高压氧医学（HBOT）

高压氧医学或高压氧疗法（HBOT）涉及使用高浓度的氧气（100%），在超过周围环境大气压的压力下进行治疗。这需要使用一个加压舱，可以容纳单个病人（单人舱）或多个病人（多人舱）以便于治疗。海底医学是指与人类在海底环境下的活动有关的领域，例如潜水员、潜艇人员或沉箱工人。

高气压医学简史

高压医疗疗法的首次记录使用是在1662年。一位英国医生创造了“domicillium”，这是一个可以增加压力的气密加压舱。许多疾病都采用了这种治疗效果未知的方法。值得注意的是，这是在1670年代波义耳确认气体体积和压力之间的关系、1774年约瑟夫·普利斯特利发现氧气、以及19世纪初道尔顿和亨利的气体定律发展之前完成的。

1872年，保罗·伯特研究并撰写了关于压缩空气对人体生理影响的文章；中枢神经系统氧中毒的影响也被称为“保罗·伯特效应”。其后，J Lorrain Smith对肺部氧中毒进行了研究，也称为“Lorrain Smith效应”。

1877年，Fontaine建造了第一个移动式高压手术室。

1891年，Corning博士在纽约制造了北美第一个高压舱，并完成了大量的高压研究，探讨了其治疗多种病症如梅毒、关节炎、糖尿病等的可行性。

1928年，他在俄亥俄州克利夫兰建造了一个能容纳70多位客人的“高压酒店”。

1908年，约翰·斯科特·荷尔丹博士创建了第一个基于惰性气体吸收和组织饱和的减压模型。第二次世界大战促使人们需要可接受的治疗方式来治疗患有减压病或“弯曲病”的海军潜水员。详细的海军潜水图表和高压治疗表被制定出来，用于各种潜水和减压情况。

有趣的是，直到1930年代，Behnke和Shaw才引入了使用高压氧治疗减压病的方法。20世纪50年代，对HBOT的研究有所增加。最著名的研究之一是1959年由Ite Boerema博士发表的“无血生命”，他展示了尽管血红蛋白水平低到无法维持生命，但他仍然可以借助HBOT保持猪的生命。在他们所有的红细胞被排干后，使用血浆或类似血浆的溶液作为容量替代，该溶液通过高压氧疗法进行高氧合。治疗结束后，他们重新输注血液，恢复过程顺利。至今，HBOT的使用仍在研究中。

一般物理学

光

光的物理学主要适用于海底环境。衰减可能发生，因为光能转化为热能时会被吸收；红色光谱首先被吸收，蓝色最后被吸收。这就是为什么水下照片通常看起来是蓝色的！由于与水中物质的相互作用，光的散射也可能发生。当光波的路径因介质变化而改变时，就会发生折射。当潜水员戴着面罩在水下时，由于周围水和面罩内空气空间之间的界面，就会发生这种情况。这导致物体被感知得比实际更大更近。

声音

在空气中，声音定位依赖于个体耳朵接收声波之间的时间延迟。声音在水中的速度大约是在空气中的四倍；由于耳朵之间的时间延迟显著减少或丢失，因此在水下定位声音具有挑战性。由于声波在水下的传播和衰减，声音传输也会减少。

浮力

阿基米德原理指的是，任何部分或完全浸入液体中的物体都会受到一个向上的浮力，这个力等于该物体排开的流体的重量。如果物体的重量小于它排开流体的重量，它就会正浮力或“漂浮”。当物体的重量等于它排开的流体重量时，物体是中性浮力（既不下沉也不上浮）。如果物体的重量大于它排开的流体重量，物体就会负浮力或“下沉”。

例如，一个训练有素的潜水员会平衡他们的身体和潜水衣的浮力，通过一定量的配重来实现水下的中性浮力。然而，如果他们在水下深吸一口气（扩大胸腔），他们会排开更多的水，变得正浮力。当他们呼气并排开较少的水时，他们回到中性浮力或变成负浮力。

