颈肌强度训练对预防加速度致飞行员颈部损伤的作用

颈肌强度训练对预防加速度致飞行员颈部损伤的作用 颈肌强度训练对预防加速度致飞行员颈部 损伤的作用 中国临床康复第9卷第期2005—03—28出版 ChineseJo"m?lofClinictzlRehabilitation.,March2!!! 颈肌强度训练对预防加速度致飞行员颈部损伤的作用? 成海平,柳松杨,俞梦孙 ? 运动医学? 成海平柳松杨,俞梦孙,解放军空军航空医学所三室,北京市100036 成海平?,男,l956年生,湖北省通山县人,汉族,1993年第三军医大 学毕业,博士,研究员,主任医师,教授,主要从事生物力学与航空医学 的研究chenghaipingasm@sina.cam 电话:+86.10—66927l53 中图分类号:R749.05文献标识码:A文章编号:l67l一5926(2005)l2—0204—03 收稿日期:2004一l1一l2修回日期:2004一l2—2l(14/XM/YH) Effectsofcervicalmusclestret3lgtherringexerciseinpreventing acceleration.inducedpilotcervicalinjuryChengHai—ping,Liu Song—vang,YuMeng.SUn ChengHal—ping,LiuSong—yang,YuMeng—sun,ThirdLaboratory.Instituteof AviationMedlelneofChinesePLAAirForce,Beljingl00036,China Correspondenceto:ProfessorChengHal-ping?.M.D.,Chiefphysician, ThirdLaboratory,InstituteofAviationMedicineofChinesePLAAirForce, Beijingl00036,China【'he"ghaipi"gasm@sina.(om Reeelved:2004一ll一12Accepted:2004一l2,2l Abstract oB.?,CTIVE:Neckinjuriesaresignificantlyconcernedwithaviatorsof high-performanceaircraft.Tofindthegenerally-accepted,effectiveand practicablemethodsthatcanreduceacceleration—inducedpiloteerviea】in. juriescausedbyhigh—performanceaircraftbyreviewingandanalyzingthe incidence,mechanismandprotectivemethodsofeervJealinjuryhappening duringsustainedoperationsofmilitaryaviation. DATAS0URCES:Therelevantstudiesweresearchedforframthearticles intheMedlinebetweenJanuaryl980andMarch2004andthoseinthe EmbasebetweenJanua~l980andMarch2004usingthekeywordsof " pilot/aviation.acceleration.highperformanceaircraft,neck/cen'iealin. iury",withlanguageofthearticleslimitedtoEnglish.Meanwhileamanual searchofrelevantiournalsandmonographswasperformedforthearticlesand datapublishedinChinese. STUDYSELECT10N:Atierprimaryexaminationofthedata.theoriginal articlesinthisfieldwereselectedtoloakupthefulltexts DATAEXTIRACTIoN:Totally42articleswerecollectedabouttheinci. dence.mechanismandprotectivemethodsofpilotcervicalinjury.happening