第六章
高压氧医学的物理学基础

高压氧治疗设备及治疗原理虽然涉及多方面的物理学问题，但主要涉及的是气体的一般物理特性和氧气、二氧化碳、氮气的物理特点等。本章的目的不是全面复习高压氧医学相关物理知识，而是侧重于掌握高压氧治疗所需的关键物理原则。

第一节　高气压所涉及的气体及主要参数

空气中包含氮气（约占78%）、氧气（约占21%）和稀有气体（约占0.939%，氦、氖、氩、氪、氙、氡等气体）。高气压环境涉及上述多种气体，及其他一些主要参数，现叙述如下。

一、氧气

氧气分子式为O ₂ ，分子量为31.9998，原子序数8。氧气由约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）于1774年发现，是空气的基本成分。它是唯一能够维持人类生命的气体。它在常温常压下是无色、无臭、无味的气体，易溶于体内液体和组织中。人类以及其他生物一般只对很小范围的氧分压耐受。当氧分压低于0.16ATA时，就可能会出现缺氧以及随后的精神状态改变和意识丧失。然而，也有报道指出，人类在高海拔地区短期生存的情况下，他们吸入空气的氧分压可能低于0.1ATA。高压氧治疗过程中更关心的是人体可耐受的氧分压上限。长时间暴露在氧分压大于或等于0.5ATA的环境中会导致肺氧中毒。较短时间暴露在超过1.8ATA氧分压的环境中会产生中枢神经系统毒性作用，其中最罕见也最严重的是高分压氧诱发的癫痫。虽然氧气本身是不易燃的，仍需着重强调它对其他物质可燃性的影响。增加高压舱中的氧分压会显著增加氧化过程的速度，增强物质的可燃性。在空气加压舱治疗环境中，控制舱内氧浓度对确保消防安全至关重要。

二、氮气

氮气分子式为N ₂ ，分子量为28.0134，原子序数7。氮气由丹尼尔·卢瑟福（Daniel Rutherford）于1772年发现，是空气的主要组成成分。它在自由状态下也是无色、无臭、无味的。虽然在常温常压下氮气被认为是惰性的（游离态也是如此），但在环境压力增加的情况下，它可以溶解在各种组织和液体中。它可以对中枢神经系统产生生理活性，引起氮麻醉。虽然氮气的这些性质对接受常规高压治疗的患者影响不大，但它们对于了解减压病患者的病理生理是必不可少的。此外，在制定治疗方案时，医护人员必须考虑到发生减压病和氮麻醉的风险。

三、二氧化碳

二氧化碳分子式为CO ₂ ，分子量为44.0103。二氧化碳在17世纪由巴普蒂斯特·范·赫尔蒙（Baptist van Helmont）首次描提出，它在常温常压下是一种无色、无臭、无味的气体，是人类新陈代谢的废物。二氧化碳易溶于水（在100g水中可溶0.145g二氧化碳）。当溶解在水中时，大约1%的二氧化碳转化为碳酸，而碳酸又部分解离形成重碳酸盐和碳酸盐离子。显著升高的二氧化碳分压对人类是有危险的，可导致呼吸性酸中毒、精神状态改变甚至意识丧失和死亡。从高压环境中去除二氧化碳可以通过使用所谓的二氧化碳洗涤器来实现，该洗涤器使用化学吸收（例如碳酸锂）法，或者高压氧舱内间断或者持续性排气。

四、一氧化碳

一氧化碳分子式为CO，分子量为28.1016。一氧化碳是另一种无色、无味的气体，是含碳燃料不完全燃烧的产物，对人体有很高的毒性。因此，对于一些压缩机通过燃料燃烧产生压缩气体进行治疗的高压氧室必须注意压缩机排出的废气与进气口安全分离，以避免一氧化碳污染舱内气体。

五、水蒸气

水蒸气分子式为H ₂ O，分子量为18.0153。水蒸气是空气中一种变化很大的成分。在较高的温度下，空气中可能含有较多的水蒸气。空气的相对湿度（%）很大程度上取决于温度。像空气混合物中的所有其他气体一样，水蒸气产生气体压力（PH ₂ O）。在37°C和100%相对湿度（100%饱和水蒸气）下，PH ₂ O = 47mmHg。

