弥散效果

弥散效果（通用7篇）

弥散效果 篇1

0 引言

在高原环境下,随着海拔的升高,空气中氧分压随之降低,人体若突然或长期暴露在低压低氧环境中将引发低氧血症。由于人的神经组织对内外环境的变化最为敏感,因此在缺氧条件下,脑功能损害发生的最早,损害程度也比较严重,且暴露时间越长,损害越大,特别是对感觉、记忆、思维和注意力等认知功能的影响显著而持久[1,2,3,4]。我国高原地域辽阔,目前周边形势不容乐观,一旦战事突发,大批部队将迅速进驻高海拔地区执行军事任务,在极其恶劣的环境下,如何确保部队官兵保持清醒的头脑和充沛的体力将是保证部队战斗力的关键。

国内外学者系统研究[5,6,7,8,9,10,11,12,13]表明,建立富氧室能帮助高原移居者(平原急进高原人群)明显改善睡眠质量、调整人体内环境、提高机体的有氧代谢能力和血氧饱和度(Sp O2)、降低心率(heart rate,HR)、加快疲劳恢复、增强协调能力、促进高原习服,提高精神活力、劳动能力、健康水平和工作效率,是高原部队提高作业效能的理想措施。

然而,目前在高原低压低氧环境下,用于快速构建富氧室的传统制供氧设备却一直不尽如人意,譬如:氧气瓶容量有限,需反复灌充;变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)制氧设备能耗大,产氧流量小,也不适于机动伴随保障;化学产氧剂储运困难,不符合战备需求。基于此,为了克服高原缺氧对部队官兵战斗力的影响,针对高原野战环境下富氧室构建的特殊供氧需求,研发新型抗缺氧装备就显得尤为重要。

1 高原弥散富氧机的研制

1.1 膜法空分富氧技术原理

膜法空分富氧技术是气体分离膜研究的热点之一[14,15],发达国家称之为“资源的创造性技术”,具有常温操作、装置简单、能耗低、分离效率高等优点。膜法富氧是指在一定压力作用下将空气透过高分子富氧膜,根据空气中各组分在压力差的推动下透过膜的渗透速率不同,渗透速率相对快的气体,如水汽、二氧化碳、氧气等透过膜后,在膜的渗透侧被富集,而渗透速率相对慢的其他气体被滞留在膜的滞留侧排出,从而达到空气制取富氧的目的[16,17]。

高分子富氧膜分为多孔膜和非多孔膜(均质膜),目前主流气体分离膜为非多孔膜,其分离机制(如图1所示)如下:首先是气体与膜接触[如图1(a)所示],气体混合物中的渗透组分在高压侧溶解在膜表面上(溶解过程)[如图1(b)所示],其次是渗透组分在溶解产生的浓度梯度作用下从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜的低压侧(扩散过程),随后在膜的低压侧解吸到气相(解吸过程),此时,过程尚处于非稳定状态[如图1(c)所示],待膜中的渗透组分浓度梯度沿膜厚方向变成直线时达到稳定状态[如图1(d)所示],从这个阶段开始气体由另一面解吸出去的速度变为恒定。

1.2 高原弥散富氧机结构

高原弥散富氧机由壳体、滤网、风机、板式富氧膜组件、无油真空泵、消音缓冲器、出氧口、富氧新风弥散管路等组成。空气通过滤网及风机进入壳体内,使板式富氧膜组件周围保持“新鲜”空气,板式富氧膜组件以空气为原料富集富氧气体,真空泵通过在膜组件内外侧形成压力差,将富氧新风经出氧口及富氧新风弥散管传送至已搭建的密闭富氧室(如图2、3所示)。

板式富氧膜组件框架中固定有不少于1层并排排列并互相留有空隙的高分子富氧膜板,每层高分子富氧膜板顶部设有抽气孔,这些抽气孔通过抽气汇管与真空泵的进气口连通。板式富氧膜组件相对风机设置,风机采用高速风机,转速可达2 000 r/min,给通过滤网的空气以动力,使其沿着膜板之间的空隙方向流动,维持高分子富氧膜板周围的新鲜空气。滤网滤孔直径为0.75 mm,主要目的是为了滤除空气中直径大于0.75 mm的尘埃及其他杂物,防止设备长期使用致使尘埃等于设备内部堆积,影响壳体内部富氧膜组件及真空泵的使用寿命。

1.3 技术参数设定

工作电压:220 V/50 Hz;工作噪声:≤60 d B(A);额定功率:<1.6 k W;工作环境温度:-40~+45℃;出口压力:0.06 MPa;氧气流量:16 m3/h;氧气体积分数:(30±3)%;使用海拔:6 000 m以下。

2 高原实地应用效果评价

在海拔3 866 m的格尔木小南川地区,我们对自主研发的高原弥散富氧机进行了实地效果测试(如图4所示),分别对设备自身性能参数和人员试用效果进行了测试和分析,旨在检验高原弥散富氧机实地应用效能。

2.1 实验仪器与设备

选用11 m×4 m×2 m的野战折叠式网架医用帐篷建立富氧室,帐篷搭建完毕后,高原弥散富氧机可迅速展开安装,考虑到帐篷内部气流梯度场的问题,我们设计在帐篷两侧分立2台高原弥散富氧机,4根富氧新风弥散管分别于帐篷两侧平伸到帐篷内部(如图5所示),形成对流。

氧体积分数检测采用磁氧原理的氧气分析仪(德国西门子OXYMAT-61型),气体流量检测采用玻璃转子流量计(LZB-6WB型),环境参数采用温湿度检测仪(Vic-tor 231型),Sp O2和HR的检测采用指套式脉搏氧检测仪(西安蓝港)。

2.2 实验对象

随机选取平原地区急进高原海拔3 866 m执行作训任务的部队官兵20名(均为男性),年龄25~53岁(平均34.7岁),无既往病史,近期均没有服用任何药物,均自愿参加实验。

2.3 设备性能测试

富氧帐篷搭建完毕后,为了测试高原弥散富氧机的富氧性能,我们对富氧帐篷4个弥散口的富氧体积分数、流量以及帐篷内外温湿度进行连续12次检测(9:00—20:00,读数间隔1 h),统计不同时间点设备的各项性能指标,评估高原弥散富氧机的富氧效果。

2.4 应用效果评价

在安静状态下,首先对20名受试者进入富氧帐篷前的Sp O2和HR进行测量,而后令其进入富氧帐篷休息,1 h后重复以上测量,行自身前后对照实验。

2.5 统计学分析

所有数据均以x軃±s表示,用SPSS 13.0统计学软件进行配对t检验,显著性水准设为0.01。

3 实验结果

3.1 设备性能测试结果

在海拔3 866 m,基于高原弥散富氧机搭建的富氧帐篷,其4个弥散口(A、B、C、D)的富氧体积分数、流量以及富氧帐篷内外温湿度随时间的变化情况如图6所示。

如图6所示,机器运行12 h,性能稳定,富氧体积分数和流量随时间变化在一定范围内波动,并呈现出体积分数随室外温度上升而下降、流量随室外温度上升而上升的趋势,波动在允许范围之内。

富氧后帐篷内部温湿度较外部均有明显升高,温度分别为(27.6±3.9)、(18.2±3.2)℃,P<0.01;湿度分别为(42.9±7.1)%RH、(38.9±7.1)%RH,P<0.01(见表1)。

注:*表示与帐篷外部相比,P<0.01

3.2 应用效果评价

在静息状态下,受试者进入富氧室前后人体Sp O2和HR的变化情况见表2。

注:*表示与富氧前相比,P<0.01

由表2可看出,与富氧前比较,富氧后Sp O2显著增加,HR明显降低,2个指标的差异均具有统计学意义(P<0.01),可认为依据高原弥散富氧机搭建的富氧帐篷对急进高原人群的Sp O2和HR有明显改善作用。

此外,在实验期间,受试者普遍感受进入富氧帐篷休息后,精神状态改善,头晕症状消失,协调能力增强,作业能力和工作效率提高。

4 讨论

West等[18]指出在高海拔地区尤其在4 000 m以上时,氧体积分数每升高1%将降低等效海拔300 m左右(如图7所示)。高原弥散富氧机的成功研制,使得在野外环境下迅速搭建富氧帐篷(室)成为可能,实验数据显示,该富氧帐篷能有效降低等效海拔1 590~2 280 m,显著提升受试者Sp O2水平,降低受试者HR水平,抗缺氧作用明显,且对心肌有保护作用,说明该富氧帐篷有望缓解高原低压低氧对人体的影响。此外,由于膜法空分富集氧气的同时也富集空气中水汽,加之泵体运转发热对产品气的增温效果,该高原弥散富氧机可适度增加帐篷内的温湿度,提高富氧帐篷内环境的舒适性,非常适合在高原极地环境中使用。试想,如果部队指挥所设置在富氧帐篷内,将有助于指战员保持清醒的头脑和充沛的精力,从而做出正确的作战指令;战斗小分队在执行任务前后在富氧帐篷休息一晚,对恢复机体因缺氧造成的代谢功能不足、缓解机体疲劳是非常有益的,能明显提高官兵的作战能力。

