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Fig. 1. Reduced Oxygen Breathing Device （a） and the experimental scene （b）. |
宇宙航空環境医学 Vol. 53, No. 1, 9-15, 2016
原著
正常圧低酸素が重心動揺に及ぼす影響
稲田 真1，髙田 邦夫2，溝端 裕亮3，藤田 真敬2,3，立花 正一2
1航空自衛隊航空医学実験隊 第四部
2防衛医科大学校 防衛医学研究センター異常環境衛生研究部門
3航空自衛隊航空医学実験隊 第二部
Effects of Normobaric Oxygen on Body Sway
Makoto Inada1, Kunio Takada2, Yusuke Mizohata3, Masanori Fujita2,3, Shoichi Tachibana2
1Fourth Department, Japan Air Self-Defense Force Aeromedical Laboratory
2Division of Environmental Medicine, National Defense Medical College Research Institute
3Second Department, Japan Air Self-Defense Force Aeromedical Laboratory
ABSTRACT
The purpose of this study was to determine the detailed time course of velocity of body sway （hereafter referred to as “body sway”） in a normobaric hypoxic environment and to investigate the relationship between body sway and the tissue oxygen index （TOI） of the brain. Seven healthy males were enrolled as subjects in this study. A normobaric hypoxic environment was established using a reduced oxygen-breathing device. Body sway was analyzed by determining the locus length per 10 seconds （cm/10s） using a stabilometer. TOI was measured using an infrared oxygen monitor. “TOI variation” was calculated according to the following formula: average TOI （at n seconds）/initial TOI （at 1 second）, every 10 seconds. Initially, subjects inhaled 20.95% O2 （0 ft） for 10 minutes as the Control environment. After sufficient rest, they inhaled 8.85% O2 （22,000 ft） for 7 minutes （exposure phase） followed by inhalation of 100% O2 for 3 minutes （recovery phase） as the Experimental environment. Body sway and TOI were measured in both environments. During the exposure phase, body sway increased significantly at 210, 250, 280 seconds （p<0.05, respectively） and TOI variation decreased significantly from 70 to 300 seconds （p<0.05 to p<0.01） compared with the control. During the recovery phase, it took 60 seconds for recovery of body sway compared with 40 seconds for recovery of the TOI variation. There were small correlations between body sway and TOI variation in both the exposure （r=－0.22, p<0.001） and the recovery （r=－0.30, p<0.001） phases. Additional analyses were performed to adjust for the “time lag” between body sway and TOI variation based on the above findings. A negative correlation was observed between body sway at n＋140 seconds and TOI variation at n seconds during the exposure phase （r=－0.52, p<0.001）. Similarly, a