自适应梯度加压裤性能试验研究

Experimental Study on Performance of an Adaptive Gradient Anti-G Suit

摘要: 针对当前抗荷服压力制度单一等问题，研制了一种自适应梯度加压裤。该加压裤在超重过载环境超过设定阈值时自动加压，充气压力与加速度呈正相关，且腰、大腿、小腿部位气囊压力呈梯度变化。基于载人离心机模拟的峰值为5 G的类Apollo返回再入过载环境，5名志愿者分别进行了着加压裤不加压、着加压裤加压2种工况下的试验，试验中监测志愿者心率、血氧饱和度、血压等生理信息并问询主观感受。5名志愿者均耐受本文的过载环境，试验中志愿者心率升高、血氧饱和度降低，试验前后血压无明显变化。研究表明该加压裤具有自适应加压、梯度加压功能，志愿者主观感受及生理响应表明加压裤具有防护效果。

Abstract: To improve the performance of the anti-G suit, a kind of adaptive gradient anti-G suit was developed. The anti-G suit is automatically pressurized when the overload exceeds the default threshold, and the inflation pressure is positively correlated with the acceleration, and the pressure of the waist, thigh and lower leg air bags changes in a gradient. Based on the Apollo re-entry overload environment with a peak value of 5 G simulated by manned centrifuge, 5 volunteers were tested under two conditions of wearing anti-G suit without pressurization and pressurized, respectively. In the test, physiological information such as heart rate, blood oxygen saturation and blood pressure of volunteers were monitored and subjective feelings were recorded. All the 5 volunteers tolerated the overload environment in this study. During the experiment, the heart rate of the volunteers increased, the blood oxygen saturation decreased, and the blood pressure did not change significantly before and after the experiment. The research shows that the anti-G suit can realize the functions of adaptive pressurization and gradient pressurization. The subjective feeling and physiological effect of volunteers show that the anti-G suit has protective effect.

1. 引言

超重(持续性加速度)环境是航空航天活动中一种普遍的航天动力学因素。现代高性能战斗机具有良好的机动能力，但同时飞行员所遭受的超重环境愈发严重，呈现出加速度载荷峰值高、持续时间长的特点[1]，这可能会导致乘员缺氧，进而引起认知能力的下降等问题[2] [3]。载人航天探索中，返回舱从近地轨道返回时，乘员必然经历持续性的加速度过载环境。特别是探月活动中，返回舱从近月轨道返回地球，相比近地轨道返回时其具有更高的速度(约11.2 km/s)，一般采用半弹道跳跃式方式来减速，该过程中返回舱将经历高峰值、长时间的超重环境[4] [5]。持续性的加速度暴露会对乘员生理状态、工作效能等产生不利影响，甚至威胁乘员生命健康。航空环境中+Gz是主要的过载环境，持续高+Gz暴露会引起人体头部供血不足、大脑缺氧，进而导致乘员出现灰视、甚至意识丧失等问题[6]-[8]。航天活动中航天器发射和返回时，乘员主要承受+Gx过载环境，持续高+Gx暴露会对人体呼吸系统等产生影响，引起乘员呼吸困难和胸痛等[9]。因此，需要采取适当的措施减轻持续性过载环境对乘员的不利影响，进而提高乘员的抗荷耐力。

当前持续性加速度防护的主要措施有以下几种[10] [11]，穿戴抗荷装备(如抗荷服等)、采用抗荷动作、提高乘员抗荷耐力等。其中，抗荷服因效果显著且作用持久而成为乘员个体防护装备的重要组成部分[12] [13]。抗荷服的主要功能为阻止和减少正加速度对心血管系统的最初作用并延迟其作用效应，其基本原理是向人体下肢和腹部施加机械压力，以促进下肢和腹部的血液回流并限制和减轻上半身的血液转移，从而减少超重环境对人体心血管系统的不良影响，实现抗荷目的[13] [14]。抗荷服作为一种典型的人–机–环工程产品，对其研究重点逐渐向人机工效性能方面转变，以使乘员有效、安全、舒适地工作[12]。张毅等[14]对比了绳索拉紧式和充气式抗荷服对下体负压耐力的影响，高原等[15]则探讨了不同覆盖面积抗荷服对心血管功能的影响。

当前大多数抗荷服的启动由其所受到的过载环境控制，且各个部位的气囊压力相同，抗荷服工作时压力制度较为单一。据此，本文设计了一种自适应梯度加压裤，当超重过载超过设定的阈值时加压裤便自动启动，充气压力与加速度呈正相关，且不同部位气囊压力呈梯度变化，以增强对乘员的保护并提高穿着舒适性，避免低过载时抗荷服过度加压带来的乘员不舒适等问题。基于载人离心机志愿者试验，本文对该加压裤的加压性能及防护效果进行了研究，为该类型加压裤的改进提供理论依据。

