Дыхательный газ — смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания . Воздух является наиболее распространенным и единственным природным газом для дыхания, но в дыхательном оборудовании и закрытых средах обитания также используются другие смеси газов или чистый кислород. Кислород является важным компонентом любого дыхательного газа. Дыхательные газы для гипербарического использования были разработаны для улучшения характеристик обычного воздуха за счет снижения риска декомпрессионной болезни , сокращения продолжительности декомпрессии , уменьшения азотного наркоза или обеспечения более безопасных глубоких погружений .
Дыхательный газ — это смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания . Воздух – самый распространенный и единственный природный газ для дыхания. Другие смеси газов или чистый кислород также используются в дыхательном оборудовании и закрытых средах обитания, таких как оборудование для подводного плавания , оборудование для подводного плавания с поверхности , рекомпрессионные камеры , высотный альпинизм , высотные самолеты , подводные лодки , скафандры , космические корабли , медицинская жизнь. оборудование для поддержки и оказания первой помощи , а также аппараты для анестезии . [1] [2] [3]
Кислород является важным компонентом любого дыхательного газа, его парциальное давление составляет примерно от 0,16 до 1,60 бар при давлении окружающей среды , иногда ниже для высокогорного альпинизма или выше для гипербарической кислородной терапии . Кислород обычно является единственным метаболически активным компонентом, если газ не является анестезирующей смесью. Некоторая часть кислорода в дыхательном газе потребляется в метаболических процессах, а инертные компоненты остаются неизменными и служат главным образом для разбавления кислорода до соответствующей концентрации и поэтому также известны как газы-разбавители.
Таким образом, большинство дыхательных газов представляют собой смесь кислорода и одного или нескольких метаболически инертных газов . [1] [3] Дыхательные газы для гипербарического использования были разработаны для улучшения характеристик обычного воздуха за счет снижения риска декомпрессионной болезни , сокращения продолжительности декомпрессии , уменьшения азотного наркоза или обеспечения более безопасных глубоких погружений . [1] [3] Методы, используемые для наполнения баллонов для дайвинга другими газами, кроме воздуха, называются смешиванием газов . [4] [5]
Дыхательные газы для использования при давлении окружающей среды ниже нормального атмосферного давления обычно представляют собой чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом, чтобы обеспечить достаточное количество кислорода для поддержания жизни и сознания или для обеспечения более высоких уровней нагрузки, чем было бы возможно при использовании воздуха. Обычно дополнительный кислород подается в виде чистого газа, добавляемого в воздух для дыхания при вдыхании, или через систему жизнеобеспечения.
Безопасный дыхательный газ для использования в гипербарических условиях имеет четыре основные характеристики:
Используются следующие распространенные дыхательные газы для дайвинга:
Воздух для дыхания – это атмосферный воздух со стандартом чистоты, подходящим для дыхания человека в указанном применении. При использовании в гипербарических условиях парциальное давление загрязняющих веществ увеличивается пропорционально абсолютному давлению и должно быть ограничено безопасным составом для глубины или диапазона давления, в котором оно будет использоваться.
Дыхательные газы для дайвинга классифицируются по доле кислорода. Границы, установленные властями, могут незначительно отличаться, поскольку эффекты постепенно меняются в зависимости от концентрации и между людьми и не являются точно предсказуемыми. [ нужна цитата ]
Дыхательные газы для дайвинга состоят из небольшого количества компонентов газов, которые придают смеси особые характеристики, недоступные из атмосферного воздуха.
Кислород (O 2 ) должен присутствовать в каждом дыхательном газе. [1] [2] [3] Это связано с тем, что он необходим для метаболического процесса человеческого организма , который поддерживает жизнь. Человеческий организм не может хранить кислород для последующего использования, как это происходит с пищей. Если организм лишается кислорода более чем на несколько минут, это приводит к потере сознания и смерти. Ткани и органы тела (особенно сердце и мозг) повреждаются, если лишены кислорода на срок более четырех минут .
