負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和低壓環(huán)境暴露對(duì)人體吸氧排氮效率的影響

彭遠(yuǎn)開，費(fèi)錦學(xué)，國耀宇，肇 海，劉 鋼，何新星

（中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和低壓環(huán)境暴露對(duì)人體吸氧排氮效率的影響

彭遠(yuǎn)開，費(fèi)錦學(xué)，國耀宇，肇 海，劉 鋼，何新星

（中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

針對(duì)與航天員出艙活動(dòng)吸氧排氮方案關(guān)系重大的負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和低壓環(huán)境對(duì)吸氧排氮的影響問題，以7名健康男性青年（年齡18～22歲，身高173.8±4.2 cm，體重72.3±5.3 kg）為被試，進(jìn)行了19人次實(shí)驗(yàn)；分為安靜對(duì)照組（CN組，7人次，受試者安靜坐位吸純氧3 h）、20 W運(yùn)動(dòng)組（20 W組，6人次，受試者腳踏自行車吸純氧連續(xù)2.5 h，自行車功率設(shè)置為20 W，速率為60 r／min）和3 km低壓組（3 km組，6人次，受試者在低壓艙模擬3 km高度安靜坐位吸純氧3 h）。分別測試和計(jì)算肺通氣量、呼出氣氮濃度、排氮速率和累積排氮量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：與CN組相比，20 W組和3 km組的排氮速率均在吸氧排氮期間前105 min有所增加，部分時(shí)間點(diǎn)增加顯著；20 W組累積排氮量在吸氧排氮前120 min增加顯著，3 km組的累積排氮量在吸氧排氮各時(shí)間段均顯著增加；與3 km組比，20 W組的排氮速率和累積排氮量均無顯著性變化。實(shí)驗(yàn)說明負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和低壓能有效提高吸氧排氮效率。

運(yùn)動(dòng)；低壓；吸氧排氮；出艙活動(dòng)

1 引言

航天員出艙活動(dòng)（Extra-Vehicular Activity，EVA）是載人航天活動(dòng)的重要內(nèi)容之一，在航天器和艙外航天服的壓力制度分別采用常壓和低壓制度的條件下，EVA最大的醫(yī)學(xué)生理問題之一是發(fā)生航天減壓病。減壓病是環(huán)境大氣壓力降低時(shí)，人體組織體液中溶解的氮?dú)獬尸F(xiàn)過飽和狀態(tài)而離析出來形成氣泡引起的一系列癥狀，包括屈肢疼痛、皮膚瘙癢、咳嗽胸痛、肌肉抽搐、視覺障礙，以及呼吸循環(huán)系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀等［1］。出艙活動(dòng)過程中發(fā)生減壓病輕則影響航天員工作效率，重則影響航天員身體健康和生命安全，而吸氧排氮是預(yù)防航天員出艙活動(dòng)減壓病最重要的措施之一。目前，美國和俄羅斯的航天器和艙外航天服均分別采用常壓制和低壓制，為預(yù)防出艙活動(dòng)發(fā)生減壓病，美國和俄羅斯均研究制定了預(yù)防航天減壓病的出艙活動(dòng)吸氧排氮方案［2］，并有效地預(yù)防了航天減壓病發(fā)生，保障了航天員安全和出艙任務(wù)完成。相比而言，美國的出艙活動(dòng)吸氧排氮程序相對(duì)復(fù)雜，吸氧排氮時(shí)間長，出艙活動(dòng)效率低于俄羅斯；而俄羅斯的出艙活動(dòng)吸氧排氮時(shí)間雖然比美國短，但其氮過飽和系數(shù)（R值，環(huán)境減壓前機(jī)體內(nèi)氮分壓與環(huán)境減壓后的環(huán)境壓力）比美國的高，減壓病風(fēng)險(xiǎn)大。針對(duì)目前航天飛行器和艙外航天服分別采取常壓制和低壓制的出艙活動(dòng)減壓病的預(yù)防，研究提高吸氧排氮效率的方法和措施，一方面能在規(guī)定的吸氧排氮時(shí)間內(nèi)更有效地排出體內(nèi)氮成分，有利于預(yù)防減壓病；另一方在確保預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病效果的前提下，可減少吸氧排氮時(shí)間，增加航天員出艙作業(yè)時(shí)間，提高出艙活動(dòng)效率。有關(guān)提高吸氧排氮效率影響因素的研究已有文獻(xiàn)報(bào)道［3-5］，但有關(guān)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和低壓環(huán)境對(duì)人體吸氧排氮效率的定量研究文獻(xiàn)報(bào)道較少，本文通過人體實(shí)驗(yàn)定量研究體力負(fù)荷運(yùn)動(dòng)、低壓環(huán)境對(duì)吸氧排氮量的影響，以期為航天員出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的制定、優(yōu)化和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)參考。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及分組

