自携式呼吸器因水下携带方便､活动灵活,受到许多潜水爱好者和职业潜水员的青睐｡基于供给呼吸回路的差异,自携式潜水可分为开放式和循环式2类｡开放式潜水呼吸器简单､轻便,易于掌握,但因为呼出的气体直接排入水中,导致水下停留时间较短,同时因产生大量水泡而致隐蔽性差｡使用循环式呼吸器(circuitrebreather,CR)时,呼出的气体通过循环回路处理后供给潜水员呼吸,提高了气体的利用率,从而延长潜水员的水下停留时间,同时也具有较好的隐蔽性,具有重要的军事价值｡基于呼吸气体和供气方式,循环式呼吸器还可分为纯氧闭式潜水呼吸器(closed⁃circuitre⁃breather,CCR)､半闭式潜水呼吸器(semi⁃closed⁃circuitre⁃breather)和混合气闭式潜水呼吸器[1]｡

与开放式呼吸器相比,CR的设计和操作更为复杂,对生产技术要求更高,相对体积更大,导致其水下的机动性稍逊色,水下风险[包括二氧化碳(carbondioxide,CO2)中毒､缺氧､氧中毒以及化学性呼吸道损伤等]也明显高于开放式呼吸器｡Fock[2]研究显示,娱乐闭式呼吸器潜水的死亡风险约为开放式呼吸器潜水的10倍｡因此,使用CR的潜水员,通常需要在熟悉开放式潜水呼吸器的基础上,全面学习CR的构造､原理和使用方法等,而且学习周期较长,训练难度更大｡近年来,一些研究者对CR的使用风险及其预防进行了研究｡本文对其研究进展进行简要介绍｡

1､针对吸收剂的研究

使用CR时,呼出的气体通过CO2吸收剂,吸收气体中的CO2和水分后,气体中的氧气重新供给潜水员呼吸｡因此,CO2吸收剂的质和量直接关系到潜水员水下作业安全｡目前,国内CCR使用的CO2吸收剂主要有氢氧化钙和钠石灰｡国内某品牌氢氧化钙的CO2吸收率≥33%,某品牌的钠石灰的CO2吸收率≥19%｡Pennefather[3]也指出,麻醉时使用的CO2吸收剂,其吸收效率比潜水专用的CO2吸收剂吸收效率低30%~40%｡因此,潜水时使用的CO2吸收剂必须专用,而不能采用其他临床使用的CO2吸收剂替代｡

正是由于不同的CO2吸收剂其吸收效率不同,导致使用闭式呼吸器时水下停留时间存在差异｡英国生产的Inspira⁃tion™CCR通常采用Sofnolime797™作为CO2吸收剂,而有时某些潜水员使用Spherasorb™吸收剂作为替代｡有研究评价了两者在劳动强度为6个代谢当量(metabolicequivalents,MET)时的吸收效率｡通过机械操控呼吸器,维持45L/min的通气量(潮气量1.5L;呼吸频率30次/min),以2L/min的速度向呼气端注入CO2,持续监测吸气端CO2分压(PiCO2),直到PiCO2达到1kPa｡结果显示,装填的Spherasorb™和Sofnolime™质量分别为2.38kg和2.64kg,达到CO2临界值的时间分别为(138±4)min和(202±6)min(P<0.001)[4]｡因此,不推荐采用其他CO2吸收剂作为替代用于CCR,否则会增加水下作业风险｡