Заполнение баллона для дайвинга чистым кислородом стоит примерно в пять раз дороже, чем заполнение его сжатым воздухом. Поскольку кислород поддерживает горение и вызывает ржавчину в водолазных баллонах , при смешивании газов с ним следует обращаться с осторожностью . [4] [5]
Кислород исторически получали путем фракционной перегонки жидкого воздуха , но все чаще его получают с помощью некриогенных технологий, таких как технологии адсорбции при переменном давлении (PSA) и адсорбции при переменном вакууме (VSA). [21]
При названии смеси иногда используется доля кислородного компонента дыхательной газовой смеси:
Доля кислорода определяет наибольшую глубину, на которой можно безопасно использовать смесь, чтобы избежать токсичности кислорода . Эта глубина называется максимальной рабочей глубиной . [1] [3] [7] [10]
Концентрация кислорода в газовой смеси зависит от фракции и давления смеси. Оно выражается парциальным давлением кислорода (PO 2 ) . [1] [3] [7] [10]
Парциальное давление любого компонента газа в смеси рассчитывается как:
Что касается кислородного компонента,
где:
Минимальное безопасное парциальное давление кислорода в дыхательном газе обычно составляет 16 кПа (0,16 бар). Ниже этого парциального давления дайвер может подвергнуться риску потери сознания и смерти из-за гипоксии , в зависимости от таких факторов, как индивидуальная физиология и уровень нагрузки. Когда гипоксическая смесь вдыхается на мелководье, уровень P O 2 в ней может оказаться недостаточно высоким , чтобы дайвер оставался в сознании. По этой причине на средней глубине между «дном» и «декомпрессионной» фазой погружения используются нормоксические или гипероксические «путевые газы».
Максимально безопасное содержание P O 2 в дыхательном газе зависит от времени воздействия, уровня физической нагрузки и безопасности используемого дыхательного оборудования. Обычно оно составляет от 100 кПа (1 бар) до 160 кПа (1,6 бар); для погружений продолжительностью менее трех часов обычно считается, что оно составляет 140 кПа (1,4 бар), хотя известно, что ВМС США разрешают погружения с P O 2 до 180 кПа (1,8 бар). [1] [2] [3] [7] [10] При высоком P O 2 или более длительном воздействии дайвер рискует получить кислородное отравление, что может привести к судорогам . [1] [2] Каждый дыхательный газ имеет максимальную рабочую глубину , которая определяется содержанием в нем кислорода. [1] [2] [3] [7] [10] Для терапевтической рекомпрессии и гипербарической оксигенотерапии в камере обычно используется парциальное давление 2,8 бар, но риск утопления в случае потери сознания отсутствует. [2] В течение более длительных периодов времени, например, при погружениях с насыщением , можно выдерживать давление 0,4 бар в течение нескольких недель.
Анализаторы кислорода используются для измерения парциального давления кислорода в газовой смеси. [4]
Divox — это кислород для дыхания, предназначенный для использования при дайвинге. В Нидерландах чистый кислород для дыхания считается лечебным, в отличие от промышленного кислорода, например, используемого при сварке , и доступен только по рецепту врача . Индустрия дайвинга зарегистрировала Divox как торговую марку кислорода для дыхания, чтобы обойти строгие правила, касающиеся медицинского кислорода, что облегчило дайверам (любительским) получение кислорода для смешивания дыхательного газа. В большинстве стран нет разницы в чистоте медицинского кислорода и промышленного кислорода, поскольку они производятся одними и теми же методами и производителями, но маркируются и заполняются по-разному. Основное различие между ними заключается в том, что для медицинского кислорода журнал учета гораздо более обширен, чтобы было легче определить точный производственный след «партии» или партии кислорода в случае обнаружения проблем с его чистотой. Кислород авиационного качества аналогичен медицинскому кислороду, но может иметь более низкое содержание влаги. [4]
Газы, которые не выполняют метаболических функций в дыхательном газе, используются для его разбавления и поэтому классифицируются как газы-разбавители. Некоторые из них обладают обратимым наркотическим эффектом при высоком парциальном давлении, и поэтому их следует ограничивать, чтобы избежать чрезмерного наркотического эффекта при максимальном давлении, при котором они предназначены для вдыхания. Газы-разбавители влияют также на плотность газовой смеси и тем самым на работу дыхания .
