典型返回再入過載下姿態差異對獼猴生理反應的影響研究

任 逸, 祝 郁, 肖艷華, 王建全, 孫 浩, 馬博涵, 郭玉琴, 劉炳坤,闞廣悍, 肇 海, 李富柱, 馬紅磊*

(1.江蘇大學機械工程學院, 鎮江 212013; 2.中國航天員科研訓練中心, 北京 100094)

1 引言

載人登月任務過程中涉及復雜的動態載荷,尤其在月地返回階段,高加速度過載將直接影響機體的心血管功能與肌肉活動,與航天員的機能狀態甚至生命安全密切相關[1-3]。人體的心血管系統是一個充滿血液的密閉環境,過載會放大人體各部位間靜水壓力梯度進而引發體液的重新分配[3-4],如在頭盆向過載(+Gz)作用下,頭面部血液向下肢轉移,導致腦血流量減少可引起腦缺血缺氧,嚴重時會影響視覺并最終導致意識喪失(G-induced Loss of Consciousness,G-LOC)[5-6]。也有研究發現前庭外周器官參與調節動脈壓力、體溫、肌肉及骨代謝等生理功能,而異常的重力環境會影響前庭耳蝸向中樞神經系統傳入信號,進而引發機體多種生理與組織學變化[7-9]。因此,研究超重環境暴露對人體生理狀態的影響,對于維護航天員的健康及保障任務的成功至關重要。

超重暴露會以一種姿態依賴的方式引發機體心血管系統內靜水壓主導的跨壁壓力變化,與血管順應性、血液動力學及心臟舒張性能等生物力學反應密切相關[10-11]。有研究人員提出,這些生物力學反應會引發機體代償性的神經激素調節,如頸動脈及心房壓力感受器、血管平滑肌拉伸受體等興奮程度發生異質性變化時,會加劇動脈系統與靜脈回流間的不對稱性,易造成機體內環境穩態的破壞[11-13]。此外,劉炳坤等[14]利用HUMOS 數字假人模擬獲取了過載下臥姿與躺姿狀態心、肺、肝臟等重要器官的變形及移位,發現姿態及重力環境與膈肌的狀態密切相關,特別是在+Gx作用下腹腔壓力增大時,膈肌下降受阻易加劇對心肺的壓迫,引發呼吸困難與胸痛。Peterson 等[10]也研究提出過載方向與姿態誘導的腹壓及胸壁壓力變化會直接影響胸內壓,進而導致心室容積及中心靜脈壓的改變。然而,以往研究多以數字假人或鼠、兔等小型動物為實驗對象,少見有關于靈長類動物的研究結論及高量級過載下姿態間的差異性對比分析。因此,評估分析高加速度過載下姿態因素對機體生理狀態的影響程度,有助于豐富航天生理學基礎研究,并制定針對性的防護對策,提高乘員的安全及效率。

載人飛行任務按飛行器負荷與再入速度分為2 種返回模式[15]:一是錢學森式彈道返回,該方式下返回艙經受高溫直接突破大氣層后逐漸減速落地;二是跳躍式半彈道返回,返回艙在初次進入大氣層后采用升力控制躍出,然后二次進入大氣層并進一步下降直至開傘落地。中國的CE-5T1返回器與美國阿波羅返回艙采用的均是半彈道式返回模式。臥姿狀態(人體背部與水平面存在20°夾角)和躺姿狀態(無背角)是2 種典型姿態[16],雖然二者均屬于仰臥,但臥姿返回工況下,人體受到大小為G·sin20°的胸背向過載與G·sin70°頭盆向過載的復合作用,躺姿返回工況下,人體主要受到大小為1 G 的胸背向過載,因此機體的動態響應可能存在差別,該種差異對航天員過載耐力存在何種影響,目前仍不明確[17-18]。因此,本文利用數控動物離心機模擬上述2 種典型的返回再入過載工況,并選取成年健康雄性獼猴作為實驗對象,通過監測對比實驗前后獼猴的生理參數變化情況,研究姿態差異對機體生理反應的影響。

