三维滚轮评价人体前庭功能和自主神经功能方案研究.pdf

航空航天心血管医学研究三维滚轮评价人体前庭功能和自主神经功能方案研究贾斯浩1，潘益凯2，黎舒涵2，李程飞2，孙喜庆2（空军军医大学：1.基础医学院学员六大队,2.航空航天医学系航空航天医学训练教研室,陕西西安710032）摘要：目的比较不同三维滚轮测试方案时人体前庭功能分级、运动病评分及心血管功能的变化，为制定飞行人员前庭功能评价方案提供实验依据。方法20 名受试者分别接受电动转椅法和三维滚轮两种不同旋转参数方案的测试，记录在测试过程中受试者前庭功能分级、Graybiel运动病评分、血压、心率、心率变异性和瞳孔对光反射等的变化。结果三维滚轮测试方案一、方案二和电动转椅三种方法测试后受试者前庭功能分级不合格率分别为20%、30%和 15%；Graybiel运动病评分三种方法间无显著差异。三维滚轮两种方案测试中 LFn、LF/HF 较测试前均显著降低（P0.05），HFn 显著升高（P0.05），而电动转椅测试中仅 LFn 较测试前显著降低（P0.05）；三维滚轮测试方案一、方案二和电动转椅三种方法测试中 LFn 变化率分别为28.06%、41.75%和9.52%（P0.05），HFn 变化率分别为 104.91%、236.19%和 22.77%（P0.05），LF/HF 变化率分别为46.54%、64.60%和13.93%（P0.05）。结论本研究设计的两种三维滚轮测试方案可评价飞行人员前庭功能稳定性，其所引起的自主神经系统改变较电动转椅更加显著。关键词：三维滚轮；电动转椅；前庭功能稳定性；自主神经功能中图分类号：R852.33文献标识码：A 文章编号：1009-7236(2023)04-0451-05DOI：10.12125/j.chj.202212030开放科学(资源服务)标识码(OSID):网络出版地址：http:/ on scheme of three dimensional roller in evaluation of humanvestibular and cardiovascular functionJIA Si-hao1，PAN Yi-kai2，LI Shu-han2，LI Cheng-fei2，SUN Xi-qing2(1.Sixth Regiment,School of Basic Medical Sciences，2.Department of Aerospace Medical Training,SchoolofAerospaceMedicine,AirForceMedicalUniversity,Xian710032,Shaanxi,China)Abstract:AIMTocomparethechangesofhumanvestibularfunctiongrading,motionsicknessscoresand cardiovascular functions in different three-dimensional roller test schemes,and to provideexperimentalbasisforformulatingpilotvestibularfunctionevaluationscheme.METHODSTwentysubjectsweretestedwithelectricswivelchairmethodandtwodifferentthree-dimensionalrollertestschemes.Thechangesofvestibularfunctiongrading,Graybielmotionsicknessscore,bloodpressure,heartrate,heartratevariabilityandpupillarylightreflexduringthetestwererecorded.RESULTSThefailureratesofvestibularfunctiongradingofthesubjectstestedbythree-dimensionalrollertestschemeI,schemeIIandelectricswivelchairwere20%,30%and15%respectively.Therewasnosignificantdifference in Graybiel motion sickness scores between the three