Азот (N 2 ) — двухатомный газ и основной компонент воздуха , самого дешевого и распространенного газа для дыхания, используемого при дайвинге. Он вызывает у дайвера азотное наркоз , поэтому его использование ограничивается более мелкими погружениями. Азот может вызвать декомпрессионную болезнь . [1] [2] [3] [22]
Эквивалентная воздушная глубина используется для оценки требований к декомпрессии смеси найтрокса (кислорода и азота). Эквивалентная наркотическая глубина используется для оценки наркотической активности тримикса (смесь кислорода, гелия и азота). Многие дайверы считают, что уровень наркоза, вызванный погружением на глубину 30 м (100 футов) с дыханием воздухом, является комфортным максимумом. [1] [2] [3] [23] [24]
Азот в газовой смеси почти всегда получается добавлением в смесь воздуха.
Гелий (He) — инертный газ, менее наркотический, чем азот при эквивалентном давлении (на самом деле нет никаких доказательств какого-либо наркоза от гелия), и он имеет гораздо меньшую плотность, поэтому он больше подходит для более глубоких погружений, чем азот. [1] [3] Гелий в равной степени способен вызывать декомпрессионную болезнь . При высоком давлении гелий также вызывает нервный синдром высокого давления , который представляет собой синдром раздражения центральной нервной системы, который в некотором смысле противоположен наркозу. [1] [2] [3] [25]
Заполнители смесью гелия значительно дороже, чем заправки воздухом, из-за стоимости гелия и стоимости смешивания и сжатия смеси. [ нужна цитата ]
Гелий не пригоден для надувания сухих костюмов из-за его плохих теплоизоляционных свойств: по сравнению с воздухом, который считается хорошим изолятором, гелий имеет в шесть раз большую теплопроводность. [26] Низкая молекулярная масса гелия (одноатомный MW=4 по сравнению с двухатомным азотом MW=28) увеличивает тембр голоса дышащего, что может затруднить общение. [1] [3] [27] Это связано с тем, что скорость звука выше в газе с более низкой молекулярной массой, что увеличивает резонансную частоту голосовых связок. [1] [27] Гелий вытекает из поврежденных или неисправных клапанов легче, чем другие газы, поскольку атомы гелия имеют меньший размер, что позволяет им проходить через меньшие зазоры в уплотнениях .
Гелий в значительных количествах содержится только в природном газе , из которого его извлекают при низких температурах путем фракционной перегонки.
Неон (Ne) — это инертный газ, который иногда используется при глубоком коммерческом дайвинге , но он очень дорог. [1] [3] [11] [17] Как и гелий, он менее наркотичен, чем азот, но в отличие от гелия не искажает голос дайвера. По сравнению с гелием неон обладает превосходными теплоизоляционными свойствами. [28]
Водород (H 2 ) использовался в газовых смесях для глубоководных погружений, но он очень взрывоопасен при смешивании с более чем 4–5% кислорода (например, с кислородом, содержащимся в дыхательном газе). [1] [3] [11] [14] Это ограничивает использование водорода глубокими погружениями и налагает сложные протоколы, гарантирующие удаление избыточного кислорода из дыхательного оборудования до начала дыхания водородом. Как и гелий, он повышает тембр голоса дайвера. Водородно-кислородную смесь при использовании в качестве газа для дайвинга иногда называют гидроксидом . Смеси, содержащие водород и гелий в качестве разбавителей, называются гидрелиоксами.
