李洋洋， 石 路, 2△， 張延猛， 肖嬋娟， 劉洪濤

(1. 上海交通大學海洋水下工程科學研究院， 上海 200231； 2. 上海交通大學-千葉大學國際合作研究中心， 上海 200240)

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模擬100 m氦氮氧常規(guī)潛水水下階段減壓方案的計算與動物實驗驗證*

李洋洋1， 石 路1, 2△， 張延猛1， 肖嬋娟1， 劉洪濤1

(1. 上海交通大學海洋水下工程科學研究院， 上海 200231； 2. 上海交通大學-千葉大學國際合作研究中心， 上海 200240)

目的：制定100 m氦氮氧(Trimix)常規(guī)潛水水下階段減壓方案并通過模擬家兔100 m Trimix常規(guī)潛水對方案的安全性和可行性進行驗證。 方法：根據(jù)何爾登理論(Haldane theory)，確定適合100 m Trimix常規(guī)潛水水下階段減壓方案計算的假定時間單位、理論組織分類、氮過飽和安全系數(shù)及其選取方法，建立潛水減壓方案的計算方法。本實驗減壓方案計算中共取五類理論組織：5 min、10 min、20 min、40 min和75 min，氮過飽和安全系數(shù)則以1.6計算；8只家兔作為對照組，8只潛水組家兔按實驗設計和計算所得減壓方案實施模擬100 m Trimix常規(guī)潛水，通過比較和觀察潛水組家兔肺、腦組織濕干比的變化以及行為學表現(xiàn)來評價減壓方案的安全可行性。 結(jié)果：按計算得到的減壓方案減壓出艙后的家兔均未出現(xiàn)行為學異常；潛水后家兔肺、腦組織濕干比均較對照組無顯著變化(均P>0.05)。結(jié)論：按haldane理論計算得到的減壓方案安全可行，潛水呼吸氣的配比濃度使?jié)撍彝貌恢掳l(fā)生氧中毒和氮麻醉，減壓時在肺型氧中毒劑量單位(UPTD)安全范圍內(nèi)使用富氧氣體大大提高了潛水效率。

氦氮氧常規(guī)潛水；何爾登理論；減壓方案；濕干比；家兔；動物行為學

近年來，潛水人數(shù)逐年遞增，據(jù)估計目前全球已有約700萬人活躍于運動潛水。但空氣潛水的深度因為氧中毒和氮麻醉而受限，為防止氧毒性、氮麻醉以及減壓病的發(fā)生，SCUBA(self-contained underwater breathing apparatus)空氣潛水一般限制在60 m。氦氧潛水(heliox diving)雖然可以下潛的比較深，但氦氣昂貴的價格和“氦語音”現(xiàn)象是其主要缺點，而且在100 m(11 ATA)時，氦氧潛水易出現(xiàn)高壓神經(jīng)綜合征(high pressure nervous syndrome，HPNS)，而降低HPNS發(fā)生風險的有效措施就是在呼吸氣中加入少量麻醉性氣體(比如氮氣)[1]。氦氮氧混合氣(Trimix)潛水技術(shù)可以通過改變呼吸氣組分最大限度地減小氧中毒和氮麻醉的發(fā)生從而下潛的更深[2，3]，而且Trimix中適量的氮氣還可以防止大深度潛水中HPNS的發(fā)生[1]。減壓時將呼吸氣換為富氧氣體(enriched air nitrox, EAN)或純氧可以縮短減壓時間，而減壓時間減少可以大幅提高潛水工作效率。因此Trimix潛水較常規(guī)空氣潛水和氦氧潛水在醫(yī)學保障和潛水操控方面均具有不可比擬的優(yōu)勢，而我國目前尚無Trimix常規(guī)潛水減壓表的相關研究，因此設計一套安全可行的Trimix常規(guī)潛水減壓表就顯得尤為重要。本研究以家兔為實驗對象，根據(jù)何爾登理論(Haldane theory)建立了模擬100 m Trimix常規(guī)潛水作業(yè)水下階段減壓方案，并通過觀察家兔行為學、檢測敏感組織濕干比來評價減壓表的安全可行性，為建立并完善Trimix常規(guī)潛水減壓表提供前期實驗數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 動物分組及實驗材料

