[科普中國(guó)]-超重醫(yī)學(xué)

研究目的

在航天器起飛階段或是飛機(jī)在俯沖后拉起階段，機(jī)組乘員會(huì)承受到較大的加速度作用。由于人體同時(shí)還承受著來(lái)自地球的單位重力加速度(1 G)的作用，在這種條件下，人體所承受的加速度實(shí)際上是運(yùn)動(dòng)加速度和重力加速度的矢量和。因此，通常將那些作用于人體的加速度超過(guò)人體在地面上所承受的單位重力加速度的情況稱(chēng)為超重。需要注意的是，超重的方向并不一定與人體自身的重力方向一致。常規(guī)條件下人體能承受一定范圍的超重值，但過(guò)大的超重環(huán)境對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生較大的危害。載人飛船在上升和返回時(shí)航天員會(huì)遇到較為強(qiáng)大的胸一背向超重(+Gx)壓力的作用，特別是飛船在主動(dòng)段大氣層外彈道式應(yīng)急返回時(shí)，過(guò)載峰值可高達(dá)15G甚至20G以上。大量的研究表明，高+Gx超重作用可對(duì)人體產(chǎn)生明顯的生理影響，甚至病理?yè)p傷。因此，為了保證航天員的身體健康和安全，必須對(duì)上述航天條件所造成的超重作用采取利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行深入研究，來(lái)獲得科學(xué)合理的飛船超重醫(yī)學(xué)要求。2

研究方法目前，主要利用動(dòng)物離心機(jī)來(lái)進(jìn)行模擬超重研究，離心機(jī)采用交流變頻調(diào)速和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來(lái)模擬飛船上升段、返回段、彈道式應(yīng)急返恒l時(shí)產(chǎn)生的拋物線形超重，從而研究超重對(duì)機(jī)體的影響。通?？墒褂煤?、犬、兔、鼠等多品種的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

值得注意的是，在模擬超重過(guò)程中應(yīng)充分考慮實(shí)驗(yàn)動(dòng)物自身的應(yīng)急狀態(tài)與所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之問(wèn)的關(guān)系。利用靈長(zhǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行模擬超重研究，應(yīng)對(duì)受試動(dòng)物進(jìn)行多次環(huán)境適應(yīng)訓(xùn)練以消除應(yīng)急反應(yīng)所帶來(lái)的不利影響。2

航天飛行時(shí)超重的特點(diǎn)航天飛行時(shí)所產(chǎn)生的+Gx超重具有以下特點(diǎn)：

①作用時(shí)間長(zhǎng)。飛船上升段超重可長(zhǎng)達(dá)6～10 min．返回超重持續(xù)1 min以上，甚至數(shù)分鐘。

②G值變化率較小。飛船正常上升和返回時(shí)的G值變化率一般不大于0.2 G/s，應(yīng)急飛行時(shí)也不會(huì)超過(guò)0.5 G/s。

③特殊情況下的超重G值高。比如飛船在大氣層外逃逸救生應(yīng)急返回時(shí)，航天員可能會(huì)遇到15.0 G以上，甚至高達(dá)20.0—25.0 G的超重作用。

④由于航天員遇到的超重值較高(航天飛機(jī)除外)，且持續(xù)時(shí)問(wèn)較長(zhǎng)，為了使人能夠較好地耐受，航天員仰臥于飛船艙內(nèi)的座椅上．座椅與艙底平面夾角為100～200。無(wú)論在發(fā)射段還是返回段，位于飛船中的航天員受到的主要是+Gx作用。當(dāng)然，由于座椅與艙底平面有一定的夾角，根據(jù)平行四邊形法則，航天員在Z軸上還受到+Gz的分力作用，其值在正常飛行時(shí)較小，但在飛船大氣層外逃逸救生和軌道段應(yīng)急返回時(shí)，其值較大，對(duì)航天員的影響不容忽視。3

航天飛行時(shí)超重對(duì)人體影響目前，關(guān)于超重對(duì)于人體各系統(tǒng)影響的研究都還是限于較短時(shí)間的作用(通常持續(xù)數(shù)秒至幾百秒)，多數(shù)還是觀察短時(shí)問(wèn)超重環(huán)境下人體各系統(tǒng)的變化以及由此可能給人體帶來(lái)的傷害。下面以+Gx線性加速度為例，簡(jiǎn)要介紹超重環(huán)境對(duì)機(jī)體的影響。

