2013年10月4日 星期五

減壓症與加壓艙

減壓症與加壓艙
    幾年前美國職業高球好手史都華的私人座機離奇地脫離管制,飛越好幾個州,驚動F-16攔截、媒體實況轉播,最後在眾人的無奈的注目下油盡墬毀。這個悲劇我沒繼續追蹤後續的新聞,所以並不知道實際的失事原因,然而由於機上人員顯然是在喪失意識的狀態下坐令失事發生,我們可以猜測飛機的機內環控裝置可能失效,艙壓降低造成機內乘客減壓症而漸漸失去意識,失壓造成的生理影響就是本文要跟各位介紹的主題。我們會先由減壓症中最嚴重的缺氧的物理機制及缺氧對人體的影響談起,知道了減壓造成的生理影響後,減壓症其他的症候和加壓艙存在的重要便昭然若揭了。
大氣壓力與肺  人體組織細胞需要氧;我們都知道,肺臟的功能在於做為血液交換氧氣的場所,血液中的血紅素可在此帶著氧到全身各處的組織去。在地面上生活慣了的我們可能只會在健康檢查時注意比較一下血色素的濃度,因為它是血液帶氧能力的一個重要指標;殊不知決定血液帶氧的因素還得加上個大氣壓力的變數。
    不管健康教育裡的生理知識,肺泡裡的氧氣可應用物理課本裡的道耳吞分壓原理去表示量的多寡,我們知道海平面大氣中的氮氣佔78%,氧氣佔21%,從一大氣壓亦即760mmHg(毫米水銀柱)來計量,道耳吞說氮的分壓力為593mmHg(76078%),氧的分壓是160mmHg,肺泡的水氣和二氧化碳多一點,氧的分壓便降到100mmHg左右。現在隨著高度增加,大氣氣壓降低,於是肺泡內的空氣也降了下來,例如18000呎的大氣氣壓只剩下一半的380mmHg,這時氧的分壓只剩80mmHg,氧氣的變少了!肺泡的溶氧不足以供應沒減少代謝需求的組織細胞,這便形成了缺氧”(除了壓力的消長引起缺氧的症候外,瓦斯中毒、吃氰化物、溺水等都會造成缺氧),有人將之強調為高度性缺氧”(altitude  hypoxia)

缺氧對生理的影響及病癥  缺氧時神經系統的影響最快而顯著,所以行為意識、視力、視野、肌肉協調能力都會隨缺氧的程度及時間而變嚴重;其次為呼吸系統,隨著動脈氧壓降低經由化學機制刺激呼吸中樞使得呼吸變深變快。影響相對較小的是心血管系統,如同我們一般對帶氧能力與心跳的關連印象,高空因為血液帶的氧變低,為了抵制缺氧而產生的代償作用使得心跳變快,收縮壓也增加以便增加血流量餵更多的氧氣進入神經系統。
    缺氧症狀隨高度和時間長短而變,通常在10000呎以下沒有影響,然而在5000呎以上隨飛行員的操作壓力及生理狀況可能漸有視力稍減,心跳呼吸加快的無害現象;停留在1000015000呎間身體的代償作用更為顯著,短期間尚足對抗缺氧威脅,這時心肺功能加強,呼吸心跳加深加大,然而時間拖到10~15分以後,最敏感的神經系統相關的症狀將漸次出現,如判斷力、反應降低、嗜睡,肌肉協調也變差,與我們打呵欠時的身體狀態有些類似。1500020000呎間可停留而沒不適症狀的時間更短,這個空層生理的代償功能已難再起作用,頭暈、嗜睡、滯息感、視野變狹、思考行為行動能力大幅衰退等癥候隨之出現。在往上面空層則3~5分內將快速喪失意識。

缺氧以外的減壓症狀  高度性缺氧是低壓下或減壓下的一項物理反應,然而人體體內有許多空氣存在,如一些空腔(中耳、鼻腔、消化道等等)和血液裡都有空氣的存在。看過航空辭典開張第一篇鋒面的讀者可能有這種概念壓力愈低時空氣會愈形膨脹,於是原來溶於組織及血中的空氣(主要為氮)便析出膨脹成小水泡,在血管內形成氣栓,組織內氣泡則使肌肉關節酸痛。另腔內的空氣膨脹則易使空氣進出滯礙阻塞,耳膜疼痛破裂和腹脹鼻竇腫痛的症狀都有此而來。

飛行減壓症的防治  現代軍民用飛機的飛行範圍愈來愈大,大型民航機爭取省油、氣象穩定的空層,軍用機則希望在最大的可活動範圍下都能有效運作,這些無不需要侵犯到前文中原本不屬於人類活動的環境,所以航空器機艙內營造一個人工環境使機內人員能安全健康地從事活動。機內人造環境用兩種方式,一為提供供氧設備,一般在10000呎以上供應氧氣並隨高度逐漸增加,直到約34000呎以上供應100%純氧,40000呎以上環境壓力與肺部內壓壓差已不足以讓人行主動呼吸了,這時需要靠增壓將純氧進呼吸道,再上去到50000呎,不但肺部,身體的內外壓差也讓人體膨賬到危險程度,在這個區域活動是需要穿上太空衣的,由隔離外界壓力環境的密閉太空衣內建立壓力使身體內外壓平衡;高空偵察機SR-71的飛行員裝備就是一個實例。另一種防治減壓的方式與太空衣類似,係將整個座艙或客艙加壓,人類在高空環境中可有較多的活動裕度而不受氧氣罩的牽拌、減少體腔和血液引發的不適症狀,飛機可以在較高的空層長期活動而不需供氧,君不見在客機裡的警急用氧氣面罩便是設計在客艙失壓時才自動彈出的。不過後者的防治設計得承受密封機艙、結構加強、大型空調等增加的成本,而空氣媒介的傳染病問題也成了近年流行病學研究的客題,也算得上是另一缺點;最後最致命的缺點來自其不正常狀況下的危險性,空氣壓縮機故障、加壓艙漏氣等造成的失效環境;尤其是後者,常常失壓發生是個漸進的過程,機內人員慢慢地、慢慢地,不易警覺下漸漸失能,最後導致飛機在無人操控下失事。史都華的悲劇便應是這種過程的產物。
    加壓艙也是隨高度變化而調整壓力大小,並非一成不變者,其機殼內外壓差造成的結構負擔應是最主要的考量;戰鬥機與客機各有各的設計考量而有所不同,便不在本文贅述了。

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