30 min吸氧排氮對模擬出艙活動減壓病發(fā)生率影響的研究

彭遠開，肇　海，馬　婷，高郁晨，費錦學(xué)，劉　鋼，丁軍平，徐國鑫

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

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30 min吸氧排氮對模擬出艙活動減壓病發(fā)生率影響的研究

彭遠開，肇海，馬婷，高郁晨，費錦學(xué)，劉鋼，丁軍平，徐國鑫

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

摘要:為研究30 min吸氧排氮對模擬出艙活動減壓病發(fā)生率的影響，通過高空減壓病易感性選拔了17名健康成年男性，在低壓艙3 km高度條件下吸氧排氮30 min后，在7.2 km高度上模擬出艙活動，觀察記錄受試者心前區(qū)回心血流減壓氣泡和減壓病發(fā)生率。發(fā)現(xiàn)除高空暴露期間檢測到1～2級心前區(qū)回心血流氣泡信號外，未發(fā)生減壓病。證實了在3 km低壓條件下30 min吸氧排氮能有效預(yù)防模擬出艙活動減壓病發(fā)生。

關(guān)鍵詞:出艙活動；吸氧排氮方案；減壓病

1引言

航天員出艙活動需要從載人航天器乘員艙常壓環(huán)境過渡到艙外航天服低壓環(huán)境，如果不采取有效預(yù)防措施，有可能發(fā)生減壓病。出艙活動期間發(fā)生減壓病將嚴重影響航天員工作效率、身體健康以及航天任務(wù)完成。預(yù)防出艙活動減壓病發(fā)生的主要方法和措施：1)艙外航天服采用高壓制，如當乘員艙壓力為1個大氣壓，艙外航天服內(nèi)壓力不低于57.2 kPa時，出艙活動前不進行吸氧排氮的R值(R值為減壓應(yīng)急發(fā)生減壓病風(fēng)險指標，是機體內(nèi)組織中的惰性氣體分壓與周圍環(huán)境大氣壓力之比)低于1.4，此時出艙活動不易患減壓病[1]；2)乘員艙采用低壓制，如美國阿波羅登月和天空實驗室艙壓為33.4 kPa，艙外航天服壓力為25.5 kPa，可有效預(yù)防出艙活動減壓病發(fā)生[2]；3)出艙活動前吸氧排氮，根據(jù)出艙活動醫(yī)學(xué)上可接受的R值確定吸氧排氮時間，使其出艙活動時的R值滿足減壓病風(fēng)險可接受的醫(yī)學(xué)要求(如美國空間站和航天飛機出艙活動可接受的R值分別為1.4、1.65[3])；4)對航天員進行減壓病易感性選拔，淘汰減壓病易感者也是預(yù)防出艙活動減壓病易感性方法之一。但在目前載人航天出艙活動中，由于高壓制艙外航天服研制技術(shù)的限制，出艙活動前吸氧排氮仍然是預(yù)防減壓病最有效的措施之一，美國和俄羅斯都各自制定了預(yù)防減壓病發(fā)生的出艙活動吸氧排氮方案措施，并成功預(yù)防了出艙活動減壓病發(fā)生。鑒于我國飛船和艙外航天服壓力制度與俄羅斯基本一致，且俄羅斯出艙活動前吸氧排氮時間為30 min，本文研究30 min吸氧排氮對模擬出艙活動減壓病發(fā)生的影響，以分析30 min出艙活動吸氧排氮方案預(yù)防減壓病發(fā)生的效果，為后續(xù)研究制定高效的出艙活動吸氧排氮方案提供實驗依據(jù)。

