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呼吸ガスとは、呼吸に用いられる気体状の化学元素や化合物の混合物です。空気は最も一般的で唯一の天然の呼吸ガスですが、呼吸装置や密閉された居住空間では、他のガス混合物や純酸素も使用されます。酸素はあらゆる呼吸ガスに不可欠な成分です。高圧環境で使用される呼吸ガスは、減圧症のリスク軽減、減圧時間の短縮、窒素酔いの軽減、呼吸仕事量の軽減、より安全な深海潜水を可能にすることで、通常の空気の性能を向上させるために開発されました。
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の呼吸ガスです。その他のガス混合物、または純酸素も、スキューバ器材、水面供給式潜水器材、再圧チャンバー、高高度登山、高高度航空機、潜水艦、宇宙服、宇宙船、医療用生命維持装置および応急処置装置、麻酔器などの呼吸装置および密閉された居住空間で使用されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
酸素はあらゆる呼吸ガスに不可欠な成分であり、周囲圧力では約0.16～1.60バールの分圧で使用されます。高地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。酸素は通常、麻酔ガスでない限り、代謝的に活性な唯一の成分です。呼吸ガス中の酸素の一部は代謝プロセスで消費され、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、不活性成分は希釈ガスとも呼ばれます。
そのため、ほとんどの呼吸ガスは酸素と1つ以上の代謝的に不活性なガスの混合物です。[ 1 ] [ 3 ]高圧用呼吸ガスは、減圧症のリスクを軽減したり、減圧時間を短縮したり、窒素酔いを軽減したり、より安全な深海潜水を可能にすることで、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 ]空気または純酸素以外のガスで潜水シリンダーを充填するために使用される技術は、ガスブレンドと呼ばれます。[ 4 ] [ 5 ]
通常の気圧よりも低い周囲圧力下で使用する呼吸ガスは、通常、純酸素、または生命維持と意識を保つのに十分な酸素を供給するため、あるいは空気を使用した場合よりも高い運動能力を可能にするために酸素を添加した空気である。追加の酸素は、吸入時に呼吸用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するのが一般的である。
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る。[ 6 ]高圧環境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る。
一般的に使用される潜水用呼吸ガスは以下のとおりです。
呼吸用空気とは、指定された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のことである。高圧環境下で使用する場合、汚染物質の分圧は絶対圧に比例して増加するため、使用す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らない。
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。濃度や個人差によって影響が徐々に変化するため、当局が設定した境界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 ]
ダイビング用の呼吸ガスは、少数の構成ガスを混合して作られており、これらの構成ガスによって、大気にはない特別な特性が混合物に付与される。
酸素（O 2）は、あらゆる呼吸ガスに存在しなければなりません。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これは、酸素が生命を維持する人体の代謝プロセスに不可欠だからです。人体は、食物のように酸素を後で使用するために貯蔵することはできません。数分以上酸素が欠乏すると、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分以上酸素が欠乏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コストは、圧縮空気を充填するコストよりもかなり高くなります。酸素は燃焼を促進し、ダイビングシリンダーに錆を発生させるため、ガス混合時には注意して取り扱う必要があります。[ 4 ] [ 5 ]
酸素は従来、液体空気の分留によって得られてきたが、近年では圧力スイング吸着（PSA）や真空スイング吸着（VSA）などの非極低温技術によって得られることが増えている。[ 24 ]
呼吸用ガス混合物の酸素成分の割合は、混合物の名称を決定する際に用いられることがある。
酸素の割合によって、酸素中毒を避けるために混合物を安全に使用できる最大深度が決まります。この深度は最大使用深度と呼ばれます。[ 1 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]
混合ガス中の酸素濃度は、混合ガスの組成比と圧力に依存します。酸素分圧（PO₂）で表されます。 [ 1 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]混合ガス中の任意の成分ガスの分圧は、次のように計算されます。
酸素成分については、
どこ：
呼吸ガス中の酸素の安全な最小分圧は、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、ダイバーは低酸素症により意識を失い、死亡する危険性があります。これは、個人の生理機能や運動量などの要因によって異なります。浅い水域で低酸素混合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。そのため、潜水の「海底」と「減圧」の間の中程度の水深では、正常酸素または高酸素の「トラベルガス」が使用されます。
