孫 浩, 馬紅磊, 肖艷華, 王健全, 鄧金輝, 王惠娟, 任 逸, 祝 郁*

(1.航天工程大學(xué)研究生院, 北京 101416; 2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094;3.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212013)

1 引言

載人登月任務(wù)應(yīng)確保月地返回再入加速度安全[1]。持續(xù)性加速度能夠?qū)θ梭w心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、腦功能和視力等產(chǎn)生影響,并使人產(chǎn)生疲勞和壓迫感等不適癥狀[2-4]。研究加速度作用的生理效應(yīng)對(duì)確保航天員的生命安全和身體健康具有重要作用。

不同姿態(tài)下,人體在超重環(huán)境中的生理反應(yīng)和加速度耐力也會(huì)存在差異。仰臥姿態(tài)一般指后背與水平方向呈一定夾角。Harris 等[5]對(duì)不同背角(17°～35°)進(jìn)行了人體加速度耐力實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,合理的人體背角有助于提升加速度過(guò)載耐受峰值和延長(zhǎng)耐受持續(xù)時(shí)間。薛月英等[6]對(duì)體縱軸與超重方向15°～90°作用下犬的心血管反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果顯示隨著夾角增大,由動(dòng)脈系統(tǒng)升壓反射為主向以心臟活動(dòng)抑制現(xiàn)象為主的方向改變。Burns[7]對(duì)座椅后傾13°～75°時(shí)人體加速度耐受性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)75°后傾顯著增大了加速度耐受峰值。盡管俯臥位呼吸具有生理優(yōu)勢(shì)[8-9],但對(duì)人機(jī)功效影響較大,因此應(yīng)用較少。

神舟飛船的人體臥姿狀態(tài)[10-12]和阿波羅飛船的人體躺姿[13-14]是2 種典型的再入姿態(tài),成功提高了航天員對(duì)加速度的耐受力。雖然臥姿和躺姿均屬于仰臥姿態(tài),但二者也存在一定差異。臥姿腿部蜷縮,大腿和腹部接觸緊密,背部與水平面存在約20°的夾角,頭部及肩部進(jìn)一步抬高,與水平面的夾角約為30°;躺姿小腿近似呈水平,大腿處于垂直狀態(tài),后背及肩部呈近似水平,頭部稍微抬高。孫浩等[15]利用HUMOS 數(shù)字假人的仿真研究表明,膈肌的位移和變形是影響人體對(duì)再入過(guò)載耐受力的最重要因素,其在臥姿時(shí)受到的作用力大于躺姿。劉炳坤等[16]以類阿波羅返回過(guò)載曲線為輸入仿真人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng),結(jié)果表明人體內(nèi)臟器官位移和變形臥姿大于躺姿。有研究人員利用Hybird Ⅲ生物力學(xué)假人,通過(guò)載人離心機(jī)模擬Apollo10 過(guò)載環(huán)境,開(kāi)展了人體臥姿和躺姿加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究,得到了2 種姿態(tài)下假人不同部位(頭部、胸部和臀部)的響應(yīng)規(guī)律,假人合加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)與輸入過(guò)載曲線變化趨勢(shì)基本一致[17-19]。

然而臥姿和躺姿對(duì)人體在超重過(guò)載下的生理影響存在多大差異,目前尚不清楚。同時(shí),針對(duì)月地返回再入,航天員承受的加速度過(guò)載峰值及持續(xù)時(shí)間均超過(guò)近地軌道返回的過(guò)載[20-21],對(duì)人體的影響將更加嚴(yán)重,因此2 種姿態(tài)下的生理指標(biāo)、主觀感受和作用規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

本文開(kāi)展人體超重實(shí)驗(yàn),利用載人離心機(jī)模擬跳躍式再入超重過(guò)載環(huán)境,獲取典型姿態(tài)下人體生理效應(yīng)指標(biāo),為人體再入姿態(tài)設(shè)計(jì)提供參考,同時(shí)為載人登月再入加速度安全性評(píng)估與防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 方法

2.1 受試者

招募志愿者11 名(5 男、6 女),年齡為(32±8)歲,身高為(167±8)cm,體重為(63±10)kg。實(shí)驗(yàn)前志愿者進(jìn)行體檢篩選,均身體健康。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,再對(duì)志愿者的身體狀況進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查和確認(rèn)。所有志愿者都充分了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并簽署知情同意書(shū)。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心完成,并經(jīng)過(guò)中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和監(jiān)測(cè)指標(biāo)

