常 巍，彭智勇，劉書林，李川濤，姚永杰

海軍軍醫(yī)大學（第二軍醫(yī)大學）海軍特色醫(yī)學中心航空醫(yī)學研究室，上海 200433

在戰(zhàn)術飛行活動中，飛行員往往承受著多軸向復合加速度的作用，其中z軸足-頭向正加速度（＋Gz）對人體的生理影響最大。隨著新型戰(zhàn)斗機機動性能的不斷提高，飛行產(chǎn)生的＋Gz 值更高、增長率更快、持續(xù)時間更長，已遠遠超出飛行員的生理耐受極限［1］。高＋Gz 作用使胸腹腔臟器沿慣性力方向（足-頭向）移位變形，縱向大血管血液柱重量增加、流體靜壓差增大，血液重新分布并向下肢轉移，頭（眼）水平動脈血壓降低，從而導致飛行員出現(xiàn)視覺障礙，甚至發(fā)生正加速度引起的意識喪失（G-induced loss of consciousness，G-LOC）［2］，嚴重影響操作工效，威脅飛行安全，甚至導致機毀人亡的災難性后果，造成重大人員和經(jīng)濟損失［3-6］。因此必須采取抗荷防護措施提高飛行員對＋Gz的耐受能力，保證生命安全，減少生理損傷。眼水平動脈血壓（eye-level arterial blood pressure，EABP）降低是限制＋Gz 耐力最主要因素，穿著抗荷服是減緩EABP 降低、提高＋Gz 耐力最有效的措施之一［7］。目前配備部隊使用的抗荷服均為充氣式原理：由抗荷調(diào)壓器根據(jù)實時加速度向囊（管）內(nèi)充氣，抗荷服衣面拉緊，向腹部及下肢局部體表施壓以限制血液向下轉移，從而發(fā)揮抗荷效應。由于設備結構復雜，充氣式抗荷服存在充氣建壓時間和速度滯后于G 增長率、覆蓋面積有限、加壓分布不均及易引起肢體疼痛等問題［7-8］。針對充氣式抗荷服的不足，國內(nèi)外研究人員進行了充液式抗荷服的研究［9-10］。利用液體的靜水壓力對抗＋Gz 作用導致的血管變形和血液淤積。充液式抗荷服為管路式充液設計，＋Gz 作用時管路內(nèi)的液體沿著慣性力方向向下流動，管路膨脹同時拉緊衣面，對體表施壓，實現(xiàn)抗荷效應。充液式抗荷服在反應速度、加壓梯度及熱負荷等方面優(yōu)于充氣式抗荷服，但其作用范圍仍局限在腹部及以下部位［11-12］，抗荷性能有待驗證。生理研究表明，抗荷服覆蓋面積越大，抗荷防護效果越好［13］。如果能夠提高抗荷覆蓋水平，擴大覆蓋范圍，或許能夠?qū)崿F(xiàn)更高的抗荷性能。

有研究通過對人體和動物進行分級浸水（water immersion，WI）實驗發(fā)現(xiàn)，液體覆蓋可促進機體血液和淋巴循環(huán)、增強心血管循環(huán)系統(tǒng)功能［14］。隨著液面覆蓋水平的升高，機體左心室壓力（left ventricular pressure，LVP）、右心室壓力（right ventricular pressure，RVP）、平均主動脈 壓（mean arterial pressure，MAP）、肺 動 脈 壓（pulmonary artery pressure，PAP）、中心靜脈壓 （central venous pressure，CVP）、心排血量等心臟血流動力學指標明顯增高，總外周阻力（total peripheral resistance，TPR）顯著降低；當液面覆蓋水平達頸部時，以上指標達到峰值［15-17］。如果有一種抗荷服能夠使機體大部分體表受到液體覆蓋，或許能夠更有效地對抗高過載導致的EABP 降低，提高機體對＋Gz 的耐受能力。

本研究擬通過離心機動物實驗，利用大覆蓋面積充液式抗荷裝置，觀察液體覆蓋至腋窩水平時小型豬EABP 和＋Gz 耐力的變化，驗證大覆蓋面積（腋窩水平以下全覆蓋）充液式抗荷措施的防護效果，為下一步人體大覆蓋面積充液式抗荷服的研究提供基礎實驗數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗動物雄性巴馬小型豬19 頭，體重9.0～13.0 kg，月齡3～4 個月，購自四川橫豎生物科技股份有限公司［動物生產(chǎn)許可證號：SCXK（川）2019-029］。將19 頭小型豬隨機分為兩組：對照組（無抗荷措施，n＝10）和防護組（采用大覆蓋面積充液式抗荷措施，n＝9）。本研究方案和實驗過程符合動物福利和倫理原則。