methods.LFn and LF/HF weresignificantlylowerandHFnwassignificantlyhigherthanbefore(P0.05)intwothree-dimensionalrollertestschemes,whileonlyLFnwassignificantlylowerinelectricswivelchairtestthanbefore(P0.05).In基金项目：空军装备科研项目（KJ2018-2019C135）；空军军医大学作战效能提升航空医学重大问题科技攻关项目（2020ZTC01）；空军军医大学后装保障（卫生勤务）重点学科后备人才扶持基金（2020SZRC2002）通讯作者：孙喜庆，教授，主要从事航空航天医学训练研究E-mail：作者简介：贾斯浩，本科生E-mail：心脏杂志（ChinHeartJ）2023，35（4）451three-dimensionalrollertestschemeI,schemeIIandelectricswivelchair,theLFnchangerateswere28.06%,41.75%and 9.52%(P0.05),HFn change rates were 104.91%,236.19%and 22.77%(P0.05),andLF/HFchangerateswere46.54%,64.60%and13.93%(P0.05).CONCLUSIONThetwo three-dimensional roller test schemes designed in the study is able to evaluate the stability ofvestibular function of flight personnel,and the autonomic nervous system changes of the three-dimensionalrollertestschemesaremoresignificantthanthoseofelectricswivelchairs.Key words:three-dimensionalroller；electricswivelchair；vestibularstability；autonomicfunction随着近年来我国高性能战斗机的快速发展，其所具备的高载荷、高载荷增长率、高角加速度、高认知负荷以及长时间、长距离飞行的特点对飞行人员的身体素质提出了新的更高要求1。研究表明，前庭器官在维持人体平衡和保持空间定向能力中发挥重要作用。由前庭功能改变所引发的空晕病和空间定向障碍是威胁飞行安全的重要因素2。因此，如何科学、准确地评价飞行人员的前庭功能稳定性对于保障飞行安全具有重要的意义。本研究以电动转椅法为标准，通过比较两种不同三维滚轮测试方案时受试者在测试过程中的前庭功能分级、Graybiel运动病评分、血压、心率、心率变异性、瞳孔对光反射以及血氧的变化情况，探讨三维滚轮在人体前庭功能和心血管功能评价中的应用价值，为制定飞行人员的选拔和训练方案提供实验依据。1对象和方法1.1对象选取空军军医大学 20 名健康男性本科学员为受试者，年龄（20.701.08）岁，身高（174.103.88）cm，体质量（66.056.05）kg，身体质量指数（21.761.41）kg/m2，无心肺疾病史，无前庭系统或运动系统疾病史，无晕车晕船史，无不良嗜好。实验前 48h 内及实验期间禁止饮用含酒精、咖啡因等可能会影响自主神经功能的饮料，避免吸烟和剧烈的体育运动，正常作息。本测试内容经空军军医大学医学伦理委员会审议批准，受试者对实验内容完全知情并签署了知情同意书。1.2测试设备电动三维滚轮（空军军医大学航空航天医学系设计研制、北京航速科技有限公司生产制造）；J760型电子血压计（北京欧姆龙医疗器械有限公司）；生理参数记录检测仪（北京海思瑞格科技有限公司）；瞳孔检测分析仪（苏州国科视清医疗科技有限公司）；BRS-2 型无线式脑血氧检测头带（中科搏锐（北京）科技有限公司）。1.3测试方法试验前受试者进行电动三维滚轮的体验，以消除正式测试时的紧张情绪对实验数据造成的干扰。试验时，受试者分别进行电动转椅测试和两种不同三维滚轮测试方案的测试，三次测试时间间隔 2d 以上，避免相互干扰。1.3.1电动转椅测试测试前，使用瞳孔检测分析仪测量受试者瞳孔对光反射情况。为受试者佩戴便携式电子血压计测量受试者血压及心率。