【摘要】 目的 本实验利用头低位卧床模拟失重，通过观察和比较30 d卧床期间不同体育锻炼方式对心脏收缩泵血功能的影响，旨在进一步明确体育锻炼对失重后心脏功能变化的对抗效果，为制定我国载人航天时航天员失重对抗方案提供实验依据。方法 15名男性健康被试者，随机分为对照组、下肢肌力训练组和自行车功率计训练组3组，每组5人。对照组仅-6° HDT卧床30 d，不进行任何处理，下肢肌力训练组和自行车功率计训练组在30 d卧床期间分别进行下肢肌力训练和自行车功率计训练。实验期间测量心脏收缩泵血功能的变化。 结果 对照组左室射血时间在卧床第22、26天较卧床前显著降低(P<0.05)，射血分数在第26天显著性降低(P<0.05)，每搏量、心输出量在第1天显著降低(P<0.05)。下肢肌力训练组左室射血时间在卧床期间较卧床前均显著降低(P<0.05)，每搏量除第5、7天外均显著降低(P<0.05)，心输出量在第1、30天显著降低(P<0.05)。自行车功率计训练组心脏收缩功能指标在卧床期间均无明显变化，每搏量、心输出量在卧床第1天较卧床前显著降低(P<0.05)。结论 30 d头低位卧床可引起心脏收缩泵血功能下降，下肢肌力训练和自行车功率计训练可在一定程度上改善心血管功能，其中自行车功率计训练的对抗效果更佳。
【关键词】 失重模拟;头低位倾斜;卧床实验;心脏功能;对抗措施;锻炼
Effects of Lower Limb Exercise on Cardiac Function during 30 d Headdown Tilt Bed Rest.GENG Jie, SUN Xiqing, LIU Yusheng, YANG Changbin，CAO Xinsheng, ZHANG Shu, WU Bin.Space Medicine & Medical Engineering,2009,22(2):84～88
Abstract：Objective To observe and compare the effects of exercise on the cardiac function during 30 d headdown tilt (HDT) bed rest, and to see if these protocols would positively affect cardiac function. Methods Fifteen healthy male volunteers were randomly divided into control group, lower limb muscular exercise group and bicycle ergometric exercise group, with 5 in each group. The subjects in the control group only performed -6° HDT bed rest for 30 d. The subjects in the lower limb muscular exercise group performed exercise with a lower limb muscular exercise and the subjects in the bicycle ergometric exercise group performed exercise with a bicycle ergometric exercise during HDT bed rest. The cardiac systole and pump functions were measured before, during and after HDT bed rest in three groups. Results Compared with preHDT, left ventricular ejection time (LVET) decreased significantly (P<0.05) in the 22nd day and the 26th day of HDT, ejection fraction (EF) decreased (P<0.05) in the 26th day of HDT, stroke volume (SV) and cardiac output (CO) decreased (P<0.05) in the 1st day of HDT in control group. Compared with preHDT, LVET in limb muscular group decreased significantly (P<0.05) throughout HDT, SV decreased (P<0.05) in all time except the 5th day and the 7th day of HDT, CO decreased (P<0.05) in the 1st day and the 30th day of HDT. Compared with preHDT, the indexes of cardiac systole function in bicycle ergometric group had no significant changes, SV and CO decreased (P<0.05) in the 1st day of HDT. Conclusion The cardiac systole and pump functions decrease significantly during 30 d HDT bed rest. The limb muscular exercise and the bicycle ergometric exercise may improve the cardiovascular system to some extent. Further, the bicycle ergometric exercise is the better one.
