野战医疗供氧方法探讨

ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 23 学术论著 吴剑威① 张鲁闽① 马继民① 陶 干① [文章编号] 1672-8270(2012)04-0023-04 [中图分类号] R826.22 [文献标识码] A Discussion on methods of oxygen supply in field operation/ WU Jian-wei, ZHANG Lu- min, MA Ji-min, et al// China Medical Equipment,2012,9(4):23-26. [Abstract] Objective: To study the methods of oxygen supply in field operation. Methods: Based on the basic principles, the factors of usage, cost, transportation, storage and development lever were discussed and analyzed in storage oxygen supply, physical and chemical oxygen supply. Results: The supply methods of oxygen cylinders, liquid oxygen tank, pressure swing adsorption air separation and oxygen candle could be used in field operation. Cryogenic air separation method had to be replaced by pressure swing adsorption air separation. Oxygen bag and liquid chemical oxygen were not fit to be used in field. Membrane separation and the oxygen pump technology should be further developed. Conclusion: According to the environment, the supply methods of oxygen cylinder, liquid oxygen tank, pressure swing adsorption air separation and oxygen candle can be used in soldier-portable, field ambulance, field medical team, field clinic and field hospital. [Key words] Field medical service; Oxygen storage; Oxygen generator; Oxygen supply [First-author's address] Department of Biomedical Engineering, Fuzhou General Hospital of Nanjing Command, Fuzhou 350025, China. [摘要] 目的：研究野战医疗供氧方法。方法：从其基本原理出发，对储氧供氧、物理制氧和化学 制氧方法的使用、成本、运输、储存等因素进行综合 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。结果：氧气钢瓶、液氧罐、变压吸附 空气分离法和氧烛适用于野战医疗供氧；深冷空分法可用变压吸附空气分离法取代；氧气袋、普 通液态化学制氧不适用于野战医疗供氧；膜分离技术和氧泵还有待发展。结论：单兵、野战急救 车、野战医疗队、野战医疗所和野战医院可以因地制宜地采取氧气钢瓶、液氧罐、变压吸附空气 分离法和氧烛供氧。 [关键词] 野战医疗；储氧；制氧；供氧 ①南京军区福州总医院医学工程科 福建 福州 350025 氧气是维持生命的第一要素，是战时军队药材供 应的重要内容。伤员在救治的黄金时间或白金时间能 否及时吸氧，是降低伤死率，提高战伤救治能力的重 要因素。现代野战医疗对氧气要求连续不间断供应， 并且对其机动性、安全性有一定要求。 