氢气安全性：人类潜水试验

氢气医学所以备受重视，甚至被认为会改写现代医疗卫生模式，或对人类健康带来革命性影响，关键有两个原因。一是氢气对多种疾病预防治疗能产生作用，这方面还需更多研究来逐渐确认。二是氢气对人体的安全性巨大，几乎没有任何毒性。氢气的人体安全性比有效性更确定，是早就有非常明确的证据，所以家用吸氢机在生物学效应上是安全的，另外要考虑的是爆炸性。氢气的人体安全性证据最铁的就是人类氢气潜水实验。人在高压氢气环境下可以很长时间生活，并可以做一些工作。这是50年前国际上比较前沿的科技研究，其中美国和法国在这方面比较领先。

氢气对人体的安全性极大，最重要的证据来自人类氢氧潜水医学试验。开展氢氧潜水试验最早和最多的机构是法国COMEX公司，主要是上世纪80年代，该公司为了配合海上石油开采，建立更好的潜水技术，考虑到氢气用于潜水的优势开展了这一研究。先后进行了大量动物和人体试验，用最明确确定的证据证明氢气对人体的安全性。这是其中一篇早期氢气人体试验的文献资料。是1986年在美国得克萨斯休斯顿召开的第18届海上技术会议论文。Hydra V Hydrogen Experimental Dive to 450 Meters。

考虑到这一论文是氢气用于人体最早期也是最重要的资料，也是申请氢气医学临床研究关于氢气的人体安全性的伦理论证十分重要的参考资料。《氢思语》今天重点介绍给大家。

一、氢气用于潜水的研究历史

法国著名化学家拉瓦锡是最早命名氢，也是最早研究氢的生理作用的科学家。早在1789年，拉瓦锡和塞奎因曾经将氢作为呼吸介质进行动物实验研究。实验中，拉瓦锡等把豚鼠放入钟形玻璃容器内，使容器中维持生命的氮和氧保持一定量，然后添加氢，豚鼠在容器内呼吸氢氮氧三元混合气，历时8-10 h，未发现氢给机体带来任何不利影响。

1937年，英国Case和小Haldane把氢作为潜水呼吸气进行人体实验研究。他们把人暴露于1.1 MPa压力下，呼吸氢氧混合气5 min，未发现明显的生理变化；1941年前苏联Lazarev等把小鼠加压到9.1 MPa（相当900米海底），呼吸氢氮氧混合气，停留3分钟，尔后经过约1小时的减压，获得成功。这些早期研究初步证明，人和动物呼吸氢氧是安全的。

在美国等开展氦氧潜水实验的早期阶段，由于当时许多国家很难获得足够的氦，潜水员曾尝试其他包括氢混合气的潜水研究，其中最著名的例子是瑞典工程师Arne Zetterstrom进行的氢氧混合气潜水实验。氢氧混合气具有爆炸性，但在氧浓度低于4%时爆炸不会发生。常压下，4%的氧浓度无法维持生命，但在30米水下，即使4%的浓度氧分压也可以升高到16 kPa，就可以维持机体氧气的需要。1944年，Zetterstrom发明了安全配制氢氧混合气的方法，可将空气转换成低于4%氧的氢氧混合气并能避免发生爆炸。利用这种方法，他配制了氢氧混合气，并应用到潜水中。在30米深度，Zetterstrom先用含氧4%的氮氧混合气代替空气，然后用同比例的氢氧混合气代替氮氧混合气，采用这种技术，他成功下潜到110米。在这个深度，他变得异常兴奋，而且发生了明显的语音改变，甚至无法与水面进行电话通讯。

1945年8月7日，为了证明氢氧潜水技术在援救潜艇上能发挥重要作用，Zetterstrom成功进行了161米的现场氢氧潜水。由于无现成的氢氧潜水减压表，Zetterstrom根据自己的计算把第一停留站确定为50米。不幸地是，由于错误理解他来自水下的指令，水面支持人员未让他在50米停留，而是直接将他拉到水面，因为无法及时更换高分压氧的呼吸气，导致发生缺氧和严重的减压病，Zetterstrom为此献出了生命。尽管他死亡的直接原因不是呼吸氢氧，但这次事故直接导致此后多年氢氧潜水研究被中断。

