高压氧预处理对加速度耐力不良飞行员下体负压耐力的影响

马梦雨,刘红巾

(1.河北北方学院,张家口 075000; 2.空军特色医学中心全军临床航空医学中心,北京 100142)

1 引言

随着空军战机快速换代以及飞行方式与作战样式的转变,加速度负荷不断提高,当飞行中加速度骤变时,最高可达9 G 甚至更高,可能引起加速度灰视、黑视甚至加速度晕厥(G-induced Loss of Consciousness,G-LOC),这些都是威胁飞行安全的重要因素[1-2]。在载人航天飞行中,航天器发射和返回阶段均会产生超重现象,使航天员受到胸背向惯性力作用,承受+Gx过载[3]。因此,科学有效地提升飞行员加速度耐力和航天员超重耐力是航空航天医学领域重点关注的问题。

离心机既是检测飞行员加速度耐力的标准设备,也是加速度耐力的训练设备。姚永杰等[4]研究表明,下体负压耐力(Lower Body Negative Pressure,LBNP)与离心机+Gz的生物学效应相似,即LBNP 时血液重新分配,引起头部血压下降和供血不足。坐位-6.67 kPa 下体负压可以模拟+(2～3)Gz对人体心血管功能的影响[5]。因此,下体负压耐力可以反映加速度耐力。下体负压舱设备小巧,便于操作,可用于加速度耐力初步检测及加速度耐力训练,同时也可用于飞行员和航天员立位耐力选拔与评价[6]。

孙喜庆等[7]研究表明,高压氧预处理(Hyperbaric Oxygen Preconditioning,HBOP)可改善心血管血流动力学,提高飞行员的立位耐力,而立位耐力与加速度耐力密切相关;谢秋幼等[8]、杨长斌等[9]研究发现,在应激状态下,人体接受HBOP后心率变异性会发生改变,进而影响自主神经功能,提高人体的直立位耐力,该结果提示HBOP可能对不明原因的晕厥具有一定的保护作用。Richard 等[10]研究表明,在水下浸润时呼吸高压氧可能会增强水下浸润后对立位耐力的心血管补偿反应。暴露于吸入高压氧的状态下,可能对脉管系统和自主神经系统产生直接和间接的影响,增强水下浸润后对立位耐力的心血管代偿反应。Ishihara 等[11]及Al-Waili 等[12]研究发现,HBOP可以使血压(Blood Pressure,BP)明显升高、心率(Heart Rate,HR)明显下降。刘叶等[13]研究表明HBOP 能够有效提高正常飞行员的下体负压耐力。随着飞行任务强度增大,飞行人员脑力、体力负荷也会随之增加,疲劳也成为一种导致飞行事故的因素,在疲劳状态下易导致视觉敏锐度下降及A-LOC(Almost Loss of Consciousness)、G-LOC等的发生[13]。HBOP 可以促进机体各组织、细胞的氧张力,能够有利于乳酸(Blood Lactic Acid,BLA)、氢离子、CO2等酸性产物的代谢清除,减轻疲劳程度,促进恢复、提高机体的耐力[15-16]。低氧引起的机体应激,会通过HPA(Hypothalamic-Pituitary-Adrenal)轴产生一系列神经内分泌反应,从而对各重要脏器功能产生影响[17]。HBOP 可以提高机体血浆多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素和促肾上腺皮质激素(Adrenal Corticotropic Hormone,ACTH)的表达水平,从而加快机体内环境建立新的平衡以适应急性低氧环境[18]。

本文将探讨高压氧预处理对加速度耐力不良飞行员下体负压耐力的改善情况,利用下体负压舱检测下体负压耐力,并通过离心机检测加速度耐力加以验证;通过血压、心率、乳酸、氢离子浓度、二氧化碳分压(Partial Pressure of Carbon Dioxide,PCO2)、氧分压(Partial Pressure of Oxygen,PO2)以及促肾上腺皮质激素等指标研究高压氧预处理对人体的影响。本文研究结果对航天环境航天员的超重耐力及立位耐力不良的改善也具有参考价值。

2 方法

2.1 受试者

选取2021年2～7月在空军特色医学中心体检出的加速度耐力不良(+Gz耐力＜4.0 G/10 s)歼击机飞行员30 名,男性,年龄(26.26±4.20)岁,身高(174.39±2.40)cm,体重(67.84±5.35)kg,飞行时间(650.19±510.77)h。无基础疾病及遗传病史,均通过飞行体检,如平板运动试验、心脏超声、全脊柱X 线和心理测评等,且日常坚持体能训练。所有受试者被告知研究内容及可能存在的技术风险,并签署知情同意书。实验获空军特色医学中心伦理委员会批准。