第二节　气体的基本特性

地球表面周围被大气层环绕，接近地球表面的大气层一般称之为空气。空气是与人类生存关系最为密切的气体。空气由多种气体混合组成，也称为“大气”，各种气体所占的比例大致为，N ₂ 约占79%，O ₂ 占20.9%，CO ₂ 占0.03%，此外还有少量的CO、稀有气体、水蒸气等。空气是高压舱中最常用的气体混合物，因为它更容易获得，成本更低，安全效益更高。

一、气体分子运动学

物质具有三种聚集状态，即固态、液态和气态。一切物质的分子都在不停地做不规则运动。气体分子之间的空隙大，运动速度快，且不断改变运动方向，并对周围的物体进行撞击，产生压力。气体对周围物体的压力强度随气体体积和温度的变化而改变，温度增高，分子运动加快，压强增加；一定量气体的体积被压缩时，容器壁上单位面积所承受的分子撞击次数随之增加，压力也将增加。

二、气体的压力与压强

压力是垂直作用于物体表面的力。在工程学中，压力概念相当于压强。

气体压强是大量做无规则运动的气体分子频繁撞击器壁造成的，它决定于单位体积内的分子数和分子运动的平均速率，单位体积内的分子数越多，分子运动平均速率越大，气体的压强就越大。单位时间内，气体分子对器壁的总作用力叫气体压力，单位面积器壁所受的压力叫气体压强。所以，气体压强是由测定受力面积（ S ）上的压力（ F ）而得出的（ F = P· S ）。

压强是单位面积上受到的压力，单位为帕斯卡（Pascal），简称为帕（Pa）。压强的计算公式：P（压强）

1.大气压

定义为地球大气层对所有物体施加的压力，无论是有生命的还是无生命的。在高海拔地区，地球大气施加的压力减少，因此大气压力较低。

2.标准大气压

又称物理大气压或大气压，即在温度为0℃、纬度45°海平面上空气压力所产生的压强。标准大气压= 1ATA = 1atm = 1.03kg/cm ² = 101.32kPa。

3.附加压（additional pressure）与表压（gauge pressure）

在地球表面空气层所致的大气压力的基础上，所增加的由水柱或压缩气体所形成的压力叫附加压。在大气环境中压力表所显示的压强，在没有受到额外压力作用时，表针指零，也就是说表压是以大气压为计算基点的。因此，在受到额外压力作用时，压力表所显示的压力即为附加压。

4.绝对压（absolute pressure）

绝对压等于附加压与大气压之和。以标准大气压表示绝对压叫绝对大气压（atmosphere absolute），符号为ATA或ata。

以上三者的关系是：绝对大气压（ATA）=标准大气压+附加压（表压）。

在高压氧治疗中，正确使用上述概念是十分重要的。高压氧治疗的压力单位是绝对压，但压力表显示的压力是附加压。例如高压氧治疗时，压力表显示150kPa，此时的高压氧治疗压力值应为250kPa（0.25MPa）。需特别注意的是，由于大气压力随着海拔的升高而降低，因此位于山区和高原地区的高压氧舱必须使用更高的表压，才能获得与位于海平面的同类高压氧舱相同的绝对治疗压力。

5.气压计量单位及换算

高压氧医学多年来都是从各种科学和工程学发展中演变而来的。因此，这个领域承载着各种各样的符号和它们所代表的术语。且由于历史的沿革和新、旧制计量单位的改变以及不同国家习惯使用的计量单位差异，使目前高压氧医学界描述气压的计量单位显得异常复杂。

尽管关于压力单位标准化命名的国际协议已经有很多年，按照此国际标准化协议要求，应使用单位Pa、kPa或MPa，但是在正规发表的文献中仍然可以频繁见到其他的压力单位。表1-6-2-1列出了常见的压力单位及他们之间的换算关系。

（1）相关单位名称：

kg/cm ² ：千克每平方厘米

Pa（Pascal）：帕（帕斯卡）

atm：标准大气压或物理大气压

ATA（ata）：绝对压

mmHg：毫米汞柱

（2）等值近似压力的换算：

以上压力单位之间的等值仅是相近数，而且各个专著中的数值不尽相同，故仅作为参考使用。为了方便应用与计算，我们只要掌握以下几个最常用的压力单位，并取其近似值，拟作等值，对于常规高压氧临床工作及一般资料分析，便足够了。所拟近似等式是：

