任 逸， 李富柱， 孫 浩， 尚世龍， 肖艷華， 祝 郁，王健全， 郭玉琴， 馬紅磊?

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013； 2.中國航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094）

1 引言

在航空機(jī)動(dòng)飛行過程中常常伴隨超重、側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)等多種失速機(jī)動(dòng)動(dòng)作，這種復(fù)合動(dòng)力學(xué)環(huán)境與人體血液動(dòng)力學(xué)變化及前庭反應(yīng)密切相關(guān)，極易引起組織臟器損傷及空間運(yùn)動(dòng)病的發(fā)生［1－3］。如何有效評估復(fù)合動(dòng)力學(xué)環(huán)境暴露對機(jī)體的影響是目前航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究課題。

已有研究表明，肺臟是胸背向過載（±Gx）造成機(jī)體損傷的主要靶器官，其特殊的彈性體結(jié)構(gòu)使內(nèi)部氣體、血液及組織分布極易受到過載的影響［4－6］。 Ax 等［7］、Rohdin 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，胸背向過載引起胸膜壓力梯度的變化與肺泡形態(tài)及分布、肺毛細(xì)血管阻力及靜態(tài)肺容積等因素直接相關(guān)，易誘發(fā)肺部血流與通氣的異質(zhì)性改變，進(jìn)而導(dǎo)致肺損傷。 此外，Melek 等［9］及Johar 等［10］也分別利用轉(zhuǎn)椅、轉(zhuǎn)床等設(shè)備研究評估了旋轉(zhuǎn)暴露對人體心肺功能及結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境作為機(jī)動(dòng)飛行過程中極為常見的力學(xué)環(huán)境，卻鮮有相關(guān)的研究與分析，該種復(fù)合環(huán)境對人體的影響機(jī)制及程度目前尚不明確。 因此，研究分析超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合力學(xué)環(huán)境對人體的作用機(jī)制，有助于豐富航天生理學(xué)基礎(chǔ)理論，并據(jù)此制定針對性的防護(hù)對策，進(jìn)而提高乘員的安全性及飛行效率。

本文利用超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺，選取家兔作為實(shí)驗(yàn)對象，模擬單一超重及超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境，通過觀察加載暴露后肺臟的病理變化及半定量評估，綜合分析各力學(xué)環(huán)境對于機(jī)體肺臟的損傷特點(diǎn)與可能機(jī)制，為復(fù)合環(huán)境下人體病理生理響應(yīng)機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 方法

2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

為避免雌性激素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物選取成年雄性家兔，體重2.5 ～3 kg，體長約30 cm，無人畜共患病，不攜帶B 病毒和結(jié)核桿菌等致病因子。 動(dòng)物由北京芳元緣養(yǎng)殖場提供，在常規(guī)飼養(yǎng)期間，保持室溫25 ℃左右及良好的濕度和通風(fēng)條件，實(shí)驗(yàn)人員定時(shí)投放食物和水，喂養(yǎng)條件保持一致。 本文研究中涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)程序均經(jīng)中國航天員科研訓(xùn)練中心倫理委員會批準(zhǔn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

以中國航天員科研訓(xùn)練中心自研的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖1 所示，該設(shè)備包括底座部分（離心電機(jī)、減速器、支撐臺架及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等）、旋轉(zhuǎn)支架（轉(zhuǎn)臂、平衡臂及配重塊等）、自轉(zhuǎn)座椅部分（自轉(zhuǎn)電機(jī)、傳動(dòng)鏈條、連接框架、座椅及蓄電池等）、控制柜（可編程運(yùn)動(dòng)控制器、控制單元及功率單元等）。 離心半徑為1.8 m，最大輸出過載20 G，自轉(zhuǎn)座椅最大轉(zhuǎn)速100 r／min。 超重暴露通過離心機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，自轉(zhuǎn)暴露通過自轉(zhuǎn)座椅實(shí)現(xiàn)，二者控制系統(tǒng)獨(dú)立。 正式實(shí)驗(yàn)前，按照實(shí)驗(yàn)過載要求和實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，確保輸出過載與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過載環(huán)境保持良好的一致性。

