高壓氧預處理對加速度耐力不良飛行員下體負壓耐力的影響

馬夢雨,劉紅巾

(1.河北北方學院,張家口 075000; 2.空軍特色醫學中心全軍臨床航空醫學中心,北京 100142)

1 引言

隨著空軍戰機快速換代以及飛行方式與作戰樣式的轉變,加速度負荷不斷提高,當飛行中加速度驟變時,最高可達9 G 甚至更高,可能引起加速度灰視、黑視甚至加速度暈厥(G-induced Loss of Consciousness,G-LOC),這些都是威脅飛行安全的重要因素[1-2]。在載人航天飛行中,航天器發射和返回階段均會產生超重現象,使航天員受到胸背向慣性力作用,承受+Gx過載[3]。因此,科學有效地提升飛行員加速度耐力和航天員超重耐力是航空航天醫學領域重點關注的問題。

離心機既是檢測飛行員加速度耐力的標準設備,也是加速度耐力的訓練設備。姚永杰等[4]研究表明,下體負壓耐力(Lower Body Negative Pressure,LBNP)與離心機+Gz的生物學效應相似,即LBNP 時血液重新分配,引起頭部血壓下降和供血不足。坐位-6.67 kPa 下體負壓可以模擬+(2～3)Gz對人體心血管功能的影響[5]。因此,下體負壓耐力可以反映加速度耐力。下體負壓艙設備小巧,便于操作,可用于加速度耐力初步檢測及加速度耐力訓練,同時也可用于飛行員和航天員立位耐力選拔與評價[6]。

孫喜慶等[7]研究表明,高壓氧預處理(Hyperbaric Oxygen Preconditioning,HBOP)可改善心血管血流動力學,提高飛行員的立位耐力,而立位耐力與加速度耐力密切相關;謝秋幼等[8]、楊長斌等[9]研究發現,在應激狀態下,人體接受HBOP后心率變異性會發生改變,進而影響自主神經功能,提高人體的直立位耐力,該結果提示HBOP可能對不明原因的暈厥具有一定的保護作用。Richard 等[10]研究表明,在水下浸潤時呼吸高壓氧可能會增強水下浸潤后對立位耐力的心血管補償反應。暴露于吸入高壓氧的狀態下,可能對脈管系統和自主神經系統產生直接和間接的影響,增強水下浸潤后對立位耐力的心血管代償反應。Ishihara 等[11]及Al-Waili 等[12]研究發現,HBOP可以使血壓(Blood Pressure,BP)明顯升高、心率(Heart Rate,HR)明顯下降。劉葉等[13]研究表明HBOP 能夠有效提高正常飛行員的下體負壓耐力。隨著飛行任務強度增大,飛行人員腦力、體力負荷也會隨之增加,疲勞也成為一種導致飛行事故的因素,在疲勞狀態下易導致視覺敏銳度下降及A-LOC(Almost Loss of Consciousness)、G-LOC等的發生[13]。HBOP 可以促進機體各組織、細胞的氧張力,能夠有利于乳酸(Blood Lactic Acid,BLA)、氫離子、CO2等酸性產物的代謝清除,減輕疲勞程度,促進恢復、提高機體的耐力[15-16]。低氧引起的機體應激,會通過HPA(Hypothalamic-Pituitary-Adrenal)軸產生一系列神經內分泌反應,從而對各重要臟器功能產生影響[17]。HBOP 可以提高機體血漿多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素和促腎上腺皮質激素(Adrenal Corticotropic Hormone,ACTH)的表達水平,從而加快機體內環境建立新的平衡以適應急性低氧環境[18]。

本文將探討高壓氧預處理對加速度耐力不良飛行員下體負壓耐力的改善情況,利用下體負壓艙檢測下體負壓耐力,并通過離心機檢測加速度耐力加以驗證;通過血壓、心率、乳酸、氫離子濃度、二氧化碳分壓(Partial Pressure of Carbon Dioxide,PCO2)、氧分壓(Partial Pressure of Oxygen,PO2)以及促腎上腺皮質激素等指標研究高壓氧預處理對人體的影響。本文研究結果對航天環境航天員的超重耐力及立位耐力不良的改善也具有參考價值。

2 方法

2.1 受試者

選取2021年2～7月在空軍特色醫學中心體檢出的加速度耐力不良(+Gz耐力＜4.0 G/10 s)殲擊機飛行員30 名,男性,年齡(26.26±4.20)歲,身高(174.39±2.40)cm,體重(67.84±5.35)kg,飛行時間(650.19±510.77)h。無基礎疾病及遺傳病史,均通過飛行體檢,如平板運動試驗、心臟超聲、全脊柱X 線和心理測評等,且日常堅持體能訓練。所有受試者被告知研究內容及可能存在的技術風險,并簽署知情同意書。實驗獲空軍特色醫學中心倫理委員會批準。