7名健康男性青年，年齡18～22歲，身高173.8±4.2 cm，體重72.3±5.3 kg，共進(jìn)行19人次實(shí)驗(yàn)。分安靜對(duì)照組（CN組，7人次）、20 W運(yùn)動(dòng)組（20 W組，6人次）和3 km低壓暴露組（3 km組，6人次）。安靜對(duì)照組：受試者安靜坐位戴呼吸面罩吸純氧3 h。20 W組：自行車功量計(jì)功率設(shè)置為20 W，受試者坐在自行車上戴呼吸面罩吸純氧，同時(shí)腳踏自行車（速率為60 r／min）連續(xù)2.5 h。3 km組：受試者在低壓艙模擬3 km高度上（艙內(nèi)壓力為70.1 kPa）安靜坐位戴呼吸面罩吸純氧3 h。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度：22±3℃；

2）相對(duì)濕度：30%RH～70%RH；

3）環(huán)境大氣壓力：CN組、20 W組為本地大氣壓力，3 km組大氣壓力為70.1 kPa。

2.3 測試指標(biāo)

肺通氣量，呼出氣氮濃度，主訴癥狀。

2.4 測試儀器和設(shè)備

1）DMP-04型氮氧分析儀（大連化學(xué)物理研究所），最小測量濃度為50 ppm，儀器精度為0.01%；

2）生理信號(hào)采集分析系統(tǒng)（澳大利亞，Powerlab 8 s／w，呼吸流量傳感器），測定的流量精度為5%；

3）醫(yī)用純氧（氧濃度99.95%～99.99%）；4）供氧面罩，自行車功量儀（日本），低壓艙等。

2.5 實(shí)驗(yàn)流程

2.5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)過程中，醫(yī)用氧經(jīng)氧氣減壓器減壓后經(jīng)過流量計(jì)控制氧流量，氧氣流入吸入氣緩沖袋（實(shí)驗(yàn)中保持氣袋呈充盈狀態(tài)），再經(jīng)管道流入受試者呼吸面罩內(nèi)。受試者呼出的氣體通過管道上的Powerlab呼吸流速儀傳感器后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，呼出氣體通過管道上的三通閥門，或流出呼吸管道外，或流入Douglas袋中用于采樣分析。

2.5.2 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)測試前用醫(yī)用氧沖洗實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)和氣體樣品收集袋，使實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)和氣體樣品收集袋內(nèi)氮濃度不高于醫(yī)用氧本底氮濃度，之后各組的實(shí)驗(yàn)程序如下：

1）CN組：受試者取坐位，戴好呼吸面罩，連接好實(shí)驗(yàn)管道，吸純氧3 h。前5 min呼出氣體排出呼吸管道外，從第5 min開始收集呼出氣體2 min，以后每隔3 min收集呼出氣體2 min，用于呼出氣氮濃度的分析。

2）20 W組：受試者坐在自行車功量計(jì)上（自行車功率設(shè)定為20 W，速度設(shè)定為60 r／min），戴好呼吸面罩，連接好實(shí)驗(yàn)管道，連續(xù)腳踏自行車功量計(jì)并吸純氧2.5 h。呼出氣體的收集采樣等步驟與CN組一致。

3）3 km組：受試者在低壓艙內(nèi)取坐位，戴好呼吸面罩吸低壓艙內(nèi)空氣，低壓艙以20 m／s的速度上升到3 km高度后，呼吸面罩接上實(shí)驗(yàn)管道開始吸純氧3 h。呼出氣體的收集采樣等步驟與CN組一致，吸氧結(jié)束后，低壓艙以（15～5）m／s的速度下降到地面。