2. 自适应梯度加压裤

本文中的自适应梯度加压裤为基于课题组相关专利[16] [17]而研制的新型抗荷服，如图1所示，其配备有加速度传感器，以压缩空气为压力源。该加压裤具有自适应加压、梯度加压功能，当加压裤所处的过载环境超过设定的加速度阈值后便触发其开始自动加压，且加压裤内的充气压力与加速度呈正相关，以避免低过载时抗荷服过度加压带来的乘员不舒适等问题，进而增强对乘员的保护并提高穿着舒适性。

该加压裤由腰部、右大腿、左大腿、右小腿、左小腿等5个部位的气囊、相关管路以及控制系统等组成。当乘员处于加速度过载作用时，加速度传感器获得加速度参数，并将该信号输入到控制器中，控制器将加速度信号转换为相应的电信号，且分别输出至各个压力比例阀及电磁换向阀中，从而控制气源输入使各部位气囊获得相应压力。控制系统能够根据加速度传感器检测信号，实时调整各个气囊压力大小，以确保腰部、大腿、小腿部位处的气囊压力呈现梯度变化。

试验时，加压速率为加速度每增加1 G压力升高10 kPa；腰部、大腿、小腿处气囊的压力依次递减，压力梯度为5 kPa。

Figure 1. Photos of the adaptive gradient anti-G suit. (a) Before wearing; (b) Wearing condition

图1. 抗荷服实物图。(a) 穿着前；(b) 穿着状态

3. 加压裤性能试验

3.1. 志愿者

共招募5名志愿者，全部为男性，志愿者年龄34.0 ± 10.0岁、身高175.0 ± 2.6cm、体重73.2 ± 3.6kg。本次试验在中国航天员科研训练中心实施，试验前为所有志愿者充分讲解了试验内容，试验前、后均对志愿者进行了医学检查及确认。

3.2. 超重环境

超重过载环境由中国航天员科研训练中心98型载人离心机模拟生成。依据Apollo任务实践经验，将Apollo再入过载曲线作为典型过载环境。采用Apollo 10任务数据代表高速再入返回“不跳出”大气层的情况[5] [18]，其第一次再入过载峰值约6.5 G，在大气层内跳跃后第二次过载峰值约4.5 G。为保证志愿者安全，按照Apollo 10号再入曲线加速度变化规律，设计峰值加速度为5 G的测试曲线，如图2所示，并保持双峰脉宽及总时间一致，代表再入模拟试验过载环境。试验过程中志愿者坐卧于航天座椅内，头部贴紧座椅头靠，腿部置于脚踏平板上，利用座椅上的多点式安全带和束腿对志愿者上肢、腿部进行有效约束，如图2(b)所示。

Figure 2. Overlord environment simulated by human centrifuge. (a) Designed acceleration curve; (b) Schematic diagram of volunteer posture

图2. 离心机超重试验环境。(a) 设计的加速度曲线；(b) 人体姿态示意图

3.3. 试验设计

试验分为对照组、试验组，试验设计如表1所示。5名志愿者先穿着加压裤但不加压进行对照组试验，对照组试验结束后志愿者休息一定时间，再穿着加压裤且加压进行试验组试验，详细试验流程如图3所示。试验过程中利用遥测中央监护系统(厂家：NIHON KOHDEN，型号：WEP-5208C)监测志愿者的心率、血氧饱和度、收缩压、舒张压等生理信息。另外每次试验后问询志愿者主观感受并评分[19]：无明显不适，5分；胸部稍有压迫感，呼吸稍困难，4分；胸部压迫感明显，呼吸困难，3分；呼吸困难明显，轻度胸痛，轻度眩晕、头痛，2分；胸痛剧烈，恶心、呕吐，虚脱，晕厥等，1分。试验过程中当出现异常情况时中止试验。

3.4. 数据处理方法

志愿者试验数据以$\overline{x}\pm s$ 表示，采用配对t检验对不同状态下的差异进行分析，以P < 0.05作为显著性差异的界限。

Table 1. Experimental design table

表1. 试验设计表

序号	试验组别	志愿者数量	过载环境			自适应梯度加压裤
			过载类型	峰值	姿态
1	对照组	5	Apollo再入过载	+5Gx	卧姿	穿着、不加压
2	试验组					穿着、加压