Многие газы не подходят для использования при дайвинге. [5] [29] Вот неполный список газов, обычно присутствующих в среде дайвинга:
Аргон (Ar) — инертный газ, более наркотический, чем азот, поэтому обычно не подходит в качестве газа для дыхания при дайвинге. [30] Аргокс используется для исследований декомпрессии. [1] [3] [31] [32] Иногда его используют для надувания сухих костюмов дайверами, основной дыхательный газ которых состоит из гелия, из-за хороших теплоизоляционных свойств аргона. Аргон дороже воздуха или кислорода, но значительно дешевле гелия. Аргон является компонентом природного воздуха и составляет 0,934% объема земной атмосферы. [33]
Углекислый газ (CO 2 ) образуется в результате метаболизма в организме человека и может вызвать отравление углекислым газом . [29] [34] [35] Когда дыхательный газ рециркулируется в ребризере или системе жизнеобеспечения , углекислый газ удаляется с помощью скрубберов перед повторным использованием газа.
Оксид углерода (СО) — высокотоксичный газ, который конкурирует с кислородом за связывание с гемоглобином, тем самым препятствуя переносу кислорода кровью (см. Отравление угарным газом ). Обычно он образуется в результате неполного сгорания . [1] [2] [5] [29] Четыре распространенных источника:
Угарного газа обычно избегают, насколько это практически возможно, путем размещения воздухозаборника в незагрязненном воздухе, фильтрации твердых частиц из всасываемого воздуха, использования компрессора подходящей конструкции и соответствующих смазочных материалов, а также обеспечения того, чтобы рабочие температуры не были чрезмерными. Если остаточный риск чрезмерен, в фильтре высокого давления можно использовать гопкалитовый катализатор для преобразования монооксида углерода в диоксид углерода, который гораздо менее токсичен.
Углеводороды (C x H y ) присутствуют в компрессорных смазочных материалах и топливах . Они могут попасть в водолазные баллоны в результате загрязнения, утечек, [ необходимо разъяснение ] или вследствие неполного сгорания возле воздухозаборника. [2] [4] [5] [29] [36]
В процессе сжатия газа в водолазном баллоне из газа удаляется влага. [5] [29] Это полезно для предотвращения коррозии в баллоне, но означает, что дайвер вдыхает очень сухой газ. Сухой газ вытягивает влагу из легких дайвера под водой, способствуя обезвоживанию , что также считается предрасполагающим фактором риска декомпрессионной болезни . Это также неудобно, вызывает сухость во рту и горле и вызывает у дайвера жажду. Эта проблема уменьшается в ребризерах, поскольку реакция натронной извести , которая удаляет углекислый газ, также возвращает влагу в дыхательный газ [9] , а относительная влажность и температура выдыхаемого газа относительно высоки, и существует кумулятивный эффект из-за повторного дыхания. . [38] В жарком климате дайвинг на открытом воздухе может ускорить тепловое истощение из-за обезвоживания. Еще одной проблемой, связанной с содержанием влаги, является тенденция влаги к конденсации по мере того, как газ сжимается при прохождении через регулятор; это в сочетании с резким снижением температуры, также из-за декомпрессии, может привести к затвердеванию влаги в виде льда. Обледенение регулятора может привести к заклиниванию движущихся частей и выходу регулятора из строя или к свободному потоку. Это одна из причин, по которой регуляторы подводного плавания обычно изготавливаются из латуни и хромируются (для защиты). Латунь, обладающая хорошими теплопроводными свойствами, быстро передает тепло от окружающей воды к холодному, только что декомпрессированному воздуху, помогая предотвратить обледенение.