Key words：weightlessness simulation; head downtilt bed rest; cardiac function; countermeasures; exercise
Address reprint requests to:SUN Xiqing. Department of Aerospace Biodynamic, Faculty of Aerospace Medicine, The Fourth Military Medical University. Xi’an Shaanxi 710032, China
失重时流体静压消失，体液头向分布会引发机体各生理系统出现一系列的适应性变化，这些变化将直接导致心血管功能失调。由于航天条件和测试方法的限制，迄今为止地面模拟实验和飞行观察的心脏功能资料尚有矛盾之处[13]，多数报道认为：心脏的缩小是由于心室容积的减小，左室心肌质量与心肌收缩功能并无明显变化[46]，但也有学者发现了失重引起心肌萎缩性改变的确切证据，此后又有不断的研究报道失重/模拟失重使心脏收缩泵血功能降低[78]。因此，失重环境中的心脏收缩泵血功能变化规律及如何对抗其变化带来的不良影响一直是航天医学研究亟待解决的重要课题。目前各国都在积极探讨失重的对抗措施, 体育锻炼是现有对抗措施的核心部分[2,910]。但是各研究的体育锻炼方案各自不同，其对抗效果也互有差别。采用何种体育锻炼方法才能够最有效地预防和对抗航天失重环境对机体的影响，仍然是航天医学所面临的主要问题之一。因此，本研究利用-6°头低位(head down tilt，HDT)卧床模拟失重，通过观察和比较30 d头低位卧床期间进行下肢肌力训练(lower limb muscular exercise)和自行车功率计训练(bicycle ergometric exercise)对心脏收缩泵血功能各项指标的影响，旨在进一步探讨体育锻炼对失重后心脏功能变化的对抗效果，为制定我国中长期载人航天飞行时航天员失重对抗方案提供实验依据。
方 法
被试者
15名男性健康志愿被试者，年龄(20.3±1.8)岁，身高(174.2±3.4)cm，体重(64.2±5.7)kg，无心、脑血管疾病及精神病史，不饮酒、咖啡、心血管药物等。将被试者随机分为对照组、下肢肌力训练组和自行车功率计训练组3组，每组5人。3组被试者的身高、体重和以往的体育锻炼经历均无明显差别。对照组仅-6° HDT卧床30 d，不进行任何处理;下肢肌力训练组和自行车功率计训练组在30 d -6° HDT卧床期间分别进行下肢肌力训练和自行车功率计训练。实验前，向被试者介绍实验过程及注意事项。
头低位倾斜卧床
卧床期间，被试者除大便和称体重外，被试者的饮食、洗漱、小便、体育锻炼以及各项测试均在头低位状态下进行，允许被试者绕身体纵轴变换体位，其24 h活动情况均被闭路电视监控。饮食由营养师按空勤人员标准配餐，不限量，每人每天配给250～500 g新鲜水果，室温控制在22～26 ℃。
下肢肌力训练
下肢肌力训练组在30 d卧床期间安排5个训练周期，每个训练周期为6 d，每个周期的第1～5天下午14∶00～17∶30进行训练，第6天休息，累计训练25 d。训练分为大腿屈伸和小腿蹬伸训练两部分。
大腿屈伸训练 被试者仰卧于-6°下肢训练器上，双手抓住训练器把柄，双侧大腿和小腿之间的夹角为60°，用力向前蹬伸踏板。大腿屈伸训练共安排5组，每组5次屈伸，每次屈伸周期为5～6 s，每组屈伸时间为25～30 s，训练负荷强度为60%～80%，组间休息时间为1 min。
小腿蹬伸训练 被试者在完成大腿屈伸训练后休息3 min，进行小腿蹬伸训练。被试者仰卧于-6°下肢训练器上，双手抓住训练器把柄，双下肢始终保持水平伸直状态，双脚前脚掌蹬在踏板上，用力向前蹬伸踏板。小腿蹬伸训练安排5组，每组10次蹬伸，每次蹬伸时间为3 s，每组蹬伸时间为30 s，训练负荷强度为60%～80%，组间休息1 min。
