Andningsgas är en blandning av gasformiga kemiska element och föreningar som används för att andas . Luft är den vanligaste och enda naturliga andningsgasen. Men andra blandningar av gaser eller rent syre används också i andningsutrustning och slutna livsmiljöer som dykutrustning , dykutrustning som tillhandahålls på ytan, rekompressionskammare , bergsklättring på hög höjd, ubåtar , tryckdräkter , rymdfarkoster , medicinsk utrustning för livräddning och första hjälpen , samt anestesiapparater [1] [2] [3] .
Syre är en viktig komponent i alla andningsgaser vid ett partialtryck på 0,16 till 1,60 bar vid atmosfärstryck. Syre är vanligtvis den enda metaboliskt aktiva komponenten om inte gasen är en anestesiblandning. En del av syret i andningsgasen förbrukas av metabola processer, medan de inerta komponenterna förblir oförändrade och främst tjänar till att späda ut syret till en lämplig koncentration och är därför också kända som utspädningsgaser. De flesta andningsgaser är alltså en blandning av syre med en eller flera inerta gaser [1] [3] . Andningsgaser för hyperbar användning har utvecklats för att förbättra prestanda hos vanlig luft genom att minska risken för tryckfallssjuka , förkorta varaktigheten av dekompression , minska kväveförgiftning eller möjliggöra säkrare djuphavsdykning [1] [3] .
En säker andningsgas för hyperbara applikationer har fyra huvudegenskaper:
Metoderna som används för att fylla dykcylindrar med andra gaser än luft kallas gasblandning [5] [6] .
Andningsgaser för användning vid omgivningstryck under normalt atmosfärstryck är vanligtvis rent syre eller syreberikad luft för att tillhandahålla tillräckligt med syre för att upprätthålla liv och medvetande, eller för att ge högre träningsnivåer än vad som skulle vara möjligt med luft. Kompletterande syre tillhandahålls vanligtvis som en ren gas som tillsätts andningsluften genom inandning eller genom ett livstödssystem.
Följande vanliga andningsgaser används för dykning:
| Gas | Symbol | Typiska axelfärger | ballongaxel | Fyrkantig toppram/ ventiländram |
|---|---|---|---|---|
| medicinskt syre | O2 _ | Vit | Vit | |
| Blandningar av syre och helium (Heliox) |
O 2 /He | Bruna och vita kvarter eller ränder |
Bruna och vita korta (8 tum (20 cm)) omväxlande ränder | |
| Blandningar av syre, helium och kväve (Trimix) |
O 2 /He/N 2 | Svarta, vita och bruna kvarter eller ränder |
Svarta, vita och bruna korta (8 tum (20 cm)) omväxlande ränder | |
| Syre och kväveblandningar (Nitrox) inklusive luft |
N2 / O2 _ | Svarta och vita fjärdedelar eller ränder |
Svarta och vita korta (8 tum (20 cm)) omväxlande ränder |
Andningsluft är omgivande luft med en renhetsstandard som lämpar sig för mänsklig andning i den specificerade applikationen. I hyperbariska applikationer ökar partialtrycket av föroreningar i proportion till det absoluta trycket och måste begränsas till en säker formulering för det djup eller det tryckområde i vilket det ska användas.
Dykande andningsgaser klassificeras efter andelen syre. De gränsvärden som myndigheterna sätter kan skilja sig något eftersom effekterna gradvis varierar med koncentration och mänskliga organismer och inte är exakt förutsägbara.
Normoxisk där syrehalten inte skiljer sig mycket från luftens och säkerställer kontinuerlig säker användning vid atmosfärstryck. Hyperoxisk, eller berikad med syre där syrehalten överstiger atmosfäriska nivåer, vanligtvis till en nivå där det finns en viss mätbar fysiologisk effekt vid långvarig användning, och speciella hanteringsprocedurer ibland krävs på grund av ökad brandrisk. Tillhörande risker är syretoxicitet på djupet och brand, särskilt i andningsapparaten. hypoxisk där syrehalten är mindre än luft, i allmänhet i den mån det finns en betydande risk för en mätbar fysiologisk effekt på kort sikt. Den omedelbara risken är vanligtvis funktionshinder på grund av hypoxi vid eller nära ytan.Dykande andningsgaser blandas från en liten mängd komponentgaser som ger blandningen speciella egenskaper som inte är tillgängliga i atmosfärisk luft.