依托中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心98 型載人離心機(jī)提供跳躍式加速度過(guò)載環(huán)境。該離心機(jī)半徑為8 m,臂架端連接一個(gè)可擺動(dòng)的吊艙,可用于航天員、飛行員超重訓(xùn)練及航天航空+Gx、+Gz作用環(huán)境下人體生理響應(yīng)規(guī)律研究。

持續(xù)性加速度能夠?qū)θ梭w心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2-4],利用日本光電HYG08 型心電監(jiān)護(hù)儀,監(jiān)測(cè)心率(Heart Rate,HR)、心電、血壓和血氧等生理數(shù)據(jù)。持續(xù)性加速度可能使人產(chǎn)生疲勞和壓迫感等不適癥狀[3],實(shí)驗(yàn)后對(duì)志愿者主觀上的壓迫感、呼吸困難、胸痛等癥狀和程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

在實(shí)驗(yàn)中,受試者如出現(xiàn)下列情況之一者,應(yīng)中止實(shí)驗(yàn):主訴邊燈消失、中央燈變模糊或中央燈消失;心率大于180 次/min,或小于60 次/min;心電圖異常,載人離心機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)頻發(fā)早搏,或多源性早搏,或其他嚴(yán)重心律失常;受試者感覺(jué)嚴(yán)重不適主動(dòng)要求中止實(shí)驗(yàn)。

2.3 過(guò)載環(huán)境設(shè)計(jì)

將Apollo 10 再入過(guò)載作為過(guò)載環(huán)境設(shè)計(jì)依據(jù)。Apollo 10 返回再入時(shí)經(jīng)歷2 次峰值,第1 次再入過(guò)載峰值約為6.7 G,在大氣層內(nèi)跳躍后第2次過(guò)載峰值約4.5 G。為模擬再入返回人體姿態(tài)對(duì)加速度過(guò)載響應(yīng)并保證志愿者安全,按照Apollo 10 號(hào)再入曲線加速度變化規(guī)律,設(shè)計(jì)峰值加速度3 G 和5 G 兩組過(guò)載曲線(圖1),并保持雙峰脈寬及總時(shí)間一致(400 s),代表再入模擬實(shí)驗(yàn)的中、低量級(jí)過(guò)載環(huán)境。由于載人離心機(jī)吊艙可測(cè)量并受控的Gx向加速度信號(hào)需大于1.4 G,而Apollo 10 飛行器返回再入段部分加速度數(shù)據(jù)低于此數(shù)值,因此向離心機(jī)輸入過(guò)載曲線時(shí),低于1.4 G 的部分調(diào)整為1.4 G。

圖1 過(guò)載曲線Fig.1 Acceleration load curve

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

11 名志愿者均進(jìn)行峰值3 G 臥姿、峰值3 G躺姿、峰值5 G 臥姿和峰值5 G 躺姿4 種工況實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)后對(duì)志愿者進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查,每名志愿者兩次測(cè)試間隔時(shí)間不小于4 h。

臥姿狀態(tài)如圖2(a)所示,使用神舟正樣狀態(tài)座椅,背角為20°。確認(rèn)志愿者狀態(tài)符合實(shí)驗(yàn)要求后,佩戴心電監(jiān)護(hù)儀。志愿者進(jìn)入吊艙乘坐座椅,背部和臀部盡量與座墊內(nèi)表面貼合,兩臂向中間收攏置于膝上,腿部蜷曲于座椅內(nèi),腳部收于腳踏內(nèi)。利用座椅上的多點(diǎn)式安全帶和束腿對(duì)志愿者軀干、腿部進(jìn)行有效約束。

圖2 人體姿態(tài)Fig.2 Body posture

躺姿狀態(tài)如圖2(b)所示,使用躺姿座椅,背角為0°。確認(rèn)志愿者狀態(tài)符合實(shí)驗(yàn)要求后,佩戴心電監(jiān)護(hù)儀。志愿者進(jìn)入吊艙,以自然舒展姿態(tài)平躺于座椅內(nèi),頭部貼近座椅頭靠,腿部抬高平直,雙臂置于身體兩側(cè)。利用座椅上的多點(diǎn)式安全帶和束腿對(duì)志愿者軀干、腿部進(jìn)行有效約束,同時(shí)利用束縛帶對(duì)腳部進(jìn)行固定。按照過(guò)載峰值由低到高的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS19 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)值采用ˉx ±s表示。同一工況下不同時(shí)刻的心率、血氧飽和度采用重復(fù)測(cè)量方差分析,采用LSD 檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。同一工況實(shí)驗(yàn)前后的血壓采用配對(duì)t檢驗(yàn);不同工況下相同時(shí)刻生理參數(shù)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)前的變化量采用配對(duì)t檢驗(yàn)。P＜0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

