基于短臂離心機的人工重力聯合運動鍛煉對抗失重生理效應的研究.pdf

1、載人航天飛行面臨的失重可導致一系列人體生理機能改變，表現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會對航天員的健康構成威脅，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。
　　當前載人航天飛行中采用的水鹽補充、運動鍛煉、下體負壓、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

2、可有效減輕失重所致的心血管功能失調及立位耐力不良，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

3、探討了不同負荷 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疊加運動負荷對人體心肺功能的影響，最終篩選出適宜的人工重力負荷強度和組合模式。然后基于以上結果，首次以無氧閾百分比為運動負荷強度標準制定了一套個性化的人工重力聯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行了驗證，并探討了模擬失重期間人工重力復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。主要研究結果與發(fā)現如下：

4、　　1.基于SAC-Ⅲ型短臂離心機的人工重力構建與特性分析
　　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，通過轉速調整可實現所需人工重力負荷。地面運行的短臂離心機在產生人工重力的同時會產生合成重力，其G值略大于人工重力，但并隨轉臂半徑和轉動速度的增加最終半徑2m,轉速30rmp時接近足水平2Gz的人工重力。短臂離心機轉動過程中加速或減速時會產生Corio

5、lis加速度。
　　2.不同負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，隨機進行以下6組測試：（A）0Gz人工重力測試；（B）地面1G重力坐位測試、（C）地面1G重力立位測試；（D）足水平1Gz人工重力測試；（E）足水平2Gz人工重力測試；（F）足水平3Gz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暴露的反應特征，旨在篩選SAC鍛煉時適宜的AG負荷強度。
　　結果表

6、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負荷的升高而升高，足水平2Gz時心血管負荷略高于地面1G。依據訓練學的超負荷原則，2Gz或許更適宜作為失重對抗的負荷。
　　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，隨機進行以下3組測試：A）連續(xù)性足水平2Gz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

7、；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特征，旨在篩選適宜的AG模式或組合方案。
　　結果發(fā)現：1Gz-3Gz交替式人工重力暴露作用于人體心血管的負荷大于連續(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荷小于較連續(xù)性2Gz和1Gz-3Gz交替式人工重力，且對前庭功能也有

8、一定刺激但強度小于1Gz-3Gz；人體可以較快適應強度不大、時間不長的前庭刺激。
　　結果提示：基于短臂離心機的頻繁切換的AG負荷模式會對人體前庭器官產生較強刺激，而持續(xù)穩(wěn)定的AG暴露模式可有效減少SAC旋轉產生的前庭刺激。
　　4.人工重力疊加運動負荷對人體心肺功能的影響
　　14名健康男性受試者，首先進行地面1G重力環(huán)境的遞增負荷運動測試以確定最大攝氧量（Maximal oxygen uptake，V?O2max）

9、。然后采取自身對照，隨機進行以下三組測試：A）足水平2Gz人工重力暴露時定量負荷運動測試；B）模擬0G重力環(huán)境定量負荷運動測試；C）地面1G重力環(huán)境直立位定量負荷運動測試。每次測試間隔30min以上，待受試者所有生理指標恢復正常以后再進行下一次測試。測試過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不同運動負荷的動態(tài)響應過程，旨在探討AG復合有氧運動對人體心肺功能的影響。
　　結果發(fā)現：在安靜

10、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荷的增加被逐步放大。
　　結果提示：基于足水平2Gz人工重力的有氧運動鍛煉與地面1G環(huán)境相似，或許能夠對抗失重所致不良生理

11、效應。
　　5.模擬失重期間人工重力聯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2Gz人工重力暴露的同時進行強度為80％～95%AT的運動鍛煉。每日上下午兩次各30min，而Con組無任何對抗。HDBR前后分別進行一次遞

12、增負荷運動測試和無氧功測試。
　　結果發(fā)現：HDBR后Con組的遞增負荷CSI顯著下降（P＜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%，30s最大負荷運動中的Powermin較HDBR前均顯著下降（P＜0.05），Powerdrop顯著升高（P＜0.05）；而CM組以上指標幾乎沒有改變。HDBR后Powerpeak、PowerAvg兩組均無顯著改變。
　　結果提示：短期

13、模擬失重可導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?。换赟AC的足水平2Gz人工重力聯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8

14、0%～95%AT強度的有氧運動聯合足水平2Gz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2Gz人工重力暴露的同時進行強度為80%～95%AT強度的功率自行車鍛煉。每日上下午兩次各30min，而Con組無任何對抗。HDBR前后分別采取血樣，并進行一次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。
　　結果發(fā)現：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、交感神經活性增強、射血前期時間延長、血漿容量減少、迷走神經活性減弱、左心室射血時間縮短，而在CM組以上指標均無顯著改變。HDBR后血漿醛固酮在Con組沒有改變，而CM組稍有升高。
　　結果提示：基于足水平2Gz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

16、是心功能介導的，同時涉及到血漿容量的維持和交感神經對立位應激反應的改善等。
　　總之，通過研制的人工重力鍛煉系統(tǒng)，構建了基于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：足水平2Gz或許是較為適宜的人工重力負荷，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產生的前庭刺激，足水平2Gz人工重力疊加運動負荷對人體心肺功能的影響近似地面1