2.2 高壓氧預處理

實驗在解放軍總醫院YC3800J-X 高壓氧艙(煙臺冰輪高壓氧艙有限公司)進行高壓氧預處理。HBOP 的安全壓力窗為1.5～3.0 絕對大氣壓(Atmosphaera Absolutus,ATA),而2.0 ATA 和2.5 ATA 是較合適的壓力條件,壓力太低達不到HBOP 效果[19]。

采用多人氧艙、連續3 d 進行HBOP 的方案。受試者進艙封閉艙門后,10 min 內氣壓升至2.5 ATA,穩壓65 min,期間包括2 次吸氧:戴氧氣面罩吸入純氧30 min,停止吸氧5 min,再次戴氧氣面罩吸入純氧30 min;之后在10 min 內減壓至1.3 ATA,并停留5 min,繼續減壓5 min 至常壓1 ATA 后結束,受試者出艙。進艙時間共計95 min,每日1 次,實驗時間固定在每天14:30～16:15,連續3 d。

HBOP 前、后測量下體負壓耐力、離心機加速度耐力及各項血液指標。

2.3 下體負壓耐力測試

下體負壓耐力測試可用于檢查和預測飛行員的+Gz耐力。受試者自然坐于XF-2008 下體負壓艙(煙臺冰輪高壓氧艙有限公司),其髂棘連線以下置于艙內,密封圈充氣膨脹,并將其密封在艙口出入口邊緣,以保證艙內的密封性能。采用階梯式遞增方案增加LBNP 負荷量: - 20 mmHg(1 min)→- 30 mmHg (3 min)→- 40 mmHg(5 min)→- 50 mmHg (7 min)→ - 70 mmHg(9 min)→ -80 mmHg(11 min)等。測試過程中,詢問、密切觀察受試者的主觀感受和體征,同時采用PM-800Express 邁瑞監護儀監測受試者心率、血壓、呼吸等變化。當到達耐力終點時,迅速解除下體負壓儀內的負壓,結束實驗。

耐力終止指標為以下任一項: ①血壓突然降至 90/60 mmHg 以下; ②心率突然下降15 次,或低于60 次/min; ③受試者主訴頭暈心慌、胸悶惡心,出現面色蒼白、發紺等體征。

2.4 加速度耐力測試

離心機測試的頭足向正加速度耐力(+Gz耐力)是影響飛行安全的最主要因素之一,本文加速度耐力即指+Gz耐力。離心機為空軍特色醫學中心AMST-HC-4E 型載人離心機(奧地利AMST 技術公司),主臂長8. 0 m,可產生三軸向加速度:前后向載荷為-10 ～ +10 Gx,側向載荷為-6 ～ +6 Gy,縱向載荷為- 5 ～+15 Gz,最大+Gz增長率為10 G/s。座艙內裝有1 個紅色中央燈和2 個白色周邊燈,用于判斷受試者的視覺變化。通過空軍特色醫學中心研制的耳脈搏傳感器記錄耳脈搏信號波幅變化,實時檢測受試者的腦部供血情況。抗荷供氧裝備包括:TK-X 保護頭盔、YM-X 加壓供氧面罩、KH-X 抗荷服、KT-X 抗調器、YX-X 氧氣系統。氧氣氣源壓力為1 MPa。

加速度耐力在HBOP 之前、后測試。在離心機上分別行+2 Gz,+3 Gz,+4 Gz測試,G 值增長率為3 G/s,載荷持續時間10 s,實驗在當天上午8:30～11:00 進行。

以飛行員周邊視力喪失 (Peripheral Light Loss,PLL)或耳脈搏波幅度下降75%以上或受試者因為各種原因無法繼續實驗作為耐力終止指標。

2.5 研究指標

采用受試者自身高壓氧預處理前后對照,測量高壓氧預處理前、后下體負壓耐力、離心機加速度耐力、各項血液指標等。下體負壓耐力指標包括:下體負壓耐力耐受時間及累積應激指數;血流動力學指標包括:血壓、心率;靜脈血指標:BLA、氫離子濃度、PCO2、PO2、ACTH。離心機通過率為離心機測試(4.0 G/10 s)通過人數與參加離心機測試的總人數的比值。

累積應激指數CSI[13]用來反應LBNP 水平,計算方法見式(1):

其中,N為受試者人數,Pi為負壓水平,單位mmHg,ti為各負壓水平的耐受時間,單位min,負壓水平范圍為-80～-20 mmHg,負壓水平耐受時間為0～11 min。

