三维滚轮在人体前庭功能稳定性和心血管功能评价中的应用

潘益凯，张刘伟，杨 涵，高 原，黎舒涵，李程飞，李 曦，范洁怡，铁娅滕，赵星成，王永春，孙喜庆

(空军军医大学： 1航空航天医学系航空航天医学训练教研室， 2基础医学院学员二大队， 3航空航天医学系航空航天生物动力学教研室，陕西 西安 710032)

飞行人员是空军战斗力的主体，是国家的战略资源。军队跨越式发展和战机的更新换代，对飞行人员的能力素质提出了更高的要求。飞机在飞行过程中，尤其是在做各种特技飞行时，会对飞行人员的前庭系统产生明显刺激。对于前庭敏感者则会出现眩晕、出汗、面色苍白、恶心、呕吐、心悸、唾液增加等迷走神经机能反应症候群，称为运动病[1]。同时，还可能出现由于无法正确感知飞机及自身位置、运动姿态所导致的空间定向障碍[2]。前期研究表明，多轴向前庭刺激还会影响飞行人员的心血管自主神经调节能力[3-4]。上述问题的出现对飞行安全和飞行任务的顺利完成造成了极大的威胁和挑战。由本课题组自主研制的新型三维滚轮，可以通过对三个轴向转动速度和角加速度的精确控制来改变前庭刺激的强度，从而引发一系列前庭和心血管反应[5]。本研究通过观察受试者进行三维滚轮刺激前后前庭功能分级、前庭症状评分、血压、心率和心率变异性的变化情况，与电动转椅的测试结果相比较，探讨新型三维滚轮对于人体前庭功能稳定性和心血管调节能力评价的应用价值，为制定三维滚轮前庭功能评估方案提供实验依据。

1 对象与方法

1.1 对象

选取某军医大学20名健康男性本科学员作为受试者，年龄(21.3±1.6)岁，身高(177.5±6.3)cm，体质量(74.1±8.1)kg，无心肺疾病史，无前庭系统或运动系统疾病史，无烟酒等不良嗜好。在实验开始前24 h及实验期间不饮用含有咖啡因、乙醇等可能影响自主神经功能的饮品，避免进行剧烈的体育运动，正常休息和饮食。本实验在空军军医大学航空航天医学教育部重点实验室进行，实验内容经空军军医大学医学伦理委员会审核批准(许可证号：KY20204143-1)。所有受试者对实验内容完全知情并签署了知情同意书。

1.2 实验设备

1.2.1 电动转椅 采用上海继德教学实验器械厂生产制造的多功能电动前庭功能转椅。该设备为电力驱动，旋转的最大角速度为180°/s，转椅靠背头部位置设有辅助进行左右摆头的头托，摆动范围为左右各30°，电动节拍器频率设定为30次/min。

1.2.2 三维滚轮 采用本课题组自主研制的新型三维滚轮(图1)。与上一代电动三维滚轮相比，该设备可以实现多角度、多方位的前庭刺激，不仅可通过精确调控三维滚轮的旋转角速度、角加速度和转动时间等来改变前庭刺激的强度，而且在刺激过程中还伴有身体滚转和血液转移，从而能够更好地模拟实际飞行过程。