为受试者佩戴生理参数记录检测仪记录受试者心电图。实验方法参考前期工作3，以外框、中框静止，内框 180/s的角速度设定启动电动三维滚轮。测试后立即测量受试者血压，使用瞳孔检测分析仪测量受试者瞳孔对光反射情况，静坐 3min 后结束测试。取下受试者穿戴的测试设备并进行数据处理。1.3.2三维滚轮测试测试方法同上。测试前固定各部位安全带及压杠，分别按照方案一（内框转速130/s，中框转速 90/s，外框转速 40/s）和方案二（内框转速 140/s，中框转速 60/s，外框转速 40/s）的设定启动设备。1.3.3前庭功能稳定性评价测试时由主试者按照“前庭功能分级表”和“Graybiel 运动病评分量表”3观察受试者症状和询问受试者主观感受，对其前庭功能稳定性进行评价。其中前庭功能分级为 0 度或度者为测试合格；前庭功能分级为度、度或未完成测试者为测试不合格。x1.4统计学处理采用 SPSS25.0 统计分析软件对测试数据进行统计分析处理，计量资料以均数标准差（s）的形式表示，计数资料以百分率（%）表示。受试者的血氧、血压、心率、心率变异性（heartratevariability，HRV）数据及瞳孔对光反射情况比较采用配对 t 检验和方差分析，受试者前庭功能分级结果采用卡方检验，受试者 Graybiel 运动病评分比较采用 Wilcoxon 符号秩检验。以 P0.05 为差异有统计学意义。2结果2.1三种测试方法对前庭功能分级结果的影响电动转椅法测试后，20 名受试者中 17 人判定为前庭功能测试合格，3 人被判定为前庭功能测试不合452心脏杂志（ChinHeartJ）2023，35（4）格，不合格率 15%。三维滚轮方案一测试后，20 名受试者中 16 人判定为前庭功能测试合格，4 人被判定为前庭功能测试不合格，不合格率 20%。三维滚轮方案二测试后，20 名受试者中 14 人判定为前庭功能测试合格，6 人被判定为前庭功能测试不合格，不合格率 30%。两种三维滚轮测试方案与电动转椅法的前庭功能分级总体不合格率之间无明显差异，见表 1。表1电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试后前庭功能分级结果测试方法前庭功能分级未完成不合格率0度度度度电动转椅51221015%三维滚轮方案一21422020%三维滚轮方案二21232130%2.2三种测试方法对 Graybiel 运动病评分结果的影响测试后三种方案受试者的 Graybiel 运动病评分较测试前均显著升高（P0.05），而两种三维滚轮测试方案与电动转椅法测试后的 Graybiel 运动病评分之间无明显差异，见表 2。表2电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试前后前庭症状评分改变测试方法前庭症状评分测试前测试后电动转椅03.853.65a三维滚轮方案一04.103.21a三维滚轮方案二04.853.39an=20。与测试前比较，aP0.052.3三种测试方法对血压和心率结果的影响测试后三种方案受试者的收缩压较测试前均显著升高（P0.05）。在电动转椅法中受试者测试后舒张压较测试前显著升高（P0.05）。在三维滚轮方案一中受试者测试后心率较测试前显著升高（P0.05）。其余均无显著差异，见表 3。表3电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试前后血压和心率改变 x（s）测试方法收缩压舒张压心率测试前测试后测试前测试后测试前测试后电动转椅1199.2512710.45a736.25809.78a626.54637.25三维滚轮方案一1226.9813011.96a717.867619.97699.757612.42a三维滚轮方案二1179.3712311.11a7112.507611.467315.757816.96n=20。与测试前比较，aP0.052.4三种测试方法对 HRV 结果的影响电动转椅法测试中受试者仅归一化低频功率（normalizedlow-frequencypower，LFn）较测试前显著降低（P0.05），归一化高频功率（normalizedhigh-frequencypower，HFn）和低频功率（low-frequencypower，LF）与高频功率（high-frequencypower，HF）的比值 LF/HF 无明显变化。