2.2 高压氧预处理

实验在解放军总医院YC3800J-X 高压氧舱(烟台冰轮高压氧舱有限公司)进行高压氧预处理。HBOP 的安全压力窗为1.5～3.0 绝对大气压(Atmosphaera Absolutus,ATA),而2.0 ATA 和2.5 ATA 是较合适的压力条件,压力太低达不到HBOP 效果[19]。

采用多人氧舱、连续3 d 进行HBOP 的方案。受试者进舱封闭舱门后,10 min 内气压升至2.5 ATA,稳压65 min,期间包括2 次吸氧:戴氧气面罩吸入纯氧30 min,停止吸氧5 min,再次戴氧气面罩吸入纯氧30 min;之后在10 min 内减压至1.3 ATA,并停留5 min,继续减压5 min 至常压1 ATA 后结束,受试者出舱。进舱时间共计95 min,每日1 次,实验时间固定在每天14:30～16:15,连续3 d。

HBOP 前、后测量下体负压耐力、离心机加速度耐力及各项血液指标。

2.3 下体负压耐力测试

下体负压耐力测试可用于检查和预测飞行员的+Gz耐力。受试者自然坐于XF-2008 下体负压舱(烟台冰轮高压氧舱有限公司),其髂棘连线以下置于舱内,密封圈充气膨胀,并将其密封在舱口出入口边缘,以保证舱内的密封性能。采用阶梯式递增方案增加LBNP 负荷量: - 20 mmHg(1 min)→- 30 mmHg (3 min)→- 40 mmHg(5 min)→- 50 mmHg (7 min)→ - 70 mmHg(9 min)→ -80 mmHg(11 min)等。测试过程中,询问、密切观察受试者的主观感受和体征,同时采用PM-800Express 迈瑞监护仪监测受试者心率、血压、呼吸等变化。当到达耐力终点时,迅速解除下体负压仪内的负压,结束实验。

耐力终止指标为以下任一项: ①血压突然降至 90/60 mmHg 以下; ②心率突然下降15 次,或低于60 次/min; ③受试者主诉头晕心慌、胸闷恶心,出现面色苍白、发绀等体征。

2.4 加速度耐力测试

离心机测试的头足向正加速度耐力(+Gz耐力)是影响飞行安全的最主要因素之一,本文加速度耐力即指+Gz耐力。离心机为空军特色医学中心AMST-HC-4E 型载人离心机(奥地利AMST 技术公司),主臂长8. 0 m,可产生三轴向加速度:前后向载荷为-10 ～ +10 Gx,侧向载荷为-6 ～ +6 Gy,纵向载荷为- 5 ～+15 Gz,最大+Gz增长率为10 G/s。座舱内装有1 个红色中央灯和2 个白色周边灯,用于判断受试者的视觉变化。通过空军特色医学中心研制的耳脉搏传感器记录耳脉搏信号波幅变化,实时检测受试者的脑部供血情况。抗荷供氧装备包括:TK-X 保护头盔、YM-X 加压供氧面罩、KH-X 抗荷服、KT-X 抗调器、YX-X 氧气系统。氧气气源压力为1 MPa。

加速度耐力在HBOP 之前、后测试。在离心机上分别行+2 Gz,+3 Gz,+4 Gz测试,G 值增长率为3 G/s,载荷持续时间10 s,实验在当天上午8:30～11:00 进行。

以飞行员周边视力丧失 (Peripheral Light Loss,PLL)或耳脉搏波幅度下降75%以上或受试者因为各种原因无法继续实验作为耐力终止指标。

2.5 研究指标

采用受试者自身高压氧预处理前后对照,测量高压氧预处理前、后下体负压耐力、离心机加速度耐力、各项血液指标等。下体负压耐力指标包括:下体负压耐力耐受时间及累积应激指数;血流动力学指标包括:血压、心率;静脉血指标:BLA、氢离子浓度、PCO2、PO2、ACTH。离心机通过率为离心机测试(4.0 G/10 s)通过人数与参加离心机测试的总人数的比值。

累积应激指数CSI[13]用来反应LBNP 水平,计算方法见式(1):

其中,N为受试者人数,Pi为负压水平,单位mmHg,ti为各负压水平的耐受时间,单位min,负压水平范围为-80～-20 mmHg,负压水平耐受时间为0～11 min。

