高空缺氧症

一、高空缺氧症

活的有机体获取能量的生物过程是通过把化学结构复杂的食品氧化成较简单的化合物，最后通常形成二氧化碳和其他废物。因此，氧气乃是生命物质赖以保持正常功能所必需的最重要物质之一。氧气量和分子浓度供应不足(缺氧)几乎一定会引起大多数生物功能的超速衰退，并可造成死亡。人对缺氧的影响极为敏感并易受其损害。例如，高度上升到2 700米高空时，大气中氧分子的浓度(分压)减低25%，即可造成智力的明显损害，当突然上升到16 700米时，肺内气体的氧分压减低到地面值的10%。10秒钟内即引起意识丧失,4～6分钟可造成死亡。

一般认为，飞行时对人威胁最严重的一种危害是上升至高空引起的氧分压降低。当氧气装备和座舱加压系统发生故障使人们不得不在高空呼吸空气时，往往可迅速导致失能，甚至死亡。过去，缺氧曾造成过重大的机毁人亡事故。第二次世界大战至今，许多飞行人员在飞行中死于缺氧;更多飞行员完成任务的能力因缺氧而受到损害。虽然座舱加压和供氧系统的性能和可靠性有了改进从而大大减低了因缺氧造成的事件及事故，但对此仍应保持高度的警惕。

(一)人体内气体运动的规律

1.气体的分压

在任何一种混合气体中，其气体的总压力等于各个组成气体的压力之和，此时每一组成气体的压力称为该气体的分压，分压值的大小取决于一定体积的所含该种气体分子数量的多少。空气是一种混合气体，其主要固定成分为氮气和氧气两种气体，因此，干燥空气的压力等于这两种气体的分压之和。当干燥的空气被人体吸入呼吸道以后，会受到体温的加温，并迅速被水蒸气饱和，这时水蒸气也提供一定的分压，所以呼吸道内的空气是由氧气、氮气和水蒸气三种气体组成的混合气体，其总压力等于这三种气体的分压之和。每一种气体的分压可以根据该气体在混合气体中所占容积百分比乘以总压力求得，当体温为37°C时，呼吸道内水蒸气的分压值为47mmHg(6.3kPa) 。

气体分压在航空医学中的意义是:在人体肺部和组织内进行的氧气和二氧化碳的交换，是通过物理弥散过程来完成的，这种弥散运动的趋向取决于氧气和二氧化碳分压的高低，即由高分压部位向低分压部位弥散，而与它们的相对浓度无关。在飞行过程中，一旦座舱密闭，或上升到一定高度(考虑到飞机的制造成本和飞机本身的重量等因素，飞机的座舱并非完全密闭，因此机舱内空气的压力总是低于海平面大气压力) ，人体即使吸入纯氧，但由于低气压环境导致氧分压降低，同样也有可能发生缺氧。

2.气体的溶解和弥散

气体溶解于液体中所具有的分压称为张力。当气体与液体相接触时，一方面气体分子不断地进入液相而呈溶解状态，另一方面已溶解于液体中的气体分子也可离开液体表面而重新回到气体中去，当两者达到平衡时，即认为溶解气体自液体内部向液体表面所施加的压力(张力)等于气相中气体分子由外部向液体表面所弥散的张力。气体在液体中溶解的数量与温度和该气体的分压有关，当温度一定时，气体在液体中溶解的数量与该气体的分压成正比，其比例系数即是溶解度系数，其关系如下:

溶解气体的数量(ml/100m1) =气体的分压×溶解度系数

溶解度系数表示气体的溶解度，二氧化碳在血浆中的溶解度系数为51.5，而氧气在血浆中的溶解度系数为2.14，故二氧化碳的分压虽然不高，但溶解的量却较多;反之，如果气体溶解度系数很小，即使其分压很高，也不能溶解大量的气体。

气体分子能够穿过多层生物膜的屏障，在人体内的气相与液相之间不断地进行弥散，气体弥散的方向由不同部位间气体分压差值(压力梯度)所决定。毛细血管内的氧气需穿过毛细血管壁、组织间液、细胞膜、细胞液才能到达线粒体内进行生物氧化作用，所以在毛细血管和线粒体之间必须维持足够的氧分压梯度，氧气才能到达线粒体内。