negative correlation was observed between body sway at n + 20 seconds and TOI variation at n seconds during the recovery phase （r =－0.50, p<0.001）. Our results suggest the following; first, hypoxia affects body sway independent of aerial environment such as spatial disorientation, fatigue, or barometric changes;second, there is a possibility that body sway is one of the factors reflected by cerebral oxygenation with a time lag.
（Received:6 August, 2015 Accepted:13 January, 2016）
Key words:normobaric hypoxia, body sway, tissue oxygen index （TOI）
I. はじめに
操縦士等は，飛行中に与圧システムの故障等による急激な低酸素曝露が起こった場合，その作業能力等が低下することが知られている6,8,9）。特に中枢神経系（central nervous system;CNS）は最も低酸素による影響を受けやすく12），様々な高度における低酸素の及ぼすCNS機能への影響について研究されている4,7）。操縦士の判断が一刻を争う状況につながりうる航空業務においては，低酸素曝露による作業能力低下について詳細に検討しておくことが，飛行安全上の対策を講じる上で重要である。しかしながら，これまで低酸素症の徴候に関する研究は多く成されてきたが，低酸素曝露から低酸素症の徴候が出現する様子を，継時的かつ精密に観察した研究は，我々が知る限り少ない。
操縦士等の業務に影響を及ぼす低酸素症の徴候の1つである重心動揺速度（以下「重心動揺」とする）の増加に我々は注目した。航空環境における重心動揺の増加の原因として空間識失調，気圧変化による内耳機能の低下，低酸素症等が知られているが2,8,9,13），低酸素症そのものが重心動揺にどの程度影響を及ぼすかを，継時的に計測する研究はこれまで行われていない。今回，低酸素症の進行から回復に至る研究モデルを作成し，経時的な経過が重心動揺にどの程度の影響を与えるか検討を行った。
また，低酸素状態が重心動揺に影響を与える背景としてCNSの機能低下を考え，重心動揺と脳内酸素化指標（tissue oxygen index, TOI）の関係についても検討した。
II. 方法
A. 被験者
被験者は，内服中の薬剤，重心動揺に影響に及ぼすような既往歴，および所属機関における定期健康診断で異常が認められない，健常な成人男性7名（年齢: 29.0±8.6歳，身長:170.3±7.2 cm，体重: 62.7±6.5 kg）とした。
B. 測定方法
設定する低酸素環境は，減酸素吸入装置（Reduced Oxygen Breathing Device 2®, Environics Inc.）により作成した。減酸素吸入装置は空気と窒素を混合させることで，それぞれの高度環境に相当する酸素分圧ガスを生成する装置で，マスクを通して被験者に生成ガスを供給することにより，精密に低酸素に曝露させることができる（Fig. 1（a））。
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Fig. 1. Reduced Oxygen Breathing Device （a） and the experimental scene （b）. |
重心動揺（body sway）は重心動揺計（GRAVICORDER5500®，アニマ株式会社）を用いて，10秒あたりの重心移動距離（cm/10 s）を測定した。被験者には，手順書11）に準じ，① ヘルメットとマスクを装着，② 眼の高さに設定した指標を注視，③ 閉足立ち，④ 楽な姿勢，の状態で重心動揺計の上に直立させ，測定誤差を生じぬよう，⑤ 随意的な姿勢の矯正，⑥ 足の踏み替え，は行わないように指示した（Fig. 1（b））。
脳内酸素化指標（tissue oxygen index, TOI）は赤外線酸素モニタ（NIRO-200®，浜松ホトニクス社）を用いて，近赤外線分光法（near-infrared spectroscopy, NIRS）により測定した。測定部位は左前額部とした。また，プローブ間の距離を30 mmにすることで，頭皮から約20 mmの深部までを評価した。個人によってベースラインが異なるため，実験開始後n秒時における「TOI比」を“TOI（n秒）/TOI（1秒）”の換算式で算出し，TOI比の10秒ごとの平均をTOI変化率（TOI variation）と定義して解析に用いた。
実験概要をFig. 2に示した。最初にコントロール環境（control environment）で測定を実施し，測定結果に影響が現れないよう十分に休憩させた後，実験環境（experiment environment）で測定した。各環境の概要については以下に示す。
1. コントロール環境
0 Ft相当（20.95%酸素）のガスを10分間吸入させる。
2. 実験環境
22,000 Ft相当（8.85%酸素）のガスを7分間吸入させ（曝露フェーズ:exposure phase），続いて100%酸素を3分間吸入させ（回復フェーズ:recovery phase），合計10分間吸入させる。
