30 min吸氧排氮對(duì)模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生率影響的研究

彭遠(yuǎn)開(kāi)，肇　海，馬　婷，高郁晨，費(fèi)錦學(xué)，劉　鋼，丁軍平，徐國(guó)鑫

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

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30 min吸氧排氮對(duì)模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生率影響的研究

彭遠(yuǎn)開(kāi)，肇海，馬婷，高郁晨，費(fèi)錦學(xué)，劉鋼，丁軍平，徐國(guó)鑫

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

摘要:為研究30 min吸氧排氮對(duì)模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生率的影響，通過(guò)高空減壓病易感性選拔了17名健康成年男性，在低壓艙3 km高度條件下吸氧排氮30 min后，在7.2 km高度上模擬出艙活動(dòng)，觀察記錄受試者心前區(qū)回心血流減壓氣泡和減壓病發(fā)生率。發(fā)現(xiàn)除高空暴露期間檢測(cè)到1～2級(jí)心前區(qū)回心血流氣泡信號(hào)外，未發(fā)生減壓病。證實(shí)了在3 km低壓條件下30 min吸氧排氮能有效預(yù)防模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生。

關(guān)鍵詞:出艙活動(dòng)；吸氧排氮方案；減壓病

1引言

航天員出艙活動(dòng)需要從載人航天器乘員艙常壓環(huán)境過(guò)渡到艙外航天服低壓環(huán)境，如果不采取有效預(yù)防措施，有可能發(fā)生減壓病。出艙活動(dòng)期間發(fā)生減壓病將嚴(yán)重影響航天員工作效率、身體健康以及航天任務(wù)完成。預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生的主要方法和措施：1)艙外航天服采用高壓制，如當(dāng)乘員艙壓力為1個(gè)大氣壓，艙外航天服內(nèi)壓力不低于57.2 kPa時(shí)，出艙活動(dòng)前不進(jìn)行吸氧排氮的R值(R值為減壓應(yīng)急發(fā)生減壓病風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，是機(jī)體內(nèi)組織中的惰性氣體分壓與周圍環(huán)境大氣壓力之比)低于1.4，此時(shí)出艙活動(dòng)不易患減壓病[1]；2)乘員艙采用低壓制，如美國(guó)阿波羅登月和天空實(shí)驗(yàn)室艙壓為33.4 kPa，艙外航天服壓力為25.5 kPa，可有效預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生[2]；3)出艙活動(dòng)前吸氧排氮，根據(jù)出艙活動(dòng)醫(yī)學(xué)上可接受的R值確定吸氧排氮時(shí)間，使其出艙活動(dòng)時(shí)的R值滿足減壓病風(fēng)險(xiǎn)可接受的醫(yī)學(xué)要求(如美國(guó)空間站和航天飛機(jī)出艙活動(dòng)可接受的R值分別為1.4、1.65[3])；4)對(duì)航天員進(jìn)行減壓病易感性選拔，淘汰減壓病易感者也是預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病易感性方法之一。但在目前載人航天出艙活動(dòng)中，由于高壓制艙外航天服研制技術(shù)的限制，出艙活動(dòng)前吸氧排氮仍然是預(yù)防減壓病最有效的措施之一，美國(guó)和俄羅斯都各自制定了預(yù)防減壓病發(fā)生的出艙活動(dòng)吸氧排氮方案措施，并成功預(yù)防了出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生。鑒于我國(guó)飛船和艙外航天服壓力制度與俄羅斯基本一致，且俄羅斯出艙活動(dòng)前吸氧排氮時(shí)間為30 min，本文研究30 min吸氧排氮對(duì)模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生的影響，以分析30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案預(yù)防減壓病發(fā)生的效果，為后續(xù)研究制定高效的出艙活動(dòng)吸氧排氮方案提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

