失重对人体外周血管的影响范文

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《航天器环境工程杂志》2014年第三期

1失重对外周血管的影响

1.1下肢血管调节1）动脉血管阻力的变化下肢血管运动是人体对失重的动态调节机制之一。下肢动脉血管在长期（最长达438d）的航天飞行中会产生较大变化，如下肢动脉阻力下降、收缩性下降，另外，其调节能力随着航天飞行时间的增加也会受到一定破坏，从而导致LBNP测试时头部供血不足[2]。Herault发现6名航天员在“和平号”空间站上6个月的航天飞行中，他们的股动脉阻力降低5%～11%（p＜0.01）[3]。另外也有学者的研究表明，在6个月航天飞行过程中，航天员的下肢血管阻力降低（幅度为5%～18%，p＜0.05），同时股动脉截面面积增幅达15%～35%（p＜0.05）[4-5]。2）动脉血管紧张度的变化Fomina等指出失重会使人下肢大血管的收缩能力降低、血管调节能力受损，并认为这些因素最终导致了立位稳定性的降低[6]。Hughson等的研究结果表明，在国际空间站上工作6个月后，航天员的动脉紧张度普遍下降[7]。Tuday发现失重或模拟失重会使动脉血管紧张度发生改变，并认为这种变化是由于血管壁的重塑所引起，而且与立位耐力有着非常密切的联系[8]。关于下肢动脉紧张度随失重时间的变化规律，多数研究结果认为在失重时间较短时较低，但随着时间延长而升高[9]。若失重导致下肢动脉血管紧张度上升，会使得人在受到负荷刺激时其血管紧张度的变化范围缩小，从而造成失重后立位时血管的调节能力下降。3）静脉血管充盈度的变化失重对下肢静脉系统的影响要甚于动脉。对于静脉充盈度，多数学者认为由于失重引起的血液重分布，导致下肢静脉血液会减少、充盈度降低。如Watenpaugh等采用静脉阻断描计法测量了7名航天员在航天飞行前、中、后的小腿血流量，结果发现小腿血流量在航天飞行时比地面卧位时减少了41%[10]。但也有部分研究人员认为人体下肢血流量在长期失重时会增大，如航天员在SkyLab-4上长达84d的失重飞行数据表明，在飞行13～76d期间，3名航天员在静息状态下其中两名的下肢血量增加了，相比飞行前地面卧位时增加了1～5倍[11]，但究其原因可能是由低血容导致的体液代偿作用引起。4）静脉血管顺应性的变化在航天飞行初期，下肢静脉顺应性明显增高，之后下降并稳定在一定水平，但仍然高于飞行前，飞行结束后迅速恢复。Fomina等观察到8名航天员在长达6个月的航天飞行中股静脉趋于扩张，并且从飞行初期（1～2周）开始出现了腿部静脉扩张与顺应性增高，这些变化在航天飞行的2～3个月仍然显著、在第6个月时趋于稳定[12]。航天飞行中下肢静脉顺应性增加的原因除了与血管本身的结构功能的改变有关外，还有赖于失重前所引起的肌肉张力下降。但是也有航天飞行及模拟失重试验得出了相反的结论，如Watenpaugh等采用静脉阻断法测得航天员在飞行中下肢静脉顺应性没有变化，只是在返回地面一周后有增加[10]；中国航天员科研训练中心开展地星1号60d的头低位卧床试验，结果表明受试者的下肢静脉顺应性显著降低、总外周阻力升高[13]；同样Christ等进行了120d、-6°的头低位卧床试验，结果表明在卧床118d后外周动脉血流量以及静脉顺应性降低[14]。解放军第四军医大学的学者认为产生这种差异的原因是静脉顺应性的确定方法：在卧床试验及航天飞行中多以下肢容积变化来反映静脉顺应性的变化，但下肢容积的变化是由多种因素决定的，不仅有静脉系统还有肌肉和组织液等，因此无法真实反映静脉顺应性的变化[15]。5）立位耐力的变化下肢静脉顺应性增高的一个直接结果是使得航天员立位时有较多的血液潴留在下肢，回流至右心房的血液减少，从而使心输出量和动脉血压下降，这是失重或模拟失重后立位耐力下降的主要机理之一。孙喜庆等指出在失重或者模拟失重时会出现人体下肢静脉的顺应性增高，而在恢复正常重力后血液潴留较多[16]。Fomina等分析了短期（8～25d）和长期（126～438d）航天飞行时心血管系统的动态变化，发现从飞行第一周开始下肢静脉容积增大，30～40d时变化的幅度更大[2]。Kotovskaia等分析了20余年来在“和平号”与“礼炮七号”上的26名航天员的（8～438d）航天飞行相关生理数据，发现下肢血管阻力降低、下肢静脉净容量增大；同时下体负压测试结果表明与重力相关的反射功能降低，且随着航天飞行时间的延长而愈发明显[17]。失重时下肢静脉系统的变化存在多方面原因[18]，如人体活动少、肌肉萎缩、静脉血流量减少、静脉血管壁神经体液调节功能减弱，从而导致静脉血管平滑肌收缩反应性降低、管壁萎缩等等。