呼吸ガスの安全な最大 P O 2 は、曝露時間、運動レベル、および使用する呼吸装置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 時間未満の潜水の場合は、一般的に 140 kPa (1.4 bar) と考えられていますが、米国海軍は P O 2が 180 kPa (1.8 bar)にも 達する潜水を許可したことが知られています。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]高い P O 2または長時間の曝露では、ダイバーは酸素中毒のリスクがあり、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動作深度があります。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]治療的再圧療法および高圧酸素療法では、チャンバー内の分圧は一般的に 2.8 bar ですが、搭乗者が意識を失っても溺れる危険はありません。[ 2 ]飽和潜水などのより長期間では、0.4 bar を数週間にわたって許容することができます。
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、溶接などに使用される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しい規則を回避するために、呼吸用酸素の商標としてDivoxを登録し、レクリエーションダイバーが呼吸ガスを混合するための酸素を入手しやすくしました。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。これらはまったく同じ方法と製造業者によって製造されていますが、ラベルと充填方法が異なるだけです。両者の主な違いは、医療用酸素の方が記録管理がはるかに徹底しており、純度の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経路をより簡単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 ]
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、そのため希釈ガスに分類されます。これらのガスの中には、高分圧下で可逆的な麻酔作用を示すものがあり、そのため、吸入を意図する最大圧力下で過度の麻酔作用が生じないよう、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、ひいては呼吸仕事量にも影響を及ぼします。
窒素（N₂ ）は二原子ガスであり、空気の主成分であり、ダイビングに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、その使用は浅いダイビングに限られます。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）混合ガスの減圧要件を推定するために使用されます。等価麻酔深度は、トリミックス（酸素/ヘリウム/窒素混合ガス）の麻酔効果を推定するために使用されます。多くのダイバーは、空気呼吸で30 m（100フィート）潜水した際に生じる麻酔レベルが快適な最大レベルであると感じています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 26 ] [ 27 ]
混合ガス中の窒素は、ほぼ例外なく混合ガスに空気を加えることによって得られる。
ヘリウム（He）は不活性ガスで、同圧では窒素よりも麻酔作用が弱く（実際、ヘリウムによる麻酔作用は全く認められていない）、密度もはるかに低いため、窒素よりも深い潜水に適している。[ 1 ] [ 3 ]ヘリウムも同様に減圧症を引き起こす可能性がある。高圧下では、ヘリウムは高圧神経症候群も引き起こす。これは中枢神経系の刺激症候群であり、ある意味では麻酔作用とは正反対である。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 28 ]
ヘリウム混合ガスの充填は、ヘリウム自体の価格と混合・圧縮にかかる費用のため、空気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。適切な断熱材とみなされる空気と比較すると、ヘリウムの熱伝導率は6倍です。[ 29 ]ヘリウムの低分子量（単原子の分子量=4、二原子窒素の分子量=28と比較）は呼吸者の声のピッチを高くし、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、低分子量ガスでは音速が速くなり、声帯の共鳴周波数が高くなるためです。[ 1 ] [ 30 ]ヘリウムの原子は小さいため、シールの小さな隙間を通過できるため、ヘリウムは他のガスよりも損傷または故障したバルブから漏れやすくなります。
ヘリウムは天然ガス中にのみ多量に存在し、低温での分留によって抽出される。
ネオン（Ne）は、深海商業潜水で使われることもある不活性ガスですが、非常に高価です。[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 19 ]ヘリウムと同様に、窒素よりも麻酔作用は弱いですが、ヘリウムとは異なり、潜水士の声を歪ませません。ヘリウムと比較すると、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と比較すると小さいですが、窒素ガス（N2 ）の分子量は28です。
水素（H 2）は深海潜水用混合ガスに使用されていますが、酸素（呼吸ガスに含まれる酸素など）が約 4 ～ 5% を超えると非常に爆発性があります。[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 16 ]このため、水素の使用は深海潜水に限定され、水素の呼吸を開始する前に呼吸装置から余分な酸素が除去されるように複雑な手順が必要となります。ヘリウムと同様に、潜水士の声のピッチを高くします。潜水ガスとして使用される水素と酸素の混合物は、ハイドロックスと呼ばれることがあります。希釈剤として水素とヘリウムの両方を含む混合物は、ハイドレリオックスと呼ばれます。