由于浮力是指排开流体的质量，密度（质量/体积）影响浮力。因此，盐水比淡水更密集，与淡水相比，盐水中的浮力增加。

热学

潜水衣通常是由氯丁橡胶制成，通过隔热一层被身体加热的水来为潜水员提供热保护。干式潜水衣名副其实的让潜水员的身体保持干燥；它们由防水材料制成，并在手、脚和颈部有密封。

对于潜水员来说，低体温可能是一个问题，因为水具有高导热性。这在深潜或冷水潜水中尤其令人关注。根据潜水深度、持续时间和温度，潜水员可能会使用更厚的湿式、干式或热水潜水衣。

此外，由于呼吸干燥和冷的压缩空气，会发生热量损失。由于身体必须在呼吸道中加温和加湿这些空气，因此存在蒸发热损失（加湿）和对流热损失（加温）。除了防护服外，如果担心低体温，潜水员可能需要温暖的呼吸气体。

压力（压强）

压力（P=F/A）是作用在单位面积上的力。

大气压

在陆地上，每个生物都暴露于大气压之下，这是由于大气层的重量在地球表面产生的力。由于气体是可压缩的，随着海拔的高度变化，压强变化是曲线的，靠近地球表面的压力较大，随着海拔的增加，压力减小。大约在18,000英尺的高度，一个人会经历的大气压是海平面的一半。

有用的转换：表面大气压1大气压（atm）= 760毫米汞柱（mm Hg）= 1.013巴（bar）= 760托（torr）= 14.7磅力每平方英寸（psi）。

流体静压力（静水压）

在水中潜水会导致由于水的重量通过力量作用于潜水员而产生额外的压力。由于水实际上是不可压缩的，每下潜33英尺海水（fsw）/10米海水（msw），或34英尺淡水（ffw）/10.3米淡水（mfw），压力增加1 atm。这是因为盐水比淡水更密集。需要注意的是，虽然压力的增加是线性关系（每下潜10msw增加1 atm压力），但相对压力变化是曲线的。例如，从水面移动到10msw，总压力从1增加到2 atm，增加了100%。从10移动到20msw，总压力从2增加到3 atm，相对增加了150%。从20到30msw，总压力从3增加到4 atm，相对增加了133%。因此，在靠近水面的水下，相对压力变化更大，这对气压伤和浮力有影响。

表压是指相对于大气压的压力；因此，潜水员使用的大多数压力表在水面读数为0。

由于流体静压力，潜水导致血液向中心重新分布，这在冷水中可能会增加，因为外周血管收缩。随后，抗利尿激素（ADH）的释放导致利尿。因此，潜水员在潜水后上浮时可能相对低血容量。这种液体不足可能因为呼吸干燥的压缩空气而加剧，因为身体在呼吸道中为呼吸气体加湿。

绝对压力

当潜水员在水下时，他们会受到水柱的重量和大气的重量的影响。绝对压力是指由于大气压力和流体静压力共同作用而产生的总压力。根据不同的国家，它通常以大气压（绝对）ATA、巴（绝对）或bar(a)来表示。例如，一个在20米海水下的潜水员会经历2大气压的流体静压力和1大气压的大气压力，因此绝对压力为3 ATA。

气体定律

由于气体是可压缩的，它们受到三个相互关联的因素：体积、压力和温度的影响。需要注意的是，在运用以下气体定律进行计算时，必须使用绝对压力和温度。

查尔斯定律（V/T = V/T）指的是，如果保持压力不变，气体的体积将与绝对温度成正比变化。如果绝对温度增加，气体的体积也会增加。

盖-吕萨克定律（P/T = P/T）指的是，如果保持体积不变，气体的绝对压力将与绝对温度成正比变化。绝对温度的增加会导致绝对压力的增加。

波义耳定律（PV = PV）是在高气压医学和海底医学中理解的基础，因为它是气压伤、深度呼吸工作量增加以及高压氧治疗（HBOT）使用的基础病理生理学。如果温度保持不变，气体的体积与绝对压力成反比。如果环境压力增加（即在水中下降，或在高压舱中重新加压），则气体填充体腔中的气体体积会减少。如果环境压力降低，则气体体积会扩大。这可能导致气压伤，如下所述。

