登月返回再入人体卧姿和躺姿超重生理效应研究

孙 浩, 马红磊, 肖艳华, 王健全, 邓金辉, 王惠娟, 任 逸, 祝 郁*

(1.航天工程大学研究生院, 北京 101416; 2.中国航天员科研训练中心, 北京 100094;3.江苏大学机械工程学院, 镇江 212013)

1 引言

载人登月任务应确保月地返回再入加速度安全[1]。持续性加速度能够对人体心血管系统、呼吸系统、脑功能和视力等产生影响,并使人产生疲劳和压迫感等不适症状[2-4]。研究加速度作用的生理效应对确保航天员的生命安全和身体健康具有重要作用。

不同姿态下,人体在超重环境中的生理反应和加速度耐力也会存在差异。仰卧姿态一般指后背与水平方向呈一定夹角。Harris 等[5]对不同背角(17°～35°)进行了人体加速度耐力实验,结果表明,合理的人体背角有助于提升加速度过载耐受峰值和延长耐受持续时间。薛月英等[6]对体纵轴与超重方向15°～90°作用下犬的心血管反应规律进行研究,结果显示随着夹角增大,由动脉系统升压反射为主向以心脏活动抑制现象为主的方向改变。Burns[7]对座椅后倾13°～75°时人体加速度耐受性进行研究,发现75°后倾显著增大了加速度耐受峰值。尽管俯卧位呼吸具有生理优势[8-9],但对人机功效影响较大,因此应用较少。

神舟飞船的人体卧姿状态[10-12]和阿波罗飞船的人体躺姿[13-14]是2 种典型的再入姿态,成功提高了航天员对加速度的耐受力。虽然卧姿和躺姿均属于仰卧姿态,但二者也存在一定差异。卧姿腿部蜷缩,大腿和腹部接触紧密,背部与水平面存在约20°的夹角,头部及肩部进一步抬高,与水平面的夹角约为30°;躺姿小腿近似呈水平,大腿处于垂直状态,后背及肩部呈近似水平,头部稍微抬高。孙浩等[15]利用HUMOS 数字假人的仿真研究表明,膈肌的位移和变形是影响人体对再入过载耐受力的最重要因素,其在卧姿时受到的作用力大于躺姿。刘炳坤等[16]以类阿波罗返回过载曲线为输入仿真人体的动态响应,结果表明人体内脏器官位移和变形卧姿大于躺姿。有研究人员利用Hybird Ⅲ生物力学假人,通过载人离心机模拟Apollo10 过载环境,开展了人体卧姿和躺姿加速度动态响应研究,得到了2 种姿态下假人不同部位(头部、胸部和臀部)的响应规律,假人合加速度动态响应与输入过载曲线变化趋势基本一致[17-19]。

然而卧姿和躺姿对人体在超重过载下的生理影响存在多大差异,目前尚不清楚。同时,针对月地返回再入,航天员承受的加速度过载峰值及持续时间均超过近地轨道返回的过载[20-21],对人体的影响将更加严重,因此2 种姿态下的生理指标、主观感受和作用规律仍需进一步研究。

本文开展人体超重实验,利用载人离心机模拟跳跃式再入超重过载环境,获取典型姿态下人体生理效应指标,为人体再入姿态设计提供参考,同时为载人登月再入加速度安全性评估与防护设计提供依据。

2 方法

2.1 受试者

招募志愿者11 名(5 男、6 女),年龄为(32±8)岁,身高为(167±8)cm,体重为(63±10)kg。实验前志愿者进行体检筛选,均身体健康。实验结束后,再对志愿者的身体状况进行医学检查和确认。所有志愿者都充分了解实验内容并签署知情同意书。实验在中国航天员科研训练中心完成,并经过中国航天员科研训练中心医学伦理委员会审核批准。

2.2 实验设备和监测指标

依托中国航天员科研训练中心98 型载人离心机提供跳跃式加速度过载环境。该离心机半径为8 m,臂架端连接一个可摆动的吊舱,可用于航天员、飞行员超重训练及航天航空+Gx、+Gz作用环境下人体生理响应规律研究。