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Fig. 2. Outline of the experiment. |
C. 統計解析
結果は平均値±標準偏差で示した。TOI変化率と重心動揺の相関係数はPearson correlation coefficientで求め，無相関検定を行った，有意水準は5%未満とした。
D. 倫理および安全性への配慮
本研究は，所属機関の倫理審査委員会の承認を受けており，すべての被験者には，本実験の目的，方法，それに伴う危険性などについて，文書および口頭で説明を行い，実験への参加に同意を得た上で行った。
測定中は医師による監視および補助者による転倒防止を行い，被験者にはヘルメットを装着させた。また，減酸素吸入装置に付属している動脈血酸素飽和度が60%を下回る場合，もしくは下回ることが予想された場合は，その時点で回復フェーズへと移行させた。
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Fig. 3. Body sway and TOI variation during the exposure and recovery phases. |
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Fig. 4. Correlation between body sway and TOI variation during the exposure phase. |
Fig. 5. Correlation between body sway and TOI variation during the recovery phase. |
III. 結果
コントロール環境および実験環境における重心動揺およびTOI変化率をFig. 3に示した。低酸素曝露は当初7分間を計画したが，5分経過後に回復フェーズに移行させざるを得なかったケースもあったため，曝露フェーズの解析はデータが揃っている5分までとした。また，重心動揺は7名全員を解析対象としたが，TOI変化率は機械トラブルにより2名の測定が行えなかったため，5名を解析対象とした。
曝露フェーズにおいて，実験環境はコントロール環境と比べ，重心動揺は210秒，250秒，280秒で有意に上昇し，TOI変化率は70秒から300秒まで有意に低下した（Fig. 3）。
回復フェーズにおいて，実験環境はコントロール環境と比べ，重心動揺は60秒後に有意な上昇が無くなり，TOI変化率は40秒後に有意な低下が無くなった（Fig. 3）。
曝露フェーズにおいて，重心動揺を縦軸，TOI変化率を横軸，としプロットした散布図をFig. 4に示した。重心動揺とTOI変化率に相関はほとんど認めなかった（r=－0.22, p<0.001）。
同様に回復フェーズにおいても，重心動揺とTOI変化率に相関はほとんど認めなかった（Fig. 5;r=－0.30, p<0.001）。
実験環境とコントロール環境における重心動揺とTOI変化率で有意差が生じる時間差および有意差が無くなる時間差は，曝露フェーズで140秒（210秒と70秒），回復フェーズで20秒（60秒と40秒）であった（Fig. 3）。そこで，重心動揺はTOI変化率に比べて遅れて変化している可能性を考慮して更なる分析を行った。
曝露フェーズにおいて，n＋140秒（nは10の倍数，以下同様）時点の重心動揺（150秒～300秒）とn秒時点のTOI変化率（10秒～160秒）の関係を調べた。n+140秒の重心動揺を縦軸，n秒のTOI変化率を横軸としプロットした散布図をFig. 6に示した。n＋140秒時点の重心動揺とn秒時点のTOI変化率には負の相関を認めた（r =－0.52, p<0.001）。
同様に回復フェーズにおいて，n＋20秒時点の重心動揺（30秒～180秒）とn秒時点のTOI変化率（10秒～160秒）には負の相関を認めた（Fig. 7;r =－0.50, p<0.001）。
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Fig. 6. Correlation after adjustment for the time lag between body sway and TOI variation during the exposure phase. |
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Fig. 7. Correlation after adjustment for the time lag between body sway and TOI variation during the recovery phase. |
IV. 考察
今回の研究において，低酸素に曝露すると重心動揺（重心動揺速度）が増加し，低酸素から離脱すれば重心動揺が回復するという結果が得られた。当研究は，風景や重力加速度の変化はないため空間識失調の影響は考えにくい。また，疲労が大きく影響するのであれば低酸素環境からの離脱で回復は認められないため，疲労の影響が大きくないと考えられる。さらに，正常圧で実施されていることから，気圧変化の影響はない。それ故，空間識失調，疲労，気圧変化等の航空環境において身体に影響を与える因子とは無関係に低酸素曝露そのものが重心動揺に影響していることが示唆された。
我々が，継時的な低酸素症の進行に関する評価項目として重心動揺を採用した理由は以下の通りである。
① 計算等を利用した評価は被験者のやる気や経験による影響が懸念される。
② 重心動揺は転倒を起こしたくないという原始的反応であることからやる気や経験による影響が少ない。