正常促腎上腺皮質激素的分泌存在晝夜節律性,早晨高,下午和晚上低,本次實驗統一設定抽血時間為上午8:00 以控制實驗變量,共采血2次: ①實驗第1 天,每位受試者HBOP 前于基礎狀態下(實驗當天上午8:00)抽取肘部靜脈血2 mL,離心取血清,由空軍特色醫學中心檢驗科完成HBOP 前乳酸、氫離子濃度、PCO2、PO2、促腎上腺皮質激素含量的檢測; ②最后1 次吸氧結束后,于次日8:00 再次抽取靜脈血,檢測相應生理指標。

2.6 統計分析

實驗數據采用SPSS25. 0 進行統計學分析,以平均數±標準差(±s)表示。本次實驗數據符合正態分布,經正態性檢驗的實驗數據比較采用配對t檢驗,P＜0. 05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

3 次HBOP 后,對受試者下體負壓耐力、血流動力學及血液指標的影響見表1。由表1 可以看出,負壓水平耐受時間HBOP 前為15.37 min,HBOP 后增加了5.11 min,有顯著性改變,累積應激指數HBOP 前為-856.13 min·mmHg,HBOP 后減少了-381 min·mmHg,受試者在吸氧后累積應激指數顯著性增加(P＜0.001),說明下體負壓耐力明顯提高。

HBOP 前,30 名加速度耐力不良飛行員在離心機測試(4.0 G/10 s)均未通過,HBOP 后,有28名順利通過測試,剩余2 人中的1 人因跟腱受傷未參加離心機測試,1 人未通過。

由表1 可以看出,3 次HBOP 后受試者舒張壓顯著升高(P＜0.01),心率顯著減慢(P＜0.05),實驗具有統計學意義;收縮壓在HBOP 前后無顯著性差別;3 次HBOP 后,受試者乳酸、氫離子濃度、PCO2顯著降低,PO2顯著升高(P＜0.05)。HBOP 前促腎上腺皮質激素為48.31 pmol/L,HBOP 后下降2.44 pmol/L,但不具顯著性(P＞0.05)。

表1 HBOP 對下體負壓耐力、血流動力學及血液指標的影響(±s,n=30)Table 1 Effects of HBOP on lower body negative pressure endurance,hemodynamics and blood parameters(±s,n=30)

表1 HBOP 對下體負壓耐力、血流動力學及血液指標的影響(±s,n=30)Table 1 Effects of HBOP on lower body negative pressure endurance,hemodynamics and blood parameters(±s,n=30)

指標HBOP 前HBOP 后tP下體負壓耐耐受時間/min15.37±3.7320.48±4.617.750.001累積應激指數/(min·mmHg)-856.13±273.76-1237.42±385.5011.20.001收縮壓/mmHg110.84±8.77109.19±6.940.930.360舒張壓/mmHg71.06±6.1175.55±7.09-3.2520.003心率/(beat/min)64.97±8.6856.74±7.615.4930.032乳酸/(mmol/L)2.66±1.382.13±0.702.1860.037氫離子(nmol/L)50.15±4.6747.79±3.322.620.014二氧化碳分壓/mmHg56.59±7.0253.77±5.932.1880.037氧分壓/mmHg51.69±24.4063.06±28.08-2.420.022促腎上腺皮質激素/(pmol/L)48.31±21.3045.87±14.360.6540.518

4 討論

本文結果可以看出,經過HBOP 之后,加速度耐力不良飛行員下體負壓耐力顯著提高,并利用離心機測試加以驗證,93.3%的加速度耐力不良(+Gz耐力＜4.0 G/10 s)飛行員在離心機測試中已達標。其中未通過離心機測試的一名飛行員,十年前曾有過熱射病病史,雖目前身體健康,但加速度耐力仍未達標,后續將跟進對飛行員加速度耐力的訓練。

4.1 HBOP 對加速度耐力不良飛行員血流動力學的影響

本文結果顯示,HBOP 提高了加速度耐力不良飛行員的舒張壓,減緩了心率,提高了組織氧含量和儲氧量,對組織的缺氧起著十分重要的保護作用。

Lund 等[20]研究表明,HBOP 可以增加動脈壓力和降低心率,這與本文研究結果一致。高壓氧能明顯改善血流動力學,降低血液粘稠度,其作用機制如下[21]:①HBOP 可促進氧氣進入組織,治療由于細胞水腫引起的局部組織缺氧;②由于經過了HBOP 處理,CO2發生潴留,機體反射性的使腦血流局部擴張,以增加腦部組織的血流量;③若出現局部缺氧,HBOP 能引導血液流向最需要氧氣輸送的地方,遠離非重要的區域,以進一步增強微循環功能。本文HBOP 實驗,對于加速度耐力不良飛行員而言,使周圍阻力在一定時間內減輕,血液黏度降低,有效血容量增加,糾正了機體的氧供情況,使心臟功能、血流動力學及體液循環得到改善。

