基于短臂離心機(jī)的人工重力聯(lián)合運(yùn)動(dòng)鍛煉對(duì)抗失重生理效應(yīng)的研究.pdf

1、載人航天飛行面臨的失重可導(dǎo)致一系列人體生理機(jī)能改變，表現(xiàn)為航天員返回時(shí)運(yùn)動(dòng)能力下降、立位耐力不良，并有突發(fā)暈厥的可能。失重的不良生理效應(yīng)會(huì)對(duì)航天員的健康構(gòu)成威脅，同時(shí)會(huì)制約航天員在突發(fā)緊急情況時(shí)獨(dú)立脫離困境的能力。
　　當(dāng)前載人航天飛行中采用的水鹽補(bǔ)充、運(yùn)動(dòng)鍛煉、下體負(fù)壓、企鵝服及藥物服用等對(duì)抗措施，并不能完全解決失重誘發(fā)的所有生理問(wèn)題。人工重力（ Artificial gravity，AG）或許是解決失重問(wèn)題的根本途徑。單純AG

2、可有效減輕失重所致的心血管功能失調(diào)及立位耐力不良，但對(duì)運(yùn)動(dòng)能力下降的對(duì)抗效果有限。運(yùn)動(dòng)鍛煉可有效改善心肺功能與肌肉力量，但對(duì)失重所致立位耐力不良的對(duì)抗效果有限。因此將AG和運(yùn)動(dòng)鍛煉相結(jié)合，或許是一種更有效的綜合對(duì)抗策略。但人工重力或運(yùn)動(dòng)的模式、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、頻次及兩者的組合方式會(huì)直接決定對(duì)抗效果。
　　本研究構(gòu)建了基于SAC-III型人體短臂離心機(jī)的人工重力環(huán)境，并系統(tǒng)分析了基于短臂離心機(jī)的人工重力特性，通過(guò)系列人工重力暴露實(shí)驗(yàn)

3、探討了不同負(fù)荷 AG對(duì)心血管功能的影響、交替式AG對(duì)心血管及前庭系統(tǒng)功能的影響、AG疊加運(yùn)動(dòng)負(fù)荷對(duì)人體心肺功能的影響，最終篩選出適宜的人工重力負(fù)荷強(qiáng)度和組合模式。然后基于以上結(jié)果，首次以無(wú)氧閾百分比為運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)制定了一套個(gè)性化的人工重力聯(lián)合有氧運(yùn)動(dòng)的失重對(duì)抗方案，并通過(guò)－6°頭低位臥床模擬失重實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并探討了模擬失重期間人工重力復(fù)合有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)耐力、立位耐力及心血管功能的影響及其機(jī)制。主要研究結(jié)果與發(fā)現(xiàn)如下：

4、　　1.基于SAC-Ⅲ型短臂離心機(jī)的人工重力構(gòu)建與特性分析
　　研制了SAC-Ⅲ型人工重力鍛煉系統(tǒng)，在人工重力暴露的同時(shí)可進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉?；诙瘫垭x心機(jī)的人工重力存在明顯的重力梯度，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)整可實(shí)現(xiàn)所需人工重力負(fù)荷。地面運(yùn)行的短臂離心機(jī)在產(chǎn)生人工重力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生合成重力，其G值略大于人工重力，但并隨轉(zhuǎn)臂半徑和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加最終半徑2m,轉(zhuǎn)速30rmp時(shí)接近足水平2Gz的人工重力。短臂離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中加速或減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生Corio

5、lis加速度。
　　2.不同負(fù)荷人工重力對(duì)人體心血管功能的影響
　　26名健康男性受試者采取自身對(duì)照，隨機(jī)進(jìn)行以下6組測(cè)試：（A）0Gz人工重力測(cè)試；（B）地面1G重力坐位測(cè)試、（C）地面1G重力立位測(cè)試；（D）足水平1Gz人工重力測(cè)試；（E）足水平2Gz人工重力測(cè)試；（F）足水平3Gz人工重力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)觀察了安靜狀態(tài)人體心血管功能對(duì)不同G值連續(xù)性AG暴露的反應(yīng)特征，旨在篩選SAC鍛煉時(shí)適宜的AG負(fù)荷強(qiáng)度。
　　結(jié)果表