目前常用的供氧方式主要有：储氧供氧、物理制 氧和化学制氧。本文对现代国内外的供氧方法进行讨 论，针对不同供氧方法的使用、成本、运输、储存和 技术条件等因素综合分析，提出适用于野战不同环境 下的供氧方法。 1 储氧供氧方法 储氧供氧主要采用氧气袋(目前市场上常用的氧气 袋包括42 L、40 L、35 L、30 L等规格)、氧气钢瓶和液 氧供氧，这是最常用，也是最成熟的供氧方式，其特 点是使用方便、成本低，但是运输携带不便，使用、 储存的安全性差。 1.1 氧气袋供氧 吸氧的目的在于纠正机体的缺氧状态，是一种重 要的抢救措施。为达到吸氧的目的，对吸入的氧量应 有一定的要求[1]：鼻导管吸氧时吸氧量为2～4 L/min, 严重缺氧时吸氧量为4～6 L/min；按流量分为低流量 吸氧和高流量吸氧两种，低流量氧气吸入量为1～6 L/ min，吸氧浓度水平为22%～40%，高流量氧气吸入量 可加大到8 L/min，吸氧浓度水平可在60%～90%。孙 秀红等[2]对氧气袋供氧流量实验表明，刚充满氧的氧 气袋不需要压力即能达到1 L/min流量，随着袋内氧 气量的减少，则需对氧气袋逐渐增加压力才能保持1 L/min流量。为达到5 L/min流量，需对氧气袋施加 60 kg的压力(相当于成人体重),氧气袋供氧方式达不 到5 L/min以上的要求。因此，氧气袋储量少、流量 野战医疗供氧方法探讨 作者简介 吴剑威,男，(1976- ), 硕士，工程师。南京 军区福州总医院医学 工程科，主要研究方 向:野战医疗设备。 中国医学装备2012年4月第9卷第4期 China Medical Equipment 2012 April Vol.9 NO.4 2012-4.indd 23 2012-3-30 09:43:13 24 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 学术论著 小，只适用于短途运送低流量吸氧的患者。 1.2 氧气钢瓶供氧 氧气钢瓶是钢制式或玻璃钢高压压力容器，容 量一般为2 L、5 L、10 L、20 L、40 L等规格。氧气用 气体的方式进行储存、运输，供氧的优点是结构较 简单、通用，不但可以作为医疗气源，还可作为一些 医疗仪器的动力源，如呼吸机、麻醉机和负压吸引 器的动力源。武兵等用氧气钢瓶组成的野战中心供 氧系统[3]，包括40 L氧气钢瓶1个，减压阀1个，湿化 瓶、三通阀若干及橡胶管、一次性吸氧鼻导管组成， 能满足野战条件下4～5名轻伤员同时2 L/min持续低 流量吸氧，以及2～3名重度、休克伤员同时3～4 L/ min中流量吸氧需求。但氧气钢瓶也有很多缺点：① 效率低，使用时间短；②高压氧气在使用中有一定的 危险性；③氧气存储装置体积大且笨重，如40 L氧气 钢瓶的自重为75 Kg以上，而装置内的氧气重量只有 10 Kg左右；④运输不便，一般常用的40 L氧气钢瓶体 积为30cm×160 cm，一辆4 t汽车一次只能装20～30瓶 左右，有效重量只占1/10(目前大部分医院已淘汰使 用)；⑤不便于机动条件下使用。 1.3 液氧供氧 以液氧方式供氧，是目前国内外发展较为成熟 的一种方法，得到大中型医院的认可，并已经在外军 中得到普遍的应用[4]。液氧是一种利用深层冷分离的 方法制成的氧气液体，它的温度在–180℃左右，使 用时可由挥发器挥发成气体，由液体挥发成气体的比 例是1∶1800，且为纯氧，其质量好，效率高。外军 新型液氧发生系统与我军目前使用的深冷分离制氧法 基本相同，只是在现代化技术的改进下具有体积小、 效率高的优势。我军与外军目前在液氧装置上的不同 是：我军是将氧气气化后装瓶运输使用，而外军是由 多种方式组合。外军首先将液态氧气装入液氧罐运输 (如图1所示)，到达目的地后可根据不同的需求进行处 理。它的优势是：①无高压泄露危险；②运输方便(运 输设备与液氧重量比＜1)；小型液氧气化装置在外军 已有成熟产品，如战地氧气发生器(如图2所示)，它通 过一个60 L小型液氧罐和一个可移动的氧气气化装置 直接为氧气瓶充气，该装置一次可为36个10 L的氧气 图1 119 L中转液氧罐 瓶在30 min内充气完毕。外军小型液氧罐包括20 L、 30 L、37 L、45 L、60 L(如图3所示)，便携式液氧罐有 1.25 L、0.63 L(如图4所示)，它们在安装了气化装置 后，可直接供氧。 2 物理制氧 常用的物理制氧方法为深冷空分法、变压吸附法 和膜分离法。 