慢長(zhǎng)率模式+Gz加速度暴露對(duì)局部腦血氧飽和度的影響*

金 朝， 曹征濤， 王海霞， 張立輝， 李毅峰， 周玉斌， 王 全， 李寶輝， 徐 艷， 衛(wèi)曉陽(yáng)， 王 紅， 林 榕， 楊景慧， 耿喜臣

(空軍特色醫(yī)學(xué)中心， 北京 100142)

飛行員在作機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，受到+Gz加速度的作用，使人體血液分布改變，血液沿著慣性力方向向下半身轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頭(眼)水平動(dòng)脈血壓降低，大腦缺血、缺氧，出現(xiàn)視力甚至意識(shí)的改變、喪失[1]，嚴(yán)重威脅飛行安全。外軍報(bào)道飛行訓(xùn)練中加速度導(dǎo)致的意識(shí)喪失(G - induced lose of consciousness，G-LOC) 發(fā)生率為7.7%[2]～ 9%[3]，載人離心機(jī)訓(xùn)練中的G-LOC發(fā)生率在6.4% ～34.9%[2，4-6]。我軍飛行員載人離心機(jī)訓(xùn)練中的G-LOC發(fā)生率為5.0%[6]。如果能夠?qū)崟r(shí)、無(wú)損的監(jiān)測(cè)大腦供血/氧狀態(tài)，在缺血/氧達(dá)臨界值時(shí)發(fā)出警告，可有助于讓飛行員及時(shí)采取預(yù)防措施防止發(fā)生飛行事故。為此，國(guó)外有人在載人離心機(jī)上進(jìn)行+Gz加速度暴露對(duì)大腦氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、腦組織氧合指數(shù)水平等生理指標(biāo)影響的研究[7-8]。國(guó)內(nèi)也有采用下體負(fù)壓[9-10]及動(dòng)物離心機(jī)技術(shù)[11]觀察人體和大鼠在模擬及真實(shí)+Gz加速度環(huán)境下大腦血流速度及血氧飽和度變化的報(bào)道。檢查+Gz加速度耐力的方法按照載荷增長(zhǎng)速度分為慢增長(zhǎng)率(gradual-onset rate run, GOR)和快增長(zhǎng)率(rapid-onset rate run, ROR)兩種模式。GOR模式的G增長(zhǎng)率必須小于0.25 G/s，用于評(píng)價(jià)有心血管系統(tǒng)反射性代償時(shí)的耐力，ROR模式的G增長(zhǎng)率需要大于0.33 G/s，用于評(píng)價(jià)無(wú)心血管系統(tǒng)反射性代償?shù)哪土12]。本研究選用一種新型無(wú)線(xiàn)式腦血氧檢測(cè)設(shè)備在載人離心機(jī)上觀察了GOR模式+Gz加速度暴露對(duì)人局部腦血氧飽和度(regional cerebral oxygen saturation, rSO2)的影響，與耳脈搏信號(hào)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討該生理指標(biāo)在加速度耐力終點(diǎn)預(yù)警方面的應(yīng)用。

1 對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

AMST-HC-4E型載人離心機(jī)(奧地利AMST公司)；BRS-2型無(wú)線(xiàn)式腦血氧檢測(cè)頭帶(中科搏銳(北京)科技有限公司)；心電-耳脈搏傳感器(自制)。

1.2 受試者

1.3 +Gz加速度暴露方法

載人離心機(jī)啟動(dòng)后首先運(yùn)行1.4 G的基線(xiàn)，基線(xiàn)結(jié)束后進(jìn)入GOR模式載荷以0.1 G/s的增長(zhǎng)率持續(xù)上升，受試者保持松弛狀態(tài)，當(dāng)感覺(jué)周邊燈消失時(shí)向主持人報(bào)告并開(kāi)始做HP抗荷動(dòng)作，此時(shí)的G值為GOR1(松馳)耐力；載荷繼續(xù)增加，當(dāng)受試者再次感覺(jué)周邊燈消失時(shí)向主持人報(bào)告，此時(shí)的G值為GOR2(緊張)耐力，主持人立即按下停機(jī)按鍵，載人離機(jī)開(kāi)始減速至停止運(yùn)行。+Gz暴露最大值限制在9 G。受試者分為兩組分別在2個(gè)工作日內(nèi)完成。

