.2 kPa，pACO2=4.7 kPa。

上述结果表明，随着海拔高度的增加，若要维持人员不缺氧生理状态，需要补充一定的氧气，吸氧效果等效海拔0m和等效海拔3 000m，吸入气氧浓度相差7%，海拔高度增加，其差值越大。由此表明，海拔高度越高，为达到更好的吸氧效果，所需补氧量非固定不变。此外，曲线A表明海拔高度增加到10 000m以上时，仅依靠提高吸入气氧浓度，已无法有效解决人员缺氧问题，需考虑通过提高吸入气压力从而提高肺泡氧分压水平，达到不缺氧效果。

基于上述分析，对缺氧环境人员供氧时，应根据海拔高度的不同，设计相应的吸氧方式。对于高原单人供氧，考虑到地面海拔高度一般低于7 000m，选择鼻导管吸氧方式是合适的。同时，在设计单人供氧量时，应结合实际需求，设定合适的供氧效果等效海拔高度。本文按照医学定义的缺氧海拔高度3 000m作为单人补氧量分析依据，由图1可知，在海拔4 500m，吸氧效果达到海拔3 000m的等效高度，需要保证吸入气氧浓度为25.1%，通过公式（1）计算可知，此时需要补充氧气量为1.0L/min，即人员不会出现缺氧症状。

3 单人吸氧效果试验

3.1 高原试验

为了进一步研究高原单人补氧量及吸氧效果，于2020年9月在西藏地区海拔4 530m高原，利用某型1升分子筛制氧机制取氧气供给人员吸氧，分别测试了使用者吸氧前后的血氧饱和度及心率等生理指标。

3.2 试验条件

试验仪器：OX-100A型氧分析仪，KM3100-62-1-17-1-10型流量计，NONIN型血氧饱和度测试仪。

参试人员：年龄在19～27岁，在高原地区生活4个月的人员。

3.3 试验方案

试验时，选择以下两种方案对吸氧人员血氧饱和度、心率生理指标进行监测，对比其改善情况，评价单人补充1升氧气的吸氧效果。

方案一：人员安静状态，吸氧和不吸氧时，分别监测使用者的血氧饱和度和心率。

方案二：人员跑步越野状态，不吸氧与吸氧试验情况下，人员分别在进行500m跑步越野，过程监测血氧饱和度和心率。

3.4 试验结果及分析

3.4.1 制氧机性能测试结果

试验前，对试验用分子筛制氧机进行性能测试，其输出制氧流量为1.2L/min，输出氧气浓度为92.5%，产品性能能够保证人员吸氧时的补氧量达到1L/min。开始试验时，参试者佩戴好血氧饱和度测试仪和鼻氧管，采用鼻导管吸氧法进行补氧。试验过程中持续监测参试者生理指标，需要吸氧时，制氧机开机。

3.4.2 安静状态试验结果

对5名参试者在安静状态下吸氧和不吸氧的血氧饱和度和心率测试值如表2所示。

表2 参试者在安静状态下吸氧和不吸氧的血氧饱和度和心率变化情况

从表2可以看出，不同参试者吸氧前后生理指标参数存在差异，在海拔4 530m地区，补氧量达到1L/min，人员静态吸氧后血氧浓度饱和度平均提高9.5%，由吸氧前的78%～88%提高到吸氧后89%～96%，人员基本感觉不到缺氧；同时，心率值平均下降5次/min。

3.4.3 单人跑步越野试验结果

为了进一步研究单人运动时每分钟补充1L氧气的效果，参试人员分别在不吸氧与吸氧试验情况下，进行500m跑步越野，吸氧和不吸氧前后参试者的血氧饱和度、心率和越野时间测试值如表3所示。

表3 进行500m越野，吸氧和不吸氧前后人体的血氧饱和度、心率和越野时间变化情况

在海拔4 530m地区，单人进行500m跑步越野试验结果表明：

（1）参试者在越野过程中吸氧，其血氧饱和度明显提高，血氧饱和度平均提高13.8%，但依然存在一定程度的缺氧，血氧饱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）单人进行500m跑步越野，吸氧比不吸氧的平均越野时间节省了约1分25s左右，补氧1L/min时，有效提高了人员跑步越野速度；

4 结论

通过理论分析和试验相结合的方法，探讨了高原4500m海拔缺氧环境，单人需氧量及其吸氧效果，得出以下结论：

1）理论分析表明：在海拔4 500m，为保证人员补氧效果达到海拔3 000m的等效高度，需要保证人员吸入气氧浓度为25.1%，此时单人需要补充氧气量为1 L/min；

2）试验研究表明：在4 500m条件下，单人补氧量为1L/min时，能够不同程度地改善人员的血氧饱和度和心率，减少人员的高原反应。安静状态下，补氧1L/min，人员血氧饱和度平均值提高9.5%，心率平均下降5次/min；单人越野状态下，人体血氧饱和度平均值提高13.8%，心率平均下降16.8%，500m越野时间减少了1分25s；

3）研究结果表明：对于高原4 500m海拔缺氧环境，采用鼻吸氧管供氧方式时，应按照单人补氧量不低于1L/min进行设计，从而能够保证人员在4 500m海拔缺氧症状有效改善。