不同加速度暴露模式下的局部脑血氧饱和度变化

卫晓阳，李宝辉，杨景慧，杨明浩，张小雪，王海霞，陈冠伊，李毅峰，欧阳锡林，金 朝

(1空军特色医学中心加速度生理研究室，北京 100142； 2解放军总医院第四医学中心，北京 100148)

+Gz暴露使血液向下半身转移，脑血流量减少，引起脑缺血、缺氧，严重时可导致G引起的意识丧失(G-induced loss of consciousness，G-LOC)。通过监测大脑供血、供氧状态的变化来预测G-LOC的发生是航空医学十分关注的问题。采用近红外线光谱(near-infrared spectroscopy，NIRS)技术可以无创伤连续地监测局部脑血氧饱和度(regional cerebral oxygen saturation，rSO2)。有研究报道，在载人离心机试验和飞行中用NIRS监测发现+Gz暴露时rSO2水平降低，当额皮质氧饱和度降低到一定水平发生G-LOC[1-2]。我们也曾初步观察了+Gz暴露对rSO2的影响[3]。慢增长率(gradual onset rate，GOR)模式[4]和模拟空战机动(simulated aerial combat maneuver，SACM)模式[5-6]加速度暴露广泛应用于加速度耐力生理学研究、抗荷装备鉴定试验、飞行员载人离心机加速度耐力检查和训练，可以分别作为G值和G-时间耐力的检查方法。本研究对比分析了GOR和SACM两种不同模式加速度暴露时rSO2的变化特点。

1 对象与方法

1.1 对象

13名男性受试者，年龄26～37岁，身高163～178 cm，体质量60～74 kg。受试者进行了包括常规化验、腹部超声、脊柱核磁共振、头颅CT、内科、外科等体格检查，对试验内容清楚，签署了知情同意书。在进行载人离心机加速度暴露前，首先进行HP抗荷动作训练，掌握正确的呼吸节奏、用力方式等动作要领。本试验方案通过了空军特色医学中心伦理委员会的审查(许可证号：2020-145-PJ01)。

1.2 方法

1.2.1 试验设备 ①载人离心机：试验在空军特色医学中心的AMST-HC-4E型载人离心机(奥地利AMST公司)上进行。该离心机主臂长8.0 m，加速度增长率6～10 G/s，最大+Gz过载15 G。座舱内用于判断受试者视野变化的信号灯包括一个中央灯及两个周边灯。红色的中央灯位于受试者眼水平正前方73 cm处；周边灯在受试者眼水平与其鼻根部成67°夹角处的两侧，两灯各距受试者鼻根部中点85 cm，两灯相距94 cm；中央及周边灯均持续照明。②WORTH无线血氧检测头带[BRS-2，中科搏锐(北京)科技有限公司]，时间分辨率>100 ms，脑血氧饱和度测量范围50%～100%，准确度允许公差1%，试验时戴在受试者前额部，打开安装了“搏锐健康”APP的手机，通过蓝牙建立连接后即可以实时传输、记录rSO2数据。③心电-耳脉搏传感器(自制)，记录加速度暴露时受试者的心电图及耳脉搏信号。

1.2.2 载人离心机加速度暴露方案 受试者在载人离心机上进行了GOR模式及SACM模式加速度暴露。①GOR模式：试验开始后载人离心机首先运行1.4 G的基线，然后载荷以0.1 G/s的增长率持续上升，受试者保持松弛状态，当感觉周边灯消失时向检查人报告并开始做HP抗荷动作，此时的G值为松驰耐力(GOR1耐力)；载荷继续增加，当受试者再次感觉周边灯消失时向检查人报告，此时的G值为紧张耐力(GOR2耐力)，检查人立即按下停机按键，载人离心机开始减速至基线，保持数秒后停止运行。②SACM模式：受试者进行3～4 G SACM曲线暴露，做HP抗荷动作。SACM曲线的载荷包括3 G(20 s)和4 G(20 s)，加速度增长率3 G/s，受试者进行暴露直到疲劳时喊“停”表示要求停止试验，主持人随即按下停机按键终止加速度暴露。

1.2.3 反映rSO2最小值变化时间特点的参数 定义了以下4个参数用于分析比较rSO2最小值变化的时间特点：①t1表示rSO2最小值与GOR2耐力终点的时间差；②t2表示rSO2从开始GOR暴露时的数值下降到暴露开始后的最小值持续时间；③t3表示rSO2最小值与SACM暴露耐力终点的时间差；④t4表示rSO2从开始SACM暴露的第1个3 G(20 s)起始点降低到最小值的持续时间。

