CPET在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員心肺功能評(píng)價(jià)及應(yīng)用價(jià)值探討

黃 煒，李 雪，徐建華，姜國(guó)華，王 軍，沈祺靜，游丹麗，郭彥宏

運(yùn)動(dòng)心肺功能測(cè)試（cardiopulmonary exercise testing，CPET）是世界各國(guó)體質(zhì)研究和健康體能評(píng)價(jià)系統(tǒng)中最為重要的內(nèi)容之一。它主要通過(guò)測(cè)量機(jī)體的氣體交換，同步評(píng)估其心血管以及呼吸系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)激的反應(yīng)情況，可客觀定量評(píng)價(jià)機(jī)體心肺功能[1]。目前CPET已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于臨床之中，對(duì)患者進(jìn)行心肺功能運(yùn)動(dòng)限制評(píng)價(jià)以及心肺康復(fù)效果評(píng)估[2]；同時(shí)CPET亦被運(yùn)用于體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域[3-4]，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員體質(zhì)評(píng)價(jià)，指導(dǎo)制定運(yùn)動(dòng)處方，科學(xué)進(jìn)行體質(zhì)訓(xùn)練。

我軍高性能戰(zhàn)斗機(jī)是航空兵部隊(duì)重要戰(zhàn)斗力組成部分，隨著新飛行訓(xùn)練大綱頒布，高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行作業(yè)高載荷、高載荷增長(zhǎng)率、高載荷持續(xù)時(shí)間、高認(rèn)知負(fù)荷等[5]特點(diǎn)發(fā)揮到極致，給飛行員的載荷承受強(qiáng)度、載荷承受耐力、飛行耐力提出更高要求，這就需要飛行員具備更強(qiáng)的體質(zhì)。而心肺功能作為體質(zhì)評(píng)價(jià)中一個(gè)重要生理指標(biāo)，CPET技術(shù)成熟，可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)多項(xiàng)心肺功能量化指標(biāo)，評(píng)價(jià)心肺功能狀況高效準(zhǔn)確。筆者主要探討CPET在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員這個(gè)特殊群體中的心肺功能評(píng)價(jià)與運(yùn)用價(jià)值。

1 高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員心肺功能需求分析

高性能戰(zhàn)斗機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行中所產(chǎn)生的+Gz值可達(dá)9～10 G，加速度增長(zhǎng)率最高可達(dá)6 G/s 以上，持續(xù)時(shí)間可達(dá)15～45 s，且載荷反復(fù)出現(xiàn)，如此高加速度G值以及高持續(xù)時(shí)間已達(dá)飛行員+Gz耐力的極限，這給飛行安全造成了巨大威脅。主要原因：①高G情況下，機(jī)體血液往下半身轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致心、眼水平血壓降低，心水平以下血壓升高，導(dǎo)致發(fā)生“灰視”“黑視”、意識(shí)喪失，強(qiáng)有力的心臟功能儲(chǔ)備可在高G情況下，快速增加心率、提高每搏心輸出量，從而提高心、眼水平血壓，降低加速度致意識(shí)喪失的發(fā)生；②高G作用時(shí)，胸廓及膈肌重量增加，呼吸肌負(fù)荷增大，吸氣費(fèi)力，呼吸頻率增快，導(dǎo)致呼吸肌疲勞，雖然呼吸代償會(huì)使肺通氣量增加，但由于肺的通氣/血流比值改變，致肺換氣效能較低，動(dòng)脈血氧飽和度降低[6]。由造成正加速度引起的意識(shí)喪失（G-induced loss of consciousness，G-LOC)原因可見，強(qiáng)有力的心臟功能和呼吸儲(chǔ)備對(duì)飛行員對(duì)抗高載荷、對(duì)抗高載荷持續(xù)時(shí)間均有益。