1atm = 1kg/cm ² = 760mmHg = 10mmH ₂ O = 100kPa = 0.1MPa =常压= 1ATA

三、气体的扩散

物质的分子在无任何外力作用的情况下，单靠本身的运动从密度大的空间向密度小的空间运动的现象叫扩散（diffusion），也称弥散。

1.气体扩散形式

高气压医学中，气体扩散有三种情况。

（1）气体与气体间的扩散：

对于两种不同的气体来说，气体分子的扩散是气体混合的过程，故在同一容器内的两种气体，尽管其中一种气体可能重些，两种气体最后将完全混合。

（2）气体向液体中扩散：

气体与液体接触，气体分子靠扩散不断进入液体，这就是气体在液体中的溶解。气体在液体中的溶解达到饱和时，溶解在液体中的气体张力和液体接触的气体分压相等。

（3）溶解气体张力不等的两部分液体间的气体扩散：

这两种液体不管是直接接触，还是隔着半透膜，气体分子都将从张力高的液体向张力低的液体中扩散，直至平衡，血流与组织液、组织液及细胞间的气体扩散就属这一类。

2.气体扩散受多种因素影响

（1）气体分压：

气体扩散的菲克扩散定律是由阿道夫·菲克在1858年推导出来的。菲克第一定律用于稳态扩散。这一定律产生了下面的公式，该公式说明了气体在膜上的扩散速率。

式中： K =常数（由实验、气体和温度特定确定）； A =发生扩散的表面积；ΔP =膜两侧的气体分压差； D =发生扩散的距离，即膜厚度。

在高压氧治疗的条件下，扩散的表面积和扩散的距离基本无法改变，故气体分压是影响气体扩散速度的主要因素。气体分压高处与低处的梯度愈大，气体扩散速度（以单位时间扩散的量计）愈大，如在一个密闭容器内装有氧气和水，气体压力为200kPa时，气体扩散速率是100kPa的2倍。

（2）分子量：

根据菲克扩散第二定律，气体扩散速率与分子量的平方根成反比。氦气、氮气的分子量分别为4、28，它们分子量平方根之比为2∶5.3。因此，从理论上讲，氦的扩散速率是氮的2.65倍。

（3）气体扩散速率与气体溶解度（溶解系数）成正比：

在37℃时，氧在水中的溶解系数为0.024，二氧化碳为0.56。因此，二氧化碳在水中扩散速率是氧的23倍。

处在高气压环境内呼吸高压氧时，分压高于体内的氧气经呼吸进入肺泡，通过扩散，经肺毛细血管壁进入血液-气液接触，气体向血浆中扩散。溶有高张力气体的血浆流经组织时，氧气由张力高的血液向张力低的组织液扩散，供给组织需要，纠正组织缺氧。当机体由高压环境转入压力低的环境时，在组织液内溶解的气体氮气张力高于血液，而血液中的氮气体张力又高于肺泡内的氮气体张力，此时，氮气体扩散的方向依次为组织→血液→肺泡。

第三节　气体定律

如要表现一定量的某种气体的物理状态，必定涉及压强、体积和温度这三个物理量，这三个物理因素中任何一个发生变化，其余的物理量也会发生相应的变化。人们总结了这些物理因素变化的规律，从而制定了一些基本规则，即气体定律。与高压氧医学有关的主要气体定律包括波义耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律、道尔顿定律和亨利定律等。

一、波义耳-马略特定律

波义耳-马略特（Boyle-Mariotte）定律指出气体的体积同压强之间的关系：当温度不变时，一定质量的气体体积同它的压强成反比。亦即气体温度不变时，一定质量的气体体积与压强的乘积是一个恒量（常数 K ）。这可以用下面的公式来表示：

P V = K

这就是说，压强越大，体积越小；反之，压强越小，体积越大。或者说，气体密度的变化与压强成正比。波义耳-马略特定律以数学公式表示如下： 或 P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂ ；式中P ₁ =初始压强；P ₂ =终末压强； V ₁ =初始体积； V ₂ =终末体积；P =气体压强； V =气体体积； K =恒量（常数）

