潛水暴露相關肺通氣功能即時效應對照研究

05-18

潛水暴露相關肺通氣功能即時效應對照研究

程華

嶺南師範學院

(第十三屆全國學生運動會科學論文報告會二等獎)

摘要

目的：觀察20 $min$ 深度（12 $m$ ）壓力暴露前後肺通氣的即時效應變化，探討潛水暴露肺通氣功能衰減與長期累積效應的關係。

方法：受試者隨機分配進入對照設置的12 $m$ 壓力20 $min$ 停留的潛水實驗組和高壓艙對照組，所有受試者在實驗前後分別用肺功能儀（AS-505）進行 $VC、FVC、MVV、MV$ 等肺通氣功能的檢測，並進行配對 $t$ 檢驗，比較不同實驗環境影響下肺通氣的即時效應。

結果：受試者在單純2.2ATA的壓力暴露後，肺通氣參數 $VC、FVC、MVV、MV$ 均出現上升的即時效應，而在潛水環境中由於水下的浸沒效應和低溫引起的肺間質水腫，潛水時呼吸功的增加，受試者出現 $FVC$ 下降、呼氣流速上升的即時效應。

結論：潛水暴露後的即時效應與職業潛水員的長期累積效應體現出高度一致的結果，說明了每次潛水活動對肺通氣都有一定的影響，在小深度潛水時這種影響主要來自於潛水環境而非壓力的增加。提示在有條件時，每次潛水活動後應進行充分的休息，以避免潛水暴露導致的即時效應的直接相加加速肺功能的衰減。

1.目的

越來越多的人參與SCUBA潛水，雖然這是一項非常安全的活動，但SCUBA潛水需要通過呼吸管吸入壓縮空氣，所以肺的通氣情況將影響潛水錶現。暴露壓力下吸入高密度呼吸氣體導致呼吸功增加、氧分壓升高增加對呼吸膜的毒性效應、減壓過程肺循環中的微小氣泡誘發炎症反應[1]，產生小氣道通氣受限或堵塞問題影響肺通氣。除了高壓暴露的原因，潛水的浸沒效應可通過影響肺循環重新分配而形成肺間質水腫[2]，進一步影響肺通氣功能；而潛水時若有體溫下降、氧過多、靜水壓增加和劇烈運動則誘導肺循環迅速改變促進肺水腫的發生[3]。潛水產業發達的西方國家潛水員多年的年度體檢結果提示潛水暴露影響肺活量和呼氣末期呼氣流速[4]。

職業潛水員無論年齡、最大潛水深度、潛齡以及體重，用力肺活量 $FVC$ 呈逐年下降的趨勢，平均每3-5年下降240 $mL$ ，每5-9年下降400 $mL$ [5]，暴露了肺功能衰減與潛水高壓暴露之間存在著長期累積效應影響，潛水職業暴露確實會導致呼吸功能的改變[6, 7]，而且問題主要源自小氣道的氣體傳導。隨著潛齡的增長，6%~15%的職業潛水員有支氣管逐漸阻塞的趨勢[8-10]，最終發展為堵塞性的氣道疾病。儘管職業潛水員肺功能長期的累積效應已經被觀察到，但肺功能衰減累積效應是否即單次潛水暴露產生的即時效應的累積結果，還是只是與環境、壓力、年齡交互作用的結果？這個還沒有明確的答案。

本研究是從單次小深度潛水的肺通氣功能變化，進行潛水和高壓艙加壓對照設置，潛水實驗的環境壓力參照不停留減壓規程的安全標準，控制在安全小深度、既定時間下，因此實驗風險程度最低[11]，比較在相同的壓力變化前後肺通氣的即時效應變化，以探討肺通氣即時效應與肺功能累積效應之間的關係。

2.方法

2.1 參與者與實驗方法

2.1.1參與者納入標準

自願參加的健康潛水學員，潛齡≥1年，最深潛水深度≤20 $m$ ，最深潛水深度停留時間≤5min；排除標準一周內由於急性呼吸道疾病以及其他疾病影響潛水活動正常進行者、既往有潛水疾病發作者。所有實驗參與者均被告知實驗詳細過程以及可在任何時候退出實驗，所有參與者均簽署知情同意書。

