生理信号监测在飞行员抗荷能力训练中的应用

秦聪聪，李心航，李 曦，王永春，李 卓，2

(1空军军医大学航空航天医学系航空航天医学训练教研室，陕西 西安 710032；2北京体育大学运动人体科学学院，北京 100084)

现代高性能战斗机加速度增长率较高，当战斗机飞行员驾驶飞机完成盘旋、筋斗、俯冲改出等机动飞行动作时，由于惯性，飞行员受到持续性正加速度的作用，人体承受高负荷的加速度冲击[1-3]，这种高载荷环境会对飞行员造成多种不利影响。在高载荷作用下，飞行员会突发性出现黑视或意识丧失(G-induced loss of consciousness，G-LOC)，是威胁飞行安全的巨大隐患[4-6]。在航空医学中，人体抵抗载荷的能力被称为抗荷能力。加强飞行员的抗荷能力训练，对保证飞行安全、保障飞行员健康、提高战斗力具有重要意义[7-8]。抗荷训练是飞行人员的必修科目，一般通过基础体能训练提高下肢肌群及核心肌群等的肌肉力量，或通过使用载人离心机模拟飞行高载荷环境进行专项性训练。人体在高载荷等特殊环境中的生理变化是机体对外界环境刺激的客观反映，这些变化通常与机体工作能力直接相关，科学评价抗荷能力的训练效果或抗荷能力强弱，对飞行员日常训练具有重要指导作用。本文梳理总结了人体生理信号变化对抗荷能力的医务监督的意义，为飞行员抗荷能力提升提供参考。

1 抗荷动作

飞行员抗荷能力的提升主要依靠两方面，一是抗荷装备的更新换代，二是飞行员抗荷动作的训练和提升。飞行员抗荷能力的提升依赖于日常抗荷训练，正确有效的抗荷动作是飞行员提升抗荷能力、防止出现G-LOC的重要方法[9-11]。在歼击机飞行员中广泛使用的抗荷动作有M-1动作和L-1动作，近年来，我国航空医学工作者又提出了HP、PHP动作等，丰富了抗荷动作的训练方式，并且迅速在航空兵部队中普及，这些抗荷动作都要求注重呼吸与骨骼肌收缩的配合。实践证明，这些抗荷动作简单易行、对抗荷提升效果明显。由于抗荷动作本身要求飞行员主动进行骨骼肌收缩，因此加强相关肌群的力量锻炼，特别是增强腹部及下肢肌肉力量的锻炼，对准确高效完成抗荷动作、提高抗荷能力具有重要促进作用[12-13]。在训练实践中，飞行员有多种方式可以促进抗荷能力的提升，包括肌肉力量耐力、有氧无氧能力等体能训练以及使用载人离心机模拟飞行载荷环境，通过对抗荷动作不断练习的抗荷训练，达到提升抗荷能力的目的。

2 抗荷训练与生理信号监测

得益于材料技术、物理技术、计算机技术及医学技术等多学科的快速发展及交叉融合，小型传感器或柔性可穿戴相关设备发展迅速，无创式生理信号采集手段呈现多元化、智能化、微型化、柔性可穿戴化发展趋势，多维生理信号的采集分析变得更为简便。飞行员在抗荷训练过程中产生一系列适应性变化，包括心率、血氧、血压、呼吸机能和肌肉适能等，通过对飞行员活动过程机体生理变化产生的生理信号进行多维度采集与实时监控，可以预测飞行员在训练中存在的风险，避免损伤、过度疲劳的发生，为飞行员科学化训练提供指导。

