Nghiên cứu thiết bị điều khiển bù ô xy trong quá trình kiểm tra và huấn luyện sức khỏe cho người hoạt động trong các môi trường khí quyển áp suất thấp

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----

NGUYỄN HUY HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÙ Ô XY
TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA VÀ HUẤN LUYỆN SỨC KHỎE
CHO NGƯỜI HOẠT ĐỘNG TRONG MƠI TRƯỜNG
KHÍ QUYỂN ÁP SUẤT THẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

HÀ NỘI - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

----

NGUYỄN HUY HÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÙ Ô XY
TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA VÀ HUẤN LUYỆN SỨC KHỎE
CHO NGƯỜI HOẠT ĐỘNG TRONG MƠI TRƯỜNG
KHÍ QUYỂN ÁP SUẤT THẤP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRỊNH QUANG ĐỨC

HÀ NỘI - 2019


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội,
bằng sự biết ơn và kính trọng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trƣờng,
Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Kỹ thuật Ysinh và các
Giáo sƣ, P. Giáo sƣ, Tiến sĩ đã nhiệt tình hƣớng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện
thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện đề tài
luận văn này.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy: Ts. Trịnh Quang Đức,
ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã tạo điều kiện,
giúp đỡ em trong trao đổi chun mơn để hồn thành đề tài này.
Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, đề tài luận văn chắc
chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến
của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để đề tài của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 03 năm 2019
Tác giả

Nguyễn Huy Hùng

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU ......................................................................................1
1.VAI TRỊ CỦA MƠI TRƢỜNG KHÍ NGHÈO OXY TRONG HUẤN LUYỆN
KHƠNG QN. .....................................................................................................1
1.1.Khái qt về tình trạng thiếu oxy ở trên cao. .................................................1
1.2.Ảnh hƣởng của thiếu oxy trong hoạt động bay quân sự. ...............................6
2.PHƢƠNG PHÁP HUẤN LUYỆN. ......................................................................7
2.1. Nâng cao khả năng chịu đựng của cơ thể đối với thiếu oxy trên cao. ..........7
2.2. Các phƣơng pháp huấn luyện khả năng chịu đựng cho phi công quân sự. ...7
2.2.1. Huấn luyện tới thiếu oxy ở trên núi cao..................................................7
2.2.2. Huấn luyện với thiếu oxy trong buồng giảm áp. ....................................7
2.2.3.Biện pháp sử dụng thuốc..........................................................................8
2.2.4. Huấn luyện dùng thiết bị điều khiển nghèo oxy. ....................................8
3.CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ HUẤN LUYỆN. ........................................................9
3.1.Chế độ huấn luyện thở nghèo oxy (HRT) ......................................................9
3.2.Chế độ mô phỏng bay nghèo oxy (FSHT) ...................................................10
3.3.Chế độ mô phỏng bay hỏng hệ thống cấp oxy (OSFT) ................................10
4.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI. .................................................................................11
CHƢƠNG 2. TIẾP CẬN KIẾN THỨC ................................................................13

1. SỰ TƢƠNG QUAN CỦA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN VÀ OXY. ......................13
1.1. Giới thiệu về cấu trúc khí quyển. ................................................................13
1.1.1. Tầng đối lƣu (Troposphere) ..................................................................13
1.1.2. Tầng bình lƣu (Stratosphere). ...............................................................15
1.1.3. Tầng trung gian (Mesosphere) ..............................................................16

ii


1.1.4. Tầng điện ly (Thermosphere)................................................................16
1.1.5. Tầng khuyếch tán (Exosphere) .............................................................16
1.2. Sự tƣơng quan của áp suất khí quyển và oxy ở tầng đối lƣu. .....................16
2.CÁC MƠ HÌNH HUẤN LUYỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM. ............20
3. MƠ HÌNH TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG ROBD2. ...................................23
4.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ROBD2. ..............................24
CHƢƠNG 3. CÁC KHỐI THÀNH PHẦN ...........................................................29
1.KHỐI LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.....................................................................29
2.KHỐI ĐO THƠNG SỐ KHÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN VAN TIẾT LƢU. ..................31
3.KHỐI ĐIỀU KHIỂN VAN ĐIỆN TỪ VÀ GIAO TIẾP I/O. .............................32
4.CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH. ...........................................................................33
4.1. MFC (Mass Flow Controller). .....................................................................33
4.2.Các van. ........................................................................................................34
CHƢƠNG 4. THAO TÁC VẬN HÀNH ...............................................................36
1.LẮP ĐẶT HỆ THỐNG. .....................................................................................36
1.1.Máy chính. ....................................................................................................36
1.1.1.Các thơng số kỹ thuật. ............................................................................36
1.1.2.Giao diện ngƣời dùng. ...........................................................................38
1.1.3.Trình tự lắp đặt:......................................................................................41
2.HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG. ...............................................................................43
3.LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG. ........................................................................50

4.BẢO TRÌ HỆ THỐNG. ......................................................................................55
4.1. Quy trình bảo trì hệ thống. ..........................................................................55
4.2. Hiệu chỉnh hệ thống. ...................................................................................60
4.3. Kiểm tra điện áp mức và tín hiệu ra trên các bảng mạch. ...........................67
4.3.1. Bảng vi tính-PC401...............................................................................67
4.3.2.Bảng đo oxy xung-PC403 và PC404. ....................................................68
4.3.3.Giao diện bàn phím và hiển thị - PC406 ................................................68
4.3.4.Bảng analog - PC412 .............................................................................68

iii


4.3.5.Bảng điều khiển I / O PC416. ................................................................70
KẾT LUẬN ..............................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73
PHỤ LỤC

