空降兵作为以空中机动方式遂行作战任务的全域快速反应部队,在现代化立体战争中发挥着重要的作用,但随着当今作战形式和背景的变化,空降兵伞降训练难度增大,并且跳伞危险性大,应激程度高。 而目前对于应激程度的评价缺乏公认且便捷的标准。 应激首先会激活个体的自主神经系统,表现为交感神经兴奋性增强和迷走神经(副交感神经)兴奋性减弱。当身体感知到危险或压力时,交感神经系统被激活,导致肾上腺素和去甲肾上腺素的分泌增加,从而在短时间内出现心率加快、 血压升高、 血糖增加等一系列生理变化,使身体更好地应对外界的挑战,也被称为 “战斗或逃跑” 反应。 应激反应不仅由应激源引起,还与个体对应激源的认识、 个体处理应激事件的经验等有关[1]。 过度的应激会对身体多系统产生不利影响,引发多种躯体问题和疾病。 对伞降兵的心理应激水平进行实时监测对于其选拔、 训练和作战效能提升都具有重要意义。心率的快慢是交感神经和副交感神经交互作用的结果,但其无法区分交感神经和副交感神经的相对活动。 目前,心率变异性( heart rate variability, HRV)分析被广泛用作评估自主神经功能[2]。

HRV是指逐次心搏之间的变异程度,通常采用24 h动态心电图来评估。 在心电图上,一个完整的心动周期包括P波、Q波、R波、S波和T波。 由于R波为QRS波群中幅值最大的波,因此常用RR间期,即两个R波之间的间隔来反映两个连续心跳之间的间隔。HRV分析方法包括时域分析、 频域分析和非线性动力学分析法。 其中,时域分析法和频域分析法理论成熟,各项指标意义明确,常用来对交感和副交感神经各自的活性进行判断[3]。时域分析是通过统计学方法计算连续正常的QRS波群间隔或通过测定任何特定时间点的心率来进行,是评价心率变化最简单的方法之一。 为了确定瞬时心率或正常到正常间期(由于窦房结去极化引起的QRS波群间期),需要在连续心电图中识别QRS波群。 其主要 指 标 有RR间 期、RR间 期 的 平 均 值( averageRR)、RR间期的中值(median RR)、RR间期的标准差与平均RR间期的比值(coefficient of variation of R-Rintervals, CVRR)、 连续相邻RR间期差值的标准差(standard deviation of differences between adjacent NNintervals, SDSD)、 正常RR间期的标准差( standarddeviation of NN intervals, SDNN)、 连续正常RR间期差值的均方根( root mean square of successive differences,rMSSD)和相差>50 ms的相邻RR间期占RR间期总数的百分比( percentage of RR intervals that differ by50 ms, pNN50)等[4]。 这些指标可以反映自主神经对心脏的调节作用,从而评估应激水平。 频域分析是从频谱的角度来分析心率变化的规律,它与时域分析既有相关性,又能揭示出心率更加复杂的变化规律。 其主要 指 标 有 极 低 频 功 率( very low frequency power,VLF)、 低频功率( low frequency power, LF)、 高频功率(high frequency power, HF)以及低频与高频功率之比(LF / HF)等[4]。 其中LF和HF分别被用作交感神经和副交感神经功能的单独指标[5]。空降兵伞降有高跳高开和高跳低开两种伞降战术。

在进行紧急救援、 特种部队的空降作战,或在限制空间内进行着陆的特殊任务中,高跳低开的伞降模式可以减少空中滞留时间,使降落点更加集中,从而确保空降兵可以迅速到达目标地点。 但高跳低开的开伞模式在未开伞前速度快,风力大,危险性相对更高。 风洞是以人工的方式产生并且控制气流的一种实验设备,可以用于伞降训练,模拟空中高速降落状态。风洞产生向上的气流,伞降人员悬浮在空中并作出各种高难度动作,伞降人员在这个过程中要进行姿势的控制。 因此,本研究旨在通过风洞实验模拟伞降人员高跳低开模式下的快速降落过程,监测该过程中伞降人员心率等基本生理参数与HRV的变化,并探讨HRV作为生理性应激评价指标应用于伞降过程中的可行性。