2實驗方法

2.1實驗對象

17名受試者均為健康男性，年齡(32.2±5.9)歲，身高(169.6±4.7)cm，體重(63.4±6.8)kg；受試者經(jīng)臨床醫(yī)學(xué)體檢無骨關(guān)節(jié)、肌肉疼痛，無皮膚癢，無胃腸道疾病，無心血管疾病等；并根據(jù)航天員高空減壓病易感性選拔方法[4]，進行10 km高空減壓病易感性檢查確定為減壓病不易感；實驗前1周無高、低氣壓暴露史，實驗前2天高空飲食。

2.2實驗儀器、設(shè)備

1) 低壓艙及低壓艙通話、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，滿足實驗要求；

2) 遙測心電圖儀(日本光電，WEP-4204)；

3) 氣泡檢測儀(法國，AquaLah System)；

4) 呼吸質(zhì)譜儀(英國，HPR20plus)；

5) 手搖自行車功量計(丹麥，DM-03);

6) 頭盔面罩供氧通話系統(tǒng)，高壓氧艙等滿足實驗要求。

2.3測試指標

1) 主觀感覺及體征；

2) 胸前區(qū)回心血氣泡信號：實驗過程中由1名實驗人員實時監(jiān)聽、錄音氣泡信號，實驗后對監(jiān)聽結(jié)果進行錄音回放確認；胸前區(qū)回心血流氣泡信號，按Spencer分級[5-6](見表1)；

3) 心電圖；

4) 面罩內(nèi)口鼻區(qū)氧濃度。

表1　心前區(qū)多普勒氣泡信號分級標準

2.4吸氧排氮及出艙活動模擬

2.4.1吸氧排氮

低壓艙初始壓力為本地壓力101.2 kPa～102.2 kPa，受試者戴呼吸面罩在低壓艙，壓力下降至3 km(70.3 kPa)開始吸純氧排氮30 min，之后低壓艙壓力下降至7.2 km(40 kPa)模擬出艙活動。

2.4.2低壓艙內(nèi)環(huán)境壓力模擬

低壓艙初始壓力為本地大氣壓力101.2～102.2 kPa，受試者在低壓艙戴呼吸面罩，低壓艙上升至模擬高度3 km(艙內(nèi)壓力70.3 kPa)開始吸純氧排氮30 min，之后低壓艙上升至模擬高度7.2 km(艙內(nèi)壓力40 kPa)模擬出艙活動。

圖1　低壓艙模擬出艙活動壓力變化曲線示意圖Fig.1　Pressure changes of simulated EVA in altitude chamber

2.4.3出艙活動負荷模擬

高空暴露期間，模擬出艙活動的人體能量代謝率約為300 W。具體模擬動作：在4 h出艙活動模擬期間受試者雙手搖自行車功量計(40 W，50 rpm)4 min，休息30 s，再雙手搖自行車功量計4 min，休息5.5 min；重復(fù)以上動作，直到實驗結(jié)束。

2.5統(tǒng)計分析

心率采用平均數(shù)±標準差，組間t檢驗，P<0.05為顯著性差異，P<0.01為非常顯著性差異。

3實驗結(jié)果

3.1心電和面罩內(nèi)氧濃度指標變化

實驗期間受試者心電圖無明顯變化；3 km吸氧排氮期間心率79.7±12.2 bpm，7.2 km安靜狀態(tài)下心率84.9±9.9 bpm，7.2 km模擬出艙活動運動負荷條件下心率118.2±14.0。模擬出艙活動運動負荷條件下心率顯著高于3 km吸氧排氮期間和7.2 km安靜狀態(tài)下的心率(分別P<0.01)，3 km吸氧排氮期間的心率與7.2 km安靜狀態(tài)下的心率無顯著性差異(P>0.05)。3 km高度吸氧排氮及高空暴露期間面罩內(nèi)受試者呼吸的吸氣相氧濃度達到95%～98%，滿足本實驗方案設(shè)計規(guī)定的吸氧排氮要求和實驗供氧安全要求。