iv


CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HRT

Hypoxia Recognition Training

FSH T

Flight Simulator Hypoxia Training

OSFT

Oxygen System Failure Training

ROBD-2

Reduced Oxygen Breathing Device 2

HPO

Hypobaric chamber

MFC

MASS flow controller

NAG

Nitrogen and Air Generator

PSIG

Pounds Per Square Inch Gauge

BPR

Back pressure regulator

LPM

Liters Per Minute

VAC

Volts, Alternating Current

VDC

Volts, Direct Current

EMI / RFI

Electromagnetic interference/ radio-frequency interference

SpO2

Độ bão hòa oxy

LCD

Liquid Crystal Display

CYL

Pressurized gas cylinders

NIST

National Institute of Standards and Technology

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Nhiệt độ và khí áp trung bình ở các tầng cấu trúc của khí quyển .............14
Hình 2.2. Hệ thống ROBD2 ......................................................................................21
Hình 2.3. Hệ Hệ thống buồng giảm áp HPO 6+1 .....................................................23
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ROBD2 .....................................................25
Hình 4.1.Cấu tạo mặt trƣớc của máy chính ROBD2 ................................................38
Hình 4.2.Cấu tạo mặt sau của máy chính ROBD2....................................................40
Hình 4.3. Hƣớng dẫn lắp tùy chọn nguồn điện .........................................................42
Hình 4.4.Hiệu chuẩn O2 theo nồng độ oxy trong khơng khí ....................................47
Hình 4.5.Qúa trình hiệu chuẩn O2 kết thúc khi lƣợng oxy 100% .............................48
Hình 4.6.Quá trình hiệu chuẩn N2 .............................................................................49
Hình 4.7.Các thông tin sau sẽ đƣợc hiển thị sau mỗi độ cao đƣợc kiểm tra: ............50
Hình 4.8.Chế độ vận hành bình thƣờng ....................................................................51
Hình 4.9.Màn hình hiển thị vào chế độ quản trị .......................................................51
Hình 4.10.Màn hình hiển thị vào chế độ lập trình ....................................................52
Hình 4.11.Chế độ kiểm tra dịng chảy ......................................................................54
Hình 4.12.Bộ lọc quạt ...............................................................................................56
Hình 4.13. Bộ lọc hạt ................................................................................................56
Hình 4.14.Hƣớng dẫn thay thế bộ lọc cuối ...............................................................58
Hình 4.15.Thay thế cảm biến oxy .............................................................................58
Hình 4.16. Mơ tả một thiết bị hiệu chuẩn .................................................................61
Hình 4.17.Tháo ống nối khí vào MFC ......................................................................62
Hình 4.18. Ống khuỷu tay .........................................................................................63
Hình 4.19.Kết nối khí chuẩn cho các MFC...............................................................63
Hình 4.20.Màn hình hiển thị hiệu chuẩn MFC .........................................................64
Hình 4.21.Màn hình hiển thị hiệu chuẩn MFC .........................................................65
Hình 4.22.Kiểm tra lƣu lƣợng từng MFC .................................................................67

Hình 4.23.Dạng sóng của điểm TP4 .........................................................................68
Hình 4.24.Dạng sóng của TP3 ..................................................................................70

vi


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Sự thay đổi áp suất khí quyển, phân áp oxy trong khơng khí và trong phế
nang theo độ cao..........................................................................................................4
Bảng 2.1: Các chất khí trong khí quyển (khơng tính đến hơi nƣớc) .........................17
Bảng 2.2.Bảng khí quyển tiêu chuẩn ........................................................................18
Bảng 4.1.Danh mục bảo trì và thời hạn bảo trì .........................................................55

vii


CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.VAI TRỊ CỦA MƠI TRƢỜNG KHÍ NGHÈO OXY TRONG HUẤN
LUYỆN KHƠNG QN.
1.1.Khái qt về tình trạng thiếu oxy ở trên cao.
Một trong những đặc điểm cấu tạo của khí quyển là áp lực khí quyển giảm
dần theo độ cao do ảnh hƣởng của mật độ phân tử khí dƣới tác động của lực trọng
trƣờng trái đất. Thơng thƣờng độ cao thấp nhất đƣợc tính với gốc là mặt nƣớc biển,
bởi do sự thông nhau của các đại dƣơng và đặc tính phân bố theo sức căng bề mặt
của chất lỏng nên mặt nƣớc biển đƣợc coi là nơi có độ cao bằng nhau dƣới tác dụng
của lực trọng trƣờng, do đó, là tiêu chuẩn để so sánh với các độ cao khác. Tỷ lệ
phần trăm của các khí trong khí quyển khơng bị thay đổi theo độ cao, nhƣng do áp
lực tuyệt đối của khí quyển giảm theo độ cao, cho nên áp lực riêng phần của các khí
cũng giảm theo độ cao.

Vì giảm áp lực riêng phần của oxy trong khí quyển giảm theo độ cao, cho nên gây
tình trạng thiếu oxy của cơ thể khi bay hoặc hoạt động ở môi trƣờng trên cao.
Ở độ cao <100 km thành phần các chất khí có tỷ lệ nhƣ sau:
N( Nitơ) 78,8%;

O2(Oxy)20,94%(~21%);

Ar(Argon) 0,48%.
CO2 (Cacbonic) 0,03% (> 40km khơng có )
H2 (Hyđrơ ) 0,01%
Ne (Nêon) 0,001%
He (Helium) 0,004%
Kr (Kriptan) 0,0001%
O3 (Ozon) 0,000002% (chủ yếu ở tầng bình lƣu 30-50 km).
- Quy luật giảm phân áp Oxy theo độ cao: khi lên cao, áp khí quyển giảm, đồng
thời áp lực riêng phần của Oxy trong khơng khí thở vào và trong phế nang cũng
giảm theo.