1.4 生理信號(hào)記錄和處理方法

心電-耳脈搏傳感器的三個(gè)心電電極分別置于左側(cè)腋前線(xiàn)第5肋間隙(正極)、胸骨柄(負(fù)極)及第7頸椎(地線(xiàn))。耳脈搏傳感器固定在被試者耳廓。通過(guò)DASYLab 5.6?組態(tài)軟件(美國(guó)AD公司)完成心電和耳脈搏波形的實(shí)時(shí)顯示、記錄和回放。BRS-2型無(wú)線(xiàn)式腦血氧檢測(cè)頭帶的探頭固定在受試者額部(圖1)。進(jìn)入載人離心機(jī)座艙后固定好安全帶，記錄+Gz暴露前下30 s 的腦血氧飽和度(rSO2)平均值作為基礎(chǔ)值，用MATLAB2018軟件(美國(guó)mathorks公司)完成rSO2數(shù)據(jù)的回放和分析。

Fig. 1 One subject sitting in the centrifuge gondola with cerebral oxygen saturation (rSO2) meter and ear opacity pulse sensor device

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

以SPSS 18.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，GOR1和GOR2耐力數(shù)據(jù)的比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)。+Gz加速度暴露前、載人離心機(jī)開(kāi)始運(yùn)行基線(xiàn)、開(kāi)始GOR模式加速度暴露、開(kāi)到達(dá)GOR1耐力終點(diǎn)、到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)、+Gz加速度暴露結(jié)束后的心率和rSO2數(shù)據(jù)的比較采用重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)的方差分析，用LSD-t檢驗(yàn)進(jìn)行組間兩兩比較。

2 結(jié)果

2.1 受試者的抗荷耐力

受試者不做HP抗荷動(dòng)作的GOR1耐力為(4.10±0.79)G，做HP抗荷動(dòng)作后GOR2耐力提高到(5.82±0.70)G，與GOR1耐力相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=9.677，P=0.000)，既抗荷動(dòng)作效果為(1.72±0.62) G。

2.2 +Gz加速度暴露對(duì)心率的影響

受試者在+Gz加速度暴露前的心率為(72±9)beats/min，在載人離心機(jī)啟動(dòng)后即刻顯著升高(P<0.01)并呈逐漸上升趨勢(shì)，開(kāi)始GOR模式、GOR1耐力終點(diǎn)、GOR2耐力終點(diǎn)及+Gz加速度暴露結(jié)束后的心率均顯著大于+Gz暴露前(P< 0.01)。在載人離心機(jī)啟動(dòng)到開(kāi)始GOR模式+Gz加速度暴露階段的心率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。到達(dá)GOR1耐力終點(diǎn)時(shí)的心率升高到(100±26) beats/min，但與開(kāi)始GOR模式時(shí)(96±15) beats/min相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P> 0.05)。到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)的心率達(dá)(107±27)beats/min已顯著大于開(kāi)始GOR模式(P<0.05)和GOR1耐力終點(diǎn)的(100±26)beats/min(P<0.05)。+Gz加速度暴露結(jié)束時(shí)的心率達(dá)最大值(113±27)beats/min，與GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)的心率相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，但同樣顯著大于開(kāi)始GOR模式(P<0.01)和GOR1耐力終點(diǎn)(P<0.05，表 1)。

2.3 +Gz加速度暴露時(shí)的耳脈搏信號(hào)變化

耳脈搏信號(hào)波幅在開(kāi)始運(yùn)行基線(xiàn)至進(jìn)入GOR模式+Gz加速度暴露的初始階段無(wú)顯著變化，此后至接近GOR1耐力終點(diǎn)時(shí)隨著載荷增加而逐漸降低，到達(dá)GOR1耐力終點(diǎn)后波幅降至最低點(diǎn)，受試者主訴周邊燈消失。然后受試者立刻開(kāi)始做抗荷動(dòng)作，耳脈搏波幅回升，到GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)波幅略降低，受試者再次主訴周邊燈消失，載人離心機(jī)開(kāi)始減速至停機(jī)，耳脈搏波幅也隨著載荷降低而迅速升高(圖2)。

Fig. 2 A case of ear opacity pulse change during gradual onset rate (GOR) +Gz acceleration exposure