2.1 心率监测在抗荷训练中的应用

心率是人体最基础、也是最容易获得的生理指标。心率可以作为抗荷训练过程中训练负荷及强度的反映指标，尤其是在心肺能力训练科目中，使用心率监测，是保证受训人员训练安全和质量最方便的方法。在传统的医疗设备中，监测心跳速率和心脏活动是通过心电信号采集来完成的，需要将电极连接到身体来测量心脏获得的信号，虽然准确性强，但是设备昂贵且不便携带，操作复杂，不便于训练时监测心率。目前，市面销售的智能手表、手环、及胸带式心率带都是采集心率指标的便捷设备，这些设备通过光学传感技术或生物电信号采集心率，在保证数据准确的同时兼顾了使用者的舒适度与实操性，是较为理想的监测设备。抗荷训练过程中心率会出现适应性升高，但研究表明，在高载荷环境下，心率的变化因人而异，且对于个人静息心率过低是否会影响抗荷能力说法不一[14]。因此在使用个体心率数据的变化分析指导训练时，应充分考虑个体差异化与个体训练水平的高低。抗荷训练是特殊的身体运动训练，其训练过程由于骨骼肌收缩运动及循环系统的激活以及随着训练量和强度的增加，心率随之呈升高趋势。在运动训练学中，对有氧运动、高强度间歇训练等体能训练方法的心率提出了不同要求，例如有氧运动心率建议维持在60%～70%的个人最大心率水平[15]，高强度间歇训练心率建议维持在90%的个人最大心率水平[16-18]，而对于抗荷训练时飞行员心率水平维持在什么水平时训练效益最优仍有待研究。心率水平是最便捷反映训练负荷的生理参数，通过对飞行员日常训练的心率监控，了解个人训练负荷与心率水平的关系，有助于更好地制定实施训练方案，对飞行员科学训练有积极帮助。

2.2 抗荷训练中的血压变化表征

血压是人体生命体征中的一项重要生理指标，正常人体血压值为收缩压90～139 mmHg，舒张压60～89 mmHg。当飞行员暴露于高载荷时，为保证血液回流，避免血液过多在下肢淤积，导致头部血氧循环不足而引发危险，通常使用抗荷服及抗荷动作对抗高载荷的不良影响，其原理是通过骨骼肌挤压、呼吸调节胸内压，使得收缩压显著升高，此时机体收缩压明显高于正常生理状态水平以保证头部供血。有研究表明，在高载荷飞行环境中，为了保持大脑和视网膜等组织的充分血液灌注，飞行员收缩压可达到225～250 mmHg[19]，远大于正常生理环境下收缩压水平，这样的压力提升在很大程度上是通过抗荷服的帮助来实现的，然而主动的抗荷动作在对抗高载荷中的作用也不可忽视，通过抗荷服和抗荷动作组合可以将高载荷的耐受水平提高4～5 G[20]。血压是评价抗荷能力的重要指标[21-22]，也可以监督抗荷训练的效果。传统的血压测量方法是通过水银计听诊，目前市面上普及的医用级电子血压计，使用人无需学习传统听诊测量技术，简便可靠。记录每名飞行员训练周期内的血压变化，对评定抗荷训练效果、提高训练质量具有重要意义。然而，由于抗荷训练经常会在离心机上进行，且在抗荷动作的实施过程中，需要全身骨骼肌紧张，给血压信号特别是头部血压的采集带来一定的困难，目前市面上成熟的无线蓝牙式血压监测设备为飞行员抗荷训练中监测血压提供了可能，但其无法实现逐跳血压监测，且在运动过程中对血压监测的精准性如何仍有待系统评价，因此研发新一代可连续无创监测头部血压的血压计应用于抗荷训练中具有重要的实用价值。

2.3 血氧含量在抗荷训练中的应用

血氧饱和度是指血液中氧合血红蛋白占所有血红蛋白的容量百分比，反映血液中的血氧浓度。血氧含量是人体正常生理功能的基础，氧气被血液运输到各个组织进行气体交换，保证能量代谢。抗荷能力的目标之一就是保证脑部血氧的供给。研究发现运动训练有利于提高骨骼肌、脑等组织器官的摄氧能力[23-26]，在抗荷训练过程中，可以使用近红外血氧监测设备，对肌肉血氧、脑血氧变化进行实时监测，为科学训练提供指导。目前市面上销售的可穿戴的血氧饱和度监测设备，血氧监测功能较为基础，鉴定深度有限，与专业血氧设备相比无法提供更多信息。基于近红外光谱法的血氧监测设备，鉴定深度更深，可以进行组织氧合定量，对含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白和总血红蛋白信号进行采集[27-29]，提供更多血氧信息。保证脑部血氧含量充足是飞行员防止G-LOC发生的必要条件，使用头部血氧监测设备，可以完整展示出训练中头部血氧的实时变化情况，通过分析不同训练阶段的变化趋势，为科学训练和健康监测提供参考，有助于针对供氧薄弱环节进行针对性训练，发现血氧在训练活动或飞行任务中的变化规律，提高训练效益，防止G-LOC发生，然而目前脑血氧监测在抗荷训练或飞行任务中的应用比较少，在训练或飞行任务中科学使用脑血氧监测还有待进一步研究。