1


Khi giảm phân áp oxy trong khơng khí thở vào sẽ kéo theo giảm phân áp oxy trong
phế nang.
Áp lực riêng phần của oxy trong phế nang đƣợc tính theo công thức:
1- Theo giáo sƣ V.S.NOVIKOV:
PO2PN=(PKQ - PH2O) x %O2 - PCO2 PN ( 1- %O2 ) x R

(1.1)

PKQ- là áp lực khí quyển.

PCO2PN - áp lực CO2 ở phế nang = 40 mmHg
PH2O là áp lực hơi nƣớc trong phế nang = 47 mmHg
R - hệ số thở.
2- Theo giáo sƣ Lê Minh:
PO2PN = (PKQ-PH2O x a (Tỷ lệ % oxy phế nang)/100

(1.2)

a : tỷ lệ % oxy ở phế nang đƣợc tính là 14%
3- Theo giáo sƣ Nguyễn Lung:
PO2PN =PO2KQ – (PCO2PN + PH2O)

(1.3)

Oxy dùng trong y tế có tỷ lệ 2% Nitơ tƣơng đƣơng = 5mmHg.
Oxy là một trong những yếu tố quan trọng cấu thành nên sự sống bởi phản
ứng với oxy của các hoạt chất hữu cơ nhƣ đƣờng để tạo ra năng lƣợng cho cơ thể
hoạt động. Bên cạnh các phản ứng tạo năng lƣợng cho cơ thể, phản ứng của oxy với
các enzyme cũng làm cho cơ thể xuất hiện các trao đổi ion vốn là phƣơng tiện giao
tiếp của các tế bào. Cũng tƣơng tự nhƣ vậy, sự sao chép chuỗi DNA và phân chia tế
bào cũng cần oxy. Có thể nói, oxy là cơ sở của sự sống hiện diện trên trái đất và
cũng là phƣơng tiện để duy trì nó.
Trong thực tế khi thở oxy tinh khiết, phân áp oxy trong phế nang có thể cao hơn
tính tốn, do tăng thơng khí nên giảm tỷ lệ CO2 trong khí phế nang. Nhờ có q
trình khuyếch tán theo quy luật từ nơi có phân áp khí cao về nơi có phân áp khí thấp
xuyên qua màng tế bào, đã bảo đảm q trình sinh lý trao đổi khí đƣa oxy đến tế
bào và ngƣợc lại đƣa CO2 ra khỏi cơ thể.

2

Khi ở độ cao, sự thiếu oxy với những điều kiện nhất định, phản ứng của cơ
thể trong điều kiện thiếu oxy ở trên cao rất khác nhau và phụ thuộc vào độ cao,
nồng độ, phân áp oxy, tốc độ giảm áp lực riêng phần của oxy, thời gian ở trên độ
cao, trạng thái chức năng và sức chịu đựng của từng ngƣời khi thiếu oxy.
- Tầng giới hạn phản ứng (tầng bình thƣờng).
Từ 0 m đến < 2000 m. Các chức phận trong cơ thể gần nhƣ còn khả năng bù trừ
thích ứng tốt. Tuy nhiên về chức năng thị giác có thể giảm nhẹ thị lực về đêm.
- Tầng giới hạn rối loạn (tầng bù). Từ 2000 – 4000 m phản ứng của cơ thể đã bắt
đầu xuất hiện rõ với tăng thơng khí phổi, mạch, huyết áp (HA) tăng, trạng thái hƣng
phấn sảng khoái, tăng hoạt động nhƣng chất lƣợng công tác lại giảm, tăng thời gian
xử lý các nhiệm vụ tình huống phức tạp. Ở độ cao này về cơ bản cơ thể vẫn duy trì
đƣợc sự sống nhờ khả năng bù trừ bằng các phản ứng thích nghi tích cực.
- Tầng giới hạn nguy hiểm (tầng bù trừ khơng hồn tồn). Từ 4000 – 6000 m. Các
triệu chứng của bệnh thiếu oxy (bệnh trên cao) sẽ biểu hiện từ mức độ vừa đến
nặng, từ giai đoạn hƣng phấn sang ức chế, khơng thể duy trì cơng tác đƣợc lâu, ngay
cả ở tình trạng khơng hoạt động cũng đã nhận thấy những triệu trứng của tình trạng
thiếu oxy cấp. Ở độ cao này, khi thiếu oxy, khả năng hiệp đồng các động tác tinh vi
kém, phản ứng chậm, các rối loạn về hơ hấp, tuần hồn… đạt đến mức cao, nhƣng
không thành quy luật.
- Tầng giới hạn chết ngƣời (tầng nguy hiểm) từ 6000 – 8000m. Ở tầng giới hạn này
con ngƣời có thể rơi vào trạng thái mất ý thức, ngất hôn mê, co giật và chết. Sức
chịu đựng , tính bền bỉ của mỗi ngƣời đối với tình trạng thiếu oxy khơng giống
nhau. Một số ít ngƣời thậm chí ở độ cao 8000 m vẫn có thể cịn ý thức trong thời
gian đến chục phút. Nhƣng phần lớn mọi ngƣời không thể chịu đựng nổi khi ở độ
cao 7000m nếu không đƣợc cung cấp bổ sung oxy.

3

* Thời gian bắt đầu lên đến độ cao nào đó đến khi hơn mê thì gọi là thời gian thời
gian chịu đựng, thời gian dự trữ hay thời gian cịn ý thức. Độ cao càng cao thì thời
gian chịu đựng càng ngắn.