OxygenSyre (O 2 ) måste finnas i varje andningsblandning [1] [2] [3] . Detta beror på att det är viktigt för den metaboliska processen i människokroppen som upprätthåller livet. Människokroppen kan inte lagra syre för senare användning, som den gör med mat. Om kroppen berövas syre i mer än några minuter leder det till medvetslöshet och dödsfall. Vävnader och organ i kroppen (särskilt hjärtat och hjärnan) skadas om de saknar syre i mer än fyra minuter.
Att fylla en dykcylinder med rent syre kostar ungefär fem gånger mer än att fylla den med tryckluft. Eftersom syre stöder förbränning och orsakar rost i dykcylindrar måste det hanteras med försiktighet, speciellt vid blandning av gaser [5] [6] .
Syre har historiskt sett framställts genom fraktionerad destillation av flytande luft, men produceras i allt högre grad av icke-kryogena teknologier som trycksvängadsorption (PSA) och vakuumsvängadsorption (VSA) [18] .
Andelen av syrekomponenten i andningsgasblandningen används ibland när blandningen namnges:
Syrefraktionen bestämmer det största djupet på vilket blandningen säkert kan användas för att undvika syreförgiftning . Detta djup kallas det maximala arbetsdjupet [1] [3] [7] [10] .
Koncentrationen av syre i en gasblandning beror på andelen och trycket i blandningen. Det uttrycks som partialtrycket av syre (P O 2 ) [1] [3] [7] [10] .
Partialtrycket för en gaskomponent i en blandning beräknas som:
partialtryck = totalt absolut tryck × volymandel av gaskomponentenFör syrekomponenten,
P O 2 \u003d P × F O 2var:
P O 2 = partialtryck av syre P = totalt tryck F O 2 = volymfraktion av syreinnehållDet minsta säkra partialtrycket av syre i andningsblandningen är vanligtvis 16 kPa (0,16 bar). Under detta partiella tryck kan dykaren löpa risk att förlora medvetande och dödsfall på grund av hypoxi , beroende på faktorer inklusive individuell fysiologi och träningsnivå. När en hypoxisk blandning andas in i grunt vatten, kanske den inte har tillräckligt hög PO 2 -nivå för att hålla dykaren vid medvetande. Av denna anledning används normoxiska eller hyperoxiska "transportblandningar" på mellanliggande djup mellan dykets "botten" och "dekompressionsfas".
Den maximala säkra nivån av PO 2 i andningsblandningen beror på exponeringstidpunkten, nivån av fysisk aktivitet och säkerheten för den andningsutrustning som används. Vanligtvis är det från 100 kPa (1 bar) till 160 kPa (1,6 bar); för dyk på mindre än tre timmar anses 140 kPa (1,4 bar) i allmänhet, även om den amerikanska flottan är känd för att tillåta dyk med P O 2 upp till 180 kPa (1,8 bar) [1] [2] [3] [7 ] [10] . Vid höga PO 2 -nivåer eller längre exponering riskerar dykaren syreförgiftning, vilket kan leda till kramper [1] [2] . Varje gas har ett maximalt arbetsdjup, vilket bestäms av dess syrehalt [1] [2] [3] [7] [10] . För terapeutisk rekompression och hyperbar syrgasbehandling används vanligtvis ett partialtryck på 2,8 bar, men det finns ingen risk för drunkning om personen plötsligt tappar medvetandet [2] . Under längre perioder, såsom mättnadsdykning, kan ett tryck på 0,4 bar hållas i flera veckor.
Syreanalysatorer används för att mäta partialtrycket av syre i en gasblandning [5] .
Divox är designad för att andas syre lämpligt för dykning. I Nederländerna anses rent andningssyre vara medicinskt, i motsats till industriellt syre, som används vid svetsning och endast är tillgängligt på recept . Dykindustrin varumärkesskyddade Divox för att andas syre för att kringgå strikta regler för medicinskt syre, vilket gör det lättare för dykare att få syre för att blanda andningsgas. I de flesta länder är det ingen skillnad i renheten av medicinskt syre och industriellt syre, eftersom de tillverkas med samma metoder och tillverkare, men har olika etiketter och fyllningar. Huvudskillnaden mellan de två är att för medicinskt syrgas är spåret mycket bredare för att göra det lättare att identifiera det exakta produktionsspåret för en "batch" eller batch av syrgas vid renhetsproblem. Syre av flygkvalitet liknar medicinskt syre, men kan ha en lägre fukthalt [5] .