17名受試者均為健康男性，年齡(32.2±5.9)歲，身高(169.6±4.7)cm，體重(63.4±6.8)kg；受試者經(jīng)臨床醫(yī)學(xué)體檢無(wú)骨關(guān)節(jié)、肌肉疼痛，無(wú)皮膚癢，無(wú)胃腸道疾病，無(wú)心血管疾病等；并根據(jù)航天員高空減壓病易感性選拔方法[4]，進(jìn)行10 km高空減壓病易感性檢查確定為減壓病不易感；實(shí)驗(yàn)前1周無(wú)高、低氣壓暴露史，實(shí)驗(yàn)前2天高空飲食。

2.2實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備

1) 低壓艙及低壓艙通話、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，滿足實(shí)驗(yàn)要求；

2) 遙測(cè)心電圖儀(日本光電，WEP-4204)；

3) 氣泡檢測(cè)儀(法國(guó)，AquaLah System)；

4) 呼吸質(zhì)譜儀(英國(guó)，HPR20plus)；

5) 手搖自行車功量計(jì)(丹麥，DM-03);

6) 頭盔面罩供氧通話系統(tǒng)，高壓氧艙等滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.3測(cè)試指標(biāo)

1) 主觀感覺(jué)及體征；

2) 胸前區(qū)回心血?dú)馀菪盘?hào)：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由1名實(shí)驗(yàn)人員實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)、錄音氣泡信號(hào)，實(shí)驗(yàn)后對(duì)監(jiān)聽(tīng)結(jié)果進(jìn)行錄音回放確認(rèn)；胸前區(qū)回心血流氣泡信號(hào)，按Spencer分級(jí)[5-6](見(jiàn)表1)；

3) 心電圖；

4) 面罩內(nèi)口鼻區(qū)氧濃度。

表1　心前區(qū)多普勒氣泡信號(hào)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4吸氧排氮及出艙活動(dòng)模擬

2.4.1吸氧排氮

低壓艙初始?jí)毫楸镜貕毫?01.2 kPa～102.2 kPa，受試者戴呼吸面罩在低壓艙，壓力下降至3 km(70.3 kPa)開(kāi)始吸純氧排氮30 min，之后低壓艙壓力下降至7.2 km(40 kPa)模擬出艙活動(dòng)。

2.4.2低壓艙內(nèi)環(huán)境壓力模擬

低壓艙初始?jí)毫楸镜卮髿鈮毫?01.2～102.2 kPa，受試者在低壓艙戴呼吸面罩，低壓艙上升至模擬高度3 km(艙內(nèi)壓力70.3 kPa)開(kāi)始吸純氧排氮30 min，之后低壓艙上升至模擬高度7.2 km(艙內(nèi)壓力40 kPa)模擬出艙活動(dòng)。

圖1　低壓艙模擬出艙活動(dòng)壓力變化曲線示意圖Fig.1　Pressure changes of simulated EVA in altitude chamber

2.4.3出艙活動(dòng)負(fù)荷模擬

高空暴露期間，模擬出艙活動(dòng)的人體能量代謝率約為300 W。具體模擬動(dòng)作：在4 h出艙活動(dòng)模擬期間受試者雙手搖自行車功量計(jì)(40 W，50 rpm)4 min，休息30 s，再雙手搖自行車功量計(jì)4 min，休息5.5 min；重復(fù)以上動(dòng)作，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2.5統(tǒng)計(jì)分析

心率采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，組間t檢驗(yàn)，P<0.05為顯著性差異，P<0.01為非常顯著性差異。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1心電和面罩內(nèi)氧濃度指標(biāo)變化