实验过程中也发现了一些问题,例如:(1)现有网架帐篷搭建困难,初入(急进)高原官兵作业效能下降明显,搭建帐篷较为吃力,易造成过度疲劳;(2)在夏季,由于高原紫外线辐射强,富氧帐篷相对密闭,透气性差,空气不流动,造成午时富氧帐篷内部闷热异常;(3)因部队驻训帐篷展收频繁,多处破损、漏气,用其搭建富氧室很难使帐篷内氧气体积分数达到预期值;(4)现有帐篷门开关烦琐,人员进出费时费力,而且容易造成富氧气体外泄;(5)高原弥散富氧机流量稍小,达到预期浓度所需时间过长;(6)野外环境下对电源的依赖性较大,需发电车保障;(7)本实验效果评价指标过于单一,需进一步系统验证。

针对发现问题,课题组拟下一步对高原弥散式富氧帐篷进行改进,措施如下:(1)为摆脱野外作业环境下对发电车的依赖,拟采用风光互补发电装置为弥散富氧机提供动力;(2)优化高分子富氧膜,提高弥散富氧机的流量和体积分数;(3)研制气肋型自动充气帐篷,在保证气闭性的同时提升展收便捷性,降低官兵在高原环境下的作业强度;(4)在帐篷一侧设置缓冲门(内、外门),采用磁石密闭门帘褡裢结构设计,中间设置缓冲室,提高帐篷的气密性能,方便人员进出。综上所述,经过改进后的高原弥散富氧机结合气肋型自动充气帐篷,经模块化设计,将显著提高高原弥散富氧帐篷的性能指标和使用效果,有望改善高原部队官兵的生活环境,提高作业效能。

摘要：目的:针对高原低压低氧环境,研制一种可依托部队营房/帐篷快速构建富氧室的新型制供氧设备,并进行实地实验测试。方法:采用膜法空分富氧技术研制高原弥散富氧机,结合野战工作帐篷在海拔3 866 m搭建富氧室,对富氧室4个弥散口的富氧体积分数、富氧流量以及帐篷内外的温湿度进行12 h连续观测,并征集20名受试者,在静息状态下分别检测进入富氧室前后的脉搏血氧饱和度(SpO_2)和心率(heart rate,HR),并进行统计学分析。结果:富氧室弥散口富氧体积分数为26.3%~28.6%、富氧流量为125.1~164.0 L/min,富氧后帐篷内部温湿度较外部均有明显升高,温度分别为(27.6±3.9)、(18.2±3.2)℃(P<0.01),湿度分别为(42.9±7.1)%RH、(38.9±7.1)%RH(P<0.01)。静息状态下,进入富氧室1 h后,受试者SpO_2明显升高(P<0.01),HR显著降低(P<0.01)。结论:该膜分离高原弥散富氧机性能稳定、操作简单、使用方便,抗缺氧效果显著,有望改善高原官兵生活环境,提升作战能力。

关键词：高原,膜分离,弥散,富氧机

弥散效果 篇2

1 资料与方法

1.1 一般资料

择期拟行剖宫产手术的患者90例，年龄20～35岁，无连续硬膜外麻醉禁忌证，既往无椎管内麻醉史，美国麻醉医师协会（ASA）分级Ⅰ～Ⅱ级，采用随机数字表法分为三组。2%利多卡因（批号：1207B13，上海朝晖药业有限公司）组（A组），拟行剖宫产手术的初产孕妇30例，年龄20～35岁，孕38～42周，无连续硬膜外麻醉禁忌证，既往无椎管内麻醉史，美国麻醉医师协会（ASA）分级Ⅰ～Ⅱ级。0.5%左布比卡因（批号：11012433，江苏恒瑞医药股份有限公司）组（B组），拟行剖宫产手术的初产孕妇30例，年龄20～35岁，孕38～42周，无连续硬膜外麻醉禁忌证，既往无椎管内麻醉史，美国麻醉医师协会（ASA）分级Ⅰ～Ⅱ级。0.894%罗哌卡因（批号：20110613，陕西博森生物制药股份集团有限公司）组（C组），拟行剖宫产手术的初产孕妇30例，年龄20～35岁，孕38～42周，无连续硬膜外麻醉禁忌证，既往无椎管内麻醉史，美国麻醉医师协会（ASA）分级Ⅰ～Ⅱ级。

1.2 方法

所有患者入室后均给予面罩吸氧，氧流量2 L/min，监测患者心电图、脉搏氧饱和度、无创血压。取左侧卧位，选择L2～3为穿刺点，硬膜外腔置入导管，留管3.5 cm。所有患者均给予2%利多卡因3 ml作为实验剂量。5 min后若无全脊髓麻醉及导管误入血管征象，A组给予2%盐酸利多卡因3～5 ml，间隔5 min，阻滞范围达S3～5～T8～6时停止给药，开始手术。B组给予0.5%盐酸左布比卡因、C组给予0.894%甲磺酸罗哌卡因，给药方法同A组。胎儿娩出后静脉注射缩宫素20 U，术中收缩压低于术前30%或小于90 mm Hg时静脉推注麻黄素10～15 mg，同时加快静脉输液速度，心率<55次/min时给予阿托品0.3～0.5 mg静脉推注。

1.3 观察指标

(1）记录各组手术开始时局麻药用量。（2）观察并记录胎儿娩出后10 min时各组感觉平面阻滞范围。（3）肌松程度的主观评定：所有手术均由同一医生完成，并给出主观评分。1分为松弛度差，2分为松弛度良，3分为松弛度优。（4）由同一助产士评估并记录新生儿阿氏评分。

1.4 统计学处理

采用SPSS 13.0统计学软件进行分析，计量资料以（x-±s）表示，组间比较采用t检验，组内比较采用配对样本t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

A组及C组用药量均显著低于B组（P<0.05）；胎儿娩出后10 min,C组感觉平面阻滞范围显著高于B组，但与A组比较差异无统计学意义（P<0.05）；术中肌松效果B、C组均显著优于A组，但B组和C组比较差异无统计学意义（P>0.05）（表1）。三组新生儿阿氏评分比较差异无统计学意义（表2）。

*与A组比较,P<0.05;△与B组比较,P<0.05-

3 讨论

连续硬膜外腔麻醉是国内剖宫产手术常用的麻醉方法，为了胎儿顺利娩出，需要良好的镇痛、肌肉松弛度，同时还要求所用麻醉药物对产妇及胎儿的生理干扰尽可能的减少。利多卡因，布比卡因，罗哌卡因都可应用于剖宫产硬膜外腔麻醉，但布比卡因因为其心脏毒性大，误入血管后致死率高，现已不再单独使用，甚至有逐渐停止用于硬膜外腔麻醉的趋势[3]。左布比卡因、罗哌卡因是近年临床常用的局麻药，与布比卡因比较，其毒性低，安全范围相对较大，镇痛，肌松效果良好。

长效酰胺类局麻药布比卡因是由左旋体和右旋体等量混合的消旋体型，布比卡因其中枢神经系统和心脏毒性来源于右旋体，左布比卡因是其左旋体[2]。左布比卡因麻醉效能与布比卡因相仿，但是去掉了右旋体，所以神经和心脏毒性明显降低，使用更安全，因而更适合剖宫产手术的麻醉。左布比卡因低浓度时感觉和运动阻滞分离，高浓度时对中枢神经系统和心脏毒性远较布比卡因小[4]。甲磺酸罗哌卡因是一种国产新型长效酰胺类局麻药，其离解常数与罗哌卡因盐酸盐相近，在化学结构上将盐酸罗哌卡因盐酸根改为甲磺酸根[5]。甲磺酸罗哌卡因是将盐酸罗哌卡因的盐酸根改为甲磺酸根后仅改变其理化性质而未改变其药理作用[6]。将其酸根改为甲磺酸后在4℃放置10 d未出现盐酸罗哌卡因在使用过程中的析晶现象，增强了其稳定性，便于贮藏。药理、药效实验研究表明，甲磺酸罗哌卡因局部麻醉作用的起效时间、维持时间与相同剂量的盐酸罗哌卡因作用相似[7]。

