典型返回再入過(guò)載下姿態(tài)差異對(duì)獼猴生理反應(yīng)的影響研究

任 逸, 祝 郁, 肖艷華, 王建全, 孫 浩, 馬博涵, 郭玉琴, 劉炳坤,闞廣悍, 肇 海, 李富柱, 馬紅磊*

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212013; 2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094)

1 引言

載人登月任務(wù)過(guò)程中涉及復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷,尤其在月地返回階段,高加速度過(guò)載將直接影響機(jī)體的心血管功能與肌肉活動(dòng),與航天員的機(jī)能狀態(tài)甚至生命安全密切相關(guān)[1-3]。人體的心血管系統(tǒng)是一個(gè)充滿血液的密閉環(huán)境,過(guò)載會(huì)放大人體各部位間靜水壓力梯度進(jìn)而引發(fā)體液的重新分配[3-4],如在頭盆向過(guò)載(+Gz)作用下,頭面部血液向下肢轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致腦血流量減少可引起腦缺血缺氧,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響視覺(jué)并最終導(dǎo)致意識(shí)喪失(G-induced Loss of Consciousness,G-LOC)[5-6]。也有研究發(fā)現(xiàn)前庭外周器官參與調(diào)節(jié)動(dòng)脈壓力、體溫、肌肉及骨代謝等生理功能,而異常的重力環(huán)境會(huì)影響前庭耳蝸向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳入信號(hào),進(jìn)而引發(fā)機(jī)體多種生理與組織學(xué)變化[7-9]。因此,研究超重環(huán)境暴露對(duì)人體生理狀態(tài)的影響,對(duì)于維護(hù)航天員的健康及保障任務(wù)的成功至關(guān)重要。

超重暴露會(huì)以一種姿態(tài)依賴的方式引發(fā)機(jī)體心血管系統(tǒng)內(nèi)靜水壓主導(dǎo)的跨壁壓力變化,與血管順應(yīng)性、血液動(dòng)力學(xué)及心臟舒張性能等生物力學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)[10-11]。有研究人員提出,這些生物力學(xué)反應(yīng)會(huì)引發(fā)機(jī)體代償性的神經(jīng)激素調(diào)節(jié),如頸動(dòng)脈及心房壓力感受器、血管平滑肌拉伸受體等興奮程度發(fā)生異質(zhì)性變化時(shí),會(huì)加劇動(dòng)脈系統(tǒng)與靜脈回流間的不對(duì)稱性,易造成機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的破壞[11-13]。此外,劉炳坤等[14]利用HUMOS 數(shù)字假人模擬獲取了過(guò)載下臥姿與躺姿狀態(tài)心、肺、肝臟等重要器官的變形及移位,發(fā)現(xiàn)姿態(tài)及重力環(huán)境與膈肌的狀態(tài)密切相關(guān),特別是在+Gx作用下腹腔壓力增大時(shí),膈肌下降受阻易加劇對(duì)心肺的壓迫,引發(fā)呼吸困難與胸痛。Peterson 等[10]也研究提出過(guò)載方向與姿態(tài)誘導(dǎo)的腹壓及胸壁壓力變化會(huì)直接影響胸內(nèi)壓,進(jìn)而導(dǎo)致心室容積及中心靜脈壓的改變。然而,以往研究多以數(shù)字假人或鼠、兔等小型動(dòng)物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,少見(jiàn)有關(guān)于靈長(zhǎng)類動(dòng)物的研究結(jié)論及高量級(jí)過(guò)載下姿態(tài)間的差異性對(duì)比分析。因此,評(píng)估分析高加速度過(guò)載下姿態(tài)因素對(duì)機(jī)體生理狀態(tài)的影響程度,有助于豐富航天生理學(xué)基礎(chǔ)研究,并制定針對(duì)性的防護(hù)對(duì)策,提高乘員的安全及效率。

