登月返回再入人體臥姿和躺姿超重生理效應(yīng)研究

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.中國航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094;3.江蘇大學(xué)機械工程學(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]對不同背角(17°～35°)進(jìn)行了人體加速度耐力實驗,結(jié)果表明,合理的人體背角有助于提升加速度過載耐受峰值和延長耐受持續(xù)時間。薛月英等[6]對體縱軸與超重方向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,由動脈系統(tǒng)升壓反射為主向以心臟活動抑制現(xiàn)象為主的方向改變。Burns[7]對座椅后傾13°～75°時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[8-9],但對人機功效影響較大,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再入過載耐受力的最重要因素,其在臥姿時受到的作用力大于躺姿。劉炳坤等[16]以類阿波羅返回過載曲線為輸入仿真人體的動態(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,通過載人離心機模擬Apollo10 過載環(huán)境,開展了人體臥姿和躺姿加速度動態(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,假人合加速度動態(tài)響應(yīng)與輸入過載曲線變化趨勢基本一致[17-19]。

然而臥姿和躺姿對人體在超重過載下的生理影響存在多大差異,目前尚不清楚。同時,針對月地返回再入,航天員承受的加速度過載峰值及持續(xù)時間均超過近地軌道返回的過載[20-21],對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。

本文開展人體超重實驗,利用載人離心機模擬跳躍式再入超重過載環(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)計提供參考,同時為載人登月再入加速度安全性評估與防護(hù)設(shè)計提供依據(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。實驗前志愿者進(jìn)行體檢篩選,均身體健康。實驗結(jié)束后,再對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驗內(nèi)容并簽署知情同意書。實驗在中國航天員科研訓(xùn)練中心完成,并經(jīng)過中國航天員科研訓(xùn)練中心醫(yī)學(xué)倫理委員會審核批準(zhǔn)。

2.2 實驗設(shè)備和監(jiān)測指標(biāo)

依托中國航天員科研訓(xùn)練中心98 型載人離心機提供跳躍式加速度過載環(huán)境。該離心機半徑為8 m,臂架端連接一個可擺動的吊艙,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],實驗后對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。

在實驗中,受試者如出現(xiàn)下列情況之一者,應(yīng)中止實驗: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,載人離心機旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)頻發(fā)早搏,或多源性早搏,或其他嚴(yán)重心律失常;受試者感覺嚴(yán)重不適主動要求中止實驗。

2.3 過載環(huán)境設(shè)計

將Apollo 10 再入過載作為過載環(huán)境設(shè)計依據(jù)。Apollo 10 返回再入時經(jīng)歷2 次峰值,第1 次再入過載峰值約為6.7 G,在大氣層內(nèi)跳躍后第2次過載峰值約4.5 G。為模擬再入返回人體姿態(tài)對加速度過載響應(yīng)并保證志愿者安全,按照Apollo 10 號再入曲線加速度變化規(guī)律,設(shè)計峰值加速度3 G 和5 G 兩組過載曲線(圖1),并保持雙峰脈寬及總時間一致(400 s),代表再入模擬實驗的中、低量級過載環(huán)境。由于載人離心機吊艙可測量并受控的Gx向加速度信號需大于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,因此向離心機輸入過載曲線時,低于1.4 G 的部分調(diào)整為1.4 G。

圖1 過載曲線Fig.1 Acceleration load curve

2.4 實驗方法

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 種工況實驗。每次實驗后對志愿者進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查,每名志愿者兩次測試間隔時間不小于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)符合實驗要求后,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)。利用座椅上的多點式安全帶和束腿對志愿者軀干、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)符合實驗要求后,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)。利用座椅上的多點式安全帶和束腿對志愿者軀干、腿部進(jìn)行有效約束,同時利用束縛帶對腳部進(jìn)行固定。按照過載峰值由低到高的順序進(jìn)行實驗。

2.5 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS19 軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,數(shù)值采用ˉx ±s表示。同一工況下不同時刻的心率、血氧飽和度采用重復(fù)測量方差分析,采用LSD 檢驗進(jìn)行兩兩比較。同一工況實驗前后的血壓采用配對t檢驗;不同工況下相同時刻生理參數(shù)相對于實驗前的變化量采用配對t檢驗。P＜0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(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)的全部超重實驗。志愿者出現(xiàn)的不適癥狀均在實驗后恢復(fù)正常。

3.1 心率

4 種工況不同測量時間點人體的心率見圖3。對同一工況下心率在不同時間點的成對比較,顯著性差異見表1。峰值3 G 過載,志愿者心率隨著加速度增加而升高,在超重過載第1 峰時心率達(dá)到最大,過載停止后心率逐漸恢復(fù)到實驗前狀態(tài),躺姿狀態(tài)心率沒有顯著性變化。峰值5 G 過載,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,臥姿峰值心率相對實驗前差異極顯著,躺姿心率相對于實驗前沒有顯著性差異。