duringmilitaryaviation. DATASYNTHESIS:Atiertheineidenee.mechanismandprotectivemeth. adsoftheacceleration—inducedcervica】injuryofpilotsweFeanalyzedand reviewed,itwasfoundthatthepilotswhodidneckstrengtheningexerciseand thosewhocorrectlyusedneckmusclestokeeptheirheadsataproperposi— tionduringaircombatmaneuveringcouldcffeetivelvreduceneckiniur/es. C0NCLUS10N:Theacceleration.inducedcerviealinjuryinhighperfor. maneepilotsisinevitablesometimesduringaircombatmaneuvering.The weightofprotectiveheadgear,advancedhelmetmounteddisplaysandoxy- gen-supplyequipmentfurtherexacerbatessuchproblems.Tomaximize in-flightperformanceandminimizeacceleration—reducedneckinjury,pilots shouldbeencouragedtoperformon—landmusclestrengtheningexerciseand in.nighthead.positioningtechniques. ChengHP.5Y.YuMSEffecls0fcervicaImusclesirenglheningexerciseinpre— ventingacceleration.inducedpilotcervicaliniury.ZhongguoLim.httaagKangfu2005; 9【12l-204—6IChinal 成海平柳松杨,俞梦孙颈肌强度训}练对预防加速度致飞行员颈部损伤的作用 Idl中国临床康夏,2005,9【12l204,61wwwzglckf.COrD】 摘要 目的:颈部损伤是与高性能战斗机飞行员密切相关的问题.通过对飞行 员在飞行中发生颈部损伤的发生率,发生机制和防护方法进行综述和 分析,寻求目前公认的,有效的和可行的能减少加速度致高性能战斗飞 行员颈部损伤的方法. 资料来源:通过计算机检索Medline1980—01/2004—03和Embase 1980—01/2004—03期间的英文文献,检索词为pilot/aviationaece}er— ation,highperformanceaircraft,neck/cervicalinjury,另一些文章和资料 通过手工检索中文杂志和专着. 资料选择:对资料进行初审,选取该领域的研究原着,查找全文. 资料提炼:共收集到42篇关于空军飞行员在军事飞行中发生颈部损伤 的发生率,发生机制和防护方法方面的文章. 资料综合:通过分析和综述加速度引起飞行员颈部损伤的发生率,发生 机制和防护方法,发现通过颈肌训练的飞行员和能在空战动作中正确 运用颈肌保持头部姿态的飞行员能减少颈部损伤 结论:军事飞行和飞行训练中因加速度引起颈部损伤在所难免,保护头 盔,头盔显示装置和供氧装具的重量加重了这方面的问题,为了最大限 度地发挥飞机的性能,并减少加速致颈部损伤,应鼓励飞行员加强地面 颈肌强度训练和掌握保持头部的正确姿态的技术 主题词:加速度;颈部损伤;预防;体育和训练 0引言 现代飞机飞行的经验证明,人一机系统中最薄弱的环节是 人,人的能力比飞机的潜能小得多,这在空军高性能战斗机与飞 行员之间的人一机环节中表现得更为明显.随着主战机型的更 新换代,主战飞机性能大大提高,而人一机界面的缺陷问题得不 到有效的解决,飞行员在做空战动作时,不时地转头观察仪表和 窗外飞行物,使颈部反复长期地经受高G值和高G增长率的作 用,使得本来细小的颈椎和较弱的颈肌难以承受,易于造成空军 飞行员颈部急慢性损伤?.本文就空战动作产生的加速度引起 飞行员颈部损伤的发生率和发生机制,以及加强地面颈肌强度 训练和保持头部的正确姿态在预防加速度引起飞行员颈部损伤 的作用和方法综述如下. 1飞行员颈部损伤的发生率 暴露于高G状态下引起空军飞行员颈部疼痛的问题已成 为一个相对新的和特殊的职业健康问题,.