載人飛行任務(wù)按飛行器負(fù)荷與再入速度分為2 種返回模式[15]:一是錢學(xué)森式彈道返回,該方式下返回艙經(jīng)受高溫直接突破大氣層后逐漸減速落地;二是跳躍式半彈道返回,返回艙在初次進(jìn)入大氣層后采用升力控制躍出,然后二次進(jìn)入大氣層并進(jìn)一步下降直至開(kāi)傘落地。中國(guó)的CE-5T1返回器與美國(guó)阿波羅返回艙采用的均是半彈道式返回模式。臥姿狀態(tài)(人體背部與水平面存在20°夾角)和躺姿狀態(tài)(無(wú)背角)是2 種典型姿態(tài)[16],雖然二者均屬于仰臥,但臥姿返回工況下,人體受到大小為G·sin20°的胸背向過(guò)載與G·sin70°頭盆向過(guò)載的復(fù)合作用,躺姿返回工況下,人體主要受到大小為1 G 的胸背向過(guò)載,因此機(jī)體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可能存在差別,該種差異對(duì)航天員過(guò)載耐力存在何種影響,目前仍不明確[17-18]。因此,本文利用數(shù)控動(dòng)物離心機(jī)模擬上述2 種典型的返回再入過(guò)載工況,并選取成年健康雄性獼猴作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后獼猴的生理參數(shù)變化情況,研究姿態(tài)差異對(duì)機(jī)體生理反應(yīng)的影響。

2 方法

2.1 2 種返回再入過(guò)載工況

根據(jù)CE-5T1 與Apollo 返回艙的實(shí)際再入?yún)?shù)并結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推測(cè)過(guò)載峰值在13 G 以上時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的生理反應(yīng),甚至引起重要臟器的損傷。為進(jìn)一步探究獼猴的超重耐限,并綜合考慮了設(shè)備工作能力及運(yùn)行安全性,本文實(shí)驗(yàn)以CE-5T1 與Apollo 的再入曲線加速度變化規(guī)律為基礎(chǔ)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使過(guò)載曲線的最大峰值分別為13 G、15 G,見(jiàn)圖1(a)、(b),并保持雙峰脈寬時(shí)間一致,代表再入模擬實(shí)驗(yàn)的高量級(jí)過(guò)載環(huán)境。圖1(c)、(d)分別為CE-5T1 的臥姿與Apollo的躺姿工況。

2.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組

為避免雌性激素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,選取18 只健康雄性獼猴,年齡4 ～8 歲,體重7 ～11 kg,體長(zhǎng)約90 cm,無(wú)人畜共患病,不攜帶B病毒和結(jié)核桿菌等致病因子。獼猴在常規(guī)飼養(yǎng)期間,保持室內(nèi)溫度25 ℃左右及良好的濕度和通風(fēng)條件,實(shí)驗(yàn)人員定時(shí)投放食物和水,每組喂養(yǎng)條件相同。

將獼猴隨機(jī)分為A、B 2 組,A 組(臥姿,n=9)以CE-5T1 過(guò)載曲線為輸入,并進(jìn)一步細(xì)分為A1、A22 個(gè)亞組,分別對(duì)應(yīng)圖1(a)中峰值為13 G 與15 G 的過(guò)載曲線;B 組(躺姿,n=9)以Apollo 過(guò)載曲線為輸入,細(xì)分為B1、B22 個(gè)亞組,分別對(duì)應(yīng)圖1(b)中峰值為13 G 與15 G 的過(guò)載曲線。首日進(jìn)行峰值為13 G 過(guò)載實(shí)驗(yàn)的臥姿、躺姿組獼猴記錄為A1、B1,隔日進(jìn)行峰值為15 G 過(guò)載實(shí)驗(yàn)的臥姿、躺姿組獼猴記錄為A2、B2,因此A1、B1、A2、B2均包含9 例樣本。

圖1 2 種典型再入式返回過(guò)載曲線及對(duì)應(yīng)姿態(tài)Fig.1 Two typical reentry overload curves and corresponding postures

本文動(dòng)物實(shí)驗(yàn)通過(guò)中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

以中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心自研的動(dòng)物離心機(jī)為平臺(tái),該裝置由機(jī)械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械系統(tǒng)包括支承轉(zhuǎn)臂、平衡轉(zhuǎn)臂、座椅、支撐臺(tái)架、電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)軸等,轉(zhuǎn)臂半徑為1.5 m,最大輸出過(guò)載20 G。正式測(cè)試前,按照實(shí)驗(yàn)過(guò)載負(fù)荷要求和實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),確保輸出過(guò)載與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)載環(huán)境保持良好的一致性。

