CPET在高性能战斗机飞行员心肺功能评价及应用价值探讨

黄 炜，李 雪，徐建华，姜国华，王 军，沈祺静，游丹丽，郭彦宏

运动心肺功能测试（cardiopulmonary exercise testing，CPET）是世界各国体质研究和健康体能评价系统中最为重要的内容之一。它主要通过测量机体的气体交换，同步评估其心血管以及呼吸系统对运动应激的反应情况，可客观定量评价机体心肺功能[1]。目前CPET已经被广泛运用于临床之中，对患者进行心肺功能运动限制评价以及心肺康复效果评估[2]；同时CPET亦被运用于体育运动领域[3-4]，实现运动员体质评价，指导制定运动处方，科学进行体质训练。

我军高性能战斗机是航空兵部队重要战斗力组成部分，随着新飞行训练大纲颁布，高性能战斗机飞行作业高载荷、高载荷增长率、高载荷持续时间、高认知负荷等[5]特点发挥到极致，给飞行员的载荷承受强度、载荷承受耐力、飞行耐力提出更高要求，这就需要飞行员具备更强的体质。而心肺功能作为体质评价中一个重要生理指标，CPET技术成熟，可检测运动负荷状态多项心肺功能量化指标，评价心肺功能状况高效准确。笔者主要探讨CPET在高性能战斗机飞行员这个特殊群体中的心肺功能评价与运用价值。

1 高性能战斗机飞行员心肺功能需求分析

高性能战斗机在机动飞行中所产生的+Gz值可达9～10 G，加速度增长率最高可达6 G/s 以上，持续时间可达15～45 s，且载荷反复出现，如此高加速度G值以及高持续时间已达飞行员+Gz耐力的极限，这给飞行安全造成了巨大威胁。主要原因：①高G情况下，机体血液往下半身转移，导致心、眼水平血压降低，心水平以下血压升高，导致发生“灰视”“黑视”、意识丧失，强有力的心脏功能储备可在高G情况下，快速增加心率、提高每搏心输出量，从而提高心、眼水平血压，降低加速度致意识丧失的发生；②高G作用时，胸廓及膈肌重量增加，呼吸肌负荷增大，吸气费力，呼吸频率增快，导致呼吸肌疲劳，虽然呼吸代偿会使肺通气量增加，但由于肺的通气/血流比值改变，致肺换气效能较低，动脉血氧饱和度降低[6]。由造成正加速度引起的意识丧失（G-induced loss of consciousness，G-LOC)原因可见，强有力的心脏功能和呼吸储备对飞行员对抗高载荷、对抗高载荷持续时间均有益。

抗荷正压呼吸设备在高性能战斗机已经广泛使用，正确使用抗荷正压呼吸动作可提高飞行员抗荷能力约1.2～3.0 G左右[6]，但高载荷条件下抗荷正压呼吸带来的呼吸阻力给飞行员飞行作业带来额外负荷，长时间反复出现的正压呼吸易引起飞行员呼吸肌疲劳，而呼吸肌疲劳会导致抗荷正压呼吸动作变形，降低其抗荷耐力，易导致G-LOC的发生；由于呼吸阻力大、呼吸费力可引起飞行员过度通气[7]，导致呼吸性碱中毒，呼吸性碱中毒的后果是脑血管收缩，脑血流减少，形成脑组织的缺血性缺氧，引起类似高空缺氧的症状，极易导致飞行员空中失能。所以肺功能、呼吸肌的强弱、呼吸功能储备能力对于高性能战斗机飞行员进行抗荷正压呼吸动作同样至关重要。

加压呼吸耐力也是高性能战斗机飞行员一项重要能力指标，加压呼吸对呼吸系统、循环系统都有一定的影响[8]。一是加压呼吸时，吸气时气体自动进入肺内，呼气时需要呼气肌用力收缩，呼气肌做功量增加，容易导致呼吸疲劳。由于肺内压升高，迫使肺及胸廓过度扩张，膈肌下降，各种肺功能参数发生改变。二是加压呼吸时，肺内压增高，胸内压也随之增高，引起右心房及胸腔内静脉压升高，使静脉血液回流受阻，导致体内有效循环血量减少，每搏输出量降低。强有力的呼吸机能和心血管机能有助于提高加压呼吸耐力。

2 CPET相关指标在高性能战斗机飞行员中的应用探讨

CPET可动态检测机体从静息状态、热身状态、有氧运动状态、无氧运动状态以及极限状态下心肺功能相关指标，各项指标都有不同的价值。笔者列举本研究拟运用的部分指标，主要探讨与高性能战斗机飞行员飞行能力的相关性及适用性。

2.1 最大摄氧量（VO2max） VO2max是反应机体心肺功能的综合指标，它反应机体有氧运动能力。VO2max跟基因、遗传相关性较大，大多数认为VO2max提高区间不大，但仍有7%～31%的空间[9]。VO2max在20多岁以后随着年龄增长以每年0.4～0.5 ml/（min·kg）的速度在递减，而系统训练可使VO2max递减速度显著减慢[10]。