1.2身体上部血管调节失重状态下关于人体身体上部血管调节的研究主要集中于脑循环。针对失重条件，脑循环具有比较完善的自主调节能力，保证人体脑部供血以及血压处于正常范围。失重时血液由下肢转移至身体上部，因此脑血管的血流速度、血液充盈度以及血管阻力等均会产生变化。对血流速度的研究主要针对脑中动脉，目前的研究结果存在分歧。Iwasaki等通过比较6名航天员的生理数据发现，失重时静息状态下脑中动脉的血流速度与正常重力情况比较无明显差异[19]。Arbeille等与孙喜庆等分别进行了长达60d和21d的-6°头低位卧床试验，发现模拟失重使大脑中动脉流速降低[20-21]。研究结果的差异可能源自于试验方法、对照体位以及受试者的个体差异等因素，因此仍需要更多的试验来验证。此外，王忠波还发现右侧大脑中动脉的收缩期血流速度及平均血流速度较卧床前显著降低，左侧大脑中动脉的收缩期血流速度在卧床早期略升高，随后下降[22]。这与Satake等发现的“失重条件下大脑左右半球血液充盈度不一致”的结论类似[23]。吴大蔚等还总结了失重对脑血液流速与脑血管阻力的影响的研究结论（见表1）。失重除了影响脑血流速度与充盈度外，对血压与血管阻力也存在影响。冯岱雅等通过计算机仿真发现失重条件下人体脑血流量增加了10%，颈动脉血压比正常重力状态时增加10mmHg[25]。Khurana指出脑动脉血压在失重时会显著增大，并且颈静脉出现“堵塞”现象[26]。此外在航天飞行时的血流图中常出现静脉波，它和心电图的房性综合波同时发生，这也证明脑血流流出受阻。Karina等观察到卧床试验中受试者的脑血流回流困难、血液在静脉中淤滞的现象[27]。关于长期失重对脑血管阻力的影响，大多数研究结果均表明失重时脑血管阻力会升高。在“礼炮号”长达237d的宇宙飞行中，Arbeille等发现3名航天员中的2名脑血管阻力增大，但是在一次25d宇宙飞行中，同一组研究人员却观察到一名航天员的脑血管阻力下降[28]。杨长斌等用导纳式脑血流自动检测仪测量双侧脑血流量，结果表明21d头低位卧床模拟失重时脑血管阻力增加、脑血流量降低[29]；Kawai等也认为失重时颅内压的升高使得血管受到更大的压力，从而导致脑血管阻力升高、脑血流量下降[30]。笔者认为脑血管阻力降低的试验结果可能源自于试验操作以及受试者自身状况。除了研究脑循环外，有学者对上肢血管的变化进行过研究。如Kozlovskaya等认为尽管失重时人体上肢血液量增大，但未发现上肢血管阻力有变化[31]；Nagatomo等则认为失重时人体上肢血流量不会变化，下肢血流量降低[32]。其他学者则报道过在航天飞行过程中上肢血管紧张度下降的现象（如升线一波脉延时）。还有学者对失重或模拟失重时肺循环所发生的变化进行了较深入的探讨[33]。