三维滚轮两种方案测试中受试者 LFn、LF/HF 较测试前均显著降低（P0.05），HFn 均显著升高（P0.05）。三种方法测试后上述参数均基本恢复至测试前水平，见表 4。三维滚轮方案一和方案二测试中受试者 LFn、HFn 和 LF/HF 的变化率较电动转椅法均更加显著（P0.05），见表 5。表4电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试时心率变异性改变 x（s）测试方法LFnHFnLF/HF测试前测试中测试后测试前测试中测试后测试前测试中测试后电动转椅65.419.7458.8112.51a68.008.4828.549.0733.3411.1926.367.322.611.082.091.072.931.50三维滚轮方案一68.5912.5347.7715.50a70.8812.2724.9310.2943.5215.09a23.4610.463.592.421.401.03a3.902.28三维滚轮方案二68.3314.4438.2814.30a69.3712.7524.6110.9651.2014.59a24.3511.044.906.770.950.92a3.942.87n=20。与测试前比较，aP0.052.5三种测试方法瞳孔对光反射结果的影响电动转椅法测试后受试者右眼瞳孔最小直径（pupilminimumdiameter，PMD）较测试前显著降低（P0.05）。三维滚轮方案二测试后受试者右眼瞳孔收缩速度（pupilcontractionvelocity，PCV）、瞳孔对光反应潜伏期（pupilcontractionlatency，PCL）较测试前均显著降低（P0.05）。右眼瞳孔初始直径（pupilinitialdiameter，PID）及其余均无显著差异，见表 6。心脏杂志（ChinHeartJ）2023，35（4）453表5电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试时心率变异性改变 x（s）测试方法LFn变化率（%）HFn变化率（%）LF/HF变化率（%）电动转椅9.5216.3522.7745.9713.9340.23三维滚轮方案一28.0627.45a104.91110.04a46.5446.34a三维滚轮方案二41.7523.92a236.19473.92a64.631.35an=20。与电动转椅法比较，aP0.05表6电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试前后右眼瞳孔对光反射改变 x（s）测试方法PIDPMDPCVPCL测试前测试后测试前测试后测试前测试后测试前测试后电动转椅5.740.615.660.794.010.553.610.65a0.330.040.320.040.190.050.160.07三维滚轮方案一5.650.555.600.873.900.463.620.500.320.030.310.490.190.100.180.14三维滚轮方案二5.610.585.630.513.760.493.480.430.320.020.300.03a0.190.010.140.08an=20。与测试前比较，aP0.05。2.6三种测试方法对血氧结果的影响电动转椅法测试中受试者前额叶血氧无明显改变。三维滚轮测试中受试者前额叶血氧呈现与三维滚轮中框周期相同的波浪状波动，但均无显著性差异。3讨论前庭器官是人体位置感觉和维持身体平衡的主要器官。前庭感受器由半规管和耳石器构成。半规管壶腹嵴主要感受角加速度的变化，而耳石器主要感受线性加速度和力环境的变化4。目前，我军选拔飞行人员时主要通过电动转椅法产生科里奥利加速度对壶腹嵴产生刺激，从而评定受试者的前庭功能稳定性5。然而飞行人员在实际飞行中主要受到线性加速度的前庭刺激6。因此在飞行人员选拔与鉴定中，半规管敏感性正常而耳石器敏感性较高的受试者前庭功能检查可能合格，但实际飞行中却仍然可能发生空晕病7。本课题组前期工作已证明，电动三维滚轮能对前庭器官产生复合刺激并伴有姿态改变，能够较好地模拟实际飞行过程，在飞行人员前庭功能的评定和训练中有一定的应用前景3,810。本研究结果表明，20 名受试者在电动转椅法和三维滚轮两种测试方案测试后受试者的前庭功能分级不合格率分别为 15%、20%、30%，虽呈现增加趋势，但三者之间无显著性差异，Graybiel 运动病评分三种测试方法之间亦无明显差异。