1960年起，美、英、法、苏和瑞典等国再次相继开展氢氧潜水有关的动物实验。尤其是20世纪60年代末至70年代初，氢取代氦作为深海潜水用呼吸气体再次受到广泛重视。这期间的氢氧潜水研究，动物实验达到约1 000米深度，暴露时间达到24小时。人体实验深度也达到60米深度，暴露时间10 – 20分钟。70年代，Edel等进行氢氧模拟潜水实验，除研究氢氧对机体的影响外，还包括氢氧潜水的安全操作程序、减压方案和呼吸气体转换技术等问题。这个阶段最大的收获是发现氢能有效预防高压神经综合症。

随着海洋开发的不断推进，人们需要更大深度的潜水作业，推动了氢氧潜水研究的深入。在世界范围内，法国在氢氧潜水研究中一直居于领先地位。80年代初，法国COMEX公司开始实施以氢为主体的深海混合气HYDRA(水螅，含氢的意思)潜水计划，包括动物、人体模拟和现场实验，由安全性、医学生理学和潜水设备研制等三部分组成。先后进行了HYDRA III~VII模拟实验，从75~90米氢氧常规潜水到520米氢氧饱和潜水，其中，HYDRA V首次用氢进行4.6 MPa饱和潜水，潜水员完成了机械连接、水下切割和操作等潜水作业任务。

1983年6月，法国COMEX公司开始执行HYDRA计划。1983年由潜水员兼公司总裁Deulaze领导，在位于马赛附近海域进行了91米的HYDRA III潜水实验，呼吸混合气组成是氢95%氧5%，未发现氢麻醉作用，体热散失效应类似于氦，呼吸阻力低于氦。1983年11月又进行了300米 HYDRA IV人体模拟实验，受试者6人(2名医生，3名职业潜水员，1名工程师)，呼吸氢氦氧三元混合气，比例分别为74:24:2。心理学检查发现，视觉反应时间、计算能力、记忆力等效应均小于80米空气潜水，且小于98:2，深度为240米的氢氧潜水。呼吸98:2氢氧混合气时，180米深度开始出现麻醉，与氮麻醉情况不同，氢麻醉的主要表现为幻觉，麻醉程度也低于氮麻醉。氢氧潜水时心率变化小于氦氧潜水。氢潜水人体模拟实验后，血、尿、神经系统和呼吸功能方面等指标均未发现异常。同时进行了动物氢氧潜水实验，40只小鼠在600米深度暴露40小时，减至常压后，心、肝和肺等组织学检查未发现异常改变。

二、HydraV潜水试验

https://pan.baidu.com/s/10_A5F5WVIAlpkTdVQ3tgPw

1985年5-6月，法国COMEX马赛高气压研究中心开展了HYDRA V人类氢氧潜水试验。这次试验中，6名潜水员居住在450米深度模拟舱内，气体成分为氢气、氦气和氧气（氢氦氧三元混合气）。

传统的氦氧大深度潜水受到两个因素的制约，一是超过300米深度的高压神经综合症，二是气体密度对肺通气的损伤。氢气由于具有一定麻醉作用，对预防高压神经综合症有一定价值，另外由于氢气的分子量更小，对减少肺通气损伤也有帮助。

HYDRAV是人类首次成功实施的氢气饱和潜水试验。从生化测定结果看，这次潜水试验非常成功，不仅避免了高压神经综合症，而且潜水员更容易呼吸。试验结果表明，氢气对于400-600米深度的大深度饱和潜水有很大应用前景。

高压神经综合症是250米深度以上出现的中枢神经系统不良反应，随着潜水深度增加而严重，是影响潜水作业效率，制约大深度潜水的重要因素。另外随着深度增加，呼吸气体的密度越来越高，呼吸阻力也会相应增加，这会增加潜水员的呼吸负担，影响工作效率。解决高压神经综合症的有效方法是增加一些具有麻醉作用的气体，例如氮气或氢气。减少呼吸阻力只能使用密度更小的气体，比氦气密度小的气体只有氢气。氢气是唯一能满足两个标准的气体，氢气不仅具有一定麻醉作用，而且密度更小这样两种特征。