2.4 抗荷训练中的呼吸机能指标的评价与应用

呼吸机能主要通过气体代谢指标反映，测量时需要专业的气体分析仪器，其在运动训练学、运动医学中已被广泛应用，但在飞行员抗荷体能训练中的使用率还相对较低，用呼吸机能监测抗荷训练效果还有待发掘。呼吸机能主要指肺通气水平，包括每分钟静息通气量、肺活量、潮气量、耗氧量等。呼吸方式、呼吸肌力量、呼吸技巧等都可以影响肺通气水平，抗荷动作注重肌肉收缩与呼吸配合，对呼吸方式及呼吸动作有特殊要求。人体呼吸摄入的氧气含量是血液与组织器官进行气体交换的基础，通过对飞行员在抗荷训练过程中气体代谢分析，比较不同训练阶段潮气量、摄氧量水平，可有效判断其呼吸机能的变化。有研究显示，受试者使用市面上销售的呼吸肌训练器训练6周，收集肺功能测试数据，通过测量峰值呼吸压、潮气量等来评估抗荷动作的性能，结果显示训练后呼吸肌强度和最大吸气压力显著改善，但其他呼吸参数指标未有明显变化，且呼吸机能的提升对高载荷下抗荷动作的提升是有限的，但经过呼吸肌群专项训练后的飞行员，可以显著提高最大呼气压和最大吸气压，呼吸机能的提高对抗荷动作的经济性具有帮助[30]。呼吸潮气量、摄氧量在经过训练后可以显著提升，但潮气量或摄氧量的增多不能直接反映抗荷能力的效益，我们认为抗荷的目标是为了保证全身血液的循环流动，保证组织尤其是脑组织的充足供氧，因此潮气量、摄氧量的增加只是组织摄氧的先决条件，只有组织最终吸收利用才是目标，使用血氧监测设备与呼吸监测设备同时对飞行员进行生理监测，则可更为完善地反映呼吸摄氧能力和组织利用氧能力，在实际应用中更具指导意义。

2.5 肌电技术在抗荷训练中的应用

肌肉电信号通过记录肌肉收缩舒张变化信号可以有效进行动作分析，从而监测不同肌肉间的协调性与时序性。肌电技术已经广泛运用在机体运动、康复、肌肉评定中，用于指导运动康复与训练诊断，可以对动作特点进行评价、对肌肉疲劳发出预警。对肌电信号处理后，可以对时域及频域分析，包括指标肌电积分值、均方根振幅值、平均功率频率、中位频率等，其中时域指标可以评判肌肉收缩程度与肌肉动作特点，频域指标可用于判断肌肉的疲劳情况[31-34]。抗荷训练需要呼吸肌群、腰腹肌群、下肢肌群协同收缩完成抗荷动作，通过肌电监测相关肌群的电信号变化，分析飞行员在抗荷训练过程中的动作特点，对规范抗荷动作具有促进作用。在训练过程中引入肌电监测，可对飞行员相关肌群状态评估，并依此查找个体存在的薄弱运动环节，有利于针对性加强训练，提高抗荷训练效率，并且预防损伤发生。有研究基于不同高载荷环境下腓肠肌肌电特征，建立了针对G-LOC的预警算法，可以在飞行过程中检测G-LOC并向飞行员发出警告信号，降低飞行风险[35]，但受限于肌电设备的佩戴、物理尺寸、传感方式等限制，还无法直接将其应用于实际飞行任务中，但不可否认的是，在抗荷训练中引入肌电监测系统，可以为科学、精准训练，预防损伤提供判断依据。

