呼吸ガス
呼吸ガス
トライミックススキューバシリンダーラベル
用途人間の呼吸に使用されるガス
関連商品空気、ヘリオックス、ナイトロックス、酸素、トライミックス、スキューバダイビング用ガス混合、ダイビングシリンダー、スキューバセット、リブリーザー
船員たちは海上で呼吸装置を点検している。

呼吸ガスは、呼吸に使用される気体状の化学元素と化合物の混合物です。空気は最も一般的で唯一の天然呼吸ガスですが、呼吸器具や密閉空間では、他の混合ガスや純酸素も使用されます。酸素はあらゆる呼吸ガスの必須成分です。高圧用呼吸ガスは、減圧症のリスクを低減し、減圧時間を短縮し、窒素酔いを軽減し、呼吸仕事量を軽減することで、通常の空気の性能を向上させ、より安全な深海潜水を可能にするために開発されました。

説明

呼吸ガスは、呼吸に使用される気体状の化学元素および化合物の混合物です。空気は最も一般的で唯一の天然呼吸ガスです。その他のガス混合物や純酸素は、スキューバダイビング器材、水上補給潜水器材、再圧室、高高度登山、高高度飛行航空機、潜水艦、宇宙服、宇宙船、生命維持装置および救急医療機器、麻酔器などの呼吸器材や閉鎖空間でも使用されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

コンテンツ

酸素はあらゆる呼吸ガスの必須成分であり、その分圧は大気圧で約0.16～1.60バールですが、高山登山ではこれより低くなる場合があり、高圧酸素療法ではこれより高くなる場合もあります。麻酔ガスでない限り、酸素は通常、代謝活性成分として唯一の成分です。呼吸ガス中の酸素の一部は代謝プロセスによって消費され、不活性成分は変化せず、主に酸素を適切な濃度に希釈する役割を果たします。そのため、希釈ガスとも呼ばれます。

そのため、ほとんどの呼吸用ガスは酸素と1種類以上の代謝的に不活性なガスの混合物です。[ 1 ] [ 3 ]高圧用の呼吸用ガスは、減圧症のリスクの軽減、減圧時間の短縮、窒素酔いの軽減、より安全な深海潜水などにより、通常の空気の性能を向上させるために開発されました。[ 1 ] [ 3 ]空気や純酸素以外のガスを潜水用シリンダーに充填する技術は、ガスブレンディングと呼ばれます。[ 4 ] [ 5 ]

通常の大気圧より低い周囲圧力下で使用される呼吸ガスは、通常、純酸素、または生命と意識を維持するのに十分な酸素を供給するため、あるいは空気では不可能なほど高いレベルの運動を可能にするために、酸素を豊富に含む空気です。追加の酸素は、吸入時に呼吸空気に純ガスとして添加するか、生命維持装置を通して供給されるのが一般的です。

ダイビングやその他の高圧用途

閉じたベルの外観図。左側のサイドドアと、ドアの横のフレームに取り付けられた 50 リットルの酸素ボンベ 1 本と 50 リットルのヘリオックスボンベ 2 本を示しています。
飽和潜水に使われる密閉式ベル。緊急用ガス供給ボンベが見える。

水中ダイバーが使用する呼吸ガスは、ダイビングガスとも呼ばれます。[ 6 ]高圧下で安全に使用できる呼吸ガスには、4つの重要な特徴があります。

  • 呼吸者の生命、意識​​、仕事率を維持するのに十分な酸素が含まれていなければならない。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
  • 有害な汚染物質を含んではならない。一酸化炭素と二酸化炭素は、呼吸ガスを汚染する可能性のある一般的な毒物である。他にも多くの可能性がある。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
  • 水中など高圧下で吸入しても有毒にならないこと。酸素や窒素は、圧力下で有毒になるガスの例である。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
  • 呼吸できないほど濃すぎてはなりません。呼吸仕事量は密度と粘度に比例して増加します。密度が30mswの空気と同等になると、最大換気量は約50%低下し、ガス密度が6g/リットルを超えると、中程度の運動では二酸化炭素濃度が許容できないほど上昇します。10g/リットル以上のガス密度で呼吸すると、非常に低い運動量であっても暴走性高炭酸ガス血症を引き起こし、致命的な影響を与える可能性があります。[ 7 ]

