彭遠開，費錦學，國耀宇，肇 海，劉 鋼，何新星

（中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

負荷運動和低壓環(huán)境暴露對人體吸氧排氮效率的影響

彭遠開，費錦學，國耀宇，肇 海，劉 鋼，何新星

（中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

針對與航天員出艙活動吸氧排氮方案關系重大的負荷運動和低壓環(huán)境對吸氧排氮的影響問題，以7名健康男性青年（年齡18～22歲，身高173.8±4.2 cm，體重72.3±5.3 kg）為被試，進行了19人次實驗；分為安靜對照組（CN組，7人次，受試者安靜坐位吸純氧3 h）、20 W運動組（20 W組，6人次，受試者腳踏自行車吸純氧連續(xù)2.5 h，自行車功率設置為20 W，速率為60 r／min）和3 km低壓組（3 km組，6人次，受試者在低壓艙模擬3 km高度安靜坐位吸純氧3 h）。分別測試和計算肺通氣量、呼出氣氮濃度、排氮速率和累積排氮量。實驗發(fā)現(xiàn)：與CN組相比，20 W組和3 km組的排氮速率均在吸氧排氮期間前105 min有所增加，部分時間點增加顯著；20 W組累積排氮量在吸氧排氮前120 min增加顯著，3 km組的累積排氮量在吸氧排氮各時間段均顯著增加；與3 km組比，20 W組的排氮速率和累積排氮量均無顯著性變化。實驗說明負荷運動和低壓能有效提高吸氧排氮效率。

運動；低壓；吸氧排氮；出艙活動

1 引言

航天員出艙活動（Extra-Vehicular Activity，EVA）是載人航天活動的重要內(nèi)容之一，在航天器和艙外航天服的壓力制度分別采用常壓和低壓制度的條件下，EVA最大的醫(yī)學生理問題之一是發(fā)生航天減壓病。減壓病是環(huán)境大氣壓力降低時，人體組織體液中溶解的氮氣呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)而離析出來形成氣泡引起的一系列癥狀，包括屈肢疼痛、皮膚瘙癢、咳嗽胸痛、肌肉抽搐、視覺障礙，以及呼吸循環(huán)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀等［1］。出艙活動過程中發(fā)生減壓病輕則影響航天員工作效率，重則影響航天員身體健康和生命安全，而吸氧排氮是預防航天員出艙活動減壓病最重要的措施之一。目前，美國和俄羅斯的航天器和艙外航天服均分別采用常壓制和低壓制，為預防出艙活動發(fā)生減壓病，美國和俄羅斯均研究制定了預防航天減壓病的出艙活動吸氧排氮方案［2］，并有效地預防了航天減壓病發(fā)生，保障了航天員安全和出艙任務完成。相比而言，美國的出艙活動吸氧排氮程序相對復雜，吸氧排氮時間長，出艙活動效率低于俄羅斯；而俄羅斯的出艙活動吸氧排氮時間雖然比美國短，但其氮過飽和系數(shù)（R值，環(huán)境減壓前機體內(nèi)氮分壓與環(huán)境減壓后的環(huán)境壓力）比美國的高，減壓病風險大。針對目前航天飛行器和艙外航天服分別采取常壓制和低壓制的出艙活動減壓病的預防，研究提高吸氧排氮效率的方法和措施，一方面能在規(guī)定的吸氧排氮時間內(nèi)更有效地排出體內(nèi)氮成分，有利于預防減壓??；另一方在確保預防出艙活動減壓病效果的前提下，可減少吸氧排氮時間，增加航天員出艙作業(yè)時間，提高出艙活動效率。有關提高吸氧排氮效率影響因素的研究已有文獻報道［3-5］，但有關負荷運動和低壓環(huán)境對人體吸氧排氮效率的定量研究文獻報道較少，本文通過人體實驗定量研究體力負荷運動、低壓環(huán)境對吸氧排氮量的影響，以期為航天員出艙活動吸氧排氮方案的制定、優(yōu)化和改進提供數(shù)據(jù)參考。

2 實驗設置

2.1 實驗對象及分組

7名健康男性青年，年齡18～22歲，身高173.8±4.2 cm，體重72.3±5.3 kg，共進行19人次實驗。分安靜對照組（CN組，7人次）、20 W運動組（20 W組，6人次）和3 km低壓暴露組（3 km組，6人次）。安靜對照組：受試者安靜坐位戴呼吸面罩吸純氧3 h。20 W組：自行車功量計功率設置為20 W，受試者坐在自行車上戴呼吸面罩吸純氧，同時腳踏自行車（速率為60 r／min）連續(xù)2.5 h。3 km組：受試者在低壓艙模擬3 km高度上（艙內(nèi)壓力為70.1 kPa）安靜坐位戴呼吸面罩吸純氧3 h。