3.2減壓病和高空減壓氣泡監(jiān)測情況

17名受試者按實驗要求完成了7.2 km高空暴露4 h實驗，實驗過程中除高空暴露期間運動時感到稍累，及頭部、上身明顯出汗(尤其在實驗后期更為明顯)外，受試者沒有出現(xiàn)皮膚癢、關(guān)節(jié)肌肉痛等減壓病癥狀及其它不適癥狀，各受試者高空暴露期間可檢測均檢測到1級或2級心前區(qū)回心血流氣泡信號，但未監(jiān)測到嚴重級別的3、4級氣泡信號，受試者首次出現(xiàn)回心血流氣泡音的時間分布為：高空暴露2～2.5 h為4人次，2.5～3 h為6人次，3～4 h為7人次。

4討論

目前，美國和俄羅斯載人航天器乘員艙氣壓均為一個大氣壓，氣體成分與海平面的大氣環(huán)境成分接近；出艙活動艙外航天服內(nèi)壓力均為低壓制。為此，美國和俄羅斯在出艙活動前均采用了吸氧排氮措施預(yù)防出艙活動低壓環(huán)境給航天員帶來的減壓病風(fēng)險[7,8]。由于美國和俄羅斯兩國艙外航天服內(nèi)的具體壓力不同，因此其相應(yīng)的出艙活動吸氧排氮方案也不相同，表2是美國和俄羅斯預(yù)防出艙活動減壓病發(fā)生的各種吸氧排氮方案[2]。據(jù)文獻報道美國出艙活動吸氧排氮方案的組織氮過飽和系數(shù)(R值)為1.65左右[9-10]，俄羅斯出艙活動吸氧排氮方案的R值平均為1.80左右[10-11]。到目前為止，美國和俄羅斯均未報道出艙活動減壓病發(fā)生[12-14]。因此，無論是俄羅斯還是美國預(yù)防出艙活動減壓病的措施都是安全的。

針對我國乘員艙壓力為91.3～101.3 kPa，艙外航天服壓力為40 kPa的出艙活動條件下的減壓病預(yù)防，在研究和充分借鑒俄羅斯出艙活動吸氧排氮方案的基礎(chǔ)上，提出了30 min出艙活動吸氧排氮方案。該30 min出艙活動吸氧排氮方案的主要內(nèi)容與俄羅斯基本一致(見表2，吸氧排氮時間由俄羅斯的30 min改為不少于30 min),通過理論計算[15]分析可知：采用該吸氧排氮方案,吸氧排氮時間為30 min時,如載人航天器乘員艙為1個大氣壓力制度，R值與俄羅斯出艙活動吸氧排氮的R值基本一致；如載人航天器乘員艙為91.3 kPa壓力制度，則該吸氧排氮方案的R值為1.53左右，低于俄羅斯出艙活動吸氧排氮方案的R值，這更有利于減壓病的預(yù)防。因此，根據(jù)俄羅斯出艙活動吸氧排氮方案有效預(yù)防出艙活動減壓病發(fā)生的實際經(jīng)驗，理論上該30 min出艙活動吸氧排氮方案能有效預(yù)防航天員出艙活動減壓病發(fā)生。