一般的に使用されるダイビング呼吸ガスは次のとおりです。

オフショアダイビング業界では一般的に認められている呼吸ガス容器の色分け。[ 20 ]
ガス シンボル 典型的な肩の色 シリンダーショルダー クワッドアッパーフレーム/フレームバルブエンド
医療用酸素 O 2
医療用酸素ボンベの肩部を白く塗ったイラスト
白 白
酸素とヘリウムの混合物（Heliox） O 2 /ヘリウム 茶色と白の四分円で塗られた円筒形の肩部のイラスト茶色（下）と白（上）の帯で塗装された円筒形の肩部のイラスト茶色と白の四分の一または帯 茶色と白の短い（8インチ（20 cm））交互の帯
酸素、ヘリウム、窒素の混合物（トリミックス） 酸素/ヘリウム /窒素ヘリウム、窒素、酸素の混合物を表すために茶色、黒、白の 6 分の 1 で塗装されたシリンダー肩部のイラスト。ヘリウム、窒素、酸素の混合物を表す茶色、黒、白の帯で塗られたシリンダー肩部のイラスト黒、白、茶色の四分の一または帯 黒、白、茶色の短い（8インチ（20 cm））交互の帯
酸素と窒素の混合物（ナイトロックス）（空気を含む） N 2 /O 2酸素と窒素の混合物のために白黒四分割で塗装されたシリンダー肩部のイラスト。酸素と窒素の混合物を表す黒帯 (下部) と白帯 (上部) で塗装されたシリンダー肩部のイラスト。黒と白の四分の一または帯 黒と白の短い（8インチ（20 cm））交互の帯

呼吸する空気

呼吸用空気とは、特定の用途において人間の呼吸に適した純度基準を満たした大気中の空気です。高圧下での使用においては、汚染物質の分圧は絶対圧に比例して増加し、使用される深度または圧力範囲において安全な組成に制限されなければなりません。

酸素分率による分類

ダイビング用の呼吸ガスは酸素分率によって分類されます。濃度や人によって影響が徐々に変化するため、当局によって設定された基準値は若干異なる場合があります。また、正確に予測することはできません。[ 21 ]

常酸素
酸素含有量が空気と大きく変わらず、大気圧下で継続的に安全に使用できる。[ 22 ]
高酸素症、または酸素濃縮
酸素濃度が大気レベルを超える場合、一般的には長期使用で測定可能な生理学的影響が生じるレベルに達し、火災の危険性が高まるため、特別な取り扱い手順が必要となる場合もあります。関連するリスクとしては、深海における酸素中毒と、特に呼吸器における火災が挙げられます。[ 21 ]
低酸素症
酸素含有量が空気よりも低い場合、一般的には短期的に測定可能な生理学的影響が生じる重大なリスクがある程度まで低下する。直接的なリスクは通常、水面または水面近くでの低酸素性行動不能である。[ 23 ]

個々の成分ガス

潜水用の呼吸ガスは、大気からは得られない特殊な特性を混合物に与える少数の成分ガスから混合されます。

酸素

酸素（O2 ）はあらゆる呼吸ガスに必須です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これは、酸素が人体の代謝プロセスに不可欠であり、生命維持に不可欠だからです。人体は食物のように酸素を蓄えて後で使うことができません。数分以上酸素が不足すると、意識を失い、死に至ります。体内の組織や臓器（特に心臓と脳）は、4分以上酸素が不足すると損傷を受けます。

ダイビングシリンダーに純酸素を充填するには、圧縮空気を充填するよりもかなり費用がかかります。酸素は燃焼を促進し、ダイビングシリンダー内で錆を発生させるため、ガス混合の際には注意が必要です。[ 4 ] [ 5 ]

酸素は歴史的に液体空気の分留によって得られてきましたが、圧力スイング吸着（PSA）や真空スイング吸着（VSA）技術などの非極低温技術によって得られることが増えています。[ 24 ]