抗荷正壓呼吸設(shè)備在高性能戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)廣泛使用，正確使用抗荷正壓呼吸動(dòng)作可提高飛行員抗荷能力約1.2～3.0 G左右[6]，但高載荷條件下抗荷正壓呼吸帶來(lái)的呼吸阻力給飛行員飛行作業(yè)帶來(lái)額外負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)出現(xiàn)的正壓呼吸易引起飛行員呼吸肌疲勞，而呼吸肌疲勞會(huì)導(dǎo)致抗荷正壓呼吸動(dòng)作變形，降低其抗荷耐力，易導(dǎo)致G-LOC的發(fā)生；由于呼吸阻力大、呼吸費(fèi)力可引起飛行員過(guò)度通氣[7]，導(dǎo)致呼吸性堿中毒，呼吸性堿中毒的后果是腦血管收縮，腦血流減少，形成腦組織的缺血性缺氧，引起類似高空缺氧的癥狀，極易導(dǎo)致飛行員空中失能。所以肺功能、呼吸肌的強(qiáng)弱、呼吸功能儲(chǔ)備能力對(duì)于高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員進(jìn)行抗荷正壓呼吸動(dòng)作同樣至關(guān)重要。

加壓呼吸耐力也是高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員一項(xiàng)重要能力指標(biāo)，加壓呼吸對(duì)呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)都有一定的影響[8]。一是加壓呼吸時(shí)，吸氣時(shí)氣體自動(dòng)進(jìn)入肺內(nèi)，呼氣時(shí)需要呼氣肌用力收縮，呼氣肌做功量增加，容易導(dǎo)致呼吸疲勞。由于肺內(nèi)壓升高，迫使肺及胸廓過(guò)度擴(kuò)張，膈肌下降，各種肺功能參數(shù)發(fā)生改變。二是加壓呼吸時(shí)，肺內(nèi)壓增高，胸內(nèi)壓也隨之增高，引起右心房及胸腔內(nèi)靜脈壓升高，使靜脈血液回流受阻，導(dǎo)致體內(nèi)有效循環(huán)血量減少，每搏輸出量降低。強(qiáng)有力的呼吸機(jī)能和心血管機(jī)能有助于提高加壓呼吸耐力。

2 CPET相關(guān)指標(biāo)在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員中的應(yīng)用探討

CPET可動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)體從靜息狀態(tài)、熱身狀態(tài)、有氧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、無(wú)氧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及極限狀態(tài)下心肺功能相關(guān)指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)都有不同的價(jià)值。筆者列舉本研究擬運(yùn)用的部分指標(biāo)，主要探討與高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員飛行能力的相關(guān)性及適用性。

2.1 最大攝氧量（VO2max） VO2max是反應(yīng)機(jī)體心肺功能的綜合指標(biāo)，它反應(yīng)機(jī)體有氧運(yùn)動(dòng)能力。VO2max跟基因、遺傳相關(guān)性較大，大多數(shù)認(rèn)為VO2max提高區(qū)間不大，但仍有7%～31%的空間[9]。VO2max在20多歲以后隨著年齡增長(zhǎng)以每年0.4～0.5 ml/（min·kg）的速度在遞減，而系統(tǒng)訓(xùn)練可使VO2max遞減速度顯著減慢[10]。

針對(duì)高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來(lái)講，VO2max主導(dǎo)的有氧耐力主要與其飛行耐力、工作負(fù)荷耐力相關(guān)聯(lián)，但無(wú)法與抗高過(guò)載相關(guān)，只能認(rèn)為同等條件下，VO2max大的飛行員抗荷持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，提高耐受峰值載荷與肌肉量、耐力有關(guān)[11]。VO2max對(duì)高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員而言是值得研究的一項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)設(shè)定合理勝任區(qū)間，可作為改裝體檢階段的篩選參考指標(biāo)。

2.2 無(wú)氧閾（anaerobic threshold，AT）以及AT占VO2max的百分比 AT是CPET中一項(xiàng)重要指標(biāo)，是有氧代謝供能向無(wú)氧代謝供能轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)，AT值越高代表有氧代謝能力越強(qiáng)，無(wú)氧閾占最大攝氧量百分比越大也說(shuō)明有氧代謝能力越強(qiáng)，此指標(biāo)可塑性較大[12]。以無(wú)氧運(yùn)動(dòng)為主的優(yōu)秀短跑運(yùn)動(dòng)員AT值較低且AT占VO2max百分比低于50%，而以有氧運(yùn)動(dòng)為主的優(yōu)秀長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員AT值較高且AT占VO2max百分比接近90%[12]。對(duì)于高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來(lái)講，過(guò)度有氧訓(xùn)練可顯著降低其抗荷能力[13]，適度的有氧訓(xùn)練和無(wú)氧訓(xùn)練可提高抗荷耐力，如何合理分配有氧訓(xùn)練和無(wú)氧訓(xùn)練強(qiáng)度，可以通過(guò)AT以及AT占VO2max百分比這2個(gè)指標(biāo)來(lái)個(gè)性化制定。齊玉剛等[14]研究顯示AT強(qiáng)度訓(xùn)練可很好地改善人體成分和心肺功能。

