氫醫(yī)學(xué)所以備受重視，甚至被認(rèn)為會(huì)改寫現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生模式，或?qū)θ祟惤】祹砀锩杂绊懀P(guān)鍵有兩個(gè)原因。一是氫氣對(duì)多種疾病預(yù)防治療能產(chǎn)生作用，這方面還需更多研究來逐漸確認(rèn)。二是氫氣對(duì)人體的安全性巨大，幾乎沒有任何毒性。氫氣的人體安全性比有效性更確定，是早就有非常明確的證據(jù)。氫氣的人體安全性證據(jù)最鐵的就是人類氫氣潛水實(shí)驗(yàn)。人在高壓氫氣環(huán)境下可以很長時(shí)間生活，并可以做一些工作。這是50年前國際上比較前沿的科技研究，其中美國和法國在這方面比較領(lǐng)先。

氫氣對(duì)人體的安全性極大，最重要的證據(jù)來自人類氫氧潛水醫(yī)學(xué)試驗(yàn)。開展氫氧潛水試驗(yàn)最早和最多的機(jī)構(gòu)是法國COMEX公司，主要是上世紀(jì)80年代，該公司為了配合海上石油開采，建立更好的潛水技術(shù)，考慮到氫氣用于潛水的優(yōu)勢(shì)開展了這一研究。先后進(jìn)行了大量動(dòng)物和人體試驗(yàn)，用最明確確定的證據(jù)證明氫氣對(duì)人體的安全性。這是其中一篇早期氫氣人體試驗(yàn)的文獻(xiàn)資料。是1986年在美國得克薩斯休斯頓召開的第18屆海上技術(shù)會(huì)議論文。Hydra V Hydrogen Experimental Dive to 450 Meters。

考慮到這一論文是氫氣用于人體最早期也是最重要的資料，也是申請(qǐng)氫氣醫(yī)學(xué)臨床研究關(guān)于氫氣的人體安全性的倫理論證十分重要的參考資料?！稓渌颊Z》今天重點(diǎn)介紹給大家。
 

一、氫氣用于潛水的研究歷史

法國著名化學(xué)家拉瓦錫是最早命名氫，也是最早研究氫的生理作用的科學(xué)家。早在1789年，拉瓦錫和塞奎因曾經(jīng)將氫作為呼吸介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，拉瓦錫等把豚鼠放入鐘形玻璃容器內(nèi)，使容器中維持生命的氮和氧保持一定量，然后添加氫，豚鼠在容器內(nèi)呼吸氫氮氧三元混合氣，歷時(shí)8-10 h，未發(fā)現(xiàn)氫給機(jī)體帶來任何不利影響。

1937年，英國Case和小Haldane把氫作為潛水呼吸氣進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)研究。他們把人暴露于1.1 MPa壓力下，呼吸氫氧混合氣5 min，未發(fā)現(xiàn)明顯的生理變化;1941年前蘇聯(lián)Lazarev等把小鼠加壓到9.1 MPa(相當(dāng)900米海底)，呼吸氫氮氧混合氣，停留3分鐘，爾后經(jīng)過約1小時(shí)的減壓，獲得成功。這些早期研究初步證明，人和動(dòng)物呼吸氫氧是安全的。

在美國等開展氦氧潛水實(shí)驗(yàn)的早期階段，由于當(dāng)時(shí)許多國家很難獲得足夠的氦，潛水員曾嘗試其他包括氫混合氣的潛水研究，其中最著名的例子是瑞典工程師Arne Zetterstrom進(jìn)行的氫氧混合氣潛水實(shí)驗(yàn)。氫氧混合氣具有爆炸性，但在氧濃度低于4%時(shí)爆炸不會(huì)發(fā)生。常壓下，4%的氧濃度無法維持生命，但在30米水下，即使4%的濃度氧分壓也可以升高到16 kPa，就可以維持機(jī)體氧氣的需要。1944年，Zetterstrom發(fā)明了安全配制氫氧混合氣的方法，可將空氣轉(zhuǎn)換成低于4%氧的氫氧混合氣并能避免發(fā)生爆炸。利用這種方法，他配制了氫氧混合氣，并應(yīng)用到潛水中。在30米深度，Zetterstrom先用含氧4%的氮氧混合氣代替空氣，然后用同比例的氫氧混合氣代替氮氧混合氣，采用這種技術(shù)，他成功下潛到110米。在這個(gè)深度，他變得異常興奮，而且發(fā)生了明顯的語音改變，甚至無法與水面進(jìn)行電話通訊。