11 名志愿者完成4 種工況(3 G 躺姿、3 G 臥姿、5 G 躺姿、5 G 臥姿)的全部超重實(shí)驗(yàn)。志愿者出現(xiàn)的不適癥狀均在實(shí)驗(yàn)后恢復(fù)正常。

3.1 心率

4 種工況不同測(cè)量時(shí)間點(diǎn)人體的心率見(jiàn)圖3。對(duì)同一工況下心率在不同時(shí)間點(diǎn)的成對(duì)比較,顯著性差異見(jiàn)表1。峰值3 G 過(guò)載,志愿者心率隨著加速度增加而升高,在超重過(guò)載第1 峰時(shí)心率達(dá)到最大,過(guò)載停止后心率逐漸恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)前狀態(tài),躺姿狀態(tài)心率沒(méi)有顯著性變化。峰值5 G 過(guò)載,心率隨著加速度增加上升更明顯,臥姿心率最大值(85±11)次/min,臥姿峰值心率相對(duì)實(shí)驗(yàn)前差異極顯著,躺姿心率相對(duì)于實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有顯著性差異。

表1 心率在不同時(shí)間點(diǎn)的成對(duì)比較Table 1 Paired comparison of heart rate at different time points

圖3 各工況下的心率Fig.3 Heart rate under different working conditions

各工況在峰值時(shí)心率相對(duì)實(shí)驗(yàn)前的變化值見(jiàn)圖4,并對(duì)臥姿和躺姿工況間心率變化值進(jìn)行差異性分析。對(duì)比志愿者在第一峰、第二峰相對(duì)實(shí)驗(yàn)前的心率變化,臥姿狀態(tài)高于躺姿狀態(tài),且在5 G 過(guò)載下具有顯著性差異。

圖4 峰值時(shí)刻心率變化值Fig.4 Changes of heart rate at peak time point

3.2 血壓

分別在實(shí)驗(yàn)前和過(guò)載停止后,測(cè)量志愿者的血壓,見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)前,躺姿收縮壓(Systolic Blood Pressure, SBP)和舒張壓(Diastolic Blood Pressure, DBP)高于臥姿,實(shí)驗(yàn)后仍存在這一趨勢(shì)。同一工況下,實(shí)驗(yàn)前、后的收縮壓和舒張壓沒(méi)有明顯變化(P＞0.05);不同工況間,實(shí)驗(yàn)后血壓的變化值不存在顯著性差異(P＞0.05)。

表2 各工況過(guò)載前后的血壓Table 2 Blood pressure before and after the acceleration load under different working conditions

3.3 血氧飽和度

4 種工況不同測(cè)量時(shí)間點(diǎn)人體的血氧飽和度(Saturation of Haemoglobin with Oxygen, SpO2)如圖5 所示。對(duì)同一工況下血氧飽和度在不同時(shí)間點(diǎn)的成對(duì)比較,顯著性差異見(jiàn)表3。峰值3 G 過(guò)載,志愿者的血氧飽和度隨著加速度增加而降低,在超重過(guò)載第二峰時(shí)血氧飽和度達(dá)到最小,過(guò)載停止后血氧飽和度逐漸恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)前狀態(tài)。峰值5 G 過(guò)載,隨著加速度增加,血氧飽和度降低更明顯,但不會(huì)對(duì)人體健康造成明顯影響(SpO2＞90%)。與實(shí)驗(yàn)前相比,臥姿狀態(tài)下血氧飽和度在第一峰就開(kāi)始顯著降低,而躺姿狀態(tài)在第二峰開(kāi)始顯著降低。

表3 血氧飽和度在不同時(shí)間點(diǎn)的成對(duì)比較Table 3 Paired comparison of SpO2 at different time points

圖5 各工況下的血氧飽和度Fig.5 SpO2 at different time points under different working conditions