2.3 氧脈搏（O2P）O2P指心臟每次搏動(dòng)輸出血量所攝取的氧量，O2P越高說(shuō)明心肺功能越好、工作效率越高，因此O2P是評(píng)估心臟輸送氧氣至周邊組織的效率的最佳指標(biāo)。從O2P計(jì)算公式（O2P=單位時(shí)間內(nèi)攝氧量/心率）可知，單位時(shí)間內(nèi)攝氧量越高、心率越低，O2P值越大，同理VO2max越大、峰值心率越低，O2P就越大。理論上來(lái)講VO2max越大，有氧耐力越強(qiáng)，但過(guò)強(qiáng)的有氧耐力影響抗荷能力；同樣，峰值心率過(guò)低，說(shuō)明其迷走神經(jīng)張力過(guò)大，同樣影響其抗荷能力。因此，高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的峰值O2P勝任值，也得兼顧其飛行耐力與抗荷能力進(jìn)行考慮。

2.4 最大運(yùn)動(dòng)負(fù)荷 CPET標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程測(cè)試最大運(yùn)動(dòng)負(fù)荷指標(biāo)與功率遞增速率和運(yùn)動(dòng)時(shí)間相關(guān)，目前筆者研究課題經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)，最后確定采用的是功率自行車25 W/min的遞增測(cè)試方案，最大運(yùn)動(dòng)功率基本都在200 W以上。符合達(dá)到最大極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間控制在最合適的6～10 min范圍的規(guī)范[15]，值得在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員群體應(yīng)用。最大運(yùn)動(dòng)負(fù)荷反映了機(jī)體肌肉力量和耐力，但又受到機(jī)體最大攝氧量的限制。強(qiáng)有力的肌肉力量和耐力可在CPET檢測(cè)中顯示完美的攝氧量峰值平臺(tái)。關(guān)于此項(xiàng)指標(biāo)在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員中的運(yùn)用，筆者認(rèn)為在保持無(wú)氧閾適合的基礎(chǔ)上，最大運(yùn)動(dòng)負(fù)荷越高越好。

2.5 最大通氣量 最大通氣量反映機(jī)體通氣和換氣功能，通氣和換氣的形成主要是由于呼吸肌的輪流收縮、松弛以及胸廓、肺臟的彈性產(chǎn)生胸部風(fēng)箱式的呼吸動(dòng)作和呼吸氣流進(jìn)出肺泡。最大通氣量提高有利于氧的攝取，也一定程度反映了呼吸肌強(qiáng)弱。對(duì)于高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來(lái)講，最大通氣量大小與抗缺氧耐力、加壓呼吸耐力以及抗荷正壓呼吸耐力直接相關(guān)。這項(xiàng)指標(biāo)較難提升，最有效的訓(xùn)練辦法是改變不良生活習(xí)慣（比如吸煙）和強(qiáng)化呼吸肌訓(xùn)練。研究顯示，呼吸肌訓(xùn)練可提升通氣功能，減少通氣做功[16]，但無(wú)法提高VO2max，高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)可有效提高通氣量[17]。

2.6 峰值呼吸交換率（respiratory exchange ratio，RER） 呼吸交換率又叫呼吸商，是機(jī)體二氧化碳排出量（VCO2）和機(jī)體攝氧量（VO2）的比值，是反映人體氣體交換的指標(biāo)。世界衛(wèi)生組織將峰值RER達(dá)到1.15作為反映受試者達(dá)到最大極限狀態(tài)的指標(biāo)[18]，但不能作為停止CPET測(cè)試的指標(biāo)[19]。所以該指標(biāo)在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的應(yīng)用只能作為判斷是否達(dá)到運(yùn)動(dòng)極限的參考指標(biāo)，而且RER的高低與測(cè)試方案有較大關(guān)系[20]。但如果出現(xiàn)RER值過(guò)低，要考慮是否存在心肺功能不全的因素。

