负荷运动和低压环境暴露对人体吸氧排氮效率的影响

彭远开，费锦学，国耀宇，肇 海，刘 钢，何新星

（中国航天员科研训练中心，北京 100094）

负荷运动和低压环境暴露对人体吸氧排氮效率的影响

彭远开，费锦学，国耀宇，肇 海，刘 钢，何新星

（中国航天员科研训练中心，北京 100094）

针对与航天员出舱活动吸氧排氮方案关系重大的负荷运动和低压环境对吸氧排氮的影响问题，以7名健康男性青年（年龄18～22岁，身高173.8±4.2 cm，体重72.3±5.3 kg）为被试，进行了19人次实验；分为安静对照组（CN组，7人次，受试者安静坐位吸纯氧3 h）、20 W运动组（20 W组，6人次，受试者脚踏自行车吸纯氧连续2.5 h，自行车功率设置为20 W，速率为60 r／min）和3 km低压组（3 km组，6人次，受试者在低压舱模拟3 km高度安静坐位吸纯氧3 h）。分别测试和计算肺通气量、呼出气氮浓度、排氮速率和累积排氮量。实验发现：与CN组相比，20 W组和3 km组的排氮速率均在吸氧排氮期间前105 min有所增加，部分时间点增加显著；20 W组累积排氮量在吸氧排氮前120 min增加显著，3 km组的累积排氮量在吸氧排氮各时间段均显著增加；与3 km组比，20 W组的排氮速率和累积排氮量均无显著性变化。实验说明负荷运动和低压能有效提高吸氧排氮效率。

运动；低压；吸氧排氮；出舱活动

1 引言

航天员出舱活动（Extra-Vehicular Activity，EVA）是载人航天活动的重要内容之一，在航天器和舱外航天服的压力制度分别采用常压和低压制度的条件下，EVA最大的医学生理问题之一是发生航天减压病。减压病是环境大气压力降低时，人体组织体液中溶解的氮气呈现过饱和状态而离析出来形成气泡引起的一系列症状，包括屈肢疼痛、皮肤瘙痒、咳嗽胸痛、肌肉抽搐、视觉障碍，以及呼吸循环系统、中枢神经系统症状等［1］。出舱活动过程中发生减压病轻则影响航天员工作效率，重则影响航天员身体健康和生命安全，而吸氧排氮是预防航天员出舱活动减压病最重要的措施之一。目前，美国和俄罗斯的航天器和舱外航天服均分别采用常压制和低压制，为预防出舱活动发生减压病，美国和俄罗斯均研究制定了预防航天减压病的出舱活动吸氧排氮方案［2］，并有效地预防了航天减压病发生，保障了航天员安全和出舱任务完成。相比而言，美国的出舱活动吸氧排氮程序相对复杂，吸氧排氮时间长，出舱活动效率低于俄罗斯；而俄罗斯的出舱活动吸氧排氮时间虽然比美国短，但其氮过饱和系数（R值，环境减压前机体内氮分压与环境减压后的环境压力）比美国的高，减压病风险大。针对目前航天飞行器和舱外航天服分别采取常压制和低压制的出舱活动减压病的预防，研究提高吸氧排氮效率的方法和措施，一方面能在规定的吸氧排氮时间内更有效地排出体内氮成分，有利于预防减压病；另一方在确保预防出舱活动减压病效果的前提下，可减少吸氧排氮时间，增加航天员出舱作业时间，提高出舱活动效率。有关提高吸氧排氮效率影响因素的研究已有文献报道［3-5］，但有关负荷运动和低压环境对人体吸氧排氮效率的定量研究文献报道较少，本文通过人体实验定量研究体力负荷运动、低压环境对吸氧排氮量的影响，以期为航天员出舱活动吸氧排氮方案的制定、优化和改进提供数据参考。

2 实验设置

2.1 实验对象及分组

7名健康男性青年，年龄18～22岁，身高173.8±4.2 cm，体重72.3±5.3 kg，共进行19人次实验。分安静对照组（CN组，7人次）、20 W运动组（20 W组，6人次）和3 km低压暴露组（3 km组，6人次）。安静对照组：受试者安静坐位戴呼吸面罩吸纯氧3 h。20 W组：自行车功量计功率设置为20 W，受试者坐在自行车上戴呼吸面罩吸纯氧，同时脚踏自行车（速率为60 r／min）连续2.5 h。3 km组：受试者在低压舱模拟3 km高度上（舱内压力为70.1 kPa）安静坐位戴呼吸面罩吸纯氧3 h。