1、对象与方法

1. 1对象选择

中翔跳伞俱乐部8名健康男性跳伞教练,年龄20 ~ 35 (平均25. 8)岁。 受试者个人基本信息如表1,所有受试者均自愿参加实验并签署知情同意书。

表1伞降人员个人信息表

1. 2方法

1. 2. 1数据采集方法

实验环境为风洞,以风洞模拟高空伞降过程中的气流吹袭状态。 实验过程按照自身前后对照的原则,采用单盲试验。 实验开始前,被试者需穿戴好Equivital穿戴式生理采集传感器(深圳赋远科技有限公司),插入SEM传感器模块,检测无线生理遥测设备的记录良好及完整性。 并穿好伞降防寒服,携带供氧装备,模拟高空伞降过程。 随后进入风洞,进行10 min的风洞吹袭,整个实验过程被试者保持平稳呼吸。 主试人员通过无线遥测采集生理参数,记录被试人员从进入风洞前直至实验结束全过程生理机能变化。

1. 2. 2 HRV相关指标分析

1. 2. 2. 1时域分析指标

RR间期:两次心跳之间的时间间隔,即心电图上两个相邻QRS波群中R波和R波之间的距离,单位ms。 一段时间内的RR间期可用于评估心率变化的总体水平。average RR: RR间期的平均值,单位ms,可评估自主神经活动的平均水平[6]。Average RR=RR=∑Ni= 1RRiN( )SDNN: RR间期的标准差,单位ms,衡量RR间期整体变异性,评估交感神经和副交感神经的活动,主要反映副交感神经的活动[7]。SDNN=1N∑Ni = 1(RRi-RR)2CVRR: RR间期的标准差与平均RR间期的比值,通常被认为是副交感神经的评估指标[8]。CVRR=SDNNAverage RRSDSD:连续相邻RR间期差值的标准差,单位ms。SDSD=1N - 1∑N-1i = 1[(RRi +1- RRi) - (RRi +1- RRi)]2rMSSD:相邻正常RR间期差值的均方根,单位ms,主要评估副交感神经的活动[9]。rMSSD=1N - 1∑N-1i = 1(RRi +1- RRi)2pNN50:相差>50 ms的相邻RR间期占RR间期总数的百分比,反映副交感神经的活动[10]。pNN50=NN50N-1×100%

1. 2. 2. 2频域分析指标

VLF频段0 ~ 0. 04 Hz,反映交感神经的活动[11]。LF频段0. 04 ~ 0. 15 Hz,受交感神经和副交感神经共同活动的影响,主要反映交感神经的活动[10]。HF频段0. 15 ~ 0. 40 Hz,反映副交感神经的活动[10]。LF / HF反映心交感、 迷走神经活动的均衡性[10]。

1. 2. 3统计学分析

用LabChart数据分析软件对原始心电图数据进行预分析,采用GraphPad Prism 6. 01分析软件进行差异性分析。 选取地面静息状态和空中飞行状态下信号平稳的5 min数据,去掉离群值后(图1)对心率、 血氧饱和度( blood oxygen saturation,SpO2 )以及HRV时域和频域相关参数进行统计分析;对实验开始时和实验进行15 min后伞降人员的体温进行统计分析。P<0. 05表示差异有统计学意义。 实验设计 属 于 自 身 对 照,两 组 别 之 间 的 数 据 采 用 配对t检验。

图1 RR检测点规类图

2、结果

2. 1伞降人员在模拟伞降过程中基本生理参数发生变化

对伞降人员在地面静息状态和空中飞行状态的心率与SpO2分析发现,相对于地面静息状态,在空中飞行时,伞降人员的心率显著升高(P<0. 01,图2~3, 4A),SpO2显著降低(P<0. 01,图4B)。 在地面静息状态与空中飞行过程中均未检测到心律失常现象。 由于伞降防寒服保暖性较好,且实验所处外界环境温度较高,在实验进行15 min后,伞降人员体温显著升高(图4C)。

图2地面静息状态下伞降人员心电图

图3空中飞行状态下伞降人员心电图

图4伞降人员在地面静息状态和空中飞行状态下基本生理参数的变化

2. 2伞降人员在模拟伞降过程中HRV时域相关参数发生变化

对HRV时域相关指标分析发现,相对于地面静息状态,在飞行状态下,伞降人员的RR间期、averageRR和median RR均显著降低(P<0. 01,图5A ~ C),表明其心率变化总体加快;而SDNN、CVRR、SDSD、rMSSD和pNN50也 显 著 降 低( P < 0. 01, P < 0. 05,图5D~ H),表明飞行状态下副交感神经活性减弱。A~ H:地面静息状态和空中飞行状态下伞降人员RR间期变化、RR间期平均值、RR间期中值、SDNN、CVRR、SDSD、rMSSD和pNN50统计图。average RR:平均RR间期; median RR: RR间期的中值; SDNN: RR间期的标准差; CVRR: RR间期的标准差与平均RR间期的比值; SDSD:连续相邻RR间期差值的标准差; rMSSD:相邻正常RR间期差值的均方根; pNN50:相差>50 ms的相邻RR间期占RR间期总数的百分比; HRV:心率变异性。n = 8。aP<0. 05,bP<0. 01。