健康雄性家兔16只，購自上海市松江區(qū)車墩實驗動物良種場，體重2～3 kg，室溫飼養(yǎng)，正常喂食，自由飲水。將動物隨機分為兩組(n=8)：對照組不進行模擬潛水；潛水組，按實驗設計進行模擬潛水。

1.2 實驗設備及模擬潛水方案

高、低壓兩用動物艙，艙容0.3 m3，模擬高氣壓最大為6 MPa。

模擬家兔100 m Trimix常規(guī)潛水加減壓方案為：加壓下潛速度10 m/min，減壓上升速度6 m/min。加壓時50 m以淺家兔呼吸空氣，50 m以深往艙內(nèi)補入氦氣使呼吸氣成為Trimix，加壓到100 m時艙內(nèi)混合氣為Tx14.5/41.8(14.5%氧，41.8%氦，43.6%氮，下同)，在100 m停留30 min后按計算所得減壓方案減壓，具體各停留站設置及停留時間見圖1。

Fig. 1 Schedule of simulated 100 m Trimix conventional diving

潛水過程氧分壓控制在1.6 ATA以下，氮分壓控制在4.8 ATA以下。高壓暴露期間持續(xù)通風，并于艙底放置鈉石灰以吸收家兔呼出的CO2，暴露過程中艙內(nèi)溫度保持在22℃～28℃。

1.3 觀察、檢測指標

按實驗設計的加減壓方案實施模擬100 m Trimix潛水，觀察、分析家兔以下生理指標。

1.3.1 行為學的觀察 家兔出艙后30 min內(nèi)的整體行為學指標包括行走困難，前肢和(或)后肢癱瘓等。1.3.2 組織濕干比 由于減壓不當會影響家兔肺間質(zhì)、肺泡血管以及血腦屏障通透性，進而引起肺、腦組織水腫改變組織濕干比，因此肺、腦組織可以作為評價減壓方案安全與否的敏感組織。本實驗分別取對照組和潛水組家兔肺、腦組織，在冰生理鹽水中漂洗去組織表面殘血，用濾紙吸干組織表面，稱濕重；放置80℃烤箱內(nèi)連續(xù)烘烤72 h，稱干重，計算組織濕干比。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 結(jié)果

2.1 模擬100 m Trimix水下階段減壓方案的計算

2.1.1 氮過飽和安全系數(shù)的選擇 本研究減壓方案的計算中按氮過飽和安全系數(shù)1.6計算。Haldane關于過飽和安全系數(shù)的理論，要求減壓過程的速度和幅度必須掌握得使體內(nèi)的惰性氣體張力與外界總氣壓的比值不超過過飽和安全系數(shù)，以避免發(fā)生氣泡；又盡量地接近過飽和安全系數(shù)，以保證惰性氣體的擴散有盡量充足的驅(qū)動力。選取1.6為合適的過飽和安全系數(shù)可以滿足本實驗減壓方案的計算。

2.1.2 領先組織的確定 Haldane根據(jù)不同組織中氮的半飽和時間不同而對組織進行分類，這樣分類的組織被稱為理論組織：含脂肪多而血液灌流少的組織，半飽和時間會很長，稱為慢組織；含脂肪少而血液灌流很多的組織，半飽和時間會很短，稱為快組織[4]。本實驗共選取5類理論組織，Ⅰ類為5 min組織, Ⅱ類為10 min組織, Ⅲ類為20 min組織, Ⅳ類為40 min組織,Ⅴ類為75 min組織，依次由快組織到慢組織。領先組織為飽和程度最高的組織，確定領先組織時首先找出氮張力最高的那一類組織，并求出該類組織在相應停留站必須脫飽和的氮張力，然后再與后一類組織必須脫飽和氮張力乘以2的積進行比較，如果后者的乘積大于臨近前一類組織必須脫飽和的氮張力，即以后一類組織為領先組織；反之，則以前一類組織為領先組織。