1.2.4 统计学分析 采用SPSS 18.0软件对试验数据进行统计学分析，同一加速度暴露方案中不同时间点数据的比较采用重复测量设计的方差分析，用LSD-t检验进行组间两两比较。不同加速度暴露方案数据的比较采用配对t检验。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 受试者的抗荷耐力

受试者的GOR1耐力为(4.41±0.76) G，做HP抗荷动作后，GOR2耐力提高到(5.87±0.95)G，与GOR1耐力相比差异有统计学意义(t=11.583，P=0.000)，HP抗荷动作效果为(1.47±0.46)G。有3例受试者在到达GOR2耐力终点时发生了G-LOC，1例发生近意识丧失(almost loss of consciousness，A-LOC)。SACM持续时间为(119.6±77.4)s。

2.2 加速度耐力检查时的rSO2变化

2.2.1 GOR模式加速度暴露时的rSO2变化 图1为1名受试者的rSO2在GOR模式加速度暴露时的变化情况。可观察到rSO2值随着载荷的增加逐渐降低，在到达GOR1耐力终点后降低幅度更加显著，在到达GOR2耐力终点离心机开始减速后逐渐升高。

GOR1：松驰耐力终点；GOR2：紧张耐力终点。图1 某受试者在GOR模式加速度暴露时的局部脑血氧饱和度变化

受试者的rSO2在加速度暴露前基础值为(71.5±6.9)%，载人离心机启动后，从到达1.4 G的基线至开始GOR暴露的阶段rSO2无显著变化(P>0.05)。在到达GOR1耐力终点、GOR2耐力终点前5 s、GOR2耐力终点及返回基线时的rSO2均小于基础值(P<0.01)。各加速度暴露时间点的rSO2值相比，GOR1耐力终点与返回基线时的rSO2值相比差异无统计学意义(P=0.890)，但小于其他时间点(P<0.01)；GOR2耐力终点时的rSO2值小于其他时间点(P<0.05)，其平均值为加速度暴露前的85.0%。GOR模式加速度暴露时的rSO2最小值为(59.2±6.5)%，与GOR2耐力终点rSO2值的差值为(-1.2±1.4)%(-5%～0%)。图2为rSO2平均值在GOR模式加速度暴露过程中的变化情况。

GOR1：松驰耐力终点；GOR2：紧张耐力终点。①加速度暴露前；②到达基线；③开始GOR暴露；④GOR1耐力终点；⑤GOR2耐力终点前5 s；⑥GOR2耐力终点；⑦返回基线；⑧基线结束；⑨加速度暴露结束。图2 GOR模式加速度暴露时的局部脑血氧饱和度平均值变化示意图

t1结果为(-3.0±11.3)s，其中1人的t1=0 s，即rSO2最小值与GOR2耐力终点同时到达；4人的t1<0 s，即在到达GOR2耐力终点之前rSO2已降至最小值然后开始升高；8人的t1>0 s，即rSO2降至最小值的时间滞后于GOR2耐力终点。t1时间最长的1人达到-39 s，其他14人的t1时间范围是-7.5～4 s。t2结果为(59.3±13.5)s，用开始GOR暴露时的rSO2值与最小值的差值除以t2得到GOR暴露时rSO2的下降速率为(0.3±0.1)%/s。

2.2.2 SACM模式加速度暴露时的rSO2变化 图3为某受试者的rSO2在SACM模式加速度暴露时的变化情况。可观察到rSO2值随着加速度暴露时间的增加逐渐降低，在到达耐力终点离心机开始减速后逐渐升高。

图3 某受试者在SACM模式加速度暴露时的局部脑血氧饱和度变化

由于设备故障，有1名受试者的数据只记录到返回基线的某一时刻，rSO2数值分析采用其他12名试者的数据，但t3、t4和下降速率仍可采用13名受试者的数据。结果表明，受试者的rSO2在SACM模式加速度暴露前基础值为(70.3±6.8)%，与基础值相比，当载人离心机开始运行至基线时rSO2略降低，但差异无统计学意义，从开始SACM暴露至基线结束的各时间点rSO2均显著降低，差异有统计学意义(P<0.05)。返回基线时，rSO2仍处于较低水平，与耐力终点时相比差异无统计学意义(P>0.05)。到达耐力终点时的rSO2与GOR2耐力时的rSO2相比差异无统计学意义(t=1.690，P=0.117)。图4为rSO2平均值在SACM模式加速度暴露时的变化。

