載人航天特因環(huán)境下的睡眠質(zhì)量評價

載人航天特因環(huán)境下的睡眠質(zhì)量評價

充足有效的睡眠可以恢復(fù)精力和體力，這是維持健康的基本需要。睡眠的“量”與“質(zhì)”影響覺醒后的身體狀況與精神狀態(tài),睡眠質(zhì)量(sleepquality)是決定生活質(zhì)量的重要因素。由生理因素、環(huán)境因素等引起的睡眠問題普遍存在。時至今日,人們對睡眠發(fā)生與時相轉(zhuǎn)換的生理基礎(chǔ)、睡眠障礙的發(fā)病機(jī)理、如何徹底治愈睡眠疾病等問題仍然了解甚淺。中長期載人航天活動中,需要用藥物輔助解決的兩大難題是空間運(yùn)動病及睡眠障礙,因此如何保障航天員的睡眠質(zhì)量也是一個相當(dāng)棘手的問題。本文對睡眠質(zhì)量評價的研究現(xiàn)狀以及載人航天特因環(huán)境下的睡眠研究進(jìn)展進(jìn)行了簡述。1“慢波睡眠”的概念睡眠具有節(jié)律性、可逆性和自發(fā)性的特點。1953年,Aserinsky和Kleitman首先觀察到了睡眠周期分為非快速眼動(non-rapideyemovement,NREM)睡眠與快速眼動(rapideyemovement,REM)睡眠兩種睡眠狀態(tài),并證實做夢主要發(fā)生在REM階段。睡眠過程中NREM階段和REM階段交替進(jìn)行,整夜睡眠中發(fā)生數(shù)次輪替。非快速眼動睡眠(NREM)分為4個階段:淺睡期(NREM1)、輕睡期(NREM2)、中睡期(NREM3)、深睡期(NREM4)。深睡期也稱“慢波睡眠”(slowwavesleep,SWS),因為隨著睡眠程度的加深,腦電的頻率變慢(即“慢波”)而幅值變大(即“同步化”)。Rechtschaffen等于1968年提出的睡眠分期準(zhǔn)則被稱之為R&K準(zhǔn)則,它主要根據(jù)腦電(electroencephalogram,EEG)、眼電(electrooculography,EOG)、肌電(electromyogram,EMG)三類信號特征將睡眠分為7類間期:覺醒期(wake),S1期(stage1),S2期(stage2),S3期(stage3),S4期(stage4),快速眼動睡眠期(stageREM)與體動期(movementtime)。該準(zhǔn)則適用于健康青年人,不適用于老年人與睡眠病人。2007年美國睡眠醫(yī)學(xué)會(AmericanAcademyofSleepMedicine,AASM)在R&K準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,將S3期與S4期合并為N3期(即慢波睡眠期),摒棄了體動期睡眠定義,將睡眠分為W期(覺醒期)、N1期、N2期、N3期與R期(快速眼動睡眠期)共5期。當(dāng)前的睡眠分析軟件一般應(yīng)當(dāng)兼容R&K準(zhǔn)則與AASM準(zhǔn)則,且睡眠報告中應(yīng)當(dāng)明確給出所采用的睡眠分期準(zhǔn)則。2評價睡眠質(zhì)量的方法2.1不同疾病中睡眠質(zhì)量的變化當(dāng)前評價睡眠質(zhì)量的主要方法是睡眠情況評價表,如匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)(PittsburghSleepQualityIndex,PSQI)需要統(tǒng)計受試者1個月的睡眠情況。PSQI評估的變量包括睡眠質(zhì)量,從覺醒到入睡的過渡時間(sleeplatency),睡眠時長(sleepduration),睡眠效率(sleepefficiency),睡眠紊亂情況(sleepdisturbances),用藥情況(useofsleepmedication),次日身體機(jī)能障礙(daytimedysfunction)共7個因素,權(quán)值從0(無困難)至3(嚴(yán)重困難),最終得到的PSQI值取值范圍為0至21,PSQI值越大則睡眠質(zhì)量越差。較差的睡眠往往表現(xiàn)為總睡眠時間減少、睡眠效率降低、S1睡眠比重增加、S3與S4睡眠減少、睡眠喚醒閾值降低、睡眠時相轉(zhuǎn)換過于頻繁。