结果提示，本实验设计的两种三维滚轮测试方案在评价受试者前庭功能稳定性方面与电动转椅法基本一致。本课题组以往工作中已经设计了多种三维滚轮方案并证明了其在前庭功能稳定性评定和训练中的作用3,810。通过调整三维滚轮三个轴向的转动速度，可以模拟飞行过程并对前庭器官产生适当的刺激，同时无需受试者主动摆头，实现对前庭刺激的精准定量。在本研究中设计了两种三维滚轮测试方案，进一步完善了测试方法，为制定飞行人员前庭功能评价方案提供实验依据。前庭刺激对人体自主神经系统有较大影响。目前评价自主神经系统功能的无创测量技术主要有HRV 和瞳孔对光反射11。HRV 中 HFn、LFn 可以直接反映副交感神经和交感神经功能水平，LF/HF 越低表明副交感和交感神经间越平衡12。有研究显示，受试者的 HRV 变化趋势与 Graybiel 运动病评分对应，能够客观反映运动病的严重程度13。本实验通过比较电动转椅和三维滚轮两种测试方案测试过程中 HRV 的变化，发现测试时两种三维滚轮测试方案引起的受试者 LFn、LF/HF 下降和 HFn 上升表现较电动转椅法更加显著，表明三维滚轮测试方案较电动转椅法能够更加强烈地抑制交感神经功能，兴奋副交感神经功能。本实验瞳孔对光反射检测结果也支持上述结论。自主神经系统通过睫状神经节神经元和颈上神经节神经元投射到瞳孔括约肌和瞳孔开大肌控制瞳孔收缩和扩张。瞳孔对光反射检测结果显示，电动转椅法右眼 PMD 显著降低，三维滚轮方案二右眼 PCV、PCL 显著降低，较测试前表现出瞳孔对光反射时收缩功能显著上升，提示前庭刺激能够兴奋副交感神经，抑制交感神经功能。AghababaeiZiarati 等14使用微量冰水法刺激前庭器官，能够通过前庭眼反射有效引出眼球震颤，但 HRV 未见显著差异。说明三维滚轮较微量冰水法在评价前庭刺激对自主神经功能系统的影响具有优越性。前庭刺激通过前庭交感反射引起机体血液重新454心脏杂志（ChinHeartJ）2023，35（4）分布。但在三维滚轮测试中受试者的心血管功能同时受到前庭交感反射、重力因素和心血管容量、压力反射共同影响以维持血压稳定15。本研究结果显示，20 名受试者在三种测试方法测试后收缩压均显著升高，电动转椅法测试后舒张压显著升高，三维滚轮方案一测试后心率显著升高。三种测试方法间收缩压、舒张压及心率改变未见显著差异。这与本课题组前期工作结果基本一致8,9。索惠丽16发现，受试者进行三维滚轮测试 30s 时收缩压显著降低，之后又恢复到测试前水平，而使用电动转椅时，收缩压无明显变化，可能是因为三维滚轮测试中存在姿态改变导致血压下降，而后通过多种反射系统维持血压稳定，表明三维滚轮与电动转椅相比在评价心血管功能的能力更强。本实验仅在测试前后测量血压心率数据，这提示在测试中使用无创连续血压心率监测对于客观评价受试者心血管功能和揭示测试中的心血管功能变化可能更有意义。本研究中有 2 名受试者在三维滚轮两种测试方案中表现出处于头低位时意识清晰但失去对姿态的感知并伴有头痛、大汗的症状，且随着实验进行症状加剧。前庭交感反射会降低机体心血管调节功能稳定性17，且三维滚轮测试中受试者存在身体滚转导致体液头向分布，特别在头低位时头向分布显著，受试者可能因头面部充血、颅内压升高出现上述症状18。这也表明了电动三维滚轮可以有效地评价受试者的心血管功能，且能有效模拟实际飞行情况，较电动转椅法有一定的优越性。综上所述，本研究比较了两种三维滚轮测试方案（方案一：内框、中框和外框旋转速度分别为130/s、90/s 和 40/s；方案二：内框、中框和外框旋转速度分别为 140/s、60/s 和 40/s）与电动转椅法对前庭功能和心血管功能影响的差异，表明设计的两种三维滚轮测试方案可评价飞行人员前庭功能稳定性，其所引起的自主神经系统改变较电动转椅更加显著。研究结果提示，三维滚轮测试相较于目前常用的测试方案在评价飞行人员前庭功能和心血管功能具有一定的优越性，但应用于实践时最适宜的参数方案还需要更多的探索与验证。参考文献：刘莹,熊万喜,杨晓蕾,等.276名海军航空兵飞行员膳食营养调查分析J.中国疗养医学,2014,23(4):296299.1Snchez-TenaM,Alvarez-PeregrinaC,Valbuena-IglesiasMC,etal.OpticalillusionsandspatialdisorientationinaviationpilotsJ.JMed 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