登月返回再入人體臥姿和躺姿超重生理效應研究

孫 浩, 馬紅磊, 肖艷華, 王健全, 鄧金輝, 王惠娟, 任 逸, 祝 郁*

(1.航天工程大學研究生院, 北京 101416; 2.中國航天員科研訓練中心, 北京 100094;3.江蘇大學機械工程學院, 鎮江 212013)

1 引言

載人登月任務應確保月地返回再入加速度安全[1]。持續性加速度能夠對人體心血管系統、呼吸系統、腦功能和視力等產生影響,并使人產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。

不同姿態下,人體在超重環境中的生理反應和加速度耐力也會存在差異。仰臥姿態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°)進行了人體加速度耐力實驗,結果表明,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規律進行研究,結果顯示隨著夾角增大,由動脈系統升壓反射為主向以心臟活動抑制現象為主的方向改變。Burns[7]對座椅后傾13°～75°時人體加速度耐受性進行研究,發現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勢[8-9],但對人機功效影響較大,因此應用較少。

神舟飛船的人體臥姿狀態[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,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,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,后背及肩部呈近似水平,頭部稍微抬高。孫浩等[15]利用HUMOS 數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響應,結果表明人體內臟器官位移和變形臥姿大于躺姿。有研究人員利用Hybird Ⅲ生物力學假人,通過載人離心機模擬Apollo10 過載環境,開展了人體臥姿和躺姿加速度動態響應研究,得到了2 種姿態下假人不同部位(頭部、胸部和臀部)的響應規律,假人合加速度動態響應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重,因此2 種姿態下的生理指標、主觀感受和作用規律仍需進一步研究。

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境,獲取典型姿態下人體生理效應指標,為人體再入姿態設計提供參考,同時為載人登月再入加速度安全性評估與防護設計提供依據。

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。實驗前志愿者進行體檢篩選,均身體健康。實驗結束后,再對志愿者的身體狀況進行醫學檢查和確認。所有志愿者都充分了解實驗內容并簽署知情同意書。實驗在中國航天員科研訓練中心完成,并經過中國航天員科研訓練中心醫學倫理委員會審核批準。

2.2 實驗設備和監測指標

依托中國航天員科研訓練中心98 型載人離心機提供跳躍式加速度過載環境。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、飛行員超重訓練及航天航空+Gx、+Gz作用環境下人體生理響應規律研究。

持續性加速度能夠對人體心血管系統、呼吸系統產生影響[2-4],利用日本光電HYG08 型心電監護儀,監測心率(Heart Rate,HR)、心電、血壓和血氧等生理數據。持續性加速度可能使人產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行統計。

在實驗中,受試者如出現下列情況之一者,應中止實驗: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,載人離心機旋轉過程中出現頻發早搏,或多源性早搏,或其他嚴重心律失常;受試者感覺嚴重不適主動要求中止實驗。

2.3 過載環境設計

將Apollo 10 再入過載作為過載環境設計依據。Apollo 10 返回再入時經歷2 次峰值,第1 次再入過載峰值約為6.7 G,在大氣層內跳躍后第2次過載峰值約4.5 G。為模擬再入返回人體姿態對加速度過載響應并保證志愿者安全,按照Apollo 10 號再入曲線加速度變化規律,設計峰值加速度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據低于此數值,因此向離心機輸入過載曲線時,低于1.4 G 的部分調整為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行醫學檢查,每名志愿者兩次測試間隔時間不小于4 h。

臥姿狀態如圖2(a)所示,使用神舟正樣狀態座椅,背角為20°。確認志愿者狀態符合實驗要求后,佩戴心電監護儀。志愿者進入吊艙乘坐座椅,背部和臀部盡量與座墊內表面貼合,兩臂向中間收攏置于膝上,腿部蜷曲于座椅內,腳部收于腳踏內。利用座椅上的多點式安全帶和束腿對志愿者軀干、腿部進行有效約束。

圖2 人體姿態Fig.2 Body posture

躺姿狀態如圖2(b)所示,使用躺姿座椅,背角為0°。確認志愿者狀態符合實驗要求后,佩戴心電監護儀。志愿者進入吊艙,以自然舒展姿態平躺于座椅內,頭部貼近座椅頭靠,腿部抬高平直,雙臂置于身體兩側。利用座椅上的多點式安全帶和束腿對志愿者軀干、腿部進行有效約束,同時利用束縛帶對腳部進行固定。按照過載峰值由低到高的順序進行實驗。