穩(wěn)定的睡眠狀態(tài)往往伴隨較高的心率變異性與非循環(huán)交替模式型的腦電,而不穩(wěn)定睡眠狀態(tài)往往伴隨較低的心率變異與循環(huán)交替模式型的腦電;心率變異性高頻段強(qiáng)度與睡眠質(zhì)量正相關(guān),心率變異性低頻段強(qiáng)度與睡眠質(zhì)量反相關(guān);這表明迷走神經(jīng)活動反映了睡眠的穩(wěn)定性,交感神經(jīng)活動反映了睡眠的不穩(wěn)定性。睡眠片段化后,慢波睡眠時間占總睡眠時間的比率明顯降低。睡眠片段化也是心衰(heartfailure)的臨床特征之一。長期睡眠障礙與呼吸障礙直接影響心臟健康,如頻繁的睡眠呼吸暫停往往降低了血氧飽和度、增高了血壓,并易誘發(fā)心律失常與神經(jīng)體液調(diào)節(jié)紊亂。白天的運(yùn)動鍛煉能夠改善夜間的睡眠質(zhì)量。因此,睡眠質(zhì)量評估應(yīng)考慮主觀睡眠自評、睡眠時相轉(zhuǎn)換頻率與次數(shù)、深睡眠時長及其占總睡眠的比率、心率變異性大小、夜間覺醒次數(shù)、連續(xù)睡眠時間、血氧飽和度、連續(xù)血壓、睡眠呼吸暫停狀況、循環(huán)交替模式等多種因素。2.2psg與睡眠監(jiān)測相關(guān)研究文獻(xiàn)睡眠監(jiān)測主要用于診斷各種睡眠障礙、評價睡眠障礙的治療效果、評估睡眠質(zhì)量、研究睡眠機(jī)理等。通常使用睡眠記錄儀器對整夜睡眠過程中的腦電、眼電、肌電、心電(electrocardiogram,ECG)、血壓、血氧飽和度、脈搏波和呼吸波等多導(dǎo)睡眠圖(polysomnogram,PSG)進(jìn)行記錄。多導(dǎo)睡眠記錄需要受試者整夜呆在睡眠實驗室中,其高昂的研究成本、由于大量傳感器粘貼或連接于頭部與軀體所帶來的不舒適性,以及海量信息的處理分析,使其難以被廣泛應(yīng)用。另外,在急性或慢性失眠癥的評價方面,PSG手段收效甚微。研究睡眠時相變化也是睡眠監(jiān)測的重要方向。Susmakova等比較了EEG、EMG、ECG與EOG單獨進(jìn)行睡眠時相劃分的效用:對最難區(qū)分的S1期與REM睡眠,最佳信號是EMG分形維數(shù)(fractalexponent),其分類錯誤率(classificationerror)為23%.;對最容易區(qū)分的覺醒與深睡眠,EEG中delta與beta能量比值的效果最好,錯誤率為1%;分類錯誤率表明單一生理信號無法徹底區(qū)分S1、S2、S3、S4與REM五種狀態(tài),需要多種信號的融合分析。便攜式無創(chuàng)睡眠監(jiān)測方法是睡眠監(jiān)測的發(fā)展趨勢。脈搏傳導(dǎo)時間(pulsetransittime,PTT)能夠作為一種簡單、無創(chuàng)的方法來評價睡眠呼吸紊亂情況;心電Holter與呼吸氣流傳感器相結(jié)合,能夠有效的反映睡眠呼吸暫停情況;心率變異性受自主神經(jīng)調(diào)控,是反映自主神經(jīng)活動變化的敏感指標(biāo),心率變異性分析能以極少的數(shù)據(jù)獲取自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控的信息。3軌道睡眠質(zhì)量分析3.1質(zhì)量不佳的空間睡眠與長期睡眠航天員在軌面對狹小、隔絕等極端環(huán)境,睡眠比地球上面臨更多的干擾因素。航天實踐表明,航天員在軌平均睡眠時間較之地面睡眠時間有明顯的縮短。NASA的研究人員調(diào)查了101名航天員,發(fā)現(xiàn)在太空的睡眠時間平均為每天6h,比地面的睡眠時間縮短了大約2h;導(dǎo)致在軌睡眠時間縮短的因素可能有晝夜節(jié)律失調(diào)(circadianmisalignment)、頻繁的輪流值班、失重生理與病理效應(yīng)等;質(zhì)量不佳的空間睡眠增加了航天員操作失誤的可能性,進(jìn)而成為安全隱患。人類生物鐘適應(yīng)了地球24h的晝夜節(jié)律,這利于保障人類的睡眠質(zhì)量。國際空間站中,航天員每90min就要經(jīng)歷一次日出與日落,容易引起生物鐘紊亂,進(jìn)而擾亂睡眠節(jié)律;航天員在軌生活時間超過3個月后,生物鐘調(diào)節(jié)“睡眠——覺醒”周期的的能力被極大的削弱了,這顯著降低了航天員的睡眠質(zhì)量。另外,中長期失重飛行可能導(dǎo)致航天員出現(xiàn)心血管功能障礙、骨丟失、免疫功能下降、肌肉萎縮、內(nèi)分泌紊亂、工作能力下降等多種生理與病理現(xiàn)象。