2.2 實驗條件

1）實驗環(huán)境溫度：22±3℃；

2）相對濕度：30%RH～70%RH；

3）環(huán)境大氣壓力：CN組、20 W組為本地大氣壓力，3 km組大氣壓力為70.1 kPa。

2.3 測試指標

肺通氣量，呼出氣氮濃度，主訴癥狀。

2.4 測試儀器和設備

1）DMP-04型氮氧分析儀（大連化學物理研究所），最小測量濃度為50 ppm，儀器精度為0.01%；

2）生理信號采集分析系統(tǒng)（澳大利亞，Powerlab 8 s／w，呼吸流量傳感器），測定的流量精度為5%；

3）醫(yī)用純氧（氧濃度99.95%～99.99%）；4）供氧面罩，自行車功量儀（日本），低壓艙等。

2.5 實驗流程

2.5.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1，實驗過程中，醫(yī)用氧經(jīng)氧氣減壓器減壓后經(jīng)過流量計控制氧流量，氧氣流入吸入氣緩沖袋（實驗中保持氣袋呈充盈狀態(tài)），再經(jīng)管道流入受試者呼吸面罩內(nèi)。受試者呼出的氣體通過管道上的Powerlab呼吸流速儀傳感器后，根據(jù)實驗需要，呼出氣體通過管道上的三通閥門，或流出呼吸管道外，或流入Douglas袋中用于采樣分析。

2.5.2 實驗程序

實驗測試前用醫(yī)用氧沖洗實驗管道系統(tǒng)和氣體樣品收集袋，使實驗管道系統(tǒng)和氣體樣品收集袋內(nèi)氮濃度不高于醫(yī)用氧本底氮濃度，之后各組的實驗程序如下：

1）CN組：受試者取坐位，戴好呼吸面罩，連接好實驗管道，吸純氧3 h。前5 min呼出氣體排出呼吸管道外，從第5 min開始收集呼出氣體2 min，以后每隔3 min收集呼出氣體2 min，用于呼出氣氮濃度的分析。

2）20 W組：受試者坐在自行車功量計上（自行車功率設定為20 W，速度設定為60 r／min），戴好呼吸面罩，連接好實驗管道，連續(xù)腳踏自行車功量計并吸純氧2.5 h。呼出氣體的收集采樣等步驟與CN組一致。

3）3 km組：受試者在低壓艙內(nèi)取坐位，戴好呼吸面罩吸低壓艙內(nèi)空氣，低壓艙以20 m／s的速度上升到3 km高度后，呼吸面罩接上實驗管道開始吸純氧3 h。呼出氣體的收集采樣等步驟與CN組一致，吸氧結束后，低壓艙以（15～5）m／s的速度下降到地面。

2.5.3 指標測試

1）肺通氣量：通過生理信號采集分析系統(tǒng)連續(xù)測量肺通氣量，每5 min記錄1次肺通氣量數(shù)據(jù)；

2）呼出氣體氮氣濃度：每5 min用采樣器從氣體采樣袋內(nèi)取樣2份（其中1份樣用于沖洗DMP-04型氮氧分析儀測量管道系統(tǒng)），通過DMP-04型氮氧分析儀分析不同測試點的呼出氣氮濃度。

2.6 數(shù)據(jù)處理

2.6.1 吸氧排氮速率計算

根據(jù)各測試點所測量的肺通氣量（L／min，STPD）和呼出氣氮濃度（ppm），每5 min計算受試者不同測試點的排氮速率（mL／min）。

2.6.2 累積吸氧排氮量的計算

根據(jù)每名受試者不同測試點的排氮速率，分別建立各受試者吸氧排氮速率與吸氧時間的數(shù)學模型表達式，對數(shù)學表達式進行定積分，計算出每名受試者在30 min、60 min、90 min、120 min、150 min和180 min測試點的累積排氮量（其中吸氧排氮期間的前5 min中排出的氮氣多為肺部組織的，未進行累積計算），再統(tǒng)計各組在以上各測試點的累積值。

2.6.3 統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)以mean±SD表示，采用SPSS統(tǒng)計分析軟件，各組間采用組間T檢驗。