由于CO2在吸收过程中会产热,因此,研究者试图通过检测吸收剂的温度来评价吸收剂的吸收效率｡研究者对2种CCR(Inspiration和rEvo)进行了研究｡将呼吸器浸入19℃的水中,机械驱动,全程6MET(中等强度)以及90min的6MET之后采用2MET(低强度)的模拟潜水,通过温度贴纸(temperaturestick)检测吸收剂温度,终点为PiCO2达到1kPa的时间,分别在水面(低强度+中等强度)和水下3~6m(仅中等强度)进行检测｡水面试验显示,2种CCR在5次低强度测试中有4次发出警报,而12次中等强度测试中未发出警报｡水下试验显示,rEvo在所有5次测试中均发出保守的警告(出现临界值之前约60min);Inspiration在8次测试中有6次在出现临界值之前即刻发出警告,但1次测试发出的警告略迟于临界值,另1次发出警报的时间比出现临界值晚13min[5]｡上述结果显示,浅水作业时,吸收剂温度监测能对PiCO2升高提前发出警告,而水面监测吸收剂温度的预测准确性较低｡

为了方便用户使用,厂商设计并开发了ExtendAir®非颗粒预成型吸收剂罐,声称其吸收能力是颗粒性CO2吸收剂的2倍,装填量变异性更小,呼吸功能更低,吸收剂进水后腐蚀性化学物暴露的风险更低｡Gant等[6]采用DiveRiteO2ptima闭式呼吸器对等体积和等质量的非颗粒预成型吸收剂罐(ExtendAir®)和颗粒式吸收剂罐(Sofnolime®797)进行了测试｡见图1｡通过机器操控,模拟90min的6MET联合2MET的水下作业以及模拟连续6MET的水下作业,观察PiCO2分别达到1.0kPa和0.5kPa的时间､时间变异､吸气⁃呼气压差以及吸收剂进水5min后的液体pH｡结果显示,不同活动强度联合时,PiCO2达到1kPa时,2种吸收剂在时间上差异无统计学意义;使用ExtendAir®吸收剂和Sofno⁃lime®797吸收剂时,PiCO2达到0.5kPa的时间分别为(314±9)min和(278±14)min(P=0.001)｡恒定强度测试下,不管PiCO2如何,ExtendAir®吸收剂达到目标PiCO2的时间明显较长[1kPa:(158±4)minvs.(139±6)min,P<0.001;0.5kPa:(144±6)minvs.(120±7)min,P<0.001]｡通气压力两者差异无统计学意义;进水后的腐蚀性化学液体pH值分别为12.8和12.7,差异无统计学意义｡虽然两者在时间上差异有统计学意义,但差异较小(19~26min)｡研究者认为ExtendAir®预成型吸收剂罐在CO2吸收时间､时间变异性､通气压力和进水对气道的伤害上无显著优势｡

图1非颗粒预成型吸收剂罐(ExtendAir®)和颗粒式吸收剂罐

吸收剂的储藏方式对其吸收效率也有明显影响｡通常敞开放置的吸收剂由于吸收空气中的CO2和水分导致其吸收效率下降｡因此,如需重复使用吸收剂,对于其储藏方式有严格要求｡Pollock等[7]研究了不同储存方式对CO2吸收剂吸收效率的影响｡研究采用机械操控EvolutionPlus™CCR｡吸收剂罐装填2.64kg的Sofnolime797™吸收剂,通气45L/min,呼气端以2L/min的速度注入CO2｡运行90min后将吸收剂取出,以3种形式保存:开放状态放置28d､真空密封放置28d和开放状态过夜｡处理完毕,将上述吸收剂重新装填进呼吸器,检测PiCO2到达1kPa的时间｡开放放置28d､密封放置28d和开放放置过夜的吸收剂,PiCO2到达1kPa时的运行时间分别为(188±1)min､(241±19)min和(239±9)min｡密封放置28d与开放放置28d两者之间差异有统计学意义｡因此,使用过的吸收剂如果需要长期存放,需将其放置在真空包装内;使用过的吸收剂隔天再次使用,其吸收效率不会明显下降｡当然,除非条件不允许,一般为了安全起见,尽量使用新的CO2吸收剂｡