已有研究显示，约90%的临产妇在平卧位时下腔静脉被增大的子宫压迫，严重时可完全阻塞。下腔静脉受压时，静脉血可通过椎管内静脉丛、椎旁静脉丛及奇静脉等回流至上腔静脉。这可引起椎管内静脉丛怒张、硬膜外间隙变窄。因此在硬膜外麻醉时，产妇的局部麻醉药的用量应相应减少[8,9]。本研究中采用少量分次向硬膜外腔推注局麻药的方法，可防止阻滞范围过广，产妇血流动力学指标剧烈搏动，提高麻醉的安全性。剖宫产手术胎儿娩出时，腹部加压是临床产科医师常用的手法，这可导致硬膜外麻醉阻滞平面在胎儿娩出后10 min左右再次上升，上升节段的多少与所用局麻药的弥散效果强弱有一定关系[10]。本研究发现，2%利多卡因，0.5%左布比卡因，0.894%甲磺酸罗哌卡因在安全剂量范围内麻醉效果均能达到剖宫产手术的要求，对新生儿阿氏评分的影响差异无统计学意义。达到预定阻滞范围时，2%利多卡因和0.894%甲磺酸罗哌卡因的用量显著低于0.5%左布比卡因；胎儿娩出后10 min,2%利多卡因和0.894%甲磺酸罗哌卡因的阻滞范围也显著大于0.5%左布比卡因。上述研究结果显示，2%利多卡因和0.894%甲磺酸罗哌卡因的硬膜外腔弥散效果显著优于0.5%左布比卡因，但2%利多卡因与0.5%左布比卡因和0.894%甲磺酸罗哌卡因比较，肌松效果较差。

综上所述，上述三种局麻药均可安全用于剖宫产手术硬膜外腔麻醉，2%利多卡因和0.894%甲磺酸罗哌卡因在剖宫产患者硬膜外腔的弥散效果显著优于0.5%左布比卡因，但2%利多卡因的肌松效果显著低于0.894%甲磺酸罗哌卡和0.5%左布比卡因。0.894%甲磺酸罗哌卡是剖宫产手术硬膜外腔麻醉较为理想的局麻药。

参考文献

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弥散氧的开发与应用 篇3

1 氧气的作用和缺氧的危害[1]

生命离不开氧气。氧气是人体新陈代谢的重要物质, 是心脏的动力之源, 是人类进行生命活动的不可或缺的要素。在人体得到充足的氧气供应的情况下, 人体通过进食获取的蛋白质、脂肪、糖等营养物质才能转化成能量, 供给人体各个组织器官, 保证生命运动的需要。人的生命运动需要源源不断的气态氧。

然而, 在高原地区, 随着海拔的升高, 大气压力随着降低, 空气中的氧含量随之降低, 根据相关的实验测量数据, 海拔高度、环境大气压及空气中的氧含量的关系如图1所示。

当海拔高度超过2000 m时, 由于气压降低 (只相当于海平面大气压的78%) , 使大气含氧量骤降22%, 一般人体就有不同程度的缺氧反应 (俗称高原反应) , 当海拔继续升高时, 就会表现明显的症状:头疼、头晕、胸闷、气短、呼吸急促、心率加快、口唇发紫、血压升高、腿软无力、失眠多梦等。海拔4000 m时, 大气含氧量只相当于海平面大气含氧量的60%, 即使是身体素质较好者, 在7~15 d的适应时间后, 上述明显的反应基本消失, 但也会体力不足, 影响工作和休息。

缺氧对呼吸系统的影响及常见病变:呼吸频次加快, 在疲劳或感冒情况下, 极易出现肺气肿, 一旦处理不善就会危及生命!

缺氧对内循环系统的影响及常见病变:血氧饱和度降低, 心跳加快, 出现心脏变大, 心肌缺血和血红蛋白含量超标;

缺氧对消化系统的影响及常见的病变:消化能力下降, 营养吸收不充分, 经常腹泻, 人明显消瘦;……

缺氧后果的严重程度, 同缺氧的持续时间有很大关系, 及时纠正缺氧, 可以避免或减少组织器官的损伤。

我国有青藏高原、云贵高原等约占国土面积四分之一的高原地区, 西藏地区的平均海拔在4500 m以上。近年来, 每年到西藏工作或旅游的人数在600万以上, 这些人从平原来到高原都会或多或少的受到高原反应的困扰, 甚至有个别人员因为缺氧带来的病变被夺去宝贵的生命。

例如, 西藏高原上的机场现有环境无法达到飞机过夜条件, 原因之一就是高原缺氧、低压, 人员高原反应强烈。初上高原适应期一般需要5~7 d, 飞行人员一般在拉萨过夜时间为1~2 d, 即还未过适应期, 飞行人员就回到低海拔地区, 对身体影响较大。而克服飞行人员的高原反应就需要给飞行人员创建一个富氧环境, 消除缺氧症状, 让其休息好, 保证充沛的体力和精力。

2 弥散氧的提出

一般来说, 用于补充各种环境性缺氧、繁重脑力劳动者、老年人、孕妇和慢性病康复期病人的生理性缺氧, 作为预防缺氧的, 称为氧保健。氧保健的科学研究, 已经在世界范围内得到重视, 人们对氧供应影响人体生理、病理复杂机制的认识不断深化。随着认识的深化, 氧保健将在预防医学、临床医学、职业病医学、老年医学等领域进一步广泛应用, 氧保健将在各种人群中得到广泛认同, 进入工作、休闲等领域。氧保健应用领域的扩展也带来了对供氧方式的变革要求, 从医院的专业式输氧、高压氧舱的特定方式吸氧发展到要求改善工作生活的用氧环境, 从供应纯氧发展到模拟大气环境的最佳用氧浓度。

人体主要是通过肺部呼吸 (皮肤也有少量的呼吸功能) 来达到吸取氧气, 排出二氧化碳等废气的机能, 肺部进行气体交换主要是靠气体扩散原理来实现的, 而气体产生扩散运动必须存在分压差。但是我们生存的大气环境的氧浓度 (20.93%) 几乎是保持不变的, 在同一海拔情况下氧分压几乎一样。要想进一步提高呼吸效率, 提高人体的携氧量, 就必须人为提高氧分压, 途径主要有提高氧浓度或者大气加压, 我们知道进行大气加压是行不通的, 所以最好的解决方案就是提高氧浓度。

弥散氧就是通过提高相对封闭空间 (比如卧室、办公室等) 的氧含量 (氧浓度) 来改善人体所在的外环境, 使人体沐浴在一个富氧的环境中, 从而达到改善人体呼吸内环境, 促进代谢过程的良性循环, 以达到缓解缺氧症图3弥散氧设备示意图状、促进康复和预防病变, 增进健康的目的。

同传统吸氧方式相比, 弥散氧是直接提高人体所处环境的氧含量, 不需要佩带各种呼吸面罩或者喷嘴, 解除了传统吸氧方式的各种束缚, 使人体能在一个舒服、自由甚至毫无察觉的条件下进行氧保健, 甚至可以连续24 h不间断使用, 使你的工作、休息都能保持在一个富氧环境中。弥散氧保健, 无需专门指导, 相对于传统吸氧方式有效的避免了因为吸取纯氧和高压氧所引起的氧中毒的风险。

另外弥散氧设备使用的吸附剂 (沸石分子筛) 具有对有毒性气体 (如:SO2、NO等) 强的吸附性能, 能起到净化空气的效果, 效果快速而肯定, 有益而无害。

因此, 温州瑞气医用分子筛制氧机在进行市场开发的过程中, 与西藏航空达成合作共识, 共同开发一种舒适的吸氧方式, 即给空乘人员创建一个氧含量充分的环境, 消除空乘人员在高原机场工作引起的缺氧症状, 使其休息好, 保证充沛的体力和精力, 并定名为“弥散氧”。此项目需要将室内氧含量提升并自动稳定在一个安全范围内, 使空勤人员摆脱了传统鼻吸式供氧的鼻吸管的束缚, 可以得到自由的休息。

3 弥散氧设备的选择[2,3]

变压吸附 (Pressure Swing Adsorption, PSA) 的基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性, 通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。PSA空分制氧使用的吸附剂一般为分子筛, 特别是5A沸石分子筛。由于N2、O2分子的偶极矩不同, N2分子的偶极矩大于O2的偶极矩, 吸附剂中的阳离子与N2的作用力大于O2, 使得N2的平衡吸附容量高于O2, 在中、低压 (如0.6 MPa) 下分子筛优先吸附氮气, 从而达到分离氮、氧的目的。然后通过降压将吸附的氮气从吸附剂中解吸出来, 达到吸附床层的再生。

