30 min吸氧排氮对模拟出舱活动减压病发生率影响的研究

彭远开，肇　海，马　婷，高郁晨，费锦学，刘　钢，丁军平，徐国鑫

(中国航天员科研训练中心，北京 100094)



30 min吸氧排氮对模拟出舱活动减压病发生率影响的研究

彭远开，肇海，马婷，高郁晨，费锦学，刘钢，丁军平，徐国鑫

(中国航天员科研训练中心，北京 100094)

摘要:为研究30 min吸氧排氮对模拟出舱活动减压病发生率的影响，通过高空减压病易感性选拔了17名健康成年男性，在低压舱3 km高度条件下吸氧排氮30 min后，在7.2 km高度上模拟出舱活动，观察记录受试者心前区回心血流减压气泡和减压病发生率。发现除高空暴露期间检测到1～2级心前区回心血流气泡信号外，未发生减压病。证实了在3 km低压条件下30 min吸氧排氮能有效预防模拟出舱活动减压病发生。

关键词:出舱活动；吸氧排氮方案；减压病

1引言

航天员出舱活动需要从载人航天器乘员舱常压环境过渡到舱外航天服低压环境，如果不采取有效预防措施，有可能发生减压病。出舱活动期间发生减压病将严重影响航天员工作效率、身体健康以及航天任务完成。预防出舱活动减压病发生的主要方法和措施：1)舱外航天服采用高压制，如当乘员舱压力为1个大气压，舱外航天服内压力不低于57.2 kPa时，出舱活动前不进行吸氧排氮的R值(R值为减压应急发生减压病风险指标，是机体内组织中的惰性气体分压与周围环境大气压力之比)低于1.4，此时出舱活动不易患减压病[1]；2)乘员舱采用低压制，如美国阿波罗登月和天空实验室舱压为33.4 kPa，舱外航天服压力为25.5 kPa，可有效预防出舱活动减压病发生[2]；3)出舱活动前吸氧排氮，根据出舱活动医学上可接受的R值确定吸氧排氮时间，使其出舱活动时的R值满足减压病风险可接受的医学要求(如美国空间站和航天飞机出舱活动可接受的R值分别为1.4、1.65[3])；4)对航天员进行减压病易感性选拔，淘汰减压病易感者也是预防出舱活动减压病易感性方法之一。但在目前载人航天出舱活动中，由于高压制舱外航天服研制技术的限制，出舱活动前吸氧排氮仍然是预防减压病最有效的措施之一，美国和俄罗斯都各自制定了预防减压病发生的出舱活动吸氧排氮方案措施，并成功预防了出舱活动减压病发生。鉴于我国飞船和舱外航天服压力制度与俄罗斯基本一致，且俄罗斯出舱活动前吸氧排氮时间为30 min，本文研究30 min吸氧排氮对模拟出舱活动减压病发生的影响，以分析30 min出舱活动吸氧排氮方案预防减压病发生的效果，为后续研究制定高效的出舱活动吸氧排氮方案提供实验依据。

2实验方法

2.1实验对象

17名受试者均为健康男性，年龄(32.2±5.9)岁，身高(169.6±4.7)cm，体重(63.4±6.8)kg；受试者经临床医学体检无骨关节、肌肉疼痛，无皮肤痒，无胃肠道疾病，无心血管疾病等；并根据航天员高空减压病易感性选拔方法[4]，进行10 km高空减压病易感性检查确定为减压病不易感；实验前1周无高、低气压暴露史，实验前2天高空饮食。

2.2实验仪器、设备

1) 低压舱及低压舱通话、闭路电视监视系统，满足实验要求；

2) 遥测心电图仪(日本光电，WEP-4204)；

3) 气泡检测仪(法国，AquaLah System)；

4) 呼吸质谱仪(英国，HPR20plus)；

5) 手摇自行车功量计(丹麦，DM-03);

6) 头盔面罩供氧通话系统，高压氧舱等满足实验要求。

2.3测试指标

1) 主观感觉及体征；

2) 胸前区回心血气泡信号：实验过程中由1名实验人员实时监听、录音气泡信号，实验后对监听结果进行录音回放确认；胸前区回心血流气泡信号，按Spencer分级[5-6](见表1)；