2.4 +Gz加速度暴露時(shí)的 rSO2變化

受試者的rSO2在+Gz加速度暴露前基礎(chǔ)值為(71.3± 5.0)%。當(dāng)載人離心機(jī)啟動(dòng)后即刻略升高至72.4%±5.4%(P<0.05)，直到繼續(xù)運(yùn)行基線(xiàn)結(jié)束時(shí)rSO2仍保持與 +Gz暴露前接近水平(P>0.05)。GOR模式加速度暴露開(kāi)始后，rSO2隨著載荷的增加逐漸降低，到GOR1耐力終點(diǎn)時(shí)降至65.4%±6.4%，顯著小于 +Gz暴露前(P<0.01)。受試者開(kāi)始做抗荷動(dòng)作，rSO2繼續(xù)降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)rSO2降至61.6%±4.6%，顯著小于+GZ加速度暴露開(kāi)始前(P<0.01)及GOR1耐力終點(diǎn)(P<0.01)。隨后載人離心機(jī)開(kāi)始減速，rSO2伴隨載荷降低逐漸升高，當(dāng)+GZ加速度暴露結(jié)束時(shí)rSO2恢復(fù)到70.7%±5.7%，與+Gz暴露前無(wú)顯著差異(P>0.05，圖3, 表1)。受試者rSO2降至最小值與到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)的時(shí)間差為(3.0±2.0)s(-3～+3 s)，其中2人的rSO2最小值與GOR2耐力終點(diǎn)同時(shí)到達(dá)，3人在到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)之前rSO2已降至最小值然后開(kāi)始升高，其他7人rSO2降至最小值的時(shí)間滯后于GOR2耐力終點(diǎn)。

Fig. 3 A case of reginoal cerebral oxygen saturation (rSO2) change during gradual onset rate (GOR) +Gz acceleration exposure

Tab. 1 The effects of GOR +Gz acceleration exposure on HR and rSO2 n=12)

3 討論

本研究采用了廣泛應(yīng)用于加速度耐力生理學(xué)研究[3]和飛行員載人離心機(jī)加速度耐力檢查和訓(xùn)練[4-7]的GOR加速度暴露模式，該暴露模式可以檢查+Gz應(yīng)激時(shí)的心血管代償反射能力，并且具有視力障礙出現(xiàn)在意識(shí)喪失之前的特點(diǎn)，可提示檢查人及時(shí)終止加速度暴露避免一步發(fā)生G-LOC導(dǎo)致?lián)p傷。GOR模式+Gz加速度暴露時(shí)，由于到達(dá)耐力終點(diǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)，心血管有充分的代償反射時(shí)間，所以最大心率理論上應(yīng)出現(xiàn)在耐力終點(diǎn)之前[12]。本研究中受試者的心率隨著載荷增加而持續(xù)升高，到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)的心率已顯著大于開(kāi)始GOR模式(P=0.026)和GOR1耐力終點(diǎn)(P= 0.014)，+Gz加速度暴露結(jié)束時(shí)的心率雖然平均值略大于GOR2耐力終點(diǎn)但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.059)，表明GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)心血管反應(yīng)已充分代償。受試者GOR1耐力達(dá)到(4.10±0.79)G，相當(dāng)于美軍抗荷耐力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的平均水平[13]。用GOR2耐力減去GOR1耐力得到HP動(dòng)作的抗荷效果為(1.72±0.62) G，平均值略低于耿喜臣等[14]報(bào)道的約2 G水平，接近體能訓(xùn)練2周后的1.93 G[15]。

耳脈搏信號(hào)是判斷受試者是否達(dá)到耐力終點(diǎn)的重要輔助指標(biāo)。耳脈搏的提取方式是采用光電原理，測(cè)量耳廓血容量的變化。頭水平動(dòng)脈壓升高時(shí)，耳廓的血容量增加，透光度減弱，反之則增加。透光度的強(qiáng)弱變化被光敏電池檢出，經(jīng)放大描記出的圖形即為耳脈搏圖，當(dāng)耳脈搏波幅顯著降低甚至消失時(shí)，提示受試者接近或到達(dá)耐力終點(diǎn)[16]。本研究耳脈搏波幅的變化在受試者到達(dá)GOR1耐力終點(diǎn)之前符合上述規(guī)律；但是，當(dāng)受試者開(kāi)始做抗荷動(dòng)作后，耳脈搏波幅升高，在到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)前沒(méi)有出現(xiàn)逐漸降低的變化過(guò)程，耐力終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)主要是受試者主訴周邊燈消失或出現(xiàn)暈厥前征兆。