失重效應(yīng)可能降低了在軌睡眠質(zhì)量。長期睡眠不足(sleeploss)對神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)均造成一定程度的損害。一方面,長期失重引起的機(jī)體生理與病理變化,與機(jī)體衰老過程中的改變很相似,可認(rèn)為失重“加速”了人體的“衰老”過程;另一方面,長期睡眠不足導(dǎo)致的人體代謝與內(nèi)分泌改變也與衰老過程中的相關(guān)改變十分相似。區(qū)別于自然衰老的是,由失重引起的“衰老”通常是可逆的(返回地面后經(jīng)過一段時間的休養(yǎng)與調(diào)節(jié),往往可以恢復(fù)機(jī)體的各項指標(biāo)),由睡眠不足引起的“衰老”也可逆(改善睡眠質(zhì)量后,也可恢復(fù)機(jī)體機(jī)能)。3.2發(fā)射行為與睡眠質(zhì)量的關(guān)系面對紛繁多樣的儀器設(shè)備與繁重復(fù)雜的操作任務(wù),航天員需要保持較高的認(rèn)知能力與警覺水平;然而,長期在軌飛行的航天員大多會經(jīng)歷睡眠障礙(如失眠)與晝夜節(jié)律失衡,進(jìn)而引起工作能力與認(rèn)知能力下降。美國航空航天局(NASA)空間飛行任務(wù)已經(jīng)證實,航天任務(wù)能引發(fā)明顯的睡眠不足并擾亂生物鐘節(jié)律,進(jìn)而引發(fā)航天員操作能力下降。Putcha等統(tǒng)計了1979年以來美國航天任務(wù)所積累的219份航天員任務(wù)執(zhí)行情況的報告,其中94%包含了藥物服用記錄,47%受航天運(yùn)動病(spacemotionsickness)不同程度的侵?jǐn)_,45%睡眠欠佳,還有相當(dāng)比例的頭痛、背痛與鼻竇充血,其中對抗航天失眠的藥物一般需要連續(xù)服用9d。Kelly等通過對4名航天員10d空間飛行任務(wù)的睡眠研究發(fā)現(xiàn),空間飛行時睡眠中的覺醒次數(shù)較地面睡眠增加,返回地面后得到緩解。Scheer等通過地面實驗研究發(fā)現(xiàn),地球上24h的晝夜節(jié)律改變后,睡眠質(zhì)量與認(rèn)知功能都會受負(fù)面影響;適應(yīng)24.65h的火星晝夜周期比適應(yīng)23.5h的晝夜周期(某些短期航天飛行所采用的作息表周期)需要花費(fèi)更長的時間。Sá等研究發(fā)現(xiàn),微重力環(huán)境可以改變航天員呼吸模式。他們對國際空間站5位航天員2次航天任務(wù)中的多導(dǎo)睡眠數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn),微重力環(huán)境下,腹式呼吸在REM睡眠中起主導(dǎo)作用,而胸式呼吸則在深睡眠中起主導(dǎo)作用;與航天任務(wù)前的地面睡眠相比較,覺醒、淺睡、深睡與REM睡眠的吸氣時間占總呼吸時間的比率均下降;以覺醒期吸氣氣流為參照的歸一化吸氣氣流在淺睡、深睡與REM睡眠中均增加;這些可能提示在微重力環(huán)境下,胸腔與腹部協(xié)同運(yùn)動完成呼吸活動的效率下降。Callini等為航天員設(shè)計了一套專家系統(tǒng),用于睡眠與呼吸評價。在睡眠之前的傳感器連接狀態(tài)確認(rèn)階段,專家系統(tǒng)實時顯示多路生理信號,當(dāng)信號質(zhì)量較差時,專家系統(tǒng)給出警示并給出提示步驟,航天員按提示步驟進(jìn)行操作以改善信號質(zhì)量。地面實驗證實,除去飽和信號之外,該專家系統(tǒng)能夠?qū)?4%的信號進(jìn)行準(zhǔn)確分析。國際空間站的乘員佩戴一種名為Actiwatch的腕式手表,它能夠同時記錄航天員活動(腕部活動的加速度)與光線強(qiáng)弱。這種無創(chuàng)、輕便、無侵?jǐn)_的睡眠監(jiān)測手段基本不增加航天員的體力負(fù)荷與精神負(fù)荷,適合于空間睡眠監(jiān)測。Monk等對4名男性航天員(年齡介于38歲至47歲)在軌微重力環(huán)境下由Actiwatch采集的活動圖與同步采集的多導(dǎo)睡眠圖進(jìn)行了相關(guān)分析,結(jié)果表明:活動圖能夠清晰的識別睡眠起始與結(jié)束時刻;由活動圖與多導(dǎo)睡眠圖分別估計得到的睡眠時間長度的相關(guān)系數(shù)為0.96,睡眠效率的相關(guān)系數(shù)為0.88。