3) 心电图；

4) 面罩内口鼻区氧浓度。

表1　心前区多普勒气泡信号分级标准

2.4吸氧排氮及出舱活动模拟

2.4.1吸氧排氮

低压舱初始压力为本地压力101.2 kPa～102.2 kPa，受试者戴呼吸面罩在低压舱，压力下降至3 km(70.3 kPa)开始吸纯氧排氮30 min，之后低压舱压力下降至7.2 km(40 kPa)模拟出舱活动。

2.4.2低压舱内环境压力模拟

低压舱初始压力为本地大气压力101.2～102.2 kPa，受试者在低压舱戴呼吸面罩，低压舱上升至模拟高度3 km(舱内压力70.3 kPa)开始吸纯氧排氮30 min，之后低压舱上升至模拟高度7.2 km(舱内压力40 kPa)模拟出舱活动。

图1　低压舱模拟出舱活动压力变化曲线示意图Fig.1　Pressure changes of simulated EVA in altitude chamber

2.4.3出舱活动负荷模拟

高空暴露期间，模拟出舱活动的人体能量代谢率约为300 W。具体模拟动作：在4 h出舱活动模拟期间受试者双手摇自行车功量计(40 W，50 rpm)4 min，休息30 s，再双手摇自行车功量计4 min，休息5.5 min；重复以上动作，直到实验结束。

2.5统计分析

心率采用平均数±标准差，组间t检验，P<0.05为显著性差异，P<0.01为非常显著性差异。

3实验结果

3.1心电和面罩内氧浓度指标变化

实验期间受试者心电图无明显变化；3 km吸氧排氮期间心率79.7±12.2 bpm，7.2 km安静状态下心率84.9±9.9 bpm，7.2 km模拟出舱活动运动负荷条件下心率118.2±14.0。模拟出舱活动运动负荷条件下心率显著高于3 km吸氧排氮期间和7.2 km安静状态下的心率(分别P<0.01)，3 km吸氧排氮期间的心率与7.2 km安静状态下的心率无显著性差异(P>0.05)。3 km高度吸氧排氮及高空暴露期间面罩内受试者呼吸的吸气相氧浓度达到95%～98%，满足本实验方案设计规定的吸氧排氮要求和实验供氧安全要求。

3.2减压病和高空减压气泡监测情况

17名受试者按实验要求完成了7.2 km高空暴露4 h实验，实验过程中除高空暴露期间运动时感到稍累，及头部、上身明显出汗(尤其在实验后期更为明显)外，受试者没有出现皮肤痒、关节肌肉痛等减压病症状及其它不适症状，各受试者高空暴露期间可检测均检测到1级或2级心前区回心血流气泡信号，但未监测到严重级别的3、4级气泡信号，受试者首次出现回心血流气泡音的时间分布为：高空暴露2～2.5 h为4人次，2.5～3 h为6人次，3～4 h为7人次。

4讨论

目前，美国和俄罗斯载人航天器乘员舱气压均为一个大气压，气体成分与海平面的大气环境成分接近；出舱活动舱外航天服内压力均为低压制。为此，美国和俄罗斯在出舱活动前均采用了吸氧排氮措施预防出舱活动低压环境给航天员带来的减压病风险[7,8]。由于美国和俄罗斯两国舱外航天服内的具体压力不同，因此其相应的出舱活动吸氧排氮方案也不相同，表2是美国和俄罗斯预防出舱活动减压病发生的各种吸氧排氮方案[2]。据文献报道美国出舱活动吸氧排氮方案的组织氮过饱和系数(R值)为1.65左右[9-10]，俄罗斯出舱活动吸氧排氮方案的R值平均为1.80左右[10-11]。到目前为止，美国和俄罗斯均未报道出舱活动减压病发生[12-14]。因此，无论是俄罗斯还是美国预防出舱活动减压病的措施都是安全的。

针对我国乘员舱压力为91.3～101.3 kPa，舱外航天服压力为40 kPa的出舱活动条件下的减压病预防，在研究和充分借鉴俄罗斯出舱活动吸氧排氮方案的基础上，提出了30 min出舱活动吸氧排氮方案。该30 min出舱活动吸氧排氮方案的主要内容与俄罗斯基本一致(见表2，吸氧排氮时间由俄罗斯的30 min改为不少于30 min),通过理论计算[15]分析可知：采用该吸氧排氮方案,吸氧排氮时间为30 min时,如载人航天器乘员舱为1个大气压力制度，R值与俄罗斯出舱活动吸氧排氮的R值基本一致；如载人航天器乘员舱为91.3 kPa压力制度，则该吸氧排氮方案的R值为1.53左右，低于俄罗斯出舱活动吸氧排氮方案的R值，这更有利于减压病的预防。因此，根据俄罗斯出舱活动吸氧排氮方案有效预防出舱活动减压病发生的实际经验，理论上该30 min出舱活动吸氧排氮方案能有效预防航天员出舱活动减压病发生。