KväveKväve (N 2 ) är en diatomisk gas och huvudkomponenten i luft , den billigaste och vanligaste andningsgasblandningen som används för dykning. Det orsakar kväveförgiftning hos dykaren, så dess användning är begränsad till grundare dyk. Kväve kan orsaka tryckfallssjuka [1] [2] [3] [19] .
Ekvivalent luftdjup används för att utvärdera dekompressionskraven för en nitrox (syre/kväve) blandning. Det ekvivalenta narkotiska djupet används för att utvärdera den narkotiska aktiviteten hos trimixen (syre/helium/kväveblandning). Många dykare anser att nivån av anestesi som induceras av dykning till 30 m (100 fot) medan andningsluft är ett bekvämt maximum [1] [2] [3] [20] [21] .
Kväve i en gasblandning erhålls nästan alltid genom att tillsätta luft till blandningen.
HeliumHelium (He) är en inert gas som är mindre narkotisk än kväve vid ekvivalent tryck (det finns faktiskt inga bevis för någon narkos från helium), och den har en mycket lägre densitet, så den är mer lämplig för djupare dyk än kväve [1 ] [3] . Helium är lika kapabelt att orsaka tryckfallssjuka . Vid högt tryck orsakar helium även högtrycksnervös syndrom, vilket är ett syndrom av irritation av det centrala nervsystemet, vilket på något sätt är motsatsen till anestesi [1] [2] [3] [22] .
Att fylla med helium är betydligt dyrare än att fylla med luft på grund av kostnaden för helium och kostnaden för att blanda och komprimera blandningen.
Helium är inte lämpligt för att blåsa upp en torrdräkt på grund av dess dåliga värmeisoleringsegenskaper - jämfört med luft, som anses vara en bra isolator, har helium sex gånger så hög värmeledningsförmåga [23] . Heliums låga molekylvikt (molekylvikt för monoatomiskt helium = 4 jämfört med molekylvikten för diatomiskt kväve = 28) ökar klangen på andningsrösten, vilket kan försvåra kommunikationen [1] [3] [24] . Detta beror på att ljudets hastighet är snabbare i en gas med lägre molekylvikt, vilket ökar stämbandens resonansfrekvens [1] [24] . Helium läcker från skadade eller felaktiga ventiler snabbare än andra gaser eftersom heliumatomerna är mindre, vilket gör att de kan passera genom mindre tätningsluckor .
Helium finns i betydande mängder endast i naturgas , från vilken det utvinns vid låga temperaturer genom fraktionerad destillation.
NeonNeon (Ne) är en inert gas som ibland används vid kommersiell djupdykning, men mycket dyr [1] [3] [11] [16] . Liksom helium är det mindre narkotiskt än kväve, men till skillnad från helium förvränger det inte dykarens röst. Jämfört med helium har neon utmärkta värmeisoleringsegenskaper [25] .
VäteVäte (H 2 ) har använts i djupdykningsgasblandningar, men är mycket explosivt när det blandas med mer än 4-5 % syre (t.ex. syre som finns i andningsgasblandningar) [1] [3] [11] [13] . Detta begränsar användningen av väte för djupdykning och inför komplexa protokoll för att säkerställa att överflödigt syre avlägsnas från andningsutrustningen innan väteinandningen börjar. Liksom helium höjer det klangen i dykarens röst. En blandning av väte och syre när den används som dykgas kallas ibland Hydrox . Blandningar som innehåller både väte och helium som spädningsmedel kallas Hydreliox.
Många gaser är inte lämpliga för användning i dykande andningsgaser [6] [26] . Här är en ofullständig lista över gaser som vanligtvis förekommer i dykmiljöer:
ArgonArgon (Ar) är en inert gas som är mer narkotisk än kväve och är därför generellt inte lämplig som andningsgasblandning för dykning [27] . Argox används för dekompressionsstudier [1] [3] [28] [29] . Det används ibland för att blåsa upp torrdräkter av dykare som använder helium som sin huvudsakliga andningsgasblandning, på grund av argons goda värmeisoleringsegenskaper. Argon är dyrare än luft eller syre, men mycket billigare än helium. Argon är en komponent i naturlig luft och utgör 0,934 % av volymen av jordens atmosfär [30] .