實(shí)驗(yàn)期間受試者心電圖無(wú)明顯變化；3 km吸氧排氮期間心率79.7±12.2 bpm，7.2 km安靜狀態(tài)下心率84.9±9.9 bpm，7.2 km模擬出艙活動(dòng)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷條件下心率118.2±14.0。模擬出艙活動(dòng)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷條件下心率顯著高于3 km吸氧排氮期間和7.2 km安靜狀態(tài)下的心率(分別P<0.01)，3 km吸氧排氮期間的心率與7.2 km安靜狀態(tài)下的心率無(wú)顯著性差異(P>0.05)。3 km高度吸氧排氮及高空暴露期間面罩內(nèi)受試者呼吸的吸氣相氧濃度達(dá)到95%～98%，滿足本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)規(guī)定的吸氧排氮要求和實(shí)驗(yàn)供氧安全要求。

3.2減壓病和高空減壓氣泡監(jiān)測(cè)情況

17名受試者按實(shí)驗(yàn)要求完成了7.2 km高空暴露4 h實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除高空暴露期間運(yùn)動(dòng)時(shí)感到稍累，及頭部、上身明顯出汗(尤其在實(shí)驗(yàn)后期更為明顯)外，受試者沒(méi)有出現(xiàn)皮膚癢、關(guān)節(jié)肌肉痛等減壓病癥狀及其它不適癥狀，各受試者高空暴露期間可檢測(cè)均檢測(cè)到1級(jí)或2級(jí)心前區(qū)回心血流氣泡信號(hào)，但未監(jiān)測(cè)到嚴(yán)重級(jí)別的3、4級(jí)氣泡信號(hào)，受試者首次出現(xiàn)回心血流氣泡音的時(shí)間分布為：高空暴露2～2.5 h為4人次，2.5～3 h為6人次，3～4 h為7人次。

4討論

目前，美國(guó)和俄羅斯載人航天器乘員艙氣壓均為一個(gè)大氣壓，氣體成分與海平面的大氣環(huán)境成分接近；出艙活動(dòng)艙外航天服內(nèi)壓力均為低壓制。為此，美國(guó)和俄羅斯在出艙活動(dòng)前均采用了吸氧排氮措施預(yù)防出艙活動(dòng)低壓環(huán)境給航天員帶來(lái)的減壓病風(fēng)險(xiǎn)[7,8]。由于美國(guó)和俄羅斯兩國(guó)艙外航天服內(nèi)的具體壓力不同，因此其相應(yīng)的出艙活動(dòng)吸氧排氮方案也不相同，表2是美國(guó)和俄羅斯預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生的各種吸氧排氮方案[2]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道美國(guó)出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的組織氮過(guò)飽和系數(shù)(R值)為1.65左右[9-10]，俄羅斯出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的R值平均為1.80左右[10-11]。到目前為止，美國(guó)和俄羅斯均未報(bào)道出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生[12-14]。因此，無(wú)論是俄羅斯還是美國(guó)預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病的措施都是安全的。

針對(duì)我國(guó)乘員艙壓力為91.3～101.3 kPa，艙外航天服壓力為40 kPa的出艙活動(dòng)條件下的減壓病預(yù)防，在研究和充分借鑒俄羅斯出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的基礎(chǔ)上，提出了30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案。該30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的主要內(nèi)容與俄羅斯基本一致(見(jiàn)表2，吸氧排氮時(shí)間由俄羅斯的30 min改為不少于30 min),通過(guò)理論計(jì)算[15]分析可知：采用該吸氧排氮方案,吸氧排氮時(shí)間為30 min時(shí),如載人航天器乘員艙為1個(gè)大氣壓力制度，R值與俄羅斯出艙活動(dòng)吸氧排氮的R值基本一致；如載人航天器乘員艙為91.3 kPa壓力制度，則該吸氧排氮方案的R值為1.53左右，低于俄羅斯出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的R值，這更有利于減壓病的預(yù)防。因此，根據(jù)俄羅斯出艙活動(dòng)吸氧排氮方案有效預(yù)防出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，理論上該30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案能有效預(yù)防航天員出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生。