持续性加速度能够对人体心血管系统、呼吸系统产生影响[2-4],利用日本光电HYG08 型心电监护仪,监测心率(Heart Rate,HR)、心电、血压和血氧等生理数据。持续性加速度可能使人产生疲劳和压迫感等不适症状[3],实验后对志愿者主观上的压迫感、呼吸困难、胸痛等症状和程度进行统计。

在实验中,受试者如出现下列情况之一者,应中止实验:主诉边灯消失、中央灯变模糊或中央灯消失;心率大于180 次/min,或小于60 次/min;心电图异常,载人离心机旋转过程中出现频发早搏,或多源性早搏,或其他严重心律失常;受试者感觉严重不适主动要求中止实验。

2.3 过载环境设计

将Apollo 10 再入过载作为过载环境设计依据。Apollo 10 返回再入时经历2 次峰值,第1 次再入过载峰值约为6.7 G,在大气层内跳跃后第2次过载峰值约4.5 G。为模拟再入返回人体姿态对加速度过载响应并保证志愿者安全,按照Apollo 10 号再入曲线加速度变化规律,设计峰值加速度3 G 和5 G 两组过载曲线(图1),并保持双峰脉宽及总时间一致(400 s),代表再入模拟实验的中、低量级过载环境。由于载人离心机吊舱可测量并受控的Gx向加速度信号需大于1.4 G,而Apollo 10 飞行器返回再入段部分加速度数据低于此数值,因此向离心机输入过载曲线时,低于1.4 G 的部分调整为1.4 G。

图1 过载曲线Fig.1 Acceleration load curve

2.4 实验方法

11 名志愿者均进行峰值3 G 卧姿、峰值3 G躺姿、峰值5 G 卧姿和峰值5 G 躺姿4 种工况实验。每次实验后对志愿者进行医学检查,每名志愿者两次测试间隔时间不小于4 h。

卧姿状态如图2(a)所示,使用神舟正样状态座椅,背角为20°。确认志愿者状态符合实验要求后,佩戴心电监护仪。志愿者进入吊舱乘坐座椅,背部和臀部尽量与座垫内表面贴合,两臂向中间收拢置于膝上,腿部蜷曲于座椅内,脚部收于脚踏内。利用座椅上的多点式安全带和束腿对志愿者躯干、腿部进行有效约束。

图2 人体姿态Fig.2 Body posture

躺姿状态如图2(b)所示,使用躺姿座椅,背角为0°。确认志愿者状态符合实验要求后,佩戴心电监护仪。志愿者进入吊舱,以自然舒展姿态平躺于座椅内,头部贴近座椅头靠,腿部抬高平直,双臂置于身体两侧。利用座椅上的多点式安全带和束腿对志愿者躯干、腿部进行有效约束,同时利用束缚带对脚部进行固定。按照过载峰值由低到高的顺序进行实验。

2.5 统计学处理

采用SPSS19 软件对实验数据进行分析,数值采用ˉx ±s表示。同一工况下不同时刻的心率、血氧饱和度采用重复测量方差分析,采用LSD 检验进行两两比较。同一工况实验前后的血压采用配对t检验;不同工况下相同时刻生理参数相对于实验前的变化量采用配对t检验。P＜0.05 认为差异具有统计学意义。

3 结果

11 名志愿者完成4 种工况(3 G 躺姿、3 G 卧姿、5 G 躺姿、5 G 卧姿)的全部超重实验。志愿者出现的不适症状均在实验后恢复正常。

3.1 心率

4 种工况不同测量时间点人体的心率见图3。对同一工况下心率在不同时间点的成对比较,显著性差异见表1。峰值3 G 过载,志愿者心率随着加速度增加而升高,在超重过载第1 峰时心率达到最大,过载停止后心率逐渐恢复到实验前状态,躺姿状态心率没有显著性变化。峰值5 G 过载,心率随着加速度增加上升更明显,卧姿心率最大值(85±11)次/min,卧姿峰值心率相对实验前差异极显著,躺姿心率相对于实验前没有显著性差异。