图5伞降人员在地面静息状态和空中飞行状态下HRV时域参数的变化

2. 3伞降人员在模拟伞降过程中HRV频域相关参数发生变化

对HRV频域相关指标分析发现,相对于地面静息状态,在飞行状态下,伞降人员VLF和LF均显著降低, HF有下降趋势,但差异不显著(P= 0. 060 9),而LF / HF显著升高(P<0. 05,图6A~ D),表明在模拟伞降过程中应激程度增加,交感神经调节占据了优势。 总体而言,伞降过程中伞降人员应激水平升高,HRV增加。 伞降对心血管自主神经系统应激调节产生影响,伞降过程中交感神经活性增强,迷走神经活性减弱,自主 神 经 功 能 向 交 感 神 经 调 节 占 优 势发展。A~D:地面静息状态和空中飞行状态下伞降人员VLF、LF、HF和LF/ HF变化统计图。VLF:极低频功率; LF:低频功率; HF:高频功率; HRV:心率变异性。n = 8。aP<0. 05。

图6伞降人员在地面静息状态和空中飞行状态下HRV频域参数的变化

3、讨论

在航空领域,应激会损害人的认知能力,导致注意力受损、 反应时间减慢、 警觉性和解决问题的能力降低以及记忆力受损[12],对飞行安全与作战效能产生不利影响。 此外,研究发现暴露于飞行应激的长期影响还包括创伤后应激障碍、 焦虑障碍、 抑郁、 背痛和颈部疼痛等[13]。 在军事环境中,应激问题更为突出,军事人员需经过严格选拔和训练以在各种压力状况下保持出色的决策能力、 情境意识以及身体素质。 为了确保飞行员的安全,避免危急状况的发生,及时发现由于应激和过度精神负荷导致的飞行员心理生理状态的变化至关重要。 在以往的研究中,可以运用多种方法对应激和精神负荷进行综合评估,主要包括调查问卷和自我评估、 性能评估以及客观评估[14]。调查问卷和自我评估是通过各种等级量表进行评估。 美国航空航天局任务负荷指数量表因其简单性和可靠性而成为最常用的自我评估方法。 此外还有主观负荷评估技术量表,修正的库柏哈柏量表,以及定制的非结构化问卷。 非结构化问卷主要是询问军事人员在执行特定任务期间感知到的焦虑、 压力、 紧张和疲劳[15 16]。 由于这些量表不能提供实时数据,无法反映单一或短期刺激的影响,并且可能存在主观因素的影响,因此它们也常与生理信号参数结合起来进行多方法综合评估。性能评估主要是通过飞行员遵循指示的严格程度来对执行任务的精读和准确性进行评估,如机动误差指数和视觉 听觉 认知 精神运动模型[17]。 性能评估通常被用作自我和客观评估的补充工具。客观评估是基于军事人员执行任务时心理生理的变化进行的评估,自主神经调节和激素调节在其中发挥了关键作用,可以通过生理信号的采集进行监测。目前研究最多的是应激对心脏活动的影响,心率和HRV变化是其主要特征。 而由于HRV的时域、 频域和非线性特征, HRV是研究最多的应激评估指标。 另一个与心脏活动相关的指标是血压,也有研究采用了血压作为监测指标[18]。