Газовые смеси обычно необходимо анализировать либо в процессе, либо после смешивания для контроля качества. Это особенно важно для дыхательных газовых смесей, ошибки в которых могут повлиять на здоровье и безопасность конечного пользователя. Трудно обнаружить большинство газов, которые могут присутствовать в баллонах для дайвинга, поскольку они бесцветны, не имеют запаха и вкуса. Для некоторых газов существуют электронные датчики, такие как анализаторы кислорода , анализаторы гелия , детекторы угарного газа и детекторы углекислого газа . [2] [4] [5] Анализаторы кислорода обычно находятся под водой в ребризерах . [9] Анализаторы кислорода и гелия часто используются на поверхности во время смешивания газов для определения процентного содержания кислорода или гелия в смеси дыхательных газов. [4] Химические и другие методы обнаружения газов не часто используются в любительском дайвинге, но используются для периодической проверки качества сжатого воздуха для дыхания из воздушных компрессоров для дайвинга. [4]
Стандарты качества дыхательного газа публикуются национальными и международными организациями и могут применяться в соответствии с законодательством. В Великобритании Управление по охране труда и технике безопасности указывает, что требования к дыхательным газам для дайверов основаны на стандарте BS EN 12021:2014. Технические характеристики указаны для воздуха, совместимого с кислородом, смесей найтрокса, полученных путем добавления кислорода, удаления азота или смешивания азота и кислорода, смесей гелия и кислорода (гелиокс), смесей гелия, азота и кислорода (тримикс) и чистого кислорода, как для систем открытого цикла, так и для систем регенерации, а также для подачи под высоким и низким давлением (выше и ниже 40 бар). [39]
Содержание кислорода варьируется в зависимости от глубины работы, но допуск зависит от диапазона фракции газа: ±0,25% для фракции кислорода менее 10% по объему, ±0,5% для фракции от 10% до 20% и ±1. % для фракции более 20%. [39]
Содержание воды ограничивается риском обледенения регулирующих клапанов и коррозии защитных поверхностей (более высокая влажность не является физиологической проблемой) и обычно является фактором точки росы . [39]
Другими указанными загрязнителями являются диоксид углерода, окись углерода, нефть и летучие углеводороды, токсичное воздействие которых ограничено. Другие возможные загрязняющие вещества следует анализировать на основе оценки риска, а требуемая частота тестирования на наличие загрязняющих веществ также зависит от оценки риска. [39]
В Австралии качество воздуха для дыхания определяется австралийским стандартом 2299.1, раздел 3.13 «Качество газа для дыхания». [40]
Смешивание газов (или смешивание газов) дыхательных газов для дайвинга – это наполнение газовых баллонов невоздушными дыхательными газами.
Заполнение баллонов смесью газов представляет опасность как для наполнителя, так и для водолаза. Во время наполнения существует риск возгорания из-за использования кислорода и риск взрыва из-за использования газов под высоким давлением. Состав смеси должен быть безопасен для глубины и продолжительности планируемого погружения. Если концентрация кислорода слишком мала, дайвер может потерять сознание из-за гипоксии , а если концентрация слишком богата, у дайвера может развиться кислородное отравление . Концентрация инертных газов, таких как азот и гелий, планируется и проверяется во избежание азотного наркоза и декомпрессионной болезни.
Используемые методы включают периодическое смешивание под парциальным давлением или по массовой доле, а также процессы непрерывного смешивания. Готовые смеси анализируются на состав в целях безопасности пользователя. Законодательство может потребовать от газовых смесителей доказать свою компетентность при заправке для других лиц.
Чрезмерная плотность дыхательного газа может поднять работу дыхания до невыносимого уровня и вызвать задержку углекислого газа при более низких плотностях. [6] Гелий используется как компонент для снижения плотности, а также для снижения наркоза на глубине. Как и парциальное давление, плотность смеси газов пропорциональна объемной доле составляющих газов, и абсолютному давлению. Законы идеального газа достаточно точны для газов при вдыхаемом давлении.
Плотность газовой смеси при заданных температуре и давлении можно рассчитать как:
где
Поскольку газовая доля F i (объемная доля) каждого газа может быть выражена как Vi / (V 1 + V 2 + ... + V n )
путем замены,
Дыхательные газы для использования при пониженном давлении окружающей среды применяются при высотных полетах на негерметичных самолетах , в космических полетах , особенно в скафандрах , а также при высотном альпинизме . Во всех этих случаях первоочередной задачей является обеспечение адекватного парциального давления кислорода. В некоторых случаях в дыхательный газ добавляется кислород для достижения достаточной концентрации, а в других случаях дыхательный газ может представлять собой чистый или почти чистый кислород. Системы замкнутого цикла могут использоваться для экономии дыхательного газа, запасы которого могут быть ограничены - в случае альпинизма пользователь должен иметь с собой дополнительный кислород, а в космических полетах стоимость подъема массы на орбиту очень высока.