利用 HYG08 型心電監(jiān)護(hù)儀(日本光電)完成獼猴生理參數(shù)的監(jiān)測(cè),全過(guò)程連續(xù)監(jiān)測(cè)獼猴心電、心率(Heart Rate)等生理參數(shù),并在實(shí)驗(yàn)前和停止時(shí)刻測(cè)量血壓及血氧飽和度。

2.4 行為學(xué)觀察

根據(jù)獼猴的生活習(xí)性設(shè)定了距離猴籠50 cm走動(dòng)、拉動(dòng)猴籠縮進(jìn)、木棍伸入猴籠等固定項(xiàng)目,由3 名生物學(xué)專家通過(guò)觀察每只獼猴竄動(dòng)、撲咬、站角、抓取等行為反應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)分,評(píng)分范圍為-3 ～3,其中1 ～3 分別對(duì)應(yīng)與實(shí)驗(yàn)前相比該反應(yīng)略微增強(qiáng)、明顯增強(qiáng)和極強(qiáng)烈;-1 ～-3 分別對(duì)應(yīng)與實(shí)驗(yàn)前相比該反應(yīng)略微減弱、明顯減弱和極明顯減弱(幾乎無(wú)動(dòng)作);0 分則表示與實(shí)驗(yàn)前幾乎無(wú)差異,最終結(jié)果取均值。行為學(xué)觀察在13 G臥姿與躺姿加載實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行。

2.5 實(shí)驗(yàn)方法

提前3 天將獼猴轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)環(huán)境,期間進(jìn)行動(dòng)物行為學(xué)觀察。實(shí)驗(yàn)前,將獼猴固定于離心機(jī)轉(zhuǎn)臂末端座椅,臥姿座椅的椅背與水平面存在20°背角,躺姿座椅的椅背垂直于水平面,獼猴初始狀態(tài)均為面朝離心機(jī)旋轉(zhuǎn)中心,保證良好及一致的束縛狀態(tài)后,佩戴HYG08 型心電監(jiān)護(hù)儀。首日進(jìn)行峰值為13 G 的臥姿與躺姿過(guò)載環(huán)境模擬,實(shí)驗(yàn)前后分別測(cè)量獼猴血壓及血氧飽和度參數(shù),并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)監(jiān)測(cè)心率、心電等生理參數(shù),結(jié)果分別記錄于A1與B1組。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后由參試人員進(jìn)行行為學(xué)觀察,后轉(zhuǎn)運(yùn)至飼養(yǎng)間休息。隔日進(jìn)行峰值為15 G 的臥姿與躺姿過(guò)載環(huán)境模擬,監(jiān)測(cè)并記錄獼猴生理參數(shù)變化情況,并將結(jié)果分別記錄于A2與B2組。每組獼猴分別進(jìn)行過(guò)載峰值為13 G 與15 G 的過(guò)載暴露,共計(jì)36次測(cè)試。

2.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0 軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(ˉx±s)表示,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析。當(dāng)P＜0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 心率

圖2 為加載實(shí)驗(yàn)各時(shí)刻獼猴心率變化。從變化趨勢(shì)來(lái)看,A1、A2組獼猴的心率分別在第一峰值和第二峰值時(shí)刻達(dá)到最高,后逐漸下降;而B(niǎo) 組獼猴在加載過(guò)程中心率始終升高,靜息后逐漸回到正常水平。A1、A2組的最大變化幅度分別為88%、107%,B1、B2組最大變化幅度分別為48%、28%。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,A1、B1組心率差異顯著(P=0.015),而A2、B2組間無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。

圖2 2 種姿態(tài)各時(shí)刻獼猴心率變化Fig.2 The changes of HR in macaques at each moment under two posture conditions

3.2 血氧飽和度

圖3 為加載前后獼猴血氧飽和度變化情況,各組獼猴在超重暴露后血氧飽和度均呈降低趨勢(shì),其中A2組獼猴的降幅相對(duì)明顯,但未達(dá)到顯著性水平(P=0.262)。t檢驗(yàn)結(jié)果表明,各組間血氧飽和度并無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。