1.2 儀器設備（1）載人離心機（我國自主研制），有效半徑、最大過載和最大增長率等性能與第四代載人離心機性能相當［18］，吊艙可三軸向旋轉，可模擬各種軸向加速度過載，運行程序可自行設計。（2）航空航天專用多參數(shù)生理信號采集系統(tǒng)（本課題組自主研制），為微型多導采集系統(tǒng)，可實時采集血壓、心電、呼吸和加速度等信號，設備可在離心機高速運轉時使用，系統(tǒng)采用Wi-Fi、有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡和藍牙進行數(shù)據(jù)的通信和采集。本研究使用該系統(tǒng)進行小型豬EABP 和加速度信號的采集。將系統(tǒng)采集到的血壓信號與臨床使用的監(jiān)護儀進行數(shù)據(jù)標定，誤差控制在1 mmHg（1 mmHg＝0.133 kPa）以內(nèi)可滿足實驗要求。（3）一次性壓力傳感器（以色列Biomatrix 公司）。（4）大覆蓋面積充液式抗荷裝置（本課題組自主研制，見圖1A～1C）。該裝置由1 個不銹鋼桶、1 塊“ L”型實驗動物承載板（可固定于離心機吊艙內(nèi)）、1 個潛水橡膠領封和卡箍（用于密封腋窩與鋼桶上口邊緣，以防液體在離心時外溢）、2 塊“C”型蓋板（固定于小型豬腋窩處）等組成。鋼桶底部與“L”型實驗動物承載板焊接密封，上部開口。2 塊“C”型蓋板可通過螺栓連接固定。

1.3 方法

1.3.1 EABP測量 實驗前，小型豬禁食禁水6 h，肌內(nèi)注射鹽酸替來他明鹽酸唑拉西泮（舒泰?50）行全身麻醉，注射劑量為20 mg/kg。麻醉后，將小型豬仰臥固定于“L”型實驗動物承載板上，剔除胸口至頸部的毛發(fā)，于胸骨上窩至甲狀軟骨間的頸部正中位置沿氣管縱向作4～5 cm 的切口，鈍性分離皮下筋膜組織，暴露一側頸總動脈約3～4 cm，結扎頸總動脈遠心端并于近心端留置雙重結扎線，用無損傷血管夾夾閉近心端暫時阻斷血流。將動脈導管肝素化，用眼科剪在頸總動脈上剪一“V”形小口，向近心端方向插入導管2～3 cm，用預留的結扎線結扎固定好已插入導管的動脈。連接動脈導管、壓力傳感器和航空航天專用多參數(shù)生理信號采集系統(tǒng)。操作完成，逐層縫合。將傳感器上的換能器放置并固定于小型豬眼水平位置。觀察動脈血壓信號。固定生理信號采集設備。

1.3.2 大覆蓋面積充液式抗荷防護完成EABP 測量后，將對照組小型豬連同動物承載板一起送進離心機吊艙內(nèi)開始＋Gz 暴露。將防護組小型豬放入大覆蓋面積充液式抗荷裝置的鋼桶內(nèi)，使其腋窩下緣與桶口平齊，頭頸部和兩前肢置于桶外。根據(jù)小型豬個體大小向桶內(nèi)注入適量溫水（溫度約35～37 ℃，以維持小型豬體溫），水位達到小型豬腋窩下2 cm。用潛水橡膠領封進行封閉，將領封下口罩住鋼桶上口外緣，外部再用卡箍扎緊加以固定，領封上口套于小型豬腋下，以防止實驗中液體溢出。兩塊“C”型蓋板蓋于小型豬腋窩下緣和桶口之間，用螺栓固定，以此為小型豬提供支撐并防止下墜。見圖1C、1D。

圖1 大覆蓋面積充液式抗荷裝置使用示意圖Fig 1 Schematic diagram of extended-coverage liquid-filled anti-G device