2.1.3 根據(jù)Haldane理論的方法、步驟和公式計算減壓方案[4]計算的基本原理就是Haldane關于惰性氣體在體內(nèi)飽和、過飽和及脫飽和的理論。計算步驟主要包括四步：(1)計算水下停留結(jié)束機體各類理論組織的氮張力；(2)根據(jù)減壓前領先組織的總氮張力及氮的過飽和安全系數(shù)算出第一停留站的深度；(3)計算出在停留站必須停留的時間，這是由領先組織脫去必須脫飽和的氮張力所需時間決定的；(4)計算出停留站停留結(jié)束時組織內(nèi)的氮張力。第3、第4步根據(jù)具體停留站的多少，逐站反復計算，直至出艙。計算氮張力、假定時間單位數(shù)、飽和(或脫飽和)百分數(shù)時各類理論組織都應分別進行計算。計算所得各停留站深度及停留時間見表1，即本實驗減壓方案。減壓至第一停留站45 m耗時10 min,期間家兔呼吸Tx14.5/41.8；到達45 m停留站后家兔換吸空氣直到 25 m停留站，呼吸空氣時間為21 min(不包括移行時間)；到達20 m停留站后家兔換吸EAN(50%氧-50%氮)直到8 m停留站，呼吸EAN時間為54 min(不包括移行時間)；到達6 m停留站后家兔換吸純氧直到減壓結(jié)束，呼吸純氧時間為35 min(不包括移行時間)；站間移行時間6 m以深為1 min/stop，6 m以淺為2 min/stop，從第一停留站到減壓結(jié)束總移行時間為18 min，減壓總時間為138 min(表2)。

2.1.4 肺型氧中毒劑量單位(unit pulmonary toxic, UPTD) 整個模擬潛水過程中氧分壓始終控制在1.6 ATA以下，模擬潛水減壓至45 m時將艙內(nèi)Trimix置換為空氣，減壓至20 m時將艙內(nèi)空氣置換為EAN；減壓至6 m時將艙內(nèi)EAN置換為純氧(≥95%)。整個潛水過程中UPTD值為243.53，大大小于615，故不致發(fā)生肺型氧中毒。減壓時在UPTD安全范圍內(nèi)換用EAN或純氧作為呼吸氣大大縮短了減壓時間，提高了潛水效率。

2.2 模擬100 m Trimix水下階段減壓方案的動物實驗驗證

2.2.1 動物行為學觀察結(jié)果 按計算所得減壓方案出艙的家兔30 min內(nèi)走動步態(tài)和四肢落地情況良好：均未出現(xiàn)行走困難、前肢和(或)后肢癱瘓等癥狀。

2.2.2 肺、腦組織干濕比檢測結(jié)果 潛水組織濕重與干重之比為5.83±0.44，對照組為5.82±0.42；潛水組腦組織濕重與干重之比為4.83±0.24，對照組為4.98±0.19，兩組相比較均無顯著差別(均P>0.05)。

2.2.3 其他指標的測定結(jié)果 潛水組家兔其他指標檢測結(jié)果顯示潛水后家兔心率、心電圖、心率變異性較對照組無顯著變化，未見竇性心律失常等改變；血清氧化-抗氧化指標SOD、CAT、GSH、MDA、LPO和組織炎性因子IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-8、MPO、MMP-9在模擬潛水后均處于正常生理允許范圍內(nèi)，此部分具體內(nèi)容另文報道。

按計算所得減壓方案減壓出艙的動物未出現(xiàn)減壓病，提示該減壓方案安全可行。

Tab. 1 Underwater decompression schedule of simulated 100 m Trimix conventional diving

EAN: Enriched air nitrox

Tab. 2 The total decompression time of simulated 100 m Trimix conventional diving

Travel time: 1 min/stop (≥6m), 2 min/stop (<6m)

3 討論

由于Trimix潛水在防止氮麻醉、氧中毒和減小HPNS發(fā)生等方面的優(yōu)勢，越來越多的人開始研究Trimix潛水技術(shù)，Van Liew和Burkard等人[5]的研究表明Trimix潛水在減少峰值氣泡體積方面比常規(guī)空氣潛水和氦氧潛水更有效；日本的Trimix潛水實例表明，相比于常規(guī)空氣潛水，Trimix潛水技術(shù)在大深度潛水工程中能更好地進行健康與安全風險管理[6]。雖然Trimix潛水的優(yōu)勢得到業(yè)界普遍認可，但目前并沒有公認的Trimix減壓方案，而且在氣體配比、減壓換氣方面也沒有統(tǒng)一標準[7-9]。Trimix潛水中減壓表的設計是重中之重，Trimix減壓表研制的關鍵是最大限度的減小氮麻醉、氧中毒、以及減壓病的發(fā)生對潛水員造成的傷害，這取決于呼吸氣分壓、暴露時間、潛水時的體力負荷等諸多因素；同時Trimix的配比和減壓時氣體的置換也是Trimix潛水不可忽略的環(huán)節(jié)?？v觀國內(nèi)研究現(xiàn)狀，還未見有大深度Trimix常規(guī)潛水的相關研究，因此本實驗的開展就顯得尤為重要，兼具創(chuàng)新和理論意義。