2 方法

2.1 2 種返回再入過載工況

根據CE-5T1 與Apollo 返回艙的實際再入參數并結合預實驗結果,推測過載峰值在13 G 以上時會出現嚴重的生理反應,甚至引起重要臟器的損傷。為進一步探究獼猴的超重耐限,并綜合考慮了設備工作能力及運行安全性,本文實驗以CE-5T1 與Apollo 的再入曲線加速度變化規律為基礎進行標準化處理,使過載曲線的最大峰值分別為13 G、15 G,見圖1(a)、(b),并保持雙峰脈寬時間一致,代表再入模擬實驗的高量級過載環境。圖1(c)、(d)分別為CE-5T1 的臥姿與Apollo的躺姿工況。

2.2 實驗動物及分組

為避免雌性激素對實驗結果產生影響,選取18 只健康雄性獼猴,年齡4 ～8 歲,體重7 ～11 kg,體長約90 cm,無人畜共患病,不攜帶B病毒和結核桿菌等致病因子。獼猴在常規飼養期間,保持室內溫度25 ℃左右及良好的濕度和通風條件,實驗人員定時投放食物和水,每組喂養條件相同。

將獼猴隨機分為A、B 2 組,A 組(臥姿,n=9)以CE-5T1 過載曲線為輸入,并進一步細分為A1、A22 個亞組,分別對應圖1(a)中峰值為13 G 與15 G 的過載曲線;B 組(躺姿,n=9)以Apollo 過載曲線為輸入,細分為B1、B22 個亞組,分別對應圖1(b)中峰值為13 G 與15 G 的過載曲線。首日進行峰值為13 G 過載實驗的臥姿、躺姿組獼猴記錄為A1、B1,隔日進行峰值為15 G 過載實驗的臥姿、躺姿組獼猴記錄為A2、B2,因此A1、B1、A2、B2均包含9 例樣本。

圖1 2 種典型再入式返回過載曲線及對應姿態Fig.1 Two typical reentry overload curves and corresponding postures

本文動物實驗通過中國航天員科研訓練中心倫理委員會批準。

2.3 實驗設備

以中國航天員科研訓練中心自研的動物離心機為平臺,該裝置由機械系統和電子控制系統構成。機械系統包括支承轉臂、平衡轉臂、座椅、支撐臺架、電機、減速器、驅動軸等,轉臂半徑為1.5 m,最大輸出過載20 G。正式測試前,按照實驗過載負荷要求和實驗程序進行預實驗,確保輸出過載與實驗設計過載環境保持良好的一致性。

利用 HYG08 型心電監護儀(日本光電)完成獼猴生理參數的監測,全過程連續監測獼猴心電、心率(Heart Rate)等生理參數,并在實驗前和停止時刻測量血壓及血氧飽和度。

2.4 行為學觀察

根據獼猴的生活習性設定了距離猴籠50 cm走動、拉動猴籠縮進、木棍伸入猴籠等固定項目,由3 名生物學專家通過觀察每只獼猴竄動、撲咬、站角、抓取等行為反應進行綜合評分,評分范圍為-3 ～3,其中1 ～3 分別對應與實驗前相比該反應略微增強、明顯增強和極強烈;-1 ～-3 分別對應與實驗前相比該反應略微減弱、明顯減弱和極明顯減弱(幾乎無動作);0 分則表示與實驗前幾乎無差異,最終結果取均值。行為學觀察在13 G臥姿與躺姿加載實驗前后進行。

2.5 實驗方法

提前3 天將獼猴轉運至實驗室適應環境,期間進行動物行為學觀察。實驗前,將獼猴固定于離心機轉臂末端座椅,臥姿座椅的椅背與水平面存在20°背角,躺姿座椅的椅背垂直于水平面,獼猴初始狀態均為面朝離心機旋轉中心,保證良好及一致的束縛狀態后,佩戴HYG08 型心電監護儀。首日進行峰值為13 G 的臥姿與躺姿過載環境模擬,實驗前后分別測量獼猴血壓及血氧飽和度參數,并在實驗過程中連續監測心率、心電等生理參數,結果分別記錄于A1與B1組。實驗結束后由參試人員進行行為學觀察,后轉運至飼養間休息。隔日進行峰值為15 G 的臥姿與躺姿過載環境模擬,監測并記錄獼猴生理參數變化情況,并將結果分別記錄于A2與B2組。每組獼猴分別進行過載峰值為13 G 與15 G 的過載暴露,共計36次測試。