2.6 肌肉力量评价在抗荷训练中的应用

力量是人体最基础的身体素质，抗荷训练中需要呼吸肌群、核心肌群、下肢肌群协同收缩完成抗荷动作，肌力的大小、肌肉耐力的强弱成为飞行员最不可忽视的身体素质，在高载荷飞行环境中，需要肌肉主动收缩对抗飞行带来的载荷，肌肉力量的大小、肌肉耐力及爆发力等肌肉素质成为高质量完成抗荷动作的关键，由此可见，飞行员抗荷肌群的肌肉适能对抗荷动作的作用是不容忽视的[36-38]。对于飞行员或飞行教官来说，掌握个体肌力水平有助于找出弱点或不平衡的部位，对制定训练计划、建立针对性补足方案尤为重要，肌力测试也是人体生理参数中较为容易获得的指标。肌电、测力计等专业设备可以评价肌力水平、评价肌肉状态，但实施过程较为复杂，设备使用及数据处理解读需要一定专业知识，而通过合理的动作设计进行简单的负重测试或肌肉耐力测试可简单评价肌肉适能水平，例如最大举重质量、最大深蹲质量、连续卷腹次数等。飞行员或飞行教官应该建立肌力档案，对训练效果进行评价监督。有研究表示，呼吸肌力量是导致抗荷动作疲劳的主要诱发肌群，呼吸肌的训练对提高抗荷能力是有效的，但注重肌力训练，却不能将力量转化为完成抗荷动作的性能，其作用大打折扣[39]。因此在注重力量训练的同时，对抗荷动作技巧的训练同样重要。

3 结束语

抗荷训练是关乎飞行安全及飞行员健康的重要保障，是飞行员、飞行教官、航空医务工作者的必修科目。通过科学合理的训练起到事半功倍的效果，是日常训练应该追求的目标，而对飞行员进行生理医务监督，使得科学高效训练变得更容易实现。运动负荷的确定是组织日常训练的难点，运动负荷由运动强度、时间、运动量等构成，合理的运动负荷可以对机体训练刺激达到最适，不易引发训练疲劳，使训练收益最优，然而由于个体差异，最适训练负荷也因人而异。随着各种便携传感器、无创生理监测设备的应用，方便快捷地获取机体生理数据已不是难事，在训练中引入心率监测、肌电监测、血氧监测等生理指标，有助于判断飞行员训练状态，通过对抗荷训练过程的生理医学监督，分析比较个体飞行员训练过程的生理数据变化，可以对飞行员训练提出针对性指导意见，改善其训练中的薄弱环节，提高训练效果，并且使用客观的生理指标和主观用力程度量表，可以寻找飞行员训练的最适负荷，达到科学训练目的。此外，还可以通过对个体飞行员的生理数据监测记录，建立个人训练的健康记录档案，使飞行员、飞行教官以及医务人员充分了解个体身体状况，降低伤病风险。另外，通过生理参数的记录分析有助于飞行员了解自身训练状态，也可以在一定程度上提高飞行员的训练积极性。因此，对于未来飞行员的抗荷能力训练，医务监督应在其中发挥更多作用。

医务监督虽然在抗荷训练和保障飞行人员健康中可以发挥很多积极作用，然而，当前仍存在一些局限：首先是一线飞行员和航医工作者要正确树立对抗荷训练重要性的认识，建立科学训练的意识；其次，虽然生理监测的设备呈广泛普及趋势，使用门槛变得越来越低，以智能手表设备为例，不管是设备本身还是获取数据都变得极为容易，但如何正确解读数据，是实际应用中的难点，尤其在抗荷训练等特殊生理活动中，对心率、血氧等数据变化的解读要因人、因环境而异考虑。对于血氧、肌电、气体代谢等数据，其设备操作门槛和数据解读要求更为专业，使一线飞行员或基层航医深刻理解并掌握数据解读分析存在较大困难。因此，对于飞行员来讲需要自身加强抗荷训练的生理基础理论学习，能基本判读个人生理数据。对于航医工作者来说，作为保障飞行员健康的医务人员，更应该丰富自身理论学习，并加强与训练实践相结合，承担起飞行员抗荷训练的医务监督与科学训练的责任。对于专业航空医学教研单位或大型医院相关科室来讲，应充分掌握飞行员生理数据的判读，为我军一线工作的飞行员及航医提供专业保障，形成针对施策、高效训练、科学评定的训练体系，这对提高训练收益、保证飞行员健康、提升战斗力具有重要意义。