〔计算举例〕某高压舱容积25m ³ ，当温度不变时，加压到0.25MPa，需要多少常压下的空气体积？

〔解〕 V ₁ = 25m ³ ，P ₁ = 0.25MPa，P ₂ = 0.1MPa（常压）。

答：需要常压下的空气体积是62.5m ³ 。

对高压氧从业人员来说，掌握并应用波义耳-马略特定律也是十分重要的。在治疗的加压或者减压阶段，随着舱内压力的变化，中耳内外的压力差增大，如果额外的（压缩的）气体不能进入中耳以平衡这种压差，随后就会出现组织变形，并伴随充血、水肿和出血，造成中耳气压伤。如在减压过程中屏气时，肺内气压就会高于肺外气压，当这种压差达到一定程度而超过肺组织的抗压限度，就有可能使肺组织过度膨胀而造成肺撕裂伤，即肺气压伤。当体内血管或组织发生气体栓塞时，气泡一般呈圆形或椭圆形。当用高压氧治疗时，根据波义耳-马略特定律，压力升至0.2MPa时，气泡缩小至原来体积的一半；升至0.3MPa时，气泡缩小至1/3。随着压力增大，气泡逐渐缩小，被气泡堵塞的血管逐渐恢复正常的血液流通，症状即可消失，因此高压氧常用于治疗气栓症及减压病。在考虑波义耳定律时，还必须注意在高压氧治疗的过程中定期观察患者空腔脏器的置管情况，如留置的胃肠减压管，并适当地进行排气。

二、查理定律

查理（Charles）定律说明气体的压强同温度的关系：当体积不变时，一定质量的气体其压强与绝对温度成正比。或者说，体积不变时，一定质量的气体的温度每升高1℃时，其压强的增加等于它在0℃时压强的1/273。查理定律以数学公式表示如下： 或 式中P _t =温度升至 t ℃时气体的压强；P ₀ =在0℃时气体的压强；P ₁ =初始压强；P ₂ =终末压强； t ₁ =初始温度； t ₂ =终末温度； T ₁ =初始绝对温度（°K）； T ₂ =终末绝对温度（°K）

〔计算举例〕某舱室加压至0.25MPa时，舱温为40℃，由于气体的热传导而使舱温降至30℃。此时的舱内压力该是多少？

〔解〕P ₁ = 0.25MPa， T ₁ = 273 + 40 = 313°K， T ₂ = 273 + 37 = 303°K。

当舱温降至30℃时，舱内的气压也随之由0.25MPa降至0.24MPa。也就是说，此时需及时向舱内补充0.01MPa气压方可达到预定治疗压力0.25MPa。由此可知，当加压停止后不久，舱压即稍有下降，这是气体热传导使舱温下降所致，此时应再少量充气加压，才能达到预定的治疗压力。将此定律应用于高压环境也解释了为什么在高压氧舱内，环境温度在升压过程中升高，在减压过程中降低。

三、盖-吕萨克定律

盖-吕萨克（Gay-Lussac）定律是说明气体的体积同温度的关系：当气体的压强不变时，其体积与绝对温度成正比。一定质量气体的体积在温度每升高1℃时，就增加其0℃时体积的1/273。盖-吕萨克定律以数学公式表示如下： 或 式中 V _t =温度升高到t℃时气体的体积； V ₀ =温度在0℃时气体的体积； V ₁ =初始体积； V ₂ =终末体积； T ₁ =初始绝对温度（°K）； T ₂ =终末绝对温度（°K）

〔计算举例〕一定质量的气体在27℃时的体积为40L，如果压强不变，温度降到-33℃时，其体积将是多少？

〔解〕 V ₁ = 40L， T ₁ = 273 + 27 = 300°K， T ₂ = 273 +（-33）= 240°K。

以上计算结果显示，此时气体体积将缩小到32L。

四、一般气体定律

根据前面波义耳-马略特定律、查理定律和盖-吕萨克定律的定义以及方程式推导，在考虑高压氧舱内中气体的变化时，温度、体积和压力的因素是相互牵制的，以至于任何一个因素的变化必然会导致其他两个因素中的一个或两个发生相应的变化，故推导出一般气体定律，又称理想气体定律。一般气体定律方程式如下：

式中P是绝对压， V 是体积， T 是绝对温度， K 是常数。正因为如此，当比较气体的两个条件或状态时，一般气体定律可以用另一种数学公式表示： 式中P ₁ =初始压强，P ₂ =终末压强， V ₁ =初始体积， V ₂ =终末体积， T ₁ =初始绝对温度（°K），T ₂ =终末绝对温度（°K）