为配合海上油田工业，法国COMEX公司在海上和马赛高压研究中心实验室开展大深度氢氧潜水人体试验研究。

HydraIII，1983年6月，潜水深度为75米和91米。

HydraVI，1983年11月，舱内潜水深度为120、150、180、240和300米。

HydraV，1985年5-6月，舱内饱和深度450米。

这些试验的成功给氢气在潜水医学技术中的应用奠定了重要基础。

历史上曾经使用氮气对抗高压神经综合症，例如1977年法国COMEX当时世界最大深度潜水501米JANUS IV就使用了氦氮氧三元气体，气体比例分别是氦气94%、氮气5%和氧气1%。这种混合气的密度是10.5g/L，如果不用氮气，气体密度是8.2g／L，能减少22%。大量的氮气会增加潜水员呼吸阻力，降低呼吸舒适度。如果用氢气替换氦气，气体密度可以降低50%。

麻醉气体的麻醉强度和气体分压有关，例如空气潜水一般在50米深度会产生明显的氮麻醉，到70／75米以上麻醉作用变的非常严重和危险。为了研究氢气的麻醉作用，1983年11月法国COMEX公司进行了Hydra VI氢氧潜水试验，分别让6名氦氧饱和潜水潜水员（3名职业潜水员3名科学潜水员）在120、150、180、240和300米深度呼吸氢氧二元和氢氦氧三元混合气。180米深度时，有些潜水员开始出现氢气麻醉症状。此时潜水员呼吸的气体为2%氧气和98%氢气的二元混合气，氢气的分压为18.6bar。240米深度呼吸同样氢氧混合气，氢气分压为24.5bar。300米深度呼吸氢氦氧三元混合气，分别对两种比例进行了试验，其中一种混合气是氢气浓度为74%（氢气分压22.9bar），氦气浓度24%，氧气浓度为2%。另一种混合气中氢气浓度为59%（分压18.3bar），氦气浓度为39%，氧气浓度为2%。

在这个300米深度下，对氢气的麻醉效应进行了全面分析（图1）。

300米氢氧饱和潜水试验Hydra V的目的。这一饱和潜水试验是基于过去人体试验基础，尤其是300米氢氧人体试验成功的基础上开展的近一步研究。技术上，是为了确定氢饱和潜水作业程序，建立氢气环境下的生命保障系统，为未来的工业应用建立基础，确定设备和程序的安全性。生理上，是为了研究氢气对抗高压神经综合症的作用。研究氢气长期高压暴露的人体安全性。控制从氢气向氦气环境转换时等压逆向扩散。研究干舱和湿舱内休息和运动情况下呼吸通气功能。提醒大家注意，这一潜水试验的重要目的是证明持续高压氢气暴露的人体安全性。

加压舱是完成这一研究的核心设备，本试验需要有两大舱群，一个是氦氧舱群，一个是氢氦氧舱群，考虑到大家对潜水技术并不注重，这里省略200字（图2）。

图2 氢氧潜水舱群系统

氢气潜水的安全性

氢气作为一种爆炸气体，物理安全性是及其重要的内容，文章也专门进行了描述。空气中氢气可以爆炸燃烧的浓度是4%-74.5%。氧气环境下，4%-94%。Hydra V试验前，研究小组已经对氢气在三种气体混合情况高压下燃烧极限浓度进行了分析。

当氧气浓度低于4.4%，750米以下深度都不会发生燃烧。也就是说这种氧气浓度情况下，氢气浓度无论多少都不会燃烧。为了保证安全，试验将这种安全度近一步提高，规定在使用氢气时氧气浓度不超过2%。在整个减压过程，氢气浓度不超过4%。

 

在高压下通过控制氧气浓度可避免氢气燃烧和爆炸的可能，但如果高压氢气从舱内泄露，遇到高浓度氧气的空气，仍然有燃烧和爆炸的危险。出现这种情况会非常危险。为避免氢气泄露导致这种意外发生，试验中把所有管路都更换为不锈钢或铜质材料。氢气舱体外覆盖一个外罩，这个外罩通过高度气体交换管道和室外相通。氢气浓度分析，用不同浓度代表泄露氢气的速度，其中0.15%代表气体释放速度2万立方米/小时，0.5%则代表4万立方/小时。