图1 新型三维滚轮

1.2.3 医用电子血压计 采用J760型电子血压计(欧姆龙医疗器械有限公司)记录测试前后受试者血压的变化。

1.2.4 生理参数记录检测仪 采用KF2型动态多参数生理检测仪(北京保迈科技有限公司)记录测试过程中受试者心率的变化情况。

1.3 方法

分别利用电动转椅和三维滚轮对20名受试者进行前庭功能稳定性和心血管调节能力的测试评价，为避免相互干扰，两次测试时间间隔2 d以上。

1.3.1 电动转椅测试 测试开始前，嘱受试者在实验室内静息10 min，消除紧张等心理因素的影响。将生理参数记录检测仪固定于受试者胸前，确保检测仪处于正常工作状态，测量血压。选用空军招飞前庭功能标准测试方案：受试者端坐于电动转椅上，系牢安全带。调整头托高度于头部正中，固定好头部，嘱受试者闭眼。转椅以180°/s的角速度顺时针匀速旋转，持续时间为90 s，受试者跟随电动节拍器的频率进行2 s/次的左右摆头，摆动角度为左右各30°。在实验过程中，观察受试者的面部表情和身体变化，如出现头痛、呕吐、大汗等无法坚持完成实验的症状时，应立即停止实验。测试结束后，再次测量受试者的血压，待其静坐5 min后，取下生理参数记录检测仪，利用软件进行心率变异性分析。

1.3.2 三维滚轮测试 测试开始前和测试后的实验内容同上。受试者端坐于三维滚轮座椅上，固定好胸腹部、手足处的安全带及安全压杠。嘱受试者双手握住两侧握把，双腿收紧，保持上半身紧贴于座椅上，闭眼。设定好转速参数(内框120°/s、中框90°/s、外框40°/s)后启动设备进行旋转刺激。待转速稳定后持续90 s。

1.3.3 前庭功能稳定性评价 观察受试者在实验前后前庭自主神经症状的变化情况，并询问其主观感受。按照前庭功能分级标准[6]和Graybiel运动病评分量表[7]对受试者的前庭功能稳定性进行评价。受试者能够完成90 s电动转椅或三维滚轮测试，且前庭功能分级为0度、Ⅰ度者为合格；受试者无法完成测试，或能够完成，但前庭功能分级为Ⅱ度、Ⅲ度者均为前庭敏感，判定为不合格。

2 结果

2.1 两种测试方法前庭功能分级结果的比较

20名受试者参加了电动转椅测试，其中有5名受试者未出现任何不良反应，前庭功能分级判定为0度；有10人出现了轻度头晕、恶心、出汗或面色稍白、胃部不适等症状，判定为I度；有2人除头晕、恶心症状外，还出现了额角汗珠、面色苍白，判定为II度；有2人除上述症状加重外，还出现了干呕，判定为III度；还有1名受试者因无法耐受而未能完成测试。以电动转椅方法对受试者前庭功能进行评价，共有前庭反应敏感者5人(II度+III度+未完成测试者)，占测试总人数的25%。

20名相同受试者参加了三维滚轮测试，其中有4名受试者无任何不良反应，前庭功能分级判定为0度；有12人出现了轻度的头晕、恶心，或微汗、面色稍白、胃部不适的症状，判定为I度；有1人除头晕、恶心症状外，还出现了额角汗珠和面色苍白，判定为II度；还有3名受试者因前庭自主神经症状较重、无法继续耐受而中止实验。以三维滚轮方法对受试者前庭功能进行评价，共有前庭反应敏感者4人，占测试总人数的20%。

2.2 两种测试方法前庭症状评分结果的比较

20名受试者分别接受90 s的电动转椅和三维滚轮测试，结果表明，前庭症状评分较测试前均明显升高(P<0.05)，而电动转椅与三维滚轮测试后的前庭症状评分结果之间无明显差异(P>0.05，表1)。

表1 电动转椅和三维滚轮测试前后前庭症状评分的变化 (n=20，分，

2.3 两种测试方法血压和心率变化的比较

与测试前相比，电动转椅测试后受试者的收缩压和舒张压均明显升高(P<0.05)，而心率在测试前后无明显变化；与测试前相比，三维滚轮测试后受试者的收缩压和心率均明显升高(P<0.05)，舒张压则无明显变化(表2)。

