SUP/HUT反复体位改变对心血管反应和脑血氧的影响研究

刘 敏，宫献文，吴 萍，李 赢，谷志明，吴 斌，黄伟芬

（1.中国航天员科研训练中心，北京100094；2.北京体育大学运动人体科学学院，北京100084）

SUP/HUT反复体位改变对心血管反应和脑血氧的影响研究

刘 敏1，宫献文1，吴 萍1，李 赢2，谷志明1，吴 斌1，黄伟芬1

（1.中国航天员科研训练中心，北京100094；2.北京体育大学运动人体科学学院，北京100084）

反复体位改变是航天员立位耐力的测试与研究的重要方法。为找到平卧位/头高位（SUP/HUT）反复体位改变对立位耐力有显著提高的相对较短时长，15名健康志愿者在旋转床上进行SUP/HUT（0°，2 min→+75°，2 min；重复10次）模式的实验，研究该模式反复体位改变对心血管功能和脑血氧的影响。研究发现：第10次倾斜平卧位和头高位SBP、DBP、MAP和TPR均分别显著高于第1次倾斜时的平卧位和头高位（∗P＜0.05）；第5、10次倾斜时头高位的O2Hb和tHb显著高于第1次（∗P＜0.05）；实验前后SST结果表明，SBP、DBP和MAP在实验后蹲位和站立的20 s和30 s内的值明显高于实验前（∗P＜0.05）。此研究表明（0°，2 min→+75°，2 min；重复10次）实验可显著提高人体立位耐力，是相对较短时长的、能够提高立位耐力的SUP/HUT模式，可用于提高航天员训练效率。

反复体位改变；航天员训练；较短时长；立位耐力；心血管反应；脑血氧；心率变异性

1 引言

在载人航天飞行中，失重造成的航天员心血管脱锻炼会导致返回地面后立位耐力下降，引发心率过快、血压过低等晕厥前的症状，特别是中长期飞行航天员症状更为明显［1］。月球重力加速度是地球的1/6，为快速适应地月环境转换，需提高人体快速适应从1g～1/6g以及从1/6g～1g变重力环境的心血管调节能力。因此，为评价或提高航天员的立位耐力及相应的心血管调节能力，较常采用的方法有头高位倾斜（Head⁃Up Tilt，HUT）实验、头低位倾斜（Head⁃Down Tilt，HDT）实验、下体负压实验及反复体位改变实验等［2⁃3］。反复体位改变实验，通常是指将人体仰卧位固定于倾斜床上，在短时间内进行多次不同体位交替变化的过程。这种体位改变使人体在轴向上所受重力处于－Gz、+Gz的反复刺激中，致使感觉传入冲动改变，以及由于流体静压作用引起体液反复的头向和足向转移，随着反复次数的增加，心率和血压会产生叠加效应，从而产生一系列心血管效应［1］。航天员进行反复体位改变的训练，作为一种刺激心血管调节能力的手段来提高航天员的立位耐力［2⁃4］。

但是，由于不同研究者所采用的反复体位改变实验的模式不同，具体包括体位角度、角度停留时间和整个刺激的时间，实验引起的对立位耐力的影响程度也就不同，甚至出现结论性的差异［3，7⁃9］，这使得反复体位改变提高立位耐力方法学研究变得困难。也由于其调节的复杂性，使得反复体位改变对心血管的影响的机理研究得到持续的关注。

Hinghofer⁃Szalkay等人的研究发现，在反复体位改变次数一样的情况下，长时间间隔的反复体位改变实验中内分泌系统变化程度比短时间间隔的变化更大［5⁃6］。国内外相关文献报道中，大部分只有针对某一固定模式（时长）反复体位改变的实验对立位耐力影响的研究，对于不同时长方面并未进行系统的比较［1⁃9，15］。

以平卧位（Supine，SUP）与头高位（HUT）之间的交替改变为例，Berry等人设计了10次+75°的HUT（0°，5 min→+75°，2 min；重复10次）实验，研究表明，70 min时长的SUP/HUT交替改变可以明显提高人的立位耐力［7⁃8］。吴斌等人前期进行过30 min的SUP/HUT（0°，2 min→+75°，1 min；重复10次）实验，人体立位耐力有所提高，但不具有统计学意义［9］。在同期进行的其他实验中，模式SUP/HUT（0°，1 min→+75°，2 min；重复10次）人体立位耐力有所提高，同样不具有统计学意义。因此，在SUP/HUT刺激下，人体心血管调节何时稳定并进入平台期，能够显著提高人体立位耐力的反复体位改变的相对较短时长是多少，这些问题在国际上还无定论。