2失重对心脏的影响

2.1失重对心脏外形与重量的影响1）对心脏外形的影响在长期失重的作用下，心脏的形状及结构均会产生较大的变化。采用有限元法，Summers等发现失重时左心室的几何长宽比比1g条件下低3.65%，即失重可能会导致心脏的曲率半径产生变化[34]。此外Summers等还对此进行了试验验证，结果表明在航天飞行中的4名航天员心脏的平均圆度指数增大4.1，而平均几何长宽比降低5.3%[35]。这说明在失重条件下心脏的外形变得更圆、更接近球形。失重及1g条件下左心室球度与左心室压力的关系见图1。2）对心脏重量的影响除了外形变化外，失重时心脏的重量也会发生变化。如Perhonen等进行的卧床试验结果表明，卧床6周后左心室重量减少8.0±2.2%、左心室壁厚减少4±2.5%，并发现卧床6周后右心室重量减少10±2.7%、右心室舒张末容积减少16±7.9%[37]。其他学者也指出了卧床模拟失重或长期宇宙飞行之后航天员出现心脏舒张末容积持续减少的现象[38-39]。除了卧床模拟试验外，也有学者对航天飞行中航天员的左心室的重量变化进行了研究。如Perhonen发现3名航天员在航天飞行结束后，左心室重量减少12±6.9%[37]。Hamilton利用超声心动图对114d航天飞行中的6名航天员进行了心脏重量、心输出量、收缩压、舒张压等参数测量，发现心脏重量下降[40]。此外，Summers对航天飞行前后左心室的重量变化进行了研究，发现飞行后左心室重量减少了9.1%并且在恢复3d后达到飞行前的重量[41]。Hughson及Summers等发现航天员的心肌重量减轻以及心肌心态学变化，同时心脏的收缩功能发生改变。图2为长期航天飞行引起的左心室重量变化。

2.2失重对心脏功能的影响1）对心率的影响大量的研究结论表明在长期的航天飞行中，心率总体来说要低于地面立姿时的值。Verheyden等测量了11名男性航天员在国际空间站上6个月内的心率变化，结果表明心率与地面卧位时的值相等，但是要低于地面立位姿势时的心率[44]。Gundel等发现在长达438d的航天飞行中，第1个月时航天员的平均QT间期延长至82ms，而第6个月时则延长至176ms（此后直至飞行任务结束再未发现延长），平均QT间期的延长直接导致心率下降约20%[45]。关于心率随失重时间的变化规律，Charles等早在1996年便对26名航天员在30～365d的航天飞行中的心率进行了记录，结果表明对于长期的航天飞行（如12个月），平均心率随失重时间的增加呈缓慢上升的趋势[46]。这个观点后来被广泛地接受[47]。但对于Charles的结论，需要注意的是：在第8个月至第12个月的航天飞行中航天员的人数仅为2～3人，存在样本偏少的问题。因此所获得的心率变化趋势的普遍性有待商榷。2）对心输出量、收缩压以及舒张压的影响在失重的情况下，心输出量会出现轻微增加，而心脏的收缩压及舒张压却降低。Norsk等的研究表明在STS-107航天任务中飞行8d后，4名航天员的平均心输出量从5.1±0.3L/min升高到6.1±0.1L/min（p=0.021）[48]。另外他们还发现在航天飞行的第一周，与地面立位状况对比航天员的心输出量增加了18%，并且每24h的平均舒张压降低5mmHg[49]。Hughson等分析了6名男性航天员在国际空间站6个月内的心率、平均动脉压、收缩压、舒张压等数据，发现心输出量随着飞行时间的延长而持续增加、收缩压与舒张压随着飞行时间的延长而持续降低（表2），同时还发现长期失重时心脏的收缩功能发生改变[50]；同样发现心脏收缩功能变化的还有Carvil等[51-53]。文献[54-55]的研究结论也支持此观点。但是也有学者认为失重对心输出量与平均动脉压的影响并不显著。如通过采用躯干阻抗图与Kedrov氏公式对33名航天员在12个月的航天飞行中的平均每搏量与心输出量进行评估与计算，结果表明并无显著变化。沈羡云等认为长期处于失重中的航天员每搏量以及心输出量都维持在接近飞行前的水平，所观察到轻度升高的现象可以用航天员的紧张心理来解释[56-57]。冯岱雅等的仿真研究结果表明失重时心脏的收缩压变化不明显（间接表明心输出量可能变化不大）、舒张压有降低趋势（间接表明外周阻力可能减小）。