针对高性能战斗机飞行员来讲，VO2max主导的有氧耐力主要与其飞行耐力、工作负荷耐力相关联，但无法与抗高过载相关，只能认为同等条件下，VO2max大的飞行员抗荷持续时间长，提高耐受峰值载荷与肌肉量、耐力有关[11]。VO2max对高性能战斗机飞行员而言是值得研究的一项指标，应设定合理胜任区间，可作为改装体检阶段的筛选参考指标。

2.2 无氧阈（anaerobic threshold，AT）以及AT占VO2max的百分比 AT是CPET中一项重要指标，是有氧代谢供能向无氧代谢供能转换的临界点，AT值越高代表有氧代谢能力越强，无氧阈占最大摄氧量百分比越大也说明有氧代谢能力越强，此指标可塑性较大[12]。以无氧运动为主的优秀短跑运动员AT值较低且AT占VO2max百分比低于50%，而以有氧运动为主的优秀长跑运动员AT值较高且AT占VO2max百分比接近90%[12]。对于高性能战斗机飞行员来讲，过度有氧训练可显著降低其抗荷能力[13]，适度的有氧训练和无氧训练可提高抗荷耐力，如何合理分配有氧训练和无氧训练强度，可以通过AT以及AT占VO2max百分比这2个指标来个性化制定。齐玉刚等[14]研究显示AT强度训练可很好地改善人体成分和心肺功能。

2.3 氧脉搏（O2P）O2P指心脏每次搏动输出血量所摄取的氧量，O2P越高说明心肺功能越好、工作效率越高，因此O2P是评估心脏输送氧气至周边组织的效率的最佳指标。从O2P计算公式（O2P=单位时间内摄氧量/心率）可知，单位时间内摄氧量越高、心率越低，O2P值越大，同理VO2max越大、峰值心率越低，O2P就越大。理论上来讲VO2max越大，有氧耐力越强，但过强的有氧耐力影响抗荷能力；同样，峰值心率过低，说明其迷走神经张力过大，同样影响其抗荷能力。因此，高性能战斗机飞行员的峰值O2P胜任值，也得兼顾其飞行耐力与抗荷能力进行考虑。

2.4 最大运动负荷 CPET标准化测试流程测试最大运动负荷指标与功率递增速率和运动时间相关，目前笔者研究课题经过多次预试验，最后确定采用的是功率自行车25 W/min的递增测试方案，最大运动功率基本都在200 W以上。符合达到最大极限运动状态的时间控制在最合适的6～10 min范围的规范[15]，值得在高性能战斗机飞行员群体应用。最大运动负荷反映了机体肌肉力量和耐力，但又受到机体最大摄氧量的限制。强有力的肌肉力量和耐力可在CPET检测中显示完美的摄氧量峰值平台。关于此项指标在高性能战斗机飞行员中的运用，笔者认为在保持无氧阈适合的基础上，最大运动负荷越高越好。

2.5 最大通气量 最大通气量反映机体通气和换气功能，通气和换气的形成主要是由于呼吸肌的轮流收缩、松弛以及胸廓、肺脏的弹性产生胸部风箱式的呼吸动作和呼吸气流进出肺泡。最大通气量提高有利于氧的摄取，也一定程度反映了呼吸肌强弱。对于高性能战斗机飞行员来讲，最大通气量大小与抗缺氧耐力、加压呼吸耐力以及抗荷正压呼吸耐力直接相关。这项指标较难提升，最有效的训练办法是改变不良生活习惯（比如吸烟）和强化呼吸肌训练。研究显示，呼吸肌训练可提升通气功能，减少通气做功[16]，但无法提高VO2max，高强度间歇运动可有效提高通气量[17]。

2.6 峰值呼吸交换率（respiratory exchange ratio，RER） 呼吸交换率又叫呼吸商，是机体二氧化碳排出量（VCO2）和机体摄氧量（VO2）的比值，是反映人体气体交换的指标。世界卫生组织将峰值RER达到1.15作为反映受试者达到最大极限状态的指标[18]，但不能作为停止CPET测试的指标[19]。所以该指标在高性能战斗机飞行员的应用只能作为判断是否达到运动极限的参考指标，而且RER的高低与测试方案有较大关系[20]。但如果出现RER值过低，要考虑是否存在心肺功能不全的因素。

2.7 心率 在运动中，心率是最易测得的反映运动强度的指标，目前使用较多的是测定AT时心率，就是有氧和无氧运动的临界心率来指导有氧训练，在运动医学领域是比较合理、比较科学的手段。对于高性能战斗机飞行员CPET上心率的研究不仅仅如此，笔者认为运用无氧阈心率指导其有氧训练也是可靠的手段，可防止高性能战斗机飞行员过度的有氧训练，亦可避免有氧训练的不足，无氧阈心率运动强度训练效果也得到证实[14]。飞行员基础心率、运动峰值最大心率也值得研究，这与迷走神经张力相关，也可配合心率减速力检测[21]来综合评估。