3.氧合血红蛋白解离曲线

血红蛋白所结合氧气数量的多少，取决于氧分压值。表示血红蛋白结合的氧量与氧分压值关系的曲线称为氧合血红蛋白解离曲线，简称氧解离曲线。

当血红蛋白含量为15g/100ml血液,pH = 7.4。二氧化碳分压为40mmHg(5.2kPa) ,37°C体温条件下，测得的氧合血红蛋白解离曲线如下图2－1实线所示，血氧分压与血氧饱和度之间的关系呈S形曲线关系。当氧分压为100mmHg(13.3kPa)时，血氧饱和度为97.5%左右;在氧分压超过100mmHg(13.3kPa)时，血氧饱和度的增长已很缓慢;在250mmHg(32.5kPa)时达到完全饱和。所以，在海平面条件下，人体即使吸入纯氧，其血氧饱和度较呼吸空气时也仅略有增加。

氧合血红蛋白解离曲线

氧合血红蛋白解离曲线S形状的重要生理意义在于:上段较平坦，即在70～100mmHg(9.3～13.3kPa)范围接近一条直线，表明在此范围内即使肺泡气氧分压有较大幅度的下降，血红蛋白仍能结合足够的氧，从而保证人体对轻度高空缺氧有一定的代偿能力;曲线的中间部分，即在10～40mmHg(1.3～5.2kPa)范围坡度较陡，此时氧分压稍有变化，即可引起血氧饱和度较大改变，在海平面呼吸空气的条件下，组织的氧分压就在此范围内，所以这种特性不仅有利于向组织释放所需要的氧，而且还有稳定组织氧分压的作用。

4.氧气在血液中的运输

氧气和二氧化碳在血液中都是以物理溶解和化学结合两种形式存在的。通常情况下，氧气和二氧化碳在血液中溶解的数量都很少。如在海平面条件下，当肺泡气氧分压为100mmHg(13kPa)时，每100ml动脉血中只能溶解0.3ml氧气，这样低的氧含量远远不能满足人体代谢的需要。事实上，在血液中绝大部分氧气是以化学结合方式存在并被输送到组织，再进行气体弥散运动的。呼吸气体在血液中的含量见表2－1。

表2－1　血液中呼吸气体的含量(ml/100ml血液)

血红蛋白是血液中储存和携带氧气的运输工具。在肺毛细血管，由于血液氧分压较高，血红蛋白与氧分子结合生成氧合血红蛋白;在组织毛细血管，由于血液中溶解的氧分子不断向组织细胞弥散，从而引起血氧分压降低，此时氧合血红蛋白中的结合氧被陆续地释放出来，以补充血液中溶解氧的数量，维持毛细血管血液氧分压的水平，保证不断向组织弥散氧。

5.血液中二氧化碳的运输

二氧化碳在血液中的运输主要有物理溶解的二氧化碳、碳酸、氨基甲酸化合物和重碳酸盐四种形式。其中，重碳酸盐为二氧化碳的主要运输形式，占65%;其次为氨基甲酸化合物，约占30%。

人体组织细胞在代谢过程中所产生的二氧化碳经弥散溶解在血液中，并可水化成碳酸，这个过程在血浆中进行得很缓慢。但在红细胞中由于有催化剂碳酸酐酶的存在，水化过程被大大加速，所以，在红细胞中大量形成碳酸，进而非常迅速地解离成重碳酸盐和氢离子，所离解的重碳酸盐离子再重新返回到血浆中，而氢离子则主要在红细胞内被血红蛋白所缓冲。当静脉血流经肺部毛细血管时，血液中的重碳酸盐离子(化学结合状态的二氧化碳)又转变为溶解状态的二氧化碳，最后弥散入肺泡而排出体外。

(二)缺氧及其分类

缺氧症的主要分类:

根据主要病因，组织缺氧可分为四种不同类型。

(1)缺氧性缺氧是由于动脉血中氧张力不足，从而造成毛细血管血液中氧张力不足所致。其原因既可由于吸入气小氧张力低下(如高空暴露) ，也可能由于肺小气体交换受到障碍(如暴露在持续高加速度中或因慢性气管炎和肺气肿等)所致，是航空飞行中最常见的缺氧形式。

(2)贫血性缺氧是由于血液摄取氧能力减低而引起。因此当血液通过毛细血管床时，血中氧含量以及氧张力比正常情况下降得更快。接近毛细血管静脉端的血液氧张力，不足以维持整个组织所必需的最低氧张力。吸入一氧化碳，贫血和正铁血红素的形成都能减低血液携氧能力。

(3)停滞性(循环性)缺氧是由于通过组织的血流减少而引起。当血液流经毛细血管床时，血中氧含量和氧张力的降低比正常情况要快得多，结果毛细血管的氧张力不足以维持组织的氧化作用。停滞性缺氧的原因可以是局部小动脉收缩，如两手暴露在寒冷中;因疾病或外伤阻塞了动脉血液供应;暴露于持续的高正加速度或早原状态下，心输出量和动脉血压减低等。