2.1.2呼吸功能檢測工具

美能呼吸功能儀（AS-505）是實驗室常用的易操作、方法標準化的、測量精度高的廣泛使用的肺功能測量設備。主要測量指標是 $FEV_{1.0}$ 、 $FVC$ 以及 $FEV_{1.0}$ %（即 $FEV_{1.0}/$ $FVC$ %），次要指標為 $PEF$ 和 $FEF_{25-75}$ ，並且可以記錄流速-容量曲線。其重複性好、反應靈敏、可信度高[12]。流量範圍0-14 $L/S$ ；精度為讀數值的±3% 或±0.01 $L/S$ ，最大容量為10 $L$ ；容量精確度為±3%或50 $mL$ 。每位受試者檢查前2 $hr$ 禁止大量進食，檢查當天禁止飲用可樂、咖啡、濃茶等，檢查前1 $hr$ 禁止吸煙，檢查前30 $min$ 禁止劇烈運動；檢測時受試者用口含緊咬口器，上鼻夾，平靜呼吸室內空氣30-60 $Sec$ ，待潮氣呼氣末基線平穩(至少4個呼吸周期)；至少進行2次以上測定，2次之間休息1 $min$ 以上；最佳值與次佳值之間的誤差<0.15 $L$ 。肺容量指標的正常範圍是預計值方程的95％可信區間，低於正常範圍的下限(LLN)和高於正常範圍的上限(ULN)均為異常。把肺容量指標的正常範圍簡化為占預計值百分比的方式來評價，肺容量指標的變異情況不同，因此正常範圍一般為預計值±20％。

參與者在實驗前2天進行基礎生理參數以及呼吸功能檢測。基礎生理參數包括身高、體重，並計算身體質量指數（Body Mass Index，BMI），如下：

$BMI=Weight÷Height^2$

式中： $Weight$ 為體重（ $Kg$ ）； $Height$ 為身高（ $cm$ ）。

呼吸功能以美能呼吸功能儀（AS-505）進行檢測。檢測步驟嚴格按照操作說明，先輸入受測者的性別、年齡、身高、體重，並將預測模式調整為Baldwin模式，預計值回歸方程式如下：

$VCmale=[27.63-(0.112×Age)]×Height$

$VCfemale=[21.78-(0.101×Age)]×Height$

$MVVmale=[86.4-(0.522×Age)]×BSA$

$MVVfemale=[71.3-(0.474×Age)]×BSA$

式中： $Age$ 為年齡（ $y$ ）， $Height$ 為身高（ $cm$ ）， $BSA$ 為身體表面面積（ $m^{2}$ ）；

$VC$ 為肺活量（ $mL$ ）； $MVV$ 為最大通氣量（ $L$ ）。

然後分別進行 $VC、FVC、MV、MVV$ 等指標的檢測，每人每次重複測量2次以上，同時得出並得出 $VC、FVC、FEV_{1.0}$ 、 $FEV_{1.0}%$ %、 $PEF、FEF_{25-75}、MEF_{50}、MEF_{25}$ 、 $MVV$ 的實測值與預測值，以及 $TV、IRV、ERV、IC、MV$ 的實測值。以上各指標除 $MVV$ 取最大值作為基線值外，均取平均值作為基線值。

$VC=TV+IRV+ERV$

$IC=TV+IRV$

$MV=TV×RR$

$VR$ %= $(MVV-MV)/MVV×100%$ %

式中：

為潮氣量 $TV$ （L）； $IRV$ 為補吸氣量（ $L$ ）； $ERV$ 為補呼氣量（ $L$ ）； $IC$ 為深吸氣量（ $L$ ）； $MV$ 為每分通氣量（ $L$ ）； $RR$ 為平靜呼吸的頻率（ $bpm$ ）； $MVV$ 為最大通氣量（ $L$ ）； $VR$ %為通氣儲量百分比。

2.1.3實驗設置

按照受試者年齡、性別、BMI、FVC等指標配對情況分別分為潛水實驗組（實驗組，EG）和高壓艙組（對照組，CG）。

實驗組學員穿潛水衣、攜SCUBA呼吸器（12 $L$ ），在從水面以6 $m/min$ 的速度下潛至水下12 $m$ ，並在12 $m$ 處停留20 $min$ ，然後以相同速度不停留上潛至水面；入水前以及出水時記錄呼吸器瓶瓶壓（ $Pa$ ）。根據玻-馬定律（Boyle-Mariotte law）