加压前准备阶段

潜水队分AB两组，A组从1985年5月3日到7日，B组从5月7日到11日对潜水员进行集中管理。潜水员在10米深度呼吸氦氧混合气，进行心脏和神经功能检查，作为基础生理指标。

加压阶段

5月7-9日A组进行加压，5月13-14日B组进行加压。加压总时间为38小时，其中在100米，200米、300米和400米深度停留2.5小时。200米前使用氦气加压，200-450米使用氢气进行加压。450米深度三元气体比例分别是氧气为0.87%，氦气为44.78%，氢气为54.35%。这种三元混合气体密度为5.5g/L。

高压停留阶段

A组从5月9-10日在干舱内进行生理、心理、生物和医学检查。5月11日先在12.5bar氢气分压下停留8小时后转移到氦氧舱内。进入到氦氧舱后立刻表现出高压神经综合症，24小时内症状消失。有等压气体逆向扩散产生循环气泡的证据，通过20米加压（470米）治疗后消失。5月12日减压回到450米。5月14-15日，参考450米氦氧潜水进行分析。

B组从5月14-17日，在干舱内进行生理心理和生物医学分析，18-19日进行水下作用情况下进行心肺功能分析。

A组5月17日用氦氧二元气体开始减压，5月31日减压完成。

B组19日开始用氢氦氧三元气体减压，5月31日加压到157米后转换为氦氧混合气继续减压，6月7日减压完成。

试验结果表明，在技术上非常成功。在生物医学方面，潜水员呼吸高压氢气进行大深度潜水在预防高压神经综合症方面有明显优点。潜水员长时间暴露在25bar氢气高分压下是无害的，酶学和组织学血液分析数据显示，整个高压氢气暴露过程和结束后1周都没有明显变化。

三、氢气安全性的后续研究

1986年11月，Fructus等实施了520 m HYDRA VI模拟潜水实施，8名潜水员参加，在水温为4 ℃的模拟舱内进行了25次模拟作业。实验重点对BOS型头盔式潜水呼吸器等潜水装具进行了测试。

1988年2月，COMEX公司在地中海进行了HYDRA VIII现场氢氧混合气饱和潜水实验。6名潜水员参加。2月21日开始加压，28日到达520 m深度，此后5~6 d，6名潜水员分别在520 m海底进行了多次潜水作业实验。

1989年9月，COMEX公司又进行了HYDRA IX 300 m停留14 d氢氧饱和潜水模拟实验。实验目的包括: ⑴使用氢氧的最小和最大深度限度；⑵长期(49 d)高压氢环境暴露对人体生理功能的影响，⑶长期在压力舱内(73 d)幽禁、隔绝对人的精神行为的影响。完成潜水医学、神经生理、心理、通气和心血管功能、生化、热和体液平衡、减压程序和潜水专家系统等。

20世纪90年代，COMEX公司又相继进行了680 m饱和巡潜701 m(HYDRA X)和750 m (HYDRA XI)人体模拟氢氧饱和潜水实验，750 m是目前人类高压暴露的最大深度记录。目前COMEX已经实施了HYDRA XII实验，深度为210 m，潜水员在此深度下进行28次潜水，其中4次为氦氧潜水，4次为氢氦氧潜水。实验时，在船上饱和舱内，潜水员呼吸氦氧混合气，在海底作业时呼吸氢氧混合气。实验探讨了现有设备用于氢氧潜水时的可行性和水下呼吸气体转换时闭式呼吸系统(由氦混合气转换为氢混合气)的情况。每次潜水持续2~6 h，呼吸氢氧混合气时，潜水员思维分析能力和作业能力均正常。实验结果证明，在中或大深度潜水中氢是一种最佳呼吸介质，“舱内用氦—舱外用氢”（在船上饱和舱内，潜水员呼吸标准的氦混合气；在海底作业时，他们呼吸氢混合气）的新颖潜水技术是完全可行的。采用这项新技术，原来所有能实施氦氧混合气大深度潜水作业系统只需简单改装，即可使用氢作为呼吸介质。