6、明：人體處于不同體位時(shí)心率具有顯著差異，立位>坐位>平臥；而血壓無(wú)明顯差異。人工重力暴露時(shí)，人體心率和血壓隨G負(fù)荷的升高而升高，足水平2Gz時(shí)心血管負(fù)荷略高于地面1G。依據(jù)訓(xùn)練學(xué)的超負(fù)荷原則，2Gz或許更適宜作為失重對(duì)抗的負(fù)荷。
　　3.交替式人工重力對(duì)人體心血管及前庭功能的影響
　　21名健康男性受試者采取自身對(duì)照，隨機(jī)進(jìn)行以下3組測(cè)試：A）連續(xù)性足水平2Gz人工重力暴露測(cè)試；B）足水平1Gz-2Gz交替式人工重力暴露測(cè)試

7、；C）足水平1Gz-3Gz交替式人工重力暴露測(cè)試。實(shí)驗(yàn)觀察了不同AG組合模式暴露時(shí)，人體心血管及前庭功能的反應(yīng)特征，旨在篩選適宜的AG模式或組合方案。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1Gz-3Gz交替式人工重力暴露作用于人體心血管的負(fù)荷大于連續(xù)性2Gz、1Gz-2Gz交替式人工重力及地面1G重力環(huán)境，且對(duì)人體前庭功能的刺激較強(qiáng)；1Gz-2Gz交替式人工重力暴露作用于人體心血管的負(fù)荷小于較連續(xù)性2Gz和1Gz-3Gz交替式人工重力，且對(duì)前庭功能也有

8、一定刺激但強(qiáng)度小于1Gz-3Gz；人體可以較快適應(yīng)強(qiáng)度不大、時(shí)間不長(zhǎng)的前庭刺激。
　　結(jié)果提示：基于短臂離心機(jī)的頻繁切換的AG負(fù)荷模式會(huì)對(duì)人體前庭器官產(chǎn)生較強(qiáng)刺激，而持續(xù)穩(wěn)定的AG暴露模式可有效減少SAC旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的前庭刺激。
　　4.人工重力疊加運(yùn)動(dòng)負(fù)荷對(duì)人體心肺功能的影響
　　14名健康男性受試者，首先進(jìn)行地面1G重力環(huán)境的遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試以確定最大攝氧量（Maximal oxygen uptake，V?O2max）

9、。然后采取自身對(duì)照，隨機(jī)進(jìn)行以下三組測(cè)試：A）足水平2Gz人工重力暴露時(shí)定量負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試；B）模擬0G重力環(huán)境定量負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試；C）地面1G重力環(huán)境直立位定量負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試。每次測(cè)試間隔30min以上，待受試者所有生理指標(biāo)恢復(fù)正常以后再進(jìn)行下一次測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中觀察了足水平連續(xù)0Gz、2Gz的AG及地面1G重力環(huán)境中人體心血管與呼吸功能對(duì)不同運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，旨在探討AG復(fù)合有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)人體心肺功能的影響。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在安靜

10、狀態(tài)時(shí)，重力環(huán)境對(duì)人體心血管功能有較大影響，但對(duì)呼吸功能影響較小。人體每分耗氧量、每分二氧化碳排出量、每分通氣量、及呼吸交換率均隨運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度的增加而升高的規(guī)律不受重力環(huán)境改變的影響。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的增加，重力環(huán)境對(duì)心血管功能的影響程度逐步被運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的影響掩蓋。而重力環(huán)境對(duì)呼吸功能的影響程度則隨運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的增加被逐步放大。
　　結(jié)果提示：基于足水平2Gz人工重力的有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉與地面1G環(huán)境相似，或許能夠?qū)故е厮虏涣忌?/p>

