第二節 惰性氣體的飽和

一、飽和及飽和度

在化學中，“飽和”是指溶質在溶劑中的濃度達到最大溶解極限的狀態。

在本書中，“飽和”一詞的使用，與化學中的概念有所不同，而且除用作名詞、形容詞外，還用作動詞，依次列舉如下：

1.氣體溶入體液、組織，其張力與外界該氣體的分壓相等，即單位時間內進出溶解的分子數相等，呈現動態平衡的狀態稱為“飽和”。2.某種組織中溶解氣體已達飽和狀態，該組織稱為“飽和組織”。3.環境中氣體分壓高於體內組織中該氣體的張力時，依壓差梯度擴散人體內，隨著時間的推移，使體內該氣體的張力逐漸升高，直至壓差梯度消失，這一過程稱為“飽和”。

“飽和度”，是高氣壓醫學中用於表明飽和程度的術語。為便於將不同的飽和程度定量地表示和準確地計算並比較，把飽和狀態稱為完全飽和，而把未達完全飽和狀態稱為部分飽和。若部分飽和恰為所預期達到的完全飽和的一半，則為半飽和。

惰性氣體在體內的飽和度，常用百分數表示。如以100%飽和表示完全飽和，50%表示半飽和等。與此相對應，也用百分數表示飽和度的缺額，即表示尚未飽和的程度。飽和度和飽和度缺額互為消長，兩者之和為1。

二、半飽和時間和假定時間單位

半飽和時間是Haldane首先提出的，它是指“填滿”某類組織當時存在的惰性氣體飽和度缺額的一半所需要的時間，通常用符號 表示。比如：“填滿”血液或淋巴的氮氣的飽和度缺額的一半需要5分鐘，而“填滿”中樞神經系統灰質的氮飽和度缺額的一半則需要10分鐘；這5分鐘就被認為是氮在血液和淋巴等組織中的半飽和時間，10分鐘則為氮對中樞神經系統灰質等組織的半飽和時間。

以半飽和時間作為惰性氣體飽和的計時單位，稱為“假定時間單位”，假定時間單位(n)就等於實際時間(T)除以半飽和時間：

例如：人體在壓縮空氣中實際暴露40分鐘，就血液和淋巴( =5)而言，n=40/5=8個假定時間單位；而對中樞神經系統灰質 =10)而言，n=40/10=4個假定時間單位。

三、飽和過程
（一）通過呼吸-循環系統完成飽和過程

機體進入高氣壓環境以後，呼吸不同成分的氣體情況與此類似，呼吸氣中的超過血液中相應張力的氮會通過肺泡迅速擴散入血液，然後由動脈血液帶到全身組織。由於肺泡壁的面積和全身毛細胞血管的面積都非常大，它們的管壁都非常薄，因此，在肺和全身組織中進行的氣體交換可以說在瞬間即可完成。飽和過程的主要時間就花在氣體在血液中的運輸上，血液在全身循環一周約18秒。血液把氣體傳遞給組織後，回流的靜脈血重新與肺泡接觸，此時呼吸氣和血液之間的氮氣的壓差梯度已比前一次循環有所減小，由肺泡向血液以及由血液向組織擴散的惰性氣體也比前一次有所減少。如此周而復始。隨著時間的推移，組織內惰性氣體張力與外界該氣體的分壓達到平衡，肺泡氣，動脈血，組織，靜脈血各環節之間惰性氣體的壓差梯度都消失。

（二）飽和度的增長幅度按循環周次或假定時間單位數的增加呈指數關係遞減

在常壓下，體內的氮張力與空氣中的氮分壓一直處於平衡狀態。一般成年男性，體內所溶解的氮量約為1000ml。其中血液內的溶解量約39ml，約占溶解於體內總氮量的4%。機體剛進入高氣壓時，飽和度缺額為1，經過全身血液循環一周(18秒)，將為全身增加氮飽和度4%，餘下飽和度的缺額為“1－4%”；循環第二周，則再完成剩餘缺額的4%，即4%x(1－4%)，缺額為，依次類推，可見後一周所完成的飽和度比前一周按指數關係遞減(表4-2)。如此反覆進行，直到完全。

