高所呼吸器

高所呼吸器とは

高所呼吸器とは、大気中の酸素分圧が低い環境下で、人間がより効率的に呼吸できるようにするための装置です。高地での活動や航空機のフライトなど、酸素が不足する状況下で、意識を維持し、生命を守るために用いられます。

高所呼吸器の分類

高所呼吸器は、様々な観点から分類できます。

用途別: 航空用呼吸器と登山用呼吸器があります。
ガス供給源: 内蔵型ガス供給源を使用するものと、外部からガスが供給されるものがあります。
ガス呼吸回路のタイプ: 開回路、半閉回路、閉回路の3種類があります。
ガス供給タイプ: 定流量供給、オンデマンド供給、補助換気があります。
換気駆動力: 人間の呼吸努力によるものと、外部動力による機械的な補助があります。
ガスの組成: 空気、酸素富化空気、純酸素などがあります。
呼吸マスク: 面体、フード、ヘルメットなど、様々なタイプがあります。

高地での呼吸

高所呼吸器は、大気中の酸素分圧が不足し、身体活動や意識の維持が困難な状況下で使用されます。具体的には、以下のような高度ゾーンがあります。

高所(High Altitude): 1,500～3,500メートル。運動能力の低下や呼吸数の増加などの生理的影響が生じます。
超高所(Very High Altitude): 3,500～5,500メートル。酸素飽和度が90%未満に低下し、重度の高山病が発生しやすくなります。
極度高所(Extreme Altitude): 5,500メートル以上。重度の低酸素血症、低炭酸ガス血症、アルカローシスが発生し、人間の居住は困難です。

これらの高度では、大気圧が低いため、酸素を効率的に取り込むために高所呼吸器が不可欠となります。

生理学的影響

高地に滞在すると、以下のような生理学的影響が生じます。

生理学的効率ゾーン: 海抜から約3,000メートルまでは、酸素レベルが十分で、高山病のリスクは低い。
生理学的欠乏ゾーン: 3,600メートルから約15,000メートルでは、低酸素症、閉じ込められたガスの異常、発生ガスの異常のリスクが増加します。約4,300メートル以上では、酸素を豊富に含む混合呼吸が必要になります。
15,000メートルを超えると、呼吸ができなくなり、19,000メートル以上では、体液が沸騰してしまうため、与圧服が必要になります。

生理的順応

人間は、長時間滞在することで、高度5,200～5,500メートル程度まで高地順応が可能です。しかし、救助活動などでは、迅速な対応が求められるため、高所呼吸器が必要となります。航空業界では、高地順応の機会がないため、呼吸器の使用が前提となっています。

高所呼吸器の使用法

高度が高くなるほど、酸素の補給量は増加します。高度10,000メートルでは、100%酸素を使用することで、海面と同等の酸素分圧を維持できます。12,000メートルを超えると、陽圧呼吸が必要になります。酸素節約装置は、低高度でのガス使用効率を向上させるために使用されます。

実用的観点

必要な酸素補給量は、高度と運動量によって変化します。高度の上昇とともに、酸素補給量は増加し、運動量が増加すると、分時呼吸量も増加します。

ドロップタンク

登山では、酸素ボンベをルート上に保管し、帰り道で回収するドロップタンク方式が用いられることがあります。これにより、複数本のボンベを使用できるようになり、長時間の活動が可能になります。

高所呼吸器の種類

高所呼吸器には、以下のような種類があります。

高地補助酸素

登山用呼吸器は、自然環境下よりも高濃度の酸素を供給します。軽量で、寒さの中でも信頼できることが求められます。純酸素を呼吸することで、血液中の酸素分圧が上昇し、高所での活動能力が向上します。

閉回路酸素リブリーザー

閉回路システムでは、未使用の酸素を再利用するため、効率的なガス利用が可能です。しかし、装置が大きく、二酸化炭素吸収剤の交換が必要なため、取り扱いが難しいというデメリットもあります。酸素供給が停止したり、ループが汚染されると、低酸素状態になる危険性もあります。一方で、二酸化炭素の吸収反応が発熱するため、回路内のガスを暖かく保つことができるという利点もあります。