①加速度暴露前；②到达基线；③开始SACM暴露；④耐力终点前5 s；⑤耐力终点；⑥返回基线；⑦基线结束；⑧加速度暴露结束。图4 局部脑血氧饱和度平均值在SACM模式加速度暴露时的变化示意图

t3结果为(-1.6±5.1)s(-14～3 s)，其中3人的t3=0 s，4人的t3<0 s，5人的t3>0 s。t4结果为(122.6±88.6)s(29～325 s)。

SACM模式加速度暴露时的rSO2最小值为(55.2±7.0)%，与GOR模式加速度暴露的最小值差异无统计学意义(t=1.704，P=0.114)，与耐力终点的差值为(-1.4±2.5)%(-7%～0%)。用开始SACM暴露的第1个3 G(20 s)起始点rSO2值与最小值的差值除以t4得到SACM暴露时rSO2的下降速率为(0.13±0.09)%/s，与GOR模式加速度暴露时的下降速率相比差异有统计学意义(t=4.667，P=0.001)。

3 讨论

飞行员在载人离心机训练时发生G-LOC被认为是相对安全的，由于G-LOC体验可显著缩短再次发生G-LOC时的相对失能期，甚至有建议在训练时故意让飞行员发生G-LOC[7-8]。因此与飞行试验相比，用载人离心机人体生理试验研究G-LOC预警问题是比较安全和经济的方法。由于本研究的受试者此前没有参加过载人离心机试验，为了安全起见，没有使用抗荷装备进行更高载荷的试验，SACM模式的最大G值仅设置为4 G。研究结果显示，受试者的GOR1耐力为(4.41±0.76)G，做HP动作的GOR2耐力提高到(5.87±0.95)G，HP动作抗荷效果平均值为1.47 G，与飞行员相比有较大差距[4]。虽然受试者的抗荷耐力一般，但已可以满足本研究观察加速度暴露时rSO2变化的需要。

由于测量设备、方法、试验对象及表示方法等差异，各研究报道发生脑缺血、缺氧或者意识丧失时rSO2的阈值均不相同。有临床研究认为，出现以下几种情况可能发生大脑缺血、缺氧：①rSO2值低于55%(本研究中GOR模式加速度暴露时有3人rSO2最小值低于55%，SACM模式加速度暴露时有5人rSO2最小值低于55%，其中1人在以上两种模式加速度暴露中rSO2均低于55%)；②较基础值下降10%以上；较基础值下降20%～30%或绝对值低至40%或50%[9]；③rSO2的中位数较基础值下降10%(6%～15%)[10]。WILSON等[11]的载人离心机试验研究发现，在GOR模式加速度暴露过程中刚发生G-LOC时rSO2可降低到基础值的87%，在发生G-LOC后平均3.5 s降到最低为基础值的82.5%，他们认为rSO2降低到发生G-LOC前基础值的90%是失去意识的转折点，小于该值将失去意识。在动态飞行模拟器上进行模拟飞行任务时，男飞行员的rSO2比基础值减少了13%，女飞行员的rSO2比基础值减少了9%[12]。KURIHARA等[1]报道，战斗机飞行员G-LOC时额皮质氧饱和度降低15%。

本研究使用的脑血氧检测头带采用了NIRS技术，检测的红外光束能够到达额部头皮下20 mm的深度。由于大脑动脉血量约占20%，毛细血管血量约占5%，其余约75%皆为静脉血量，因此检测的rSO2主要是静脉血氧饱和度。本研究观察到，从载人离心机运行到达1.4 G的基线至开始GOR暴露前的阶段rSO2无显著变化，可能是因为此阶段载荷较小，对大脑供血没有显著影响。GOR暴露开始后，血液在+Gz作用下向下肢及腹腔静脉系统转移，有效循环血量减少，心(眼)水平动脉血压降低，rSO2也随着载荷的增加逐渐降低。GOR2耐力终点时的rSO2平均值比基础值降低了11%(基础值的84.6%)，SACM模式加速度暴露到达耐力终点时的rSO2平均值减少了13.7%(基础值的80.5%)，与上述WILSON等[11-12]报道发生G-LOC时的结果相近。