Độ cao(m)

Áp lực không Áp lực riêng phần của Oxy (mmHg)
khí (mmHg)

Trong K.Khí thở vào

Trong K.Khí phế nang

0

760

159

130

1.000

647,12

141

90

2.000

596,28

125

79

3.000

525,98

110

69

4.000

462,46

98

60

5.000

405,37

85

52

6.000

354,13

74

44

7.000

308,26

64

38

8.000

267,38

56

32

9.000

230,95

48

26

10.000

198,70

41

22

15.000

90,81

19

6

Bảng 1.1. Sự thay đổi áp suất khí quyển, phân áp oxy trong khơng khí và trong
phế nang theo độ cao
* Tác động của thiếu oxy (phân loại nguyên nhân trạng thái thiếu O2)
Nguyên nhân do thiếu oxy:
- Do thiếu oxy trong khơng khí thở vào, dạng thiếu oxy này xuất hiện khi lên cao
(kể cả trong điều kiện giảm áp ở mặt đất), khi thở hỗn hợp khí với nồng độ oxy
thấp.
4


- Cơ sở bệnh học của dạng thiếu oxy này là giảm PO2 ở phế nang, giảm oxy huyết

động mạch, giảm oxy huyết cầu tố trong máu động mạch.
- Kiểu dạng thiếu oxy này thƣờng gặp trong ngành hàng không và những ngƣời leo
núi.
Nguyên nhân do huyết dịch:
- Thiếu oxy do huyết dịch nguyên nhân do thiếu máu, giảm số lƣợng hồng cầu hoặc
do nguyên nhân Hemoglobin kém. Điều đó có nghĩa là do giảm khối oxy máu hoặc
giảm khả năng của Hemoglobin trong việc liên kết vận chuyển vả trao đổi oxy cho
tổ chức.
Ngun nhân do tuần hồn:
- Có thể do ứ trệ hoặc thiếu máu cục bộ gây nên. Khi chức năng tuần hồn kém sẽ
dẫn đến khơng đảm bảo đủ máu cho các cơ quan trong cơ thể.
- Trong các cuộc bay, nguyên nhân này có thể xảy ra cho phi công và tổ lái khi tác
động quá tải theo trục dọc của cơ thể gây cản trở máu động mạch đến các cơ quan,
nhất là khi thở oxy dƣới áp lực dƣ và trang bị cao khơng chuẩn bị tốt khơng tốt.
- Tính đặc trƣng của dạng thiếu oxy này là tỷ lệ oxy máu động mạch bình thƣờng,
nhƣng trong máu tĩnh mạch giảm.
Nguyên nhân do tổ chức:
- Thiếu oxy do tổ chức thƣờng xuất hiện do rối loạn khả năng hấp thụ oxy của tế
bào hay do giảm hiệu quả q trình oxy hóa sinh học.
- Thiếu oxy do tổ chức cũng có thể do nguyên nhân bị ngăn trở việc sử dung oxy
bởi nhễm độc Xyanua, muối kim loại nặng, các chất độc của q trình chuyển hóa
sinh học và kể cả thiếu vitamin.

5


- Tính đặc trƣng của thiếu oxy do tổ chức là tỷ lệ va áp lực O2 trong máu động
mạch bình thƣờng, nhƣng trong máu tĩnh mạch lại cao, vì không sử dụng đƣợc oxy
do các men hô hấp bi vơ hiệu hóa ở tế bào.ng thiếu oxy của cơ thể khi bay ở trên
cao.

Các máy bay hiện đại đƣợc trang bị buồng lái kín và khoang máy bay kín với
các chế độ điều hòa áp lực phù hợp và trên máy bay có các thiết bị cung cấp oxy
cho ngƣời lái và hành khách, nhờ đó trong các chuyến bay bình thƣờng khơng xảy
ra tình trạng thiếu oxy ở cơ thể phi công và hành khách.
Trong máy bay chiến đấu, do môi cƣờng độ và tốc độ hoạt động cao nên khi
hoạt động bay có thể xảy ra trƣờng hợp hở buồng lái, thủng hoặc vỡ kính nắp buồng
lái, hỏng thiết bị cung cấp oxy…
1.2.Ảnh hƣởng của thiếu oxy trong hoạt động bay quân sự.
Tác động thiếu oxy ở mức độ vừa và nhẹ gây trạng thái hƣng phấn bệnh lý,
giảm chất lƣợng hoạt động của phi công, gây ra rối loạn các quá trình thần kinh.
Ở mức độ thiếu oxy lớn gây tình trạng ức chế của thần kinh trung ƣơng, do đó làm
giảm khả năng phản ứng của phi cơng.
Nhịp điệu hoạt động tâm lý, trí óc bị chậm đi, trí nhớ kém, tƣ duy khó khăn.
Các phẩm chất của chú ý bị suy giảm (khả năng phân phối, di chuyển và số lƣợng
của chú ý đều giảm), các động tác phối hợp tinh vi rối loạn, thời gian phản xạ cảm
giác vận động tăng…
Những suy giảm của lao động trí óc nói trên gặp ở 60% số ngƣời tại độ cao
5000m, càng bay lên cao các dấu hiệu suy giảm càng trầm trọng.
Nếu mức độ thiếu oxy cao hơn nữa (độ cao <7500m) cơ thể không đủ khả
năng bù trừ, cho nên phát triển ức chế bảo vệ cho các tế bào vỏ não và dƣới vỏ. Các
rối loạn của các chức năng đó sẽ nhanh chóng hồi phục khi ngừng tác động của
thiếu oxy hoặc cung cấp oxy trở lại đủ cho cơ thể.

6


Những trƣờng hợp thiếu oxy quá mức (độ cao >8000m) có thể nhanh chóng
đƣa tới tình trạng chết lâm sang, nếu tình trạng này thốt khỏi vẫn có thể để lại
những tổn thƣơng vĩnh viễn ở một số cơ quan của cơ thể.
2.PHƢƠNG PHÁP HUẤN LUYỆN.

