أداء التنفس لدى منظمات التنفس

جهد التنفس هو الطاقة المبذولة لاستنشاق وزفير غاز التنفس . يُعبّر عنه عادةً بوحدة الشغل لكل وحدة حجم، مثلاً جول/لتر، أو بمعدل الشغل (القدرة)، مثل جول/دقيقة أو وحدات مكافئة، إذ لا يكون مفيدًا بشكل خاص دون الإشارة إلى الحجم أو الزمن. يمكن حسابه بضرب ضغط الرئتين في التغير في حجم الرئتين، أو بحساب استهلاك الأكسجين الناتج عن التنفس. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

يُحسب إجمالي جهد التنفس عند استخدام جهاز التنفس بجمع الجهد الفيزيولوجي للتنفس مع الجهد الميكانيكي للجهاز. في حالة الراحة الطبيعية، يُشكل الجهد الفيزيولوجي للتنفس حوالي 5% من إجمالي استهلاك الأكسجين في الجسم. وقد يزداد هذا الجهد بشكل ملحوظ نتيجةً للمرض ^{[ 9 ]} أو بسبب قيود تدفق الغاز التي يفرضها جهاز التنفس، أو الضغط الجوي، أو تركيبة غاز التنفس. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يشير أداء منظم التنفس إلى الجهد الميكانيكي الذي يبذله المنظم في عملية التنفس، ويستثني الجهد الفيزيولوجي. ويتأثر الجهد الميكانيكي للتنفس بشكل كبير بمعدل التنفس، المحدد في المعايير.

بالنسبة لحجم معين خلال فترة زمنية محددة، يُحسب جهد التنفس لدورة التنفس الكاملة ولجزء الشهيق منها من الضغوط اللحظية المقاسة بين داخل وخارج غلاف منظم التنفس. وتُعرف تغيرات الحجم من خصائص جهاز محاكاة دورة التنفس بالإزاحة الموجبة. كما تُقاس ضغوط الذروة والارتفاعات المفاجئة في الضغط وتُسجل لتحليلها، نظرًا لوجود حدود محددة لهذه القيم في المعايير. جهد التنفس هو حاصل ضرب الضغط اللحظي في تغير الحجم، مُكاملًا على مدار الدورة، وجهد الشهيق هو جهد التنفس لجزء الشهيق من الدورة.

قد لا تعكس دورة التنفس في جهاز الاختبار بدقة تدفق الهواء في أي نفس بشري. يستخدم جهاز اختبار ANSTI تغيرًا جيبيًا في الحجم، وهو سهل التحليل. ويمكن أن يكون التنفس البشري شديد التباين.

استُخدمت إجراءات اختبار المياه الباردة غير المأهولة التابعة لوحدة الغوص التجريبية التابعة للبحرية الأمريكية (1994) كمعيار غير رسمي لاختبار المياه الباردة من قبل العديد من المستخدمين العسكريين وكبرى شركات تصنيع المعدات. ^{[ 4 ]}

وضع معيار الدائرة المفتوحة الأوروبي CE EN 250 لعام 1993 مستوىً أعلى لاختبارات أجهزة الغوص ذات الدائرة المفتوحة، وذلك فيما يتعلق بأداء التنفس، واختبارات المياه الباردة، واختبارات التحمل، والضغط، والاختبارات الميكانيكية، ودرجات حرارة التخزين، واختبارات غسل _ثاني أكسيد الكربون . كما حدد المعيار متطلبات تحليل أنماط الفشل وتأثيراتها ، بالإضافة إلى مسائل أخرى تتعلق بالتصنيع وضمان الجودة والتوثيق. وقد لفت هذا المعيار الانتباه إلى مشكلات في العديد من المعدات الموجودة، وأدى إلى تحسينات كبيرة في أداء منظمات الدائرة المفتوحة. ^{[ 4 ]}