呼吸ガス混合物の酸素成分の割合は、混合物に名前を付けるときに使用されることがあります。

  • 低酸素混合ガスは厳密には21%未満の酸素を含みますが、16%を境界として使用されることが多く、高い圧力によって酸素の分圧が安全なレベルまで上昇する「ボトムガス」として深海でのみ呼吸するように設計されている。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]トライミックス、ヘリオックス、ヘリアーは、低酸素混合ガスとして一般的に使用されるガスブレンドであり、プロやテクニカルダイビングで深呼吸ガスとして使用されている。[ 1 ] [ 3 ]低酸素性ガス混合物の最小作動深度は、その部分圧が、そのガスを使用する個人または組織が許容できる最小酸素分圧に等しくなる深度に基づいて割り当てられる場合がある。
  • 常酸素性混合水は、空気と同じ21%の酸素含有量です。[ 1 ] [ 3 ]常酸素性混合水の最大使用水深は47メートル（154フィート）と浅い場合があります。酸素含有量が17%から21%の三元混合水は、水面で安全に呼吸できるほど十分な酸素含有量があるため、常酸素性混合水と呼ばれることがよくあります。
  • 高酸素混合ガスには21%以上の酸素が含まれています。エンリッチドエアナイトロックス（EANx）は、典型的な高酸素呼吸ガスです。[ 1 ] [ 3 ] [ 12 ]高酸素混合ガスは、空気と比較して浅い深度では酸素中毒を引き起こしますが、溶解した不活性ガスをより早く体外に排出することで減圧停止時間を短縮することができます。 [ 8 ] [ 12 ]

酸素の含有率によって、酸素毒性を回避して混合物を安全に使用できる最大深度が決まります。この深度は最大作動深度と呼ばれます。[ 1 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]

混合ガス中の酸素濃度は、混合ガスの分率と圧力に依存します。酸素分圧（P O 2）で表されます。[ 1 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]

混合物中の成分ガスの部分圧は次のように計算されます。

分圧 = 全絶対圧力 × ガス成分の体積分率

酸素成分については、

P O 2 = P × F O 2

どこ：

P O 2 = 酸素分圧
P = 全圧
F O 2 = 酸素含有量の体積分率

呼吸ガス中の酸素分圧の最小安全値は、一般的に16  kPa（0.16 bar）とされています。この分圧を下回ると、ダイバーは個人の生理学的特性や運動レベルなどの要因に応じて、低酸素症による意識喪失や死亡のリスクにさらされる可能性があります。浅瀬で低酸素ガスを吸入した場合、ダイバーの意識を維持するのに十分な酸素分圧が得られない可能性があります。このため、潜水の「ボトム」段階と「減圧」段階の間の中深度では、常酸素圧または高酸素圧の「トラベルガス」が使用されます。

呼吸ガス中の最大安全 P O 2 は、曝露時間、運動レベル、および使用されている呼吸器具の安全性によって異なります。通常は 100 kPa (1 bar) から 160 kPa (1.6 bar) の間です。3 時間未満の潜水では、一般的に 140 kPa (1.4 bar) と考えられていますが、米国海軍は180 kPa (1.8 bar) ものP O 2での潜水を許可していることが知られています。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]高 P O 2またはそれ以上の曝露では、ダイバーは酸素中毒の危険があり、発作を引き起こす可能性があります。[ 1 ] [ 2 ]各呼吸ガスには、酸素含有量によって決まる最大作動深度があります。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]治療的再圧および高圧酸素療法では、チャンバー内で2.8 barの部分圧力が一般的に使用されますが、使用者が意識を失っても溺れる危険はありません。[ 2 ]飽和潜水などの長期間の場合は、数週間にわたって0.4 barに耐えることができます。

酸素分析装置は混合ガス中の酸素分圧を測定するために使用されます。[ 4 ]