$P_1 V_1=P_2 V_2$ 或 $PV=k$

式中： $P$ 為氣體的絕對壓強（ $kPa$ ）; $V$ 為該氣體的體積（ $L$ ）; $k$ 為恆量係數。

計算實際水底逗留每分鐘的通氣量，已知：

$水底停留總時間（min）=下潛時間+停留時間+上升時間（min）$

$水下呼吸氣體容積（L）= left{氣瓶容積×（下水前表壓-出水後表壓） ight}/大氣壓$

所以，

$水下每分呼吸量（L）=$ $left{ 氣瓶容積×（下水前表壓-出水後表壓）/大氣壓 ight}/(下潛時間+停留時間+上升時間)$

出水後立即檢測 $VC、FVC、MV、MVV$ 變化。

對照組學員進入高壓艙進行加壓模擬12 $m$ 深度潛水環境。高壓氧艙（GY2200）艙體型式為一艙二室四門，艙體直徑為 $phi$ 2200 $mm$ ；艙體長度為6000 $mm$ ；主艙容積13.8 $m^{3}$ 、副艙容積7.2 $m^{3}$ 。艙內有效高度：大於1.80 $m$ 。工作壓力0.20 $MPa$ （3.0ATA），治療艙最大加壓速率為≥0.050 $MPa/min$ ；最大加壓速率≥0.050 $MPa/min$ 。環境溫控為24-28℃±2℃，從最高工作壓力降至0.01 $MPa$ 的時間≤2.5 $min$ 。潛水學員進入治療艙後，艙外技術人員手動控制艙壓在2min內加壓至2.2ATA，採取差壓式排氧同以維持艙內恆壓20 $min$ ，然後以相同減壓速率減至常壓（1ATA）。潛水員出艙後立即檢測 $VC、FVC、MV、MVV$ 變化。

2.2 數據處理方法

數據輸入SPSS22.0進行處理。配對樣本t檢驗分析兩組被試在高壓暴露前後檢測值的變化、以及高壓暴露前後實測值與預測值比值變化；獨立樣本 $t$ 檢驗分析實驗組與對照組相關參數差異大小。以P<0.05為檢驗水準。

3.結果

3.1 實驗參與者基本情況

參與者總共有34人，平均年齡21.79 $pm$ 1.01 $y$ 、體重63.68 $pm$ 7.28 $Kg$ 、身高172.15 $pm$ 6.05 $cm$ 、 $BMI$ 21.45 $pm$ 1.90；根據Baldwin計算公式進行的運算，得出各相關肺通氣功能預測值，其中VC=4.26 $pm$ 0.35 $L$ 、 FVC=4.09 $pm$ 0.39 $L$ 、 FEV=3.96 $pm$ 0.41 $L$ 、 $FEV_{1.0}/FVC$ %=77.01% $pm$ 1.33%、PEF=11.17 $pm$ 1.21 $L/s$ 、 $FEF_{25-75}$ =5.33 $pm$ 0.37 $L/s$ 、 $MEF_{50}$ =6.00 $pm$ 0.62 $L/s$ 、 $MEF_{25}$ =3.49 $pm$ 0.18 $L/s$ 、MVV=130.30 $pm$ 13.44 $L$ 。其中實驗組14人（男12、女2），對照組20人（男19、女1）, 兩組年齡、體重、身高、BMI進行獨立樣本 $t$ 檢驗分析顯示相關參數差異不大（P均>0.05），提示兩組組員生理影響因素相近；兩組各項呼吸功能參數預測值的比較差異也不大（P均>0.05），提示可進行比較。

3.2 潛水組水下通氣情況

潛水組在入水前MV為30.09±14.27 $L$ ，下水後在水底停留受高壓影響，MV減少為24.01±5.04 $L$ ，出水後MV恢復至27.98±12.99 $L$ ，如下表1、圖1所示。