变压吸附法制氧较其他方法制氧 (如低温精馏法、薄膜渗透法和化学吸收法等) 具有如下优点。

(1) 装置启动迅速, 随时开机即可制氧, 启动后几分钟至十几分钟便可获得合格产品氧。

(2) 装置体积小, 操作简单, 自动化程度高, 不需人工操作。

(3) 投资和管理费用比较低, 单位产品能耗低 (尤其是中小型) , 气体生产成本低。

(4) 产品纯度可以在一定范围内任意调节。

(5) 环境效益好, P SA装置的运行不会造成新的环境污染, 几乎无“三废”产生。

经过几十年的发展, 现在变压吸附法生产的氧气广泛应用于氧化反应, 造纸漂白;氧气顶吹转炉炼钢、高炉富氧喷煤炼铁和有色金属的冶炼;环境保护, 污水生化处理;医疗保健、家庭氧疗、室内环境、高原补氧, 科研氧源以及养殖业用氧等许多领域。

因此, 根据变压吸附分子筛制氧设备的特点和现有制氧机的使用经验, 选择PSA技术做为弥散氧设备的开发方向。

4 弥散氧设备的流程和结构

弥散氧设备做为民用产品, 成本控制成为设备研发的关键点之一, 为了降低设备的制造和运行费用, 我们对制氧系统的流程进行了优化, 通过试验, 最后确定弥散氧制氧系统流程如图2所示。

流程简介:本设备由两台微型空压机提供压缩气源, 由于分子筛对水分和灰尘的敏感性, 配备了风冷却器和过滤器、干燥塔去除气源中的水分和灰尘等杂质, 采用两只吸附塔轮流工作、再生以保证连续得到产品氧气。本系统中应用了两个优选的流程:再生气二次吹扫流程和再生气回收流程。

(1) 再生气二次吹扫流程:P SA分子筛制氧机要求必须对气源进行处理, 去除其中含有的水份, 因为一旦分子筛进水或吸水饱和后就会发生分子筛粉化, 使制氧机性能下降甚至无法使用。现阶段对气源除水的主要方式有冷冻式干燥 (冷干机) 、吸附式干燥 (吸干机) 和过滤 (过滤器) , 冷干机气体干燥程度比吸干机要差, 吸干机需要消耗10%左右的再生气比冷干机能耗高。为了保证PSA分子筛用制氧机性能安全可靠, 满足设计寿命的要求, 我们选择了过滤+吸附式干燥, 为了减少能耗, 我们创新地采用吸附塔的再生气来吹扫干燥塔, 使再生气二次利用, 节省了10%的再生气, 这样一来吸附式干燥比冷冻式干燥的能耗还低, 这项技术目前是首创。

(2) 再生气回收流程:要提高PSA分子筛制氧机性能, 就要提高分子筛的产气率和回收率。我们通过实验发现吸附塔再生气在最后十几秒的氧含量比较高, 因此我们创新流程, 将这十几秒的再生气回收利用, 大大提高了分子筛的回收率, 也相应提高了产气率。因此, 同样产氧量的设备所需填装的分子筛就能相应减少, 所需配空压机规格也能相应减小, 设备成本和能耗就能相应降低。

根据市场需求, 我们从医院集中供氧系统和空调设备上获得灵感, 使弥散氧设备像空调设备调节室温一样工作, 极大的提高了产品的用户体验。将动力设备 (空压机) 和主要的噪声点 (制氧系统) 组合成室外机, 安装在室外, 便于降低设备噪声。将控制系统、监测系统组合成室内机, 安装在室内, 便于操作控制。采用遥控器辅助, 使用方便, 操作简单。通过试验和设计改进, 最后确定弥散氧设备结构如图3所示。

5 弥散氧设备型号的确定

为了试制样机对弥散氧设备的各项技术指标进行实验检测, 我们按如下方法对弥散氧设备的产氧量进行计算。考虑到设备的实用性, 以设备在拉萨使用为例进行计算, 西藏拉萨地区的海拔约为3600 m, 考虑到设备的经济性, 以提升到1600 m海拔的氧含量为例进行计算。根据相关的实验测量数据, 海拔高度、气温和气压的关系如表1所示。

(1) 分别计算1600 m海拔、3600 m海拔的大气压值折算到标准状态 (0℃, 101.325 k Pa) 时的压力值。

根据理想气体状态方程有:

式中:Pa为折算到标准状态 (0℃, 1 0 1.3 2 5 k Pa) 时的压力值 (MPa) (以下同) ;

PN为使用状态下的压力值 (MPa) ;

TN为气体在使用状态下的温度修正, TN=273+使用温度 (K) ;

Ta为标准状态下的绝对温度273 (K) 。

1600 m时, 查上表 (表1) 得4.6℃时, 大气压为835.2百帕, 代入公式 (1) :

3600 m时, 查上表 (表1) 得-8.4℃时, 大气压为649.2百帕, 代入公式 (1) :

(2) 计算出1600 m和3600 m海拔时的大气氧含量, 由于大气氧含量与大气压成正比:

式中:Po为标准状态的压力值 (压力常数:0.101325MPa) (以下同) ;

ηa为使用海拔状态下的氧含量 (g/m3) ;

ηo为标准状态下0海拔的氧含量 (测量常数:299.3 g/m3) 。

将公式 (1) 计算出的Pa值分别代入公式 (2) , 则可分别计算出1600 m和3600 m海拔时的大气氧含量:

(3) 计算海拔为3600 m时室内氧分压提升到1600 m时氧分压水平所需要达到的氧纯度。标准状态下的氧气密度为1429 g/m3, 由前面计算得知, 当海拔为1600 m时, 一个立方米的空气含242.5 g氧气, 折算成标准状态下的氧气体积为:

式中:V0为折算到标准状态 (0℃, 101.325 k Pa) 时的氧气体积值 (m3) (下同) ;

根据理想气体状态方程:

式中:Va为折算到海拔状态时的氧气体积值 (m3) 。

将V0代入公式 (3) , 折算成3600海拔时的氧气体积:

(4) 根据以上计算结果可知, 在3600 m海拔的情况下要达到1600 m海拔下的氧分压的值, 其室内的氧气纯度 (体积比) 要控制在25.66%以上。这个纯度值可以做为设备实验和自动控制的参考值。

(5) 计算弥散制氧机的氧气流量。由以上氧含量计算结果可知3600 m海拔要达到1600 m海拔的氧分压的水平, 必须增加的氧气量 (Δη) :

假设单个房间面积15 m2, 净高3 m, 则需氧量等于15×3×44.6=2007 (g) , 标准状态下的氧气密度为1429 g/m3, 换算成标准状态下的体积等于2007/1429=1.404 (m3) ;

假设3 h的弥散空间氧浓度提升时间, 30%的持续弥散泄露量 (试验数据) , 以及2人的耗氧量 (平均每人每小时耗氧量22 L) , 90%的供氧纯度, 所需氧气流量 (Q) 为:

根据以上计算, 初步确定弥散氧设备试制样机产氧气量为1.0 m3/h (0℃, 101.325 k Pa) 。

6 弥散氧设备的试用

在样机试制完成以后, 从2007年开始到2009年, 我们往返拉萨数十次, 实施了数十次试验, 历经了3次大的整体改进, 定型的弥散氧设备终于在供氧指标、纯度控制、内外机噪音、体积重量和使用寿命、机电安全方面都满足甚至超过了设计需求, 特别是在噪音控制方面, 外机的噪音低于1.5匹空调外机的运转噪音, 内机的噪音人耳根本无法感受得到, 满足了拉萨夜间的特殊的静音环境的需要。同时, 在七个方面完成了全面创新, 为进一步改进产品奠定了理论和实验基础。

2009年1月开始, 空军航空医学研究所开始对弥散氧设备进行性能测试, 经过在北京试验室的低压舱模拟环境设备性能测试、拉萨机场使用地点实地设备性能测试, 以及人体生理指标测试。根据测试结果, 我们又对个别指标进行了调整。2009年4月10日, 空军航空医学研究所出具了试验报告, 确认提交测试的设备满足设计需求, 即满足空勤人员房间弥散供氧的技术要求, 能够保证空乘人员休息效果良好, 无明显缺氧反应。2009年8月18日, 列为西藏自治区科技厅重点科研项目的“高原分体式弥散供氧系统”正式通过验收。

2010年以来, 共有几百台弥散氧设备陆续在拉萨的机场、宾馆、机关办公室得到应用。对往返于拉萨的人员克服高原反应起到了良好的帮助, 获得了良好的社会效益和经济效益。