Медицинское использование дыхательных газов, отличных от воздуха, включает кислородную терапию и анестезию.
Кислород необходим людям для нормального клеточного метаболизма . [42] Воздух обычно содержит 21% кислорода по объему. [43] Обычно этого достаточно, но в некоторых случаях подача кислорода к тканям нарушается.
Кислородная терапия , также известная как дополнительный кислород, представляет собой использование кислорода в качестве медицинского лечения . [44] Это может включать низкий уровень кислорода в крови , отравление угарным газом , кластерные головные боли , а также поддержание достаточного количества кислорода во время применения ингаляционных анестетиков . [45] Длительный кислород часто полезен людям с хронически низким содержанием кислорода, например, при тяжелой ХОБЛ или муковисцидозе . [46] [44] Кислород можно подавать разными способами, включая назальную канюлю , маску для лица и внутри барокамеры . [47] [48]
Высокие концентрации кислорода могут вызвать кислородное отравление , например, повреждение легких или привести к дыхательной недостаточности у предрасположенных к этому людей. [45] [43] Он также может пересушить нос и увеличить риск возникновения пожара у курящих . Рекомендуемое целевое насыщение кислородом зависит от состояния, подлежащего лечению. В большинстве случаев рекомендуется сатурация 94–98%, тогда как у людей с риском задержки углекислого газа предпочтительна сатурация 88–92%, а у людей с отравлением угарным газом или остановкой сердца сатурация должна быть как можно выше. [44]
Использование кислорода в медицине стало обычным явлением примерно в 1917 году. [49] [50] Он включен в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . [51] [52] Стоимость домашнего кислорода составляет около 150 долларов США в месяц в Бразилии и 400 долларов США в месяц в Соединенных Штатах. [46] Домашний кислород можно обеспечить либо кислородными баллонами , либо кислородным концентратором . [44] Считается, что кислород является наиболее распространенным методом лечения в больницах развитых стран . [53] [44]
Наиболее распространенным подходом к общей анестезии является использование ингаляционных общих анестетиков. Каждый из них имеет свою собственную эффективность, которая коррелирует с его растворимостью в масле. Эта взаимосвязь существует, потому что препараты связываются непосредственно с полостями в белках центральной нервной системы, [ необходимы разъяснения ] , хотя было описано несколько теорий действия общего анестетика . Считается, что ингаляционные анестетики оказывают свое воздействие на различные части центральной нервной системы. Например, иммобилизирующий эффект ингаляционных анестетиков обусловлен воздействием на спинной мозг , тогда как седация, гипноз и амнезия затрагивают участки головного мозга. [54] : 515
Ингаляционный анестетик – это химическое соединение, обладающее общими анестезирующими свойствами, которое можно вводить путем ингаляции. Агенты, представляющие значительный современный клинический интерес, включают летучие анестетики, такие как изофлюран , севофлюран и десфлюран , а также анестезирующие газы, такие как закись азота и ксенон .
Анестезирующие газы вводятся анестезиологами (термин, который включает в себя анестезиологов , медсестер-анестезиологов и помощников анестезиолога ) через анестезиологическую маску, ларингеальную маску для воздуховода или трахеальную трубку , соединенную с испарителем анестетика и системой доставки анестетика . Для проведения анестезии используется наркозный аппарат ( британский английский), наркозный аппарат (американский английский) или аппарат Бойля . Наиболее распространенным типом наркозного аппарата, используемого в развитых странах, является наркозный аппарат непрерывного действия, который предназначен для обеспечения точной и непрерывной подачи медицинских газов (таких как кислород и закись азота ), смешанных с точной концентрацией анестетика. пар (например, изофлюран ) и доставьте его пациенту при безопасном давлении и потоке. Современные аппараты включают в себя аппарат искусственной вентиляции легких , аспирационный блок и устройства наблюдения за пациентом . Выдыхаемый газ пропускается через скруббер для удаления углекислого газа, а пары анестетика и кислород пополняются по мере необходимости, прежде чем смесь возвращается пациенту. [ нужна цитата ]