其实,座舱环境 中颈部损伤的问题不是一个新问题,1959年PhiHips已报道了 一 飞行学员驾驶AD.4飞机紧急拉杆在9G状态下造成颈部急 性屈曲性损伤的情况】.Knudson等…报道,美国海军驾驶F/ A.18的飞行员由于高+Gz的作用,74%有过颈区疼痛,37% 有过颈部损伤.Vanderbeek等1报道美国空军F/A.18,A.7和 A.4飞行员在执行任务的3个月的试验期中有50.6%经历过 颈部疼痛.Kikukawa等1报道日本空军自卫队驾驶F.15的 飞行员中,有与飞行有关的颈部肌肉疼痛的飞行员达98%, 创急性颈部不适的最高纪录.AMcsson等研究表明:瑞典空 军喷气式飞机飞行员在1年内有37%经历过颈部不适,而其 他军队服役人员只有12%.据李梦景等报道:199例因病停 飞的飞行人员中,因脊柱病变导致停飞的占到了第2位,其中 因颈椎病停飞的排在第11位.吴慧等[91对137例飞行员医学 停飞前l0位疾病进行了分析,结果显示:因颈椎病停飞排在 第5位.柳松杨等"..对520名空军歼(强)击机飞行员颈部损 伤状况及导致损伤的因素进行了问卷调查,结果发现:73.9% 的飞行员曾经历过颈部损伤,47.1%的飞行员认为颈部损伤 影响飞行"OlI练. 2飞行员颈部损伤的发生机制 高性能战斗机飞行员所处的特殊飞行动力环境产生复杂的 加速度,易于造成颈部急慢性损伤和疼痛,关于损伤的机制引起 了国内学者关注.虽然原因还未完全明了,但从目前获得的资 料可概括为可从如下几个因素进行考虑. 2.1人颈椎的解剖学特点和在航空动力环境中的适应性改变人的 颈椎位于固定的胸椎与自由活动的头颅之间,颈椎体和棘突的 一一 70/R z.m成海平,等颈肌强度训J练对预防加速度致飞行员颈部损伤的作用glckf. cornkf23385083@inascom成海平,等颈肌强度训J练对预防加速度投丁至堂堡!' 力!塑 横突上有横突孔,颈椎关节突的关节面为倾斜 形态发育细小, 的平面,椎间盘较厚,颈前部的肌肉配置甚为薄弱.这些解剖特 点,便于脊髓,神经,血管,神经,食管和气管穿行,有利于饮食, 呼吸和循环;通过颈部的肌肉活动,可作前后屈伸,侧屈旋转和 环转运动,既能使头部自由运动,又能保持头部平衡…'.所 以,这些特点一方面保证了颈部的正常功能,另一方面也暴露 了在特定的航空动力环境中的弱点,故易于产生劳损,发生退 变.所以,高性能战斗机人一机一环境系统中,人的颈部是一个 薄弱的环节.数学模型说明增加颈部的肌肉强度(通过训练) 可能减小颈部损伤的程度.所以,由于颈部的大小和性别原因, 颈部弱的个体可能增加损伤的危险性". 在航空动力环境中,颈椎会发生适应性改变,这是符合应力 生长关系的.如:Naumann等"通过观察澳大利亚皇家空军战 斗机飞行员经过8个月的飞行训练,结果发现飞行员颈椎矿物 质密度和全身骨矿物质含量明显增加.表明与飞行训练相关的 物理环境能使颈椎的质量明显增加,骨质量的增加可能是颈椎 对日常佩带头盔和面罩在正加速度的作用下产生应变的一种 适应性改变.不仅颈椎产生适应性改变,肌肉功能也发生适应 性改变.Alficsson等"研究报道:瑞典空军喷气式飞机飞行员屈 伸肌的强度(分别为47N?m和65N?m)高于其他服役人员 (对照组)屈伸肌的强度(36N?m和59N?m)(P<0.0001,P <0.05). 2.2加速度致飞行员颈部损伤的作用机制根据Hubbard等 介绍,通用汽车公司关于颈部损伤的准则是:?颈部屈曲力矩 (+y轴前倾)为>190N?m.?颈部后伸力矩(一Y轴后倾)为 >57N?nl.?轴向拉伸(+z轴)为>3300N.?轴向压缩 (一z轴)为>4000N.(前向剪切为>3100N.据报道颈椎 体骨折,多发生于c一椎体,是由于强力过度屈曲引起,常合 并脱位及椎间盘急性突出,引起脊髓损伤"l.所以,颈部暴露 于+9Gz以内加速度场中,只要头部保持正确的姿态,不易于 产生压缩性骨折.只有在加速度作用时颈部处于一定屈伸角 度,或因长时间大强度飞行,颈肌疲劳不能维持头颈部正常姿 态时,或缺乏心理准备,才易于产生颈部损伤. 在高+Gz状态下的空战动作中,战斗机飞行员为随时了解 迅速变化的工作环境(包括其他飞行物),必需不断地转动头部 观察事物,使头颈部常常处于不利姿态".所以颈椎常常暴露 于产生压缩,牵张和剪切应力的瞬态高载荷环境中,三种不同 的应力所产生的作用依赖于动态的+Gz负荷的大小,变化率和 头颈部的位置….类似研究也表明:颈部痛疼的因素是高+Gz 力与颈部频繁的旋转,侧屈和后伸的综合作用造成的181.颈 椎的极端位置也可能引起颈肩痛和头痛,例如,瑞典牙师研究 组的研究表明:颈部长期处于旋转和侧曲状态可引起颈痛". 诱发颈痛的强度与负荷的作用时间及外力的大小有关"】. Thuresson等通过对直升机飞行员的研究发现:佩戴头盔加 夜视仪和佩戴戴头盔加夜视仪及配重时,颈部呈各种姿态时, 上颈部肌电活动平值比仅佩戴头盔时明显增高,但佩戴同一 装具时的不同姿态之间肌电活动的比较没有显着性差别.