1945年8月7日，為了證明氫氧潛水技術(shù)在援救潛艇上能發(fā)揮重要作用，Zetterstrom成功進(jìn)行了161米的現(xiàn)場氫氧潛水。由于無現(xiàn)成的氫氧潛水減壓表，Zetterstrom根據(jù)自己的計(jì)算把第一停留站確定為50米。不幸地是，由于錯(cuò)誤理解他來自水下的指令，水面支持人員未讓他在50米停留，而是直接將他拉到水面，因?yàn)闊o法及時(shí)更換高分壓氧的呼吸氣，導(dǎo)致發(fā)生缺氧和嚴(yán)重的減壓病，Zetterstrom為此獻(xiàn)出了生命。盡管他死亡的直接原因不是呼吸氫氧，但這次事故直接導(dǎo)致此后多年氫氧潛水研究被中斷。

1960年起，美、英、法、蘇和瑞典等國再次相繼開展氫氧潛水有關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。尤其是20世紀(jì)60年代末至70年代初，氫取代氦作為深海潛水用呼吸氣體再次受到廣泛重視。這期間的氫氧潛水研究，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)達(dá)到約1 000米深度，暴露時(shí)間達(dá)到24小時(shí)。人體實(shí)驗(yàn)深度也達(dá)到60米深度，暴露時(shí)間10 – 20分鐘。70年代，Edel等進(jìn)行氫氧模擬潛水實(shí)驗(yàn)，除研究氫氧對(duì)機(jī)體的影響外，還包括氫氧潛水的安全操作程序、減壓方案和呼吸氣體轉(zhuǎn)換技術(shù)等問題。這個(gè)階段最大的收獲是發(fā)現(xiàn)氫能有效預(yù)防高壓神經(jīng)綜合癥。

隨著海洋開發(fā)的不斷推進(jìn)，人們需要更大深度的潛水作業(yè)，推動(dòng)了氫氧潛水研究的深入。在世界范圍內(nèi)，法國在氫氧潛水研究中一直居于領(lǐng)先地位。80年代初，法國COMEX公司開始實(shí)施以氫為主體的深海混合氣HYDRA(水螅，含氫的意思)潛水計(jì)劃，包括動(dòng)物、人體模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，由安全性、醫(yī)學(xué)生理學(xué)和潛水設(shè)備研制等三部分組成。先后進(jìn)行了HYDRA III~VII模擬實(shí)驗(yàn)，從75~90米氫氧常規(guī)潛水到520米氫氧飽和潛水，其中，HYDRA V首次用氫進(jìn)行4.6 MPa飽和潛水，潛水員完成了機(jī)械連接、水下切割和操作等潛水作業(yè)任務(wù)。

1983年6月，法國COMEX公司開始執(zhí)行HYDRA計(jì)劃。1983年由潛水員兼公司總裁Deulaze領(lǐng)導(dǎo)，在位于馬賽附近海域進(jìn)行了91米的HYDRA III潛水實(shí)驗(yàn)，呼吸混合氣組成是氫95%氧5%，未發(fā)現(xiàn)氫麻醉作用，體熱散失效應(yīng)類似于氦，呼吸阻力低于氦。1983年11月又進(jìn)行了300米 HYDRA IV人體模擬實(shí)驗(yàn)，受試者6人(2名醫(yī)生，3名職業(yè)潛水員，1名工程師)，呼吸氫氦氧三元混合氣，比例分別為74:24:2。心理學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，視覺反應(yīng)時(shí)間、計(jì)算能力、記憶力等效應(yīng)均小于80米空氣潛水，且小于98:2，深度為240米的氫氧潛水。呼吸98:2氫氧混合氣時(shí)，180米深度開始出現(xiàn)麻醉，與氮麻醉情況不同，氫麻醉的主要表現(xiàn)為幻覺，麻醉程度也低于氮麻醉。氫氧潛水時(shí)心率變化小于氦氧潛水。氫潛水人體模擬實(shí)驗(yàn)后，血、尿、神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸功能方面等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)物氫氧潛水實(shí)驗(yàn)，40只小鼠在600米深度暴露40小時(shí)，減至常壓后，心、肝和肺等組織學(xué)檢查未發(fā)現(xiàn)異常改變。
 

二、HydraV潛水試驗(yàn)