针对以上问题，结合前期文献及实验经验，本研究设计了SUP/HUT（0°，2 min→+75°，2 min；重复10次）反复头高位倾斜实验，分析反复体位改变过程中心血管功能和脑血氧的变化特点，探寻更为高效的航天员反复体位改变训练模式，为进一步推动反复体位改变在航天航空中的应用提供理论依据。

2 实验方法

2.1 实验对象

实验初期招募符合条件的科技工作者和个别在校大学生作为志愿者，根据实验的要求，进行了基本情况的调查和常规体检报告查阅，最后筛选出18名受试者，最终15人完成全部实验，3人因时间冲突未完成全部实验。基本情况是：男性，年龄为24～32岁，平均年龄26.73±2.40岁，身高为167～182 cm，平均身高174.20±4.23 cm，体重为58～82 kg，平均体重71.53±7.50 kg，身体健康，无慢性疾病和心血管方面的疾患。

2.2 实验方案

在旋转床上进行SUP/HUT（0°，2 min→+ 75°，2 min；重复10次）实验，分析该实验过程中人体立位耐力变化情况。

SUP/HUT反复体位改变前、后设置蹲起实验（Squat Stand Test，SST）检查（有研究报道SST与HUT相比是一种对心血管系统刺激更大的急性立位刺激方法）［7⁃8］。

SST检查方案：受试者先静坐5 min，当受试者连接的仪器开始工作后，受试者站起，然后保持深蹲的体位4 min。4 min结束的时候要求被试者尽可能快地起立，并且保持直立的体位2 min。

实验过程中记录志愿者的心率（Heart Rate，HR）、收缩压（Systolic Blood Pressure，SBP）、舒张压（Diastolic Blood Pressure，DBP）、平均压（Mean Artery Pressure，MAP）、每搏量（Stroke Volume，SV）、心输出量（Cardiac Output，CO）、外周循环阻力（Total Peripheral Resistance，TPR）和大脑前额叶的氧合血红蛋白（Oxygen Hemoglobin，O2Hb）、还原血红蛋白（Deoxygen Hemoglobin，HHb）、总血红蛋白（Total Hemoglobin，tHb）、唾液皮质醇醛固酮（Aldosterone，ALD）。

3 数据处理与分析

3.1 数据处理

选取反复体位改变过程中第1、5、10次头高位倾斜前平卧位和倾斜时心血管功能和脑血氧指标的数据进行分析。平卧位数值为倾斜前最后30 s内平卧的平均值，倾斜时心血管功能的数据为倾斜初始连续3个10 s的平均值，依次记为SUP、HUT10、HUT20、HUT30共四个阶段，脑血氧的数据选取倾斜整个过程中第1、2、3、6、9、12个10 s内的平均值，依次记为SUP、HUT10、HUT20、HUT30、HUT60、HUT90和HUT120共7个阶段。心血管功能数据之所以选取前30 s的数据，是由于有前期研究显示第10 s时压力反射作用已通过心脏和血管应答完成对血压的调节过程，30 s时各项指标已基本达到稳定。心率变异性数据为反复体位改变前后坐位5 min的分析结果。实验前后SST数据选取下蹲最后30 s和站立后连续3个10 s的平均值，依次记为SQUAT、STAND10、STAND20、STAND30四个阶段。

3.2 数据分析

记录的各种数据用平均值±标准差（Mean± SD）的形式表示，使用Excel和SPSS19.0进行数据保存和统计。首先对数据进行正态性和方差齐次性检验，正态性通过Kolmogorov⁃Smirnov（a）检验获得，方差齐次性通过leneve统计量的检验获得。对于样本数据中符合正态性和方差齐次性的数据，心血管功能和脑血氧指标随时间的变化趋势采用单因素方差分析。反复体位改变前后心率变异性指标的比较采用配对t检验，不符合正态性和方差齐次性的采用非参数检验（mannu⁃U text）。设定P＜0.05表示统计学上差异显著，P＜0.01表示统计学上差异非常显著。

4 实验结果

4.1 反复体位改变过程中心血管反应特点

表1为反复体位改变过程中心血管功能指标变化。与平卧位相比，SBP、DBP、MAP、HR和TPR在头高位时均上升，之后转平卧位后下降；相对的，SV和CO在头高位时则下降，在平卧位时上升。