同 侧旋转位加颈屈和躯干倾斜位时,上下颈部肌电活动比其他 姿态明显增高.这一结果表明:不同姿态引起颈部负荷增加对 肌电活动产生的影响,比佩戴装具引起颈部负荷增加对肌电 的影响要大,因此在设计直升机舱工作区时应予以考虑. 205 Knight等I211发现:头部偏离中立位可引起颈部伸肌肌电图的 波幅显着增加(18?13)%(P<0.05),而佩戴装有显示装置 的头盔时颈部负荷增大则肌电图波幅增加为(46?33)%(P <0.05),负荷的增加对肌电图的影响小,而头部旋转则对肌 电图波幅影响很大,增加量为(265?227)%(P<0.05).所以 增加头盔的重量时,佩戴者必需掌握如何保持正确的头部姿 特别是高过载时,更为重要.Alricssin等"对瑞 态的相关知识. 典喷气式飞机飞行员颈部伸肌的最大强度进行了测量.测量 的结果与计算的外力负荷产生的力矩进行了比较,这种外力是 由于装有其他附属装置的头盔,并在高强度飞行表演时所产生 的外力.结果表明:飞行员在颈部微屈状态下暴露于7+Gz力, 他们颈肌用力已接近了100%.美国一家生物力学实试室,用 头盔动力计对颈部的屈,伸肌,侧屈和耐力进行了比较,颈屈 肌比侧屈肌和伸肌的耐力要低. 另一方面,当高+Gz到来时,乘员如缺乏心理准备也是颈部 损伤的一个重要因素,这种损伤临床上常称之为挥鞭伤.最新 的研究证明:飞行员颈部的危险性源于操纵高速喷气式军用飞机 时,暴露于高G负荷下,特别是暴露于不可预料的加速度负荷下 易于产生急性颈部软组织损伤.喷气式军用飞机中常常发生于后 座乘员如飞行教员,武器操纵者,领航员和离心机被试者.目前, 颈肌的耐限值或强度为2—5G,+4Gz,都是指头部佩戴飞行头 盔,颈部处于中立位,且颈肌处于预紧张状态时测得的,所以在应 用这些粗糙的资料是不完全可靠的.因为,当暴露于不可预计的 加速度时,颈损伤的域值常常比这些数据低.另外,肌肉延时收缩 可能是因头颈部惯性(偏心肌肉收缩)而增加了肌肉超负荷损伤 的危险性.颈部软组织损伤很可能在比可预计加速度低的不可预 计的加速度下发生…】. 2.3头盔的重量对飞行员颈部损伤的影响头盔是飞行员必备的 装具,起作保护头颅和通信的作用,对于战斗机飞行员来说,还 需要头盔显示系统,夜视仪和瞄准具等装置,这样增加了头盔的 重量,加大了头部的转动惯量,作用于颈部的压力,剪切力和转 矩随之加大.使颈部的负荷加重,颈肌易于疲劳.早在1983年, 关于将空军飞行员头盔,包括面罩的重量减至2以下的可能 性问题在瑞典空军展开了研讨.那时瑞典的头盔和面罩的重量 是2.2—2.5kg,约为不带头盔时头和颈重量的一半.现在瑞典 空军用两种头盔,一种为1.15kg.另一种为2kg".Hoekvan Dijke等"借助F一16飞行员颈部生物力学模型,在不同加速度 状态下可对肌肉和关节的强度进行分析.研究表明:用较轻的 头盔可减少颈部的张力.芬兰学者借助表面肌电图研究轻重相 差630g和580g的不同头盔对不同+Gz力时颈部肌张力的影 响,结果表明,较轻的盔使颈肌产生较少的张力,在高+Gz值状 态下头盔的重量产生明显的影响.在4和7+Gz作用下由较重 的头盔换成较轻的头盔,平均肌肉张力分别由9.5%减至8.8% 和由20%减至17.1%"1. 2.4颈部损伤的影像学研究目前关于飞行员颈部损伤和疼痛 症状与颈区哪些结构病理改变相关的还不太清楚,但有不少关 于飞行员脊柱侧弯,椎间盘突出,骨折,退行性变,退变性椎管狭 窄和韧带撕裂等急慢性损伤的报道?.Schall等"报道8例 F.15和F.16空勤人员由于+Gz造成的非弹射性颈椎损伤病 例,它们包括2例压缩性骨折(C,/C,),3例椎间盘髓核向左侧 突出(C,/C-7),1例棘突骨折(C,),1例棘间韧带撕裂(C) SSNl671—5926CN21—1470/R中国临床康复2005年3H28日第9卷第12期 和1例肌筋膜综合征.Aydog等b2对91例F-16喷气式飞机飞 行员,363例其它喷气式飞机飞行员,119例运输机飞行员, 159例直升机飞行员和对照组202例进行正侧位,左右斜位放 射学观察,发现脊关节炎和脊柱炎.结果发现:19%直升机飞行 员有颈椎病理改变,比驾驶其他机种的飞行员(8%一13%)和 对照组(10%)显着增高.并发现年龄因素是所有人员患脊关节 炎和脊柱炎最重要的变异相关因素,而身高只是喷气式飞机飞 行员中患脊关节炎和脊柱炎的重要因素. 