2.7 心率 在運(yùn)動(dòng)中，心率是最易測(cè)得的反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)，目前使用較多的是測(cè)定AT時(shí)心率，就是有氧和無(wú)氧運(yùn)動(dòng)的臨界心率來(lái)指導(dǎo)有氧訓(xùn)練，在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是比較合理、比較科學(xué)的手段。對(duì)于高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員CPET上心率的研究不僅僅如此，筆者認(rèn)為運(yùn)用無(wú)氧閾心率指導(dǎo)其有氧訓(xùn)練也是可靠的手段，可防止高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員過(guò)度的有氧訓(xùn)練，亦可避免有氧訓(xùn)練的不足，無(wú)氧閾心率運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度訓(xùn)練效果也得到證實(shí)[14]。飛行員基礎(chǔ)心率、運(yùn)動(dòng)峰值最大心率也值得研究，這與迷走神經(jīng)張力相關(guān)，也可配合心率減速力檢測(cè)[21]來(lái)綜合評(píng)估。

以上7項(xiàng)指標(biāo)在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員體能訓(xùn)練的應(yīng)用上要綜合衡量。其余一些指標(biāo)包括代謝當(dāng)量、VE/VO2、VE/VCO2等，需隨著研究深入進(jìn)一步探討，CPET指標(biāo)也可用于高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員群體可能出現(xiàn)傷病康復(fù)和預(yù)后評(píng)估[22]。

3 CPET如何在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員群體應(yīng)用探討

2013年美國(guó)心臟協(xié)會(huì)將人體心肺耐力作為生命的第五大體征，與血壓、脈搏、體溫、呼吸4個(gè)體征同等重要，心肺耐力對(duì)健康的重要性不言而喻[23]。心肺耐力又稱有氧耐力，CPET相關(guān)指標(biāo)可有效進(jìn)行評(píng)定，反映血液循環(huán)系統(tǒng)和肺呼吸系統(tǒng)的作用下，機(jī)體在長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)時(shí)利用氧的能力。主要與機(jī)體的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的功能相關(guān)，一般心肺耐力水平越高，健康狀況越好[24]。同樣高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員健康狀況與醫(yī)學(xué)鑒定結(jié)論息息相關(guān)，與飛行耐力聯(lián)系密切，但作為特殊群體，更需要考慮的是健康與能力的關(guān)系，CPET相關(guān)指標(biāo)、身體健康狀況、飛行能力的多因素相關(guān)性分析研究具有重要價(jià)值。

CPET可指導(dǎo)高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員科學(xué)制定個(gè)體化運(yùn)動(dòng)處方。公認(rèn)有氧耐力訓(xùn)練可以保持和提高飛行員良好的心肺功能，提高飛行員的+Gz耐力水平[25]。但是，過(guò)度的有氧訓(xùn)練反而可導(dǎo)致飛行員的+Gz耐力降低，這主要是由于有氧耐力訓(xùn)練可提高迷走神經(jīng)張力，減緩心率[26-27]，同時(shí)可提高動(dòng)脈血管的順應(yīng)性，降低交感神經(jīng)興奮性和敏感性[28]，制定科學(xué)合理的有氧訓(xùn)練強(qiáng)度非常重要。目前通過(guò)CPET來(lái)制定無(wú)氧閾訓(xùn)練強(qiáng)度計(jì)劃，可保證有氧訓(xùn)練的適度，有報(bào)道稱無(wú)氧閾強(qiáng)度訓(xùn)練提高女飛行學(xué)員+Gz耐力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)訓(xùn)練法[29]。同時(shí)，在飛行員高血壓、高血脂[30]等防治方面，制定以無(wú)氧閾為基準(zhǔn)強(qiáng)度有氧代謝運(yùn)動(dòng)，可以防止乳酸堆積，不易發(fā)生過(guò)度通氣，對(duì)于增強(qiáng)心肺機(jī)能，防治高血壓、肥胖、高血脂等效果良好，因此被用于健身和康復(fù)運(yùn)動(dòng)處方的制訂[31]。