以上7项指标在高性能战斗机飞行员体能训练的应用上要综合衡量。其余一些指标包括代谢当量、VE/VO2、VE/VCO2等，需随着研究深入进一步探讨，CPET指标也可用于高性能战斗机飞行员群体可能出现伤病康复和预后评估[22]。

3 CPET如何在高性能战斗机飞行员群体应用探讨

2013年美国心脏协会将人体心肺耐力作为生命的第五大体征，与血压、脉搏、体温、呼吸4个体征同等重要，心肺耐力对健康的重要性不言而喻[23]。心肺耐力又称有氧耐力，CPET相关指标可有效进行评定，反映血液循环系统和肺呼吸系统的作用下，机体在长时间活动时利用氧的能力。主要与机体的呼吸系统和心血管系统的功能相关，一般心肺耐力水平越高，健康状况越好[24]。同样高性能战斗机飞行员健康状况与医学鉴定结论息息相关，与飞行耐力联系密切，但作为特殊群体，更需要考虑的是健康与能力的关系，CPET相关指标、身体健康状况、飞行能力的多因素相关性分析研究具有重要价值。

CPET可指导高性能战斗机飞行员科学制定个体化运动处方。公认有氧耐力训练可以保持和提高飞行员良好的心肺功能，提高飞行员的+Gz耐力水平[25]。但是，过度的有氧训练反而可导致飞行员的+Gz耐力降低，这主要是由于有氧耐力训练可提高迷走神经张力，减缓心率[26-27]，同时可提高动脉血管的顺应性，降低交感神经兴奋性和敏感性[28]，制定科学合理的有氧训练强度非常重要。目前通过CPET来制定无氧阈训练强度计划，可保证有氧训练的适度，有报道称无氧阈强度训练提高女飞行学员+Gz耐力明显优于传统训练法[29]。同时，在飞行员高血压、高血脂[30]等防治方面，制定以无氧阈为基准强度有氧代谢运动，可以防止乳酸堆积，不易发生过度通气，对于增强心肺机能，防治高血压、肥胖、高血脂等效果良好，因此被用于健身和康复运动处方的制订[31]。

CPET可在高性能战斗机飞行员选拔、改装上发挥积极作用。Levine等[32]报道，高体能组[VO2max＞60 ml/（min·kg）]被试者的立位耐力较中、低体能组者为低，而立位耐力与抗荷耐力有着相同的生理基础，机制有异。故我军高性能战斗机飞行员选拔和改装时，有必要引入CPET相关指标的入选标准，作为改装合格与否的参考，也可在招飞体检阶段、飞行学院入学阶段参照实施。

CPET可在诊断、预防高性能战斗机飞行员心、肺、代谢疾病以及评估10年心血管病风险[33]上发挥积极作用，同时可作为康复效果评估手段[15]，心肺运动试验是目前整体上无创性客观定量评估人体心、肺、代谢等多系统功能状态的唯一临床试验方法，对于飞行员这个特殊群体，由于有创检查严格限制，无创手段更为可取，可研究增加CPET进入飞行员大体检项目，加强对飞行员整体功能状态检查与评估。

CPET可用于指导高性能战斗机飞行员改善不良生活习惯。吸烟在高性能战斗机飞行员群体占不小比例，据报道，无症状吸烟者的心肺运动能力较健康者显著降低，吸烟时间越长、吸烟量越大，心肺功能损害越严重，对于飞行员讲心肺功能的损害可直接影响到飞行耐力[34]。经戒烟干预后，CPET指标可显著改善，12个月后能保持稳定[35]。

关于体质量对飞行员CPET的影响，孙海文等[36]研究海军飞行员体质量指数（BMI）对运动心肺的影响，发现偏胖组（BMI＞26 kg/m2）和偏瘦组（BMI＜22 kg/m2）的运动心肺功能明显比正常组（BMI 22～26 kg/m2）低，说明控制体质量对飞行员运动心肺功能的重要性，通过合理饮食、加强体能训练等手段控制体质量可以更好适应飞行。但笔者认为不能只考虑BMI因素，要引入瘦体质量[37]这个概念，研究证明，瘦体质量与人体的无氧和有氧能力都有着高度相关[38]，而高性能战斗机飞行员恰好需要兼顾这两方面能力。

CPET可指导航卫机构更为合理的进行高性能战斗机飞行员医学停飞，目前高性能战斗机飞行员除了疾病因素飞行不合格医学停飞以外，其余大都以达到年龄界限作为停飞标准。文献报道，随着年龄增大，心率的减慢以及最大心输出量降低是导致有氧能力下降的主要因素，而肌肉质量下降对有氧能力的影响随着年龄增长减小[39]。达到停飞年龄，但其有氧及无氧能力，包括其他一些能力能继续胜任飞行训练任务，完全可延长其飞行年限。如何研究合理延长飞行年限标准是综合工程，但CPET可作为一项重要指标。

CPET在高性能战斗机飞行员群体的应用会有较好前景，亦可针对不同机种飞行员的特点，研究如何应用于不同机种飞行人员群体，丰富飞行人员检查和评估手段。