基于短臂离心机的人工重力联合运动锻炼对抗失重生理效应的研究

摘要

载人航天飞行面临的失重可导致一系列人体生理机能改变，表现为航天员返回时运动能力下降、立位耐力不良，并有突发晕厥的可能。失重的不良生理效应会对航天员的健康构成威胁，同时会制约航天员在突发紧急情况时独立脱离困境的能力。
　　当前载人航天飞行中采用的水盐补充、运动锻炼、下体负压、企鹅服及药物服用等对抗措施，并不能完全解决失重诱发的所有生理问题。人工重力（ Artificial gravity，AG）或许是解决失重问题的根本途径。单纯AG可有效减轻失重所致的心血管功能失调及立位耐力不良，但对运动能力下降的对抗效果有限。运动锻炼可有效改善心肺功能与肌肉力量，但对失重所致立位耐力不良的对抗效果有限。因此将AG和运动锻炼相结合，或许是一种更有效的综合对抗策略。但人工重力或运动的模式、强度、持续时间、频次及两者的组合方式会直接决定对抗效果。
　　本研究构建了基于SAC-III型人体短臂离心机的人工重力环境，并系统分析了基于短臂离心机的人工重力特性，通过系列人工重力暴露实验探讨了不同负荷 AG对心血管功能的影响、交替式AG对心血管及前庭系统功能的影响、AG叠加运动负荷对人体心肺功能的影响，最终筛选出适宜的人工重力负荷强度和组合模式。然后基于以上结果，首次以无氧阈百分比为运动负荷强度标准制定了一套个性化的人工重力联合有氧运动的失重对抗方案，并通过－6°头低位卧床模拟失重实验进行了验证，并探讨了模拟失重期间人工重力复合有氧运动对人体运动耐力、立位耐力及心血管功能的影响及其机制。主要研究结果与发现如下：
　　1.基于SAC-Ⅲ型短臂离心机的人工重力构建与特性分析
　　研制了SAC-Ⅲ型人工重力锻炼系统，在人工重力暴露的同时可进行有氧运动锻炼。基于短臂离心机的人工重力存在明显的重力梯度，通过转速调整可实现所需人工重力负荷。地面运行的短臂离心机在产生人工重力的同时会产生合成重力，其G值略大于人工重力，但并随转臂半径和转动速度的增加最终半径2m,转速30rmp时接近足水平2Gz的人工重力。短臂离心机转动过程中加速或减速时会产生Coriolis加速度。
　　2.不同负荷人工重力对人体心血管功能的影响
　　26名健康男性受试者采取自身对照，随机进行以下6组测试：（A）0Gz人工重力测试；（B）地面1G重力坐位测试、（C）地面1G重力立位测试；（D）足水平1Gz人工重力测试；（E）足水平2Gz人工重力测试；（F）足水平3Gz人工重力测试。实验观察了安静状态人体心血管功能对不同G值连续性AG暴露的反应特征，旨在筛选SAC锻炼时适宜的AG负荷强度。
　　结果表明：人体处于不同体位时心率具有显著差异，立位>坐位>平卧；而血压无明显差异。人工重力暴露时，人体心率和血压随G负荷的升高而升高，足水平2Gz时心血管负荷略高于地面1G。依据训练学的超负荷原则，2Gz或许更适宜作为失重对抗的负荷。
　　3.交替式人工重力对人体心血管及前庭功能的影响
　　21名健康男性受试者采取自身对照，随机进行以下3组测试：A）连续性足水平2Gz人工重力暴露测试；B）足水平1Gz-2Gz交替式人工重力暴露测试；C）足水平1Gz-3Gz交替式人工重力暴露测试。实验观察了不同AG组合模式暴露时，人体心血管及前庭功能的反应特征，旨在筛选适宜的AG模式或组合方案。
　　结果发现：1Gz-3Gz交替式人工重力暴露作用于人体心血管的负荷大于连续性2Gz、1Gz-2Gz交替式人工重力及地面1G重力环境，且对人体前庭功能的刺激较强；1Gz-2Gz交替式人工重力暴露作用于人体心血管的负荷小于较连续性2Gz和1Gz-3Gz交替式人工重力，且对前庭功能也有一定刺激但强度小于1Gz-3Gz；人体可以较快适应强度不大、时间不长的前庭刺激。
　　结果提示：基于短臂离心机的频繁切换的AG负荷模式会对人体前庭器官产生较强刺激，而持续稳定的AG暴露模式可有效减少SAC旋转产生的前庭刺激。
　　4.人工重力叠加运动负荷对人体心肺功能的影响
　　14名健康男性受试者，首先进行地面1G重力环境的递增负荷运动测试以确定最大摄氧量（Maximal oxygen uptake，V?O2max）。然后采取自身对照，随机进行以下三组测试：A）足水平2Gz人工重力暴露时定量负荷运动测试；B）模拟0G重力环境定量负荷运动测试；C）地面1G重力环境直立位定量负荷运动测试。每次测试间隔30min以上，待受试者所有生理指标恢复正常以后再进行下一次测试。测试过程中观察了足水平连续0Gz、2Gz的AG及地面1G重力环境中人体心血管与呼吸功能对不同运动负荷的动态响应过程，旨在探讨AG复合有氧运动对人体心肺功能的影响。
　　结果发现：在安静状态时，重力环境对人体心血管功能有较大影响，但对呼吸功能影响较小。人体每分耗氧量、每分二氧化碳排出量、每分通气量、及呼吸交换率均随运动负荷强度的增加而升高的规律不受重力环境改变的影响。在运动过程中，随运动负荷的增加，重力环境对心血管功能的影响程度逐步被运动负荷的影响掩盖。而重力环境对呼吸功能的影响程度则随运动负荷的增加被逐步放大。
　　结果提示：基于足水平2Gz人工重力的有氧运动锻炼与地面1G环境相似，或许能够对抗失重所致不良生理效应。