(4)组织中毒性缺氧是由于组织利用正常供氧的能力发生障碍而引起。细胞线粒体中的色素氧化酶在氰化物中毒情况下，对分子氧不能起反应即是一例。

在航空活动中，飞行人员若因暴露于高空低气压环境中，吸入气体的氧分压降低，导致机体组织和器官的氧含量减少，这种缺氧属于缺氧性缺氧，也就是我们本节要介绍的“高空缺氧” 。高空缺氧是人类航空事业发展初期最先遇到的严重医学问题之一，因此它也是航空医学中研究历史最长的课题之一。在航空事业高度发达的今天，虽然已经有了各式各样的密闭增压座舱和供氧设备，但国内外飞行事故的调查资料均显示，因急性高空缺氧所引起的飞行事故及飞行事故征候仍占有相当的比例，这是因为增压舱不能经常保持海平面的压力，在高空飞行时，座舱内的压力可造成中等程度的缺氧。特别值得强调的是，高空缺氧所导致的飞行事故发生迅速，而且多在飞行人员不知不觉中发生，因此，高空缺氧始终是航空医学中的一个重要课题。而作为一名飞行人员，了解一些高空缺氧的知识是完全有必要的。

(三)缺氧的高度分区

根据人体暴露在不同高度时的症状表现，可将缺氧分为以下四个高度区:

1.功能完全代偿区

从地面到1 200m高度的区域。在此高度范围内，由于缺氧程度较低，在静止状态下或一定的时间内，人体保持着足够的代偿适应能力而不出现症状。

2.功能不完全代偿区

从1 200～5 000m高度的区域。在此高度范围内，人体的心跳和呼吸会反射性地加快，从而部分地对抗缺氧对人体功能的影响，如果在静止状态下作短暂的停留，缺氧的症状并不严重。大约在1 200m高度，人的夜间视力开始降低;大约在1 500m高度，人的复杂智力活动能力开始降低;大约在3 000～5 000m高度，人的体力活动能力也有明显的下降。民航客机在特定的座舱高度(通常是3 050～4 250m) ，受气压控制的阀门就会被触发而打开，从而放出氧气面罩供机上乘客使用。

3.功能失代偿区

从5 000～7 000m高度的区域。在此高度范围内，代偿反应虽已充分作用，但仍不能补偿缺氧对人体功能的影响，即使在静止状态下，也有明显的智能和体能的障碍;但在此高度作短暂的停留，一般还不会引起意识丧失。

4.危险区

在7 000m高空以上。在此高度范围内，机体的代偿功能已不足以保证大脑等重要器官的最低氧需要量，很快会出现意识丧失;若不及时供氧，则呼吸、循环功能会相继停止。

(四)缺氧的主要表现

缺氧的症状多种多样，如表2－2所示，但并非所有症状都会在同一个人身上表现出来。缺氧初期会出现气喘、呼吸加深加快等代偿反应，随着缺氧程度的加重，当超过身体的代偿能力时，便会出现各种各样的机能障碍。由于机体各组织、器官对缺氧的敏感程度不一样，在缺氧时出现功能障碍的先后顺序也不一样。一般认为，缺氧的阈限高度是1 200m(3 600ft) ，即超过1 200m的高度，最早的缺氧症状就会表现出来。

表2－2　缺氧的症状和体征

1.特殊感觉

视野变暗是一种常见的缺氧症状。然而受试者在肺泡氧张力恢复正常之前都觉察不出这种变化，而在恢复后则感到照明水平明显变亮。在肺泡氧张力降低到40mmHg以下之前，在相当明亮的灯光下(明视觉或锥体视觉)视网膜敏感性不受影响。虽然在实验室能证明，即使是十分轻微的缺氧(如肺泡氧张力下降到75mmHg时引起的缺氧) ，相当于3 000米高度也可损害已取得暗适应的眼对光的敏感性(微光视觉或柱状视觉) ，但是这种损害的绝对值无实际意义。当肺泡氧张力下降到50mmHg以下，也就是在4 600米以上高度呼吸空气时，微光视觉对光敏感性减低的程度才有重要意义。肺泡氧张力下降到低于50mmHg之前，明视觉的视敏度不受损害。中度和严重缺氧可使视野受限，并伴有周边视力丧失和出现中心暗点。

2.发绀

皮肤或黏膜发绀通常是由于组织中毛细血管和小静脉的还原血红蛋白浓度过多引起的。一般认为，每100毫升毛细血管血液中至少要有5克还原血红蛋白才可能出现发绀。这只是粗略的近似值，但它可用于强调在严重贫血时不会出现发绀。只有当动脉血氧饱和度低于75%，才可能令人信服地查出缺氧引起的中枢性发绀。在17 000～19 000米以上高度，正常受试者呼吸空气时可以出现明显发绀现象。