圖1 超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺樣機(jī)Fig.1 Prototype of integrated overload and rotation test platform

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分組

根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過載曲線峰值達(dá)到13 G 時(shí)，家兔會出現(xiàn)較重的生理反應(yīng)，甚至引起重要臟器的損傷；同時(shí)發(fā)現(xiàn)復(fù)合10 r／min、20 r／min 水平自轉(zhuǎn)也分別加重了上述現(xiàn)象。 因此，本實(shí)驗(yàn)選用Apollo 返回艙的實(shí)際再入?yún)?shù)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使過載峰值達(dá)到13 G，如圖2 所示。 該曲線總加載時(shí)長約405 s，第一、二峰值分別達(dá)到13 G、9 G（為便于表述，后文選取第一峰值作為特征表述，即13 G 超重暴露），且中間存在較長時(shí)間中低量級的超重過載，有利于提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)物存活率。

圖2 超重過載曲線Fig.2 Overload curve

本文研究選取成年雄性家兔共21 只，隨機(jī)分為3 組，每組7 只：對照組（Control Group，CG組）、實(shí)驗(yàn)組1（Experimental Group1，EG1 組）、實(shí)驗(yàn)組2（Experimental Group 2，EG2）。 其中，CG 組為13 G 超重暴露，EG1 組為13 G 超重復(fù)合10 r／min 自轉(zhuǎn)暴露，EG2 組為13 G 超重復(fù)合20 r／min 自轉(zhuǎn)暴露。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開始前，將家兔放置到特制的兔籠中并固定到離心機(jī)末端的自轉(zhuǎn)座椅上，使其保持坐姿并面朝離心機(jī)旋轉(zhuǎn)中心，保證良好及一致的束縛狀態(tài)后，按照設(shè)計(jì)順序開始實(shí)驗(yàn)。 CG 組家兔實(shí)驗(yàn)中，啟動(dòng)離心機(jī)并使自轉(zhuǎn)座椅電機(jī)保持抱閘狀態(tài)，確保超重過程中家兔無自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且家兔的超重作用方向始終為胸背向。 EG1、EG2 組家兔實(shí)驗(yàn)中，家兔的初始方向均面朝離心機(jī)軸心，其旋轉(zhuǎn)軸線為頭－尾方向連線，設(shè)置好參數(shù)后同時(shí)啟動(dòng)離心機(jī)與自轉(zhuǎn)座椅。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即取下家兔并進(jìn)行大體解剖觀察。

2.5 肺臟損傷程度判定

選用2 種創(chuàng)傷評分學(xué)方法對肺臟損傷進(jìn)行半定量評估： ①簡明損傷分級（Abbreviated Injury Scaling， AIS）［11］，肺損傷的AIS 分值范圍為0 ～6分； ②肺器官損傷分級（Organ Injury Scaling，OIS）［12－13］，將肺損傷程度分為I～Ⅵ共6 個(gè)級別。

2.6 病理學(xué)觀察

解剖觀察后留取離體左肺下葉組織，分別經(jīng)4%多聚甲醛灌注固定、流水沖洗、10%中性甲醛固定及常規(guī)沖洗后，用梯度乙醇脫水，并于二甲苯中進(jìn)行透明（共2 次），然后進(jìn)行石蠟包埋并用石蠟切片機(jī)進(jìn)行連續(xù)切片，切片厚度為3 μm，將其貼于多聚賴氨酸處理過的載玻片上；在分別進(jìn)行脫蠟、水化、蘇木精－伊紅染色、脫水、透明、封片等處理后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察。

2.7 統(tǒng)計(jì)分析

研究結(jié)果的計(jì)量數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，P＜0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果及大體解剖觀察

CG 組家兔實(shí)驗(yàn)后均存活；EG1 組家兔實(shí)驗(yàn)后有2 例死亡，死亡率約為29%（2／7）；EG2 組家兔實(shí)驗(yàn)后有3 例死亡，死亡率約為43%（3／7）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后大部分家兔表現(xiàn)出精神萎靡、呼吸短促、行動(dòng)遲緩等行為學(xué)狀態(tài)。