また，閉眼であれば視覚情報が遮断されることで開眼よりも重心動揺を正確に測定できることが予想されるのにもかかわらず，我々があえて開眼で測定した理由は以下の通りである。
① 22,000 Ft相当（8.85%酸素）の環境下で閉眼における立位の維持が困難であり安全性が懸念される。
② 操縦士に起こりうる低酸素曝露は通常開眼状態である。
本研究は被験者が少数かつ機器の都合もあり，今回は重心動揺速度以外の指標（重心動揺外周面積，左右径，前後径等）の検討やクロスオーバーによる検討は実施しなかった。それ故，重心動揺の測定は，低酸素曝露から低酸素症の症状が出現する様子を捉えるための予備的研究という位置づけとなっている。
低酸素に曝露するとなぜ重心動揺が増加するのかは明らかではない。ただし，CNSは最も低酸素の影響を受けやすく8,12），また，前庭神経核は低酸素に対して感受性が高い5）などの報告がある。それ故，我々はTOIの変化が重心動揺に反映している様子を観察することにより，重心動揺増加の原因は脳の酸素不足によるCNSの機能低下であることを確認したいと考えたが，本実験においては曝露フェーズ・回復フェーズ共に，TOI変化率と重心動揺に明らかな相関は認めなかった（Fig. 4, r=－0.22, p<0.001; Fig. 5, r=－0.30, p<0.001）。そこで，TOI変化率と重心動揺に相関を認めない理由としてTOI変化と重心動揺変化に「時間差」があると考えた。
Fig. 3の曝露フェーズにおける，重心動揺の有意な変化は，TOI変化率の有意な変化と比べて，140秒の遅れが生じている。TOI変化率は曝露後70秒から低下し始めているが，重心動揺は210秒までは変化が無く，その後増加を始めている。そこで140秒の時間差を考慮して解析すると，負の相関を認めた（Fig. 6; r=－0.52, p<0.001）。これはTOIが低下しているのに関わらず重心動揺は増加していない状態を補正できたことによると考えられる。
同様にFig. 3の回復フェーズにおいて，重心動揺の有意な変化からの回復は，TOI変化率の有意な変化の回復と比べて，20秒の遅れが生じている。TOI変化率は酸素吸入10秒後から回復し始めているが，重心動揺は30秒までは増加し，その後回復を始めている。すなわち，重心動揺はTOI変化率から20秒遅れて変化している。そこで20秒の時間差を考慮して解析すると，負の相関を認めた（Fig. 7; r=－0.50, p<0.001）。これは酸素吸入直後においてTOIが回復するのにつれて重心動揺も増加している状態を補正できたことによると考えられる。また回復フェーズにおいて初期に重心動揺が増加しているが，この原因は低酸素曝露後に高濃度酸素を吸入すると一時的に低酸素症の症状が悪化するというoxygen paradoxが関係しているかもしれない1）。以上より，重心動揺は脳の酸素化状態を時間差で反映している可能性が示唆された。
これまでに低酸素症によるCNSの機能低下について，多くの研究がなされてきた8,12）。しかし，低酸素曝露から低酸素症の症状が出現する様子を，継時的かつ精密に観察した研究は我々が知る限り少なく，10秒毎のような短時間毎の変化を示したものは確認できなかった。本実験は脳が酸素不足に陥ってから機能低下を生じるまでに時間差があることを示唆するが，その理由を示した文献は見つけることができなかった。NIRSによるTOI測定では，必ずしも脳組織の酸素化状態を測定しているわけではなく，皮膚や血管の酸素化状態を含めて総合的に測定しているため，本実験においては脳の酸素不足に関して厳密な議論はできない。また，仮に本実験におけるTOIが脳組織の酸素化状態を表しているとしても，本実験は前額部で測定しており，姿勢保持を司ると考えられる前庭神経核や基底核での酸素化状態を反映しているとは言えない。この場合，本実験で観察された「時間差」は「脳の部位による酸素化状態の時間差」を観察した可能性がある。また，姿勢保持は認知的な随意運動，脳幹-脊髄における姿勢反射，筋緊張等が関係する複雑な機構であるため10），脳の酸素化状態以外に，重心動揺に影響を及ぼす要因がある可能性は否定できない。
今回の研究は，低酸素曝露から低酸素症の症状の出現する様子を捉える予備的研究の位置づけであるが，操縦士に想定される短時間毎という詳細な変化を捉えた研究は確認できず，今後の詳細な研究の基礎資料として有用であると考えられる。
V. まとめ
低酸素曝露から低酸素症の症状が出現する様子を継時的かつ精密に観察する研究を実施した。0 Ft相当（20.95%酸素）の環境と比べ，22,000 Ft相当（8.85%酸素）の環境（曝露フェーズ）における重心動揺の有意な変化は210秒後，TOI変化率は70秒後から認められた。曝露フェーズに続いた100%酸素環境（回復フェーズ）では，重心動揺は60秒後，TOI変化率は40秒後に有意な低下が無くなった。
重心動揺とTOI変化率に相関はほとんど認めなかったが，時間差（曝露フェーズ:140秒，回復フェーズ:20秒）を考慮して解析すると両フェーズ共に重心動揺とTOI変化率に負の相関を認めた。
以上の結果から，以下の内容が示唆された。
① 空間識失調，疲労，気圧変化等の航空環境において身体に影響を与える因子とは無関係に低酸素そのものが重心動揺に影響を及ぼしている。
② 脳の酸素化は重心動揺の変化を時間差で反映させる要因のひとつである可能性がある。
文 献
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防衛医科大学校 防衛医学研究センター異常環境衛生研究部門
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