7 弥散氧设备的应用前景

氧疗和氧保健的出现, 意味着人类对于氧的需求由完全仰赖自然向进一步自觉争取的转变, 弥散氧设备的出现, 使这个转变又迈出了一大步, 在人与氧气的历史上谱写了新的篇章。弥散氧设备将在改善人们用氧环境上发挥越来越多的作用。在将来, 弥散氧设备上还可以与加湿器和负离子发生器、空气净化器、空调组合, 也可以附加二氧化碳、臭氧、温湿度传感器, 全面检测和改善房间里的各项理化指标。

随着西藏的开发, 人们生活水平的不断提高, 到美丽的青藏高原旅游的人数越来越多, 这些都为高原弥散氧提供了广阔的市场。随着弥散氧设备开发的进展, 适用于车载、帐篷、单兵等的系列产品都将出现。终有一天, “生命禁区”会变成人们的乐园。

空调环境是一个隔离外界的内循环环境, 人体不断消耗氧气, 致使这个密闭的环境长期处于一个相对缺氧的状态, 这种状态已经不同程度地影响人们的工作、学习和生活了。人们长时间呆在空调房里会感到憋闷, 甚至烦躁不安, 弥散氧是解决这一问题的最佳方案。通过向房间注氧, 使房间氧含量达到平衡或者更高, 从而解决缺氧问题。

家庭氧保健是弥散氧设备的另一个重要应用方面。现在, 很多大、中城市污染严重, 慢性病多发, 做为预防措施之一的氧保健越来越受到重视, 这也使得弥散氧做为保健用氧的一种工具进入家庭应用成为可能。

摘要：介绍了弥散氧的新概念, 分别从概念提出, 设备原理, 流程结构及试用状况进行了详细论述, 并描述了弥散氧设备的应用前景。

关键词：高原缺氧,变压吸附,制氧机,弥散氧,应用

参考文献

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[2]李杰, 周理.变压吸附空分制氧的技术进展[J].化学工业与工程, 2004 (5) :202-205.

弥散斑验光仪的设计 篇4

弥散斑在日常生活中很常见,在夜晚中看远处的路灯,人们会发现,戴和不戴眼镜所看到的路灯形态不同,这是因为屈光状态的不同而造成眼底弥散斑形态、大小的改变。利用这个原理,弥散斑验光仪能让医生半定量地了解到患者眼中的弥散斑,并利用计算机分析患者的屈光状态,从而有助于临床诊断和开具处方。

如图1所示,j为视网膜上弥散斑大小,g为瞳孔大小,K为近(远)点屈光度,K'=Fe+K。由Zemax模型眼计算得NO'=16.58 mm,fe=16.56 mm,因此Fe=1000fe≈1000/NO',其中NO'为节点到视网膜的距离,fe为眼球前焦距。

1 弥散斑验光仪的原理和结构

1.1 弥散斑的计算原理

1.1.1 用emsley标准简化眼来进行理论分析

根据简单的三角形相似和公式L'-L=Fe(L'为像方屈光度,L为物方屈光度,Fe为眼屈光度),可得

把该视网膜上的弥散圆直径换算到5米远处相应的光斑直径ja,如图2所示,即有

式中,-l为物距,r为角膜曲率半径,NO'为结点到视网膜的距离。

当物是一定大小的物体时,则应将ja值再加上该物体的高度h,即

这里jh即为患者所见屏上光斑的大小[2],我们通过测量jh,可获得患者的K,即屈光度数。

1.1.2 Zemax光学设计软件仿真

由于上述(1)～(3)式由简化模型眼推导而来,未必符合复杂的人眼。因此,利用Liou&Brennan 1997 eye model进行Zemax计算机仿真,以验证公式的合理性。

在此,我们主要关注视网膜弥散斑的大小是否符合公式(1)的推导结果。由于患者所见为周边有毛刺干扰的弥散斑,而在实际测量中我们让患者忽略毛刺的影响;因此在Zemax中我们选择RMS RADIUS,而非GEO RADIUS来代表人眼视网膜上的弥散斑大小。利用轴性近视的原理,通过改变视网膜的前后位置来模拟不同的屈光度。如图4所示,低度近、远视患者的眼底弥散斑很不规则;而随着屈光不正程度的上升,弥散斑能量分布越来越均匀。这和我们临床试用时的结果一致,即低度近视患者看到的毛刺很长、很明显,而高度近视患者的毛刺不太明显。

将公式(1)和Zemax中RMS进行比较(如图5),结果比较接近;而在高屈光不正区,两者差别相对比较大,这和RMS(均方差)的原理有关。当数据分布均匀,如呈正弦函数分布,则RMS=A/1.414(A为振幅),比实际的振幅A小。由于高度近、远视所看到的弥散斑更均匀,因此RMS比实际尺寸小。

由此可知,公式(1)虽然是由简化眼模型推导而来,但具有较高的准确性。下文中的临床测试结果也证实了这一点。

1.2 弥散斑验光仪的结构

如图6所示,HE-NE激光发出波长632.8 nm光束,经过半反半透镜分为两束,透射的光束经过两面偏振片打到散射屏上,反射的光束经过平面反光镜达到散射屏上,形成两个光点。偏振片的作用是调节投射光的光强,使屏幕上的两个光点亮度相同。

被测者距离散射屏5 m远,前置直径4 mm光阑,看到的光点为弥散斑。由上述理论推导可知,近、远视患者看到圆形弥散斑,散光患者看到椭圆。通过控制反射镜的上下左右摆动,被测者可以二维移动反射的光点,直至其认为两个弥散斑相切。此时测量两个光点的距离,两点连线和水平线的夹角,就可以通过公式来计算患者的屈光度数。如图7,对于散光患者,两个椭圆弥散斑短轴相切的结果为球镜度数,长轴、短轴相切结果之差为散光度数,长轴的夹角经过互补、转90o两步换算即为散光轴向。(说明:患者所见和验光师所见为镜面对称,验光处方中的轴向以验光师的角度为准,因此需要互补;对于柱镜来说,轴向和有屈光力的方向成90o,因此需要转90o)

1.3 弥散斑验光仪的参数设计

由于个体差异,每个人的瞳孔大小,节点位置等参数与模型眼有所不同,为了验光的准确,我们需要设计这些参数,减少个体差异带来的验光误差。

1.3.1 瞳孔直径的设计

瞳孔大小是影响弥散斑的重要因素,我们将其设为4 mm。其理由如下:当瞳孔太大,球差增大,即患者所见毛刺增多,影响判断;当瞳孔太小,屏上点距离jh的测量误差造成的验光误差增大,节点位置的不同(个体差异)造成的系统误差也增大。

像差分析:对于无散光患者,由Zemax--Prescription分析得(表1所示),像差主要为球差和位置色差(无散光患者)。由于采用He-Ne激光,消除色差。对于散光患者,本质是不同子午线的屈光程度不同,像散的结果已经在测量长、短轴之差中反映,从而不再赘述。

图8为Zemax中视网膜面Fan像差分析,x轴为相对瞳孔直径,Px和Py分别为水平和垂直方向的瞳孔直径。由图可知,瞳孔增大,像差(球差)显著增大。由于球差大,患者所见的弥散斑毛刺增多,影响判断,从而不宜选用大瞳孔。

图9为不同屈光度下,瞳孔改变0.1 mm对验光结果的影响。由图9可知,验光结果对瞳孔的变化比较敏感,并且近视度数越大,对瞳孔变化越敏感。如近视-8D,瞳孔改变0.1 mm,造成0.25D的验光误差,因此患者需要前置光阑来控制瞳孔直径。

图10为屏上两光斑距离jh的测量误差敏感性分析。可知瞳孔直径越大,测量误差引起的验光结果改变越小。如瞳孔直径取2.5 mm,则1 mm测量误差造成0.1 D的验光误差。而若瞳孔直径取5.0 mm,则1 mm测量误差只导致0.05 D的测量误差。这体现了大孔径的优势。

图11和12为孔径取4 mm时的误差敏感性分析。由图可知,当瞳孔取4 mm,节点位置的改变或测量误差对验光结果影响相对小,且屈光不正度数越低,验光误差越小。如近视-8D,测量误差或节点改变3 mm,验光结果变化小于0.25D,而近视-3D的结果变化为0.03D。