Divoxは、ダイビング用にラベル付けされた呼吸用酸素です。オランダでは、呼吸用の純酸素は、溶接に使用されるような工業用酸素とは異なり、医療用とみなされ、医師の処方箋がないと入手できません。ダイビング業界は、医療用酸素に関する厳格な規則を回避するため、呼吸用酸素の商標としてDivoxを登録しました。これにより、（レクリエーション用の）スキューバダイバーが呼吸ガスに混合するための酸素を入手しやすくなりました。ほとんどの国では、医療用酸素と工業用酸素の純度に違いはありません。製造方法と製造元は全く同じですが、ラベルと充填方法が異なるためです。両者の主な違いは、医療用酸素の方が記録保管がはるかに徹底的であるため、純度に問題が発見された場合に、酸素の「ロット」またはバッチの正確な製造履歴をより容易に特定できることです。航空用酸素は医療用酸素に似ていますが、水分含有量が低い場合があります。[ 4 ]

希釈ガス

呼吸ガス中で代謝機能を持たないガスは、ガスを希釈するために使用されるため、希釈ガスに分類されます。これらのガスの中には、高い分圧で可逆的な麻酔作用を示すものがあり、吸入を意図する最大圧力において過度の麻酔作用を回避するために、使用量を制限する必要があります。希釈ガスは混合ガスの密度にも影響を与え、呼吸仕事量にも影響を与えます。

窒素

窒素（N₂ ）は二原子気体であり、空気の主成分です。空気はダイビングで使用される最も安価で一般的な呼吸ガスです。ダイバーに窒素酔いを引き起こすため、使用は浅い潜水に限られます。窒素は減圧症を引き起こす可能性があります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 25 ]

等価空気深度は、ナイトロックス（酸素/窒素）混合ガスの減圧必要量を推定するために使用されます。等価麻薬深度は、トリミックス（酸素/ヘリウム/窒素混合ガス）の麻薬効力を推定するために使用されます。多くのダイバーは、空気呼吸をしながら30メートル（100フィート）潜水した際に生じる麻薬レベルの上限が、快適なレベルであると考えています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 26 ] [ 27 ]

ガス混合物中の窒素は、ほとんどの場合、混合物に空気を加えることによって得られます。

ヘリウム
2% Heliox ストレージ クワッド。90 mswを超える圧力では、体積比 2% の酸素で十分です 。

ヘリウム（He）は不活性ガスであり、同圧の窒素よりも麻酔性が低い（実際、ヘリウムによる麻酔作用は全く証明されていない）上、密度がはるかに低いため、窒素よりも深い潜水に適しています。[ 1 ] [ 3 ]ヘリウムは減圧症を引き起こす可能性があります。また、高圧下では、ヘリウムは高圧神経症候群（中枢神経系の炎症症候群）を引き起こします。これは、ある意味で麻酔とは逆の作用を持ちます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 28 ]

ヘリウム混合物の充填は、ヘリウムのコストと混合物の混合および圧縮のコストがかかることから、空気の充填よりもかなり高価になります。

ヘリウムは断熱性が低いためドライスーツの膨張には適していません。適度な断熱性があると考えられている空気と比較すると、ヘリウムの熱伝導率は6倍です。[ 29 ]ヘリウムの分子量が低いため（一原子MW=4、二原子窒素MW=28）、呼吸する人の声のピッチが高くなり、コミュニケーションを妨げる可能性があります。[ 1 ] [ 3 ] [ 30 ]これは、低分子量のガスでは音速が速く、声帯の共鳴周波数が高くなるためです。[ 1 ] [ 30 ]ヘリウムは原子が小さいためシール内のより小さな隙間を通過できるため、破損または故障したバルブからヘリウムが他のガスよりも漏れやすくなります。

ヘリウムは天然ガスにのみ大量に含まれており、低温で分留によって抽出されます。

ネオン

ネオン（Ne）は、深海での商業ダイビングで使用されることもある不活性ガスですが、非常に高価です。[ 1 ] [ 3 ] [ 13 ] [ 19 ]ヘリウムと同様に窒素よりも麻薬性が低いですが、ヘリウムとは異なり、ダイバーの声を歪ませません。ヘリウムと比較して、ネオンは優れた断熱性を持っています。[ 21 ]ネオンの原子量と分子量は約20で、窒素の14、ヘリウムの4と比較すると、窒素ガス（N2 ）の分子量は28です。