大體解剖結(jié)果顯示，各組家兔實(shí)驗(yàn)后未出現(xiàn)明顯的肺表面撕裂傷，無血?dú)庑兀嬖诓煌潭鹊狞c(diǎn)片狀出血、水腫與塌陷現(xiàn)象。 CG 組家兔肺損傷主要表現(xiàn)為彌散的出血點(diǎn)與出血斑，偶見水腫及輕微糜爛，1 例左肺下葉存在明顯的肋間壓痕；EG1 組家兔肺部損傷主要表現(xiàn)為大面積斑片狀出血及淤血，出血位置有一定程度向肺葉邊緣轉(zhuǎn)移的趨勢，1 例出血嚴(yán)重發(fā)生實(shí)變；EG2 組家兔雙肺大面積出血，肺形態(tài)較前兩組萎陷更明顯，且出血位置表現(xiàn)出更明顯向肺葉邊緣轉(zhuǎn)移的趨勢。

3.2 肺損傷評分

根據(jù)AIS 及OIS 分別對各組家兔肺臟損傷程度進(jìn)行分級和評分，結(jié)果見表1。 CG 組家兔肺損傷OIS 定級集中在Ⅰ～Ⅲ級，其中Ⅰ級居多（43%）； EG1、 EG2 組 肺 損 傷 均 集 中 在Ⅳ級（43%、57%）。

根據(jù)AIS 評分規(guī)則，CG、EG1、EG2 組家兔肺損傷的AIS 評分分別為2.29±0.88、4.14±0.90、4.71±0.70。 組間方差分析顯示，CG 組與EG1、EG2 組間均具有顯著性差異（P＝0.003、P＜0.001），EG1 與EG2 組間無顯著性差異（P＝0.223）。

3.3 光鏡下病理

各組實(shí)驗(yàn)后，家兔肺組織在光鏡下表現(xiàn)為不同程度的肺不張、出血、肺泡水腫及炎性細(xì)胞浸潤等。 其中，CG 組家兔主要表現(xiàn)為局部肺組織間質(zhì)、肺泡及支氣管內(nèi)出血，部分肺泡發(fā)生塌陷、疊壓、肺泡腔消失等，有炎性細(xì)胞聚集，如圖3（a）所示。 EG1 組出血面積更大，肺組織及肺泡內(nèi)充滿大量紅細(xì)胞，局部肺泡隔結(jié)構(gòu)消失，肺泡變大且數(shù)目變少，如圖3（b）所示；呼吸性細(xì)支氣管內(nèi)有溶血，肺不張更嚴(yán)重。 EG2 組家兔肺組織鏡下表現(xiàn)為高度肺不張，視野內(nèi)有大片紅色實(shí)變區(qū)，肺泡壁增厚且出現(xiàn)空隙或透明層，肺泡中細(xì)胞分布散亂，肺泡囊中有溶血，局部發(fā)生彌漫性肺損傷如圖3（c）所示。

4 討論

現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)具有高過載、高角加速度及高認(rèn)知負(fù)荷等特點(diǎn)，如機(jī)動(dòng)飛行或超機(jī)動(dòng)飛行場景下常常涉及超重、旋轉(zhuǎn)、橫滾等動(dòng)力學(xué)復(fù)合環(huán)境暴露，極易引起航空人員血液動(dòng)力學(xué)特性變化及前庭功能穩(wěn)定性發(fā)生改變，對機(jī)體的身體素質(zhì)及耐受性帶來巨大挑戰(zhàn)的同時(shí)，也對地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺提出了更高的要求［14－15］。 本文使用的超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺，該設(shè)備搭建了2 套獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，分別控制轉(zhuǎn)臂離心轉(zhuǎn)動(dòng)及末端座椅自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)超重／旋轉(zhuǎn)／超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合等環(huán)境模擬，且控制系統(tǒng)便捷穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，可以有效支撐超重、旋轉(zhuǎn)、超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合等模擬實(shí)驗(yàn)。本課題組通過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)峰值為13 G 的超重加載會對生物體肺臟造成明顯的病理性變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期基本一致。