由于自主神经对心肺活动的调节作用,呼吸频率、 肺活量和SpO2也是感兴趣的指标[16,19]。 皮肤电活动,也称为皮肤电反应或皮肤电阻,是受自主神经影响的另一项指标。 其中汗腺活动受交感神经的调节,它不仅可以维持体温调节,还参与情绪唤醒和应激反应的调节[20]。 皮肤电活动通常用于情绪状态的评估。 皮肤温度是一种传统的压力评估方法[21],也被用于航空领域。 皮肤温度可以用热敏电阻、 热成像仪或红外线测温仪进行测量。 有研究通过皮肤温度传感器检测了受试者手臂的平均皮肤温度,此外,作者还检测了皮肤电阻以及心脏、 呼吸和肌肉活动等指标。 但在后续的优化多模态特征分析中,平均温度由于相关性不高而被排除在外[19]。 自主神经功能还会影响瞳孔的变化,因此在执行任务期间对瞳孔的测量也是对眼动评估的一部分,其受注意力、 焦虑、 工作量和压力等因素的影响[22]。 大脑活动在应激反应中具有特征性。 在飞行场景中,不同脑区信号会被激活,可以通过脑电图或近红外光谱进行检测[23]。但大脑活动本身已非常复杂,运动伪影和头盔的使用可能会增加生理信号记录的复杂性,难以实现高精度,因此有必要进一步完善硬件。 此外,应激反应对肌肉力量和运动有直接影响。 例如,“战斗或逃跑”反应使身体表现超群,而恐惧或注意力集中时身体普遍不动。 肌电图可以反映肌肉状况和力量的信息[19]。对血液、 唾液和尿液等体液进行实验室分析也可以反映应激反应和自主神经激活的相关信息,但这些指标只能在执行任务后进行分析。在上述方法中,只有客观评估可以对应激反应进行实时监测,比如电生理信号的采集,但目前在航空领域仍没有得到有效的应用。HRV对与应激相关的自主神经活动变化很敏感,是目前研究最多并在临床上应用的应激相关检测指标。 与HRV变化相关的因素是副交感神经活性降低,其特征是LF降低和HF增加[2]。

本研究提示心率和HRV相关指标可作为评价应激程度的生理性指标,在伞降过程中对伞降人员的心理应激水平进行实时监测,其对于保障伞降人员心理健康与任务实施的安全等具有重要意义。 在训练、选拔过程中,通过对伞降人员心理应激水平的实时监测,可以收集有关伞降人员心理素质的数据,为制定更加科学、 合理的训练和选拔方案提供依据。 这有助于提高伞降人员的心理素质,提升整体战斗力。 心率检测也可以及时发现心律失常风险,预防伞降过程中可能出现的心律失常事件。

在执行任务时,实时监测伞降人员的心理应激水平有助于及时发现和预警可能出现的心理异常,如恐慌、 焦虑等。 一旦发现异常,可以立即采取措施进行干预,提高其应对突发状况的能力,避免因心理因素导致的意外事故。 这有助于提高伞降任务的成功率,确保任务目标的实现。 在任务结束后,对心理应激水平的监测和评估还可以为伞降人员心理康复和心理疏导提供依据。 此外, HRV的监测易实现自动化,基于HRV反映心理应激的实时性与可操作性,其有望作为应激评价指标在伞降、 作战行动、 长航时飞行等多种军事任务中得到应用[24]。本研究也存在一些不足。 首先,本研究对被试人员的呼吸控制不足,无法排除呼吸深度与频率对自主神经平衡的影响。 其次,本研究样本量较少,虽然HRV可以有效地反映应激程度,但单一的生理指标较为单薄,结合多种生理信号(如脑电、 肌电信号)进行建模有望量化相关生理参数与应激程度的对应关系。 此外,在应激条件下,交感神经兴奋性增加会导致肾上腺素和去甲肾上腺素分泌增加,以及血浆中儿茶酚胺升高。 本研究以可实时监测的无创性生理指标为检测指标,故未对实验人员血液样本中的相关指标进行检测。 最后,在风洞中获得的实验数据与实际伞降过程可能存在一定差异。 因此,我们下一步计划进行机上跳伞实验,并对HRV作为伞降应激评价指标的可靠性进一步验证。

参考文献:

[1]周悦,王超贤,吴迪,等.工作记忆训练对飞行情境意识提升的实证研究[J].空军军医大学学报, 2023, 44(2): 151 155.

[17]张楠兮,王鑫,李志忠,等.一种船舶任务的脑力负荷预测方法[J].工业工程与管理, 2023, 28(6): 14 24.

[24]杨菁华,程珊,孙继成,等.飞行任务负荷下疲劳的监测及干预措施浅析[J].空军军医大学学报, 2022, 43(2): 82 85.

基金资助:陕西省重点研发项目(2023-YBSF-195);军队后勤应用基础研究重大项目(AKJ18J001);

文章来源:陈祥宁,许文超,余志斌,等.伞降人员在风洞模拟伞降过程中心率与心率变异性的变化[J].空军军医大学学报,2025,46(01):46-51.