水素

水素（H2 ）は深海潜水用混合ガスに使用されているが、約4～5％を超える酸素（呼吸用ガス中の酸素など）と混合すると爆発性が非常に高くなる。[ 1 ] [ 3 ] [ 13 ] [ 16 ]このため、水素の使用は深海潜水に限定され、水素を吸い始める前に呼吸器材から過剰な酸素を確実に除去するための複雑な手順が必要となる。ヘリウムと同様に、水素はダイバーの声のトーンを上げる。潜水用ガスとして使用される水素酸素混合ガスは、ハイドロックスと呼ばれることもある。希釈剤として水素とヘリウムの両方を含む混合物は、ハイドロリオックスと呼ばれる。

ダイビング用呼吸ガスに含まれる好ましくない成分

多くのガスはダイビングの呼吸ガスとしての使用には適していません。[ 5 ] [ 31 ]以下はダイビング環境に一般的に存在するガスの不完全なリストです。

アルゴン

アルゴン（Ar）は窒素よりも麻薬性が高い不活性ガスであるため、一般的に潜水呼吸用ガスとしては適していません。 [ 32 ]アルゴックスは減圧研究に使用されます。[ 1 ] [ 3 ] [ 33 ] [ 34 ]アルゴンは断熱性に優れているため、ヘリウムベースの主な呼吸用ガスを使用しているダイバーがドライスーツの膨張に使用することがあります。アルゴンは空気や酸素よりも高価ですが、ヘリウムよりはかなり安価です。アルゴンは自然空気の成分であり、地球の大気の体積比0.934%を占めています。[ 35 ]

二酸化炭素

二酸化炭素（CO2 ）は人体の代謝によって生成され、二酸化炭素中毒を引き起こす可能性があります。[ 31 ] [ 36 ] [ 37 ]呼吸ガスが再呼吸器や生命維持装置でリサイクルされる際、ガスが再利用される前に スクラバーによって二酸化炭素が除去されます。

一酸化炭素

一酸化炭素（CO）は非常に毒性の高いガスで、ヘモグロビンへの結合を二酸素と競合し、血液中の酸素運搬を阻害します（一酸化炭素中毒を参照）。一酸化炭素は、通常、不完全燃焼によって生成されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 31 ]一般的な発生源は以下の4つです。

  • 潜水用エアコンプレッサーに吸い込まれる空気中のCOを含む内燃機関の排気ガス。吸入空気中のCOは、いかなるフィルターでも遮断できません。石油燃料で稼働するすべての内燃機関の排気には、ある程度のCOが含まれています。これは特にボートにおいて問題となります。ボートでは、コンプレッサーの吸気口をエンジンとコンプレッサーの排気口から自由に離すことができないためです。
  • コンプレッサー内部の潤滑剤を加熱すると、潤滑剤が十分に蒸発し、コンプレッサーの吸気口または吸気システム ラインで利用できるようになります。
  • 場合によっては、炭化水素系潤滑油が損傷または摩耗したシールを通してコンプレッサーのシリンダー内に直接吸い込まれることがあり、その場合、非常に高い圧縮比とそれに伴う温度上昇によって発火し、燃焼を起こす可能性があります（通常は実際にそうなります）。重質油は燃焼しにくく、特に適切に霧化されていない場合は不完全燃焼となり、一酸化炭素が発生します。
  • 同様のプロセスは、あらゆる粒子状物質、特に高酸素混合ガスに使用されるボンベにおいて、「有機」（炭素含有）物質を含む物質にも起こり得ると考えられています。コンプレッサーのエアフィルターが故障すると、ボンベ内に通常の塵埃が入り込み、そこに有機物（通常は腐植質を含むため）が混入します。より深刻な危険性として、ボンベが充填される船舶や工業地帯の大気中の粒子状物質には、炭素粒子状の燃焼生成物（雑巾が黒くなる原因）が含まれることが多く、これがボンベ内に入り込むと、より深刻なCO2の危険性が生じます。