表1 心率在不同时间点的成对比较Table 1 Paired comparison of heart rate at different time points

图3 各工况下的心率Fig.3 Heart rate under different working conditions

各工况在峰值时心率相对实验前的变化值见图4,并对卧姿和躺姿工况间心率变化值进行差异性分析。对比志愿者在第一峰、第二峰相对实验前的心率变化,卧姿状态高于躺姿状态,且在5 G 过载下具有显著性差异。

图4 峰值时刻心率变化值Fig.4 Changes of heart rate at peak time point

3.2 血压

分别在实验前和过载停止后,测量志愿者的血压,见表2。实验前,躺姿收缩压(Systolic Blood Pressure, SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure, DBP)高于卧姿,实验后仍存在这一趋势。同一工况下,实验前、后的收缩压和舒张压没有明显变化(P＞0.05);不同工况间,实验后血压的变化值不存在显著性差异(P＞0.05)。

表2 各工况过载前后的血压Table 2 Blood pressure before and after the acceleration load under different working conditions

3.3 血氧饱和度

4 种工况不同测量时间点人体的血氧饱和度(Saturation of Haemoglobin with Oxygen, SpO2)如图5 所示。对同一工况下血氧饱和度在不同时间点的成对比较,显著性差异见表3。峰值3 G 过载,志愿者的血氧饱和度随着加速度增加而降低,在超重过载第二峰时血氧饱和度达到最小,过载停止后血氧饱和度逐渐恢复到实验前状态。峰值5 G 过载,随着加速度增加,血氧饱和度降低更明显,但不会对人体健康造成明显影响(SpO2＞90%)。与实验前相比,卧姿状态下血氧饱和度在第一峰就开始显著降低,而躺姿状态在第二峰开始显著降低。

表3 血氧饱和度在不同时间点的成对比较Table 3 Paired comparison of SpO2 at different time points

图5 各工况下的血氧饱和度Fig.5 SpO2 at different time points under different working conditions

各工况在峰值时相对实验前血氧饱和度的变化值(△SpO2)见图6。对比相同过载峰值不同姿态间的血氧饱和度变化,卧姿状态高于躺姿状态,在3 G 过载第一峰时具有显著性差异。

图6 峰值时刻血氧饱和度变化值Fig.6 Changes of SpO2at peak time point

3.4 主观评价

针对不同加速度过载峰值和不同实验姿态的4 种工况,每名志愿者都填写了主观感受调查。对主要的不适感受进行人数统计(表4)。3 G 峰值过载,志愿者无明显不适。5 G 峰值过载,志愿者出现的不适症状主要有胸部、腹部和咽喉有压迫感,呼吸困难等,有2 名女性志愿者出现轻度胸痛、恶心和干呕等不适,实验后均恢复正常。

表4 不适症状及人数Table 4 Symptoms and number of discomfort

对比卧姿和躺姿2 种姿态,志愿者表示躺姿状态下不适症状减轻。8 名志愿者表示躺姿状态的压迫感比卧姿时减轻,1 名志愿者表示卧姿状态的压迫感比躺姿时减轻,2 名志愿者表示2 种姿态无明显差别。

4 讨论

肖艳华等[17]研究表明,2 种姿态下人体的合加速度响应与离心机输入基本一致。卧姿状态下以胸背向响应(+Gx)为主,头部响应的头盆向(+Gz)分量较高,且从头部至臀部依次降低。躺姿状态下可视为仅有胸背向过载(+Gx)作用。对人体的生理效应主要体现在对心血管、呼吸系统方面的影响。在心血管方面,主要通过血液重新分布、流体静压以及心输出量的变化和节律障碍影响心血管的功能[2,4],造成心率升高。在呼吸系统方面,胸廓重量增加、脏器挤压变形及重量增加影响呼吸运动,肺部功能也容易受到重力的影响[3]。由于各部胸内压差出现,导致肺沿重力方向的肺泡体积[22]和通气量[23]有显著差异。此外,肺循环内的低灌流压力意味着血液流动受到血管内流体静力梯度的影响[24]。因此,加速度过载下通气与血流灌注的不均一性导致动脉低氧血症,出现缺氧的一系列生理变化。实验过载没有对人体的视力和脑功能方面产生明显影响。这是由于急性心血管和大脑反应主要由+Gz引起,仅卧姿存在较低的的+Gz(＜2Gz),而最容易受到影响的个体可能会在2.5Gz时出现视觉症状[25]。