2.2 实验条件

1）实验环境温度：22±3℃；

2）相对湿度：30%RH～70%RH；

3）环境大气压力：CN组、20 W组为本地大气压力，3 km组大气压力为70.1 kPa。

2.3 测试指标

肺通气量，呼出气氮浓度，主诉症状。

2.4 测试仪器和设备

1）DMP-04型氮氧分析仪（大连化学物理研究所），最小测量浓度为50 ppm，仪器精度为0.01%；

2）生理信号采集分析系统（澳大利亚，Powerlab 8 s／w，呼吸流量传感器），测定的流量精度为5%；

3）医用纯氧（氧浓度99.95%～99.99%）；4）供氧面罩，自行车功量仪（日本），低压舱等。

2.5 实验流程

2.5.1 实验装置

实验装置如图1，实验过程中，医用氧经氧气减压器减压后经过流量计控制氧流量，氧气流入吸入气缓冲袋（实验中保持气袋呈充盈状态），再经管道流入受试者呼吸面罩内。受试者呼出的气体通过管道上的Powerlab呼吸流速仪传感器后，根据实验需要，呼出气体通过管道上的三通阀门，或流出呼吸管道外，或流入Douglas袋中用于采样分析。

2.5.2 实验程序

实验测试前用医用氧冲洗实验管道系统和气体样品收集袋，使实验管道系统和气体样品收集袋内氮浓度不高于医用氧本底氮浓度，之后各组的实验程序如下：

1）CN组：受试者取坐位，戴好呼吸面罩，连接好实验管道，吸纯氧3 h。前5 min呼出气体排出呼吸管道外，从第5 min开始收集呼出气体2 min，以后每隔3 min收集呼出气体2 min，用于呼出气氮浓度的分析。

2）20 W组：受试者坐在自行车功量计上（自行车功率设定为20 W，速度设定为60 r／min），戴好呼吸面罩，连接好实验管道，连续脚踏自行车功量计并吸纯氧2.5 h。呼出气体的收集采样等步骤与CN组一致。

3）3 km组：受试者在低压舱内取坐位，戴好呼吸面罩吸低压舱内空气，低压舱以20 m／s的速度上升到3 km高度后，呼吸面罩接上实验管道开始吸纯氧3 h。呼出气体的收集采样等步骤与CN组一致，吸氧结束后，低压舱以（15～5）m／s的速度下降到地面。

2.5.3 指标测试

1）肺通气量：通过生理信号采集分析系统连续测量肺通气量，每5 min记录1次肺通气量数据；

2）呼出气体氮气浓度：每5 min用采样器从气体采样袋内取样2份（其中1份样用于冲洗DMP-04型氮氧分析仪测量管道系统），通过DMP-04型氮氧分析仪分析不同测试点的呼出气氮浓度。

2.6 数据处理

2.6.1 吸氧排氮速率计算

根据各测试点所测量的肺通气量（L／min，STPD）和呼出气氮浓度（ppm），每5 min计算受试者不同测试点的排氮速率（mL／min）。

2.6.2 累积吸氧排氮量的计算

根据每名受试者不同测试点的排氮速率，分别建立各受试者吸氧排氮速率与吸氧时间的数学模型表达式，对数学表达式进行定积分，计算出每名受试者在30 min、60 min、90 min、120 min、150 min和180 min测试点的累积排氮量（其中吸氧排氮期间的前5 min中排出的氮气多为肺部组织的，未进行累积计算），再统计各组在以上各测试点的累积值。

2.6.3 统计分析

实验数据以mean±SD表示，采用SPSS统计分析软件，各组间采用组间T检验。

3 结果

3.1 受试者一般情况

各实验组受试者按照实验要求完成吸氧排氮程序，实验期间受试者感觉良好，无明显不适感。

3.2 肺通气量和呼出气体氮浓度

各实验组肺通气量随时间变化的结果如图2，各实验组肺通气量随实验时间变化的幅度不大。与对照组相比，3 km组的肺通气量在各时间点均显著降低（P＜0.05），20 W组的肺通气量在各时间点均显著增加（P＜0.05）；与3 km组相比，20 W组的肺通气量显著增加（P＜0.05）。