2.1. Nâng cao khả năng chịu đựng của cơ thể đối với thiếu oxy trên cao.
Việc đảm bảo điều kiện bay với áp suất tƣơng đƣơng áp suất khí quyển nhƣ
điều kiện trên mặt đất, ở những nơi độ cao thấp so với mặt nƣớc biển là hết sức hạn
chế bởi phƣơng pháp bù áp suất hoặc tăng oxy có thể dẫn đến phá hỏng lớp vật liệu
bảo vệ máy bay do chênh lệch áp suất trong và ngồi của vỏ máy bay. Do đó, cần
thiết phải huấn luyện các phi cơng có khả năng chịu đựng đƣợc cƣờng độ làm việc
trong điều kiện thiếu oxy. Biện pháp đảm bảo oxy cho cơ thể trong hoạt động bay
quân sự đƣợc giải quyết chủ yếu bằng sử dụng buồng lái kín và trang bị hệ thống
cấp oxy riêng, nhƣng với tính chất của hoạt động bay quân sự là thay đổi độ cao liên
tục, tốc độ của máy bay rất cao, thƣờng chỉ 1 hoặc 2 phi cơng tham gia bài bay và
có rất nhiều bài bay phức tạp đòi hỏi sức chịu đựng của phi cơng. Do đó phải có
những phƣơng pháp huấn luyện đặc thù .
2.2. Các phƣơng pháp huấn luyện khả năng chịu đựng cho phi công quân sự.
2.2.1. Huấn luyện tới thiếu oxy ở trên núi cao.
Tổ chức rèn luyện thiếu oxy cho phi công ở trên núi cao dựa trên nguyên tắc
nâng dần từng bƣớc và thƣờng xuyên, liên tục. Để thực hiện đƣợc ngun tắc này
có thể cho phi cơng sống và luyện tập ở núi cao 2500-4000m trong khoảng thời gian
10-14 ngày, sau đó rèn luyện ở núi cao hơn với độ cao tang thêm 1000-1500m. Với
phƣơng pháp này sẽ rèn luyện đƣợc khả năng chịu đựng khi thiếu oxy tới
8000m.Nhƣng có nhƣợc điểm chỉ phù hợp với một số vùng, chi phí cao.
2.2.2. Huấn luyện với thiếu oxy trong buồng giảm áp.
Có thể cho phi cơng huấn luyện ở buồng giảm áp với độ cao 5000m kéo dài
trong vòng ba tuần với nguyên tắc nâng dần từng bƣớc về thời gian. Thời gian trong
buồng giảm áp tối đa từ 30-40 phút/lần và 1 lần/ngày.

7


Phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là cần có sự hỗ trợ của giáo viên ở trong
buồng giảm áp, khi có vấn đề nguy đối với phi cơng thì các thao tác xử lý của giáo

viên phải rất nhanh và chính xác.
2.2.3.Biện pháp sử dụng thuốc.
Biện pháp dùng thuốc để nâng cao khả năng chịu đựng của cơ thể với thiếu
oxy trong y học hàng không là rất tế nhị, đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ và sử dụng
thận trọng. Ví dụ nhƣ các loại thuốc kích thích tuần hồn và hô hấp chỉ nên dung
trong những trƣờng hợp bay ở các độ cao gây thiếu oxy ở mức độ vừa và kéo dài
tạo cho các trung khu đó bị mệt. Trong những trƣờng hợp khác nếu dùng các thuốc
đó sẽ giảm khả năng bền vững của của cơ thể đối với thiếu oxy.
2.2.4. Huấn luyện dùng thiết bị điều khiển nghèo oxy.
Đây là một phƣơng pháp tƣơng đối mới, phƣơng pháp này sử dụng thiết bị
chuyên dụng để điều khiển giảm nồng độ oxy trong khơng khí kết hợp với áp suất
khơng khí lỗng khi so sánh với điều kiện hô hấp tại mặt đất. Điều này làm suy
giảm khả năng hô hấp của phi công. Phi công không đảm bảo tình trạng sức khỏe sẽ
bị ảnh hƣởng đến các chức năng vận động, ý thức.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là huấn luyện đơn giản, ít tốn kém, có thể
kiểm tra và huấn luyện cho phi cơng tại các đơn vị đƣợc trang bị máy mà không cần
tập trung.
Một ƣu điểm cơ bản nữa là có thể kiểm tra các chỉ số sức khỏe khi phi công
đang thở nghèo oxy. Đây là một thuận lợi để so sánh và đƣa ra tiêu chuẩn về sức
khỏe trƣớc khi tham gia hoạt động bay. Trong quá trình huấn luyện theo thiết bị
này, bác sĩ có thể kiểm tra nồng độ SPO2, nhịp tim, các chỉ số biến đổi trong máu,
điện tim, thần kinh, tâm lý…
Đây là hƣớng nghiên cứu mà đề tài “Nghiên cứu thiết bị điều khiển bù oxy trong
quá trình kiểm tra và huấn luyện sức khỏe cho người hoạt động trong môi trường
áp suất thấp” đƣa ra.

8


3.CÔNG NGHỆ PHỤC VỤ HUẤN LUYỆN.