11、效應(yīng)。
　　5.模擬失重期間人工重力聯(lián)合有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)能力的影響
　　12名健康男性受試者隨機(jī)分為對(duì)照組（Con，n=6）和對(duì)抗組（CM，n=6）。采用人體－6°HDBR模擬失重，觀察了短期模擬失重期間人工重力復(fù)合有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)有氧及無(wú)氧運(yùn)動(dòng)能力的影響。HDBR期間，CM組受試者在足水平2Gz人工重力暴露的同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度為80％～95%AT的運(yùn)動(dòng)鍛煉。每日上下午兩次各30min，而Con組無(wú)任何對(duì)抗。HDBR前后分別進(jìn)行一次遞

12、增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試和無(wú)氧功測(cè)試。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)：HDBR后Con組的遞增負(fù)荷CSI顯著下降（P＜0.05），運(yùn)動(dòng)耐力、V?O2max和AT分別下降到HDBR前的96.5%、91.5%和91.8%，30s最大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中的Powermin較HDBR前均顯著下降（P＜0.05），Powerdrop顯著升高（P＜0.05）；而CM組以上指標(biāo)幾乎沒(méi)有改變。HDBR后Powerpeak、PowerAvg兩組均無(wú)顯著改變。
　　結(jié)果提示：短期

13、模擬失重可導(dǎo)致人體運(yùn)動(dòng)能力下降，其中對(duì)有氧運(yùn)動(dòng)能力影響最大，對(duì)無(wú)氧運(yùn)動(dòng)能力影響較小；基于SAC的足水平2Gz人工重力聯(lián)合中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)鍛煉可有效對(duì)抗短期模擬失重引起的有氧及無(wú)氧運(yùn)動(dòng)耐力的下降，從而維持了人體綜合運(yùn)動(dòng)能力。
　　6.模擬失重期間人工重力聯(lián)合有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)人體心血管功能的影響
　　14名健康男性受試者隨機(jī)分為對(duì)照組（Con，n=6）和對(duì)抗組（CM，n=8），采用人體－6°HDBR模擬失重，觀察了短期模擬期間每天1小時(shí)8

14、0%～95%AT強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)聯(lián)合足水平2Gz的人工重力對(duì)模擬失重所致多系統(tǒng)生理機(jī)能下降的影響。HDBR期間，CM組受試者在足水平2Gz人工重力暴露的同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度為80%～95%AT強(qiáng)度的功率自行車(chē)鍛煉。每日上下午兩次各30min，而Con組無(wú)任何對(duì)抗。HDBR前后分別采取血樣，并進(jìn)行一次LBNP立位耐力測(cè)試，HDBR期間每日監(jiān)測(cè)HR、BP以及心臟收縮功能。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)：4天HDBR后Con組和CM組立位耐力分別下降了49.1%

15、和22.5%；HDBR致使Con組HR增加、交感神經(jīng)活性增強(qiáng)、射血前期時(shí)間延長(zhǎng)、血漿容量減少、迷走神經(jīng)活性減弱、左心室射血時(shí)間縮短，而在CM組以上指標(biāo)均無(wú)顯著改變。HDBR后血漿醛固酮在Con組沒(méi)有改變，而CM組稍有升高。
　　結(jié)果提示：基于足水平2Gz人工重力的強(qiáng)度為80%～95%AT強(qiáng)度的自行車(chē)功量計(jì)有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉可有效減輕短期HDBR期間立位耐力、心臟收縮功能、HRV、血漿容量、以及血漿醛固酮水平的改變。立位耐力的改善機(jī)制不只

16、是心功能介導(dǎo)的，同時(shí)涉及到血漿容量的維持和交感神經(jīng)對(duì)立位應(yīng)激反應(yīng)的改善等。
　　總之，通過(guò)研制的人工重力鍛煉系統(tǒng)，構(gòu)建了基于SAC-Ⅲ型短臂離心機(jī)的人工重力環(huán)境，在人工重力暴露的同時(shí)可進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉，能夠滿足失重生理對(duì)抗所需。本研究通過(guò)系列人工重力暴露實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：足水平2Gz或許是較為適宜的人工重力負(fù)荷，持續(xù)穩(wěn)定的人工重力暴露模式可有效減少短臂離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的前庭刺激，足水平2Gz人工重力疊加運(yùn)動(dòng)負(fù)荷對(duì)人體心肺功能的影響近似地面1