综上所述,瞳孔取4 mm,不仅有利于改善弥散斑像质,而且能允许较大的个体参数差异和测量误差。

1.3.2 NO'长度的选择

Gullstand模型眼中眼轴长度为23.89 m m,节点大致位于晶状体后表面,NO'为16.53 mm。但不同个体眼轴长度不同,节点位置也不同。国内大多数数据表明[3,4,5],成人眼轴长度在22～28 mm之间,按比例计算,NO'大致在15.2～19.4 mm之间。在计算中,统一取NO'=20 mm,接近高度近视患者的NO',因为由图11可知,近视程度越高,节点位置变化越敏感。当患者为近视-9D,节点变化3 mm。引起0.25 D的验光误差;而当患者为近视-3D,节点变化3 mm。引起0.03 D的验光误差。因此NO'=20 mm可以有效地减少个体节点位置不同引起的测量误差。

2 仪器初步临床应用和评价

2.1 对象

近视数据21眼(42例),为在校学生和教师,矫正视力大于0.8;散光数据35眼(59例),轴向数据26例,均为温州眼视光医院视光部就诊患者,矫正视力大于0.6,散光度数大于0.75 D,年龄12～38岁,有认知能力,能判断椭圆相切。

2.2 方法

在室内光照度小于20 lx下,利用自行搭建的仪器进行测量,并将结果和医院的综合验光处方进行比较。

2.3 统计学方法

采用spss13.0,wps office 2005统计软件。将近视、散光度数、轴向数据和医院验光处方进行对照t检验,令P<0.05为具有统计学差异;将散光度数和医院验光处方差值按<0.25D、<0.5D、<0.75D、>0.75D共4组进行百分比分析。

2.4 结果

近视组和轴向组t检验结果阴性(P=0.3 3;P=0.086),无统计学差异;散光组对照t检验有统计学差异(P=0.041)。散光度数组比率如图12所示,<0.75D组为80%。散光组数据和医院结果偏离较大,可能和年幼患者配合有关。表2为对照t检验结果。

3讨论

早在几十年前,人们已经认识到屈光不正会导致眼底弥散斑的形态改变,并由简化眼推导出计算公式[1]。在90年代,我国学者也曾提出利用弥散斑进行验光的设想[2]。但由于简化模型眼精度有限,而复杂的眼模型又需要测量大量的个体参数,因此不利于临床应用。笔者希望通过系统的理论分析、计算机仿真及临床试验,减少个体眼球参数差异引起的测量误差,提高弥散斑验光的精度,并通过后续的设备改进实现自主、快捷验光,使其能够运用于临床筛查乃至专项检查。

3.1 误差分析和改进措施

系统误差源于简化模型眼和个体眼轴、节点参数的差异。在上述分析中,选用4 mm瞳孔直径和20 mmNO长度使理论精度相对于前人的研究[6]有了较大的改进。后续的改进包括收集临床屈光不正患者的个体化参数,利用多因素线性回归修正表达式,提高验光准确度,并扩大适用人群范围。

患者的主观判断误差也不可避免。由于球差的存在,弥散斑周围有毛刺,这在一定程度上干扰了两个弥散斑相切的判断。瞳孔直径的选择是解决这个问题的关键,4 mm瞳孔直径可有效地减少、缩短毛刺,同时又能提供较大的误差允许范围,每3 mm判断误差只影响0.25 D。不得不提的是,由于现有的设备不能实现自动化,患者需要指挥验光者移动反光镜来移动弥散斑,这样医患配合不佳也是误差的来源。后续的工作是利用光点自动控制装置,使患者能自己控制弥散斑的移动,这样不仅能提高精度,也提高了效率。

如何放松调节是所有自动验光仪必须面对的问题。弥散斑验光仪利用暗环境和远距离视标,有效地减少了调节[7]。这在测量中也有体现,即患者不会出现弥散斑忽大忽小的情况。但我们不可能消除调节,因此调节的存在也是误差的来源之一。

在实际应用中,测量误差往往难以避免。由上所述,瞳孔参数的选择提供了3 mm的测量误差允许范围,因此影响较小。若能实现自动化,通过步进马达的转动量来计算距离,精度更高。

3.2 应用前景

国内目前的验光设备绝大多数是进口产品,动辄10来万元,需要高精度的机械传动和精密的光电转换系统,这使专业的验光流程在我国很难普及。弥散斑验光仪的主要构建只包括一个激光光源和控制反射镜二维移动的传动系统,在成本上很有优势。此外,由于原理简单,验光师只引导患者判断相切即可,不需要专业的培训,这一点在普通眼镜店尤为方便。综上所述,由于经济性和简便性,弥散斑验光仪十分适用于初级验光,为后续的验配提供可靠的依据。

对于弱视患者,弥散斑验光仪还有独特的优势。主觉验光中,验光师根据患者对精细视标的判断来进行下一步的验配。如果患者为弱视,主觉验光就比较难进行下去,需要额外的专业知识或设备,如检影、照相等。而弥散斑验光仪由于采用激光光源,即使是高度屈光不正患者也可以在视网膜上获得较大的光照度。理论上,患者此时只需要局部视野具有一定的空间分辨力即可判断相切。

由于不同屈光介质的不同程度的损害,患者眼底的弥散斑会呈现各种形态。我们可以尝试通过绘制患者眼底的弥散斑的具体形态来分析其哪个部分出现了损伤。

由于患者需要主观判断眼底弥散斑,我们还可以利用弥散斑验光仪对患者进行视觉分辨功能的分析和测定,如分析患者的视觉系统对模糊像的判断能力,从而得出患者潜在的最佳视力。

我们相信,随着研究的深入,弥散斑验光仪一定会在临床、科研中发挥作用。

参考文献

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[5]陈玉冰,赵刚平,潘美容等.近视眼角膜中央厚度、角膜中央屈光力及眼轴长度的测定分析[J].现代医院,2004,4(6):8-9.

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抑郁障碍弥散张量成像研究进展 篇5

1 DTI成像原理

磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是在弥散加权成像基础上发展起来的一种新的成像方法,能在三维空间内定量分析组织内水分子的运动特性即弥散,其基于对水分子弥散运动成像,可以用来测量白质纤维束的方向和完整性,观察活体组织的生化成分、微观结构及其排列规律等。

DTI的主要参数有扩散系数(diffusion coefficient,DC)、表观弥散系数(apparent diffusion coeffcient,ADC)、各向异性(anisotropic)。各向异性是体现局部环境的影响使扩散运动在各个方向不一致的特性,如白质纤维中水分子在平行于白质纤维方向时易于扩散,垂直于纤维方向时扩散受限,包括相对各向异性(relative anisotropy,RA)和部分各向异性(fractional anisotropy,FA)及容积比(volume rate,VR)。最常用的是FA值,其指弥散张量中的水分子各向异性部分所占整个弥散张量的比例[3],弥散的各向异性反映了水分子在各个方向运动的限制性及细胞膜和髓鞘纤维的完整性。在大脑白质中,受到纤维排列方式、密集程度及髓鞘等因素的影响,水分子在垂直纤维走行方向上的弥散程度明显小于与纤维走行方向一致的方向,呈高度各向异性。FA图的象素值取决于FA值,各向异性程度越高则FA值越大、图像越亮;反之,FA值越小,图像越暗。FA的取值范围为0～1,0代表最大各向同性的弥散,1代表最大各向异性的弥散。分析脑白质各向异性目前主要有2种方法,即感兴趣区(ROI)和全脑的基于体素分析(VBA),抑郁症患者脑白质异常的区域弥漫且非局灶性分布,故VBA成了主要的研究手段。DTI作为一种新型的磁共振成像技术,能够在体测量脑白质的微观结构完整性,已成功用于多种神经精神疾病患者脑白质异常的研究[4]。

2 DTI在抑郁症的病因研究和观察脑微结构改变中的应用

MRI研究脑白质病理最常用的方法是探测脑白质的高信号,这些高信号可在T2WI或FLAIR图像中特征性地显示出来,往往提示白质损伤。多数学者认为,抑郁症患者脑内存在皮质环路(边缘系统-皮质-纹状体-苍白球-丘脑环路)的功能异常[5,6]。抑郁症患者尤其是老年抑郁症患者与同龄正常人群相比,白质高信号更多、更严重,且主要分布在皮质下区、额颞叶、扣带回前部[7]。皮质与执行功能不良有关,执行功能不良和皮质下高信号均提示老年抑郁症的预后不佳;前额叶背外侧与情感活动、注意力、记忆力、抽象概括力、视听辨别等认知功能密切相关;腹内侧前额叶可能参与情绪的处理及情景记忆的摄取。抑郁患者在静息状态下额叶局部神经活动一致性功能异常,与DTI研究发现额叶白质微结构异常的结果一致,推测前额叶背外侧结构和功能异常可能是抑郁发病的重要因素之一。也有研究选取双侧额叶前、中部背外侧的FA值进行比较,结果右前额叶上部脑回白质的FA值下降。同时有学者发现MDD患者额中回及上纵束的FA值下降,这些异常出现在疾病早期阶段。另有一项先前未用药的更长(3～24月)病程的MDD患者的DTI研究结果显示,相似的有额叶脑白质FA值的下降。目前研究表明,前额叶背外侧神经环路的异常可能导致MDD患者认知和情绪调节异常,现DTI研究更进一步支持这个假说。其中前额叶背外侧的损害是抑郁的主要神经生物学基础;扣带回和壳核是边缘系统的组成部分,在情景记忆编码中有重要作用;海马旁回作为海马的主要皮层输入,与认知和情绪有重要关系。除了有大量文献报道抑郁症海马旁回存在认知功能缺陷外,海马的灰质体积异常也与抑郁症有密切关系;此外,后扣带回是情绪回路的重要组成部分,影像学发现抑郁症的后扣带回存在脑血流量和新陈代谢异常,且与抑郁症的症状保持密切关系。