Thiết bị điều khiển nghèo oxy đƣợc thiết kế và mô phỏng theo cách vận
chuyển các khí của máy ROBD2(Reduced Oxygen Breathing Devide-2) dùng trong
hải quân Mỹ để thử nghiệm cho phi công hải quân. Thiết bị cho phép tạo ra điều
kiện thiếu oxy và áp suất tƣơng đƣơng với điều kiện trong khi bay trên thực tế.
Công nghệ này cho phép huấn luyện tại chỗ và tiết kiệm chi phí trong huấn luyện
phi cơng. Đặc tính của thiết bị bao gồm những chức năng nhƣ sau:
* Lƣu lƣợng các khí và áp suất ở từng độ cao đƣợc lập trình sẵn.
* Các thơng số về hơ hấp vật lý và tốc độ dịng khí của máy đƣợc tính tốn ở từng
độ cao bao gồm cả kiểm sốt giới hạn oxy cho phép, thể tích của phổi tƣơng ứng
với lƣợng khơng khí chuyển dịch giữa hít vào và thở ra, nhịp thở , lƣu lƣợng tại mặt
nạ, lƣu lƣợng khí trộn nitơ, lƣu lƣợng trộn khơng khí.
* So sánh sự tƣơng quan giữa độ cao, nồng độ oxy và áp suất trên mặt nạ.
Chế độ hoạt động mô phỏng các điều kiện nghèo oxy trong môi trƣờng hoạt động
của phi công khi vận hành máy bay chiến đấu. ROBD-2 đƣợc thiết kế gồm 3 chế độ
hoạt động cơ bản.
3.1.Chế độ huấn luyện thở nghèo oxy (HRT)
Chƣơng trình huấn luyện thở nghèo oxy là chế độ cơ bản của thiết bị. Trong chế
độ, thiết bị sẽ mô phỏng việc thay đổi độ cao và nồng độ oxy phù hợp với độ cao
tƣơng ứng. Tuy nhiên, áp suất buồng thở sẽ đƣợc duy trì khơng đổi tƣơng ứng với
áp suất 0mmHg (Mực nƣớc biển). Việc giữ và thay đổi độ cao cần đƣợc lập trình
trƣớc và điều khiển qua tổ hợp bàn phím. Thời gian thiết bị duy trì tại một độ cao
nhất định sẽ đƣợc tính toán và hiển thị để huấn luyện viên đánh giá chất lƣợng sức
khỏe của phi công. Khi thay đổi độ cao, máy sẽ tính tốn và hiển thị tốc độ tăng
giảm độ cao dƣới dạng feet/phút hoặc m/phút với giới hạn tối đa là 60000 feet.

9


3.2.Chế độ mơ phỏng bay nghèo oxy (FSHT)
Chƣơng trình huấn luyện mô phỏng bay nghèo oxy là chế độ cơ bản có nâng

cao của thiết bị. Phi cơng sau khi thích ứng với chế độ HRT sẽ đƣợc huấn luyện với
chế độ FSHT để làm quen với môi trƣờng hoạt động bên trong khoang máy bay
chiến đấu. FSHT thay đổi độ cao kèm theo thay dổi áp suất buồng thở từ 28000 feet
tới độ cao tối đa 34000 feet, tƣơng ứng với 7.47 mmHg. Nồng độ oxy sẽ đƣợc thay
đổi tƣơng ứng với độ cao nhƣ trong chế độ HRT. Việc giữ và thay đổi độ cao cần
đƣợc lập trình trƣớc và điều khiển qua tổ hợp bàn phím. Thời gian thiết bị duy trì tại
một độ cao nhất định sẽ đƣợc tính tốn và hiển thị để huấn luyện viên đánh giá chất
lƣợng sức khỏe của phi công. Khi thay đổi độ cao, máy sẽ tính tốn và hiển thị tốc
độ tăng giảm độ cao dƣới dạng feet/phút hoặc m/phút với giới hạn tối đa là 60000
feet.
3.3.Chế độ mô phỏng bay hỏng hệ thống cấp oxy (OSFT)
Chế độ bay hỏng hệ thống oxy mô phỏng trƣờng hợp hệ thống oxy bị hỏng
trong quá trình vận hành máy bay của phi công. OSFT thay đổi độ cao kèm theo áp
suất buông thở từ 28000 feet tới độ cao tối đa 34000 feet. Ban đầu, nồng độ oxy sẽ
đƣợc duy trì ở mức 21% để phi cơng thích ứng với mơi trƣờng bình thƣờng. Khi nút
nhấn O2FALL đƣợc khởi động , phi công sẽ bắt đầu vào chế độ OSFT. Khi đó,
nồng độ oxy sẽ thay đổi theo các mức tƣơng đƣơng với độ cao của máy bay. Điều
kiện áp suất buồng thở đƣợc duy trì tƣơng ứng với độ cao. Thời gian thiết bị duy trì
tại một độ cao nhất định sẽ đƣợc tính tốn và hiển thị để huấn luyện viên đánh giá
chất lƣợng sức khỏe của phi công. Khi thay đổi độ cao, máy sẽ tính tốn và hiển thị
tốc độ tăng giảm độ cao dƣới dạng feet/phút hoặc m/phút với giới hạn tối đa là
60000 feet.
Trong quá trình huấn luyện, có thể kiểm tra các chỉ số sức khỏe cơ bản hoặc
kiểm tra chuyên sâu về các biểu hiện sức khỏe của phi công khi hoạt động trong
môi trƣờng thiếu oxy.

10


4.MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.