一酸化炭素は、一般的に、吸気口を汚染されていない空気中に設置し、吸気から微粒子を濾過し、適切なコンプレッサー設計と適切な潤滑剤を使用し、運転温度が過度に高くならないようにすることで、合理的に実行可能な限り回避されます。残留リスクが過度に高い場合は、高圧フィルターにホプカライト触媒を使用し、一酸化炭素を毒性がはるかに低い二酸化炭素に変換することができます。

炭化水素

炭化水素（C x H y ）はコンプレッサーの潤滑油や燃料に含まれています。これらは、汚染、漏れ、あるいは吸気口付近での不完全燃焼によって潜水艦のシリンダー内に侵入する可能性があります。[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 31 ] [ 38 ]

水分含有量

ダイビングシリンダーにガスを圧縮する過程で、ガスから水分が除去される。[ 5 ] [ 31 ]これはシリンダーの腐食防止には有効だが、ダイバーが非常に乾燥したガスを吸入することになる。乾燥したガスは水中にいる間にダイバーの肺から水分を奪い、脱水症状を引き起こす一因となり、減圧症の素因とも考えられている。肺での蒸発によりかなりの熱が失われる。乾燥したガスはまた不快感を伴い、口や喉の乾燥や、ダイバーの喉の渇きを引き起こす。この問題はリブリーザーでは軽減される。なぜなら、炭酸ガスを除去するソーダ石灰反応によって呼吸ガスに水分が戻されるためである。[ 10 ]また、呼気ガスの相対湿度と温度は比較的高く、再呼吸による累積効果がある。[ 40 ]暑い気候では、オープンサーキットダイビングは脱水症状による熱中症を加速させる可能性がある。水分含有量に関するもう一つの懸念事項は、レギュレーターを通過する際にガスが膨張すると水分が凝縮する性質です。この凝縮に加え、減圧による急激な温度低下も加わると、水分が氷として固まる可能性があります。レギュレーター内で氷が固まると、可動部品が固着し、レギュレーターが故障したり、フリーフロー状態になったりする可能性があります。これが、スキューバレギュレーターが一般的に真鍮製で、保護のためクロムメッキが施されている理由の一つです。真鍮は優れた熱伝導性を持ち、周囲の水から冷たく減圧された空気へと熱を素早く伝導するため、氷結を防ぐのに役立ちます。

ガス分析

潜水用リブリーザーに使用される電気ガルバニック燃料電池

ガス混合物は一般に、品質管理のために製造工程内または混合後に分析する必要があります。これは、エラーがエンドユーザーの健康と安全に影響を与える可能性のある呼吸用ガス混合物の場合に特に重要です。ダイビングシリンダー内に存在する可能性のあるほとんどのガスは、無色、無臭、無味であるため検出が困難です。一部のガスに対しては、酸素分析装置、ヘリウム分析装置、一酸化炭素検知器、二酸化炭素検知器などの電子センサーが存在します。[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]酸素分析装置は、リブリーザー内で水中によく見られます。[ 10 ]酸素分析装置とヘリウム分析装置は、呼吸用ガス混合物内の酸素またはヘリウムの割合を決定するために、ガス混合中に水面でよく使用されます。 [ 4 ]化学的およびその他のタイプのガス検知方法は、レクリエーションダイビングではあまり使用されませんが、ダイビング空気圧縮機からの圧縮呼吸用空気の定期的な品質テストに使用されます。[ 4 ]

呼吸ガス基準

呼吸ガスの品質基準は、国内外の機関によって公表されており、法令に基づいて施行される場合がある。英国では、健康安全執行局（Health and Safety Executive）が、ダイバーの呼吸ガスに関する要件はBS EN 12021:2014に基づいていると示している。仕様には、酸素適合空気、酸素の添加、窒素の除去、または窒素と酸素の混合によって生成されるナイトロックス混合ガス、ヘリウムと酸素の混合物（ヘリオックス）、ヘリウム、窒素、酸素の混合物（トライミックス）、純酸素、オープンサーキットシステムとリクレイムシステム、高圧供給と低圧供給（40バール供給以上と以下）が記載されている。[ 41 ]