各工況在峰值時(shí)相對(duì)實(shí)驗(yàn)前血氧飽和度的變化值(△SpO2)見(jiàn)圖6。對(duì)比相同過(guò)載峰值不同姿態(tài)間的血氧飽和度變化,臥姿狀態(tài)高于躺姿狀態(tài),在3 G 過(guò)載第一峰時(shí)具有顯著性差異。

圖6 峰值時(shí)刻血氧飽和度變化值Fig.6 Changes of SpO2at peak time point

3.4 主觀評(píng)價(jià)

針對(duì)不同加速度過(guò)載峰值和不同實(shí)驗(yàn)姿態(tài)的4 種工況,每名志愿者都填寫(xiě)了主觀感受調(diào)查。對(duì)主要的不適感受進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)(表4)。3 G 峰值過(guò)載,志愿者無(wú)明顯不適。5 G 峰值過(guò)載,志愿者出現(xiàn)的不適癥狀主要有胸部、腹部和咽喉有壓迫感,呼吸困難等,有2 名女性志愿者出現(xiàn)輕度胸痛、惡心和干嘔等不適,實(shí)驗(yàn)后均恢復(fù)正常。

表4 不適癥狀及人數(shù)Table 4 Symptoms and number of discomfort

對(duì)比臥姿和躺姿2 種姿態(tài),志愿者表示躺姿狀態(tài)下不適癥狀減輕。8 名志愿者表示躺姿狀態(tài)的壓迫感比臥姿時(shí)減輕,1 名志愿者表示臥姿狀態(tài)的壓迫感比躺姿時(shí)減輕,2 名志愿者表示2 種姿態(tài)無(wú)明顯差別。

4 討論

肖艷華等[17]研究表明,2 種姿態(tài)下人體的合加速度響應(yīng)與離心機(jī)輸入基本一致。臥姿狀態(tài)下以胸背向響應(yīng)(+Gx)為主,頭部響應(yīng)的頭盆向(+Gz)分量較高,且從頭部至臀部依次降低。躺姿狀態(tài)下可視為僅有胸背向過(guò)載(+Gx)作用。對(duì)人體的生理效應(yīng)主要體現(xiàn)在對(duì)心血管、呼吸系統(tǒng)方面的影響。在心血管方面,主要通過(guò)血液重新分布、流體靜壓以及心輸出量的變化和節(jié)律障礙影響心血管的功能[2,4],造成心率升高。在呼吸系統(tǒng)方面,胸廓重量增加、臟器擠壓變形及重量增加影響呼吸運(yùn)動(dòng),肺部功能也容易受到重力的影響[3]。由于各部胸內(nèi)壓差出現(xiàn),導(dǎo)致肺沿重力方向的肺泡體積[22]和通氣量[23]有顯著差異。此外,肺循環(huán)內(nèi)的低灌流壓力意味著血液流動(dòng)受到血管內(nèi)流體靜力梯度的影響[24]。因此,加速度過(guò)載下通氣與血流灌注的不均一性導(dǎo)致動(dòng)脈低氧血癥,出現(xiàn)缺氧的一系列生理變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)載沒(méi)有對(duì)人體的視力和腦功能方面產(chǎn)生明顯影響。這是由于急性心血管和大腦反應(yīng)主要由+Gz引起,僅臥姿存在較低的的+Gz(＜2Gz),而最容易受到影響的個(gè)體可能會(huì)在2.5Gz時(shí)出現(xiàn)視覺(jué)癥狀[25]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,臥姿狀態(tài)心率增大高于躺姿。臥姿有+Gz作用,使得心臟以上部位血壓下降,大量血液轉(zhuǎn)向并淤積身體下部,進(jìn)而使回心血量減少,心輸出量降低,影響頭部水平動(dòng)脈壓的維持。人體內(nèi)的頸動(dòng)脈竇、主動(dòng)脈弓壓力等壓力感受器對(duì)壓力變化十分敏感,它們通過(guò)加快心率使血壓得以維持在一定水平上。而躺姿狀態(tài)僅存在+Gx作用,重力作用方向與大血管相垂直,血管樹(shù)內(nèi)的各點(diǎn)的靜水壓差很小。同時(shí)躺姿的腿部抬高也有利于減輕上半身的血液轉(zhuǎn)移。研究表明,臥姿狀態(tài)下人體的耐受性主要取決于心臟向頭部供血的能力[26-27]。仿真研究顯示臥姿狀態(tài)下可能會(huì)對(duì)心臟功能產(chǎn)生明顯影響[16]。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,臥姿狀態(tài)可能會(huì)增大心臟負(fù)擔(dān),與前期研究結(jié)果一致[16]。峰值5 G 的過(guò)載,2 種姿態(tài)間的心率變化差異極其顯著。頭對(duì)心臟的靜水壓效應(yīng)對(duì)+Gz的心血管反應(yīng)的影響比血液下肢轉(zhuǎn)移更大[28]。隨著過(guò)載峰值增大,2 種姿態(tài)間靜水壓差異隨之增大,因此臥姿心率增加更顯著。