吳霄楊[22]、李寧等[23]研究認為,健康人在3 ATA 氧壓下,總血管阻力增加50%以上,可導致舒張壓升高。HBO 治療能夠減慢心率,可能是由于頸動脈竇和主動脈弓的化學感受器和壓力感受器受到了高濃度血氧和血管內壓力升高的刺激,從而反射性地使心率減慢[24]。飛行員在高空飛行時氧氣含量降低,進而組織的紅細胞增多,血液變粘稠,流速減慢,使得血流動力學的脈率、全血黏度、微循環半更新時間上升,而每搏量、平均動脈壓及有效血容量下降。本文實驗結果表明,HBOP 能促使心臟表現出機能節省化跡象,舒張壓升高被認為是對HBOP 期間極端高氧血癥的保護性平衡反應,而心率減緩是由于人體NO 濃度在HBOP 期間明顯下降,直接使其作用于竇房結自律性細胞中,以上血流動力學的改變都有利于延長體力負荷的持續時間,增強本體運動能力,從而提高下體負壓耐力。空間飛行后,航天員超重耐力和立位耐力變差,有更多血液潴留在下肢,從而增加心血管系統的調節負荷[25],一定方式的高壓氧暴露對心血管系統的影響或可對航天員超重耐力訓練以及航天飛行返回后立位耐力不良的改善發揮積極作用。

4.2 HBOP 減輕人體疲勞程度

崔建華等[26]研究表明,在海拔3700 m 進行5 次HBOP 可有效改善運動后氧自由基代謝長達8 d,2 次HBOP 可持續5 d。由于HBOP 在高海拔地區能加快體內乳酸的清除速度,同時由于體內組織細胞和體液中的氧張力顯著提高,有利于乳酸和其他酸性產物的清除[12]。同時,短期的HBOP 能明顯有效提高體力負荷后血糖水平,顯著降低乳酸脫氫酶和Na+-K+-ATP 酶活性,加速體內乳酸的清除,這能有效減緩疲勞發生、減輕疲勞嚴重程度和有效提高勞動效率[27]。

本文實驗結果在HBOP 后,氧分壓較之前有明顯升高,乳酸、氫離子濃度、二氧化碳分壓較之前有明顯的下降,說明HBOP 的作用一方面表現在提高血液中的氧分壓,使血液中物理氧溶量快速增加,增強機體的氧運輸能力,改善了組織缺氧狀態,促使有氧代謝的正常進行;另一方面,HBOP 可以改善機體內的酸性環境,提高了血紅蛋白與氧的結合,從而促進了機體的疲勞恢復。

HBOP 適用于加速度耐力不良飛行員,通過提高血液的氧氣含量,使血液在各個組織中循環,有效區域得以進一步擴大。此外,可減少飛行員疲勞程度,提高加速度耐力。因此,如果飛行前進行適當的HBOP,可減少飛行員的體力負荷,以減少疲勞。

4.3 HBOP 影響下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸

當人體處于緊張或應激狀態時,下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸(HPA 軸)被持續激活,皮質醇、腎上腺素、促腎上腺皮質激素等處于高水平,激素水平的波動變化在一定范圍內有助于人體進行緩沖和適應應激刺激[28]。Casti 等[29]研究表明HBOP 后,人體內多胺類物質以及促腎上腺皮質激素會發生不同程度的變化,促腎上腺皮質激素由于受到了HPA 軸以及阿片黑皮素原的刺激從而濃度增加。李洋洋等[18]研究表明,人體經HBOP 后再次急性高海拔暴露可以使中樞神經遞質和促腎上腺皮質激素均持續增加。

HPA 軸是機體內應激反應敏感的神經內分泌系統,當有急性應激條件出現時,機體受到內環境紊亂的信號,HPA 軸會對其做出相應反應。本文研究中,HBOP 后的促腎上腺皮質激素較之前的改變無統計學意義。飛行員在HBOP 前后均處于安靜狀態,因此未出現急性應激反應,未能監測出促腎上腺皮質激素的變化。

5 結論

本文對30 名加速度耐力不良的受試者進行了高壓氧預處理,測試HBOP 前、后受試者的下體負壓耐力、離心機加速度耐力以及相關血液指標。結果表明:HBOP 能夠改善加速度耐力不良飛行員多項血流動力學指標,減緩疲勞程度,從而提高加速度耐力不良飛行員下體負壓耐力和離心機加速度耐力。因此,高負荷飛行前進行HBOP是提高加速度耐力不良飛行員加速度耐力的有效方法。

今后,可進一步開展HBOP 結合下體負壓訓練分別與單獨HBOP、單獨下體負壓訓練的對照研究,以探索改善飛行員加速度耐力更有效便捷的訓練方法。