吸收剂装填不正确是导致水下CO2中毒的一个重要原因｡通常,CO2吸收剂为颗粒状,装填过程中,一边轻拍吸收剂罐,一边装填,避免颗粒间缝隙过大,导致不能充分吸收呼出气中的CO2｡Arieli[8]研究了吸收剂装填过满和装填不足对CO2吸收的影响｡正常装填满CO2吸收剂的情况下,Oxy⁃ger57CCR连续给予5%CO2,吸入气CO2浓度在130~160min时开始上升,240min时达到1%,270min时达到1.5%;吸收剂重量减少100g对上述结果不会造成明显影响,而随着吸收剂减少量的增加,CO2浓度上升出现更早｡正常装填满CO2吸收剂的情况下,OxyNG2CCR内CO2浓度在250min后开始上升,340min时达到1%,370min时达到1.5%(模拟CO2产生速度为0.95L/min)｡吸收剂减少100g时,CO2升高的时间有所延迟,390min时达到1.5%｡然而,当吸收剂减少更多时,CO2浓度升高出现更早｡通过适当加压,让吸收剂多装填300g｡意外的是,OxyNG2CCR内CO2浓度初始升高出现更早(模拟CO2产生1.12L/min):60min出现CO2升高,120min时达到1%,而装填满时,分别于150min和210min出现CO2升高和达到1%｡该研究说明了正确装填吸收剂的重要性,而且并不是装填越多吸收效率越高｡

2､缺氧/CO2中毒研究

潜水前,CCR潜水员通常进行5min的“预呼吸”,自我观察是否出现CO2中毒及缺氧的表现,但是这一做法是否有效尚不清楚｡Deng等[9]针对CO2吸收剂正常､部分失效和缺失3种情况,对潜水员预呼吸的情况进行了分析｡潜水员未知具体分组,被告知怀疑出现相关表现时终止试验｡20次试验中,吸收剂正常､部分失效和缺失时,分别有0､2和15次过早终止呼吸｡最常见的主诉是“呼吸急促”或“呼吸功增加”,其次为“头晕”和“认知变化”｡7名潜水员在终止呼吸时,每分通气量未增加､稍有增加甚至下降,但仍报告有呼吸困难,说明可能因动脉CO2升高所致,而与通气增加无关;即使PiCO2有所增加,但心率仍无显著变化｡通气稍有增加,以补偿PiCO2的增加,导致呼气末二氧化碳(PETCO2)无明显变化｡吸收剂部分失效试验中,呼吸即刻CO2升高,2~3min后到达平台(20mmHg)｡上述结果表明,5min预呼吸对循环式呼吸器中CO2吸收剂的问题不敏感,尤其是吸收剂部分失效时非常危险,因为这种情况在水面很难发现,而在水下会导致情况变得更加危险｡

Popa等[10]研究了潜水员的缺氧特征｡潜水员初始接受非盲缺氧暴露,随后进行3次试验,包括1项低氧试验和2项常氧试验,采用随机顺序进行｡使用CCR时,呼吸无氧气体导致缺氧｡测试过程中潜水员通过神经认知电脑游戏模拟现实中的任务负荷,同时踩自行车测力计｡潜水员用手指向写有常见缺氧症状的黑板来告知缺氧症状,感到缺氧时转动阀门(自救),然后研究人员摘下潜水员咬嘴｡如果外周血氧饱和度降至75%,或者正常氧试验6min后,书面提示潜水员自救｡通过询问潜水员,确定区分缺氧和常氧的能力｡结果显示,95%的受试者(19/20)在非盲和盲法试验中,缺氧症状表现一致,85%的潜水员能正确识别混合气体｡非盲缺氧期间,仅25%(5/20)的潜水员主动自救,55%的受试者(11/20)在得到提示的情况下正确自救,而15%的人(3/20)尽管得到了提示,但仍未能自救(未看到提示､手无力等)｡盲法缺氧试验中,45%的潜水员(9/20)在未经提示的情况下自救,而15%的潜水员(3/20)尽管有提示,仍未能自救｡上述结果表明,大多数潜水员无法实时识别缺氧并主动进行自救｡因此,CCR潜水员的缺氧暴露训练的价值还有待进一步确认｡Mitchell等[11]针对CCR潜水员缺氧经历的价值和安全性进行了研究｡25名受试者经历2次低氧性缺氧(试验一和试验二),2次间隔时间约5周｡受试者在进行卡片识别测试时呼吸5.5%氧气｡主要终点是卡片识别测试中连续出现3个错误所花时间[有用意识时间(timeofuse⁃fulconsciousness,TUC)]｡次要终点是所犯错误的总数､错误回忆的准确性和生理变量｡结果显示,试验一和试验二中TUC分别为(166±37)s和(169±35)s,分别犯了(8.9±2.4)次和(7.8±2.0)次错误｡受试者分别未能回忆起试验一和试验二中6±3和6±2个错误｡5周后的第2次缺氧暴露中,受试者的表现并未获得改善｡上述结果显示CCR潜水员进行缺氧体验训练的价值有限｡