2.5 統計學處理

采用SPSS19 軟件對實驗數據進行分析,數值采用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測量方差分析,采用LSD 檢驗進行兩兩比較。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相對于實驗前的變化量采用配對t檢驗。P＜0.05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

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。志愿者出現的不適癥狀均在實驗后恢復正常。

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 峰時心率達到最大,過載停止后心率逐漸恢復到實驗前狀態,躺姿狀態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,臥姿狀態高于躺姿狀態,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到最小,過載停止后血氧飽和度逐漸恢復到實驗前狀態。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,臥姿狀態下血氧飽和度在第一峰就開始顯著降低,而躺姿狀態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間的血氧飽和度變化,臥姿狀態高于躺姿狀態,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的4 種工況,每名志愿者都填寫了主觀感受調查。對主要的不適感受進行人數統計(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 名女性志愿者出現輕度胸痛、惡心和干嘔等不適,實驗后均恢復正常。

表4 不適癥狀及人數Table 4 Symptoms and number of discomfort

對比臥姿和躺姿2 種姿態,志愿者表示躺姿狀態下不適癥狀減輕。8 名志愿者表示躺姿狀態的壓迫感比臥姿時減輕,1 名志愿者表示臥姿狀態的壓迫感比躺姿時減輕,2 名志愿者表示2 種姿態無明顯差別。

4 討論

肖艷華等[17]研究表明,2 種姿態下人體的合加速度響應與離心機輸入基本一致。臥姿狀態下以胸背向響應(+Gx)為主,頭部響應的頭盆向(+Gz)分量較高,且從頭部至臀部依次降低。躺姿狀態下可視為僅有胸背向過載(+Gx)作用。對人體的生理效應主要體現在對心血管、呼吸系統方面的影響。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律障礙影響心血管的功能[2,4],造成心率升高。在呼吸系統方面,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]。由于各部胸內壓差出現,導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,肺循環內的低灌流壓力意味著血液流動受到血管內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致動脈低氧血癥,出現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生明顯影響。這是由于急性心血管和大腦反應主要由+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時出現視覺癥狀[25]。

實驗結果顯示,臥姿狀態心率增大高于躺姿。臥姿有+Gz作用,使得心臟以上部位血壓下降,大量血液轉向并淤積身體下部,進而使回心血量減少,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。而躺姿狀態僅存在+Gx作用,重力作用方向與大血管相垂直,血管樹內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移。研究表明,臥姿狀態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下可能會對心臟功能產生明顯影響[16]。本文實驗結果表明,臥姿狀態可能會增大心臟負擔,與前期研究結果一致[16]。峰值5 G 的過載,2 種姿態間的心率變化差異極其顯著。頭對心臟的靜水壓效應對+Gz的心血管反應的影響比血液下肢轉移更大[28]。隨著過載峰值增大,2 種姿態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種姿態下均存在肺部形態功能的改變。臥姿狀態,+Gz作用下,還存在橫膈重量增加,呼吸肌負荷增大,吸氣費力、吸氣時間延長等現象;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,因此靜水壓效應對測得血壓基本不存在影響。推斷實驗前躺姿狀態血壓高于臥姿狀態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-血壓調節刺激較小。實驗量級較低,實驗后血壓調節功能不變,因此血壓沒有明顯變化。

綜合對比臥姿和躺姿2 種姿態,志愿者表示躺姿狀態下不適癥狀減輕。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。數字假人仿真研究表明,躺姿狀態下的內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]。總體而言,Gx被認為比Gz更耐受[4]。綜合推斷,人體躺姿狀態下的耐受高于臥姿。

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。為了進一步明確月地返回再入人體加速度耐限,還需要進行量級更高的實驗研究。

5 結論

本文利用離心機模擬跳躍式再入過載環境,探討了臥姿和躺姿2 種人體姿態對人體生理效應的影響。結論如下:

1)人體在2 種姿態下能夠耐受峰值為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產生影響,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)躺姿狀態下,志愿者的主觀感受優于臥姿狀態。

5) 以志愿者生理反應指標和主觀感受綜合考慮,過載防護設置建議優先選擇躺姿。