表4-2：以血液循環為計時單位推算氮飽和度

如果以假定時間單位為計時單位，那麼，在第一個假定時間單位內所完成的惰性氣體的飽和度為50%，飽和度缺額為50%。在第二個假定時間單位內，又“填滿”了第一個假定時間單位所遺缺額的50%，即50%x50%=25%，兩次累計飽和度達75%，這時飽和度缺額為25%。第三個假定時間單位內，又飽和了第二個假定時間單位所遺缺額的50%，即25%x50%=12.5%，累計飽和度達87.5%，此時飽和度缺額為12.5%。依次類推。隨著假定時間單位數的增加，飽和度的累積值越來越大，遺留的缺額越來越小(圖4-1)。

圖4-1：惰性氣體飽和度增長圖解
曲線上的圓圈，以空白表示飽和缺額所占比例，塗黑表示已飽和的比例

理論上，需要經無數個假定時間單位，才能接近完全飽和，但一般經過6個假定時間單位，飽和度達到98%時，即作為100%飽和。不同組織的  的具體時間不同，但在此時間單位內針對飽和度缺額所完成惰性氣體在組織中的飽和度的比例則相同。
經過了若干數目的假定時間單位(n)後所達到的累計飽和度(S)，可用下列公式算出：

通常，將此式簡化為：

根據此式可詳細計算不同假定時間單位暴露後的氮飽和度累積值（表4-3）

表4-3：以假定時間單位為計時單位計算氮飽和度

*通常用公式：

（三）惰性氣體在不同組織中的飽和速度不同

如果全身各組織氮溶解的各項參數都與血液相同，而且血液對各組織的灌流都十分豐沛，通暢，那麼，全身，全身的氮飽和度累積到50%，僅需5分鐘左右（表4-2）。然而，機體的各種組織成分與血液相差懸殊，氮在不同組織中的溶解系數相差甚遠，而且不同組織的血液灌流狀況差別也很大。因此，不同組織的半飽和時間不可能一樣，即在不同組織中的飽和速度不同。

若組織中含脂肪多，則因為惰性氣體在脂肪中的溶解度高於水中溶解度，張力上升慢，故半飽和時間長（慢）；若組織的血液灌流量大，因單位時間內可以溶入的惰性氣體多，溶解氣體的張力上升快，故半飽和時間短（快）。有些含脂肪多的組織，血液灌流豐富，半飽和時間未必很長；另有一些組織，含脂肪不多，但血液灌流較少，半飽和時間未必很短。當然，含脂肪多又血液灌流少的組織，半飽和時間會很長（“慢組織”）；含脂肪少又血液灌流很多的組織，半飽和時間會短（“快組織”）。

四、理論組織

Haldane根據氮氣在體內不同組織中的半飽和時間的不同，對組織進行分類，稱這樣分類的組織為理論組織。
根據半飽和時間的長短，Haldane將全身組織分為以下5類（Ⅰ~V）理論組織：
Ⅰ類組織： =5，又稱5分鐘組織，包括血液、淋巴等。
Ⅱ類組織： =10，又稱10分鐘組織，包括腺體、中樞神經系統的灰質等。
Ⅲ類組織： =20，又稱20分鐘組織，包括肌肉等。
Ⅳ類組織： =40，又稱40分鐘組織，包括脂肪、中樞神經系統的白質等。
Ｖ類組織： =75，又稱75分鐘組織，包括肌腱，韌帶等。

五類理論組織的半飽和時間雖各不相同，但只要假定時間單位數相同，所達到的飽和度就相等。經過各自的6個假定時間單位後，五類理論組織的飽和度均可達到98%。還可以根據各類理論組織的半飽和時間來推算它們各自“完全飽和”所需的時間（）。其計算公式為：=  x6。

按此公式計算，五類理論組織達到“完全飽和”所需的時間依次為：5x6=30分鐘；10x6=60分鐘；20x6=120分鐘；40x6=240分鐘；75x6=450分鐘。可見，半飽和時間越長的組織，達到“完全飽和”所需的時間也越長。但機體暴露於壓縮空氣下450分鐘後，氮氣在各類理論組織中都已“完全飽和”。

從以上的論述中，我們可以掌握兩個重要信息。首先，當人體呼吸一定體積分數（如2%）的氫氣後，人體內的氫氣濃度是逐漸增加的；其次，不同的組織氫氣濃度增加的速度是不一樣的。根據理論組織的規律，血液中的濃度首先增加，然後是腦組織，而某些慢組織增加的速度則非常緩慢。血液中可以在30分鐘達到最大飽和濃度，繼續呼吸氫氣在血液中的濃度也不會繼續增加，但腦組織則需要60分鐘才可以達到同樣的最大飽和濃度，其他組織需要更長時間。