楊 琳，李寶輝，高志君，楊明浩，王 航，金 朝，代 靜，王 紅，劉 洋，衛(wèi)曉陽，王春晨，秦義隆，鄭媛憬，曹新生

(1空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系航空航天人機工效學(xué)教研室，陜西 西安 710032；2空軍特色醫(yī)學(xué)中心加速度生理研究室，北京 100142)

生理學(xué)研究表明，呼吸系統(tǒng)的生理過程及其力學(xué)特性與重力具有密切的關(guān)系，人體肺通氣同樣受到重力的影響[1]。軍用戰(zhàn)機在進(jìn)行高機動飛行時，飛行員經(jīng)常暴露于遠(yuǎn)大于正常重力的高過載中，而持續(xù)性+Gz暴露，呼吸系統(tǒng)受到的實際重力遠(yuǎn)大于正常重力條件，故呼吸生理功能會發(fā)生明顯的變化，甚至引發(fā)嚴(yán)重的功能障礙[2]，例如，發(fā)生于高性能戰(zhàn)斗機飛行員的加速度肺不張[3]。高過載對人體呼吸功能的影響一直是航空醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點，已有研究對比加速度暴露前后的肺功能，發(fā)現(xiàn)加速度暴露后，肺活量降低20%～28%、膈肌升高、肺順應(yīng)性和功能殘氣量明顯減少[4-7]。但是，由于肺功能檢查設(shè)備(肺功能儀、CT、MRI和SPECT等)體積大、需要特定呼吸動作等實際原因，尚未有研究探索在高過載暴露期間，人體肺通氣的實時動態(tài)變化，而深入理解高過載期間的肺通氣功能對預(yù)防發(fā)生加速度性肺通氣功能障礙具有重要的意義。

肺部電阻抗成像(electrical impedance tomography， EIT)技術(shù)是一種無創(chuàng)無輻射的可視化醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其通過在人體肺部體表貼放體表電極，向人體肺部注入安全電流，并測量體表電壓，最后依據(jù)圖像重構(gòu)算法計算人體肺部的氣體分布[8-9]。而且，EIT還具有操作簡便、設(shè)備便攜、高時間分辨率等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床動態(tài)監(jiān)測與實時評估區(qū)域性肺通氣功能[10-11]?；诜尾縀IT技術(shù)的獨特優(yōu)勢，本文對比分析了人體暴露于+1 Gz和+3 Gz期間的區(qū)域性肺通氣功能，包括肺通氣、肺容積以及肺動態(tài)變化特性，以期為深入理解高過載對人體呼吸生理功能的影響提供客觀依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象

本研究納入8名健康青年男性作為被試，年齡為(20.6±0.8)歲，無吸煙史和手術(shù)史，前期已經(jīng)接受過系統(tǒng)抗荷耐力體能鍛煉。所有被試在試驗開始前知悉試驗內(nèi)容并簽署了知情同意書。該研究通過空軍軍醫(yī)大學(xué)倫理委員會審查(許可證號：KY20224101-1)。

1.2 方法

1.2.1 實驗前準(zhǔn)備 采用空軍特色醫(yī)學(xué)中心載人離心機(奧地利AMST公司)模擬產(chǎn)生高過載暴露環(huán)境。首先，所有被試在開展離心機實驗前，測量血壓和心電，確保生理功能正常。其次，將肺部EIT成像儀[VenTOM-100，點奇生物醫(yī)療科技(北京)有限公司]的束縛帶佩戴于被試第4～5肋間，并連通軟硬件，確保數(shù)據(jù)采集正常。肺部EIT成像儀采用藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)，采集設(shè)備體積為12 cm×8 cm×3 cm，電極數(shù)為16，采集幀率為20 Hz，激勵電流為700 μA。為了防止高載荷引起電極與皮膚之間發(fā)生位移，采用定制的心電電極式束縛帶，心電電極[2223CN，明尼蘇達(dá)礦業(yè)制造醫(yī)用器材(上海)有限公司]可扣于束縛帶上。并且，在束縛帶佩戴完成后，采用自粘性繃帶(McDavid-4575，Bellwood，美國)包裹束縛帶，進(jìn)一步使得電極與皮膚之間保持穩(wěn)定(圖1)。