Hydra V Hydrogen Experimental Dive To 450 Meters.pdf

1985年5-6月，法國COMEX馬賽高氣壓研究中心開展了HYDRA V人類氫氧潛水試驗(yàn)。這次試驗(yàn)中，6名潛水員居住在450米深度模擬艙內(nèi)，氣體成分為氫氣、氦氣和氧氣(氫氦氧三元混合氣)。

傳統(tǒng)的氦氧大深度潛水受到兩個(gè)因素的制約，一是超過300米深度的高壓神經(jīng)綜合癥，二是氣體密度對(duì)肺通氣的損傷。氫氣由于具有一定麻醉作用，對(duì)預(yù)防高壓神經(jīng)綜合癥有一定價(jià)值，另外由于氫氣的分子量更小，對(duì)減少肺通氣損傷也有幫助。

HYDRAV是人類首次成功實(shí)施的氫氣飽和潛水試驗(yàn)。從生化測(cè)定結(jié)果看，這次潛水試驗(yàn)非常成功，不僅避免了高壓神經(jīng)綜合癥，而且潛水員更容易呼吸。試驗(yàn)結(jié)果表明，氫氣對(duì)于400-600米深度的大深度飽和潛水有很大應(yīng)用前景。

高壓神經(jīng)綜合癥是250米深度以上出現(xiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不良反應(yīng)，隨著潛水深度增加而嚴(yán)重，是影響潛水作業(yè)效率，制約大深度潛水的重要因素。另外隨著深度增加，呼吸氣體的密度越來越高，呼吸阻力也會(huì)相應(yīng)增加，這會(huì)增加潛水員的呼吸負(fù)擔(dān)，影響工作效率。解決高壓神經(jīng)綜合癥的有效方法是增加一些具有麻醉作用的氣體，例如氮?dú)饣驓錃狻p少呼吸阻力只能使用密度更小的氣體，比氦氣密度小的氣體只有氫氣。氫氣是唯一能滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣體，氫氣不僅具有一定麻醉作用，而且密度更小這樣兩種特征。

為配合海上油田工業(yè)，法國COMEX公司在海上和馬賽高壓研究中心實(shí)驗(yàn)室開展大深度氫氧潛水人體試驗(yàn)研究。

HydraIII，1983年6月，潛水深度為75米和91米。

HydraVI，1983年11月，艙內(nèi)潛水深度為120、150、180、240和300米。

HydraV，1985年5-6月，艙內(nèi)飽和深度450米。

這些試驗(yàn)的成功給氫氣在潛水醫(yī)學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

歷史上曾經(jīng)使用氮?dú)鈱?duì)抗高壓神經(jīng)綜合癥，例如1977年法國COMEX當(dāng)時(shí)世界最大深度潛水501米JANUS IV就使用了氦氮氧三元?dú)怏w，氣體比例分別是氦氣94%、氮?dú)?%和氧氣1%。這種混合氣的密度是10.5g/L，如果不用氮?dú)?，氣體密度是8.2g/L，能減少22%。大量的氮?dú)鈺?huì)增加潛水員呼吸阻力，降低呼吸舒適度。如果用氫氣替換氦氣，氣體密度可以降低50%。

麻醉氣體的麻醉強(qiáng)度和氣體分壓有關(guān)，例如空氣潛水一般在50米深度會(huì)產(chǎn)生明顯的氮麻醉，到70/75米以上麻醉作用變的非常嚴(yán)重和危險(xiǎn)。為了研究氫氣的麻醉作用，1983年11月法國COMEX公司進(jìn)行了Hydra VI氫氧潛水試驗(yàn)，分別讓6名氦氧飽和潛水潛水員(3名職業(yè)潛水員3名科學(xué)潛水員)在120、150、180、240和300米深度呼吸氫氧二元和氫氦氧三元混合氣。180米深度時(shí)，有些潛水員開始出現(xiàn)氫氣麻醉癥狀。此時(shí)潛水員呼吸的氣體為2%氧氣和98%氫氣的二元混合氣，氫氣的分壓為18.6bar。240米深度呼吸同樣氫氧混合氣，氫氣分壓為24.5bar。300米深度呼吸氫氦氧三元混合氣，分別對(duì)兩種比例進(jìn)行了試驗(yàn)，其中一種混合氣是氫氣濃度為74%(氫氣分壓22.9bar)，氦氣濃度24%，氧氣濃度為2%。另一種混合氣中氫氣濃度為59%(分壓18.3bar)，氦氣濃度為39%，氧氣濃度為2%。