2.5.3 指標(biāo)測試

1）肺通氣量：通過生理信號(hào)采集分析系統(tǒng)連續(xù)測量肺通氣量，每5 min記錄1次肺通氣量數(shù)據(jù)；

2）呼出氣體氮?dú)鉂舛龋好? min用采樣器從氣體采樣袋內(nèi)取樣2份（其中1份樣用于沖洗DMP-04型氮氧分析儀測量管道系統(tǒng)），通過DMP-04型氮氧分析儀分析不同測試點(diǎn)的呼出氣氮濃度。

2.6 數(shù)據(jù)處理

2.6.1 吸氧排氮速率計(jì)算

根據(jù)各測試點(diǎn)所測量的肺通氣量（L／min，STPD）和呼出氣氮濃度（ppm），每5 min計(jì)算受試者不同測試點(diǎn)的排氮速率（mL／min）。

2.6.2 累積吸氧排氮量的計(jì)算

根據(jù)每名受試者不同測試點(diǎn)的排氮速率，分別建立各受試者吸氧排氮速率與吸氧時(shí)間的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行定積分，計(jì)算出每名受試者在30 min、60 min、90 min、120 min、150 min和180 min測試點(diǎn)的累積排氮量（其中吸氧排氮期間的前5 min中排出的氮?dú)舛酁榉尾拷M織的，未進(jìn)行累積計(jì)算），再統(tǒng)計(jì)各組在以上各測試點(diǎn)的累積值。

2.6.3 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以mean±SD表示，采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，各組間采用組間T檢驗(yàn)。

3 結(jié)果

3.1 受試者一般情況

各實(shí)驗(yàn)組受試者按照實(shí)驗(yàn)要求完成吸氧排氮程序，實(shí)驗(yàn)期間受試者感覺良好，無明顯不適感。

3.2 肺通氣量和呼出氣體氮濃度

各實(shí)驗(yàn)組肺通氣量隨時(shí)間變化的結(jié)果如圖2，各實(shí)驗(yàn)組肺通氣量隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間變化的幅度不大。與對(duì)照組相比，3 km組的肺通氣量在各時(shí)間點(diǎn)均顯著降低（P＜0.05），20 W組的肺通氣量在各時(shí)間點(diǎn)均顯著增加（P＜0.05）；與3 km組相比，20 W組的肺通氣量顯著增加（P＜0.05）。

各實(shí)驗(yàn)組呼出氣氮濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間變化的結(jié)果如圖3，各實(shí)驗(yàn)組氮濃度隨時(shí)間變化的趨勢一致，氮濃度在前10～20 min呈大幅度迅速下降，之后以小幅度緩慢下降。與對(duì)照組比，20 W組氮濃度在各實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)均顯著降低（P＜0.05），3 km組氮濃度在各實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)均顯著增加（P＜0.05）；與3 km組相比，20 W組的呼出氣氮濃度在各實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)均顯著降低（P＜0.05）。

3.3 吸氧排氮速率

各實(shí)驗(yàn)組吸氧排氮速率隨時(shí)間的變化如圖4，各組吸氧排氮速率變化趨勢一致，排氮速率在前10～20 min以較大幅度下降，之后以較小的輻度波動(dòng)并持續(xù)下降。與CN組相比，20 W組的排氮速率在吸氧排氮過程前105 min增加明顯，其中在吸氧排氮第5 min、15 min、25 min、30 min和105 min排氮速率增加有顯著性差異（P＜0.05），之后排氮速率變化不明顯；3 km組的排氮速率在吸氧排氮的前105 min增加明顯，其中吸氧排氮第10 min、20 min、50 min、60 min和105 min排氮速率增加有顯著性差異（P＜0.05），之后排氮速率變化不明顯。與3 km組比，20 W組的各時(shí)間段吸氧排氮速率無顯著性變化。