KoldioxidKoldioxid (CO 2 ) bildas som ett resultat av ämnesomsättning i människokroppen och kan orsaka koldioxidförgiftning [26] [31] [32] . När andningsgasblandningen recirkuleras i en rebreather eller livräddningssystem , avlägsnas koldioxiden av skrubbrar innan gasen återanvänds.
KolmonoxidKolmonoxid (CO) är en mycket giftig gas som tävlar med koldioxid om att binda till hemoglobin och därigenom stör transporten av syre i blodet (se kolmonoxidförgiftning ). Det bildas vanligtvis som ett resultat av ofullständig förbränning [1] [2] [6] [26] . Fyra vanliga källor är:
Kolmonoxid undviks i allmänhet så långt det är praktiskt möjligt genom att placera intaget i oförorenad luft, filtrera partiklar från insugningsluften, använda en lämplig kompressorkonstruktion och lämpliga smörjmedel, och se till att driftstemperaturerna inte är för höga. Om den kvarvarande risken är för stor kan en hopcalite- katalysator användas i högtrycksfiltret för att omvandla kolmonoxid till koldioxid, som är mycket mindre giftigt.
KolvätenKolväten (C x H y ) finns i kompressorsmörjmedel och bränslen . De kan komma in i dykcylindrar som ett resultat av kontaminering, läckage eller ofullständig förbränning nära luftintaget [2] [5] [6] [26] [33] .
Under gaskompressionsprocessen i en dykcylinder avlägsnas fukt från gasen [6] [26] . Detta är bra för att förhindra korrosion av tanken , men betyder att dykaren kommer att andas mycket torr gas. Torr gas drar ut fukt ur dykarens lungor under vattnet, vilket bidrar till uttorkning , vilket också anses vara en predisponerande riskfaktor för tryckfallssjuka . Detta är obehagligt på grund av torrhet i mun och svalg och gör dykaren törstig. Detta problem minskar i rebreathers eftersom sodakalkreaktionen , som tar bort koldioxid, även återför fukt till andningsgasblandningen [9] , och den relativa luftfuktigheten och temperaturen på den utandningsgas är relativt hög och det finns en kumulativ effekt p.g.a. återandning [35] . I varma klimat kan dykning med öppen krets påskynda värmeutmattning på grund av uttorkning. Ett annat problem med fukthalten är fuktens tendens att kondensera när trycket på gasen minskar när den passerar genom regulatorn; detta, i kombination med ett plötsligt temperaturfall, även på grund av dekompression, kan göra att fukten stelnar som is. Regulatorisning kan göra att rörliga delar fastnar och skadar regulatorn. Detta är en av anledningarna till att dykregulatorer vanligtvis är gjorda av mässing och förkromad (för skydd). Mässing, som har goda värmeledningsförmåga, överför snabbt värme från det omgivande vattnet till den kalla, nykomprimerade luften, vilket hjälper till att förhindra isbildning.
Gasblandningar bör i allmänhet analyseras antingen under eller efter blandning i kvalitetskontrollsyften. Detta är särskilt viktigt för andningsgasblandningar, där fel kan påverka slutanvändarens hälsa och säkerhet. De flesta av de gaser som kan finnas i dykcylindrar är svåra att upptäcka eftersom de är färglösa, luktfria och smaklösa. För vissa gaser finns det elektroniska sensorer som syreanalysatorer, heliumanalysatorer, kolmonoxiddetektorer och koldioxiddetektorer [ 2] [5] [6] . Syreanalysatorer finns vanligtvis under vattnet i rebreathers [9] . Syre- och heliumanalysatorer används ofta vid ytan under gasblandning för att bestämma andelen syre eller helium i andningsgasblandningen [5] . Kemiska och andra gasdetektionsmetoder används inte ofta vid fritidsdykning, utan används för att periodiskt testa kvaliteten på komprimerad andningsluft från dykluftkompressorer [5] .