Lance等[12]探讨了CCR在氧气补充失效后,血氧监测是否可以为CCR潜水员提供及时的提醒｡研究采用Megalo⁃don混合气CCR,禁用氧气添加系统,潜水员在4种不同的环境场景中浸泡在水中,包括冷水和温水,并在多个位置监测血氧｡结果显示,前额和鼻翼是最有价值的血氧监测部位,可以提前17~58s[(32±10)s]提醒潜水员发生缺氧,以防出现意识丧失｡但该研究也存在一定的不足,如放置的部位受到潜水面罩､潜水员水下活动､水下低温等因素的影响｡同时,高气压下血氧监测的准确性也需要明确｡因而还有待设计更好的试验来证实血氧监测的价值｡

潜水员缺氧和/或CO2中毒容易导致意识丧失,从而引发溺水｡因此,出现意识丧失后防止呼吸器脱离口腔,是预防后续溺水的关键气道保护措施｡有研究者推荐采用全面罩(full⁃facemask,FFM)进行预防,但由于FFM复杂,价格昂贵,尚未广泛使用｡其替代是采用咬嘴固定带(mouthpieceretainingstrap,MRS)｡近期一项针对军事CCR潜水事故进行的研究发现,54起意识丧失事件中,仅3起导致溺水,而研究的所有潜水员都使用MRS,这也间接支持了MRS的保护作用[13]｡

3､CCR潜水对机体的其他影响

Buzzacott等[14]对潜水员有关CR潜水中接触腐蚀性碱性液体的经历及其反应进行了研究｡413名潜水员接受调查,394人(95%)为男性,平均年龄46岁,CCR认证的中位期限为6年｡57%(n=237)的受访者表示有接触腐蚀性液体的经历｡CCR潜水员的潜水时间越长,潜水次数越多,更有可能有过一次或多次接触腐蚀性液体｡大部分CCR潜水员接触腐蚀性液体后主要采用水冲洗,然而,也有潜水员通过饮用苏打水､牛奶､果汁或弱酸性液体(如醋和水混合)进行处理,约80%的受访者获得信息的来源是CCR教练｡上述结果表明,对于CCR潜水员,尚需进一步普及发生腐蚀性液体接触后采用清水冲洗｡