3.4 吸氧累積排氮量

各實(shí)驗(yàn)組在不同時(shí)間段的吸氧累積排氮量如圖5所示，隨吸氧排氮時(shí)間增加而增加，前期增加明顯，后期增加緩慢。與CN組相比，20 W組在吸氧排氮30 min、60 min、90 min和120 min的吸氧累積排氮量顯著增加（P＜0.05），之后的其它時(shí)間段的累積排氮量增加不顯著；3 km組在吸氧排氮各時(shí)間段的累積排氮量均顯著增加（其中吸氧排氮30 min和60 min排氮累積量增加非常顯著，P＜0.01；其它吸氧排氮時(shí)間點(diǎn)的累積排氮量有顯著性差異，P＜0.05）。與3 km組比，20 W組的各測試點(diǎn)的累積排氮量均無顯著性變。

4 討論

4.1 負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和低壓暴露對(duì)吸氧排氮影響

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示各實(shí)驗(yàn)組呼出氣氮濃度和排氮速率在吸氧排氮期間前10～20 min大幅度降低，之后降低緩慢，最后在低水平上小幅度波動(dòng)性降低；而累積排氮量則在吸氧排氮早期明顯增加，后期緩慢增加，這些指標(biāo)變化符合人體吸氧排氮規(guī)律［6］。與對(duì)照組相比，20 W組和3 km組的吸氧排氮速率和累積排氮量在吸氧排氮前期顯著增加，說明20 W負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和3 km低壓環(huán)境能提高人體的吸氧排氮效率。負(fù)荷運(yùn)動(dòng)使機(jī)體心輸出量、組織血灌流量和肺通氣量增加，從而增加機(jī)體組織內(nèi)氮排出量［6-8］，Webb等［9-10］觀察到吸氧排氮期間運(yùn)動(dòng)能使高空暴露減壓病的發(fā)病率顯著降低，間接證明吸氧排氮期間的負(fù)荷運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)機(jī)體排氮。低壓環(huán)境提高人體吸氧排氮效率主要在于低壓排氮效應(yīng)，當(dāng)環(huán)境壓力下降時(shí)，機(jī)體組織內(nèi)的氮?dú)鈿怏w壓力與減壓后的環(huán)境大氣氮?dú)鈮毫Υ嬖趬翰睿@種壓差驅(qū)動(dòng)機(jī)體內(nèi)的氮成分不斷排出體外，從而加快吸氧排氮時(shí)體內(nèi)氮成分的排出。

在本實(shí)驗(yàn)觀察到的20 W組的呼出氣氮濃度降低是由于運(yùn)動(dòng)時(shí)肺通氣量大幅增加在一定程度上稀釋了呼出氣氮濃度；而3 km組的呼出氣體氮濃度升高主要與低壓環(huán)境促使機(jī)體排出氮?dú)庠黾樱约暗蛪涵h(huán)境下人體肺通氣量減小導(dǎo)致呼出氣氮?dú)鉂舛葷饪s有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示20 W和3 km提高吸氧排氮效率主要發(fā)生在吸氧排氮前期，提示應(yīng)用運(yùn)動(dòng)和低壓環(huán)境因素提高吸氧排氮效率時(shí)，盡可能在吸氧排氮前期實(shí)施。

