正壓式氧氣呼吸系統的應力分析
作者：張仁良，陳金岳
氧氣呼吸器的防護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外的壓力差有關。如果吸氣時面罩內壓力高于外界大氣壓，有毒氣體就無法泄漏進去，從而提高了氧氣呼吸器的防護能力。這種在呼吸全過程中保證面罩內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正壓呼吸系統工作原理
氧氣呼吸器結構主要分成供氣系統和呼吸系統2個系統。供氣系統由氣瓶、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能力大小的是氧氣呼吸器的呼吸系統。正壓式氧氣呼吸器與普通氧氣呼吸器的主要區別在于呼吸系統。
正壓呼吸系統與普通呼吸系統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、還相應提高了自動補給閥的開啟壓力和關閉壓力。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產生的負壓來打開的，自動補給閥是在負壓下進行補氣。而在正壓氧氣呼吸器中，面罩內是不會產生負壓，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行補氣；呼氣時面罩內壓力大于氣囊壓力，由于壓差使吸氣閥自動關閉，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正壓呼吸系統靜態應力分析
從上面的正壓呼吸系統工作原理分析得知：氧氣呼吸器產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應力時可以把這3部件看成同一部件處理。
2.1普通呼吸器的靜態應力
肺部吸氣時，在面罩內產生相對于大氣壓負值的吸氣壓力Px。面罩內的吸氣負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。因此可以把面罩內吸氣負壓看成呼吸器的吸氣阻力、它的大小與呼吸量有關，一般在-200～-600Pa之間。吸氣壓力達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），面罩內吸氣壓力就不會低于自動補給閥的開啟壓力Pb（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，甚至發生缺氧，這時吸氣負壓就會持續下降。所以，在正常使用條件下面罩內靜態應力的負壓值Px應高于自動補給閥的開啟壓力Pb，即Px≥Pb。肺部吸氣時，在面罩內產生一個相對于大氣壓Pa較高的呼氣壓力Ph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Ph看成呼氣阻力，它也與呼吸量大小有關。中等勞動強度下，呼吸阻力為200～300Pa；在50L/min呼吸量下，達到450Pa；一般在200～700Pa之間。當面罩內的呼吸氣壓力Ph達到排氣閥開啟壓力Pp時，自動排氣。如果呼氣量不超過排氣量，面罩內的呼氣壓力就不會大于排氣閥的開啟壓力Pp。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上升。因此，一般情況下面罩內靜態應力的正壓值Ph不應大于排氣閥的開啟壓力Pp即Ph≤Pp[1]。
2.2正壓呼吸器的靜態應力
在使用普通呼吸器時，如果打開氣瓶后不進行呼吸，排氣閥和自動補給閥都是處于關閉狀態。正壓呼吸器是在氣囊上安裝了一個增壓彈簧，同時調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Ps可以看成面罩在靜態下的正壓。如果面罩佩帶合適，不進行呼吸就會在呼吸系統內建立一個靜態壓力Ps。肺部吸氣時，需要從氣囊里獲得呼吸氣體，呼吸系統內靜態壓力Ps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面罩。直至再一次達到壓力平衡。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，是動態過程。雖然作用在吸氣閥膜片上的壓力Pzx比正壓值Ps低，但在正常情況下總是比環境大氣壓高。所以，面罩內的吸氣靜態壓力Pzx為：Pzx= Ps-Px> Pa。如果吸氣量不超過自動補給閥的供氣量，面罩內吸氣靜壓就不會低于補給閥的開啟壓力，即Pzx≥Pzd。在普通呼吸器中，肺部呼吸氣時會在面罩內形成正壓Ph，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。肺部必須產生Ps和Pp之和的合力，在大流量呼吸氣體內還需要克服相應呼吸氣體流動阻力。所以，面罩內的呼氣靜態壓力Pzh應是Pzh=Ps+ Ph。
圖2為普通呼吸器和正壓呼吸器呼吸系統在30L/min呼吸量時的靜態應力，它是下面動態應力分析的基礎。
2.3正壓呼吸系統靜態應力分析
正壓呼吸器的呼吸阻力會直接影響到呼吸系統正壓值Ps的確定。因為正壓值設得太高會使呼氣阻力太大，設得太低又不能保證呼吸器的保護能力。為了保證呼吸舒適，呼氣不感到費勁，要求呼吸系統的正壓值和呼氣阻力，其和（Ps+ Ph）不得超過800 Pa。吸氣阻力的最小值，決定著呼吸器保護能力，它與正壓值之差（Ps－Ph）越大，呼吸保護能力就越高。因此，在正壓氧氣呼吸器中，降低呼吸阻力是提高保護性能的關鍵所在。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，保證排氣穩定性；采用雙氣囊，減緩清凈罐通氣流量；改變冷卻罐通氣結構，減小吸氣流通阻力等方法都可以有效地降低呼吸阻力，提高呼吸保護能力。
普通呼吸系統應力 正壓值 正壓呼吸系統應力
Pa——外界環境大氣壓； Px——普通面罩內的吸氣靜壓； Pzx——正壓面罩內的吸氣靜壓； Pb——普通自動補給閥開啟壓力； Pzb——正壓自動補給閥開啟壓力； Ph——普通面罩內的呼氣靜壓； Pzh——正壓面罩內的呼氣靜壓； Pp——普通排氣閥開啟壓力； Pzp——正壓排氣閥開啟壓力； Ps——作用在氣囊上的彈簧力，也就是呼吸系統的正壓值。