当加速度暴露结束，返回基线(GOR模式)甚至到基线结束(SACM模式)时，rSO2仍低于开始加速度暴露时的水平，表明rSO2的恢复有一定滞后效应，其原因可能是加速度性肺萎陷和动静脉右向左分流导致氧合血红蛋白水平降低[13]。从rSO2记录图中可看到，rSO2曲线随着加速度暴露持续下降，做HP抗荷动作也不能扭转这种变化趋势，甚至不会产生明显的波动，这可能与大脑中约75%为静脉血量，rSO2变化不依赖于所测量血流的搏动情况有关[9]。

KOBAYASHI等[14]也发现GOR模式加速度暴露时，组织氧合指数和氧合血红蛋白都随着G增加而降低，在到达GOR1耐力终点开始做AGSM后，脑氧合水平瞬时升高然后随着载荷增加而逐渐降低。推断上述现象的机理是： GOR模式加速度暴露时，随着G值增加，眼水平动脉压逐渐降低直至发生周边视力丧失(GOR1耐力终点)，此时受试者开始做抗荷动作使眼水平动脉压和血流量增加，脑氧合水平升高，但随着G值继续增加，由于+Gz加速度导致的眼水平动脉压及血流量继续降低。本研究发现这种变化存在个体差异：当开始做AGSM时，有的受试者rSO2略有升高，有的受试者rSO2无显著变化，然后均随着G值增加而逐渐降低。这种差异可能与不同受试者的抗荷动作效果有关。

为了观察rSO2最小值的时间变化特点是否能够发挥G-LOC预警作用，作者定义了t1、t2、t3及t4个参数。t1和t3的个体差异范围较大，表明加速度暴露时rSO2最小值与耐力终点的时间点缺乏一致性，既rSO2到达最小值时受试者不一定同时到达耐力终点，因此rSO2最小值不适合作为制定G-LOC预警阈值的参考指标。可以考虑用到达耐力终点前某一时刻的rSO2值研究制定G-LOC预警阈值。例如本研究中观察了GOR和SACM两种模式加速度暴露到达耐力终点前5 s的rSO2值，该值略高于耐力终点值，假如以该值作为阈值发出G-LOC预警信号，按照HP动作的周期是2.5 s，在到达耐力终点前可以做2次HP动作，可能有助于防止发生G-LOC。t2和t4用于计算和比较不同加速度暴露时rSO2的下降速率，SACM模式时rSO2的下降速率显著小于GOR模式(t=4.667，P=0.001)，其原因可能是：GOR模式加速度暴露开始时受试者保持松驰，导致眼水平动脉压随载荷增加而快速降低，虽然在发生周边视力丧失后开始做抗荷动作，但随着载荷持续增加很快到达耐力终点，加速度暴露时间也相对较短；受试者在SACM模式加速度暴露开始时即做抗荷动作，使眼水平动脉压维持在较高水平，并且暴露的G峰值较低、持续时间长，因此rSO2的下降速率较小。

KOBAYASHI等[14]在进行4～7 G SACM试验时，受试者使用抗荷装备做抗荷动作，虽然没有发生G-LOC但仍观察到部分受试者在4 G以上加速度暴露时大脑氧合水平降低。本研究3～4 G SACM模式加速度暴露时受试者没有使用抗荷装备仅做抗荷动作，均没有发生G-LOC或A-LOC，同样观察到rSO2在暴露过程中逐渐降低，分析可能的原因是：①做抗荷动作消耗体力产生疲劳，抗荷动作效果降低，眼水平动脉压及血流量下降；②长时间+Gz暴露时的动静脉从右向左分流，导致大脑氧合状态降低[15]。

虽然我们的研究目的之一是探讨rSO2在G-LOC预警中的应用，但由于安全和伦理等方面的原因，没有刻意让全部受试者加速度暴露至发生G-LOC，而是将发生在G-LOC之前的周边视力丧失或疲劳等指征也作为终止加速度暴露的时间点，而以此建立的预警值可能较早但更加安全。

总之，本研究观察到rSO2在GOR和SACM两种模式加速度暴露时均随着载荷值或持续时间的增加而逐渐降低。rSO2最小值不适用于G-LOC预警。可以选择到达耐力终点前某一时间点的rSO2值研究制定G-LOC预警阈值。影响rSO2的因素很多，包括年龄、血红蛋白、平均动脉压、动脉血氧饱和度、动脉血二氧化碳分压等[7]。确定rSO2的G-LOC预警阈值仍需要以大样本数据为依据，并结合飞行训练、作战实际情况进一步深入研究。