【摘要】：載人航天飛行面臨的失重可導(dǎo)致一系列人體生理機能改變,表現(xiàn)為航天員返回時運動能力下降、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)會對航天員的健康構(gòu)成威脅,同時會制約航天員在突發(fā)緊急情況時獨立脫離困境的能力。當(dāng)前載人航天飛行中采用的水鹽補充、運動鍛煉、下體負(fù)壓、企鵝服及藥物服用等對抗措施,并不能完全解決失重誘發(fā)的所有生理問題。人工重力(Artificial gravity,AG)或許是解決失重問題的根本途徑。單純AG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,但對運動能力下降的對抗效果有限。運動鍛煉可有效改善心肺功能與肌肉力量,但對失重所致立位耐力不良的對抗效果有限。因此將AG和運動鍛煉相結(jié)合,或許是一種更有效的綜合對抗策略。但人工重力或運動的模式、強度、持續(xù)時間、頻次及兩者的組合方式會直接決定對抗效果。本研究構(gòu)建了基于SAC-III型人體短臂離心機的人工重力環(huán)境,并系統(tǒng)分析了基于短臂離心機的人工重力特性,通過系列人工重力暴露實驗探討了不同負(fù)荷AG對心血管功能的影響、交替式AG對心血管及前庭系統(tǒng)功能的影響、AG疊加運動負(fù)荷對人體心肺功能的影響,最終篩選出適宜的人工重力負(fù)荷強度和組合模式。然后基于以上結(jié)果,首次以無氧閾百分比為運動負(fù)荷強度標(biāo)準(zhǔn)制定了一套個性化的人工重力聯(lián)合有氧運動的失重對抗方案,并通過-6°頭低位臥床模擬失重實驗進(jìn)行了驗證,并探討了模擬失重期間人工重力復(fù)合有氧運動對人體運動耐力、立位耐力及心血管功能的影響及其機制。主要研究結(jié)果與發(fā)現(xiàn)如下:1基于SAC-Ⅲ型短臂離心機的人工重力構(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可進(jìn)行有氧運動鍛煉�；诙瘫垭x心機的人工重力存在明顯的重力梯度,通過轉(zhuǎn)速調(diào)整可實現(xiàn)所需人工重力負(fù)荷。地面運行的短臂離心機在產(chǎn)生人工重力的同時會產(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)動速度的增加最終半徑2m,轉(zhuǎn)速30rmp時接近足水平2Gz的人工重力。短臂離心機轉(zhuǎn)動過程中加速或減速時會產(chǎn)生Coriolis加速度。2不同負(fù)荷人工重力對人體心血管功能的影響26名健康男性受試者采取自身對照,隨機進(jìn)行以下6組測試:(A)0 Gz人工重力測試;(B)地面1 G重力坐位測試、(C)地面1 G重力立位測試;(D)足水平1 Gz人工重力測試;(E)足水平2 Gz人工重力測試;(F)足水平3 Gz人工重力測試。實驗觀察了安靜狀態(tài)人體心血管功能對不同G值連續(xù)性AG暴露的反應(yīng)特征,旨在篩選SAC鍛煉時適宜的AG負(fù)荷強度。結(jié)果表明:人體處于不同體位時心率具有顯著差異,立位坐位平臥;而血壓無明顯差異。人工重力暴露時,人體心率和血壓隨G負(fù)荷的升高而升高,足水平2Gz時心血管負(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抗的負(fù)荷。3交替式人工重力對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照,隨機進(jìn)行以下3組測試:A)連續(xù)性足水平2 Gz人工重力暴露測試;B)足水平1Gz-2Gz交替式人工重力暴露測試;C)足水平1Gz-3Gz交替式人工重力暴露測試。實驗觀察了不同AG組合模式暴露時,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1 G重力環(huán)境,且對人體前庭功能的刺激較強;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2 Gz和1Gz-3Gz交替式人工重力,且對前庭功能也有一定刺激但強度小于1Gz-3Gz;人體可以較快適應(yīng)強度不大、時間不長的前庭刺激。結(jié)果提示:基于短臂離心機的頻繁切換的AG負(fù)荷模式會對人體前庭器官產(chǎn)生較強刺激,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人工重力疊加運動負(fù)荷對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1 G重力環(huán)境的遞增負(fù)荷運動測試以確定最大攝氧量(Maximal oxygen uptake,V?O2max)。然后采取自身對照,隨機進(jìn)行以下三組測試:A)足水平2 Gz人工重力暴露時定量負(fù)荷運動測試;B)模擬0 G重力環(huán)境定量負(fù)荷運動測試;C)地面1 G重力環(huán)境直立位定量負(fù)荷運動測試。每次測試間隔30 min以上,待受試者所有生理指標(biāo)恢復(fù)正常以后再進(jìn)行下一次測試。