多くのガスは、潜水用呼吸ガスとしての使用には適していません。[ 5 ] [ 31 ]以下は、潜水環境で一般的に存在するガスの不完全なリストです。
アルゴン（Ar）は窒素よりも麻酔作用が強い不活性ガスであるため、一般的には潜水用呼吸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、ヘリウムを主呼吸ガスとするダイバーがドライスーツの膨張に使用することもあります。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、地球の大気の体積の0.934%を占めています。[ 35 ]
二酸化炭素（CO 2 ）は人体内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システムで再利用される場合、二酸化炭素はガスが再利用される前にスクラバーによって除去されます。
一酸化炭素（CO）は、ヘモグロビンへの結合をめぐって酸素と競合する非常に毒性の高いガスであり、血液が酸素を運搬するのを妨げます（一酸化炭素中毒を参照）。これは通常、不完全燃焼によって発生します。[ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 31 ]一般的な発生源は次の4つです。
一酸化炭素は、一般的に、空気取り入れ口を汚染されていない空気中に配置すること、吸入空気から微粒子を除去すること、適切なコンプレッサー設計と適切な潤滑剤を使用すること、運転温度が過度にならないようにすることなどにより、合理的に可能な限り回避されます。残留リスクが過剰な場合は、高圧フィルターにホプカライト触媒を使用して一酸化炭素を二酸化炭素に変換することができます。二酸化炭素は毒性がはるかに低い物質です。
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、または吸気口付近での不完全燃焼の結果として、ダイビングシリンダーに侵入する可能性があります。 [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 31 ] [ 38 ]
潜水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ます。[ 5 ] [ 31 ]これはシリンダーの腐食防止には良いのですが、ダイバーが非常に乾燥したガスを吸入することになります。乾燥したガスは水中でダイバーの肺から水分を奪い、脱水症状を引き起こします。脱水症状は減圧症の素因となる危険因子とも考えられています。肺での蒸発は著しい熱損失を引き起こします。乾燥したガスは不快感も伴い、口や喉の渇きを引き起こし、ダイバーを喉が渇かせます。この問題は、二酸化炭素を除去するソーダライム反応によって呼吸ガスに水分が戻されるため、リブリーザーでは軽減されます。 [ 10 ]また、呼気の相対湿度と温度が比較的高く、再呼吸による累積効果があります。[ 40 ]暑い気候では、オープンサーキット潜水は脱水症状により熱疲労を加速させる可能性があります。水分含有量に関するもう一つの懸念は、ガスがレギュレーターを通過する際に膨張して水分が凝縮する傾向があることです。これに減圧による極端な温度低下が加わると、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、可動部品が固着してレギュレーターが故障したり、フリーフローを起こし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、保護のためにクロムメッキされている理由の一つです。真鍮は熱伝導性に優れているため、周囲の水から冷たい減圧された空気へ素早く熱を伝え、氷の付着を防ぐのに役立ちます。
ガス混合物は、品質管理のために、一般的に製造工程中または混合後に分析する必要があります。これは、エラーが最終使用者の健康と安全に影響を与える可能性がある呼吸ガス混合物にとって特に重要です。ダイビングシリンダー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。酸素分析計、ヘリウム分析計、一酸化炭素検出器、二酸化炭素検出器など、一部のガスには電子センサーが存在します。[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]酸素分析計は、水中リブリーザーによく見られます。[ 10 ]酸素およびヘリウム分析計は、呼吸ガス混合物中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出方法は、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空気の定期的な品質テストに使用されます。[ 4 ]
呼吸ガスの品質基準は、国内外の組織によって公表されており、法律に基づいて施行される場合がある。英国では、保健安全庁が、ダイバー用呼吸ガスの要件はBS EN 12021:2014に基づいていると述べている。仕様は、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ガス（ヘリオックス）、ヘリウム、窒素、酸素の混合ガス（トリミックス）、および純酸素について、開放回路システムと回収システムの両方、高圧供給と低圧供給（40バール以上と未満）の両方について記載されている。[ 41 ]
酸素含有量は運転深度によって変動するが、許容範囲はガス分率の範囲によって異なり、体積比で酸素分率が10%未満の場合は±0.25%、10%から20%の間の場合は±0.5%、20%を超える場合は±1%となる。[ 41 ]
水分含有量は、制御弁の着氷や格納容器表面の腐食のリスクによって制限されるが、高湿度は生理的な問題ではなく、一般的には露点の要因である。[ 41 ]
その他の指定汚染物質は、二酸化炭素、一酸化炭素、油、揮発性炭化水素であり、これらは毒性影響によって制限される。その他の可能性のある汚染物質はリスク評価に基づいて分析する必要があり、汚染物質の検査の必要頻度もリスク評価に基づいている。[ 41 ]