3 結果

3.1 受試者一般情況

各實驗組受試者按照實驗要求完成吸氧排氮程序，實驗期間受試者感覺良好，無明顯不適感。

3.2 肺通氣量和呼出氣體氮濃度

各實驗組肺通氣量隨時間變化的結果如圖2，各實驗組肺通氣量隨實驗時間變化的幅度不大。與對照組相比，3 km組的肺通氣量在各時間點均顯著降低（P＜0.05），20 W組的肺通氣量在各時間點均顯著增加（P＜0.05）；與3 km組相比，20 W組的肺通氣量顯著增加（P＜0.05）。

各實驗組呼出氣氮濃度隨實驗時間變化的結果如圖3，各實驗組氮濃度隨時間變化的趨勢一致，氮濃度在前10～20 min呈大幅度迅速下降，之后以小幅度緩慢下降。與對照組比，20 W組氮濃度在各實驗時間點均顯著降低（P＜0.05），3 km組氮濃度在各實驗時間點均顯著增加（P＜0.05）；與3 km組相比，20 W組的呼出氣氮濃度在各實驗時間點均顯著降低（P＜0.05）。

3.3 吸氧排氮速率

各實驗組吸氧排氮速率隨時間的變化如圖4，各組吸氧排氮速率變化趨勢一致，排氮速率在前10～20 min以較大幅度下降，之后以較小的輻度波動并持續(xù)下降。與CN組相比，20 W組的排氮速率在吸氧排氮過程前105 min增加明顯，其中在吸氧排氮第5 min、15 min、25 min、30 min和105 min排氮速率增加有顯著性差異（P＜0.05），之后排氮速率變化不明顯；3 km組的排氮速率在吸氧排氮的前105 min增加明顯，其中吸氧排氮第10 min、20 min、50 min、60 min和105 min排氮速率增加有顯著性差異（P＜0.05），之后排氮速率變化不明顯。與3 km組比，20 W組的各時間段吸氧排氮速率無顯著性變化。

3.4 吸氧累積排氮量

各實驗組在不同時間段的吸氧累積排氮量如圖5所示，隨吸氧排氮時間增加而增加，前期增加明顯，后期增加緩慢。與CN組相比，20 W組在吸氧排氮30 min、60 min、90 min和120 min的吸氧累積排氮量顯著增加（P＜0.05），之后的其它時間段的累積排氮量增加不顯著；3 km組在吸氧排氮各時間段的累積排氮量均顯著增加（其中吸氧排氮30 min和60 min排氮累積量增加非常顯著，P＜0.01；其它吸氧排氮時間點的累積排氮量有顯著性差異，P＜0.05）。與3 km組比，20 W組的各測試點的累積排氮量均無顯著性變。

4 討論

4.1 負荷運動和低壓暴露對吸氧排氮影響

本實驗結果顯示各實驗組呼出氣氮濃度和排氮速率在吸氧排氮期間前10～20 min大幅度降低，之后降低緩慢，最后在低水平上小幅度波動性降低；而累積排氮量則在吸氧排氮早期明顯增加，后期緩慢增加，這些指標變化符合人體吸氧排氮規(guī)律［6］。與對照組相比，20 W組和3 km組的吸氧排氮速率和累積排氮量在吸氧排氮前期顯著增加，說明20 W負荷運動和3 km低壓環(huán)境能提高人體的吸氧排氮效率。負荷運動使機體心輸出量、組織血灌流量和肺通氣量增加，從而增加機體組織內(nèi)氮排出量［6-8］，Webb等［9-10］觀察到吸氧排氮期間運動能使高空暴露減壓病的發(fā)病率顯著降低，間接證明吸氧排氮期間的負荷運動能促進機體排氮。低壓環(huán)境提高人體吸氧排氮效率主要在于低壓排氮效應，當環(huán)境壓力下降時，機體組織內(nèi)的氮氣氣體壓力與減壓后的環(huán)境大氣氮氣壓力存在壓差，這種壓差驅(qū)動機體內(nèi)的氮成分不斷排出體外，從而加快吸氧排氮時體內(nèi)氮成分的排出。

在本實驗觀察到的20 W組的呼出氣氮濃度降低是由于運動時肺通氣量大幅增加在一定程度上稀釋了呼出氣氮濃度；而3 km組的呼出氣體氮濃度升高主要與低壓環(huán)境促使機體排出氮氣增加，以及低壓環(huán)境下人體肺通氣量減小導致呼出氣氮氣濃度濃縮有關。本實驗結果顯示20 W和3 km提高吸氧排氮效率主要發(fā)生在吸氧排氮前期，提示應用運動和低壓環(huán)境因素提高吸氧排氮效率時，盡可能在吸氧排氮前期實施。