　　5.模拟失重期间人工重力联合有氧运动对人体运动能力的影响
　　12名健康男性受试者随机分为对照组（Con，n=6）和对抗组（CM，n=6）。采用人体－6°HDBR模拟失重，观察了短期模拟失重期间人工重力复合有氧运动对有氧及无氧运动能力的影响。HDBR期间，CM组受试者在足水平2Gz人工重力暴露的同时进行强度为80％～95%AT的运动锻炼。每日上下午两次各30min，而Con组无任何对抗。HDBR前后分别进行一次递增负荷运动测试和无氧功测试。
　　结果发现：HDBR后Con组的递增负荷CSI显著下降（P＜0.05），运动耐力、V?O2max和AT分别下降到HDBR前的96.5%、91.5%和91.8%，30s最大负荷运动中的Powermin较HDBR前均显著下降（P＜0.05），Powerdrop显著升高（P＜0.05）；而CM组以上指标几乎没有改变。HDBR后Powerpeak、PowerAvg两组均无显著改变。
　　结果提示：短期模拟失重可导致人体运动能力下降，其中对有氧运动能力影响最大，对无氧运动能力影响较小；基于SAC的足水平2Gz人工重力联合中等强度运动锻炼可有效对抗短期模拟失重引起的有氧及无氧运动耐力的下降，从而维持了人体综合运动能力。
　　6.模拟失重期间人工重力联合有氧运动对人体心血管功能的影响
　　14名健康男性受试者随机分为对照组（Con，n=6）和对抗组（CM，n=8），采用人体－6°HDBR模拟失重，观察了短期模拟期间每天1小时80%～95%AT强度的有氧运动联合足水平2Gz的人工重力对模拟失重所致多系统生理机能下降的影响。HDBR期间，CM组受试者在足水平2Gz人工重力暴露的同时进行强度为80%～95%AT强度的功率自行车锻炼。每日上下午两次各30min，而Con组无任何对抗。HDBR前后分别采取血样，并进行一次LBNP立位耐力测试，HDBR期间每日监测HR、BP以及心脏收缩功能。
　　结果发现：4天HDBR后Con组和CM组立位耐力分别下降了49.1%和22.5%；HDBR致使Con组HR增加、交感神经活性增强、射血前期时间延长、血浆容量减少、迷走神经活性减弱、左心室射血时间缩短，而在CM组以上指标均无显著改变。HDBR后血浆醛固酮在Con组没有改变，而CM组稍有升高。
　　结果提示：基于足水平2Gz人工重力的强度为80%～95%AT强度的自行车功量计有氧运动锻炼可有效减轻短期HDBR期间立位耐力、心脏收缩功能、HRV、血浆容量、以及血浆醛固酮水平的改变。立位耐力的改善机制不只是心功能介导的，同时涉及到血浆容量的维持和交感神经对立位应激反应的改善等。
　　总之，通过研制的人工重力锻炼系统，构建了基于SAC-Ⅲ型短臂离心机的人工重力环境，在人工重力暴露的同时可进行有氧运动锻炼，能够满足失重生理对抗所需。本研究通过系列人工重力暴露实验发现：足水平2Gz或许是较为适宜的人工重力负荷，持续稳定的人工重力暴露模式可有效减少短臂离心机旋转产生的前庭刺激，足水平2Gz人工重力叠加运动负荷对人体心肺功能的影响近似地面1G重力环境，基于足水平2Gz人工重力的有氧运动锻炼与地面1G环境相似，或许能够对抗失重所致不良生理效应。依据以上结果提出了一套个性化的 AG结合有氧运动失重对抗方案，并通过HDBR实验进一步证实：模拟失重期间足水平2Gz人工重力复合80%～95%无氧阈强度的有氧运动锻炼可有效减轻运动耐力、立位耐力、心脏收缩功能的改变，其改善机制不只是心功能介导的，同时涉及到血浆容量的维持和交感神经对立位应激反应的改善。

目录

声明

缩略语表

前言

文献回顾

1 长期载人航天面临的问题

2 长期载人航天飞行中失重的生理效应

3 长期载人航天飞行的失重对抗方案

第一部分 基于SAC-III型人体短臂离心机的人工重力构建与特性分析

1 基于SAC-Ⅲ型短臂离心机的人工重力锻炼系统的研制

2 短臂离心机的转臂半径、转速与人工重力的相互关系分析

3 人工重力与合成重力

4 科里奥利加速度

5 小结

第二部分 不同负荷人工重力对人体心血管功能的影响

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第三部分 交替式人工重力对人体心血管及前庭功能的影响

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第四部分 人工重力叠加运动负荷对人体心肺功能的影响

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第五部分 模拟失重期间人工重力联合有氧运动对人体运动能力的影响

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

第六部分 模拟失重期间人工重力联合有氧运动对人体心血管功能的影响

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

总结

1 本工作的主要结论与意义

2 展望

参考文献

个人简历和研究成果

致谢