正常促肾上腺皮质激素的分泌存在昼夜节律性,早晨高,下午和晚上低,本次实验统一设定抽血时间为上午8:00 以控制实验变量,共采血2次: ①实验第1 天,每位受试者HBOP 前于基础状态下(实验当天上午8:00)抽取肘部静脉血2 mL,离心取血清,由空军特色医学中心检验科完成HBOP 前乳酸、氢离子浓度、PCO2、PO2、促肾上腺皮质激素含量的检测; ②最后1 次吸氧结束后,于次日8:00 再次抽取静脉血,检测相应生理指标。

2.6 统计分析

实验数据采用SPSS25. 0 进行统计学分析,以平均数±标准差(±s)表示。本次实验数据符合正态分布,经正态性检验的实验数据比较采用配对t检验,P＜0. 05 认为差异具有统计学意义。

3 结果

3 次HBOP 后,对受试者下体负压耐力、血流动力学及血液指标的影响见表1。由表1 可以看出,负压水平耐受时间HBOP 前为15.37 min,HBOP 后增加了5.11 min,有显著性改变,累积应激指数HBOP 前为-856.13 min·mmHg,HBOP 后减少了-381 min·mmHg,受试者在吸氧后累积应激指数显著性增加(P＜0.001),说明下体负压耐力明显提高。

HBOP 前,30 名加速度耐力不良飞行员在离心机测试(4.0 G/10 s)均未通过,HBOP 后,有28名顺利通过测试,剩余2 人中的1 人因跟腱受伤未参加离心机测试,1 人未通过。

由表1 可以看出,3 次HBOP 后受试者舒张压显著升高(P＜0.01),心率显著减慢(P＜0.05),实验具有统计学意义;收缩压在HBOP 前后无显著性差别;3 次HBOP 后,受试者乳酸、氢离子浓度、PCO2显著降低,PO2显著升高(P＜0.05)。HBOP 前促肾上腺皮质激素为48.31 pmol/L,HBOP 后下降2.44 pmol/L,但不具显著性(P＞0.05)。

表1 HBOP 对下体负压耐力、血流动力学及血液指标的影响(±s,n=30)Table 1 Effects of HBOP on lower body negative pressure endurance,hemodynamics and blood parameters(±s,n=30)

表1 HBOP 对下体负压耐力、血流动力学及血液指标的影响(±s,n=30)Table 1 Effects of HBOP on lower body negative pressure endurance,hemodynamics and blood parameters(±s,n=30)

指标HBOP 前HBOP 后tP下体负压耐耐受时间/min15.37±3.7320.48±4.617.750.001累积应激指数/(min·mmHg)-856.13±273.76-1237.42±385.5011.20.001收缩压/mmHg110.84±8.77109.19±6.940.930.360舒张压/mmHg71.06±6.1175.55±7.09-3.2520.003心率/(beat/min)64.97±8.6856.74±7.615.4930.032乳酸/(mmol/L)2.66±1.382.13±0.702.1860.037氢离子(nmol/L)50.15±4.6747.79±3.322.620.014二氧化碳分压/mmHg56.59±7.0253.77±5.932.1880.037氧分压/mmHg51.69±24.4063.06±28.08-2.420.022促肾上腺皮质激素/(pmol/L)48.31±21.3045.87±14.360.6540.518

4 讨论

本文结果可以看出,经过HBOP 之后,加速度耐力不良飞行员下体负压耐力显著提高,并利用离心机测试加以验证,93.3%的加速度耐力不良(+Gz耐力＜4.0 G/10 s)飞行员在离心机测试中已达标。其中未通过离心机测试的一名飞行员,十年前曾有过热射病病史,虽目前身体健康,但加速度耐力仍未达标,后续将跟进对飞行员加速度耐力的训练。

4.1 HBOP 对加速度耐力不良飞行员血流动力学的影响

本文结果显示,HBOP 提高了加速度耐力不良飞行员的舒张压,减缓了心率,提高了组织氧含量和储氧量,对组织的缺氧起着十分重要的保护作用。

Lund 等[20]研究表明,HBOP 可以增加动脉压力和降低心率,这与本文研究结果一致。高压氧能明显改善血流动力学,降低血液粘稠度,其作用机制如下[21]:①HBOP 可促进氧气进入组织,治疗由于细胞水肿引起的局部组织缺氧;②由于经过了HBOP 处理,CO2发生潴留,机体反射性的使脑血流局部扩张,以增加脑部组织的血流量;③若出现局部缺氧,HBOP 能引导血液流向最需要氧气输送的地方,远离非重要的区域,以进一步增强微循环功能。本文HBOP 实验,对于加速度耐力不良飞行员而言,使周围阻力在一定时间内减轻,血液黏度降低,有效血容量增加,纠正了机体的氧供情况,使心脏功能、血流动力学及体液循环得到改善。