1.3.3 離心機＋Gz暴露方案 將固定有小型豬和生理信號采集設備的動物承載板或大覆蓋面積充液式抗荷裝置送入離心機吊艙，固定于吊艙的座椅支架上，保證離心時小型豬處于頭盆位，頭朝向旋轉軸心，受到足-頭向＋Gz 作用。待小型豬平靜15 min 后對其進行單純＋Gz 暴露處理。采用梯形過載曲線，運行基線1.4 G，待離心機運行平穩(wěn)后上升，增長率1 G/s，峰值8 G，峰值持續(xù)時間60 s，而后再以1 G/s 的下降率降至基線水平并停機。由于離心機控制系統(tǒng)存在誤差，實際運行時載荷存在±0.5 G 的誤差。對照組與防護組采用相同的＋Gz 暴露方案。

1.4 觀察指標判斷機體達G 耐力終點的客觀指標包括EABP、顳動脈壓和耳脈搏等［7］，本研究以EABP 降為0 mmHg 作為小型豬達耐力終點的判斷標準。以耐受時間為橫坐標、耐受G 值為縱坐標用Origin 軟件繪制曲線，計算耐受曲線下面積，用以表示小型豬＋Gz 耐力，單位為G·s［19］。通過航空航天專用多參數(shù)生理信號采集系統(tǒng)采集EABP，EABP 平均值＝舒張壓＋1/3 脈壓差，脈壓差＝收縮壓－舒張壓，脈壓差差值由配對樣本t檢驗計算，血壓降低幅度（%）＝（降低前血壓－降低后血壓）/降低前血壓×100%。

1.5 統(tǒng)計學處理采用SPSS 23.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。小型豬＋Gz 耐力以中位數(shù)（下四分位數(shù)，上四分位數(shù)）表示，組間比較采用非參數(shù)秩和檢驗；EABP 相關數(shù)據(jù)以±s表示，組內(nèi)不同＋Gz暴露階段比較采用配對樣本t檢驗，組間比較采用獨立樣本t檢驗。檢驗水準（α）為0.05。

2 結 果

2.1 兩組小型豬＋Gz 耐力比較在沒有任何抗荷措施干預的情況下，對照組10 只小型豬均于＋Gz 上升期間達耐力終點，耐力終點G 值為（4.92±0.72）G。防護組中，有5 只小型豬在＋Gz 上升期間達耐力終點［耐力終點G 值為（7.09±0.98）G］，1 只在進入峰值平臺時達耐力終點，2 只在峰值平臺期間達耐力終點（其中1 只于峰值運行2 s 時達耐力終點，1 只于峰值運行52 s 時達耐力終點），而有1 只在過載全程始終未達耐力終點。經(jīng)統(tǒng)計，防護組小型豬的＋Gz 耐力高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義［28.22（19.99，251.22）G·s vs 7.58 （3.65，19.57）G·s，P＜0.01］。

2.2 兩組小型豬EABP 變化情況比較總體上，兩組小型豬EABP 均隨著載荷的升高而降低。對照組中，＋Gz 暴露前（平靜狀態(tài)下）小型豬的EABP為（100.19±7.17）mmHg；基線運行期間，小型豬EABP 有所降低，此時下降幅度較小，總體維持在較為穩(wěn)定的水平，為（65.35±8.73）mmHg；基線運行結束后，隨著G 值的升高小型豬EABP呈進行性大幅下降，達峰值后EABP 稍有回升，但回升幅度有限；隨著暴露時間的延長，EABP呈持續(xù)性降低的趨勢，于峰值平臺末期降至最低［（－72.22±31.38）mmHg］；離心機減速回到基線運行，EABP 隨之回升并略高于暴露前水平；停機后，EABP 出現(xiàn)超常升高現(xiàn)象。防護組中，小型豬EABP 在基線運行期間無明顯降低，基本與平靜狀態(tài)在同一水平；隨著G 值升高，EABP 降低；達峰值后，EABP 降至最低［（－9.71±11.54）mmHg］；而后逐漸回升，于離心機減速期間回升至暴露前水平；基線運行至停機后，EABP 出現(xiàn)了明顯的超常升高現(xiàn)象（圖 2）。

圖2 ＋Gz 暴露期間兩組小型豬（典型個體）EABP 變化情況比較Fig 2 Comparison of the changes of EABP during ＋Gz exposure between 2 groups of miniature swine (typical individual)