本研究使用的BRS-2型無(wú)線(xiàn)式腦血氧檢測(cè)頭帶采用近紅外線(xiàn)光譜(near-infrared spectroscopy, NIRS)技術(shù)，能夠無(wú)創(chuàng)傷連續(xù)性地監(jiān)測(cè)rSO2。由于近紅外光能穿透頭皮和頭蓋骨而到達(dá)頭皮下20 mm的深度，通過(guò)檢測(cè)rSO2就能得到大腦深層組織氧供需平衡情況。研究觀察到，rSO2在GOR在載人離心機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行基線(xiàn)后即刻略升高，可能與受試者緊張導(dǎo)致瞬時(shí)心率加快，心輸出量、腦血流量增加有關(guān)。在隨后運(yùn)行+1.4 Gz基線(xiàn)階段rSO2無(wú)顯著變化。當(dāng)GOR模式加速度暴露開(kāi)始后，由于+Gz加速度作用，血液向下肢及腹腔靜脈系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，有效循環(huán)血量減少，心、眼水平動(dòng)脈血壓降低，表現(xiàn)為耳脈搏波幅及rSO2隨著載荷的增加逐漸降低。受試者在檢測(cè)GOR1耐力階段保持松馳，抗荷耐力主要與心血管系統(tǒng)代償能力有關(guān)，rSO2平均值在GOR1耐力終點(diǎn)時(shí)比+Gz暴露前降低8%。隨后受試者開(kāi)始做抗荷動(dòng)作，進(jìn)入GOR2耐力檢測(cè)階段。做抗荷動(dòng)作可以通過(guò)提高血管外周阻力、促進(jìn)血液回流等途徑升高頭水平動(dòng)脈壓和血流量[17]，表現(xiàn)為耳脈搏波幅迅速升高，但rSO2卻仍持續(xù)降低，至接近GOR2耐力終點(diǎn)時(shí)平均值比+Gz暴露前降低14%。這可能與+Gz加速度暴露影響肺通氣和氣體交換功能，發(fā)生肺換氣效能降低、肺泡無(wú)效腔和功能性動(dòng)-靜脈短路量值增多等現(xiàn)象，導(dǎo)致動(dòng)脈血氧分壓和ScO2降低有關(guān)[1]。因此盡管抗荷動(dòng)作在一定程度上增加大腦血流量，但rSO2仍持續(xù)降低，直至+Gz加速度暴露結(jié)束時(shí)rSO2才恢復(fù)到與+Gz暴露前相近的水平。

本研究發(fā)現(xiàn)雖然rSO2降至最小值與到達(dá)GOR2耐力終點(diǎn)的時(shí)間比較接近(-3～+3 s)，但兩者并非完全同步仍存在個(gè)體差異。rSO2主要代表靜脈血中氧含量，反映的是腦組織氧輸送代謝指標(biāo)；GOR2耐力與受試者做抗荷動(dòng)作時(shí)的肌肉用力大小、方式及呼吸節(jié)奏等有關(guān)，耐力終點(diǎn)的判斷依據(jù)是受試者主觀感覺(jué)周邊燈變暗。因此視網(wǎng)膜與大腦血液循環(huán)障礙出現(xiàn)時(shí)間的差異[18]、+Gz暴露時(shí)腦組織氧代謝水平及抗荷動(dòng)作效果的差異都可能導(dǎo)致視力變化與rSO2最小值出現(xiàn)時(shí)間的不一致性。

對(duì)比耳脈搏和rSO2兩種生理信號(hào)在預(yù)判加速度耐力終點(diǎn)中的應(yīng)用，耳脈搏波形和波幅的快速連續(xù)變化非常適合GOR1耐力終點(diǎn)的預(yù)警，但是在做抗荷動(dòng)作時(shí)波形會(huì)受到干擾無(wú)法預(yù)警GOR2耐力終點(diǎn)。rSO2的波形直至GOR2耐力終點(diǎn)始終不易受干擾更加穩(wěn)定，因此更適合耐力終點(diǎn)的預(yù)警。將來(lái)可以研究建立以略大于rSO2最小值的某個(gè)點(diǎn)作為加速度耐力終點(diǎn)的預(yù)警值。