本研究以Haldane經(jīng)典理論計算減壓方案，雖然Trimix含有兩種惰性氣體：氮氣和氦氣，但由于氦氣較快的飽和、脫飽和性質(zhì)，本實驗在計算時以氮氣過飽和安全系數(shù)1.6計算，并選取經(jīng)典的5 min、10 min、20 min、40 min和75 min五類理論組織，結(jié)果表明這種最經(jīng)典的算法得出的減壓方案是安全可行的：減壓結(jié)束后30 min內(nèi)家兔未出現(xiàn)行走困難、前肢和(或)后肢癱瘓等異常行為學；以往研究表明組織濕干比的變化對高壓下機體生理功能的評價十分重要[10]，肺、腦組織W/D較空白對照組無顯著變化，說明潛水后家兔肺間質(zhì)及肺泡血管通透性良好，血腦屏障及腦微循環(huán)正常，未發(fā)生炎癥反應引起的肺、腦水腫。另外在模擬潛水過程中還對家兔心電圖、血清氧化-抗氧化指標、以及組織炎性因子的表達等進行了測定，結(jié)果也提示本減壓方案安全可行。在氣體配比方面，本實驗主要控制潛水過程中的氧分壓、氮分壓不超過耐受限值，家兔在50 m以淺呼吸空氣，50 m時達到氮分壓控制最大值4.8 ATA，隨后在50 m以深停止供應空氣，氮分壓不再升高，隨后往艙內(nèi)補入氦氧混合氣，氦氧混合氣的比例以加壓到100 m時的氧分壓最高控制值1.6 ATA進行配比，本實驗的氦氧混合氣比例為8%氧-92%氦，這樣就保證了在加壓到目標深度100 m時，家兔呼吸的氣體為Tx14.5/41.8，又確保氧分壓和氮分壓在合理的范圍內(nèi)不至于發(fā)生氧中毒和氮麻醉現(xiàn)象。因為機體過長時間呼吸高分壓氧氣會導致肺型氧中毒，高分壓氧氣在肺組織內(nèi)產(chǎn)生過量的活性氧(reactive oxygen species, ROS),損傷肺組織上皮細胞和血管內(nèi)皮細胞,炎性細胞滲入肺泡,形成炎癥,影響肺組織氣體交換,最終可能造成死亡[11]。本研究中置換氣體的氧濃度逐級增加，在達到第一停留站時即將Trimix換為空氣，隨后在20 m時換為EAN，6 m時換為純氧，這樣既保證家兔在安全的UPTD范圍內(nèi)，又確保其不至于在短時間內(nèi)承受高氧分壓，大大縮短了減壓時間，提高了潛水工作效率。

由此可見，家兔在11 ATA壓力下進行40 min的水底停留(包含下潛時間)后，按計算所得的減壓方案經(jīng)過138 min后完成安全減壓，且均未出現(xiàn)減壓病，說明本文所述的計算方法和氣體配比對100 m Trimix常規(guī)潛水是適用的，這對我國今后設計一系列不同潛水深度-不同水底停留時間的Trimix常規(guī)潛水減壓表有非常重要的理論和參考價值。

本實驗通過模擬100 m Trimix常規(guī)潛水動物實驗，表明按Haldane理論選取5類理論組織和氮過飽和安全系數(shù)1.6計算所得的減壓方案安全可行，按計算配比的混合氣濃度不致使家兔發(fā)生氧中毒和氮麻醉，減壓時EAN和純氧的使用大大提高了Trimix潛水效率，填補并豐富了我國目前在潛水醫(yī)學領域研究的空白和不足，這對今后Trimix常規(guī)潛水技術(shù)的實際應用(如大深度隧道施工、潛艇救援、水電站建設等)和人員醫(yī)學保障都有十分重要的指導意義。

[1] Halsey MJ. Effects of high pressure on the central nervous system[J].PhysiolRev, 1982, 62(4Pt1): 1341-1377.

[2] Marinovic J, Ljubkovic M, Obad A,etal. Assessment of extravascular lung water and cardiac function in trimix SCUBA diving[J].MedSciSportExerc, 2010, 42(6): 1054-1061.