Qua quá trình khám tuyển, giám định sức khỏe phi công quân sự của đơn vị,
việc kiểm tra, đánh giá sức khỏe đầu vào của học viên và kiểm tra, huấn luyện
thƣờng xuyên quyết định đến chất lƣợng đào tạo và khả năng huấn luyện chiến đấu
của phi công quân sự.
Với đặc thù của phi công quân sự phải chịu nhiều tác động khi bay nhƣ: gia
tốc, định hƣớng không gian, quá tải, giảm áp…nhƣng yếu tố quan trọng nhất ảnh
hƣởng đến sức khỏe, khả năng tƣ duy, vận động của phi công là thiếu oxy ở trên
cao.
Ở Việt Nam, trên thực tế chúng ta mới chỉ kiểm tra, huấn luyện giảm áp trên
cao song song với kiểm tra, huấn luyện thiếu oxy bằng hệ thống buồng giảm áp chỉ
có ở Viện Y học PK-KQ là đạt tiêu chuẩn, với một kíp vận hành gồm 1 bác sĩ, 1
huấn luyện viên, 1 kỹ thuật viên, 1 kỹ sƣ, buồng có thể kiểm tra cho 6 phi cơng/kíp.
Qua thực tế cho thấy việc đánh giá ảnh hƣởng của thiếu oxy trong buồng
giảm áp có nhiều nhƣợc điểm, tính chính xác chƣa cao, chƣa kiểm tra đƣợc các chỉ
số sức khỏe chuyên sâu do không thể đặt các thiết bị này trong buồng giảm áp đƣợc.
Hiện nay, hệ thống giảm áp chỉ có chức năng kiểm tra, giám định, chƣa có
chức năng huấn luyện tại các đơn vị chiến đấu. Sự bao hàm cả công tác huấn luyện
là thực sự cần thiết đối với các đơn vị chiến đấu.
Trong q trình tập luyện, việc các phi cơng hít thở và hấp thụ oxy làm cho lƣu
lƣợng oxy thay đổi, tuy nhiên, sự hấp thụ này là không đồng đều tùy thuộc vào
trạng thái hoạt động của phi công. Nhƣ vậy, việc điều khiển lƣu lƣợng oxy với lƣu
lƣợng cố định không đảm bảo đƣợc mục tiêu huấn luyện. Do đó, hệ thống điều
khiển lƣu lƣợng oxy cần bổ sung lƣợng khí oxy cần thiết dựa trên ổn định nồng độ
oxy ở đầu ra.

11


Thiết bị huấn luyện bay nghèo oxy cũng là một trong những phƣơng tiện khá đắt
tiền hơn nữa để bảo đám phục vụ tốt công tác huấn luyện thiết bị cần đƣợc đảm bảo

ln trong tình trạng sẵn sàng để phục vụ tác chiến. Nhƣ vậy, địi hỏi cơng tác làm
chủ khí tài huấn luyện cũng nhƣ bảo dƣỡng sửa chữa cần phải nhanh và kịp thời.
Vì vậy, mục tiêu của đề tài “Nghiên cứu thiết bị điều khiển bù oxy trong quá trình
kiểm tra và huấn luyện sức khỏe cho người hoạt động trong môi trường áp suất
thấp” là định hƣớng nghiên cứu hệ thống điều khiển nghèo oxy ROBD-2 để tạo ra
một công cụ mới cho ứng dụng kiểm tra, huấn luyện sức khỏe phi công quân sự.

12


CHƢƠNG 2. TIẾP CẬN KIẾN THỨC
1. SỰ TƢƠNG QUAN CỦA ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN VÀ OXY.
1.1. Giới thiệu về cấu trúc khí quyển.
Khí quyển là một áo khơng khí bao bọc tồn bộ trái đất. Chiều dày của khí quyển
đƣợc tính từ mặt đất tới giới hạn trên tiếp giáp với khoảng không vũ trụ.
Bằng các phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau: thám sát khí quyển bằng
radio, tên lửa, vệ tinh nhân tạo, ngtƣời ta đều thấy rằng khí quyển có một số đặc
điểm là: Giảm dần áp lực theo độ cao, sự phân bố nhiệt độ khác nhau theo các tầng
của khí quyển, có sự thƣờng xun di chuyển theo chiều ngang và chiều thẳng đứng
của khối lƣợng không khí và sự thay đổi độ ẩm của khơng khí theo độ cao.v.v…
Khí quyển có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với các sinh vật sống trên trái
đất.
Khí quyển là môi trƣờng xảy ra các phản ứng trao đổi năng lƣợng vô cơ và
hữu cơ, giữa các giới động vật và thực vật.
Khí quyển đƣợc chia thành 5 tầng nhƣ hình 2.1
Dựa trên những đặc tính vật lý và tính chất hoạt động, khí quyển trái đất đƣợc
chia thành 5 tầng mỗi tầng có những đặc trƣng vật lý khác nhau
1.1.1. Tầng đối lưu (Troposphere)
Là tầng khơng khí gần mặt đất nhất, độ cao trung bình của nó vào khoảng 11
km: ở hai cực trái đất chỉ cao từ 8 - 10 km, cịn ở vùng xích đạo là 15 - 18 km. Ðộ

cao của tầng khí quyển này do độ cao của các dòng đối lƣu quyết định, bởi vậy nó
thay đổi theo mùa trong năm và thay đổi theo vĩ độ địa lý, do tính chất nhiệt lực
quyết định.
Tầng đối lƣu là tầng khí quyền hoạt động nhất. Các hiện tƣợng thời tiết, mƣa,
nắng, mây, dông bão... đều xảy ra ở tầng khí quyển này. Tầng đối lƣu cũng là môi
trƣờng sống của tất cả các sinh vật trên trái đất.

13


Ðặc điểm quan trọng của tầng đối lƣu là nhiệt độ giảm dần theo độ cao. Trung
bình cứ lên cao 100m nhiệt độ giảm xuống 0,640C. Nhiệt độ ở giới hạn trên của nó
xuống rất thấp, có thể đạt - 700C ở vùng xích đạo của trái đất.
Ở tầng này thƣờng xảy ra hiện tƣợng các dịng khơng khí đi lên hoặc đi xuống
(do các trung tâm khí áp cao, khí áp thấp..., do gặp các chƣớng ngại vật trên mặt
đất, do sự tranh chấp giữa các khối khơng khí...). Hiện tƣợng thăng giáng của các
khối khơng khí đã làm thay đổi chế độ nhiệt, ẩm của khơng khí.

Hình 2.1. Nhiệt độ và khí áp trung bình ở các tầng cấu trúc của khí quyển
(Khảo sát khí quyển, Oklahoma - 1997)
Chúng ta biết rằng các chất khí đều chứa đựng năng lƣợng đƣợc gọi là động
năng. Ðộng năng của chất khí phụ thuộc vào áp suất khí quyển, nó điều khiển trạng
thái nhiệt: khi bị nén chúng nóng lên, khi giãn nở chúng bị lạnh đi. Từ nguyên lý đó
ta có thể suy ra rằng: Khối khơng khí khi chuyển động đi lên, áp suất giảm dần và
giãn ra do dó chúng lạnh đi.