吴霄杨[22]、李宁等[23]研究认为,健康人在3 ATA 氧压下,总血管阻力增加50%以上,可导致舒张压升高。HBO 治疗能够减慢心率,可能是由于颈动脉窦和主动脉弓的化学感受器和压力感受器受到了高浓度血氧和血管内压力升高的刺激,从而反射性地使心率减慢[24]。飞行员在高空飞行时氧气含量降低,进而组织的红细胞增多,血液变粘稠,流速减慢,使得血流动力学的脉率、全血黏度、微循环半更新时间上升,而每搏量、平均动脉压及有效血容量下降。本文实验结果表明,HBOP 能促使心脏表现出机能节省化迹象,舒张压升高被认为是对HBOP 期间极端高氧血症的保护性平衡反应,而心率减缓是由于人体NO 浓度在HBOP 期间明显下降,直接使其作用于窦房结自律性细胞中,以上血流动力学的改变都有利于延长体力负荷的持续时间,增强本体运动能力,从而提高下体负压耐力。空间飞行后,航天员超重耐力和立位耐力变差,有更多血液潴留在下肢,从而增加心血管系统的调节负荷[25],一定方式的高压氧暴露对心血管系统的影响或可对航天员超重耐力训练以及航天飞行返回后立位耐力不良的改善发挥积极作用。

4.2 HBOP 减轻人体疲劳程度

崔建华等[26]研究表明,在海拔3700 m 进行5 次HBOP 可有效改善运动后氧自由基代谢长达8 d,2 次HBOP 可持续5 d。由于HBOP 在高海拔地区能加快体内乳酸的清除速度,同时由于体内组织细胞和体液中的氧张力显著提高,有利于乳酸和其他酸性产物的清除[12]。同时,短期的HBOP 能明显有效提高体力负荷后血糖水平,显著降低乳酸脱氢酶和Na+-K+-ATP 酶活性,加速体内乳酸的清除,这能有效减缓疲劳发生、减轻疲劳严重程度和有效提高劳动效率[27]。

本文实验结果在HBOP 后,氧分压较之前有明显升高,乳酸、氢离子浓度、二氧化碳分压较之前有明显的下降,说明HBOP 的作用一方面表现在提高血液中的氧分压,使血液中物理氧溶量快速增加,增强机体的氧运输能力,改善了组织缺氧状态,促使有氧代谢的正常进行;另一方面,HBOP 可以改善机体内的酸性环境,提高了血红蛋白与氧的结合,从而促进了机体的疲劳恢复。

HBOP 适用于加速度耐力不良飞行员,通过提高血液的氧气含量,使血液在各个组织中循环,有效区域得以进一步扩大。此外,可减少飞行员疲劳程度,提高加速度耐力。因此,如果飞行前进行适当的HBOP,可减少飞行员的体力负荷,以减少疲劳。

4.3 HBOP 影响下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴

当人体处于紧张或应激状态时,下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴(HPA 轴)被持续激活,皮质醇、肾上腺素、促肾上腺皮质激素等处于高水平,激素水平的波动变化在一定范围内有助于人体进行缓冲和适应应激刺激[28]。Casti 等[29]研究表明HBOP 后,人体内多胺类物质以及促肾上腺皮质激素会发生不同程度的变化,促肾上腺皮质激素由于受到了HPA 轴以及阿片黑皮素原的刺激从而浓度增加。李洋洋等[18]研究表明,人体经HBOP 后再次急性高海拔暴露可以使中枢神经递质和促肾上腺皮质激素均持续增加。

HPA 轴是机体内应激反应敏感的神经内分泌系统,当有急性应激条件出现时,机体受到内环境紊乱的信号,HPA 轴会对其做出相应反应。本文研究中,HBOP 后的促肾上腺皮质激素较之前的改变无统计学意义。飞行员在HBOP 前后均处于安静状态,因此未出现急性应激反应,未能监测出促肾上腺皮质激素的变化。

5 结论

本文对30 名加速度耐力不良的受试者进行了高压氧预处理,测试HBOP 前、后受试者的下体负压耐力、离心机加速度耐力以及相关血液指标。结果表明:HBOP 能够改善加速度耐力不良飞行员多项血流动力学指标,减缓疲劳程度,从而提高加速度耐力不良飞行员下体负压耐力和离心机加速度耐力。因此,高负荷飞行前进行HBOP是提高加速度耐力不良飞行员加速度耐力的有效方法。

今后,可进一步开展HBOP 结合下体负压训练分别与单独HBOP、单独下体负压训练的对照研究,以探索改善飞行员加速度耐力更有效便捷的训练方法。