4.2 運(yùn)動(dòng)和低壓在出艙活動(dòng)吸氧排氮中的應(yīng)用

提高吸氧排氮效率的方法和措施若要在航天員出艙活動(dòng)中應(yīng)用，除了能提高出艙活動(dòng)吸氧排氮效率外，還不能對(duì)航天員產(chǎn)不良的心理和生理影響。對(duì)于負(fù)荷運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用，合理選擇負(fù)荷運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)時(shí)間非常重要，負(fù)荷運(yùn)動(dòng)量過大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間過長除可能引起人體身體疲勞（包括人體心理和生理不適）外，還可能使機(jī)體組織產(chǎn)生氣核［11］，不利于后續(xù)出艙活動(dòng)航天員保持良好的身體狀態(tài)和出艙活動(dòng)減壓病防護(hù)；而運(yùn)動(dòng)負(fù)荷過小，因機(jī)體的呼吸循環(huán)系統(tǒng)功能代償較小，提高吸氧排氮效率有限。本實(shí)驗(yàn)觀察到20 W負(fù)荷運(yùn)動(dòng)提高吸氧排氮效率明顯，受試者沒有不良心理和生理反應(yīng)，這表明20 W負(fù)荷運(yùn)動(dòng)可應(yīng)用于出艙活動(dòng)吸氧排氮方案中，但20 W是否為最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷量，以及運(yùn)動(dòng)時(shí)間多長最為合適需進(jìn)一步研究。對(duì)于低壓因素的應(yīng)用，選擇環(huán)境壓力的高低至關(guān)重要，低壓環(huán)境壓力過高，會(huì)使環(huán)境大氣的氮?dú)鈮毫εc體內(nèi)組織氮?dú)鈮毫Φ膲翰钭兓淮螅涞蛪号诺?yīng)有限；而環(huán)境壓力過低本身就有產(chǎn)生減壓氣泡的可能，不利于機(jī)體內(nèi)的氮?dú)馀懦觯踔猎诔雠摶顒?dòng)前就可能引起減壓病；有文獻(xiàn)報(bào)道環(huán)境減壓后的R值不大于1.22不發(fā)生減壓病［12］，根據(jù)公式［6］計(jì)算，不吸氧排氮人體從海平面1個(gè)大氣壓上升到3 km的R值約為1.1，這表明人體在3 km低壓環(huán)境進(jìn)行吸氧排氮是安全的，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)3 km低壓環(huán)境有效提高吸氧排氮效率，對(duì)人體無明顯心理和生理反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及目前美國和俄羅斯吸氧排氮方案中采用3 km低壓環(huán)境［1］，可以說明3 km低壓環(huán)境應(yīng)用于出艙活動(dòng)吸氧排氮中是可行的。

5 結(jié)論

20 W負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和3 km低壓暴露能加快人體吸氧排氮速率，增加累積排氮量，有效提高吸氧排氮效率，且對(duì)人體生理無明顯的不良影響，在出艙活動(dòng)吸氧排氮方案中有一定的應(yīng)用前景。學(xué)科學(xué)出版社，2015：125-140.XIAO Huajun.Applied Physiology of Aviation Oxygen Protective Equipment［M］.Beijing：Military Medical Science Press，2015：125-140.（in Chinese）

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

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Effects of Exercise and Hypobaric Exposure on Efficiency of Pre-oxygenation in Human

PENG Yuankai，F(xiàn)EI Jinxue，GUO Yaoyu，ZHAO Hai，LIU Gang，HE Xinxing

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

To study the relationship between the pre-oxygenation Protocols of the astronaut extravehicular activity（EVA）and the effects of exercise and low pressure on the efficiency of pre-oxygenation，7 healthy young male（aged 18-22 years old，height 173.8±4.2 cm，body weight 72.3±5.3 kg）were arranged to participate 19 experiments.The experiments were divided into three groups：the control group（7 subjects were asked to sit quietly and breath 100%O2for 3 h），20 W exercise group（6 subjects were asked to pedal the bicycle ergometer at 60 r／min-20 W and breath 100%O2for 2.5 h），and 3 km low pressure group（6 subjects were asked to sit quietly and breath 100%O2for 3 h at simulated 3 km altitude in the hypobaric chamber）.The pulmonary ventilation，the exhaled nitrogen concentration，the nitrogen expiration rate and the cumulative nitrogen expiration were measured and calculated.The results showed that as compared with the control group，the nitrogen expiration rate in 20 W exercise group and 3 km low pressure group increased for the first 105 min of pre-oxygenation and increased significantly at some time points of this period；while the cumulative nitrogen expiration increased significantly in 20 W exercise group in the first 120 min of pre-oxygenation and for 3 km low pressure group increased significantly for the whole pre-oxygenation period.Compared with 3 km low pressure group，the nitrogen expiration rate and the cumulative nitrogen expiration of each test point in 20 W exercise group showed no significant change.The test shows that exercise and low pressure can effectively increase the nitrogen expiration efficiency during breathing 100%O2in human.

exercise；low pressure；pre-oxygenation；extravehicular activity

R852.16

A

1674-5825（2017）06-0819-05

2017-05-05；

2017-09-27

載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（01100308）

彭遠(yuǎn)開，男，碩士，研究員，研究方向?yàn)楹教飙h(huán)境醫(yī)學(xué)。E-mail：ykpeng507＠aliyun.com