本文研究結(jié)果顯示，家兔肺臟解剖觀察的OIS 定級與AIS 評分基本一致，超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合組家兔的肺臟損傷明顯高于單一超重組，且隨著自轉(zhuǎn)速度加快，肺臟的損傷程度也在增加。 結(jié)合光鏡下病理表現(xiàn)，各組均可見不同程度的出血，超重旋轉(zhuǎn)組家兔出血面積更大，且表現(xiàn)出更明顯的結(jié)構(gòu)性損傷，包括高度肺不張、肺泡壁斷裂、肺實(shí)變等。 正常的肺結(jié)構(gòu)與功能極大程度上取決于肺部血流與通氣的匹配性［7］，Johson 等［16］研究發(fā)現(xiàn)，超重暴露會引起肺臟局部氣道關(guān)閉及重力依賴區(qū)肺泡缺氧導(dǎo)致血管收縮、血管阻力增加，加劇肺部血流灌注與氣體交換的異質(zhì)性變化進(jìn)而誘發(fā)肺損傷。 此外，Bogle 等［17］及Miyamura 等［18］研究發(fā)現(xiàn)，前庭系統(tǒng)的刺激會通過中樞命令（大腦皮層和下丘腦）及外周反射（肌肉代謝反射）調(diào)節(jié)心血管功能，尤其是水平半規(guī)管及垂直半規(guī)管的激活會分別誘發(fā)通氣反應(yīng)及心率的增加。 這為超重旋轉(zhuǎn)組家兔肺臟損傷加重提供了一種理論解釋，即可能是由于旋轉(zhuǎn)環(huán)境進(jìn)一步刺激了家兔的前庭系統(tǒng)，加劇了肺臟的血液灌注及氣體交換的區(qū)域性不匹配變化。

超重環(huán)境下姿態(tài)差異對機(jī)體肺臟的損傷表現(xiàn)也存在明顯的影響，該種差異主要來自靜水壓力梯度及胸膜壓力梯度的變化［19－20］。 超重旋轉(zhuǎn)組家兔實(shí)驗(yàn)過程中，由于過載方向始終在改變，其胸膜壓力梯度也不斷變化，肺泡始終處于正壓與負(fù)壓來回切換狀態(tài)，加劇了其分布及形態(tài)的不均勻性，進(jìn)而引發(fā)更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性損傷。 Johnson等［16］研究提出，胸膜壓力梯度與功能剩余容量（Functional Residual Capacity，F(xiàn)RC）直接相關(guān)，將直接影響吸氣時(shí)的通氣分布，這可能也是超重旋轉(zhuǎn)組家兔肺臟損傷加重的原因之一。

此外，Glenny 等［21］在探究重力因素對肺部血流分布影響時(shí)指出，一氧化氮酶在肺血流引導(dǎo)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，且在人體背側(cè)肺組織中表達(dá)程度更高；Kerckx 等［22］也提出超重環(huán)境會引起肺泡一氧化氮濃度的增加，這種變化與肺部血流的區(qū)域性灌注密切相關(guān)。 在本文研究中，單一超重組家兔實(shí)驗(yàn)過程中背側(cè)肺組織始終受壓，但該種壓迫是否直接影響一氧化氮酶的表達(dá)及肺泡一氧化氮濃度，目前尚不清楚。

另外，本文研究中選取的樣本較小，這可能是造成個(gè)別組AIS 評分差異性不顯著的原因之一。前庭刺激及一氧化氮濃度對肺臟損傷的影響程度及機(jī)制，仍需要后續(xù)開展進(jìn)一步的研究分析。

5 結(jié)論

1）超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合實(shí)驗(yàn)平臺可有效模擬超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合環(huán)境，模型構(gòu)建準(zhǔn)確可靠。

2）超重暴露與超重旋轉(zhuǎn)復(fù)合暴露均會對家兔肺臟的正常結(jié)構(gòu)及功能造成影響，復(fù)合暴露加載下影響更明顯，且隨著復(fù)合自轉(zhuǎn)水平升高，損傷會逐步加重。