实验结果显示,卧姿状态心率增大高于躺姿。卧姿有+Gz作用,使得心脏以上部位血压下降,大量血液转向并淤积身体下部,进而使回心血量减少,心输出量降低,影响头部水平动脉压的维持。人体内的颈动脉窦、主动脉弓压力等压力感受器对压力变化十分敏感,它们通过加快心率使血压得以维持在一定水平上。而躺姿状态仅存在+Gx作用,重力作用方向与大血管相垂直,血管树内的各点的静水压差很小。同时躺姿的腿部抬高也有利于减轻上半身的血液转移。研究表明,卧姿状态下人体的耐受性主要取决于心脏向头部供血的能力[26-27]。仿真研究显示卧姿状态下可能会对心脏功能产生明显影响[16]。本文实验结果表明,卧姿状态可能会增大心脏负担,与前期研究结果一致[16]。峰值5 G 的过载,2 种姿态间的心率变化差异极其显著。头对心脏的静水压效应对+Gz的心血管反应的影响比血液下肢转移更大[28]。随着过载峰值增大,2 种姿态间静水压差异随之增大,因此卧姿心率增加更显著。

血氧饱和度的变化具有滞后性,均在第二峰时降到最低值。卧姿血氧的下降值大于躺姿。2种姿态下均存在肺部形态功能的改变。卧姿状态,+Gz作用下,还存在横膈重量增加,呼吸肌负荷增大,吸气费力、吸气时间延长等现象;呼吸做功增加,伴随心率显著增加,耗氧量随之增大。此外,卧姿腿部弯曲限制和影响了血液的流动,使血液大量潴留,心输出量降低。多种因素造成卧姿血氧饱和度下降更多。峰值3 G 过载,组间第一峰时卧姿血氧降低明显高于躺姿。随着过载值的增大,肺气体交换功能障碍造成的血氧降低成为主要因素。本文结果表明在中低过载下,卧姿血氧饱和度下降有高于躺姿的趋势。

实验前,躺姿血压高于卧姿。实验前后血压均在心脏水平位置测得,因此静水压效应对测得血压基本不存在影响。推断实验前躺姿状态血压高于卧姿状态是由于躺姿回心血量增加造成。实验过程中,加速度相对人体方向不变,主要沿矢状轴,沿垂直轴的分量较小,对动脉压力感受器和前庭-血压调节刺激较小。实验量级较低,实验后血压调节功能不变,因此血压没有明显变化。

综合对比卧姿和躺姿2 种姿态,志愿者表示躺姿状态下不适症状减轻。从主观上表明了人体躺姿对加速度过载具有更好的耐受性。数字假人仿真研究表明,躺姿状态下的内脏器官的位移和变形相对较小[20]。膈肌的位移和挤压受力是影响人体返回过载的重要因素,相对其他器官而言,膈肌在卧姿时所受的力比在躺姿大,因此建议选择躺姿[19]。总体而言,Gx被认为比Gz更耐受[4]。综合推断,人体躺姿状态下的耐受高于卧姿。

本文研究尚有一定的局限性,为保证志愿者安全,开展了加速度峰值为3 G 和5 G 的过载实验。为了进一步明确月地返回再入人体加速度耐限,还需要进行量级更高的实验研究。

5 结论

本文利用离心机模拟跳跃式再入过载环境,探讨了卧姿和躺姿2 种人体姿态对人体生理效应的影响。结论如下:

1)人体在2 种姿态下能够耐受峰值为5 G 的月地返回再入过载且无强烈不适。

2)峰值为3 G/5 G 的过载对人体呼吸和心血管系统产生影响,随着过载的增加作用效果更加显著。

3)卧姿心率增大值和血氧饱和度降低值均大于躺姿。2 种姿态间的心率差异随过载峰值的增大而增大,血氧饱和度差异随过载峰值的增大而减小。

4)躺姿状态下,志愿者的主观感受优于卧姿状态。

5) 以志愿者生理反应指标和主观感受综合考虑,过载防护设置建议优先选择躺姿。