4.2 運動和低壓在出艙活動吸氧排氮中的應用

提高吸氧排氮效率的方法和措施若要在航天員出艙活動中應用，除了能提高出艙活動吸氧排氮效率外，還不能對航天員產(chǎn)不良的心理和生理影響。對于負荷運動的應用，合理選擇負荷運動量和運動時間非常重要，負荷運動量過大，運動時間過長除可能引起人體身體疲勞（包括人體心理和生理不適）外，還可能使機體組織產(chǎn)生氣核［11］，不利于后續(xù)出艙活動航天員保持良好的身體狀態(tài)和出艙活動減壓病防護；而運動負荷過小，因機體的呼吸循環(huán)系統(tǒng)功能代償較小，提高吸氧排氮效率有限。本實驗觀察到20 W負荷運動提高吸氧排氮效率明顯，受試者沒有不良心理和生理反應，這表明20 W負荷運動可應用于出艙活動吸氧排氮方案中，但20 W是否為最優(yōu)的運動負荷量，以及運動時間多長最為合適需進一步研究。對于低壓因素的應用，選擇環(huán)境壓力的高低至關重要，低壓環(huán)境壓力過高，會使環(huán)境大氣的氮氣壓力與體內(nèi)組織氮氣壓力的壓差變化不大，其低壓排氮效應有限；而環(huán)境壓力過低本身就有產(chǎn)生減壓氣泡的可能，不利于機體內(nèi)的氮氣排出，甚至在出艙活動前就可能引起減壓??；有文獻報道環(huán)境減壓后的R值不大于1.22不發(fā)生減壓?。?2］，根據(jù)公式［6］計算，不吸氧排氮人體從海平面1個大氣壓上升到3 km的R值約為1.1，這表明人體在3 km低壓環(huán)境進行吸氧排氮是安全的，結合本實驗3 km低壓環(huán)境有效提高吸氧排氮效率，對人體無明顯心理和生理反應的實驗結果，以及目前美國和俄羅斯吸氧排氮方案中采用3 km低壓環(huán)境［1］，可以說明3 km低壓環(huán)境應用于出艙活動吸氧排氮中是可行的。

5 結論

20 W負荷運動和3 km低壓暴露能加快人體吸氧排氮速率，增加累積排氮量，有效提高吸氧排氮效率，且對人體生理無明顯的不良影響，在出艙活動吸氧排氮方案中有一定的應用前景。學科學出版社，2015：125-140.XIAO Huajun.Applied Physiology of Aviation Oxygen Protective Equipment［M］.Beijing：Military Medical Science Press，2015：125-140.（in Chinese）

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（責任編輯：龍晉偉）

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Effects of Exercise and Hypobaric Exposure on Efficiency of Pre-oxygenation in Human

PENG Yuankai，F(xiàn)EI Jinxue，GUO Yaoyu，ZHAO Hai，LIU Gang，HE Xinxing

（China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

To study the relationship between the pre-oxygenation Protocols of the astronaut extravehicular activity（EVA）and the effects of exercise and low pressure on the efficiency of pre-oxygenation，7 healthy young male（aged 18-22 years old，height 173.8±4.2 cm，body weight 72.3±5.3 kg）were arranged to participate 19 experiments.The experiments were divided into three groups：the control group（7 subjects were asked to sit quietly and breath 100%O2for 3 h），20 W exercise group（6 subjects were asked to pedal the bicycle ergometer at 60 r／min-20 W and breath 100%O2for 2.5 h），and 3 km low pressure group（6 subjects were asked to sit quietly and breath 100%O2for 3 h at simulated 3 km altitude in the hypobaric chamber）.The pulmonary ventilation，the exhaled nitrogen concentration，the nitrogen expiration rate and the cumulative nitrogen expiration were measured and calculated.The results showed that as compared with the control group，the nitrogen expiration rate in 20 W exercise group and 3 km low pressure group increased for the first 105 min of pre-oxygenation and increased significantly at some time points of this period；while the cumulative nitrogen expiration increased significantly in 20 W exercise group in the first 120 min of pre-oxygenation and for 3 km low pressure group increased significantly for the whole pre-oxygenation period.Compared with 3 km low pressure group，the nitrogen expiration rate and the cumulative nitrogen expiration of each test point in 20 W exercise group showed no significant change.The test shows that exercise and low pressure can effectively increase the nitrogen expiration efficiency during breathing 100%O2in human.

exercise；low pressure；pre-oxygenation；extravehicular activity

R852.16

A

1674-5825（2017）06-0819-05

2017-05-05；

2017-09-27

載人航天預先研究項目（01100308）

彭遠開，男，碩士，研究員，研究方向為航天環(huán)境醫(yī)學。E-mail：ykpeng507＠aliyun.com