各实验组呼出气氮浓度随实验时间变化的结果如图3，各实验组氮浓度随时间变化的趋势一致，氮浓度在前10～20 min呈大幅度迅速下降，之后以小幅度缓慢下降。与对照组比，20 W组氮浓度在各实验时间点均显著降低（P＜0.05），3 km组氮浓度在各实验时间点均显著增加（P＜0.05）；与3 km组相比，20 W组的呼出气氮浓度在各实验时间点均显著降低（P＜0.05）。

3.3 吸氧排氮速率

各实验组吸氧排氮速率随时间的变化如图4，各组吸氧排氮速率变化趋势一致，排氮速率在前10～20 min以较大幅度下降，之后以较小的辐度波动并持续下降。与CN组相比，20 W组的排氮速率在吸氧排氮过程前105 min增加明显，其中在吸氧排氮第5 min、15 min、25 min、30 min和105 min排氮速率增加有显著性差异（P＜0.05），之后排氮速率变化不明显；3 km组的排氮速率在吸氧排氮的前105 min增加明显，其中吸氧排氮第10 min、20 min、50 min、60 min和105 min排氮速率增加有显著性差异（P＜0.05），之后排氮速率变化不明显。与3 km组比，20 W组的各时间段吸氧排氮速率无显著性变化。

3.4 吸氧累积排氮量

各实验组在不同时间段的吸氧累积排氮量如图5所示，随吸氧排氮时间增加而增加，前期增加明显，后期增加缓慢。与CN组相比，20 W组在吸氧排氮30 min、60 min、90 min和120 min的吸氧累积排氮量显著增加（P＜0.05），之后的其它时间段的累积排氮量增加不显著；3 km组在吸氧排氮各时间段的累积排氮量均显著增加（其中吸氧排氮30 min和60 min排氮累积量增加非常显著，P＜0.01；其它吸氧排氮时间点的累积排氮量有显著性差异，P＜0.05）。与3 km组比，20 W组的各测试点的累积排氮量均无显著性变。

4 讨论

4.1 负荷运动和低压暴露对吸氧排氮影响

本实验结果显示各实验组呼出气氮浓度和排氮速率在吸氧排氮期间前10～20 min大幅度降低，之后降低缓慢，最后在低水平上小幅度波动性降低；而累积排氮量则在吸氧排氮早期明显增加，后期缓慢增加，这些指标变化符合人体吸氧排氮规律［6］。与对照组相比，20 W组和3 km组的吸氧排氮速率和累积排氮量在吸氧排氮前期显著增加，说明20 W负荷运动和3 km低压环境能提高人体的吸氧排氮效率。负荷运动使机体心输出量、组织血灌流量和肺通气量增加，从而增加机体组织内氮排出量［6-8］，Webb等［9-10］观察到吸氧排氮期间运动能使高空暴露减压病的发病率显著降低，间接证明吸氧排氮期间的负荷运动能促进机体排氮。低压环境提高人体吸氧排氮效率主要在于低压排氮效应，当环境压力下降时，机体组织内的氮气气体压力与减压后的环境大气氮气压力存在压差，这种压差驱动机体内的氮成分不断排出体外，从而加快吸氧排氮时体内氮成分的排出。

在本实验观察到的20 W组的呼出气氮浓度降低是由于运动时肺通气量大幅增加在一定程度上稀释了呼出气氮浓度；而3 km组的呼出气体氮浓度升高主要与低压环境促使机体排出氮气增加，以及低压环境下人体肺通气量减小导致呼出气氮气浓度浓缩有关。本实验结果显示20 W和3 km提高吸氧排氮效率主要发生在吸氧排氮前期，提示应用运动和低压环境因素提高吸氧排氮效率时，尽可能在吸氧排氮前期实施。