2.6 統計分析

采用SPSS 18.0 軟件分析實驗數據,結果數據以平均值±標準差(ˉx±s)表示,統計數據采用配對樣本t檢驗進行分析。當P＜0.05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

3.1 心率

圖2 為加載實驗各時刻獼猴心率變化。從變化趨勢來看,A1、A2組獼猴的心率分別在第一峰值和第二峰值時刻達到最高,后逐漸下降;而B 組獼猴在加載過程中心率始終升高,靜息后逐漸回到正常水平。A1、A2組的最大變化幅度分別為88%、107%,B1、B2組最大變化幅度分別為48%、28%。t檢驗結果顯示,A1、B1組心率差異顯著(P=0.015),而A2、B2組間無顯著性差異(P＞0.05)。

圖2 2 種姿態各時刻獼猴心率變化Fig.2 The changes of HR in macaques at each moment under two posture conditions

3.2 血氧飽和度

圖3 為加載前后獼猴血氧飽和度變化情況,各組獼猴在超重暴露后血氧飽和度均呈降低趨勢,其中A2組獼猴的降幅相對明顯,但未達到顯著性水平(P=0.262)。t檢驗結果表明,各組間血氧飽和度并無顯著性差異(P＞0.05)。

圖3 2 組獼猴實驗前后血氧飽和度變化情況Fig.3 Changes of SaO2 in two groups of macaques before and after the experiment

3.3 血壓

圖4 為2 組獼猴實驗前后舒張壓與收縮壓對比。從圖中可以看出,除加載實驗后B1組獼猴舒張壓略低于A1組,其余時刻B 組獼猴收縮壓與舒張壓均高于A 組獼猴,但并無顯著性差異(P＞0.05)。從變化趨勢來看,A1、A2組獼猴加載實驗后收縮壓與舒張壓均呈升高趨勢,且變化幅度整體略大于B 組獼猴。B 組獼猴僅在15 G 過載后收縮壓出現輕微降低,其余時刻收縮壓與舒張壓均增大。t檢驗結果顯示,B 組獼猴在15 G 加載實驗后較實驗前舒張壓出現明顯升高(P=0.045),其余均無顯著性差異(P＞0.05)。

圖4 實驗前后獼猴血壓變化情況Fig.4 Changes of BP in macaques before and after the experiment

3.4 行為學觀察

獼猴13G 加載前后行為學評分如表1 所示。2 組獼猴超重暴露后表現出相似的行為趨勢,站角行為增加,竄動、撲咬、抓取等行為均減少。提示2 組獼猴反應有所遲鈍,身體靈敏性弱化,撲食動作明顯減少。其中,A、B 組獼猴在撲咬行為上表現出顯著性的差異(P=0.035),其余均未達到明顯水平(P＞0.05)。

表1 獼猴行為學綜合評分(n=9)Table 1 Comprehensive behavioral scores of macaques(n=9)

4 討論

目前已有研究證實了姿態差異對機體的生理反應存在顯著影響[19-20]。本文分析了高量級過載環境下姿態對機體影響的差異性。臥姿與躺姿屬于2 種典型的返回再入姿態,前者下肢呈蜷曲狀態,大腿與腹部貼合較緊密,背部與水平面存在約20°夾角,且頭肩部進一步抬高,故在+Gx作用下,機體會同時受到大小為G·sin20°的頭盆向過載分量作用[21]。躺姿狀態下,機體下肢呈自然狀態,小腿抬高接近水平放置且高于心臟的位置,后背與肩部接近水平并在此基礎上略微抬高頭部。采用躺姿有利于機體在過載暴露下獲得更多的舒適感,且下肢的抬高有利于血液向心臟回流,進而提高機體對超重過載的耐受性[22]。