開回路希釈デマンドレギュレータ

開回路希釈デマンドレギュレータは、外気と純酸素を混合して供給するシステムです。高度に合わせて酸素供給量を調整できます。航空機で使用されるアネロイドバルブオペレーターの機能は、手動操作のオリフィスセレクターノブで代用でき、軽量化と信頼性の向上につながります。手動調整のため、高度を急激に変化させない歩行者に適しています。

酸素源

高所呼吸器の酸素源には、以下のようなものがあります。

酸素ボンベ

高圧圧縮酸素を充填したボンベを使用します。航空機では重量はあまり問題になりませんが、登山では軽量化が求められます。

酸素濃縮機

酸素濃縮機は、周囲空気から窒素を除去し、酸素を濃縮します。電力を使用するため、固定場所での作業に適しています。圧力スイング吸着法(PSA法)や分離膜を用いる方法などがあります。

液体酸素

液体酸素は、高圧ガスボンベよりも軽量で、必要なスペースも少ないため、航空機などで使用されています。

化学酸素発生器

化学反応を利用して酸素を生成する装置です。民間航空機では、緊急時に乗客に酸素を供給するために使用されます。

航空

航空機では、様々な酸素システムが使用されます。

化学酸素発生装置：緊急酸素システムとして使用されます。
高圧携帯用気体酸素貯蔵システム：ガスシリンダーを使用します。
オンボード酸素発生システム：酸素濃縮器を使用します。
液体酸素システム：ジェット機で使用されます。

フライトクルー呼吸器

フライトクルーは、固定式保護呼吸装置(PBE)を使用し、煙や有害ガスから身を守ります。PBEは、少なくとも15分間、呼吸ガスを供給する必要があります。

航空機緊急酸素システム

航空機緊急酸素システムは、客室与圧システムが故障した場合に、乗客に酸素を供給します。

高所登山

高所登山では、酸素補給は必須となることが多いですが、一部の登山家は無酸素登山に挑戦しています。酸素装置は、開回路または閉回路が使用されます。登山用呼吸器は、航空用呼吸器とは異なり、信頼性が高く、軽量で、低温でも機能する必要があります。

使用されている製品

Poisk: 3つの高圧複合材タンクを使用する一般的な製品です。定流量バルブを備えています。
Summit Oxygen: 毎分0.5リットルから最大毎分4リットルまでの流量調整器を使用します。

登山用呼吸器の歴史

1920〜1930年代

英国の遠征隊は、開回路酸素装置を使用しました。ジョージ・フィンチは、酸素ボンベと運搬フレームを設計し、1922年と1924年の英国エベレスト遠征で使用されました。

エベレスト初登頂

1953年、最初の登山隊は閉回路リブリーザーを使用しましたが、故障により頂上に到達できませんでした。その2日後、エドモンド・ヒラリーとテンジン・ノルゲイは、改良された開回路システムを使用してエベレスト初登頂に成功しました。ジョン・ハントは、閉回路システムは危険性が高いと考え、開回路システムの使用を推奨しました。

1953年エベレスト以降

1963年、トム・ホーンバインは、海軍パイロットが使用する呼吸マスクを改良しました。1978年、ラインホルト・メスナーとピーター・ハーベラーは、酸素補給なしでエベレスト初登頂に成功しました。ロシアのメーカーPoiskは、1982年から呼吸器を販売しています。21世紀には、炭素繊維強化アルミニウムボトルが使用されるようになりました。

装置の信頼性

エベレストでは、呼吸器の故障に関連した死亡事故が複数発生しています。故障の原因は、シリンダーの漏れ、レギュレーターの故障、操作ミスなどが考えられます。機器のメンテナンスと補充のやり方に疑問が投げかけられています。

脚注

参考文献

DrakeFrederick M.「Oxygen Breathing Equipment For High Altitude Operations」『Report No. 74-06』、US Army Land Warfare Laboratory、Aberdeen Proving Ground, MD、January 1974。オリジナルの2023年7月15日時点におけるアーカイブ。
Gill, Michael『Edmund Hillary: A Biography』Potton & Burton、Nelson, NZ、2017年。
Hunt, John『The Ascent of Everest』Hodder & Stoughton、London、1953年。

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