Kvalitetsstandarder för andningsgas publiceras av nationella och internationella organisationer och kan tillämpas i enlighet med lagstiftning. I Storbritannien indikerar Health and Safety Authority att kraven på dykgas baseras på BS EN 12021:2014. Specifikationerna är listade för syrekompatibel luft, nitroxblandningar gjorda genom tillsats av syre, avlägsnande av kväve eller blandning av kväve och syre, helium-syreblandningar (heliox), helium-kväve-syreblandningar (trimix) och rent syre, som för system med öppen krets, och för regenereringssystem, samt för att leverera högt och lågt tryck (över och under 40 bar) [36] .
Syrehalten varierar med arbetsdjupet, men toleransen beror på gasfraktionsområdet och är ±0,25 % för syrefraktioner under 10 % v/v, ±0,5 % för fraktioner mellan 10 % och 20 % och ±1 % för andel på mer än 20 % [36] .
Vattenhalten begränsas av riskerna för nedisning av kontrollventiler och korrosion av skyddsytor – högre luftfuktighet är inte en fysiologisk fråga – och är i allmänhet en daggpunktsfaktor [36] .
Andra specificerade föroreningar är koldioxid, kolmonoxid, olja och flyktiga kolväten, vilka är begränsade till toxiska effekter. Andra möjliga föroreningar bör analyseras utifrån en riskbedömning, och den erforderliga testfrekvensen för föroreningar baseras också på en riskbedömning [36] .
I Australien definieras andningsluftens kvalitet av Australian Standard 2299.1, avsnitt 3.13 Andningsgaskvalitet [37] .
Dykandningsgasblandning är fyllning av gasflaskor med gaser som inte innehåller luft i andningsgaserna.
Att fylla cylindrar med en blandning av gaser är farligt för både tankbilen och dykaren. Vid fyllning finns risk för brand på grund av användning av syre och risk för explosion på grund av användning av högtrycksgaser. Blandningens sammansättning bör vara säker för djupet och varaktigheten av det planerade dyket. Om syrekoncentrationen är för låg kan dykaren förlora medvetandet på grund av hypoxi , och om den är för hög kan dykaren drabbas av syreförgiftning . Koncentrationen av inerta gaser som kväve och helium planeras och kontrolleras för att undvika kväveförgiftning och tryckfallssjuka.
Metoder som används inkluderar intermittent blandning med partialtryck eller massfraktioner, såväl som kontinuerliga blandningsprocesser. Färdiga blandningar analyseras med avseende på sammansättning för att säkerställa användarens säkerhet. Gasblandare kan enligt lag vara skyldiga att visa kompetens vid fyllning för andra.
För hög andningsgasdensitet kan öka andningsarbetet till outhärdliga nivåer och kan leda till koldioxidretention vid lägre densiteter [4] . Helium används som en komponent för att minska densiteten samt för att minska anestesi på djupet. Liksom partialtrycket är densiteten hos en blandning av gaser proportionell mot volymandelen av de ingående gaserna och det absoluta trycket. De ideala gaslagarna är ganska exakta för gaser vid inandat tryck.
Densiteten för en gasblandning vid en given temperatur och tryck kan beräknas som:
ρ m = (ρ 1 V 1 + ρ 2 V 2 + .. + ρ n V n ) / (V 1 + V 2 + … + V n )var
ρ m = gasblandningens densitet ρ 1 … ρ n = densiteten för var och en av komponenterna V 1 … V n = delvolymen av var och en av de ingående gaserna [38]Eftersom gasfraktionen Fi ( volymfraktion) av varje gas kan uttryckas som V i / (V 1 + V 2 + ... + V n )
genom att byta ut
ρ m = (ρ 1 F 1 + ρ 2 F 2 + .. + ρ n F n )Andningsgasblandningar för användning vid reducerat omgivande tryck används för flygning på hög höjd i flygplan utan tryck , i rymdflyg , särskilt i tryckdräkter , och för bergsklättring på hög höjd . I alla dessa fall ligger fokus på att säkerställa ett adekvat syrepartialtryck . I vissa fall tillsätts syre till andningsgasblandningen för att uppnå en tillräcklig koncentration, medan andningsgasblandningen i andra fall kan bestå helt av rent eller nästan rent syre. Slutna system kan användas för att bevara andningsgasblandningen, som kan vara i begränsade mängder - vid bergsklättring måste användaren bära med sig ytterligare syre, och under rymdflygning är kostnaden för att lyfta massa i omloppsbana mycket hög .