酸素含有量は作業深度によって変動しますが、許容範囲はガス分率の範囲によって異なり、酸素分率10体積％未満の場合は±0.25％、10％から20％の場合は±0.5％、20％を超える場合は±1％となります。[ 41 ]

水分含有量は、制御弁の氷結や格納容器表面の腐食の危険性によって制限されます（湿度が高くても生理学的な問題にはなりません）。また、水分含有量は一般的に露点の要因となります。[ 41 ]

その他の指定汚染物質としては、二酸化炭素、一酸化炭素、油、揮発性炭化水素があり、毒性の影響により制限されています。その他の汚染物質の可能性については、リスク評価に基づいて分析する必要があり、汚染物質の検査頻度もリスク評価に基づいて決定されます。[ 41 ]

オーストラリアでは、呼吸用空気の質はオーストラリア規格2299.1、第3.13節「呼吸用ガスの質」で規定されています。[ 42 ]

ダイビングガスの混合

空気、酸素、ヘリウム分圧ガス混合システム
ナイトロックス連続混合コンプレッサーの設置

ダイビング用の呼吸ガスのガスブレンド（またはガス混合）とは、ガスシリンダーに空気以外の呼吸用ガス混合物を充填することです。シリンダーにガス混合物を充填することは、充填者とダイバーの両方に危険を伴います。充填中は、酸素の使用による火災の危険と、高圧ガスの使用による爆発の危険があります。混合物の組成は、計画されているダイビングの深度と時間に対して安全でなければなりません。酸素濃度が薄すぎると、ダイバーは低酸素症のために意識を失う可能性があり、濃すぎるとダイバーは酸素中毒を発症する可能性があります。窒素やヘリウムなどの不活性ガスの濃度は、窒素酔いや減圧症を避けるために計画され、チェックされます。

使用される方法には、分圧または質量分率によるバッチ混合と連続混合プロセスがあります。完成した混合物は、ユーザーの安全のため、組成分析が行われます。ガス混合業者は、他人のために充填を行う場合、法律により能力を証明することが求められる場合があります。

密度

呼吸用ガスの密度が高すぎると、呼吸仕事量が耐え難いレベルまで上昇し、低密度では二酸化炭素の滞留を引き起こす可能性があります。[ 7 ]ヘリウムは、密度を下げる成分として、また深海での麻酔を軽減する成分として使用されます。分圧と同様に、混合気体の密度は、構成ガスの体積分率と絶対圧に比例します。理想気体の法則は、呼吸可能な圧力の気体に対しては十分に正確です。

特定の温度と圧力におけるガス混合物の密度は次のように計算できます。

ρ m = (ρ 1 V 1 + ρ 2 V 2 + .. + ρ n V n ) / (V 1 + V 2 + ... + V n )

どこ

ρ m = 混合気体の密度
ρ 1 ... ρ n = 各成分の密度
V 1 ... V n = 各成分ガスの部分体積[ 43 ]

各ガスのガス分率Fi （体積分率）はV i / (V 1 + V 2 + ... + V n ) と表すことができるので、

代替により、

ρ m = (ρ 1 F 1 + ρ 2 F 2 + .. + ρ n F n )

低圧呼吸ガス

国際宇宙ステーションの外にいるオーラン宇宙服を着た宇宙飛行士

減圧周囲圧で使用する呼吸ガスは、非与圧航空機による高高度飛行、宇宙飛行（特に宇宙服）、および高高度登山に使用されます。これらすべての場合において、主な考慮事項は適切な酸素分圧を提供することです。呼吸ガスには、十分な濃度になるように酸素が添加されている場合もあれば、純粋またはほぼ純粋な酸素である場合もあります。呼吸ガスの供給量が限られている場合、閉回路システムが呼吸ガスを節約するために使用されることがあります。登山の場合、ユーザーは補助酸素を携帯する必要があり、宇宙飛行では質量体を軌道上に打ち上げるコストが非常に高くなります。

医療用呼吸ガス

空気以外の呼吸ガスの医療用途には、酸素療法や麻酔用途が含まれます。

酸素療法

酸素療法用の簡易フェイスマスクを着用している人

酸素は正常な細胞代謝のために人体に必要なものである。[ 44 ]空気には通常、体積比で21%の酸素が含まれている。[ 45 ]これは通常は十分であるが、状況によっては組織への酸素供給が損なわれることがある。