在高压舱中或水下呼吸也令人担忧，因为随着环境压力的增加，气体体积减小，其密度（质量/体积）增加。结合由于浸没导致的血液向中心重新分布以及呼吸设备本身（需求阀、流动阻力、死腔），与在海平面呼吸相同气体相比，呼吸所需的努力将会增加。

道尔顿定律（P = P + P + … P）告诉我们，由多种气体混合而成的总压力等于每种气体单独占据整个体积时所施加的压力之和。因此，一种气体的分压（P = P x %）是该气体在气体混合物总压力中所占的部分。例如，如果潜水员呼吸的是40%的氧气混合物，且总压力为2 ATA，那么氧气的分压将是0.8 ATA。

亨利定律指的是，溶解在液体中的气体量与液体上方该气体的分压成正比。环境压力的增加（从而分压的增加）导致更多的气体溶解到血液和组织的液体部分中。

波义耳、道尔顿和亨利定律在减压病的发展、气体毒性以及高压氧治疗（HBOT）的使用方面都有重要意义。

气压伤

气压伤是指由于压力变化而导致的伤害。身体中任何未通风、含气的空腔都容易受到气压伤，例如胸腔、中耳、鼻窦和肠道。由于潜水装备中存在含气空间，如干式潜水衣或面罩，也可能成为问题。由于相对压力/体积变化在靠近水面的水下发生，潜水员在这些浅水区域过渡时更容易发生气压伤。

下降/压缩过程中的气压伤（或俗称“挤压”）是由于气体体积减少，产生真空所致。在海洋和高气压医学中最常遇到的是中耳气压伤，由于中耳空间产生真空；如果不通过咽鼓管从鼻咽引入额外空气，真空可能会导致压力感或疼痛、液体外渗/出血、鼓膜穿孔或对内耳的传导损伤。

上升过程中的气压伤是由于环境压力降低导致气体膨胀所致。特别令人关注的是，如果气体填充空间内的压缩空气无法逸出，例如，如果肺部中的压缩空气被阻止逸出（气体滞留、支气管痉挛、屏气等），随着气体继续膨胀，可能会发生血管和气道之间的局部剪切以及小气道/肺泡的破裂。这可能导致气胸、纵隔气肿、皮下气肿、心包积气或动脉气体栓塞。

减压

由于深度增加导致环境压力上升，当潜水员在水下呼吸压缩空气时，溶解进血液和组织液体部分的气体量（溶入）会增加。惰性气体，尤其是氮气，通常是这些气体混合物的成分，而人体并不代谢这些气体。因此，随着气体从溶液中释放出来（脱附），必须将其移除。

当潜水员上升时（环境压力减小），这些惰性气体将从溶液中释放出来。如果上升速度足够慢，惰性气体将从组织扩散到血液中，并通过肺部过滤排出。然而，如果环境压力下降得太快，组织内或血管内可能会形成气泡，导致减压病（DCS）。一旦形成气泡，它们会对组织和内皮造成机械性损伤，阻碍血流。这些气泡与血液中的形成元素相互作用，引发炎症和促凝血反应。

DCS的完整病理生理学尚不清楚，也不在本文章讨论范围内。已知的是，组织的溶入/脱附受到肺/血液或血液/组织之间的压力梯度、潜水持续时间、气体混合物和组织灌注的影响。一些血液供应充足的组织（肺、血液、大脑、心脏）可能更容易溶入气体，但如果血液供应保持恒定，也会更快地脱附。相比之下，像韧带、肌腱和关节囊这样供血较差的组织，可能溶入气体较慢，但也脱附较慢。