4.2 运动和低压在出舱活动吸氧排氮中的应用

提高吸氧排氮效率的方法和措施若要在航天员出舱活动中应用，除了能提高出舱活动吸氧排氮效率外，还不能对航天员产不良的心理和生理影响。对于负荷运动的应用，合理选择负荷运动量和运动时间非常重要，负荷运动量过大，运动时间过长除可能引起人体身体疲劳（包括人体心理和生理不适）外，还可能使机体组织产生气核［11］，不利于后续出舱活动航天员保持良好的身体状态和出舱活动减压病防护；而运动负荷过小，因机体的呼吸循环系统功能代偿较小，提高吸氧排氮效率有限。本实验观察到20 W负荷运动提高吸氧排氮效率明显，受试者没有不良心理和生理反应，这表明20 W负荷运动可应用于出舱活动吸氧排氮方案中，但20 W是否为最优的运动负荷量，以及运动时间多长最为合适需进一步研究。对于低压因素的应用，选择环境压力的高低至关重要，低压环境压力过高，会使环境大气的氮气压力与体内组织氮气压力的压差变化不大，其低压排氮效应有限；而环境压力过低本身就有产生减压气泡的可能，不利于机体内的氮气排出，甚至在出舱活动前就可能引起减压病；有文献报道环境减压后的R值不大于1.22不发生减压病［12］，根据公式［6］计算，不吸氧排氮人体从海平面1个大气压上升到3 km的R值约为1.1，这表明人体在3 km低压环境进行吸氧排氮是安全的，结合本实验3 km低压环境有效提高吸氧排氮效率，对人体无明显心理和生理反应的实验结果，以及目前美国和俄罗斯吸氧排氮方案中采用3 km低压环境［1］，可以说明3 km低压环境应用于出舱活动吸氧排氮中是可行的。

5 结论

20 W负荷运动和3 km低压暴露能加快人体吸氧排氮速率，增加累积排氮量，有效提高吸氧排氮效率，且对人体生理无明显的不良影响，在出舱活动吸氧排氮方案中有一定的应用前景。学科学出版社，2015：125-140.XIAO Huajun.Applied Physiology of Aviation Oxygen Protective Equipment［M］.Beijing：Military Medical Science Press，2015：125-140.（in Chinese）

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（责任编辑：龙晋伟）

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Effects of Exercise and Hypobaric Exposure on Efficiency of Pre-oxygenation in Human

PENG Yuankai，FEI Jinxue，GUO Yaoyu，ZHAO Hai，LIU Gang，HE Xinxing

（China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

To study the relationship between the pre-oxygenation Protocols of the astronaut extravehicular activity（EVA）and the effects of exercise and low pressure on the efficiency of pre-oxygenation，7 healthy young male（aged 18-22 years old，height 173.8±4.2 cm，body weight 72.3±5.3 kg）were arranged to participate 19 experiments.The experiments were divided into three groups：the control group（7 subjects were asked to sit quietly and breath 100%O2for 3 h），20 W exercise group（6 subjects were asked to pedal the bicycle ergometer at 60 r／min-20 W and breath 100%O2for 2.5 h），and 3 km low pressure group（6 subjects were asked to sit quietly and breath 100%O2for 3 h at simulated 3 km altitude in the hypobaric chamber）.The pulmonary ventilation，the exhaled nitrogen concentration，the nitrogen expiration rate and the cumulative nitrogen expiration were measured and calculated.The results showed that as compared with the control group，the nitrogen expiration rate in 20 W exercise group and 3 km low pressure group increased for the first 105 min of pre-oxygenation and increased significantly at some time points of this period；while the cumulative nitrogen expiration increased significantly in 20 W exercise group in the first 120 min of pre-oxygenation and for 3 km low pressure group increased significantly for the whole pre-oxygenation period.Compared with 3 km low pressure group，the nitrogen expiration rate and the cumulative nitrogen expiration of each test point in 20 W exercise group showed no significant change.The test shows that exercise and low pressure can effectively increase the nitrogen expiration efficiency during breathing 100%O2in human.

exercise；low pressure；pre-oxygenation；extravehicular activity

R852.16

A

1674-5825（2017）06-0819-05

2017-05-05；

2017-09-27

载人航天预先研究项目（01100308）

彭远开，男，硕士，研究员，研究方向为航天环境医学。E-mail：ykpeng507＠aliyun.com