表2 电动转椅和三维滚轮测试前后血压和心率的变化

3 讨论

飞行人员在执行飞行任务时，由于起飞、降落、加减速、遇到不稳定气流后发生颠簸等，可对前庭器官产生明显刺激，前庭功能不良者可能出现运动病甚至空间定向障碍。在我军飞行学员医学选拔、飞行学员转校以及飞行人员科目训练过程中，运动病和前庭功能不良是造成医学停飞和飞行事故发生的重要原因[8-10]。随着空军高性能战机的飞速发展，尤其是在载荷、机动性、速度和角加速度等方面的不断优化和改进，对飞行人员的前庭功能稳定性提出了新的考验。因此，为了最大程度地保障飞行安全、减少飞行事故的发生，如何快速、精准地在选拔飞行人员体格检查时进行前庭功能评定一直是航空医学领域中最为关注的重要问题[11]。目前我军飞行人员现行的前庭稳定性评价方法主要是：在电动转椅上进行的阶梯式累加科里奥利加速度刺激法，通过诱发前庭自主神经反应来评定被检者的前庭功能。研究表明，飞行人员对科里奥利加速度的耐受能力与晕机病的发生率和严重程度密切相关[12]。然而，电动转椅在旋转过程中，主要对半规管的壶腹嵴进行刺激，无法同时对椭圆囊和球囊产生相应刺激，而飞行过程是一个三维空间的运动，因此，电动转椅在评估飞行人员前庭功能方面有一定局限性。

由本课题组自主研制的新型三维滚轮，在之前研制设备的基础上进行了进一步的改良和升级。其优势在于，可以实现多角度、多方位的前庭刺激，不仅可以通过调节三维滚轮的转动速度、转动加速度和转动时间改变前庭刺激的强度，而且在测试过程中还伴有身体滚转和血液转移，从而能够更好地模拟实际飞行[5]。为进一步探究应用新型三维滚轮评价人体前庭功能稳定性的效果，本实验分别比较了90 s电动转椅和三维滚轮测试后被试者前庭功能分级和前庭症状评分的差异。结果表明，电动转椅的前庭功能稳定性合格率为75%，而三维滚轮的合格率为80%；两种测试结束后，被试者的前庭症状评分较测试前均显著升高，且两者的前庭症状评分结果之间无显著差异。此外，我们还发现，在三维滚轮测试中由于无法耐受前庭自主神经反应而中止实验者共计3人。而以上这3人在进行电动转椅测试时，均完成了实验，前庭功能分级为I度、II度、III度各1人。由此可见，新型三维滚轮可以更加全面有效地刺激前庭器官，与电动转椅在前庭功能评价方面具有高度的一致性。

前庭系统通过神经冲动传导和内分泌调节与人体心血管功能紧密相连，其中起重要作用的是自主神经系统[13]。前庭-交感反射[14]可以帮助机体在运动和体位发生变化期间，通过对前庭器官产生适宜刺激，经由自主神经调节血压、心率等，与压力反射器相互补充，共同维持心血管功能的稳定。因此，由前庭自主神经反应所诱发的心血管调节能力的改变同样值得引起我们的关注。本课题组前期研究表明，三维滚轮所产生的前庭多轴向刺激会抑制机体在直立位应激时的心血管调节过程，而短臂离心机训练时复合前庭刺激可增强心脏交感神经兴奋性，改善心血管功能[15-16]。此外，强东昌等[17]证实，前庭刺激可能会削弱机体心血管压力感受器反射调节功能的稳定性，造成部分被试者的直立位耐力降低。本研究发现，电动转椅和三维滚轮测试均可造成受试者收缩压明显升高，而三维滚轮测试后受试者心率亦明显加快，这可能与三维滚轮运行时体位角度变化较快所导致的受试者产生紧张等心理有关。以上结果提示，新型三维滚轮可有效评定心血管功能。

综上所述，新型三维滚轮测试后受试者前庭功能分级结果和电动转椅测试基本一致，收缩压和心率均显著升高，提示三维滚轮可以用于人体前庭功能稳定性和心血管功能的评价，有望在未来飞行人员招飞选拔、体检和前庭功能稳定性训练中发挥重要作用，其适宜的测试方案有待进一步探讨。