在這個(gè)300米深度下，對(duì)氫氣的麻醉效應(yīng)進(jìn)行了全面分析(圖1)。

300米氫氧飽和潛水試驗(yàn)Hydra V的目的。這一飽和潛水試驗(yàn)是基于過去人體試驗(yàn)基礎(chǔ)，尤其是300米氫氧人體試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上開展的近一步研究。技術(shù)上，是為了確定氫飽和潛水作業(yè)程序，建立氫氣環(huán)境下的生命保障系統(tǒng)，為未來的工業(yè)應(yīng)用建立基礎(chǔ)，確定設(shè)備和程序的安全性。生理上，是為了研究氫氣對(duì)抗高壓神經(jīng)綜合癥的作用。研究氫氣長期高壓暴露的人體安全性?？刂茝臍錃庀蚝猸h(huán)境轉(zhuǎn)換時(shí)等壓逆向擴(kuò)散。研究干艙和濕艙內(nèi)休息和運(yùn)動(dòng)情況下呼吸通氣功能。提醒大家注意，這一潛水試驗(yàn)的重要目的是證明持續(xù)高壓氫氣暴露的人體安全性。

加壓艙是完成這一研究的核心設(shè)備，本試驗(yàn)需要有兩大艙群，一個(gè)是氦氧艙群，一個(gè)是氫氦氧艙群，考慮到大家對(duì)潛水技術(shù)并不注重，這里省略200字(圖2)。

圖2 氫氧潛水艙群系統(tǒng)

氫氣潛水的安全性

氫氣作為一種爆炸氣體，物理安全性是及其重要的內(nèi)容，文章也專門進(jìn)行了描述。空氣中氫氣可以爆炸燃燒的濃度是4%-74.5%。氧氣環(huán)境下，4%-94%。Hydra V試驗(yàn)前，研究小組已經(jīng)對(duì)氫氣在三種氣體混合情況高壓下燃燒極限濃度進(jìn)行了分析。

當(dāng)氧氣濃度低于4.4%，750米以下深度都不會(huì)發(fā)生燃燒。也就是說這種氧氣濃度情況下，氫氣濃度無論多少都不會(huì)燃燒。為了保證安全，試驗(yàn)將這種安全度近一步提高，規(guī)定在使用氫氣時(shí)氧氣濃度不超過2%。在整個(gè)減壓過程，氫氣濃度不超過4%。

在高壓下通過控制氧氣濃度可避免氫氣燃燒和爆炸的可能，但如果高壓氫氣從艙內(nèi)泄露，遇到高濃度氧氣的空氣，仍然有燃燒和爆炸的危險(xiǎn)。出現(xiàn)這種情況會(huì)非常危險(xiǎn)。為避免氫氣泄露導(dǎo)致這種意外發(fā)生，試驗(yàn)中把所有管路都更換為不銹鋼或銅質(zhì)材料。氫氣艙體外覆蓋一個(gè)外罩，這個(gè)外罩通過高度氣體交換管道和室外相通。氫氣濃度分析，用不同濃度代表泄露氫氣的速度，其中0.15%代表氣體釋放速度2萬立方米/小時(shí)，0.5%則代表4萬立方/小時(shí)。

加壓前準(zhǔn)備階段

潛水隊(duì)分AB兩組，A組從1985年5月3日到7日，B組從5月7日到11日對(duì)潛水員進(jìn)行集中管理。潛水員在10米深度呼吸氦氧混合氣，進(jìn)行心臟和神經(jīng)功能檢查，作為基礎(chǔ)生理指標(biāo)。

加壓階段

5月7-9日A組進(jìn)行加壓，5月13-14日B組進(jìn)行加壓。加壓總時(shí)間為38小時(shí)，其中在100米，200米、300米和400米深度停留2.5小時(shí)。200米前使用氦氣加壓，200-450米使用氫氣進(jìn)行加壓。450米深度三元?dú)怏w比例分別是氧氣為0.87%，氦氣為44.78%，氫氣為54.35%。這種三元混合氣體密度為5.5g/L。