之后，給被試佩戴耳脈搏和心電電極，以實時監(jiān)測被試在整個實驗過程中的心電和腦供血狀態(tài)，判斷+Gz耐力終點是否來臨。最后被試進(jìn)入載人離心機座艙，在整個實驗過程中保持坐位狀態(tài)。

圖1 被試在佩戴心電電極式EIT束縛帶后，采用自粘性繃帶包裹束縛帶

1.2.2 數(shù)據(jù)采集 被試進(jìn)入座艙、所有生理監(jiān)測設(shè)備和載人離心機準(zhǔn)備完成后，被試在+1 Gz條件下保持平靜呼吸30 s，繼而進(jìn)入基線加速度+1.4 Gz狀態(tài)，持續(xù)10 s，然后采用快增長率方式(增長率+1 Gz/s)，將被試暴露于+3 Gz，持續(xù)10 s，最后以-1 Gz/s增長率下降回到+1 Gz，并在此狀態(tài)下持續(xù)30 s。整個實驗過程中，連續(xù)監(jiān)測被試的胸部電阻抗數(shù)據(jù)。

1.2.3 肺部EIT圖像重構(gòu) 基于Matlab R2015b，采用EIDORS 2.8平臺完成肺部EIT圖像重構(gòu)，重構(gòu)方法采用GREIT算法[12]?；谡鎸嵆赡昴行訡T圖像構(gòu)建有限元模型，然后計算重構(gòu)矩陣。重構(gòu)的EIT圖像由32×32像素組成，噪聲系數(shù)為默認(rèn)值0.5。為了比較高載荷條件下和正常重力條件下的肺通氣功能，選擇正常重力下呼氣末時刻作為參考幀，重構(gòu)整個實驗期間的肺部EIT圖像，即

It=R·(dt-dref)

其中，dt為t時刻采集的肺部EIT數(shù)據(jù)，dref為正常重力下呼氣末時刻的EIT數(shù)據(jù)，It為t時刻的肺部EIT圖像，R為圖像重構(gòu)矩陣。

A：EIT潮氣圖；B：肺通氣區(qū)域。

肺容積EIT圖描述了+3 Gz期間的呼吸末肺容積相較于+1 Gz期間的呼吸末肺容積的相對變化，表征了肺區(qū)的呼氣末肺容積變化分布，進(jìn)一步對比分析所有被試在+1 Gz和+3 Gz期間的呼氣末肺容積，即

肺排空EIT圖描述了呼吸階段肺局部區(qū)域的氣體變化與肺整體的氣體變化之間的關(guān)系，表征了呼氣階段的局部氣體變化特性，具體計算如下：采用二次多項式函數(shù)(y=ax2+bx+c)擬合呼氣階段EIT圖像中各像素值變化與肺整體值(所有像素之和)變化，其中，二次項系數(shù)a>0表示在呼氣階段早期，該區(qū)域肺排空快，a<0反之?？紤]到高載荷可能影響膈肌和呼吸肌的功能，本研究將肺通氣區(qū)域分為腹側(cè)和背側(cè)(圖2A)，分別對比腹背側(cè)呼氣階段的二項式系數(shù)。針對每個被試，將+1 Gz和+3 Gz期間5個呼吸周期計算出的肺功能參數(shù)的均值作為該被試的肺功能參數(shù)最終值。

1.2.5 統(tǒng)計學(xué)分析 基于SPSS 22.0軟件完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計。采用配對t檢驗對比+1 Gz和+3 Gz期間的三種功能EIT圖像參數(shù)。P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 區(qū)域性肺通氣特性