3.3 兩組肺通氣功能參數高壓暴露前後變化

配對樣本t檢驗分別對實驗組和對照組各項檢測參數高壓暴露前後進行比較，結果有以下特點：

1) 高壓暴露後，兩組 $VC、TV、IRV、IC$ ， $FEV_{1.0}、FEV_{1.0}$ %， $MEF_{25}$ ，VR均上升。

兩組靜息肺容積參數（ $VC、TV、IRV、ERV、IC$ ）在高壓暴露前後的變化趨勢一致，如圖2-A。在實驗組 $VC、TV、IRV、IC$ 的高壓暴露前後變化差異比較，P均大於0.05 ，差異不顯著；而對照組在 $VC、IRV、ERV、IC$ 的差異較明顯，P均小於0.01，如表2；提示對照組在高壓艙加壓後的肺容量變化更為顯著。

實驗組在 $FEV_{1.0}、FEV_{1.0}$ %的變化幅度要大於對照組，如圖2-B、2-C。兩組 $MEF_{25}$ 在暴露後變化一致，實驗組由2.01 $L/s$ 上升至2.14 $L/s$ ，對照組由2.43 $L/s$ 上升至2.48 $L/s$ ，如圖2-D 。

2) 在高壓暴露後，兩組 $ERV，MVV、MV、RR$ 均減少。

實驗組ERV由1.12 $L$ 下降至1.05 $L$ ，對照組由1.25 $L$ 降至1.07 $L$ ，如圖2-A。兩組 $MVV、MV$ 在高壓暴露前後的變化趨勢一致，如圖2-E。高壓暴露後，實驗組 $RR$ 由21.5 $bpm$ 下降至19.4 $bpm$ ；對照組 $RR$ 由20.4 $bpm$ 下降至20.3 $bpm$ ，實驗組在高壓暴露後下降更快，如圖2-F。兩組通氣儲備百分比 $VR$ %變化一致，實驗組由49.2%上升至52.2%，對照組由51.0%上升至52.5%，實驗組變化幅度高於對照組，如圖2-G。

3) 高壓暴露後， $FVC$ 的變化趨勢實驗組下降而對照組上升。

實驗組 $FVC$ 下降，由高壓暴露前3.64 $L$ 下降至高壓暴露後3.55 $L$ ，如圖2-B。對照組 $FVC$ 稍上升，由高壓暴露前3.68 $L$ 上升至高壓暴露後3.70 $L$ ，如圖2-B。

4) 高壓暴露後， $FEV_{1.0}/VC$ %， $PEF$ 、 $FEF_{25-75}$ 、 $MEF_{75}$ 、 $MEF_{50}$ 實驗組上升而對照組下降。

$FEV_{1.0}/VC$ %變化趨勢相反：實驗組由暴露前73.68%升至暴露後的77.73%，對照組暴露前為87.65%下降至暴露後1 $hr$ 的84.68%；如圖2-C。 $PEF$ 、 $FEF_{25-75}$ 、 $MEF_{75}$ 、 $MEF_{50}$ 等參數的變化趨勢相反，如圖2-D。

圖 2 實驗組與對照組肺通氣功能高壓暴露前後均值比較

3.4 兩組通氣功能參數實測值與預測值之比(實測值/預測值%，m/p%)在高壓暴露前後的變化

為減少誤差，分別對實驗組和對照組呼吸功能各項參數高壓暴露前後進行實測值與預測值比值的比較，並進行配對樣本 $t$ 檢驗。結果顯示高壓暴露後，兩組 $VC$ m/p%， $FEV_{1.0 }$ m/p%、 $FEV_{1.0}$ % m/p%， $MEF_{25}$ m/p%均出現上升，兩組 $MVV$ m/p%均出現下降； $FVC$ m/p%實驗組下降而對照組上升， $PEF$ m/p%、 $FEF_{25-75}$ m/p%、 $MEF_{50}$ m/p%實驗組上升而對照組下降，與兩組通氣功能高壓暴露前後變化結果一致。

1) 高壓暴露後，兩組 $VC$ m/p%， $FEV_{1.0}$ m/p%、 $FEV_{1.0}$ % m/p%， $MEF_{25}$ m/p%均出現上升。