14


Ngƣợc lại, sự vận chuyển từ cao xuống thấp, không khí ở trạng thái bị nén và

làm nhiệt độ của nó tăng lên. Giả thiết rằng khối khơng khí chuyển động nhanh,
khơng có sự trao đổi nhiệt hoặc sự xáo trộn với khối khơng khí xung quanh. Hiện
tƣợng đó đƣợc gọi là đoạn nhiệt, có nghĩa là khơng có sự trao đổi nhiệt với xung
quanh.
Các khối khơng khí đi lên bao giờ cũng có hiện tƣợng đoạn nhiệt lạnh; các
khối khơng khí đi xuống thƣờng kèm theo hiện tƣợng đoạn nhiệt nóng. Ở các khối
khơng khí khơ (chƣa bão hịa hơi nƣớc) mức độ tăng hoặc giảm nhiệt độ là 10C cho
100m gọi là đoạn nhiệt khô. Ở khối không khí bão hịa hơi nuớc thì mức độ tăng
hoặc giảm nhiệt độ là 0,50C/100m gọi là đoạn nhiệt ẩm. Ðối với khối khơng khí bốc
lên cao lúc đầu lạnh đi theo mức đoạn nhiệt khơ bởi vì nó chƣa bão hòa hơi nƣớc,
đến một độ cao nhất định nhiệt độ khơng khí đã giảm đến điểm sƣơng, và trở nên
bão hòa hơi nƣớc, sự tiếp tục giảm nhiệt độ theo mức độ đoạn nhiệt ẩm.
Tầng đối lƣu chiếm 80% khối lƣợng khí quyển và 90% hơi nƣớc, thành phần
khí quyển ở tầng này luôn luôn diễn ra sự trao đổi giữa mặt đất, mặt đại dƣơng và
khí quyển.
1.1.2. Tầng bình lưu (Stratosphere).
Tầng bình lƣu là tầng tiếp giáp với tầng đối lƣu, lên cao tới 50 - 55km. Ðặc
điểm của tầng bình lƣu là khơng khí ít bị xáo trộn theo chiều thẳng đứng. Có thể
tách tầng này thành hai lớp:
- Lớp đẳng nhiệt: nằm sát tầng đối lƣu lên cao tới 25km, nhiệt độ ít thay đổi,
trung bình vào khoảng -550C. Lớp khí quyển này thƣờng chuyển động theo chiều
nằm ngang từ đơng sang tây. Kích thƣớc các khối khơng khí này có thể tới hàng
nghìn cây số.
- Lớp nghịch nhiệt: ở độ cao từ 25 đến trên 50km. Ở tầng này nhiệt độ tăng
dần theo độ cao, nhiệt độ trung bình vào khoảng 00C, tối đa có thể tới trên +100C.
Sƣ tăng dần nhiệt độ của lớp khí quyển này có thể là do sự có mặt của tầng
ơzơn, chất hấp thu mạnh các tia sóng ngắn của bức xạ mặt trời.
15

- Phía trên tầng nghịch nhiệt là đỉnh tầng bình lƣu (Stratopause), nhiệt độ khá
ổn định, khoảng 00C ở độ cao 55km.
1.1.3. Tầng trung gian (Mesosphere)
Tầng trung gian nằm trên tầng bình lƣu cho đến độ cao 80 - 90 km. Tầng này
nhiệt độ giảm dần theo độ cao và đạt đến giá trị - 700C đến - 800C.
1.1.4. Tầng điện ly (Thermosphere)
Tầng điện ly hay còn gọi là tầng nhiệt quyển là tầng khơng khí có độ cao từ 80
đến 800km. Ở tầng này khơng khí rất thƣa loăng. Dƣới tác dụng của các tia bức xạ,
các chất khí đều bị phân ly và bị ion hố mạnh. Khí quyển ở đây có độ dẫn điện cao.
Ðộ dẫn điện cao ở tầng điện ly là nguyên nhân làm phản hồi các sóng vơ tuyến
phát đi từ mặt đất, nhờ vậy mà mọi thiết bị vô tuyến điện ở mặt đất, ở các vệ tinh
nhân tạo mới có thể hoạt động bình thƣờng đƣợc.
Tầng ion có thể nhận thấy hai cực đại ion hóa ở độ cao 100 km và 180 200km.
Ðặc điểm quan trọng của tầng khí quyển này là nhiệt độ khơng khí cao và tăng
nhanh theo độ cao. Ở độ cao 200km có nhiệt độ 6000C, cịn ở giới hạn trên là
20000C.
1.1.5. Tầng khuyếch tán (Exosphere)
Giới hạn trên của tầng này vào khoảng 2000 đến 3000 km, là tầng chuyển tiếp
giữa khí quyển và khơng gian vũ trụ (Outer space), khơng khí tầng này rất thƣa
lỗng thành phần chủ yếu là hydrô và hêli.
1.2. Sự tƣơng quan của áp suất khí quyển và oxy ở tầng đối lƣu.
Tầng lớp khí ngay ở trên mặt đất gọi là tầng đối lƣu. Trong tầng đối lƣu, tập
trung phần lớn khối lƣợng khơng khí và hơi nƣớc ở trên trái đất. Đặc điểm của tầng
đối lƣu là càng lên cao thì nhiệt độ khơng khí càng giảm và độ ẩm cũng giảm. Các
dịng khơng khí ln ln chuyển động, làm cho áp suất khơng khí khơng đồng đều.
Nhiệt độ và độ ẩm ở những khu vực thấp của tầng đối lƣu phụ thuộc vào nhiều yếu

16