潜水表或计算机使用数学模型来预测惰性气体的溶入和脱附，指导潜水员关于深度和时间限制以及是否需要减压停留（在水下停留以允许额外的脱附时间，然后再进一步降低环境压力）。需要注意的是，这些算法基于人群数据和理论上的惰性气体摄取/排泄曲线。许多潜在因素可能影响个别潜水员对DCS的敏感性，即使他们遵循了潜水表或计算机的指导，也可能发展成DCS。

高压环境中的气体问题

再次强调，彻底理解物理学，特别是道尔顿定律和亨利定律，对于理解气体毒性的潜在病理生理学和选择潜水或HBOT治疗的气体混合物至关重要。在表面可能安全的气体分压，在增加的环境压力下可能变得危险。完整的气体问题描述不在本文章讨论范围内。但下面概述了三个具体问题，以展示理解与高压环境相关的物理学的影响。HBOT的物理学和功能在后文部分进行回顾。

氧气毒性

氧气毒性是由于在较高的分压下呼吸氧气造成的。中枢神经系统（CNS）氧气毒性是潜水员和HBOT最关心的问题；肺部氧气毒性可能在延长的潜水操作或HBOT中成为问题。氧气毒性基于氧气分压和暴露持续时间的剂量依赖性。

CNS氧气毒性的症状可能包括视觉变化、耳鸣/听觉幻觉、恶心、抽搐/震颤、易怒或情绪变化、头晕和痉挛。在水下，氧气分压超过1.6 ATA时，CNS氧气毒性的风险增加。然而，在HBOT等休息和干燥条件下，可以忍受更高的分压。CNS氧气毒性的表现存在显著的个体间和个体内差异。

肺部氧气毒性通常由较长时间、较低压力的暴露引起。它包括一种可识别的模式，即微妙的胸骨下刺激或胸部紧绷感逐渐发展为咳嗽，吸气时加剧的持续燃烧感和呼吸急促（先是运动时然后是休息时）。

惰性气体麻醉

惰性气体麻醉是由于在较高分压下呼吸惰性气体导致的神经元兴奋性可逆性抑制。临床表现可能包括认知和手动性能下降、欣快、过度自信、记忆丧失、感知狭窄和感觉功能受损。氮醉在休闲潜水中最为常见；发病时间不一，但可能在30米或更深的地方出现。

气体污染物

用于填充潜水罐的压缩机故障或通风不良区域的压缩机可能会导致排气烟雾或油蒸气污染呼吸气体。例如，一个人在表面水平可能无症状的一氧化碳（CO）微量，在更深的深度可能因其分压增加而成为致命剂量。CO通过其与血红蛋白的竞争性结合干扰氧气输送，抑制线粒体呼吸，并引发炎症效应。临床表现可能从恶心和头痛到潜在的致命心律失常、意识丧失或死亡。

 高压氧治疗适应症

高压氧疗（Hyperbaric Oxygen Therapy，简称HBOT） 将患者置于增加压力下的100%氧气环境中，通常压力在2到3个大气压绝对值（ATA）之间，尽管某些病状可能需要更高的压力。高压疗法的作用机制已被广泛研究，包括上述讨论的气体定律。

了解14种获批的高压医疗疗法适用病状至关重要，因为许多病状依赖高压医学的不同方面来发挥效果。目前获批的适应症包括：

1. 减压病

2. 空气、气体栓塞

3. 一氧化碳中毒

4. 挤压伤、间隔综合征

5. 促进伤口愈合的特定病例

6. 急性失血性贫血

7. 颅内脓肿

8. 顽固性骨髓炎

9. 延迟性放射损伤、放射性骨坏死

10. 受损的皮瓣和皮肤移植

11. 热烧伤

12. 坏疽性筋膜炎

13. 气性坏疽

14. 特发性突发性感觉神经性听力丧失

高压医学的功能完全解释是复杂的。HBOT的主要效应是由于环境压力的增加本身。

高压能减小液体（血液）中气泡的大小，并增强气体重新溶入溶液。根据波义耳定律，气泡内的气体体积在压力下会减少；根据亨利定律，在更高压力下更多的气体会溶解在溶液中。这是使用超高压医学治疗减压病和气体栓塞的基础，治疗目标是防止进一步形成氮气气泡或使其减小并重新溶入溶液。