3.3重睡眠輕睡眠,2次睡眠狀態(tài)模糊控制睡眠質(zhì)量我國短期載人航天事業(yè)已經(jīng)取得了舉世矚目的成就。未來中長期載人飛行的空間站任務(wù)、載人登月任務(wù)、載人火星探測任務(wù)等空間飛行活動中,航天員睡眠質(zhì)量保障既是航天員健康監(jiān)護(hù)的重要內(nèi)容,也是關(guān)系任務(wù)成效的重要基石。保障航天員睡眠也應(yīng)當(dāng)從多方面著手:1)在軌期間,為避免頻繁日出日落對生物鐘的干擾,睡眠期間可使用舷窗遮光板遮擋陽光,調(diào)暗或關(guān)閉艙內(nèi)照明燈,或使用遮光眼罩;2)艙內(nèi)環(huán)境應(yīng)保持適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度并保持空氣清?3)為降低艙內(nèi)噪聲干擾,航天員可使用防噪聲耳塞;4)航天員睡前3h起應(yīng)避免飽餐、避免過量飲水;5)航天員每天保持適宜的運(yùn)動量利于改善睡眠;6)制定科學(xué)合理的輪流值班與休息制度。太空中,航天員需仿照地面24h作息生活時間表進(jìn)行,以確?？臻g的睡眠質(zhì)量;7)盡量保持睡眠的連續(xù)性,并避免在航天員深睡眠時喚醒航天員;8)航天員睡眠監(jiān)測時,避免使用多導(dǎo)睡眠圖。因為采集多導(dǎo)睡眠數(shù)據(jù)時,需要在頭部粘貼大量腦電電極來采集腦電信號、眼部周圍粘貼眼電電極來采集眼電信號、下頜部粘貼肌電電極來采集肌電信號、胸部粘貼心電電極來采集心電信號、口鼻處粘貼氣流傳感器來采集呼吸信號等,這極大侵?jǐn)_了航天員的睡眠并會降低睡眠質(zhì)量;9)睡眠質(zhì)量監(jiān)測中,生理信號傳感器可以內(nèi)置于睡衣內(nèi)側(cè),采用與肌膚接觸式但非粘貼式的方法采集心電、呼吸、體溫等信號;或?qū)⑸硇盘杺鞲衅鞲街谒?航天員身上不再粘貼各種電極,通過非接觸式方法采集心率、呼吸率、肌肉活動與身體活動等;10)任務(wù)操作時間表上,多安排一些休息時間,因為航天員小睡或打盹能夠一定程度上補(bǔ)償睡眠不足或緩解疲勞;11)中醫(yī)具有辨證施治、個體化診療的特點,中藥具有整體調(diào)節(jié)、多靶點作用的優(yōu)勢,將中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)與航天醫(yī)學(xué)相結(jié)合是我國航天醫(yī)學(xué)發(fā)展的獨特優(yōu)勢。研發(fā)對抗失重生理病理效應(yīng)的中藥丸劑,研發(fā)舒緩睡眠障礙的中藥丸劑;航天員在軌視自身情況適度服用;12)心血管系統(tǒng)是微重力環(huán)境適應(yīng)的主要“靶”系統(tǒng)之一,睡眠呼吸暫停直接影響血氧飽和度進(jìn)而造成供氧不足,因此循環(huán)系統(tǒng)與呼吸系統(tǒng)是繼神經(jīng)系統(tǒng)之外應(yīng)當(dāng)重點監(jiān)測的生理系統(tǒng)。由于睡眠期間腦電監(jiān)測所帶來的較大侵?jǐn)_性,可以研究無腦電監(jiān)測、重點關(guān)注心肺活動的睡眠質(zhì)量評價方法;13)長期載人航天任務(wù)(如空間站、月球或火星基地)中,生物節(jié)律影響航天員健康甚至生命安全。應(yīng)從空間時間生物學(xué)學(xué)科高度研究、建立維持生物節(jié)律正常運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境條件,維護(hù)航天員睡眠與工效;14)充分挖掘載人航天已有的資源,扎實推進(jìn)航天員睡眠問題的循證航天醫(yī)學(xué)研究,對制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實行動態(tài)管理,當(dāng)證據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)需要修改時,要重新對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)評價,確保航天員睡眠質(zhì)量滿足航天任務(wù)的