3 DTI成像观察抑郁症治疗效果

目前学者们正运用DTI作为抑郁症患者使用药物或其他治疗手段治疗后疗效观察的工具之一。Alexopoulos等研究发现,老年抑郁患者使用氰肽氟苯胺连续治疗12周后,其前联合平面15mm以上层面,治疗前FA值越低者缓解率越低;而前联合以下层面,前额叶或颞叶区域基本上无疗效,认为扣带回前部邻近的脑白质微结构损害者抑郁缓解率低。有学者研究取8例电休克治疗前后的晚期抑郁症患者与12例对照组DTI数据进行比较,治疗前抑郁症患者前额叶、颞叶多处FA值下降;治疗后其双侧前额叶FA值逐渐增加,提示电休克治疗的抗抑郁效果可用DTI成像全程观察。

4 DTI成像研究抑郁障碍的不足

DTI成像研究抑郁障碍有许多优点,但也有不足:如DTI的空间分辨率较差、成像时间长、图像易失真等,但随着硬件设备的改进、新技术的引入、计算方法的改进和经验的积累,DTI在神经精神疾病方面的研究及应用潜能必将得到充分发挥。

近年来将DTI用于抑郁的研究领域,多项相关研究均表明MDD患者的多个脑区存在形态和功能异常,而连接这些脑区之间的脑白质异常可能与抑郁症患者发病机制有密切关系;现又发现DTI成像可用以观察抑郁症的治疗效果。总之,该研究方法有许多优点的同时又有不足,需进一步观察与完善。

摘要：磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是在弥散加权成像基础上发展起来的一种新的成像方法,近年来也用于抑郁的研究。本文将从DTI成像原理、DTI在抑郁症的病因研究和观察脑微结构改变,以及以其观察抑郁症治疗效果及展望等方面阐述DTI在抑郁中的研究应用及新的观点。

关键词：抑郁障碍,功能核磁共振,弥散张量成像,综述

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铸钢件弥散分布皮下气孔的消除 篇6

普通砂型铸造的铸件由于受型砂透气性、水分、集中率以及钢水质量、季节、环境等因素的影响, 容易产生性质不同、特征各异的气孔缺陷, 此类缺陷常以多种不同性质的气孔混合形式出现, 给分析和解决问题增加了难度。

图1所示为南车石家庄车辆有限公司 (以下简称石家庄公司) 生产的某铸钢件, 是欧洲货车底架的重要部件。该铸钢件材质与ZG230-450近似, 轮廓尺寸为825 mm×270 mm×230 mm, 壁厚在15～20 mm之间, 属于薄壁框形结构铸件。为稳定控制产品质量, 减少铸件尤其是弯角部位的裂纹倾向, 石家庄公司采取水平分型、两箱造型工艺, 浇注系统设在远离薄壁位置, 并在弯角等热节部位放置冒口, 工艺示意如图2所示。

在一段时期内, 该铸钢件出现弥散分布皮下气孔缺陷, 造成铸件大幅返工, 严重影响了产品质量。为此, 我们从工艺技术入手, 对气孔成因进行了深入研究, 用试验研究的方法逐一排查, 最终成功解决了此类问题。

2 缺陷分析

2.1 气孔的位置、特征及属性

气孔缺陷出现在铸件下箱 (见图2) , 位置不固定, 缺陷区域内存在单个和局部聚集的大孔径气孔缺陷 (ϕ3～5 mm) , 形状呈梨形, 细颈指向铸件表面, 其他缺陷尺寸较小 (ϕ2 mm以下) 并呈弥散分布, 气孔呈针形;除个别缺陷表面可见外, 其他缺陷均位于皮下2～4 mm范围内。经解剖, 铸件断面其他部位未发现缺陷, 孔壁光滑, 部分气孔表面呈氧化色, 还有部分气孔表面呈蓝色。根据气孔的上述特征, 初步判断该缺陷为侵入气孔和反应气孔的混合缺陷。

2.2 气孔成因分析

侵入气孔是外部气体源 (砂型、砂芯等) 发生的由于气体侵入型腔内的金属液中形成气泡而产生的气孔, 应为外部气体侵入压力在产生缺陷位置增大所致。压力增大有两种原因:一种是该位置外部气体总量增加;另一种是该位置透气性变差, 导致气体无法顺利排出, 进而使气体压力增大。

反应气孔可分为内生式反应气孔和外生式反应气孔两种。金属本身化学成分元素同溶解于金属液的化合物或化合物之间发生反应产生气体, 形成气泡而出现的气孔为内生式反应气孔。外生式反应气孔是金属液与砂型、砂芯、冷铁、渣滓或氧化膜等外部因素发生化学反应, 生成气泡而产生的气孔。

参照上述气孔的形成机理, 结合公司的实际情况, 认为气孔缺陷的形成原因主要有以下4个方面:

(1) 钢液质量。石家庄公司采用的是传统炼钢工艺, 钢中含氧量主要依靠还原期精炼进行控制。如果还原期脱氧质量欠佳可能导致气体含量和夹杂物偏多, 形成气孔。

(2) 钢包质量。按照规定, 钢包内应保持干净、无杂物, 使用时钢包应加盖烘烤至红色。如果钢包内残钢、残渣清除不彻底或烘烤不良, 残留的富氧物质和水分会在出钢时进入钢液, 浇注过程中造成铸件内局部氧含量富集, 或超过钢液中气体溶解度析出, 或在金属-铸型界面发生反应, 导致铸件形成析出气孔和反应气孔缺陷。

(3) 原砂质量。铸造用原砂按要求含泥量应小于1%, 40～70目之间原砂集中率应不低于75%, 如果集中率偏低或含泥量过高, 砂粒尺寸差别过大会造成型砂混碾过程中水玻璃无法均匀覆盖砂粒表面, 使得砂型表面局部水玻璃和水分富集, 透气性变差, 浇注时气体含量过大、无法及时排出型腔, 使得外部气体侵入压力增大形成侵入气孔。

(4) 操作质量。本公司采用面背砂工艺造型, 背砂全部采用回收旧砂混碾, 水玻璃量较大, 由于采用硬化后起模, 砂型表面硬度不易控制, 因此要求面砂厚度应在50 mm以上, 震实后应用风锤紧实。如果面砂厚度偏薄或砂型紧实度不足, 会导致钢水在凝固过程中, 背砂中水分扩散后透过面砂层与钢水反应形成气孔。

2.3 气孔成因排查

(1) 钢水质量检测

根据气泡的位置及特征, 基本能够排除钢水脱氧质量差、气体富集形成气孔缺陷的可能。为验证这一判断, 我们从存在气孔缺陷的铸件中, 挑选出缺陷严重铸件所在炉次的试棒, 送交有钢中含氧量检测能力的单位进行检测, 同时对相应炉次的炉渣中FeO的含量以及钢水中的残铝量 (酸溶铝) 进行检测, 结果如表1所示, 所有炉次的含氧量和渣中FeO含量均符合技术条件的要求, 证明钢水质量并非铸件出现气孔缺陷的原因。

(2) 钢包质量检查

通过采用不定期抽查和跟班监督两种形式对钢包修砌及烘烤质量进行了调查, 钢包修砌基本按工艺要求执行, 除个别炉次因设备故障造成钢包烘烤质量欠佳外, 钢包基本能够达到烤红烤透的要求。

(3) 原砂质量分析

从现存原砂中随机采集原砂样品10个, 进行比对试验 (见表2) , 比对结果显示:原砂含泥量检测结果基本一致, 但集中率差别明显, 再对筛砂机进行鉴定, 发现振幅偏小, 部分筛网有破损现象, 造成工作时无法对各筛号原砂准确计量, 致使化验结果出现误差, 无法满足检测要求。