測試過程中觀察了足水平連續(xù)0 Gz、2 Gz的AG及地面1 G重力環(huán)境中人體心血管與呼吸功能對不同運動負(fù)荷的動態(tài)響應(yīng)過程,旨在探討AG復(fù)合有氧運動對人體心肺功能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在安靜狀態(tài)時,重力環(huán)境對人體心血管功能有較大影響,但對呼吸功能影響較小。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動負(fù)荷強度的增加而升高的規(guī)律不受重力環(huán)境改變的影響。在運動過程中,隨運動負(fù)荷的增加,重力環(huán)境對心血管功能的影響程度逐步被運動負(fù)荷的影響掩蓋。而重力環(huán)境對呼吸功能的影響程度則隨運動負(fù)荷的增加被逐步放大。結(jié)果提示:基于足水平2 Gz人工重力的有氧運動鍛煉與地面1G環(huán)境相似,或許能夠?qū)故е厮虏涣忌硇?yīng)。5模擬失重期間人工重力聯(lián)合有氧運動對人體運動能力的影響12名健康男性受試者隨機分為對照組(Con,n=6)和對抗組(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)合有氧運動對有氧及無氧運動能力的影響。HDBR期間,CM組受試者在足水平2 Gz人工重力暴露的同時進(jìn)行強度為80%~95%AT的運動鍛煉。每日上下午兩次各30 min,而Con組無任何對抗。HDBR前后分別進(jìn)行一次遞增負(fù)荷運動測試和無氧功測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn):HDBR后Con組的遞增負(fù)荷CSI顯著下降(P㩳0.05),運動耐力、V?O2max和AT分別下降到HDBR前的96.5%、91.5%和91.8%,30 s最大負(fù)荷運動中的Powermin較HDBR前均顯著下降(P㩳0.05),Powerdrop顯著升高(P㩳0.05);而CM組以上指標(biāo)幾乎沒有改變。HDBR后Powerpeak、PowerAvg兩組均無顯著改變。結(jié)果提示:短期模擬失重可導(dǎo)致人體運動能力下降,其中對有氧運動能力影響最大,對無氧運動能力影響較小;基于SAC的足水平2 Gz人工重力聯(lián)合中等強度運動鍛煉可有效對抗短期模擬失重引起的有氧及無氧運動耐力的下降,從而維持了人體綜合運動能力。6模擬失重期間人工重力聯(lián)合有氧運動對人體心血管功能的影響14名健康男性受試者隨機分為對照組(Con,n=6)和對抗組(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80%~95%AT強度的有氧運動聯(lián)合足水平2 Gz的人工重力對模擬失重所致多系統(tǒng)生理機能下降的影響。HDBR期間,CM組受試者在足水平2 Gz人工重力暴露的同時進(jìn)行強度為80%~95%AT強度的功率自行車鍛煉。每日上下午兩次各30 min,而Con組無任何對抗。HDBR前后分別采取血樣,并進(jìn)行一次LBNP立位耐力測試,HDBR期間每日監(jiān)測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%和22.5%;HDBR致使Con組HR增加、交感神經(jīng)活性增強、射血前期時間延長、血漿容量減少、迷走神經(jīng)活性減弱、左心室射血時間縮短,而在CM組以上指標(biāo)均無顯著改變。HDBR后血漿醛固酮在Con組沒有改變,而CM組稍有升高。結(jié)果提示:基于足水平2 Gz人工重力的強度為80%~95%AT強度的自行車功量計有氧運動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。立位耐力的改善機制不只是心功能介導(dǎo)的,同時涉及到血漿容量的維持和交感神經(jīng)對立位應(yīng)激反應(yīng)的改善等。總之,通過研制的人工重力鍛煉系統(tǒng),構(gòu)建了基于SAC-Ⅲ型短臂離心機的人工重力環(huán)境,在人工重力暴露的同時可進(jìn)行有氧運動鍛煉,能夠滿足失重生理對抗所需。本研究通過系列人工重力暴露實驗發(fā)現(xiàn):足水平2 Gz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旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的前庭刺激,足水平2 Gz人工重力疊加運動負(fù)荷對人體心肺功能的影響近似地面1 G重力環(huán)境,基于足水平2 Gz人工重力的有氧運動鍛煉與地面1G環(huán)境相似,或許能夠?qū)故е厮虏涣忌硇?yīng)。依據(jù)以上結(jié)果提出了一套個性化的AG結(jié)合有氧運動失重對抗方案,并通過HDBR實驗進(jìn)一步證實:模擬失重期間足水平2 Gz人工重力復(fù)合80%~95%無氧閾強度的有氧運動鍛煉可有效減輕運動耐力、立位耐力、心臟收縮功能的改變,其改善機制不只是心功能介導(dǎo)的,同時涉及到血漿容量的維持和交感神經(jīng)對立位應(yīng)激反應(yīng)的改善。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R852.22
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本文編號：2288884