采用混合气CCR进行潜水时,同样面临着减压后体内产生气泡和减压病的风险｡Balestra等[15]通过观察心脏和锁骨下气泡,对采用Biomarine混合气CCR进行多天潜水的潜水员进行了研究｡潜水员连续3d潜水(每日1次)｡出水后30min和60min于心脏(专业人员进行多普勒超声检测)和锁骨下[潜水员采用O’Dive感受器(多普勒超声信号)自我评估]对气泡进行检测和分级｡潜水深度(97.3±26.4)m,潜水时间(160±65)min｡所有潜水员未出现临床减压病｡30min和60min时,每个心动周期的气泡计数分别为(14±13)个和(13±13)个｡潜水之间和不同测量时间之间气泡数差异无统计学意义(P=0.07)｡O’Dive检测结果与多普勒超声检测结果高度相关(Spearmanr为0.81,P=0.008)｡Gouin等[16]针对娱乐性CCR潜水员冷水潜水进行了研究｡潜水持续1周(潜水深度和时间每天不同)｡没有潜水员主诉肺部症状,血氧饱和度(SpO2)轻微下降(−1.4%),肺活量无明显变化｡潜水3､4､5和6d后,超声检测到肺B线累积明显,全身水分､细胞外水分和细胞内水分增加(这一点与其他研究有所不同,可能与潜水前饮水有关),但出水后24h基本恢复至潜水前水平｡潜水期间,整体心率变异(heartratevariation,HRV)下降,主要表现为交感神经(sympatheticnervoussystem,SNS)活性增加,而副交感神经(parasympatheticnervoussystem,PNS)活性下降,但最后一次潜水后24h恢复至基线水平｡作者认为CCR潜水时,SNS占主导地位,而PNS的重要性下降,这一点与其他开放性潜水有所不同｡Lundell等[17]也观察了2~4℃水下潜水对自主神经系统(autonomicnervoussystem,ANS)的影响｡26名经验丰富的CCR潜水员进行45m的减压潜水,水下没有需要集中注意力的体力活动｡使用KubiosHRV标准程序的PNS和SNS指数评估ANS活性｡与静息状态相比,面部露出水面时,PNS活性显著下降｡随着面部入水,PNS显著增加,一直持续到出水前｡与静息状态相比,面部露出水面时,SNS活性显著增加｡面部浸没水下时SNS活性无显著变化｡出水后,SNS活性随着时间延长显著降低｡潜水开始时,潜水反射的三叉神经部分引起初始PNS明显激活,寒冷是PNS激活的重要原因,而非压力｡此外,入水后SNS和PNS同时活化,这可能增加心律失常的风险｡因此,冷水潜水开始时,建议进行短暂的适应｡

Martinez⁃Villar等[18]通过心室整体纵向应变(ventriculargloballongitudinalstrain,GLS)和超声肺彗星表现(ultra⁃soundlungcomet,ULC),分别评价半闭式呼吸器潜水对心脏收缩功能与肺血管外水形成｡14名现役军事潜水员着湿式潜水服进行2次(不同日)海上潜水,深度10m,每次120min,目标深度氧分压0.38~0.53ATA(1ATA≈101.325kPa)｡于基线､第1次潜水后15min(D1)内和第2次潜水后60min(D2)内接受肺和心脏超声检查｡基线和潜水后取血,检测高敏肌钙蛋白T(highsensitivitytroponinT,hs⁃TnT)和内皮素⁃1｡结果显示,D1和D2后,分别有9例(64.2%)和8例(57.1%)受试者检测到ULC;除1人外,第1次检测到ULC的潜水员在第2次同样能观察到｡左右心室GLS无差异,而潜水后心房纵向应变参数显著下降｡某些心室收缩功能相关指标在第1次潜水后发生变化,而第2次潜水后变化缩小,随着出水,逐渐恢复正常｡此外,有ULC的潜水员,其内皮素⁃1含量高于无ULC的潜水员｡因此,潜水后肺内水含量增加可能与缩血管的内皮素⁃1产生增加有关｡

Bosco等[19]对空气和CCR潜水员的肺功能和尿氧化应激指标进行了研究｡6名潜水员在31~32℃的水下15m进行20min潜水,分别采用空气和CCR(PO2=1.4ATA),2次潜水间隔6h｡潜水前后检测肺功能和尿液氧化应激指标[8羟基脱氧鸟嘌呤(8⁃OH⁃dG)和8⁃异前列腺素]｡结果显示,不同的潜水对肺功能无显著影响｡CCR潜水后8⁃OH⁃dG和8⁃异前列腺素水平显著增加,说明CCR潜水后机体的氧化应激有所增加｡