Figure 3. Experimental flow chart

图3. 试验流程图

4. 试验结果及分析

4.1. 加压裤加压性能

图4为加压裤自带传感器实测加速度及各部位实测压力曲线，因加压裤各部位气囊压力存在一定波动，采用5点快速傅里叶变换(FFT)对实测压力原始数据进行了平滑处理，所用软件为OriginPro 8.5。图中各部位压力曲线与加速度曲线对应关系良好、变化趋势一致，表明加压裤压力随加速度变化而变化，加压裤具有自适应功能。加压裤各部位压力在加速度达到峰值时达到最大值，其中腰部压力最大值为45.9 kPa，右大腿、左大腿部位压力最大值分别为41.0 kPa、40.4 kPa，右小腿、左小腿部位压力最大值分别为32.0 kPa、30.4 kPa，腰部、大腿、小腿部位压力最大值依次梯度降低，表明加压裤具有梯度加压功能。

Figure 4. Measured acceleration and pressure by the adaptive gradient anti-G suit. (a) Waist; (b) Thigh; (c) Lower leg

图4. 加压裤自带传感器实测加速度及各部位实测压力曲线。(a) 腰部；(b) 大腿部位；(c) 小腿部位

4.2. 志愿者主观感受

志愿者主观感受统计如表2所示，对照组与试验组主观评分间无显著性差异(P = 0.374)。对照组中加压裤不加压时，5名志愿者中有1人表示呼吸稍有困难、其余4人皆无明显不适。试验组中加压裤加压工作后，5名志愿者皆表示无明显不适，整体感觉更轻松、有明显的防护效果，其中2名志愿者表示腿部防护效果较好、1名志愿者表示双脚麻木感明显减轻、1名志愿者表示加压频次和压力大小随过载增大而有显著增加、另有1名志愿者表示包裹贴合感明显。对比对照组、试验组中志愿者主观感受，表明该加压裤具有一定防护效果，提高了志愿者对超重的耐受性。

4.3. 志愿者生理响应

4.3.1. 心率

试验过程中志愿者心率变化情况如表3、图5所示，志愿者心率都随着加速度增加而升高，在超重过载第一峰值时心率达到最大。两组试验中，志愿者在第一峰值、第二峰值时的心率均比各组基础值显著增高，停止时心率与基础值相比无显著性差异。两组试验中以试验前所测心率为基础值，得到心率变化量以表示超重因素导致的心率变化，如图5(b)所示。第二峰值时，试验组心率变化量较对照组下降约4.4 ± 5.7 min⁻¹，但差异无统计学意义(P = 0.161)；心率变化量在第一峰值(P = 0.753)、停止(P = 0.812)时也无显著性差异。

Table 2. Subjective feeling of volunteer

表2. 志愿者主观感受统计表

志愿者	对照组评分	试验组评分	主观描述
M1	5	5	对照组：出舱即刻感觉略有恶心、头晕 试验组：加压后比不加压感觉更轻松
M2	5	5	试验组：加压状态感觉更轻松，腿部防护效果较好
M3	5	5	试验组：加压后腿部对抗效果明显，设备加压频次和压力大小随过载增大而有显著增加
M4	4	5	对照组：呼吸稍有困难 试验组：包裹贴合感明显，抗荷有效果
M5	5	5	试验组：加压后感觉防护效果较明显，双脚麻木感明显减轻
均值	4.8 ± 0.4	5.0 ± 0.0	/

Table 3. Heart rate of volunteer (times/minute)

表3. 志愿者心率(次/分钟)

心率	对照组				试验组
	基础值	第一峰值	第二峰值	停止	基础值	第一峰值	第二峰值	停止
均值	63.8 ± 15.6	78.2 ± 12.9^a	78.0 ± 6.7^a	67.4 ± 6.2	63.2 ± 7.2	79.2 ± 7.9^a	73.0 ± 6.9 ^a	67.6 ± 7.0
变化量	/	14.4 ± 9.4	14.2 ± 9.7	3.6 ± 10.5	/	16.0 ± 8.5	9.8 ± 6.1	4.4 ± 5.6

^aP < 0.05，与各组基础值相比较。

Figure 5. Heart rate and its variation of volunteer

图5. 志愿者心率及其变化量

4.3.2. 血氧饱和度

试验过程中志愿者的血氧饱和度变化情况如表4、图6所示，志愿者血氧饱和度呈降低趋势。对照组中，第二峰值(P = 0.034)与停止(P = 0.016)时血氧饱和度较基础值显著下降；试验组中，第二峰值(P = 0.041)与停止(P = 0.012)时血氧饱和度较基础值也显著下降。