オーストラリアでは、呼吸用空気の品質はオーストラリア規格2299.1、セクション3.13 呼吸ガス品質で規定されています。[ 42 ]
潜水用呼吸ガスの混合（またはガスブレンド）とは、空気以外の呼吸ガス混合物をガスボンベに充填することです。ガスボンベへのガス充填は、充填者とダイバーの両方にとって危険を伴います。充填中は、酸素の使用による火災の危険性と、高圧ガスの使用による爆発の危険性があります。混合ガスの組成は、計画された潜水深度と潜水時間に対して安全でなければなりません。酸素濃度が低すぎると、ダイバーは低酸素症で意識を失う可能性があり、高すぎると、ダイバーは酸素中毒を起こす可能性があります。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、および連続混合プロセスが含まれます。完成した混合ガスは、使用者の安全のために組成分析されます。ガス混合業者は、他人のために充填する場合、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。
呼吸ガスの密度が高すぎると、呼吸仕事が耐え難いレベルまで上昇し、密度が低いと二酸化炭素が滞留する可能性がある。[ 7 ]ヘリウムは、密度を下げるだけでなく、深海での麻酔作用を軽減するために成分として使用される。分圧と同様に、混合ガスの密度は、構成ガスの体積分率と絶対圧力に比例する。理想気体の法則は、呼吸可能な圧力のガスに対しては十分に正確である。
特定の温度と圧力における気体混合物の密度は、次のように計算できます。
どこ
各ガスのガス分率 F i (体積分率) は V i / (V 1 + V 2 + ... + V n )と表すことができるので
置換により、
周囲圧力が低い環境で使用する呼吸ガスは、非加圧航空機による高高度飛行、宇宙飛行（特に宇宙服）、および高地登山に使用されます。これらの場合すべてにおいて、最も重要なのは適切な酸素分圧を確保することです。呼吸ガスに酸素を添加して十分な濃度に調整する場合もあれば、純粋な酸素またはほぼ純粋な酸素を使用する場合もあります。呼吸ガスは供給量が限られている場合があるため、呼吸ガスを節約するために閉回路システムが使用されることがあります。登山の場合、使用者は補助酸素を携行する必要があり、宇宙飛行では軌道上に質量を運ぶコストが非常に高くなります。
空気以外の呼吸ガスの医療用途には、酸素療法や麻酔への応用などがある。
酸素は、正常な細胞代謝のために人体に必要である。[ 44 ]空気は通常、体積比で21%の酸素を含んでいる。[ 45 ]これは通常十分であるが、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、医療処置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、群発頭痛、吸入麻酔薬投与中の十分な酸素維持などが含まれます。 [ 47 ]長期酸素療法は、重度のCOPDや嚢胞性線維症など、慢性的に酸素濃度が低い人によく有効です。[ 48 ] [ 46 ]酸素は、鼻カニューラ、フェイスマスク、高圧酸素チャンバー内など、さまざまな方法で投与できます。[ 49 ] [ 50 ]
高濃度の酸素は、肺損傷などの酸素中毒を引き起こしたり、素因のある人では呼吸不全を引き起こしたりする可能性があります。 [ 47 ] [ 45 ]また、喫煙者では鼻を乾燥させ、火災のリスクを高めることもあります。推奨される目標酸素飽和度は、治療する疾患によって異なります。ほとんどの疾患では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をできるだけ高くする必要があります。[ 46 ]
酸素の医療における使用は、1917 年頃に一般的になった。[ 51 ] [ 52 ]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、ブラジルでは月額約 150 米ドル、米国では月額 400 米ドルである。[ 48 ]家庭用酸素は、酸素ボンベまたは酸素濃縮器のいずれかで供給できる。[ 46 ]酸素は、先進国の病院で最も一般的な治療法であると考えられている。[ 55 ] [ 46 ]
全身麻酔の最も一般的な方法は、吸入麻酔薬の使用です。それぞれの麻酔薬には独自の効力があり、それは油への溶解度と相関しています。この関係は、麻酔薬が中枢神経系のタンパク質の空洞に直接結合するためですが、全身麻酔の作用機序についてはいくつかの理論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、吸入麻酔薬の不動化作用は脊髄への作用によるものであり、鎮静、催眠、健忘は脳の部位に関与しています。[ 56 ]： 515
吸入麻酔薬とは、吸入によって投与できる全身麻酔作用を有する化学物質である。現代の臨床において特に注目され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や、亜酸化窒素、キセノンなどの麻酔ガスが挙げられる。
麻酔ガスは、麻酔医（麻酔専門医、麻酔看護師、麻酔専門医助手を含む用語）によって、麻酔マスク、喉頭マスク気道、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されます。麻酔の投与をサポートするために、麻酔器（英国英語）または麻酔マシン（米国英語）またはボイルマシンが使用されます。先進国で最も一般的な麻酔器は、連続流式麻酔器です。これは、正確な濃度の麻酔蒸気（イソフルランなど）と混合された医療用ガス（酸素や亜酸化窒素など）を正確かつ連続的に供給し、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。最新の麻酔器には、人工呼吸器、吸引装置、および患者監視装置が組み込まれています。呼気はスクラバーを通して二酸化炭素を除去し、麻酔ガスと酸素は必要に応じて補充された後、混合ガスとして患者に戻される。
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