Piispanen等[20]研究了采用CCR进行冷水潜水对潜水员警觉性和认知的影响｡23名潜水员在寒冷水下采用混合气(20%氦气,40%氮气)CCR进行相同的潜水｡潜水前､目标深度和潜水后进行临界闪光融合频率(criticalflickerfusionfrequency,CFFF)测试｡CFFF主要用于注意力和警觉性的评价,受到中枢神经系统兴奋和抑制的影响｡潜水深度(45.5±0.7)m,潜水时间(67.4±3.9)min,水温3.1~4.3℃｡与潜水前相比,潜水期间CFFF增加了111.7%;出水后,数值恢复到基线水平[(98.2±4.3)%],结果与前期非冷水潜水研究类似,表明皮肤温度下降和潜水员主观温度舒适度下降不影响CFFF｡

诸多研究显示,潜水和高气压暴露都可诱导潜水员循环微粒产生增加[21-22]｡Arya等[23]研究了不同深度CCR潜水对血液细胞外微粒的影响｡“深”潜水员潜水一次,深度(102.5±1.2)m,时间(167.3±11.5)min｡“浅”潜水员在第1天潜水3次,然后在7d内重复潜水,深度(16.4±3.7)m,时间(49.9±11.9)min｡单次大深度潜水和7d浅水潜水后,表达小胶质细胞､中性粒细胞､血小板和内皮细胞特异性蛋白以及血小板反应蛋白(thrombospondin,TSP)⁃1和丝状肌动蛋白的微粒显著升高｡微粒内白细胞介素⁃1β(interleukin⁃1β,IL⁃1β)在第1天增加7.5倍,第7天增加41倍｡微粒内一氧化氮合酶⁃2第1天增加17倍,第7天增加19倍｡大深度潜水后血浆凝胶蛋白水平下降73%,7d浅水潜水后下降37%｡上述结果表明,即使控制高氧暴露,潜水也会诱导机体炎症,而且炎症与潜水深度无关｡

4､讨论

采用CR进行潜水,操作复杂､难度大､风险高,潜水前后诸多方面都需高度关注,任何一个环节都不能忽略,否则潜水员水下很容易发生事故,甚至导致死亡｡(1)CO2吸收剂是CR的一个重要组成部分,不同类型､品牌的CO2吸收剂,其吸收的效率也有明显差异,因此,具体到某一种CR,采用何种类型或品牌的CO2吸收剂,需要严格遵守厂商的推荐,而不应该擅自更换CO2吸收剂的种类与品牌｡(2)CO2吸收剂的装填也是CR使用过程中容易忽略的一个方面,保质､保量､正确地装填CO2吸收剂,是确保CR在水下正常工作的重要条件,也是CR使用培训的一个重要内容;虽然有研究显示,预成型吸收剂与常规吸收剂相比不存在较大的优势,但如果预成型吸收剂在使用上更加方便(装填时间短､无需过筛､粉尘少而减少吸入风险等),也是未来可以考虑的一个方向｡(3)缺氧和CO2中毒是CR潜水员水下面临的最大风险,由于缺氧和CO2中毒通常不会出现明显的先兆表现,因此预防变得相当困难,上述的一些研究也证实了这一点｡因此,缺氧和CO2中毒的预防,最重要的还是做好CR准备这一关,除了CO2吸收剂的影响,下水前装备的完好性(气密性差､单向阀故障等)也与缺氧和CO2中毒密切相关｡(4)采用科技的手段,通过一定的生理监测,可以作为未来预防CR水下风险的一个研究方向｡经皮监测血氧饱和度也是一个可行的措施,但需要基于具体的潜水装备进行配套;未来也可将某些相关的手段整合进入潜水智能面罩,通过多个指标(血氧､心率､呼吸等)的监测,提高预测的准确性｡

参考文献:

[1]高文顺,袁海军,任志伟,等.循环式潜水呼吸器及其在军事潜水中的应用[J].水下无人系统学报,2022,30(6):809-814.

文章来源:徐佳骏,黄国阳,俞旭华,等.循环式呼吸器潜水医学问题研究进展[J].海军医学杂志,2025,46(05):533-537.