كانت الاختبارات المبكرة التي أجرتها البحرية الأمريكية هي أصل اختبارات محاكاة أجهزة التنفس تحت الماء في أواخر سبعينيات القرن الماضي. اشترت وزارة الدفاع البريطانية وبعض الشركات المصنعة للمعدات الخاصة، مثل شركة كيربي مورغان لأنظمة الغوص ، أنظمة محاكاة التنفس التي صممها ستيفن رايمرز، وساهمت هذه الأنظمة في تطوير المعايير الأوروبية في أوائل تسعينيات القرن الماضي. إلا أن طرح نظام محاكاة تنفس متكامل من قِبل شركة ANSTI Test Systems Ltd في المملكة المتحدة هو ما أتاح إجراء اختبارات محاكاة التنفس الدقيقة التي تُمارس حاليًا. وقد جعلت أنظمة محاكاة التنفس المحوسبة من ANSTI الاختبارات أسرع وأسهل وأكثر دقة، وهي مصممة للاختبار في جميع درجات حرارة المياه الواقعية. ^{[ 4 ]}

يشتمل النظام على تحكم دقيق في الرطوبة ودرجة حرارة الزفير، بالإضافة إلى التحكم في درجة حرارة المياه المحيطة من 0 إلى 50 درجة مئوية (32 إلى 122 درجة فهرنهايت) ، ومرافق لتحليل ثاني أكسيد الكربون _{لحظة بلحظة} ، والتحكم في نقطة ضبط جهاز إعادة التنفس ذي الدائرة المغلقة ، واختبار قدرة جهاز تنقية الغازات على التحمل . ^{[ 4 ]} لا يستخدم معيار EN250 ولا إجراءات اختبار البحرية الأمريكية للغواصين غير المأهولين أي سيناريو غوص بشري واقعي كأساس للاختبار، بما في ذلك اختبار المياه الباردة. يتمثل إجراء البحرية الأمريكية في اختبار منظمات التنفس بشكل أساسي على عمق 58 مترًا (190 قدمًا) في مياه تتراوح درجة حرارتها بين -2 و-2 درجة مئوية (28 إلى 29 درجة فهرنهايت) بمعدل تنفس مرتفع جدًا يبلغ 62.5 لترًا في الدقيقة لمدة لا تقل عن 30 دقيقة، مع ضغط دخول للمرحلة الأولى يبلغ 100 بار (1500 رطل لكل بوصة مربعة ) ، مما ينتج عنه متوسط ​​درجة حرارة دخول للمرحلة الثانية يبلغ حوالي -14 درجة مئوية (7 درجات فهرنهايت) ، مقارنةً بمتوسط ​​-25 درجة مئوية (-13 درجة فهرنهايت) في حال استخدام ضغط 210 بار (3000 رطل لكل بوصة مربعة ). ^{[ 4 ]} وتستند معايير اختبار المياه الباردة للبحرية الأمريكية ومعايير اختبار EN250 للاتحاد الأوروبي إلى ما إذا كان منظم التنفس يفي بمتطلبات أداء التنفس الدنيا وما إذا كان التدفق الحر يبدأ أم لا. عدد قليل جداً من منظمات الضغط يمكنها اجتياز هذا الاختبار لأن جميع منظمات الضغط ستشكل جليداً في المرحلة الثانية في ظل ظروف الاختبار القاسية، على الرغم من أن هذا قد لا يتسبب في تدفق حر أو خروج المنظم عن معايير الأداء. ^{[ 4 ]}          

يُجرى اختبار منظمات الغوص في الماء البارد، وفقًا للمعيار EN250:2000، في مياه درجة حرارتها 4 درجات مئوية (39 درجة فهرنهايت) أو أقل. ويتم الاختبار في وضعيتي توجيه المنظم للأمام والأسفل. يبدأ الاختبار على عمق 50 مترًا (165 قدمًا) من سطح الماء، ويُتنفس من المنظم بمعدل 62.5 لترًا في الدقيقة لمدة خمس دقائق. وللاجتياز، يجب أن يبقى المنظم ضمن حدود جهد التنفس ، وألا يكون تدفق الهواء فيه حرًا. ولا يُؤخذ تكوّن الجليد في الاعتبار طالما أنه لا يُؤثر سلبًا على أداء التنفس بما يتجاوز الحد الأدنى المطلوب، ولا يُسبب تدفقًا حرًا. ^{[ 4 ]}  