高壓暴露後實驗組 $VC$ m/p%由85.63%上升至87.06%，對照組82.80%上升至85.94%，如圖3-A；對照組增加更顯著（P<0.05），如表3。兩組 $FEV_{1.0}$ m/p%、 $FEV_{1.0}$ % m/p%高壓暴露後均上升：實驗組 $FEV_{1.0}$ m/p%由69.29%上升至73.39%；對照組77.12%上升至77.80%；如圖3-A。實驗組 $FEV_{1.0}$ % m/p%由96.00%上升至105.95%；對照組109.91%上升至110.01%，如圖3-B。兩組 $MEF_{25}$ m/p%均在高壓暴露後上升：實驗組由58.10%上升至61.69%，對照組69.23%上升至70.83%，如圖3-C。

2) 高壓暴露後 $MVV$ m/p%實驗組由46.89 %下降至45.85 %，對照組由42.88 %下降至41.91%，兩組均出現下降，如圖3-D。

3) 高壓暴露後，實驗組 $FVC$ m/p%由 89.96%下降至 87.73%，對照組由89.40%上升至89.79%，如圖3-A。

高壓暴露後實驗組 $PEF$ m/p%、 $FEF_{25-75}$ m/p%、 $MEF_{50}$ m/p%分別由36.51%、55.43%、52.00%上升至39.32%、60.07%、54.05%；而對照組則由41.79%、64.36%、63.23%下降至38.02%、62.63%、61.07%，如圖3-C。

圖 3 實驗組與對照組肺通氣功能實測值與預測值之比在高壓暴露前後的變化EG：實驗組；CG：對照組；pre-：高壓暴露前；post-：高壓暴露後；m/p%：實測值與預測值之比的百分數

4.討論

高壓暴露後，兩組 $VC、TV、IRV、IC$ ， $FEV_{1.0}$ 、 $FEV_{1.0}$ %， $MEF_{25}$ ，VR均上升，兩組 $ERV，MVV、MV、RR$ 均減少；FVC高壓暴露後實驗組下降而對照組上升， $FEV_{1.0}/VC$ %，PEF、 $FEF_{25-75}$ 、 $MEF_{75}$ 、 $MEF_{50}$ 實驗組上升而對照組下降。影響靜態肺容積和肺容量的生理因素有很多，包括年齡[13]、性別[14]、身高[15]、體重[16]、BMI[17]、種族[18, 19]、測量體位[20, 21]、身體活動水平[22]、海拔的高低[23]等等。正常的肺容積和肺容量可以基於以上生理因素進行預測，肺功能預測方程適用於全球範圍3-95歲的人群[24]，但目前這些肺功能參考值範圍也並非覆蓋所有人，對於不同地域、年齡、性別、種族人群的肺容積和容量的正常範圍界限仍然比較模糊。儘管肺功能精確度已經很高，但也會出現測量值與實測值不完全吻合，以實測值與預測值之比百分數在80%~120%之間，是可被接受範圍的下限和上限[25-27] ，本實驗預測值肺功能預測方程應用Baldwin模式，同樣也認為實際與預測值之比在80%~120%之間屬於正常。高壓暴露後，兩組 $VC$ m/p%， $FEV_{1.0}$ m/p%、 $FEV_{1.0}$ % m/p%， $MEF_{25}$ m/p%均出現上升，兩組MVV m/p%均出現下降； $FVC$ m/p%實驗組下降而對照組上升， $PEF$ m/p%、 $FEF_{25-75}$ m/p%、 $MEF_{50}$ m/p%實驗組上升而對照組下降，這與實際測量值在高壓暴露前後的變化的趨勢是一致的。

實驗組和對照組在不同的實驗壓力設置下有相同的變化以及不同的變化，相同的變化來自於兩組實驗設置都有相同壓力的暴露，暴露時間相同；因此對照組結果顯示的是在所設置壓力下的肺功能的變化，而實驗組結果除了壓力影響之外不同，還有來自SCUBA潛水裝備、水介質密度產生的阻力增加了呼吸功，和水下環境的低溫以及浸沒效應而出現不同的變化趨勢。