圖3為第一位被試在整個實驗過程期間的胸部電阻抗變化。圖4為+1 Gz和+3 Gz期間的區(qū)域性肺通氣特性結(jié)果。從結(jié)果可以看出，+3 Gz期間的肺通氣面積較+1 Gz明顯減小(P<0.05)，平均減小12.4%；同樣，+3 Gz期間的潮氣量也明顯小于+1 Gz(P<0.05)，平均減小31.9%；通氣減少主要發(fā)生于腹側(cè)區(qū)域，背側(cè)區(qū)域減少不明顯。但是，+3 Gz期間的呼吸頻率明顯高于+1 Gz(P<0.01)。

圖3 EIT數(shù)據(jù)采集過程

2.2 區(qū)域性肺容積變化特性

從+1 Gz和+3 Gz期間的區(qū)域性肺通氣特性結(jié)果可以看出，+3Gz期間呼氣末肺容積明顯增多(P<0.05)，增多的氣體容積位于整個肺區(qū)，無呼吸末肺容積減少區(qū)域(圖5)。

2.3 區(qū)域性肺排空特性

在+1 Gz期間，腹背側(cè)氣體排空略有不同(圖6A)，但由于二次項系數(shù)都很小(小于0.07，圖6B)，所以腹背側(cè)氣體排空是同步的；在+3 Gz期間，腹背側(cè)氣體排空差異很大，腹側(cè)氣體排空的二次項系數(shù)為-0.327 1，而背側(cè)氣體排空的二次項系數(shù)為0.517 4，說明腹側(cè)氣體排空在初始階段快，之后排空速度減慢，而背側(cè)氣體排空特性反之。另外，+1 Gz和+3 Gz期間腹側(cè)和背側(cè)氣體排空的二次項系數(shù)存在明顯差異(P<0.01，圖6C)，說明高載荷改變了肺排空特性。

圖4 +1 Gz和+3 Gz期間的區(qū)域性肺通氣特性(aP<0.05， bP<0.01)

圖5 +1 Gz和+3 Gz期間的區(qū)域性肺容積變化特性

A：第一位被試在+1 Gz(上圖)和+3 Gz(下圖)期間肺排空速度，藍(lán)色區(qū)域表示在呼氣的開始階段肺排空速度快，然后排空速度降低，黃色區(qū)域反之；B：第一位被試在+1 Gz(上圖)和+3 Gz(下圖)期間腹側(cè)和背側(cè)肺排空的二次擬合曲線；C：所有被試在+1 Gz和+3 Gz期間背側(cè)(上圖)和腹側(cè)(下圖)肺排空的二次擬合曲線的二次項系數(shù)對比。 bP<0.01。

3 討論

高機動飛行是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的重要特點，而由其引發(fā)的高載荷如何影響人體呼吸系統(tǒng)一直是航空醫(yī)學(xué)研究關(guān)注的重點話題?；诜尾縀IT技術(shù)的可視化成像特點，本文首次分析了人體暴露于+1 Gz和+3 Gz期間的區(qū)域性肺功能特性，包括肺通氣、肺容積以及肺排空，以期深入闡釋高載荷期間的呼吸生理狀態(tài)。