2.3失重对心律的影响失重时人体心脏还会发生心律失常，常见的如心室期前收缩（PVCs）、心房期前收缩（PACs）、QT间期延长等等。如在“水星号”飞行任务中就曾出现比较明显的窦性心率紊乱（PACs、PVCs、融合性期前收缩各1例）；在航天飞机飞行中，航天员进行舱外活动时，曾出现PACs与PVCs、持续的室性二联律、P波传导阻滞等心律失常[56]。对于失重时PVCs与PACs的产生，有不少学者将其归因于失重所引起的心理因素，而非失重本身[59]。但之后的研究却表明，工作负荷以及体内低钾也可能是导致PVCs与PACs的原因之一。如“阿波罗15号”2名登月航天员在月球表面活动时，在血钾过低以及高工作负荷下均出现室性期前收缩、结性二联律和房性期前收缩。其中1名航天员在返回地球21个月后出现心肌梗塞[60]。近年来的研究表明，心血管系统对失重的适应性改变可能也是引起房性、室性心律失常的重要诱因：8名男性航天员在国际空间站上长达162～196d的飞行数据证实，长期航天飞行时重力的缺失会导致心脏与血管的结构改变以及神经体液控制回路的适应性改变，这些改变会提高心律失常的产生几率，并降低返回地面后降低心血管系统处理重力应力的能力。除了影响PVCs、PACs外，长期失重时人体心脏还会产生QT间期延长的现象。Mitchell等经研究发现5～10d的短期航天飞行中，11名航天员的QT间期并未发生显著变化，在9～30d内才出现了QT间期延长现象[62]。Anzai等也指出长期的航天飞行会导致心脏QT间期延长[63]。D''''Aunno等经研究发现在“和平号”空间站与国际空间站上的长期航天飞行中，24%的航天员的QT间期超过了0.45，这充分说明在长期的航天飞行过程中心室肌细胞的去极化过程已经发生变化[64]。引起QT间期延长可能原因：在长期航天飞行中，心动过缓的发生几率更高，这直接导致了QT间期的延长；其次，长期的航天飞行会导致植物神经系统的改变（如迷走神经紧张度过高）[65]，这对QT间期存在着较大影响；此外，心脏结构的变化[66]也可能是引起QT间期延长的原因。除了PVCs、PACs与QT间期延长等，还存在其他类型的心律失常，如心动过速、短期心房纤维性颤动等，如“和平号”的长期航天飞行中，便有航天员出现过心动过速的现象（最大心率高达215min-1），究其原因可能是在于体内电解液平衡（钙、钾）紊乱，植物神经的改变以及心室重量与体积的变化[67]。航天飞行中出现心律紊乱的原因有多种，如航天员有潜在性的心脏病、血钾过低、儿茶酚胺分泌增加、迷走神经紧张度过高、心血管系统的适应性改变等。近年来针对动物的模拟失重试验表明，失重可以导致心肌缝隙连接蛋白重构，引起心脏整体电传导特性异常以及传导阻滞与微折返的形成，从而诱发心律失常[68]。但是人体是否会出现同样的现象，还有待进一步研究。

3结语与思考

随着人类载人航天活动的日益频繁，研究失重对人体心脏及血管功能的影响越来越重要。首先，如航天飞行中失重引起的立位耐力以及有氧运动能力降低，对于航天员的健康及工作效率的影响非常显著，因此有必要提出新的、有效的应对措施。其次，失重引起的人体植物神经的变化直接对心脏与血管的功能造成影响，具体的机理还有待深入研究。最后，失重引起的心律失常会严重影响航天员的健康及航天任务的顺利完成，因此应关注失重时心律失常的产生机理以及应对措施。总之，更加深入地、定量地研究失重对人体心血管系统的影响，对于提高人体对失重的适应性，以及由失重回到正常重力条件后的恢复有着较重要的意义。

作者：王汉青朱辉单位：湖南工业大学土木工程学院中南大学能源科学与工程学院