五、道尔顿定律

道尔顿（Dalton）定律也称分压定律，如前所述，任何混合气体都会施加压力，任何单一气体在混合气体中施加压力的比例称为其分压。它与其在混合气体总体积中所占的百分比成正比。道尔顿定律说明混合气体的总压强与组成该混合气体中各种气体压强之间的关系：当温度不变时，混合气体的总压强等于各组成气体的分压之和。或者说，一种混合气体产生的总压强，等于组成该混合气体的每种气体单独存在并占据整个容积时所产生的压强之和。道尔顿定律以数学公式表示如下：

P = P ₁ + P ₂ + … + P _n

式中P =混合气体的总压；P ₁ 、P ₂ 、P _n =各组成气体的分压

大气是由N ₂ 、O ₂ 、CO ₂ 、水蒸气及其他少量惰性气体组成的。大气压就是这些气体所产生压强的总和。大气中某些气体如氧气，单独产生的那一部分压强就称为该气体的分压，如“氧分压”。

我们知道，常压下空气的总压力为0.10MPa（760mmHg），空气作为一种混合气体，其组成成分一般不发生变化，如O ₂ 所占空气体积百分比为20.93%，N ₂ 为79.04%，CO ₂ 为0.03%。求这三种气体的分压值可进行以下运算：

道尔顿定律也用来解释高压氧定义中对吸氧浓度的限定。例如，在2.8ATA空气中的氧分压（氧气含量计为21%）可以按如下算式计算：

PO ₂ = 2.8ATA×0.21 = 0.588ATA

这个计算可以用来表明，即使在相对较高的压力下，高压空气也不会比常压面罩吸氧向人体提供更多的氧气。另外，在常压下吸入一定比例的气体混合物时无毒，而总压升高时吸入该气体混合物可能会导致中毒，由道尔顿定律可知，引起毒性的是气体混合物中某气体的分压，而不是该气体在气体混合物中的百分比。

六、亨利定律

亨利（Henry）定律是论述气体的溶解量与气体分压的关系。即在某一温度下，气体在液体中的溶解量与该气体的分压成正比。根据亨利定律，某气体分压值越高，则溶解于血浆和组织液中的气体越多；反之，当该气体分压降低时，则溶解于体内的该气体将随之释出。亨利定律与氧在血浆中的溶解量密切相关，同时与空气栓塞、减压病和氧中毒的发生和预防等也有直接的密切关系。亨利定律可以两种方式用数学公式表示如下：

式中 VG =在标准温度、压强及干燥条件下溶解的气体体积； VL =液体的体积；P ₁ =液体上方该气体的分压； α =某一温度下该气体的溶解系数。

或：

式中 U _O = 某气体溶解于液体中的量； α = 某一温度下该气体的溶解系数；P = 该气体的分压； V = 液体的体积。

如计算常压呼吸空气时，每100ml血液中物理的溶解氧量，从查表可知氧气溶于血液中的溶解系数为0.023，常压下呼吸空气时，肺泡氧分压为13.7kPa（103mmHg），若按100mmHg计算，按照以上公式，则100ml血液中物理溶解的氧量应该为：

亨利定律是高压氧治疗学中十分重要的理论基础。亨利定律可告诉我们有关O ₂ 和N ₂ 在体内溶解量的规律。高压氧的治疗作用、减压病的发生和预防等需要用亨利定律解释。

1.气压越高气体的溶解量越大

高压氧有特殊的治疗作用，是因为高压氧下溶解进入血浆及组织液中的氧大量增加，可实现无血生命，在高压氧下可进行心脏手术。3ATA下吸纯氧，血浆中溶解的氧足够满足生物对氧的需求量，所以高压氧下可实现无血生命，CO中毒时红细胞失去携氧能力，高压氧下氧直接溶解于血浆，则可迅速纠正缺氧。

2.气压越低气体的溶解量越小

海拔越高空气中的氧浓度越低，因而可产生不同程度的缺氧，即各种高原适应不全症。

（彭争荣　黄芳玲） 3LHeu9JQBfy10xQEw6Ka9Uv5eB5438xK7OjNrSfpJZJTl1E0FMZVIF7+jJzn7T/K