Medicinsk användning av andra andningsgasblandningar än luft inkluderar syrgasbehandling och anestesi.
Syre är avgörande för normal cellmetabolism [ 39] . Luft innehåller vanligtvis 21 volymprocent syre [40] . Vanligtvis räcker detta, men i vissa fall störs syretillförseln till vävnaderna.
Definition och medicinsk användningSyreterapi , även känd som extra syre, är användningen av syre som ett terapeutiskt medel [41] . Detta kan inkludera låga syrenivåer i blodet , kolmonoxidförgiftning , klusterhuvudvärk och bibehållande av tillräckligt med syre under administrering av inhalationsanestetika. [42] . Långvarig syrgasbehandling är ofta fördelaktig för personer med kroniskt låga syrenivåer, såsom de med svår KOL eller cystisk fibros [43] [41] . Syre kan administreras på en mängd olika sätt, inklusive genom en näskanyl, en respirator och inuti en tryckkammare [44] [45] .
Biverkningar och mekanismHöga koncentrationer av syre kan orsaka syreförgiftning , såsom lungskador, eller leda till andningssvikt hos predisponerade personer [42] [40] . Det kan också torka ut näsan och öka risken för brand hos rökare [41] . Den rekommenderade målsyremättnaden beror på tillståndet som behandlas [41] . I de flesta fall rekommenderas 94-98% mättnad, medan för de som löper risk för koldioxidretention är 88-92% mättnad att föredra, och vid kolmonoxidtoxicitet eller hjärtstillestånd bör mättnaden vara så hög som möjligt [41] .
Historia och kulturAnvändningen av syre i medicin har blivit vanlig sedan omkring 1917 [46] [47] . Det finns på WHO:s lista över väsentliga läkemedel , de säkraste och mest effektiva läkemedlen som behövs i ett hälsosystem [48] . Kostnaden för hemsyre är cirka 150 USD per månad i Brasilien och 400 USD per månad i USA [43] . Hemsyre kan tillhandahållas antingen av syrgastankar eller av en syrgaskoncentrator [41] . Syre tros vara den vanligaste behandlingen som används på sjukhus i den utvecklade världen [49] [41] .
Den vanligaste metoden för generell anestesi är att använda inhalerade allmänna anestesimedel. Var och en av dem har sin egen effektivitet, som beror på dess löslighet i olja. Detta förhållande existerar eftersom läkemedlen binder direkt till håligheter i proteinerna i det centrala nervsystemet, även om flera teorier om en allmänbedövningseffekt har beskrivits. Inhalationsbedövningsmedel tros verka på olika delar av det centrala nervsystemet. Till exempel uppstår den immobiliserande effekten av inhalerade anestetika som ett resultat av exponering för ryggmärgen , medan sedering, hypnos och minnesförlust påverkar områden i hjärnan [50] .
Ett inhalationsbedövningsmedel är en kemisk förening med allmänna anestetiska egenskaper som kan administreras genom inandning. Ämnen av betydande samtida kliniskt intresse inkluderar flyktiga anestetika som isofluran , sevofluran och desfluran och anestetiska gaser som dikväveoxid och xenon .
IntroduktionNarkosgaser administreras av narkosläkare (en term som inkluderar narkosläkare , narkossjuksköterska och narkosläkare) genom en narkosmask, en struphuvudsmask i luftvägen eller ett luftrör som är anslutet till en anestesiförångare och anestesimaskin . En anestesimaskin eller anestesiapparat eller Boyle-maskin används för att stödja administreringen av anestesi . Den vanligaste typen av anestesimaskin som används i utvecklade länder är den kontinuerliga anestesimaskinen, som är utformad för att ge exakt och kontinuerlig tillförsel av medicinska gaser (som syre och lustgas ) blandad med en exakt koncentration av anestesiånga (som isofluran ) och leverans till sin patient med ett säkert tryck och flöde. Moderna enheter inkluderar ventilatorer , suganordningar och patientövervakningsanordningar . Den utandningsgas passerar genom en skrubber för att avlägsna koldioxid, och anestesiångor och syre fylls på vid behov innan blandningen återförs till patienten.