圖2呼吸系統在30L/min呼吸量時的靜態應力。
3正壓呼吸系統動態應力分析
氧氣呼吸器的呼氣阻力和吸氣阻力都是隨著呼吸量而發生變化。它們之間的函數關系取決于呼吸器的結構特性。為了便于分析，把它們看成線性關系。
3.1普通呼吸器的動態壓力
動態壓力曲線的起始點是靜態壓力值。呼吸動態曲線可以這樣確定，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。把坐標上這兩點（0，1），（50，3）聯成直線便成為呼氣阻力隨著呼吸量而變化的函數曲線。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曲線。這2條直線近似反映出普通呼吸器動態壓力變化。
3.2正壓呼吸器的動態壓力
如果要使呼吸系統在整個呼吸周期中都是正壓，也就是呼吸量達到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：呼吸量達到60L/min后再進一步提高呼吸量，吸氣就會出現負值。在普通呼吸器中。呼吸量達到60L/min時，面罩內靜態壓力為-500Pa。所以應該在氣囊上相應施加500Pa彈簧力。當減小呼吸量時，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，所以呼吸系統內動態壓力就用右邊的Y1軸表示，也就是把X1軸變成壓力零線。在呼吸量0～60L/min時，呼氣動態壓力是在600～950Pa。在正壓系統中，呼氣阻力是由呼吸系統正壓加上靜態呼氣波動壓力。由于影響動態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動
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td="14157">態應力條件示意圖。其中，縱坐標Y表示普通呼吸器的呼吸阻力，縱坐標Y1表示正壓呼吸器的呼吸阻力，橫坐標X表示呼吸量。
圖3呼吸系統動態壓力
3.3正壓呼吸系統的動態應力分析
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正壓，必須使呼吸阻力曲線趨勢平坦，提高呼吸器的靜態正壓值。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，面罩內呼吸靜態壓力分別是500Pa和418Pa；面罩內吸氣靜壓分別是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，在國家標準中并不規定在70L/min的大呼吸量下必須保證呼吸器處于正壓。
4正壓呼吸系統的應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，有人擔心對人的呼吸生理會有影響。1975年德國Scherrer教授在Berne Inselspital呼吸專科學院進行了試驗[2]，結果表明：壓力達到所規定的最高值時，從生理學觀點分析，沒有發現不良癥狀。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行吸氣，所以是主動性。而呼氣是依靠橫膈膜和胸腔回縮進行，是被動性。只有在強制性呼吸時，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，呼吸空氣自動流進面罩，是不需要做功。佩戴呼吸器進行重體力勞動，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·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。從人體工程學角度分析，在正壓呼吸條件下呼吸，對人體的呼吸器官和循環不會產生任何不良影響。
（2）對呼吸防護能力的影響。普通呼吸器的額定保護系數是5000，而正壓氧氣呼吸器的額定呼吸保護系數是20000。美國BAOMARINE公司做過試驗，BAOPAK240的呼吸器的呼吸保護系數可達到15萬[4]。正壓是氧氣呼吸器保護系數與呼吸系統中最低吸氣壓力有關，也就是呼吸器的正壓值與吸氣阻力的差值越大，呼吸保護系數越高。因為面罩內外的壓差越大，外界有毒氣體就越難以浸入呼吸系統。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能力。
（3）呼吸氣源的影響。從呼吸系統應力分析得知：呼吸氣體在呼吸系統中僅僅提高壓力，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行補氣。使用時一邊補氣一邊排氣，造成氣源利用率低下。當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有增壓彈簧占據較大空間，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82％[5]。因此，正確設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鍵所在。
參考文獻：
[1] Warnch,E.“The positive pressure system for compressedair breathing apparatus”Drager Rrview 59，June.1978
[2] Schleusing and Leers.“Results of the investingations on the effect of breathing resistance”Drager Review 62.，Dec.1989
[3] Comros.J.H.呼吸生理［M］.北京：醫學年書出版社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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