2.1 深冷空分法 深冷空分法是利用空气液化后各成分沸点的差 异，将空气中各成分精馏分离，制得氧气的方法。此 方法生产能力比较大，制得的氧气既可以是气体，也 可以是液氧，但设备比较复杂，运行过程中需消耗大 量能量，比较适合工业化生产。 2.2 变压吸附空气分离法 变压吸附空气分离法的基本原理是利用吸附剂对 不同气体在吸附量、吸附速率、吸附力等方面的差 异，以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特 性，在加压时完成混合气体的吸附分离，在降压条件 下完成吸附剂的再生，从而实现气体分离及吸附剂 循环使用的目的。现代工业常用的吸附剂是沸石分子 筛，在相同气体压力下对氮气和氧气的吸附量不同， 图2 60 L液氧罐和氧气气化系统 图3 45 L液氧罐 图4 1.25 L液氧罐 中国医学装备2012年4月第9卷第4期 野战医疗供氧方法探讨-吴剑威 等 2012-4.indd 24 2012-3-30 09:43:13 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 25 学术论著 采用高压吸附，低压解吸的循环工艺从空气中分离出 氧气。现在沸石分子筛已经在制氧行业得到广泛的应 用。此方法的特点是产氧量较大，平均产氧成本低， 比较适合空间体积大、人员相对集中的环境中供氧。 石梅生等研制的野战制氧挂车[5]，采用分子筛变压吸 附法，产氧量达到8 m3/h，氧气浓度>90%。制造的 氧气可以直接供应氧气，或者进行压氧充瓶。刘应书 等研制的便携式制氧机[6]，把大型的变压吸附设备小 型化，其氧气流量可达到200～500 ml/min，氧气浓 度91%，采用脉冲式供氧方法(900 ml/min的脉冲氧 气相当于连续流量5 L/min)，外部电源或内置电池供 电，内置电池工作时间3～5 h，此设备可应用于小型 野战医疗所个人供氧，但离单兵携带还有很大的差 距。 2.3 膜分离技术 膜分离技术是一种新型的物理制氧方法，其技术 原理为：利用氧气和氮气在不同材料的中空膜中的溶 解和扩散系数的差异，将空气分离，从而得到较高纯 度的氧气，膜分离技术的关键是中空膜材料的制备。 和前两种方式相比，膜分离技术具有体积小、重量 轻，可靠性高，控制简单，对水蒸气不敏感，无粉尘 污染等优点，但由于中空膜制备技术的限制，该技术 的大规模应用还需等待时日[7]。 综上所述，物理法制氧虽具备产氧量高，产氧成 本低等优点，但其在供氧过程中都需消耗动力，同时 设备体积比较大，适合空间体积大，人员相对集中的 环境中供氧，不适合作为人员比较分散的野战环境及 动力缺少的环境。 3 化学制氧 化学制氧法虽然制氧成本较高，但其氧密度高， 体积小，便于贮存、携带、运输方便，而且在产氧过 程中无需外加动力，也不会产生噪音，是一种理想的 供氧方式。化学制氧方法主要是超氧化物、过碳酸 纳、氯酸盐氧烛和氧泵。 3.1 超氧化物 主要指超氧化钾、超氧化钠和超氧化钙等化学 物质。目前国内外主要采用超氧化钾。其产氧装置 主要用于矿井事故中急救、登山吸氧、潜艇及飞机 供氧[8]，同时可作为CO2吸附剂。二次世界大战期间 就已用于军事目的，作为隔绝式防毒面具等个人防 护[9]。超氧化物产氧的原理是利用人体呼出的CO2和 水蒸气与其反应释放出氧气，生成供人员呼吸的氧 气，用化学反应表示为： 3.2 过碳酸纳 过碳酸纳产氧技术是80年代开始研究的一种新的 产氧方法，具有装置简单、操作方便、体积小、便于 携带、安全可靠等优点。过碳酸钠是碳酸钠和过氧化 氢的复合物，在催化剂的作用下，于水中发生分解反 应，生成碳酸钠和水，同时释放氧气(见反应式4)。与 超氧化物相比，过碳酸纳产氧反应平缓，使用比较安 全，为化学产氧装置的小型化提供了良好的途径。 3.3 氯酸盐氧烛 从20世纪40年代至今，美国、西欧等国家一直致 力于单功能的氧烛制氧技术的研究，并作为应急供氧 设备应用于核潜艇[10-12]。氯酸盐氧烛是在氯酸钠或氯 酸钾中加入燃料、催化剂、抑氯剂、粘结剂等制成， 一般铸成圆柱形，使用时将其引燃，释放出氧气，经 内置的气体过滤系统处理后可直接供人体使用。化学 方程式表示为： 氧烛是一种容易储存和使用的固体氧源，它储氧量 大，类似于液氧的密度，大约是同体积压缩氧的3倍。 氧烛比较稳定，不会发生泄露现象，并且具有产氧迅 速、设备体积小、无需动力、受环境影像因素少和有效 存储时间长(10 a)等优点。