對(duì)心血管系統(tǒng)的影響+Gx作用下，影響機(jī)體的主要因素是中心靜脈血量增加。潴留在下肢和腹部的血液轉(zhuǎn)移到胸部、頸部和頭部。隨著G值的增加，右心房、腔靜脈、肺動(dòng)靜脈壓、平均動(dòng)脈壓逐漸升高，每搏量逐漸下降。+10～+14Gx時(shí)．出現(xiàn)心率減慢、動(dòng)脈壓降低、循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)等心血管功能紊亂現(xiàn)象。胸腔血量明顯增加．動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明+Gx作用時(shí)肺底部背側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重的淤血和肺不張。G值高時(shí)，出現(xiàn)ST段下移、T波倒置等心肌缺血及各種心律失?，F(xiàn)象。

對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響在+Gx作用時(shí)，慣性力與體縱軸相垂直，使胸腔發(fā)生形變，腹腔壓力加大，橫膈肌后半部上移，使呼吸功能發(fā)生改變。6～8 G時(shí)，可引起呼吸困難和胸痛。這成為+Gx耐力的一個(gè)關(guān)鍵限制因素。+Gx作用下，重力作用使胸廓重量增加和前后距離變短，加上胸腔內(nèi)容物的擠壓和膈肌上移，阻礙呼吸運(yùn)動(dòng)，造成呼吸量和最大通氣量的下降。據(jù)報(bào)道，在+3、+5 Gx作用時(shí)，受試者的肺活量分別減少到對(duì)照值的64.2%、50%。在+12 Gx時(shí)減少到只相當(dāng)于對(duì)照時(shí)的潮氣量。最大通氣量在+3、+5Gx時(shí)分別減少20%、40.8%二但是在+1、+3和+5 Gx時(shí)，反映影響呼吸速度的半秒鐘肺活量參數(shù)分別為52.1%、61.8%和76.3%，即隨作用G的加大而增大?？梢?jiàn)+Gx作用下的呼吸困難是屬于限制性的呼吸困難。

+Gx作用時(shí)，人體的肺通氣功能發(fā)生改變，最明顯的是隨G值增加，潮氣量和功能性余氣量減小。在低G作用時(shí)，呼吸頻率有逐漸加快趨勢(shì)．高G時(shí)有減慢現(xiàn)象。據(jù)實(shí)測(cè)，在+1、+5、+8和+12+Gx時(shí)，受試者的潮氣量分別為580 ml±125 ml、491 ml±179 ml、411 ml±140 ml和318 ml±20.8 ml。一般在+3、+5 Gx時(shí)，每分通氣量因呼吸頻率代償加快而稍加大。但在更高G時(shí)，由于呼吸頻率達(dá)到一定限度，每分通氣量逐漸降低。

+Gx作用時(shí)，肺的氣體交換發(fā)生障礙，主要表現(xiàn)為因氣血分離而引起的血氧飽和度降低。原因是重力使胸膜上部的負(fù)壓加大，肺泡處于過(guò)度膨脹，而肺后部則處于壓縮或肺不張，只有中間區(qū)域的肺泡維持正常。另一方面，由于流體靜壓效應(yīng)使血液在肺的前、后部分配不均勻。這樣就形成了肺前部氣多而血少，肺后部則血多而氣少，甚至動(dòng)、靜脈短路的局面，使肺上部及下部的肺泡通氣/灌流比例失調(diào)，導(dǎo)致氣體交換發(fā)生障礙，造成血氧飽和度的降低。

對(duì)視覺(jué)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響在超重作用下隨著頭部動(dòng)脈血壓的降低，首先出現(xiàn)主觀上對(duì)光的視敏感、視反差的改變，繼而周邊視覺(jué)變暗，漸漸地減小到在30。視野內(nèi)可見(jiàn)，最后視野完全消失，視覺(jué)完全喪失i，這在飛行員進(jìn)行俯沖等特技飛行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)。

超重對(duì)中樞系統(tǒng)的影響是極其多樣的。初期的影響可能是非特異性應(yīng)激反應(yīng)，它甚至在暴露前已經(jīng)開(kāi)始，并逐漸加強(qiáng)。離心機(jī)實(shí)驗(yàn)前1～2分鐘內(nèi)多數(shù)人的心率加快便是一個(gè)例子。毫無(wú)疑問(wèn)，這種適應(yīng)性反應(yīng)使得機(jī)體為即將暴露到一個(gè)新的環(huán)境而進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，因而加大了對(duì)這種因素的耐受能力。

對(duì)工作效率的影響超重可引起生物力學(xué)效應(yīng)破壞，機(jī)體運(yùn)動(dòng)受阻，尤其是大關(guān)節(jié)的活動(dòng)。超重可引起人動(dòng)作靈敏反應(yīng)和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性的降低。超重作用使人的視反應(yīng)時(shí)延長(zhǎng)、圖像鑒別能力降低、跟蹤操作效率降低。地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬失重會(huì)使機(jī)體的超重耐力降低。2