在肺通氣方面，當(dāng)加速度基線(+1.4 Gz)來臨時，肺潮氣量減少，而且隨著+3 Gz加速度到來，肺潮氣量進(jìn)一步減少，明顯少于正常重力環(huán)境下的肺潮氣量。這種現(xiàn)象可能與呼吸力學(xué)相關(guān)，在+Gz暴露時，膈肌由于受到更大的機械力作用，使其被重力向腹部方向牽拉，上下活動受限；為了完成呼吸動作，膈肌需對抗比+1 Gz條件下更大的阻力，所以，整體上，潮氣量幅度變小。在通氣量減小條件下，人體通過加快呼吸頻率保證良好的氣體交換，故呼吸頻率明顯升高。另外，從+1 Gz與+3 Gz期間的潮氣圖差異可以看出，相較于+1 Gz，+3 Gz期間的肺通氣減少主要位于腹側(cè)(圖4A)，此結(jié)果可能與被試在高過載期間的坐姿狀態(tài)有關(guān)，通過回看視頻記錄發(fā)現(xiàn)，在+3 Gz期間，被試均出現(xiàn)不同程度身體前傾和含胸，而含胸會限制胸腹側(cè)呼吸肌的收縮幅度，從而減小腹側(cè)的通氣量，即整個肺通氣區(qū)域也相應(yīng)減少(圖4B)。

在肺容積方面，相較于+1 Gz，在基線加速度(+1.4 Gz)期間，呼氣末肺容積出現(xiàn)增加，在+3 Gz暴露條件下，呼氣末肺容積進(jìn)一步增加。這種現(xiàn)象可能與膈肌的運動狀態(tài)相關(guān)，由于加速度作用，使得膈肌下降，導(dǎo)致胸腔內(nèi)壓力減小，胸腔體積增大，所以肺容積變大，隨著加速度暴露G值的不斷增大，膈肌下降的幅度也逐漸增加，使得肺容積也相應(yīng)不斷增加。由于腹背側(cè)膈肌同時下降，所以腹背側(cè)肺容積均增加。

在肺排空方面，+1 Gz期間的腹背側(cè)氣體排空特性相同，與整體肺氣體排空完全一致；在+3 Gz期間，腹側(cè)氣體排空在呼氣初始階段快，之后排空速度減慢，而背側(cè)氣體排空在呼氣初始階段較慢，之后排空速度加快。此結(jié)果與呼吸肌狀態(tài)相關(guān)，在+1 Gz期間，腹背側(cè)呼吸肌保持正常呼吸狀態(tài)，故腹背側(cè)的胸內(nèi)壓相同，排空速度相同；但是在+3 Gz暴露期間，身體前傾和含胸會使得胸腹側(cè)呼吸肌和肺部組織受到擠壓，所以在呼氣初始階段，腹側(cè)氣體排空速度快于背側(cè)。

本研究從可視化肺通氣角度對比分析了+1 Gz和+3 Gz期間的肺通氣、肺容積以及肺排空特性，發(fā)現(xiàn)高載荷暴露會明顯影響人體的呼吸生理功能。本研究還存在以下的缺點：第一，本研究僅涉及+3 Gz的加速度暴露，尚未開展更高載荷下的肺部EIT測量，而現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的載荷可達(dá)+9 Gz，未來將探索更高載荷對人體肺部生理產(chǎn)生的影響；第二，本研究僅開展了肺部EIT測量，未來將結(jié)合血氧等其他生理參數(shù)，進(jìn)一步深入探討高載荷條件下人體肺部的生理功能狀態(tài)，如氣道閉塞程度和肺泡塌陷；第三，本研究僅使用了一個環(huán)形電極開展肺部EIT測量，成像結(jié)果主要反映電極層面的肺通氣狀況，未來將應(yīng)用新一代采用多層電極的EIT技術(shù)，開展3D肺部EIT成像[14]，以更加精準(zhǔn)地對肺通氣進(jìn)行可視化成像。

綜上所述，本文基于可視化的肺部EIT技術(shù)，從肺通氣、肺容積以及肺排空角度全面評估了+1 Gz和+3 Gz條件下的人體呼吸狀態(tài)，證實了高載荷對人體肺通氣功能會產(chǎn)生明顯影響，未來將結(jié)合其他生理參數(shù)，進(jìn)一步探索更高載荷對人體肺部生理功能的影響，以期為深入理解高載荷肺生理提供客觀評估手段，為制定個體化航空醫(yī)學(xué)防護(hù)裝備奠定基礎(chǔ)。