(4) 操作质量检查

通过调阅相关产品的质量记录, 并对现场操作进行了跟踪检查, 发现现场操作过程中存在加入面砂量偏少的问题, 原因是公司为降低员工劳动强度, 新增了一台背砂上砂设备, 背砂采用机械上砂;面砂仍采用人工上砂、沟槽部位塞实的操作方式。操作者私自减少了面砂的加入量, 造成模具表面尤其是模具下箱凸出部位覆盖面砂厚度过薄。为验证面砂厚度对砂型表面硬度的影响, 我们对部分砂型进行软起模试验, 检测结果表明面砂厚度偏薄的部位砂型表面硬度很低, 远小于铸钢件表面硬度要求。

2.4 主要诱因判定

为确定气孔形成的主要原因, 在制定解决措施的同时, 进行了单一条件的工艺试验:

(1) 原砂质量试验

选取近似模具为模型进行试验, 公司剩余的不合格原砂按原生产工艺进行混碾, 面砂厚度严格按工艺要求执行, 利用每炉注余钢水进行浇注。试验产品检查后发现, 铸件表面及皮下均有大孔径气孔存在, 但未发现弥散分布针状皮下气孔, 缺陷呈局部富集分布, 与铸钢件中相似, 孔壁同样为氧化色。该气孔缺陷符合由于原砂粒度不均局部透气性差导致外部气体压力增加产生气孔的形成机理, 应为侵入性气孔。

(2) 面砂厚度试验

在选用合格原砂混碾的基础上, 针对下箱凸出部位覆盖的面砂厚度不同进行了试验, 分别选取了面砂厚度为40 mm、30 mm、20 mm的砂型进行浇注。检查结果显示, 3种条件下生产出的铸件均存在气孔缺陷, 缺陷的严重程度明显不同。40 mm面砂厚度条件下生产的铸件, 气孔出现在铸件表面, 孔径很小 (1 mm左右) , 深度约2 mm, 缺陷也呈弥散分布, 面积较小;30 mm面砂厚度条件下生产的铸件, 气孔出现在皮下, 孔径、深度及缺陷面积与铸件上出现的缺陷近似;20 mm面砂厚度条件下生产的铸件, 表面与皮下均存在气孔缺陷, 皮下气孔的孔径更大 (4 mm左右) 、深度可达10 mm, 缺陷面积也更大, 表面气孔直径5 mm左右, 缺陷均呈弥散分布。为确定缺陷类型, 我们对缺陷部位周围的含铝量进行了检测, 检测结果与外生式反应气孔的结论一致, 含铝量均接近于零, 确定该气孔缺陷为外生式反应气孔。

通过上述实验可以确定:原砂检测仪器不能满足工艺要求, 导致原砂化验结果失真, 原砂质量出现波动是形成侵入气孔缺陷的主要原因;造型过程中, 面砂加入量少, 厚度小是形成反应性气孔缺陷的主要原因。

3 气孔缺陷的消除及预防措施

(1) 更换筛砂机, 并将该设备列入维修人员巡检范围, 出现故障及时维修, 确保筛砂机状态良好。

(2) 对公司库存所有原砂进行复验, 不符合工艺要求的原砂严禁使用。

(3) 临时设立专职检查人员对原砂抽样、复验过程进行监控, 并增加对每车原砂的抽样复验频次, 杜绝供货商以次充好现象。

(4) 增加面砂上砂设备, 设定最低加砂量控制程序, 确保面砂用量符合要求。

(5) 检查人员对所有砂型的面砂厚度进行全检, 厚度不符合要求的砂型不得进入浇注工序, 技术人员进行抽检。

(6) 技术人员每周进行不少于一次的软起模试验, 对砂型表面硬度进行检测。

4 效果验证

弥散效果 篇7

一、优化手段,激发学生学习兴趣

亚里士多德说过:“古往今来,人们开始探索,都应起源于对自然万物的兴趣。”因此,在思品教学中,要想让学生在课堂上意气风发,激情飞扬,我们教师必须激活学生对思品课堂的浓厚兴趣,让学生每天怀着迫切的心情参与课堂。为此,我们教师要通过优化手段,创新形式,使思品课堂新意跌出,常常出乎学生预料,经常让学生有耳目一新之感,从而产生强烈的期待。如教学七年级《学会合作学习》这一内容时,上课开始,我并不急于呈现课题,而是首先组织学生开展游戏活动———“两人三足”:几组同学在教师前面进行即兴比赛,看着同学们步履蹒跚、欲速不达的场景,很多同学笑得前仰后合。活动过后,我请大家分别谈谈自己的感受,通过本次活动有什么收获。大家纷纷认识到:唯有团队具有合作精神,不逞个人英雄,各有分工,相互配合,才能取得最终的胜利。此时,教师出示主题,引入新课。这样的设计不仅让学生深化了对主题的认识,更丰富了课堂教学的形式,奠定了课堂轻松活泼的基础。

二、引导探究,开发学生自主潜能

富有生命活力的课堂,必然是学生主体功能被激活的课堂。反之,一潭死水的课堂,学生必然游离于课堂之外,毫无主体意识可言。为此,笔者在教学中,注重充分突显学生的主体性,努力给学生提供自主探究的舞台,让学生在较为宽松的氛围中充分彰显自己的内在潜能,为打造富有生命活力的思品课堂创造主体条件。

鉴于这一认识,笔者在教学中,注重角色定位,努力做好课堂的组织者、引导者和学生学习活动的合作者,给学生提供充足的时间去自主学习。首先让学生有足够的时间读书。让学生在阅读教材的基础上,感知教材,开展探究活动,从而初步掌握了解教材中涉及到了哪些概念、原理,通过自学找出重点,发现疑点。其次引导学生发问质疑,不断拨动学生思维,让学生的思维在课堂上一直处于活跃的状态。如在教学八年级下册《合理利用资源》这一内容时,我有意设疑,引导学生质疑,有学生提出:现在我们国家富裕了、人民生活水平提高了,有很多地方已经过上了小康生活,为什么还要提倡勤俭节约?学生经过教师的点拨讨论,最终认识到:合理利用资源,合理消费,不铺张浪费,才能使我们的国家可持续发展,为子孙后代留下资源。在教师的引导下,学生开启思维,不断提出问题并积极思考讨论,这样的课堂,学生完全走出了被动接受知识的尴尬境地,取而代之的是主动探究知识,活学活用知识,用自己的思维去辨别去评判,从而使课堂沉浸在热烈的气氛中,每个个体都成为取之不尽的智慧宝藏。

三、开展合作,营造温馨团结氛围

合作是现代社会成员必须具备的一种基本素养,具有良好的合作意识可以助推一个走向成功。课堂是培养学生合作意识和合作精神的重要舞台,同时,课堂也会因合作而展现出其无尽的生命活力。学生在思品课堂上合作互助,相互补充,取长补短,发挥集体智慧,针对某些问题让学生开展辩论、评议,充分发表自己的见解,教师适当点拨、归纳,这样的课堂,无疑是温馨的,是愉悦的,更是学生内心所需要的。

如在教学《多一点情趣多一点高雅》的内容时,我在课堂上组织了一个小型辩论会,提出青少年的兴趣培养是越多越好,还是越少越好?将全班同学分成正反两方,让他们作对主题展开辩论。同学们联系生活中所看所感,小组同学相互合作,各抒己见,经过观点的碰撞,认识的融合,最后大家认识到:培养兴趣,也要有所选择,要主次结合。通过这样的问题情境及辩论氛围的营造,学生在激烈的争论中,体会到了团结互助,彼此合作能够让自己更快更好的寻找出答案,学生的思维也变得更加开阔,受到的教育也异常深刻,课堂也弥散着活跃的气氛。

四、自主讨论,触发学生自主意识

学生是课堂上的主体,只有充分利用课堂教学,激活学生的深层思维,让他们多角度、多层次地思考问题,学生才会真正动起来,课堂也才会真正活起来。

如在教学《法律是我们的“保护伞”和“守护人》这一内容时,我给学生创设这样的问题情境:有些学生上课调皮,干扰课堂纪律,老师教育多次,该生依然我行我素,影响其他同学的正常学习。为此,学校决定对他进行停课反省。针对这一事件,你有何看法?同学们有的赞同,有的反对,纷纷陈述了各自的理由。同意学校意见的认为:学校这样做,是保护其他大多数同学的受教育权;反对的同学则认为,学生来校就是接受教育的,让该生停课反省,是剥夺了他受教育的权利。