4.1 單純壓力暴露後的肺通氣功能即時效應

高壓暴露時隨著外界壓力與肺內的負壓壓力差增加，吸氣動力也隨著增加，吸入的氧氣壓力同時增加，氧分壓過高時，呼吸變長變緩導致 $RR$ 減少，所以 $MV$ 較常壓時減少，通氣量減少，缺氧的條件形成，缺氧通過中樞的呼吸調節， $RR$ 加深加快，在壓力暴露下呼吸肌做功增加；高壓暴露逐漸解除時，環境壓力降低，根據玻意耳定律，吸入的氣體體積成倍增大，因此此時 $TV$ 的增加；吸入氣體在呼吸道內形成不同的氣道壓力剖面，導致不同程度的肺容積膨脹和潮氣量分布[28]；呼吸道上部肺容積增加要比下部的肺容積增加得要多，下部的肺泡的通氣容積重新分配，吸氣時氣體流入上部肺泡，此時吸氣肌主動用力吸氣阻力減少，因此 $IRV$ 增加；上部肺泡氣體密度小，而下部肺泡氣體密度大，在呼氣過程中不同的密度氣體出現均勻混合後氣體體積下降，即 $ERV$ 下降。導致 $VC$ 增加是由於綜合 $TV、IRV$ 體積的增加大於 $ERV$ ，抵消了 $ERV$ 下降改變；同理 $FVC$ 在單純高壓暴露後增加，第一秒呼出氣體多來自於上部肺泡密度較小的氣體，一般而言呼氣阻力小、氣體體較大，故 $FEV_{1.0}$ 上升、同時 $FEV_{1.0}$ %上升； $VC$ 的增加比 $FVC$ 的增加幅度要大，所以 $FEV_{1.0}/VC$ %出現下降；呼氣過程不同密度氣體不規則運功趨向於均勻混合，因此PEF、 $FEF_{25-75}$ 、 $MEF_{75}$ 、 $MEF_{50}$ 均出現下降；而在呼出75%氣體後的呼氣運動主要排出下部肺泡的餘氣，在肺泡排空75%之後，密度減少、體積增大，因此 $MEF_{25}$ 出現上升。高壓暴露後呼吸間期延長，受 $RR$ 減少影響， $MVV、MV$ 均出現減少，因此VR在高壓暴露後增加。

4.2 潛水暴露後的肺通氣功能即時效應

除外與對照組相似的單純壓力相關即時效應之外，實驗組 $FVC$ 在高壓暴露後出現下降的變化，在潛水暴露時，下潛運動過程中增加了潛水員呼吸功和能量消耗[29]，另外潛水浸沒效應導致呼吸肌更容易疲勞[30]；貼身潛水服對胸廓的壓力在潛水時影響肺通氣，太厚或穿緊身潛水服在潛水對肺通氣產生阻礙[31]；另外胸廓的壓力與肺泡壓力之間的壓差改變影響呼吸的機能，使用呼吸器呼吸還必須克服靜水壓對胸廓的壓力[32]，胸廓所受靜水壓越高，呼吸系統負荷越大，就有可能使呼氣末的肺容積改變。而呼氣末肺容積的增大則使呼吸肌超過收縮的最適初長度，呼吸肌收縮力下降，產生不了、也維持不了能夠應付不斷增加的呼吸功的收縮力，因此 $FVC$ 下降。浸沒期間肺循環對重力的依賴減少，產生循環的重新分配[33]，肺循環毛細血管充血，肺動脈壓力升高和血管容積增大，肺間質水腫，呼吸膜增厚，彈性下降，引起餘氣量的增加和VC的增幅變小[34] ，所以出現 $FEV_{1.0}/VC$ %增加；水下較低的溫度加重外周末梢循環收縮，體循環重新分配，肺循環血量增加，最終引起氣道的狹窄[35]，所以呼氣期間呼氣流速增加，因此 $PEF、FEF_{25-75}、MEF_{75}、MEF_{50}$ 以及 $MEF_{25}$ 出現增加。

受試者在單純2.2ATA的壓力暴露後，肺通氣參數 $VC、FVC、MV、MVV$ 均出現上升的即時效應，而在潛水環境中由於水下的浸沒效應和低溫引起的肺間質水腫，潛水時呼吸功的增加，受試者出現 $FVC$ 下降、呼氣流速上升的即時效應。

5.結論

潛水暴露後的即時效應與職業潛水員的長期累積效應體現出高度一致的結果，說明了每次潛水活動對肺通氣都有一定的影響，在小深度潛水時這種影響主要來自於潛水環境而非壓力的增加。提示在有條件時，每次潛水活動後應進行充分的休息，以避免潛水暴露導致的即時效應的直接相加加速肺功能的衰減。

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