本文研究結果表明,2 種姿態下,獼猴心率與血壓均表現出上升趨勢,血氧飽和度呈降低趨勢。其中,臥姿組獼猴心率與血壓的變化幅度整體略高于躺姿組,但并未達到顯著性水平。人體的大血管沿身體縱軸方向分布,頭盆向過載(±Gz)的變化極易引起人體心血管系統內靜水壓力梯度的改變[23-24],該種變化會引起機體代償性的神經激素調節,與心肺功能及肌肉活動等密切相關。臥姿工況下,由于座椅背角的存在,獼猴受到大小為G·sin20°的頭盆向過載分量作用,在靜水壓效應的影響下,頭面部血液向下轉移,一方面使頸動脈血壓降低,傳入壓力感受器的沖動減少,并通過神經中樞引起心交感神經與交感縮血管緊張[25-26],心迷走神經緊張減弱,效應為心率與血壓明顯升高;另一方面,頭面部血、氧供給不足時,肌肉代謝反射被激活,代謝產物潴留于肌肉內并刺激薄髓鞘與無髓鞘神經纖維放電頻率增加,引起心交感神經興奮,進一步提高了機體的心率與血壓[26]。而躺姿工況下,機體交感-腎上腺系統整體興奮性提高是造成心率加快、血壓升高的主要原因,且躺姿下生理參數變化趨勢較臥姿組更為平穩[27]。

此外,超重暴露下姿態變化會引發機體重要臟器的形變與位移,直接影響著體液轉移與呼吸運動,與血氧飽和度的變化密切相關。劉炳坤等[14]研究發現,臥姿工況下,機體心臟存在明顯的骨盆向位移及胸背向的壓縮變形,膈肌及腹腔臟器在頭盆向過載分量與大腿的支撐共同作用下變形并不明顯,因此將有利于呼吸活動。躺姿工況下,機體主要受到胸背向過載作用,胸內壓升高會引起肺臟的壓縮變形與心室容積減小,常與呼吸困難及胸骨持續疼痛相關。但在本文研究中,2組獼猴的血氧飽和度指標并未發現顯著性差異。

2 組獼猴除撲咬動作外,行為學綜合評分并未表現出明顯差異,但均提示反應與靈敏性的降低。從過載環境的特點來看,CE-5T1 過載持續作用時間整體較長,加速度曲線雙峰間隔較大;而Apollo 過載相對持續較短、峰值間隔小。以往的低量級過載人體實驗中有志愿者表示,CE-5T1 過載下不適感稍輕[28],這可能與其加載曲線兩峰值間的長時間低過載有關,志愿者在此過程中得到了一定的休息和恢復。

本文研究存在一些局限性,如選取的樣本量較小,這可能是造成某些生理參數變化差異性不明顯的原因之一。另外,在高量級過載作用下是否存在機體組織器官的損傷,則需要對獼猴進行病理損傷測試,進一步的病理損傷分析將在今后研究中進行。

5 結論

本文研究依托短臂動物離心機模擬了臥姿與躺姿的2 種典型月地返回過載,測試觀察了峰值為13 G、15 G 過載作用后臥姿及躺姿獼猴的生理及行為學反應,結論如下:

1)臥姿較躺姿工況而言,獼猴機體的生理反應對于峰值為13 G、15 G 過載環境下更敏感,心率、血壓變化幅度更大,其中13 G 過載作用后,臥姿獼猴心率明顯高于躺姿獼猴(P=0.015),但血氧飽和度并未出現明顯差異;

2)峰值為13 G、15 G 過載作用后,躺姿及臥姿獼猴均出現精神萎靡、反應與靈敏性下降等行為學特征,在撲咬的行為學評分上存在顯著差異,臥姿獼猴撲咬反應減少更明顯(P=0.035)。

致謝感謝劉炳坤老師對本文實驗設計及結果分析的指導,謹致謝意。