比較兩組EABP 下降幅度發(fā)現(xiàn)，對照組（最低血壓與平靜狀態(tài)下血壓比較）下降幅度達（176.92±11.84）%，防護組（最低血壓與平靜狀態(tài)下血壓比較）下降幅度為（109.03±3.45）%，防護組的血壓下降幅度小于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。

2.3 兩組小型豬EABP 脈壓差變化比較通過對小型豬EABP 波形的觀察，可見＋Gz 暴露前（平靜狀態(tài)下）血壓波幅較大，表明此時收縮壓與舒張壓存在一定的差值，即脈壓差。對照組中，＋Gz 峰值暴露期間的EABP 波幅較暴露前明顯減小（圖 3），暴露前EABP 平均脈壓差為（36.96±9.80）mmHg，峰值暴露期間為（8.06±2.79）mmHg，比暴露前降低（P＜0.01），降低幅度達（77.50±6.98）%，差值為（28.89±8.61）mmHg。而在防護組，峰值暴露期間的EABP 波幅與暴露前相近（圖 4），＋Gz暴露前EABP 平均脈壓差為（45.75±8.82）mmHg，峰值暴露期間為（48.66±8.74）mmHg，兩者差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

圖3 對照組小型豬（典型個體）EABP 波幅變化Fig 3 Changes of EABP wave amplitude of miniature swine in control group (typical individual)

圖4 防護組小型豬（典型個體）EABP 波幅變化Fig 4 Changes of EABP wave amplitude of miniature swine in protection group (typical individual)

3 討 論

在本研究中，對照組小型豬的EABP 在（4.92±0.72）G 時降至0 mmHg，意味著此時流向大腦的血流量接近于零，這與早期Burns 等［20］的研究結果相近。血壓的變化幅度主要受血液柱高度、＋Gz 值和＋Gz 作用時間的影響。在無任何抗荷措施的防護下，＋Gz 作用使血液柱流體靜壓差增大，下肢靜脈擴張，上半身血液向下半身轉移和淤積，靜脈回心血量減少，毛細血管跨壁壓增大，組織液生成增多，導致有效循環(huán)血量減少；此外，心臟可能存在移位變形，使得心臟泵血能力減弱，心排血量減少，脈壓差減小。隨G 值升高血壓持續(xù)下降，達到峰值平臺后血壓略有回升，推測是由于血壓持續(xù)降低致使交感神經(jīng)活動增加，兒茶酚胺和其他體液因子參與調(diào)節(jié)導致；但隨著＋Gz 作用時間延長，交感神經(jīng)活動減少或喪失，導致血壓進行性降低［21-22］。G 值下降后，交感神經(jīng)活動再次占主導地位，血壓回升并超常升高。而在使用大覆蓋面積充液式抗荷裝置的小型豬中，有5 只在（7.09±0.98）G 達耐力終點，1 只在進入峰值平臺時達耐力終點，2 只在峰值平臺期間達耐力終點，1 只在過載全程始終未達耐力終點。以耐受曲線下面積表示＋Gz 耐力，經(jīng)統(tǒng)計比較發(fā)現(xiàn)，兩組小型豬＋Gz 耐力存在明顯差異。由此可見，大覆蓋面積充液式抗荷措施可明顯提高小型豬對＋Gz 的耐受能力。需要指出的是，由于防護組中有2 只小型豬對＋Gz 的耐受累計時間較久，導致計算得出的耐受曲線下面積（＋Gz 耐力）標準差過分偏大，故而本研究使用中位數(shù)（下四分位數(shù)，上四分位數(shù)）表示＋Gz 耐力，組間比較采用非參數(shù)秩和檢驗。

除此之外，EABP 下降幅度的減小和平均脈壓差的維持也證實了大覆蓋面積充液式抗荷措施的防護效果。本研究使用的大覆蓋面積充液式抗荷裝置是根據(jù)月齡3～4 個月小型豬體型設計制作的，當桶內(nèi)液體覆蓋至小型豬腋窩水平時，液體可將小型豬全部下半身和大部分胸腔包裹起來。在＋Gz 暴露下，小型豬身體周圍的桶內(nèi)液體與血管內(nèi)的血液柱同時受到慣性力作用而向下擠壓積聚；但由于桶為鋼性材質(zhì)，抗壓強度高、耐沖擊、在當前＋Gz下不變形，液體不能向外膨脹，只能向內(nèi)對小型豬腋窩以下體表施壓，從而對抗了血管內(nèi)血液柱的向外擠壓變形。與現(xiàn)有抗荷服覆蓋腹部和下肢局部面積不同，本研究擴大覆蓋范圍至腋窩水平，使整個胸腔、腹部和下肢都能夠受到外部液體的擠壓作用，減少了血壓向下身轉移，并可維持胸腔（包括心腔）內(nèi)外的跨壁壓力，在一定程度上限制膈肌和心臟的移位變形，增加血管內(nèi)壓力；桶內(nèi)液體因重力梯度作用形成與機體血液柱流體靜壓差同步遞增的對抗壓力梯度（小腿流體靜壓＞大腿流體靜壓＞腹部流體靜壓＞胸部流體靜壓），因而可減緩血液向下肢淤積，促進靜脈血液回流，增加心室容量和心排血量，提高心水平以上動脈血壓，維持脈壓差，實現(xiàn)抗荷效應，提高機體對＋Gz 的耐受能力。