يستخدم اختبار CE مصدر هواء يبدأ من أعلى ضغط مصمم له المنظم، ويتم التنفس لمدة خمس دقائق بمعدل 62.5 لترًا في الدقيقة باستخدام درجة حرارة زفير تبلغ 28 ±2 درجة مئوية (82.4 ±3.6 درجة فهرنهايت) ورطوبة نسبية للزفير لا تقل عن 90%. ^{[ 4 ]}

يُصنّف جهاز محاكاة التنفس ANSTI للعمل بضغط أقصى يبلغ 100  ملي أونصة. ويستخدم آلية مكبس لتوفير إزاحة حجم دقيقة وقابلة للتكرار مع آلية دفع بموجة جيبية. ويحتوي على إعدادات قابلة للتعديل لحجم المد والجزر ومعدل التنفس ، مما يوفر معدلات تهوية تتراوح من 10 إلى 180 لترًا في الدقيقة. ^{[ 10 ]}

في الاتحاد الأوروبي، يحدد المعيار EN250:2000 الخاص بأجهزة التنفس، وتحديدًا أجهزة الغوص ذاتية الاحتواء ذات الدائرة المفتوحة التي تعمل بالهواء المضغوط، الحد الأدنى لمعايير الأداء لهذه الأجهزة ^{[ 17 ]} . كما يحدد المعيار BS 8547:2016 متطلبات منظمات الطلب المستخدمة على أعماق تتجاوز 50 مترًا ^{[ 18 ]} . أما المعيار EN 13949:2003 الخاص بأجهزة التنفس، وتحديدًا أجهزة الغوص ذاتية الاحتواء ذات الدائرة المفتوحة المستخدمة مع النيتروكس والأكسجين المضغوطين، فيحدد متطلبات منظمات الطلب المستخدمة مع مستويات مرتفعة من الأكسجين ^{[ 19 ] .}

يتضمن المعيار حدودًا لضغوط الشهيق والزفير والجهد الكلي للتنفس. ويحدد ما يلي، في ظل ظروف اختبار معدل تنفس يبلغ 62.5 لترًا (2.2 قدم ^مكعب ) في الدقيقة وضغط محيط يبلغ 6 بار (600 كيلو باسكال) : ^{[ 17 ]}  

• جهد التنفس: أقل من 3.0  جول لكل لتر
• ذروة ضغط التنفس: ±25  ملي بار (±2.5  كيلو باسكال) (الشهيق أو الزفير)
• جهد الشهيق للتنفس: أقل من 0.3  جول لكل لتر
• ارتفاعات الضغط بدون جهد تنفس إيجابي قابل للقياس: <10  ملي بار (1  كيلو باسكال)
• ارتفاعات الضغط مع جهد تنفس إيجابي قابل للقياس: <5  ملي بار (0.5  كيلو باسكال)

على الرغم من أن منظم الضغط الذي يستوفي الحدود المذكورة أعلاه سيوفر كمية كافية من الهواء عندما تغذي المرحلة الأولى مرحلة ثانية واحدة، إلا أنه ليس بالضرورة قادراً على توفير كمية كافية من الهواء في جميع الظروف عندما تغذي مرحلة أولى واحدة مرحلتين ثانيتين في وقت واحد. ^{[ 20 ]}

في الجيش الأمريكي، كان المعيار المعتمد لمنظمات الغوص أحادية الخرطوم هو MIl-R-24169B، وهو الآن مُلغى. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}