训练中止指标 被试者在训练期间出现难以忍受的疼痛、力竭或其它不适等情况时，终止训练。
自行车功率计训练
自行车功率计训练组训练周期同下肢肌力训练组。训练在-6°头低位自行车功率计上进行，训练强度和负荷强度见图1，踏车速度为60 r/min，训练中监测被试者的心率和血压。
训练中止指标
最大心率[(220-年龄)×75%]或者被试者力竭等不能继续运动时终止锻炼。
30天和起床后第2天的上午8时至10时用ZQⅣ型心功能检测仪(臻秦，中国)、心电机械图法和阻抗法测量心脏收缩泵血功能。心脏收缩功能指标：左室射血时间(LVET)、射血前期(PEP)、PEP/ LVET、等容收缩时间(ICT)、ICT/LVET、射血分数(EF);泵血功能指标：每搏量(SV)、心输出量(CO)、心指数(CI)、总外周阻力(TPR)。
统计分析
各项指标数据以x±sx表示。心脏收缩泵血功能指标变化率的组内比较采用重复测量方差分析处理， 组间比较采用fisher精确概率法，采用SPSS13.0统计分析软件对实验数据进行统计，以P<0.05为差别显著性界限。
结 果
心脏收缩功能变化
与卧床前相比，对照组的LVET在卧床期间趋于降低，并且在第22、26天降低达到显著水平(P<0.05)，起床后仍显著低于卧床前(P<0.05);PEP与PEP/LVET变化趋势相似，在卧床期间略有升高，PEP/LVET在第26天显著升高(P<0.05)，起床后基本恢复;ICT、ICT/LVET在卧床后期有升高趋势，并在第26天显著升高(P<0.05);EF在卧床期间趋于降低，并在第26天显著性降低(P<0.05)，起床后仍低于卧床前。
与卧床前相比，下肢肌力训练组的LVET在卧床期间显著降低(P<0.05)，起床后仍低于卧床前;PEP、PEP/LVET、ICT、ICT/LVET在卧床期间的第1～3天有所升高，EF在卧床期间的第1～3天略有降低，其它时间上述指标基本维持在卧床前水平，起床后基本恢复至卧床前水平。
与卧床前相比，卧床期间自行车功率计训练组的LVET、EF的变化趋势只在第1天与其余两组相似外，其它时间点各项指标均无明显变化。
3组之间比较，下肢肌力训练组的EF在第26天较对照组显著升高(P<0.05)，自行车功率计训练组在起床后第2天的LVET显著高于其余两组(P<0.05，图2)。
心脏泵血功能变化
与卧床前相比，第1天对照组的SV、CO显著降低(P<0.05)，CI虽然降低，但未达到显著性水平。卧床3～18 d此3项指标值略有升高， 22 d后又略低于卧床前水平，起床后基本恢复至卧床前。TPR除第1天略有升高外，其它各时间点均略低于卧床前水平。起床后各指标基本恢复至卧床前水平。图2 头低位卧床期间心脏收缩功能变化率与卧床前相比，下肢肌力训练组SV除第5天、第7天外的各时间点均显著降低(P<0.05)，CO在第1天、第5天、第30天显著降低(P<0.05)，其它时间有降低趋势;CI在卧床期间趋于降低，TPR除第1天略有升高外，其余各时间点略有升高。起床后各指标基本恢复至卧床前水平。
与卧床前相比，自行车功率计训练组的SV、CO在卧床第1天显著降低(P<0.05)，其它时间趋于降低;CI在卧床期间有降低趋势;TPR在卧床期间趋于升高，起床后仍较卧床前水平有所升高。
3组之间比较，下肢肌力训练组和自行车功率计训练组的心脏泵血功能各项指标与对照组相比均无显著性差异(图3)。
讨 论
本研究所采用的心电机械图法和阻抗法是目前应用较广泛的非创伤性心脏功能的测定方法。心电机械图法测得的心收缩功能各项指标中，LVET的长短取决于心肌纤维的缩短程度和速率，LVET越长，心功越好;PEP与心室去极化速度、心室收缩速度和心室前后负荷的大小有关;ICT是反映心室收缩速率的一个重要指标，心脏收缩力越强，单位时间内心室压力上升越快，则ICT越短;PEP/LVET比值是评定左心室功能最可靠和最敏感的指标 [11]。
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