CPET可在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員選拔、改裝上發(fā)揮積極作用。Levine等[32]報(bào)道，高體能組[VO2max＞60 ml/（min·kg）]被試者的立位耐力較中、低體能組者為低，而立位耐力與抗荷耐力有著相同的生理基礎(chǔ)，機(jī)制有異。故我軍高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員選拔和改裝時(shí)，有必要引入CPET相關(guān)指標(biāo)的入選標(biāo)準(zhǔn)，作為改裝合格與否的參考，也可在招飛體檢階段、飛行學(xué)院入學(xué)階段參照實(shí)施。

CPET可在診斷、預(yù)防高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員心、肺、代謝疾病以及評(píng)估10年心血管病風(fēng)險(xiǎn)[33]上發(fā)揮積極作用，同時(shí)可作為康復(fù)效果評(píng)估手段[15]，心肺運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是目前整體上無(wú)創(chuàng)性客觀定量評(píng)估人體心、肺、代謝等多系統(tǒng)功能狀態(tài)的唯一臨床試驗(yàn)方法，對(duì)于飛行員這個(gè)特殊群體，由于有創(chuàng)檢查嚴(yán)格限制，無(wú)創(chuàng)手段更為可取，可研究增加CPET進(jìn)入飛行員大體檢項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)飛行員整體功能狀態(tài)檢查與評(píng)估。

CPET可用于指導(dǎo)高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員改善不良生活習(xí)慣。吸煙在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員群體占不小比例，據(jù)報(bào)道，無(wú)癥狀吸煙者的心肺運(yùn)動(dòng)能力較健康者顯著降低，吸煙時(shí)間越長(zhǎng)、吸煙量越大，心肺功能損害越嚴(yán)重，對(duì)于飛行員講心肺功能的損害可直接影響到飛行耐力[34]。經(jīng)戒煙干預(yù)后，CPET指標(biāo)可顯著改善，12個(gè)月后能保持穩(wěn)定[35]。

關(guān)于體質(zhì)量對(duì)飛行員CPET的影響，孫海文等[36]研究海軍飛行員體質(zhì)量指數(shù)（BMI）對(duì)運(yùn)動(dòng)心肺的影響，發(fā)現(xiàn)偏胖組（BMI＞26 kg/m2）和偏瘦組（BMI＜22 kg/m2）的運(yùn)動(dòng)心肺功能明顯比正常組（BMI 22～26 kg/m2）低，說(shuō)明控制體質(zhì)量對(duì)飛行員運(yùn)動(dòng)心肺功能的重要性，通過(guò)合理飲食、加強(qiáng)體能訓(xùn)練等手段控制體質(zhì)量可以更好適應(yīng)飛行。但筆者認(rèn)為不能只考慮BMI因素，要引入瘦體質(zhì)量[37]這個(gè)概念，研究證明，瘦體質(zhì)量與人體的無(wú)氧和有氧能力都有著高度相關(guān)[38]，而高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員恰好需要兼顧這兩方面能力。

CPET可指導(dǎo)航衛(wèi)機(jī)構(gòu)更為合理的進(jìn)行高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員醫(yī)學(xué)停飛，目前高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員除了疾病因素飛行不合格醫(yī)學(xué)停飛以外，其余大都以達(dá)到年齡界限作為停飛標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)報(bào)道，隨著年齡增大，心率的減慢以及最大心輸出量降低是導(dǎo)致有氧能力下降的主要因素，而肌肉質(zhì)量下降對(duì)有氧能力的影響隨著年齡增長(zhǎng)減小[39]。達(dá)到停飛年齡，但其有氧及無(wú)氧能力，包括其他一些能力能繼續(xù)勝任飛行訓(xùn)練任務(wù)，完全可延長(zhǎng)其飛行年限。如何研究合理延長(zhǎng)飛行年限標(biāo)準(zhǔn)是綜合工程，但CPET可作為一項(xiàng)重要指標(biāo)。

CPET在高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員群體的應(yīng)用會(huì)有較好前景，亦可針對(duì)不同機(jī)種飛行員的特點(diǎn)，研究如何應(yīng)用于不同機(jī)種飛行人員群體，豐富飛行人員檢查和評(píng)估手段。