本實驗研究結(jié)果顯示17名受試者吸氧排氮30 min后暴露在7.2 km高度低壓環(huán)境(40 kPa)4 h模擬出艙活動未發(fā)生減壓病，表明30 min吸氧排氮能有效預(yù)防地面模擬出艙活動減壓病發(fā)生。文獻報道美國和俄羅斯地面模擬出艙活動吸氧排氮方案的出艙活動輕度減壓病發(fā)生率達20%～40%，而實際太空出艙活動并無報道減壓病發(fā)生[16]，由此可知實際太空出艙活動條件下，減壓病發(fā)生的風(fēng)險要比地面模擬情況下的低。因此，結(jié)合本實驗未出現(xiàn)減壓病發(fā)生的結(jié)果，可以認為30 min吸氧排氮能夠有效預(yù)防實際太空出艙活動減壓病發(fā)生。地面模擬出艙減壓病發(fā)生風(fēng)險高于太空實際出艙活動的可能因素：1)實際太空出艙活動時通過航天服的硬度阻礙了航天員在艙外活動時的劇烈運動，有利于抑制機體組織內(nèi)氣核和氣泡形成，而地面模擬出艙活動時受試者沒有穿艙外航天服；2)微重力有利于提高吸氧排氮效率[17-19]。由于上述30 min出艙活動吸氧排氮方案的最短吸氧排氮時間與本實驗的吸氧排氮時間一致，且出艙活動吸氧排氮期間的艙外航天服內(nèi)壓力與70 kPa低壓條件也基本一致，因此根據(jù)本文實驗結(jié)果也可推論，本文提出的30 min出艙活動吸氧排氮方案能有效預(yù)防航天員出艙活動減壓病發(fā)生。

表2　國外各種出艙活動艙外航天服壓力制度及吸氧排氮方案

本實驗?zāi)M出艙活動減壓病發(fā)生率遠低于俄羅斯地面模擬出艙活動的減壓病發(fā)生率20%～40%，與有關(guān)文獻報道的地面吸氧排氮1 h分別上升至6.9 km或7.6 km高度停留4 h模擬出艙活動減壓病發(fā)生率分別為26.3%和63%[20]的結(jié)果也相差較大，其原因可能與本實驗受試者經(jīng)過減壓病易感性選拔有關(guān)。針對乘員艙91.3 kPa壓力制度，本實驗未采用低壓艙91.3 kPa條件下的人體內(nèi)初始氮水平，而采用了低壓艙本地大氣壓力條件下的人體內(nèi)初始氮水平進行吸氧排氮實驗，主要基于以下原因：1)該方法相對簡單，易于操作，避免了在吸氧排氮前通過采用其它措施(如提前24～48 h暴露到91.3 kPa的低壓艙大氣壓力環(huán)境等，這些措施有一定的難度，且實施效果不準確)來改變受試者在本地大氣壓力下的體內(nèi)初始氮水平；2)采用本地大氣壓力條件下的人體內(nèi)初始氮水平進行吸氧排氮的R值大于實際太空飛船91.3 kPa下人體內(nèi)初始氮水平進行吸氧排氮的R值，其預(yù)防減壓病的有效性可以間接推論到實際太空出艙活動減壓病預(yù)防效果。

5結(jié)論

在3 km低壓條件下，30 min吸氧排氮能有效預(yù)防模擬出艙活動減壓病發(fā)生；提出的30 min出艙活動吸氧排氮方案可有效預(yù)防航天員出艙活動減壓病發(fā)生。

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Influence of 30 min Pre-oxygenation on Incidence of Decompression Sickness during Simulated EVA

PENG Yuankai,ZHAO Hai, MA Ting, GAO Yuchen,FEI Jinxue,LIU Gang, DING Junping,XU Guoxin

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

Abstract:To study the influence pre-oxygenation on the incidence of decompression sickness during simulated extravehicular activity (EVA), 17 health volunteers who passed the susceptibility test of decompression sickness carried out the simulated EVA after 30 min pre-oxygenation in the altitude chamber. The volunteers were monitored for the primordial venous bubble of decompression and the symptoms of decompression sickness. The decompression sickness was not found except the detection of one to two grade bubble signals during the high altitude exposure. The 30min pre-oxygenation at the 3000 meter altitude exposure can effectively prevent the happening of the decompression sickness incidence during simulated EVA.

Key words:EVA; pre-oxygenation; decompression sickness

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2016-03-29

基金項目：中國載人航天工程基金資助項目(01100308)

作者簡介：彭遠開(1963-)，男，碩士，研究員，研究方向為航天環(huán)境醫(yī)學(xué)。Email ykpeng507@aliyun.com

中圖分類號：R852.16

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0394-05