[科普中国]-超重医学

研究目的

在航天器起飞阶段或是飞机在俯冲后拉起阶段，机组乘员会承受到较大的加速度作用。由于人体同时还承受着来自地球的单位重力加速度(1 G)的作用，在这种条件下，人体所承受的加速度实际上是运动加速度和重力加速度的矢量和。因此，通常将那些作用于人体的加速度超过人体在地面上所承受的单位重力加速度的情况称为超重。需要注意的是，超重的方向并不一定与人体自身的重力方向一致。常规条件下人体能承受一定范围的超重值，但过大的超重环境对人体会产生较大的危害。载人飞船在上升和返回时航天员会遇到较为强大的胸一背向超重(+Gx)压力的作用，特别是飞船在主动段大气层外弹道式应急返回时，过载峰值可高达15G甚至20G以上。大量的研究表明，高+Gx超重作用可对人体产生明显的生理影响，甚至病理损伤。因此，为了保证航天员的身体健康和安全，必须对上述航天条件所造成的超重作用采取利用动物实验的方法进行深入研究，来获得科学合理的飞船超重医学要求。2

研究方法目前，主要利用动物离心机来进行模拟超重研究，离心机采用交流变频调速和计算机控制技术来模拟飞船上升段、返回段、弹道式应急返恒l时产生的抛物线形超重，从而研究超重对机体的影响。通常可使用猴、犬、兔、鼠等多品种的实验动物。

值得注意的是，在模拟超重过程中应充分考虑实验动物自身的应急状态与所产生的实验结果之问的关系。利用灵长类实验动物进行模拟超重研究，应对受试动物进行多次环境适应训练以消除应急反应所带来的不利影响。2

航天飞行时超重的特点航天飞行时所产生的+Gx超重具有以下特点：

①作用时间长。飞船上升段超重可长达6～10 min．返回超重持续1 min以上，甚至数分钟。

②G值变化率较小。飞船正常上升和返回时的G值变化率一般不大于0.2 G/s，应急飞行时也不会超过0.5 G/s。

③特殊情况下的超重G值高。比如飞船在大气层外逃逸救生应急返回时，航天员可能会遇到15.0 G以上，甚至高达20.0—25.0 G的超重作用。

④由于航天员遇到的超重值较高(航天飞机除外)，且持续时问较长，为了使人能够较好地耐受，航天员仰卧于飞船舱内的座椅上．座椅与舱底平面夹角为100～200。无论在发射段还是返回段，位于飞船中的航天员受到的主要是+Gx作用。当然，由于座椅与舱底平面有一定的夹角，根据平行四边形法则，航天员在Z轴上还受到+Gz的分力作用，其值在正常飞行时较小，但在飞船大气层外逃逸救生和轨道段应急返回时，其值较大，对航天员的影响不容忽视。3

航天飞行时超重对人体影响目前，关于超重对于人体各系统影响的研究都还是限于较短时间的作用(通常持续数秒至几百秒)，多数还是观察短时问超重环境下人体各系统的变化以及由此可能给人体带来的伤害。下面以+Gx线性加速度为例，简要介绍超重环境对机体的影响。

对心血管系统的影响+Gx作用下，影响机体的主要因素是中心静脉血量增加。潴留在下肢和腹部的血液转移到胸部、颈部和头部。随着G值的增加，右心房、腔静脉、肺动静脉压、平均动脉压逐渐升高，每搏量逐渐下降。+10～+14Gx时．出现心率减慢、动脉压降低、循环时间延长等心血管功能紊乱现象。胸腔血量明显增加．动物实验证明+Gx作用时肺底部背侧出现严重的淤血和肺不张。G值高时，出现ST段下移、T波倒置等心肌缺血及各种心律失常现象。

对呼吸系统的影响在+Gx作用时，惯性力与体纵轴相垂直，使胸腔发生形变，腹腔压力加大，横膈肌后半部上移，使呼吸功能发生改变。6～8 G时，可引起呼吸困难和胸痛。这成为+Gx耐力的一个关键限制因素。+Gx作用下，重力作用使胸廓重量增加和前后距离变短，加上胸腔内容物的挤压和膈肌上移，阻碍呼吸运动，造成呼吸量和最大通气量的下降。据报道，在+3、+5 Gx作用时，受试者的肺活量分别减少到对照值的64.2%、50%。在+12 Gx时减少到只相当于对照时的潮气量。最大通气量在+3、+5Gx时分别减少20%、40.8%二但是在+1、+3和+5 Gx时，反映影响呼吸速度的半秒钟肺活量参数分别为52.1%、61.8%和76.3%，即随作用G的加大而增大。可见+Gx作用下的呼吸困难是属于限制性的呼吸困难。

+Gx作用时，人体的肺通气功能发生改变，最明显的是随G值增加，潮气量和功能性余气量减小。在低G作用时，呼吸频率有逐渐加快趋势．高G时有减慢现象。据实测，在+1、+5、+8和+12+Gx时，受试者的潮气量分别为580 ml±125 ml、491 ml±179 ml、411 ml±140 ml和318 ml±20.8 ml。一般在+3、+5 Gx时，每分通气量因呼吸频率代偿加快而稍加大。但在更高G时，由于呼吸频率达到一定限度，每分通气量逐渐降低。

+Gx作用时，肺的气体交换发生障碍，主要表现为因气血分离而引起的血氧饱和度降低。原因是重力使胸膜上部的负压加大，肺泡处于过度膨胀，而肺后部则处于压缩或肺不张，只有中间区域的肺泡维持正常。另一方面，由于流体静压效应使血液在肺的前、后部分配不均匀。这样就形成了肺前部气多而血少，肺后部则血多而气少，甚至动、静脉短路的局面，使肺上部及下部的肺泡通气/灌流比例失调，导致气体交换发生障碍，造成血氧饱和度的降低。

对视觉及中枢神经系统的影响在超重作用下随着头部动脉血压的降低，首先出现主观上对光的视敏感、视反差的改变，继而周边视觉变暗，渐渐地减小到在30。视野内可见，最后视野完全消失，视觉完全丧失i，这在飞行员进行俯冲等特技飞行时经常出现。

超重对中枢系统的影响是极其多样的。初期的影响可能是非特异性应激反应，它甚至在暴露前已经开始，并逐渐加强。离心机实验前1～2分钟内多数人的心率加快便是一个例子。毫无疑问，这种适应性反应使得机体为即将暴露到一个新的环境而进入准备状态，因而加大了对这种因素的耐受能力。

对工作效率的影响超重可引起生物力学效应破坏，机体运动受阻，尤其是大关节的活动。超重可引起人动作灵敏反应和运动协调性的降低。超重作用使人的视反应时延长、图像鉴别能力降低、跟踪操作效率降低。地面实验结果表明，模拟失重会使机体的超重耐力降低。2