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示17名受試者吸氧排氮30 min后暴露在7.2 km高度低壓環(huán)境(40 kPa)4 h模擬出艙活動(dòng)未發(fā)生減壓病，表明30 min吸氧排氮能有效預(yù)防地面模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生。文獻(xiàn)報(bào)道美國(guó)和俄羅斯地面模擬出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的出艙活動(dòng)輕度減壓病發(fā)生率達(dá)20%～40%，而實(shí)際太空出艙活動(dòng)并無(wú)報(bào)道減壓病發(fā)生[16]，由此可知實(shí)際太空出艙活動(dòng)條件下，減壓病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)要比地面模擬情況下的低。因此，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)未出現(xiàn)減壓病發(fā)生的結(jié)果，可以認(rèn)為30 min吸氧排氮能夠有效預(yù)防實(shí)際太空出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生。地面模擬出艙減壓病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)高于太空實(shí)際出艙活動(dòng)的可能因素：1)實(shí)際太空出艙活動(dòng)時(shí)通過(guò)航天服的硬度阻礙了航天員在艙外活動(dòng)時(shí)的劇烈運(yùn)動(dòng)，有利于抑制機(jī)體組織內(nèi)氣核和氣泡形成，而地面模擬出艙活動(dòng)時(shí)受試者沒(méi)有穿艙外航天服；2)微重力有利于提高吸氧排氮效率[17-19]。由于上述30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案的最短吸氧排氮時(shí)間與本實(shí)驗(yàn)的吸氧排氮時(shí)間一致，且出艙活動(dòng)吸氧排氮期間的艙外航天服內(nèi)壓力與70 kPa低壓條件也基本一致，因此根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可推論，本文提出的30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案能有效預(yù)防航天員出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生。

表2　國(guó)外各種出艙活動(dòng)艙外航天服壓力制度及吸氧排氮方案

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生率遠(yuǎn)低于俄羅斯地面模擬出艙活動(dòng)的減壓病發(fā)生率20%～40%，與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的地面吸氧排氮1 h分別上升至6.9 km或7.6 km高度停留4 h模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生率分別為26.3%和63%[20]的結(jié)果也相差較大，其原因可能與本實(shí)驗(yàn)受試者經(jīng)過(guò)減壓病易感性選拔有關(guān)。針對(duì)乘員艙91.3 kPa壓力制度，本實(shí)驗(yàn)未采用低壓艙91.3 kPa條件下的人體內(nèi)初始氮水平，而采用了低壓艙本地大氣壓力條件下的人體內(nèi)初始氮水平進(jìn)行吸氧排氮實(shí)驗(yàn)，主要基于以下原因：1)該方法相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作，避免了在吸氧排氮前通過(guò)采用其它措施(如提前24～48 h暴露到91.3 kPa的低壓艙大氣壓力環(huán)境等，這些措施有一定的難度，且實(shí)施效果不準(zhǔn)確)來(lái)改變受試者在本地大氣壓力下的體內(nèi)初始氮水平；2)采用本地大氣壓力條件下的人體內(nèi)初始氮水平進(jìn)行吸氧排氮的R值大于實(shí)際太空飛船91.3 kPa下人體內(nèi)初始氮水平進(jìn)行吸氧排氮的R值，其預(yù)防減壓病的有效性可以間接推論到實(shí)際太空出艙活動(dòng)減壓病預(yù)防效果。

5結(jié)論

在3 km低壓條件下，30 min吸氧排氮能有效預(yù)防模擬出艙活動(dòng)減壓病發(fā)生；提出的30 min出艙活動(dòng)吸氧排氮方案可有效預(yù)防航天員出艙活動(dòng)減壓病發(fā)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

基金項(xiàng)目：中國(guó)載人航天工程基金資助項(xiàng)目(01100308)

作者簡(jiǎn)介：彭遠(yuǎn)開(kāi)(1963-)，男，碩士，研究員，研究方向?yàn)楹教飙h(huán)境醫(yī)學(xué)。Email ykpeng507@aliyun.com

中圖分類號(hào)：R852.16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0394-05