表1 反复体位改变过程中心血管反应各指标结果Table 1 Cardiovascular response results in repeated body position change

4.2 反复体位改变次数对心血管反应的影响

图1为反复体位改变过程中第1、5、10次头高位倾斜前平卧位和头高位初始30 s心血管指标的变化曲线。

图1 反复体位改变次数对心血管反应的影响Fig.1 Effect of number of repeated body position change to cardiovascular response

同第1次倾斜前平卧相比，第5、10次倾斜前平卧位的SBP、DBP、MAP、TPR高于第1次，而第5和第10次之间无显著性差异；三次倾斜前平卧位的HR，SV和CO无显著性改变。对于头高位，同第1次倾斜比较，第5次倾斜时SBP显著升高，第10次则与前两次无显著差异，且略低于第5次；DBP、MAP在第5、10次倾斜时均显著高于第1次，从第5到第10次DBP和MAP无显著性上升；HR在第10次倾斜时显著高于第1次，从第1次到第5次无显著性上升；SV在第10次倾斜时的第2、3个10 s内显著低于第1次和第5次；三次CO无显著性差异；TPR在第10次倾斜时显著高于第1次和第5次，从第1次到第5次无显著性上升。

4.3 反复体位改变过程中脑血氧变化特点

表2列出了反复体位改变过程中脑血氧各指标O2Hb、HHb和tHb的变化。

从表2可以看出，反复体位改变过程中脑血氧各指标O2Hb、HHb和tHb均随着体位的改变呈现出规律性的变化。与平卧位相比，O2Hb在头高位时快速大幅下降，在平卧位时上升；从平卧位转为头高位，在O2Hb初始大幅下降之后，O2Hb仍持续缓慢下降。与平卧位相比，HHb在头高位时快速大幅下降，在平卧位时上升；从平卧位转为头高位，在Hb大幅下降之后，呈现持续缓慢回升，第60 s时已基本回升到初始水平。与平卧位相比，tHb在头高位时快速大幅下降，在平卧位时上升；从平卧位转为头高位，在tHb大幅下降之后缓慢下降或者稳定不变。

4.4 反复体位改变次数对脑血氧的影响

图2为反复体位改变过程中第1、5、10次头高位倾斜前平卧位和头高位脑血氧的变化曲线。同第1次倾斜前平卧相比，第5、10次倾斜前平卧位的O2Hb、HHb、tHb与第1次均无显著性差异，随着倾斜次数的增加，呈现上升的趋势。对于头高位，同第1次倾斜比较，第5、10次倾斜时的O2Hb和tHb显著高于第1次；第5、10次倾斜时的HHb与第1次无显著性差异。

图2 反复体位改变次数对脑血氧的影响Fig.2 Effect of number of repeated body position change to cerebral oxygenation

4.5 反复体位改变过程中唾液皮质醇变化

图3为反复体位改变过程中第1、5、10次头高位倾斜前平卧位和头高位唾液皮质醇的变化曲线。同第1次倾斜前平卧相比，第5、10次倾斜前平卧位的唾液皮质醇与第1次均无显著性差异。对于头高位，同第1次倾斜比较，第10次倾斜时唾液皮质醇显著高于第1次，第5次倾斜与第1次无显著性差异。

图3 反复体位改变过程中唾液皮质醇的变化Fig.3 Changes of ALD in repeated body position change

4.6 实验前后SST结果

表3为反复体位改变前后SST心血管反应结果。其中，SBP、DBP和MAP在实验后蹲位和站立的20 s和30 s内的值明显高于实验前；HR在实验后仅立位的初始10 s高于实验前；SV实验后在立位的第3个10 s内低于实验前；CO在实验前后无显著性差异；TPR实验后蹲位和立位初始10 s和第2、3个10 s明显高于实验前。

4.7 实验前后心率变异性结果

表4为实验前后心率变异性（Heart Rate Var⁃iability，HRV）指标的变化。结果显示：实验后LF明显高于实验前，HF、TP、LF/HF略高于实验前，但无显著性；其他指标无显著性改变。

表2 反复体位改变过程中脑血氧各指标变化Table 2 Cerebral oxygenation results in repeated body position change