傳統(tǒng)的充氣式抗荷裝備由抗荷服、抗荷調(diào)壓器和氣濾等部分組成，作用原理是：當過載超過約2 G 時，抗荷調(diào)壓器根據(jù)實時載荷向抗荷服增壓充氣，抗荷服衣面拉緊并向腹部及下肢局部體表施壓，限制血液向下轉移。由于設備結構復雜，充氣式抗荷服存在充氣建壓時間和速度滯后于G增長率、覆蓋面積有限、加壓分布不均以及易引起肢體疼痛等問題［7-8］。而充液式抗荷裝置的優(yōu)勢在于建壓動態(tài)性、跟隨性良好，外加的液體柱可與機體血液柱同時自上而下增壓聚集，無需復雜的壓力調(diào)節(jié)裝置［23］。Libelle 自調(diào)控式抗荷服（self-contained anti-G ensemble，SAGE）是一種充液式抗荷服，該抗荷服內(nèi)部分布可充液的管道，＋Gz作用時液體可瞬時對肢體體表產(chǎn)生反壓力，以對抗＋Gz 作用導致的血液轉移，而充氣式抗荷服則需要約2 s 才能完成充氣建壓。德、法等國對這種新型抗荷服進行了試用測試，有報道稱該抗荷服可使飛行員在高過載暴露期間仍保持良好的工作狀態(tài)［24］，但也有結果表明該抗荷服不足以實現(xiàn)高過載下的生理防護［9］。近年來，國內(nèi)也有單位進行了充液式抗荷服的研制，與國外相似，該充液式抗荷服為囊式管路充液原理，液體局限在管路，通過管路膨脹拉緊衣面對體表施壓，作用范圍仍集中在腹部及以下部位，液體在反應速度、加壓梯度及熱負荷等方面比充氣式抗荷服更優(yōu)，但抗荷性能有待驗證［12］。

區(qū)別于管路式充液設計，本研究采用的大覆蓋面積充液式抗荷措施為腋窩水平以下液體全覆蓋，可加強對胸腹腔重要臟器的保護，經(jīng)離心機動物實驗驗證，該措施可減輕EABP 在高過載作用下的降低，維持頭（眼）水平脈壓差，提高小型豬對＋Gz的耐受能力。需要注意的是，考慮到本研究中施加的液體（水）密度與血液體液密度不同，若要實現(xiàn)液體與血液體液同步同值的變化，還需要在灌注液體的選擇方面進行更深入的研究。

綜上所述，本研究結果表明大覆蓋面積充液式抗荷措施可顯著減輕高過載導致的EABP 降低，維持頭（眼）水平動脈脈壓差，提高小型豬對＋Gz的耐受能力，防護效果較為顯著。本研究的不足之處在于，離心機的特殊實驗環(huán)境及大覆蓋面積充液式抗荷裝置的使用限制了許多生理監(jiān)測設備的使用，沒有監(jiān)測到耳脈搏、腦氧代謝指標和心電等生理信號，獲得的生理數(shù)據(jù)較為有限。下一步可考慮利用較為先進的植入式生理信號無線遙測技術，同時采集多參數(shù)信號，這樣既可減小對實驗動物的創(chuàng)傷，有利于進行清醒狀態(tài)下的實驗，又可結合生物電信號進行多指標、多參數(shù)綜合評價，更為全面地評估大覆蓋面積充液式抗荷措施的有效性，以期為今后大覆蓋面積充液式抗荷服的深入研究提供更多的基礎實驗數(shù)據(jù)支持。