沈寿生等[331对我国飞行人员与普通职员的慢性颈,肩,背 痛平片进行了分析,结果发现:年龄在20,29岁组飞行员颈椎 生理曲度变直的发生率高于普通职员10%,年龄在30—39岁 组飞行员颈椎生理曲度变直的发生率高于普通职员33.3%,飞 行员颈椎骨质增生发生率高于普通职员25.5%.兰青等对患 有颈椎病的40例飞行员和100例地勤人员进行了颈椎病的分 类,发现飞行员颈椎病以颈型为多,神经根型次之,交感型最 少.建议坚持颈肌力量锻炼,加强颈部防护装备的研制.王子炎 等[35l对116名现役歼击机飞行员和同期62名地勤人员作颈椎 结构关系异常出现率和颈椎退变情况的对比分析,结果发现: 飞行员颈椎结构关系异常出现率为47.41%,地勤人员为 22.58%.说明过载作用可致颈椎退变提前发生,颈椎退变程度 与飞行年龄和飞行总时间相关.认为应加强飞行员的颈肌耐力 训练.周远华等[22l发现s.27加速度致颈部挥鞭伤3例,并未发 现异常的x射线征象,认为主要是软组织损伤,给予物理方法 治疗有效. 上述影像学方面的研究,提供了加速度的作用可引起空勤 人员颈部急慢性损伤的形态学的证据. 3飞行员颈肌强度训练在预防高G引起颈部损伤的作用的研究 防护加速度对飞行员颈部损伤的基本原理是:降低作用 于飞行员颈部的弯矩和扭矩,限制头部与躯干间不利的相对 运动.当加速度来临时,为了对头部的运动给予适宜限制, 一 些学者研究了有关限制头部过度运动的固定装置,主要分 两大类:一类是气囊式,一类是复合结构支撑式1.这些装 置尽管对头颈部都有保护作用,但在一定程度上给飞行员带 来不适,不便于头部平时观察事物,所以,不太实用,难以推 广.另一些学者则主张,除了减轻头盔的重量外,颈部肌肉需 要特殊的强度训练. 英,美,日,俄,瑞典,澳大利亚等国家的飞行员都很重视 颈部肌肉的强度训练.值得一提的是瑞典和美国学者报道: Berg等应用水压阻力测力计对l8名男子进行每周二次3 每一训练课目由屈,伸,旋转分别重复l2次x3 个月的训练. 轮组成,阻抗大小因人而定,每轮休息1rain,训练前后对比 最大等张扭矩和颈部旋转活动范围,主观颈痛用4分级评 定.结果表明:训练后最大屈,伸,旋转等张扭矩分别增大(P <0.05)18%,26%和44%,旋转活动范围增加(P<0.05) 16%,颈部疼痛减少(P<0.05).Schall等l认为如果为了获 得对飞行有效适用的肌肉锻炼,进行最佳的阻抗训练是很重 要的.另外,颈肌的热身运动对于滑行着陆是必需的,特别对 于年长的飞行员更是如此.为了保护足球运动员的颈部研制 了大量的颈部训练器,西点军校应用这类设备对飞行员颈部 进行了安全有效的全范围的阻抗训练,该训练由6个动 作组成:耸肩,颈部旋转和4道颈部训练器(屈,伸,左和右侧 屈),共8min,2次/周,共6周.使颈部的相对强度增加 92%.颈部锻炼在足球运动员中减少颈部损伤的发生率,对 于当今高性能飞机飞行员来说,保持颈部的生理健康和体育 锻炼,亦能减少颈部损伤的发生率.每周2次的颈部阻抗训练 能很快地增加颈肌的强度.在高G力到来之前,减少头部运 动.保持头部处于中立位,将头置于头靠上,对于减少颈部损 伤是可行的办法.头部中立位的保持必需有强有力的颈肌予 以维持. 4参考文献 lHamalainenO.VanharantaH.KuuselaTDegenerationofcelwl'?alintervertebral disksinfighterpilotsfrequentlyexposedtohigh+tzfort-es4IttllSt"fPEmiron Medl993:64(8):692—6 2AndersenHTNeckinjurysustainedduringexposuretohigh(-forl-Pinthe F16B.AviatSpEnvironMedl988:59(4):356—8 3SehallDGNon.ejectioncervicalspineinjuriesdueto+Gzillhighperformance aircraft.AviatSpaceEnvironMedl989:60【5):445—6 4KhudsonR.MeMillanD.DoueetteD,elfJ』(?omparativestudyofG.inducerl injuryinpilotsoftheF/A—l8.A一7andA.4{iat)?eEnlironliedl988:59 (8):758—60 5VanderbeekRDPeriodprevalenceofacutenetkin1LIrvInUSAirFor(,epilots 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