表3 实验前后SST心血管反应结果Table 3 Cardiovascular response results in pre⁃SST and post⁃SST

表4 实验前后心率变异性指标结果Table 4 HRVresultsin pre⁃SST and post⁃SST

5 分析与讨论

1）反复体位过程中的心血管反应结果显示：经过SUP/HUT（0°，2 min→+75°，2 min；重复10次）实验，第10次倾斜平卧位和头高位SBP、DBP、MAP和TPR均分别显著高于第1次倾斜时的平卧位和头高位（∗P＜0.05）。MAP是心血管系统的关键调节因素，它的严密控制是维持脑灌注和在重力影响下意识清醒必不可少的因素［7⁃8］。因此，心血管系统能够适应10次反复的+75°HUT以便提高对立位刺激的反应能力。第5次倾斜和第10次倾斜之间无显著性差异，提示大于5次的倾斜并不会使平卧位的心血管效应进一步增强。

头高位时，HR在第10次倾斜时显著高于第1次，TPR在第10次倾斜的头高位显著高于第1次和第5次，从第1次到第5次有上升趋势，5次倾斜之后虽然HR和TPR都增加，但立位血压并不进一步上升，这可能是与SV的下降有关。SV在第10次倾斜时的第2、3个10 s内显著低于第1次和第5次，表明大于5次的倾斜可能会使每搏量下降。但由于HR增加，SV的下降并未导致CO的改变，三次CO无显著性差异，表明心脏的血液供应仍维持在一个相对稳定的状态。本实验模式可以在维持心输出量稳定的前提下，进一步通过外周血管收缩增加外周阻力，提高人体的立位耐力。

2）实验前后SST结果显示：SBP、DBP和MAP在实验后蹲位和站立的20 s和30 s内的值明显高于实验前。

3）脑血氧结果显示：第5次和第10次倾斜前平卧位的O2Hb、Hb、tHb与第1次相比呈现上升趋势，但无显著性；第5次和第10次倾斜时头高位的O2Hb和tHb显著高于第1次，第5和第10次之间无显著性差异，三次倾斜头高位的Hb无显著性差异。这与心血管指标的结果具有一致性。

6 结论

SUP/HUT（0°，2 min→ +75°，2min；重复10次）实验可显著提高人体立位耐力和心血管调节能力，是相对较短时长的能够提高立位耐力的SUP/HUT模式。该模式可应用于中长期飞行和载人登月航天员血液重新分布适应性训练。

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Influences of SUP/HUT Repeated Body Position Change Test on Cardiovascular Rresponse and Cerebral Oxygenation

LIU Min1，GONG Xianwen1，WU Ping1，LI Ying2，GU Zhiming1，WU Bin1，HUANG Weifen1
（1.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China；2.Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Repeated body position change test is an important way to test or research the orthostatic tolerance of astronauts.In order to find a Shorter Interval of Supine/Head⁃Up Tilt（SUP/HUT）mode that can improve body orthostatic tolerance，15 healthy subjects were exposed to SUP/HUT（0°，2 min→+75°，2min；repeated 10 times）mode position change on a tilt bed.The features of physiological changes of cardiovascular effects and cerebral oxygenation were investigated.As com⁃pared with the first HUT，SBP，DBP and MAP were all significantly elevated at the tenth HUT（∗P＜0.05）in both supine and head⁃up tilt phase；However，O2Hb and tHb were all significantly ele⁃vated at the fifth HUT and the tenth HUT（∗P＜0.05）in the head⁃up tilt phase；In Squat Stand Test（SST），SBP，DBP and MAP in 20s and 30s were all significantly elevated at post⁃SST（∗P＜0.05）as compare with the pre⁃SST.The results showed that SUP/HUT（0°，2 min→+75°，2min；repeated 10 times）as a Shorter Interval mode can effectively improve the body orthostatic tolerance.These findings may promote the research on human cardiovascular regulation and be used to improve the training efficiency of astronauts.

repeatedbody position change；astronaut training；shorterinterval；orthostatic tolerance；cardiovascular response；cerebral oxygenation；heart rate variability

V7

A

1674⁃5825（2016）06⁃0720⁃07

2016⁃06⁃02；

2016⁃11⁃02

国家自然科学基金（81372126）；中国航天医学工程预先研究项目（2013SY54B0201，2014SY54A0001）

刘敏（1983－），女，硕士，助理研究员，研究方向为航天员选拔训练。E⁃mail：liuminf4＠163.com