表1 心率在不同時間點的成對比較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

各工況在峰值時心率相對實驗前的變化值見圖4,并對臥姿和躺姿工況間心率變化值進(jìn)行差異性分析。對比志愿者在第一峰、第二峰相對實驗前的心率變化,臥姿狀態(tài)高于躺姿狀態(tài),且在5 G 過載下具有顯著性差異。

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

3.2 血壓

分別在實驗前和過載停止后,測量志愿者的血壓,見表2。實驗前,躺姿收縮壓(Systolic Blood Pressure, SBP)和舒張壓(Diastolic Blood Pressure, DBP)高于臥姿,實驗后仍存在這一趨勢。同一工況下,實驗前、后的收縮壓和舒張壓沒有明顯變化(P＞0.05);不同工況間,實驗后血壓的變化值不存在顯著性差異(P＞0.05)。

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

3.3 血氧飽和度

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

表3 血氧飽和度在不同時間點的成對比較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

各工況在峰值時相對實驗前血氧飽和度的變化值(△SpO2)見圖6。對比相同過載峰值不同姿態(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 過載第一峰時具有顯著性差異。

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

3.4 主觀評價

針對不同加速度過載峰值和不同實驗姿態(tài)的4 種工況,每名志愿者都填寫了主觀感受調(diào)查。對主要的不適感受進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(表4)。3 G 峰值過載,志愿者無明顯不適。5 G 峰值過載,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,實驗后均恢復(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)的壓迫感比臥姿時減輕,1 名志愿者表示臥姿狀態(tài)的壓迫感比躺姿時減輕,2 名志愿者表示2 種姿態(tài)無明顯差別。

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載(+Gx)作用。對人體的生理效應(yīng)主要體現(xiàn)在對心血管、呼吸系統(tǒng)方面的影響。在心血管方面,主要通過血液重新分布、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動,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受到血管內(nèi)流體靜力梯度的影響[24]。因此,加速度過載下通氣與血流灌注的不均一性導(dǎo)致動脈低氧血癥,出現(xiàn)缺氧的一系列生理變化。實驗過載沒有對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體可能會在2.5Gz時出現(xiàn)視覺癥狀[25]。

實驗結(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,影響頭部水平動脈壓的維持。人體內(nèi)的頸動脈竇、主動脈弓壓力等壓力感受器對壓力變化十分敏感,它們通過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,血管樹內(nèi)的各點的靜水壓差很小。同時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)下可能會對心臟功能產(chǎn)生明顯影響[16]。本文實驗結(jié)果表明,臥姿狀態(tài)可能會增大心臟負(fù)擔(dān),與前期研究結(jié)果一致[16]。峰值5 G 的過載,2 種姿態(tài)間的心率變化差異極其顯著。頭對心臟的靜水壓效應(yīng)對+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,吸氣費力、吸氣時間延長等現(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,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 過載,組間第一峰時臥姿血氧降低明顯高于躺姿。隨著過載值的增大,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)果表明在中低過載下,臥姿血氧飽和度下降有高于躺姿的趨勢。

實驗前,躺姿血壓高于臥姿。實驗前后血壓均在心臟水平位置測得,因此靜水壓效應(yīng)對測得血壓基本不存在影響。推斷實驗前躺姿狀態(tài)血壓高于臥姿狀態(tài)是由于躺姿回心血量增加造成。實驗過程中,加速度相對人體方向不變,主要沿矢狀軸,沿垂直軸的分量較小,對動脈壓力感受器和前庭-血壓調(diào)節(jié)刺激較小。實驗量級較低,實驗后血壓調(diào)節(jié)功能不變,因此血壓沒有明顯變化。

綜合對比臥姿和躺姿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加速度過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較小[20]。膈肌的位移和擠壓受力是影響人體返回過載的重要因素,相對其他器官而言,膈肌在臥姿時所受的力比在躺姿大,因此建議選擇躺姿[19]?？傮w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,開展了加速度峰值為3 G 和5 G 的過載實驗。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)行量級更高的實驗研究。

5 結(jié)論

本文利用離心機模擬跳躍式再入過載環(huán)境,探討了臥姿和躺姿2 種人體姿態(tài)對人體生理效應(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 的月地返回再入過載且無強烈不適。

2)峰值為3 G/5 G 的過載對人體呼吸和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生影響,隨著過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)間的心率差異隨過載峰值的增大而增大,血氧飽和度差異隨過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,過載防護(hù)設(shè)置建議優(yōu)先選擇躺姿。