酸素療法は酸素補給とも呼ばれ、医療行為として酸素を使用することです。[ 46 ]これには、低血中酸素、一酸化炭素中毒、群発性頭痛、吸入麻酔薬を投与している間に十分な酸素を維持するために含まれる場合があります。[ 47 ]長期酸素投与は、重度のCOPDや嚢胞性線維症などによる慢性的に酸素が少ない人によく役立ちます。[ 48 ] [ 46 ]酸素は、鼻カニューレ、フェイスマスク、高圧チャンバー内など、さまざまな方法で投与できます。[ 49 ] [ 50 ]

高濃度酸素は、素因のある人では肺損傷などの酸素毒性を引き起こしたり、呼吸不全につながる可能性があります。 [ 47 ] [ 45 ]また、鼻を乾燥させ、喫煙者では火災のリスクを高める可能性があります。推奨される目標酸素飽和度は、治療する病状によって異なります。ほとんどの病状では94～98%の飽和度が推奨されますが、二酸化炭素貯留のリスクがある人では88～92%の飽和度が望ましく、一酸化炭素中毒や心停止の人では、飽和度は可能な限り高くする必要があります。[ 46 ]

医療における酸素の使用は1917年頃から一般的になった。[ 51 ] [ 52 ]これは世界保健機関の必須医薬品リストに掲載されている。[ 53 ] [ 54 ]家庭用酸素の費用はブラジルでは月に約150ドル、米国では月に約400ドルである。[ 48 ]家庭用酸素は酸素ボンベか酸素濃縮器のいずれかで供給できる。[ 46 ]酸素は先進国の病院で提供される最も一般的な治療法であると考えられている。[ 55 ] [ 46 ]

麻酔ガス

気化器は液体麻酔薬を保持し、それを吸入用のガス（この場合はセボフルラン）に変換します。
麻酔器。
臨床現場で広く使用されているフッ化エーテル系麻酔薬であるセボフルラン、イソフルラン、エンフルラン、デスフルランのボトルです。これらの薬剤は安全のため色分けされています。デスフルランは室温で沸騰するため、専用のフィッティングが必要です。

全身麻酔の最も一般的な方法は、吸入麻酔薬の使用です。それぞれの薬剤には独自の効力があり、油への溶解度と相関しています。この相関関係は、薬剤が中枢神経系のタンパク質の空洞に直接結合することから生じますが、全身麻酔の作用についてはいくつかの説が提唱されています。吸入麻酔薬は、中枢神経系の異なる部位に作用すると考えられています。例えば、吸入麻酔薬の動けなくする作用は脊髄への作用によるものですが、鎮静、催眠、健忘は脳内の部位に作用します。[ 56 ] : 515

吸入麻酔薬は、吸入によって全身麻酔作用を有する化合物です。現在、臨床的に重要な関心を集めている薬剤としては、イソフルラン、セボフルラン、デスフルランなどの揮発性麻酔薬、および亜酸化窒素やキセノンなどの麻酔ガスが挙げられます。

管理

麻酔ガスは、麻酔科医（麻酔専門医、麻酔看護師、麻酔科助手を含む）が、麻酔マスク、ラリンジアルマスク、または麻酔気化器と麻酔供給システムに接続された気管チューブを通して投与します。麻酔器（イギリス英語）または麻酔機械（アメリカ英語）あるいはボイル機械は、麻酔の投与をサポートするために使用されます。先進国で使用されている最も一般的なタイプの麻酔器は、持続フロー麻酔器であり、医療用ガス（酸素や亜酸化窒素など）を正確な濃度の麻酔蒸気（イソフルランなど）と混合し、これを安全な圧力と流量で患者に供給するように設計されています。最新の機械には、人工呼吸器、吸引ユニット、患者モニタリング装置が組み込まれています。呼気ガスはスクラバーを通過して二酸化炭素が除去され、麻酔蒸気と酸素は必要に応じて補充された後、患者に戻されます。

参照

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