圖3 2 組獼猴實(shí)驗(yàn)前后血氧飽和度變化情況Fig.3 Changes of SaO2 in two groups of macaques before and after the experiment

3.3 血壓

圖4 為2 組獼猴實(shí)驗(yàn)前后舒張壓與收縮壓對(duì)比。從圖中可以看出,除加載實(shí)驗(yàn)后B1組獼猴舒張壓略低于A1組,其余時(shí)刻B 組獼猴收縮壓與舒張壓均高于A 組獼猴,但并無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。從變化趨勢(shì)來(lái)看,A1、A2組獼猴加載實(shí)驗(yàn)后收縮壓與舒張壓均呈升高趨勢(shì),且變化幅度整體略大于B 組獼猴。B 組獼猴僅在15 G 過(guò)載后收縮壓出現(xiàn)輕微降低,其余時(shí)刻收縮壓與舒張壓均增大。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,B 組獼猴在15 G 加載實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前舒張壓出現(xiàn)明顯升高(P=0.045),其余均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。

圖4 實(shí)驗(yàn)前后獼猴血壓變化情況Fig.4 Changes of BP in macaques before and after the experiment

3.4 行為學(xué)觀察

獼猴13G 加載前后行為學(xué)評(píng)分如表1 所示。2 組獼猴超重暴露后表現(xiàn)出相似的行為趨勢(shì),站角行為增加,竄動(dòng)、撲咬、抓取等行為均減少。提示2 組獼猴反應(yīng)有所遲鈍,身體靈敏性弱化,撲食動(dòng)作明顯減少。其中,A、B 組獼猴在撲咬行為上表現(xiàn)出顯著性的差異(P=0.035),其余均未達(dá)到明顯水平(P＞0.05)。

表1 獼猴行為學(xué)綜合評(píng)分(n=9)Table 1 Comprehensive behavioral scores of macaques(n=9)

4 討論

目前已有研究證實(shí)了姿態(tài)差異對(duì)機(jī)體的生理反應(yīng)存在顯著影響[19-20]。本文分析了高量級(jí)過(guò)載環(huán)境下姿態(tài)對(duì)機(jī)體影響的差異性。臥姿與躺姿屬于2 種典型的返回再入姿態(tài),前者下肢呈蜷曲狀態(tài),大腿與腹部貼合較緊密,背部與水平面存在約20°夾角,且頭肩部進(jìn)一步抬高,故在+Gx作用下,機(jī)體會(huì)同時(shí)受到大小為G·sin20°的頭盆向過(guò)載分量作用[21]。躺姿狀態(tài)下,機(jī)體下肢呈自然狀態(tài),小腿抬高接近水平放置且高于心臟的位置,后背與肩部接近水平并在此基礎(chǔ)上略微抬高頭部。采用躺姿有利于機(jī)體在過(guò)載暴露下獲得更多的舒適感,且下肢的抬高有利于血液向心臟回流,進(jìn)而提高機(jī)體對(duì)超重過(guò)載的耐受性[22]。

本文研究結(jié)果表明,2 種姿態(tài)下,獼猴心率與血壓均表現(xiàn)出上升趨勢(shì),血氧飽和度呈降低趨勢(shì)。其中,臥姿組獼猴心率與血壓的變化幅度整體略高于躺姿組,但并未達(dá)到顯著性水平。人體的大血管沿身體縱軸方向分布,頭盆向過(guò)載(±Gz)的變化極易引起人體心血管系統(tǒng)內(nèi)靜水壓力梯度的改變[23-24],該種變化會(huì)引起機(jī)體代償性的神經(jīng)激素調(diào)節(jié),與心肺功能及肌肉活動(dòng)等密切相關(guān)。臥姿工況下,由于座椅背角的存在,獼猴受到大小為G·sin20°的頭盆向過(guò)載分量作用,在靜水壓效應(yīng)的影響下,頭面部血液向下轉(zhuǎn)移,一方面使頸動(dòng)脈血壓降低,傳入壓力感受器的沖動(dòng)減少,并通過(guò)神經(jīng)中樞引起心交感神經(jīng)與交感縮血管緊張[25-26],心迷走神經(jīng)緊張減弱,效應(yīng)為心率與血壓明顯升高;另一方面,頭面部血、氧供給不足時(shí),肌肉代謝反射被激活,代謝產(chǎn)物潴留于肌肉內(nèi)并刺激薄髓鞘與無(wú)髓鞘神經(jīng)纖維放電頻率增加,引起心交感神經(jīng)興奮,進(jìn)一步提高了機(jī)體的心率與血壓[26]。而躺姿工況下,機(jī)體交感-腎上腺系統(tǒng)整體興奮性提高是造成心率加快、血壓升高的主要原因,且躺姿下生理參數(shù)變化趨勢(shì)較臥姿組更為平穩(wěn)[27]。