血氧飽和度的變化具有滯后性,均在第二峰時(shí)降到最低值。臥姿血氧的下降值大于躺姿。2種姿態(tài)下均存在肺部形態(tài)功能的改變。臥姿狀態(tài),+Gz作用下,還存在橫膈重量增加,呼吸肌負(fù)荷增大,吸氣費(fèi)力、吸氣時(shí)間延長(zhǎng)等現(xiàn)象;呼吸做功增加,伴隨心率顯著增加,耗氧量隨之增大。此外,臥姿腿部彎曲限制和影響了血液的流動(dòng),使血液大量潴留,心輸出量降低。多種因素造成臥姿血氧飽和度下降更多。峰值3 G 過(guò)載,組間第一峰時(shí)臥姿血氧降低明顯高于躺姿。隨著過(guò)載值的增大,肺氣體交換功能障礙造成的血氧降低成為主要因素。本文結(jié)果表明在中低過(guò)載下,臥姿血氧飽和度下降有高于躺姿的趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)前,躺姿血壓高于臥姿。實(shí)驗(yàn)前后血壓均在心臟水平位置測(cè)得,因此靜水壓效應(yīng)對(duì)測(cè)得血壓基本不存在影響。推斷實(shí)驗(yàn)前躺姿狀態(tài)血壓高于臥姿狀態(tài)是由于躺姿回心血量增加造成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,加速度相對(duì)人體方向不變,主要沿矢狀軸,沿垂直軸的分量較小,對(duì)動(dòng)脈壓力感受器和前庭-血壓調(diào)節(jié)刺激較小。實(shí)驗(yàn)量級(jí)較低,實(shí)驗(yàn)后血壓調(diào)節(jié)功能不變,因此血壓沒(méi)有明顯變化。

綜合對(duì)比臥姿和躺姿2 種姿態(tài),志愿者表示躺姿狀態(tài)下不適癥狀減輕。從主觀上表明了人體躺姿對(duì)加速度過(guò)載具有更好的耐受性。數(shù)字假人仿真研究表明,躺姿狀態(tài)下的內(nèi)臟器官的位移和變形相對(duì)較小[20]。膈肌的位移和擠壓受力是影響人體返回過(guò)載的重要因素,相對(duì)其他器官而言,膈肌在臥姿時(shí)所受的力比在躺姿大,因此建議選擇躺姿[19]。總體而言,Gx被認(rèn)為比Gz更耐受[4]。綜合推斷,人體躺姿狀態(tài)下的耐受高于臥姿。

本文研究尚有一定的局限性,為保證志愿者安全,開(kāi)展了加速度峰值為3 G 和5 G 的過(guò)載實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步明確月地返回再入人體加速度耐限,還需要進(jìn)行量級(jí)更高的實(shí)驗(yàn)研究。

5 結(jié)論

本文利用離心機(jī)模擬跳躍式再入過(guò)載環(huán)境,探討了臥姿和躺姿2 種人體姿態(tài)對(duì)人體生理效應(yīng)的影響。結(jié)論如下:

1)人體在2 種姿態(tài)下能夠耐受峰值為5 G 的月地返回再入過(guò)載且無(wú)強(qiáng)烈不適。

2)峰值為3 G/5 G 的過(guò)載對(duì)人體呼吸和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生影響,隨著過(guò)載的增加作用效果更加顯著。

3)臥姿心率增大值和血氧飽和度降低值均大于躺姿。2 種姿態(tài)間的心率差異隨過(guò)載峰值的增大而增大,血氧飽和度差異隨過(guò)載峰值的增大而減小。

4)躺姿狀態(tài)下,志愿者的主觀感受優(yōu)于臥姿狀態(tài)。

5) 以志愿者生理反應(yīng)指標(biāo)和主觀感受綜合考慮,過(guò)載防護(hù)設(shè)置建議優(yōu)先選擇躺姿。