通过在压力下呼吸100%氧气产生有利的梯度；有利的梯度促进了不需要的气体排出，同时促进了氧气从富氧环境（肺部）向缺氧环境（低氧组织）的扩散。这在气体栓塞、减压病、一氧化碳中毒和缺血性条件中发挥作用。

高压氧通过提高血浆中的氧浓度来增加血液的携氧能力。根据亨利定律，更多气体将在更高压力下溶解在溶液中；这描述了通过HBOT向组织提供更多氧气的效果。静息状态下，组织大约需要60mL/L的氧气。在1 ATA下，血浆氧水平大约为3ml/L。然而，使用3 ATA的HBOT，这个数值增加到60mL/L。这是除了血红蛋白存在的携氧能力之外的。HBOT将进一步促进氧气在组织中的扩散，大约是正常灌注距离的四倍。这对于治疗多种病状至关重要，包括特定伤口、烧伤、一氧化碳中毒、急性贫血和局部缺血。

其他需要关注的议题

虽然全世界每天都有许多类型的潜水和HBOT在进行，但它也有许多潜在风险。

中耳气压伤（MEBT）仍然是潜水和临床高压氧治疗（HBO）最常见的并发症。它与气体体积因环境压力变化而变化（波义耳定律）直接相关。为了逆转因环境压力增加而产生的真空，需要将鼻咽部的空气加入中耳空间，这一过程称为平衡。如果未能成功，也可以通过降低环境压力来尝试重新平衡。潜水者可以通过向水面游泳来减少水中深度，或者高压舱操作员可以通过增加舱室排气来减少治疗深度，直到患者能够清除中耳空间。

牙齿植入物很少受到反复暴露于高压环境的影响。然而，这种植入物的稳定性会有轻微但统计上显著的下降。

对于高压治疗来说，唯一绝对的禁忌症是未经处理的气胸。当患者在深水中呼吸压缩空气时，随着治疗结束时压力的减小，气胸内的气体会膨胀（再次引用波义耳定律）。未经处理的气胸可能因胸腔内气体膨胀而转变为张力性气胸。

正如上文所述，氧气毒性是由于氧气分压增加所致。因此，治疗方法依赖于降低氧气分压。在再压缩舱中，可以通过移除氧气源并呼吸空气或减少治疗深度来实现。在水下，潜水者可以减少他们的深度或将稀释气体加入他们的呼吸混合物。关于HBOT中的肺部氧气毒性，患者在治疗期间会进行几次空气休息以降低风险。

必须小心使用舱室，因为加压氧气可能会爆炸。必须注意避免过度易燃的材料和点火源。患者必须去除任何化妆品、油脂、除臭剂和类似产品。再压缩舱接地，并采取一切措施消除静电火花。

临床意义

对上述物理原理的透彻理解至关重要，因为它对学习高压和水下医学至关重要。物理学为理解高压环境中的环境应激因素和许多遇到的损伤的潜在机制提供了基础。水下和高压临床医生必须能够利用他们的物理和气体定律知识来正确诊断和管理水下和高压损伤和疾病。例如，内耳气压伤和内耳减压病可能提供类似的临床表现；然而，只有内耳减压病需要在再压缩舱中治疗。事实上，不仅HBOT不适用于内耳气压伤，而且可能会加重病情。治疗医生必须识别紧急的高压指示，并选择最合适的治疗方式。

Jones MW, Brett K, Han N, Cooper JS, Wyatt HA. Hyperbaric Physics. 2024 Jan 31. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan–. PMID: 28846268.