本实验研究结果显示17名受试者吸氧排氮30 min后暴露在7.2 km高度低压环境(40 kPa)4 h模拟出舱活动未发生减压病，表明30 min吸氧排氮能有效预防地面模拟出舱活动减压病发生。文献报道美国和俄罗斯地面模拟出舱活动吸氧排氮方案的出舱活动轻度减压病发生率达20%～40%，而实际太空出舱活动并无报道减压病发生[16]，由此可知实际太空出舱活动条件下，减压病发生的风险要比地面模拟情况下的低。因此，结合本实验未出现减压病发生的结果，可以认为30 min吸氧排氮能够有效预防实际太空出舱活动减压病发生。地面模拟出舱减压病发生风险高于太空实际出舱活动的可能因素：1)实际太空出舱活动时通过航天服的硬度阻碍了航天员在舱外活动时的剧烈运动，有利于抑制机体组织内气核和气泡形成，而地面模拟出舱活动时受试者没有穿舱外航天服；2)微重力有利于提高吸氧排氮效率[17-19]。由于上述30 min出舱活动吸氧排氮方案的最短吸氧排氮时间与本实验的吸氧排氮时间一致，且出舱活动吸氧排氮期间的舱外航天服内压力与70 kPa低压条件也基本一致，因此根据本文实验结果也可推论，本文提出的30 min出舱活动吸氧排氮方案能有效预防航天员出舱活动减压病发生。

表2　国外各种出舱活动舱外航天服压力制度及吸氧排氮方案

本实验模拟出舱活动减压病发生率远低于俄罗斯地面模拟出舱活动的减压病发生率20%～40%，与有关文献报道的地面吸氧排氮1 h分别上升至6.9 km或7.6 km高度停留4 h模拟出舱活动减压病发生率分别为26.3%和63%[20]的结果也相差较大，其原因可能与本实验受试者经过减压病易感性选拔有关。针对乘员舱91.3 kPa压力制度，本实验未采用低压舱91.3 kPa条件下的人体内初始氮水平，而采用了低压舱本地大气压力条件下的人体内初始氮水平进行吸氧排氮实验，主要基于以下原因：1)该方法相对简单，易于操作，避免了在吸氧排氮前通过采用其它措施(如提前24～48 h暴露到91.3 kPa的低压舱大气压力环境等，这些措施有一定的难度，且实施效果不准确)来改变受试者在本地大气压力下的体内初始氮水平；2)采用本地大气压力条件下的人体内初始氮水平进行吸氧排氮的R值大于实际太空飞船91.3 kPa下人体内初始氮水平进行吸氧排氮的R值，其预防减压病的有效性可以间接推论到实际太空出舱活动减压病预防效果。

5结论

在3 km低压条件下，30 min吸氧排氮能有效预防模拟出舱活动减压病发生；提出的30 min出舱活动吸氧排氮方案可有效预防航天员出舱活动减压病发生。

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Influence of 30 min Pre-oxygenation on Incidence of Decompression Sickness during Simulated EVA

PENG Yuankai,ZHAO Hai, MA Ting, GAO Yuchen,FEI Jinxue,LIU Gang, DING Junping,XU Guoxin

(China Astronaut Research and Training Center,Beijing 100094，China)

Abstract:To study the influence pre-oxygenation on the incidence of decompression sickness during simulated extravehicular activity (EVA), 17 health volunteers who passed the susceptibility test of decompression sickness carried out the simulated EVA after 30 min pre-oxygenation in the altitude chamber. The volunteers were monitored for the primordial venous bubble of decompression and the symptoms of decompression sickness. The decompression sickness was not found except the detection of one to two grade bubble signals during the high altitude exposure. The 30min pre-oxygenation at the 3000 meter altitude exposure can effectively prevent the happening of the decompression sickness incidence during simulated EVA.

Key words:EVA; pre-oxygenation; decompression sickness

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2016-03-29

基金项目：中国载人航天工程基金资助项目(01100308)

作者简介：彭远开(1963-)，男，硕士，研究员，研究方向为航天环境医学。Email ykpeng507@aliyun.com

中图分类号：R852.16

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0394-05