两组试验中以试验前所测血氧饱和度为基础值，得到血氧饱和度变化量以表示超重因素或加压裤防护导致的血氧饱和度变化。试验组与对照组的血氧饱和度变化量在第一峰值(P = 0.535)、第二峰值(P = 0.930)、停止(P = 0.151)时均无显著性差异。

Table 4. Oxygen saturation of volunteer (%)

表4. 志愿者血氧饱和度(%)

血氧 饱和度	对照组				试验组
	基础值	第一峰值	第二峰值	停止	基础值	第一峰值	第二峰值	停止
均值	97.0 ± 1.6	94.4 ± 4.3	93.6 ± 2.3^a	95.4 ± 1.1^a	97.2 ± 1.3	95.8 ± 3.0	93.6 ± 2.3 ^a	93.4 ± 2.4^a
变化量	/	−2.6 ± 4.3	−3.4 ± 2.4	−1.6 ± 0.9	/	−1.4 ± 4.0	−3.6 ± 2.7	−3.8 ± 1.9

^aP < 0.05，与各组基础值相比较。

Figure 6. Oxygen saturation and its variation of volunteer

图6. 志愿者血氧饱和度及其变化量

4.3.3. 血压

试验前后志愿者血压变化情况如表5、图7所示。对照组、试验组中试验前后志愿者收缩压、舒张压均无明显变化。两组试验中以试验前所测血压为基础值，得到血压变化量以表示超重因素或加压裤防护导致的血压变化，试验组与对照组的收缩压变化量(P = 0.696)、舒张压变化量(P = 0.216)均无明显变化。

Table 5. Blood pressure of volunteer (mmHg)

表5. 志愿者血压(mmHg)

血压	对照组				试验组
	基础值	第一峰值	第二峰值	停止	基础值	第一峰值	第二峰值	停止
均值	119.4 ± 13.4	117.4 ± 14.2	118.2 ± 12.9	117.8 ± 5.1	72.8 ± 15.0	72.4 ± 12.0	73.8 ± 7.0	70.6 ± 4.6
变化量	/	−2.0 ± 9.9	/	−0.4 ± 8.8	/	−0.4 ± 3.9	/	−3.2 ± 5.8

Figure 7. Blood pressure and its variation of volunteer

图7. 志愿者血压及其变化量

5. 讨论

加压裤自带传感器实测加速度曲线(图4)与设计输入的加速度曲线(图2(a))存在一定差异，实测值时间偏长、峰值偏低，这主要是由传感器安装位置不同和离心机性能引起的。受限于离心机性能，其可测量并受控的Gx向加速度信号需大于1.4 G [20]，而模拟的过载曲线部分加速度数据低于此数值，因而在离心机启动、停止等加速度较小的阶段，其实际运行加速度难以精确控制。

有研究认为心率与G值呈显著正相关[21]，正加速度暴露会导致人体交感神经张力增大，进而显著影响心率[8]。本试验中也观察到志愿者心率(图5)与过载环境(图2(a))存在相关性，志愿者心率在加速度第一峰值时达到最大，随后呈下降趋势。加速度第二峰值时，试验组心率变化量较对照组下降约4.4 ± 5.72 min⁻¹，表明加压裤对减轻上半身的血液转移，保证心肺血液量有一定的防护效果。停止时心率与基础值相比无显著性差异，可能是过载量级较小[19]且志愿者处于静卧状态，生理响应不明显。试验前后，志愿者血压无明显变化，该结果与孙浩等[19] [20]人的研究结果相同，可能是第二峰值后加速度逐渐下降且志愿者处于静卧状态，试验结束时血压已恢复至试验前水平。

未来随着技术的发展可对乘员进行实时多指标生理监测及身体状态综合判断预警[22]，当乘员生理指标异常时便触发抗荷服工作为乘员提供保护，且为乘员提供个性化的压力制度，以实现抗荷防护与乘员之间的高度适配、按需防护。

6. 结论

1) 设计并研制了一种自适应梯度加压裤，当加压裤所处的过载环境超过设定的加速度阈值后便触发其自动加压、压力值与加速度呈正相关，且腰、大腿、小腿部位气囊压力呈梯度变化。

2) 基于载人离心机志愿者试验，验证了该加压裤具有自适应加压、梯度加压功能。志愿者主观感受及生理响应表明该加压裤具有防护效果，且能够提升穿戴舒适性、避免低过载时过度加压。

3) 超重过载环境会引起心率上升、血氧饱和度下降。

基金项目

自主科研基金项目(HQKY2201)。

NOTES

^*通讯作者。