氧烛使用前后体积无变化， 同时氧烛的产氧速度和产氧量不受环境温度、湿度和压 力的影响。氧烛产氧过程无需以水为介质，便于储存、 携带和使用。现在氧烛已经得到了广泛的应用，包括航 天、潜水艇、矿井等领域，都是应用于密闭大空间的供 氧。王雅娟等[13]将氧烛应用于高原缺氧环境的供氧，设 计一种产氧量为300 L，平均产氧速率为15 L/min的氧 烛，并将其应用于士兵卧室的供氧实验，取得了良好的 效果。氧烛可进一步小型化，但目前未见报道。 3.4 氧泵 陶瓷氧气发生器(氧泵)[14]是20世纪90年代伴随着 固体氧化物燃料电池技术发展出来的新型制取纯氧的 技术。其特点在于利用电化学原理和电解槽结构直接 从空气或其他含氧气体中泵出纯氧，无转动部分，无 噪音，对大气无污染。氧泵由固体氧化物电解质和透 气电极构成原理如图5所示。 (1) (2) (3) (4) (5) 中国医学装备2012年4月第9卷第4期 野战医疗供氧方法探讨-吴剑威 等 中国医学装备2012年4月第9卷第4期 野战医疗供氧方法探讨-吴剑威 等 2012-4.indd 25 2012-3-30 09:43:13 26 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 学术论著 氧泵使用的是固体氧化物电解质，该电解质在600 ℃以上允许氧离子通过，在其两侧各加上多孔导电陶 瓷制成的电极2和3构成“电解槽”，在这里进行空气 的电解，阳极端析出氧气。在电力驱动下空气中的氧 气在阴极2电解质界面上解离成氧离子，在电力作用下 氧离子穿过电解质2阳极界面上转化为氧分子，生出高 纯氧。鉴于这种电解质只允许氧离子通过，所以制成 的氧气浓度可达99.19%。中国科学院过程工程研究所 1998年制成由单管式电解槽构成的样机，生产1 m3氧 气耗电40 kwh,是普通化学制氧法成本的1/20。在国 外，MSRI公司专门生产电解质和电极三合一的中温型 复合陶瓷膜片,工作温度为600～800 ℃,在中等水平的 工作电压下(<15 V)就具有高的氧流率。俄罗斯也研制 出高温电解槽—氧泵,它是由两个块状的叠层电解槽组 组成,其性能为25～30 L/h,可作为医用的装置，2001 年初一种医用氧泵的样机问世,其产氧量为300 L/h,最 大耗电量为1 kW,成本为3000美元。目前氧泵还处于 研究阶段，相信不久的将来，在降低成本和提高工艺 的基础上，将会进入广泛的应用。 4 讨论 储氧供氧、物理制氧和化学制氧各有其优缺 点： (1)储氧供氧：氧气袋使用局限性较大，而氧气钢瓶 和液氧罐在运输条件允许的情况下，有利于野战供氧。 (2)物理制氧:膜分离技术现还处于发展过程，技 术上还不能使其得到广泛应用。传统的深冷空分法现 已逐渐被变压吸附空气分离法取代，在能够提供电 力，需要大量供氧的情况下，采用变压吸附空气分离 法设备可建立野战条件下的供氧中心。 (3)化学制氧：陶瓷氧气发生器(氧泵)目前还处于 研究发展中，技术上还不能使其得到广泛应用。超氧 化物和过碳酸纳在产氧过程中均存在液体，在使用过 程中携带不便，因此不便于野战环境下的使用。氧烛 是一种理想的野战供氧装置，小型氧烛可用于野战卫 图5 氧泵工作原理 生员或军医的随身携带，大型氧烛可用于变压吸附空 气分离法设备所建立供氧中心的补充应急氧源。 5 结语 针对不同供氧方法优缺点和技术条件，在不同的 野战条件下，不同的医疗单位可采用不同的供氧方式： ①单兵携带供氧；可采用氧烛供氧，将氧烛小型化后， 便于单兵携带和使用；②野战急救车供氧：可采用氧气 钢瓶或小型氧烛供氧；③野战医疗队供氧：可采用氧气 钢瓶、小型液氧罐供氧或小型变压吸附法制氧；④野战 医疗所供氧：可采用氧气钢瓶、液氧罐供氧，也可采用 变压吸附法制氧车或大型氧烛系统，可建立中心供氧系 统；⑤野战医院供氧：可采用氧气钢瓶、液氧罐和大型 变压吸附制氧设备供氧，建立中心供氧系统。 李小寒,尚少梅.基础 护理 卵巢癌的护理查房优质护理服务内容doc优质护理服务内容肺癌的护理常规消毒供应室优质护理 学[M].北京:人民卫生出版 社,2006. 孙秀红,路淑艳,于永清,等.氧气袋供氧方式、供氧效 果的探讨[J].中华临床医学研究杂志,2007,4(13):938- 939. 武兵,章娟.简易野战中心供氧系统的研制[J].医疗卫 生装备,2005,7(26):70. 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