高壓停留階段

A組從5月9-10日在干艙內(nèi)進(jìn)行生理、心理、生物和醫(yī)學(xué)檢查。5月11日先在12.5bar氫氣分壓下停留8小時(shí)后轉(zhuǎn)移到氦氧艙內(nèi)。進(jìn)入到氦氧艙后立刻表現(xiàn)出高壓神經(jīng)綜合癥，24小時(shí)內(nèi)癥狀消失。有等壓氣體逆向擴(kuò)散產(chǎn)生循環(huán)氣泡的證據(jù)，通過20米加壓(470米)治療后消失。5月12日減壓回到450米。5月14-15日，參考450米氦氧潛水進(jìn)行分析。

B組從5月14-17日，在干艙內(nèi)進(jìn)行生理心理和生物醫(yī)學(xué)分析，18-19日進(jìn)行水下作用情況下進(jìn)行心肺功能分析。

A組5月17日用氦氧二元?dú)怏w開始減壓，5月31日減壓完成。

B組19日開始用氫氦氧三元?dú)怏w減壓，5月31日加壓到157米后轉(zhuǎn)換為氦氧混合氣繼續(xù)減壓，6月7日減壓完成。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在技術(shù)上非常成功。在生物醫(yī)學(xué)方面，潛水員呼吸高壓氫氣進(jìn)行大深度潛水在預(yù)防高壓神經(jīng)綜合癥方面有明顯優(yōu)點(diǎn)。潛水員長時(shí)間暴露在25bar氫氣高分壓下是無害的，酶學(xué)和組織學(xué)血液分析數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)高壓氫氣暴露過程和結(jié)束后1周都沒有明顯變化。
 

三、后續(xù)研究

1986年11月，F(xiàn)ructus等實(shí)施了520 m HYDRA VI模擬潛水實(shí)施，8名潛水員參加，在水溫為4 ℃的模擬艙內(nèi)進(jìn)行了25次模擬作業(yè)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)BOS型頭盔式潛水呼吸器等潛水裝具進(jìn)行了測(cè)試。

1988年2月，COMEX公司在地中海進(jìn)行了HYDRA VIII現(xiàn)場氫氧混合氣飽和潛水實(shí)驗(yàn)。6名潛水員參加。2月21日開始加壓，28日到達(dá)520 m深度，此后5~6 d，6名潛水員分別在520 m海底進(jìn)行了多次潛水作業(yè)實(shí)驗(yàn)。

1989年9月，COMEX公司又進(jìn)行了HYDRA IX 300 m停留14 d氫氧飽和潛水模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌? ⑴使用氫氧的最小和最大深度限度;⑵長期(49 d)高壓氫環(huán)境暴露對(duì)人體生理功能的影響，⑶長期在壓力艙內(nèi)(73 d)幽禁、隔絕對(duì)人的精神行為的影響。完成潛水醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理、心理、通氣和心血管功能、生化、熱和體液平衡、減壓程序和潛水專家系統(tǒng)等。

20世紀(jì)90年代，COMEX公司又相繼進(jìn)行了680 m飽和巡潛701 m(HYDRA X)和750 m (HYDRA XI)人體模擬氫氧飽和潛水實(shí)驗(yàn)，750 m是目前人類高壓暴露的最大深度記錄。目前COMEX已經(jīng)實(shí)施了HYDRA XII實(shí)驗(yàn)，深度為210 m，潛水員在此深度下進(jìn)行28次潛水，其中4次為氦氧潛水，4次為氫氦氧潛水。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在船上飽和艙內(nèi)，潛水員呼吸氦氧混合氣，在海底作業(yè)時(shí)呼吸氫氧混合氣。實(shí)驗(yàn)探討了現(xiàn)有設(shè)備用于氫氧潛水時(shí)的可行性和水下呼吸氣體轉(zhuǎn)換時(shí)閉式呼吸系統(tǒng)(由氦混合氣轉(zhuǎn)換為氫混合氣)的情況。每次潛水持續(xù)2~6 h，呼吸氫氧混合氣時(shí)，潛水員思維分析能力和作業(yè)能力均正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在中或大深度潛水中氫是一種最佳呼吸介質(zhì)，“艙內(nèi)用氦—艙外用氫”(在船上飽和艙內(nèi)，潛水員呼吸標(biāo)準(zhǔn)的氦混合氣;在海底作業(yè)時(shí)，他們呼吸氫混合氣)的新穎潛水技術(shù)是完全可行的。采用這項(xiàng)新技術(shù)，原來所有能實(shí)施氦氧混合氣大深度潛水作業(yè)系統(tǒng)只需簡單改裝，即可使用氫作為呼吸介質(zhì)。

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