此外,超重暴露下姿態(tài)變化會(huì)引發(fā)機(jī)體重要臟器的形變與位移,直接影響著體液轉(zhuǎn)移與呼吸運(yùn)動(dòng),與血氧飽和度的變化密切相關(guān)。劉炳坤等[14]研究發(fā)現(xiàn),臥姿工況下,機(jī)體心臟存在明顯的骨盆向位移及胸背向的壓縮變形,膈肌及腹腔臟器在頭盆向過(guò)載分量與大腿的支撐共同作用下變形并不明顯,因此將有利于呼吸活動(dòng)。躺姿工況下,機(jī)體主要受到胸背向過(guò)載作用,胸內(nèi)壓升高會(huì)引起肺臟的壓縮變形與心室容積減小,常與呼吸困難及胸骨持續(xù)疼痛相關(guān)。但在本文研究中,2組獼猴的血氧飽和度指標(biāo)并未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。

2 組獼猴除撲咬動(dòng)作外,行為學(xué)綜合評(píng)分并未表現(xiàn)出明顯差異,但均提示反應(yīng)與靈敏性的降低。從過(guò)載環(huán)境的特點(diǎn)來(lái)看,CE-5T1 過(guò)載持續(xù)作用時(shí)間整體較長(zhǎng),加速度曲線雙峰間隔較大;而Apollo 過(guò)載相對(duì)持續(xù)較短、峰值間隔小。以往的低量級(jí)過(guò)載人體實(shí)驗(yàn)中有志愿者表示,CE-5T1 過(guò)載下不適感稍輕[28],這可能與其加載曲線兩峰值間的長(zhǎng)時(shí)間低過(guò)載有關(guān),志愿者在此過(guò)程中得到了一定的休息和恢復(fù)。

本文研究存在一些局限性,如選取的樣本量較小,這可能是造成某些生理參數(shù)變化差異性不明顯的原因之一。另外,在高量級(jí)過(guò)載作用下是否存在機(jī)體組織器官的損傷,則需要對(duì)獼猴進(jìn)行病理?yè)p傷測(cè)試,進(jìn)一步的病理?yè)p傷分析將在今后研究中進(jìn)行。

5 結(jié)論

本文研究依托短臂動(dòng)物離心機(jī)模擬了臥姿與躺姿的2 種典型月地返回過(guò)載,測(cè)試觀察了峰值為13 G、15 G 過(guò)載作用后臥姿及躺姿獼猴的生理及行為學(xué)反應(yīng),結(jié)論如下:

1)臥姿較躺姿工況而言,獼猴機(jī)體的生理反應(yīng)對(duì)于峰值為13 G、15 G 過(guò)載環(huán)境下更敏感,心率、血壓變化幅度更大,其中13 G 過(guò)載作用后,臥姿獼猴心率明顯高于躺姿獼猴(P=0.015),但血氧飽和度并未出現(xiàn)明顯差異;

2)峰值為13 G、15 G 過(guò)載作用后,躺姿及臥姿獼猴均出現(xiàn)精神萎靡、反應(yīng)與靈敏性下降等行為學(xué)特征,在撲咬的行為學(xué)評(píng)分上存在顯著差異,臥姿獼猴撲咬反應(yīng)減少更明顯(P=0.035)。

致謝感謝劉炳坤老師對(duì)本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析的指導(dǎo),謹(jǐn)致謝意。