[3] Ljubkovic M, Marinovic J, Obad A,etal. High incidence of venous and arterial gas emboli at rest after trimix diving without protocol violations[J].JApplPhysiol, 2010, 109(6): 1670-1674.

[4] 龔錦涵． 潛水醫(yī)學[M]. 北京： 人民軍醫(yī)出版社， 1985： 170-173．

[5] Van Liew HD, Burkard ME. Breathing a mixture of inert gases: disproportionate diffusion into decompression bubbles[J].UnderseaHyperbMed, 1996, 23(1): 11-17.

[6] Takashima R, Sterk W, Nashimoto I,etal. Use of trimix breathing in deep caisson work for the construction of the Meiko West Bridge[J].UnderseaHyperbMed, 1996, 23 suppl: 34.

[7] Imbert JP. Commercial Diving: 90 msw Operational Aspects[J].LangandSmith(Eds.):Advanced Scientific Diving Workshop, Smithsonian Institution, 2006, 1-6.

[8] Lozo M, Madden D, Gunjaca G,etal. The impact of consecutive freshwater trimix dives at altitude on human cardiovascular function[J].ClinPhysiolFunctImaging, 2015, 35(2): 142-149.

[9] Wells JM. Reliability of Delta P Technology Ltd., VR3 and the Hydrospace Engineering, Inc., HS Explorer Computers in Producing Acceptable Mixed Gas and Air Decompression Schedules and Providing Accurate Depth Measurement[M].USDepartmentofCommerce,NationalOceanicandAtmosphericAdministration,NOAADivingProgram, 2006, 1-29.

[10]柳愛姿, 包曉辰, 方以群, 等. 一氧化氮合成酶在不同壓力氧氣導致的肺型氧中毒中的表達變化[J]. 中國應用生理學雜志, 2014, 30(3): 227-229.

[11]馬 駿, 方以群, 王芳芳, 等. 2.3 ATA 純氧暴露不同時間大鼠肺組織中 PKC 表達的變化[J]. 中國應用生理學雜志, 2014, 30(1): 12-13.

Calculation of underwater decompression schedule for the simulated 100 m Trimix conventional diving and verification of the schedule with animal experiment

LI Yang-yang1, SHI Lu1,2△, ZHANG Yan-meng1, XIAO Chan-juan1, LIU Hong-tao1

(1. Shanghai Jiao Tong University, Institute of Underwater Technology, Shanghai 200231； 2. Shanghai Jiao Tong University-Chiba University International Cooperative Research Center, Shanghai 200240, China)

Objective: To explore the underwater decompression schedule for 100 m Trimix conventional diving operations and evaluate its safety through a simulated rabbits Trimix conventional diving. Methods: According to the Haldane theory，the assumed time units，the classification of tissue compartments，the nitrogen super-saturation safety coefficient and the selection of methods used for the calculation of the simulated 100 m Trimix conventional diving schedule were properly selected，and the calculating method for the dive decompression schedule was thus firmly established. In our experiments, five tissue compartments were selected during the calculation of decompression schedule : 5 min, 10 min, 20 min, 40 min and 75 min, and the nitrogen super-saturation safety coefficient was calculated by 1.6. Eight New Zealand rabbits were performed a simulated 100 m Trimix dive program which was established according to the Haldane theory, and eight rabbits for intact group. The tissues wet/dry ratio and ethology were detected and observed before and after the simulated diving to evaluate the safety of decompression schedule. Results: By using the developed underwater decompression schedule，abnormal ethology changes in rabbits could not be observed after compression and decompression to the surface; and the tissues wet/dry ratio of simulated diving rabbits had no significant changes compared with the intact group (P>0.05). Conclusion: The decompression schedule calculated by Haldane theory seemed to be safe and reliable，the diving breathing gas concentration did not cause oxygen toxicity and nitrogen narcosis among the dive rabbits, and dive efficiency was greatly improved by using enriched oxygen gas in UPTD safety range during decompression.

Trimix conventional diving; haldane theory; decompression schedule; wet/dry ratio; rabbit; ethology

中華人民共和國科學技術(shù)部專項基金(2012EG124043)

2014-10-16

2015-02-28

R84

A

1000-6834(2015)03-197-04

10.13459/j.cnki.cjap.2015.03.002

△【通訊作者】Tel： 13701696884； E-mail： shilu@sjtu.edu.cn