3.意识丧失

在缺氧性缺氧时大脑静脉血的氧张力与意识水平有密切关系。当颈静脉氧张力减低到17～19mmHg时，即丧失意识。相应的动脉氧张力随大脑血液的变化而改变，大脑血液又取决于动脉血的氧和二氧化碳张力。促使大脑静脉氧张力降为17～19mmHg并引起意识丧失的动脉氧张力在20～35mmHg之间，视二氧化碳过少的程度而定。一般来说，一个人肺泡氧张力减低到30mmHg(或稍低)时，经过一段时间就可能丧失意识;如果有明显过度换气，肺泡减低到30mmHg时，也会出现意识丧失;如果没有二氧化碳过少症，肺泡氧张力就是低至25mmHg也能保持意识清醒。因此，急性暴露于高空呼吸空气时，出现意识丧失的高度可低至5 300米也可高至8 000米。

4.有效意识时间

从吸入气中氧张力减低开始到工作能力受一定程度损害的瞬间为止的间隔时间，称为“有效意识时间” 。这一段时间间隔的长短受许多因素影响，其中允许工作能力损害的程度具有最重要的意义;其范围可从不能完成复杂的精神性运动任务到不能对简单指令作出反应。有效意识时间有很大的个体差异，它取决于全身健康情况、年龄、训练水平、对缺氧的经验，体力活动及暴露前供氧的程度。

(五)有效使用飞机上的供氧系统

1.飞机上的供氧系统

飞机上的供氧系统主要是保证飞机乘员吸入足够的氧气以及防止在高空飞行或应急离机过程中缺氧的个体防护装备。飞机供氧系统根据飞机的乘员人数、航程、升限和任务性质的不同而有多种形式，但基本上都由氧源、控制阀、减压阀、调节器、各种指示仪表、跳伞供氧器、断接器和氧气面罩等组成。

(1)氧源。飞机上广泛使用气态氧源，其次是液态氧源。液氧系统比高压气氧系统的重量轻60%～70%，体积小60%～80%。但液氧不断挥发，自然损耗率大，地面储氧设备复杂，维护不便。液态氧源已用在现代军用飞机上。固体氧源(亦称化学氧源)是继气态和液态氧源之后发展起来的新氧源。它是将含氧量高的固态化合物储存于化学产氧器内，使用时通过化学反应产生氧气。固体氧源体积小、重量轻，可长期储存，已用于一些大型旅客机上。分子筛机上制氧是一种新的氧源。它是用一种俗称沸石的硅铝酸盐结晶体作为分子筛，当空气通过分子筛时，空气中的氮分子被分子筛吸附，而氧分子则较容易通过，从而获得一定纯度的氧气。吸附过程是可逆的，只要改变压力，并用一定量的气逆向冲洗，即可冲掉氮气，使分子筛再生。这种制氧方法简单、维护方便、费用低。这种机上制氧系统已开始在飞机上试用。

(2)氧气调节器。它随飞行高度的变化按一定规律自动调节输出气的压力、流量和含氧百分比，以满足人体呼吸和体表加压的生理需要。按供氧方式氧气调节器分为连续式、肺式和加压式三种。连续式氧气调节器向氧气面罩连续供氧，并能随着外界气压的降低相应增大供氧量。肺式供氧调节器在飞行员吸气时供氧，呼气时停止供氧，可节省用氧量，广泛应用于飞行员个体供氧系统。加压供氧调节器用于12千米以上高空飞行的军用飞机的飞行员个体供氧系统。加压供氧时的典型程序是:调节器首先向人体内供氧，随后对飞行员穿着的高空代偿服充气加压，同时人体肺内过量的气体经呼气活门迅速排出，整个程序经1.5～2秒钟完毕。加压供氧时，飞行员吸入气的压力大于环境气压。在现代歼击机上，氧气调节器安装在弹射座椅上。飞行员应急离机时，断接器将机上氧源断开，同时打开跳伞供氧器氧源继续向飞行员供氧。旅客机通常备有应急供氧系统。正常飞行时靠座舱增压以防止旅客缺氧。座舱增压系统一旦失效，则在飞机下降的同时由应急供氧系统在短时间内保证全体旅客用氧。

2.有效利用机上的供氧设备

有效利用机上的供氧设备是解决飞行中人员缺氧的主要途径。当缺氧状况不严重时，通过机上的供氧来调整飞机内部的氧气供应，以保证机上人员的氧气需要。当缺氧状况严重时，飞机乘务人员应指挥全体旅客使用机上的氧气面罩，以保证氧气的供应。但也应注意，纯氧的吸入同样会对人体健康带来一定的影响，因此一旦缺氧状况缓解，应立即停止。