Artikel

ASPEKTE DER BEWERTUNG DER EFFEKTIVITÄT VON ANTI-G-SCHUTZANZÜGEN UND -MAßNAHMEN

Aspects to be considered when evaluating the Efficiency of anti-G Suits and anti-G Measures

Aus der Fachabteilung I, Fürstenfeldbruck (Leiter: Oberstarzt Prof. Dr. R. Schick) des Zentrums für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe, Köln (Leiter und Generalarzt der Luftwaffe: Generalarzt Dr. J. Brandenstein)

Carla Ledderhos und Andre Gens

WWM, 58. Jahrgang (Ausgabe 8/2014, S. 289-295)

Zusammenfassung:

Anti-G-Schutzanzüge und -Maßnahmen sind aus dem Leben von Luftfahrzeugführern hochagiler Kampfflugzeuge nicht wegdenkbar und müssen mit dem zunehmenden technischen Fortschritt der Luftfahrzeugtechnik Schritt halten.

Für die Forschung und Entwicklung stellt sich bei der Bewertung der Effektivität von Anti-G-Schutzanzügen daher immer wieder die Frage nach der Gestaltung eines optimalen Experimentaldesigns für derlei Untersuchungen und dem Maßstab der Bewertung der Ergebnisse.
Diese Arbeit gibt einen Überblick zum „state of the art“ der Testung von Anti-G-Schutzanzügen, wie er in die Forschung beim Zentrum für Luft-und Raumfahrtnedizin der Luftwaffe (ZentrLuRMedLw) Eingang gefunden hat und bei zahlreichen Vergleichsuntersuchungen und Potenzialabschätzungen praktiziert wurde. Die besondere Problematik besteht dabei vor allem in der Vielzahl der für die Bewertung der Effektivität des Gz-Schutzes zu berücksichtigenden Aspekte, die nicht immer objektiv zugänglich sind.
Zuverlässige und valide Aussagen zur Wirksamkeit von Anti- G-Schutzanzügen und -maßnahmen können daher nur getroffen werden, wenn sowohl objektive als auch subjektive Daten erhoben und in ihrer Gesamtheit gewichtet und bewertet werden.
Schlagworte: Beschleunigungsphysiologie, Humanzentrifuge, G-Schutz, Objektivierung, subjektive Erfassung.

Summary

Anti-G suits and anti-G measures are indispensable for pilots of highly agile combat aircraft, just as they have to keep pace with the increasing technological progress in aircraft engineering. Thus, within the process of developing anti-G ensembles (AGS) and evaluating their efficiency, the question of how to create an optimum experimental design keeps arising. At the same time, scientists have to struggle with finding a standard for evaluating the results of such experiments.
This paper is supposed to provide an overview on the stateof- the-art testing of anti-G suits as practiced by researchers at the German Air Force Center for Aerospace Medicine within the framework of numerous comparative tests and potential estimations. Hereby, the particularity of the problem is mainly due to the large number of aspects that have to be considered when evaluating the efficiency of Gz-protection and due to the fact that not all of these aspects can be determined in an objective manner.
Still, reliable and valid statements regarding the efficiency of anti-G suits and anti-G measures can only be made if both objective and subjective data are gathered and weighted and evaluated as a whole.
Keywords: Acceleration physiology, human-use centrifuge environment, anti-G protection, objectifying, subjective determination.

Einführung

Ein verlässlicher Anti-G-Schutz ist für jeden Jet-Piloten eine conditio sine qua non, um die modernen, hochagilen Kampflugzeuge der vierten und jeder weiteren Generation, die sich durch beträchtliche, ständig anwachsende Maximalbeschleunigungen (> +9 Gz), extrem hohe G-Onset-Raten (> +6 Gz/s), schnelle Lastwechsel (von + Gz zu - Gz) sowie durch lang anhaltende Beschleunigungen („sustained Gz“) auszeichnen, erfolgreich fliegen zu können. Mit der technischen Fortentwicklung der Flugzeuge nimmt daher nicht nur die Bedeutung eines effektiven GSchutzes für die Luftfahrzeugführer (LFF) zu, sondern es erwächst auch mehr denn je die Notwendigkeit, die Methoden, mit denen die Effektivität von Anti-G-Schutzanzügen und - maßnahmen beurteilt und nachgewiesen werden kann, ständig zu verbessern. Bis dato gibt es eine Reihe von Vorgehensweisen und Versuchen den Anti-G-Schutz zu bewerten, jedoch kein standardisiertes Verfahren dafür [1, 2, 3, 4, 5].

Die besondere Problematik der Bewertung besteht dabei vor allem darin, dass die Beurteilung von Anti-G-Schutzanzügen und -maßnahmen viele sehr unterschiedliche Aspekte umfasst, auf die das Augenmerk gerichtet werden muss.
Das Hauptkriterium ist ohne Frage die Fähigkeit des Anzugs / der Maßnahme, einen G-induzierten Bewusstseinsverlust (G-induced loss of consciousness oder G-LOC) zu verhindern. Daneben aber gibt es eine Reihe von zusätzlichen Aspekten, die beachtet und, wenn möglich, quantifiziert werden müssen, um die Güte des G-Schutzes einschätzen und bewerten zu können.
Hier ist vor allem der Einfluss, den der Anzug auf die Leistungsfähigkeit und das kardiovaskuläre System des Piloten hat, zu nennen.
Darüber hinaus sind Dinge, die den Tragekomfort (dies betrifft vor allem 24-Stunden-Missionen) und Nebenwirkungen des Anzugs, die die Thermoregulation sowie mögliche ungünstige Effekte auf die Gesundheit des LFF (Lungenfunktion, Auftreten von Armpain und Footpain sowie die Ausbildung petechialer Blutungen (G-Measle-Bildung)) und die Sprachverständlichkeit betreffen, zu beachten. All diese Aspekte des G-Schutzes müssen als flugsicherheitsrelevant eingeschätzt werden und bedürfen daher besonderer Aufmerksamkeit. Schlussendlich ist die Frage, welche mentalen Valenzen unter hohen Gz-Belastungen tatsächlich noch frei sind, um die eigentliche Mission zu erfüllen, nicht minder von Bedeutung.
Es wäre wünschenswert, all diese Aspekte des G-Schutzes objektivierbar zu machen. Für einige wichtige Facetten (Aufrechterhaltung einer ausreichenden Herz-Kreislauf-Funktion, Bestimmung der Leistungsfähigkeit) ist dies bis dato auch gelungen. Allerdings gibt es nach wie vor auch qualitative Merkmale eines Anzuges, die bisher nur subjektiv erfassbar und lediglich in Teilaspekten zusätzlich objektivierbar sind wie die für die Aufgabenerfüllung notwendige Anstrengung (Effort), körperliche Verfassung oder körperliche Erschöpfung und natürlich auch solche, denen wir uns lediglich und ausschließlich subjektiv nähern können (Gefühl der Sicherheit, Komfort, Diskomfort, etc). In diesem Artikel sollen die Fortschritte, die in den letzten Jahren bei der Bewertung der Effizienz von Anti-G-Schutzanzügen bzw. -Maßnahmen erzielt worden sind, beschrieben werden. Photo

Methoden und Ergebnisse

Objektive Methoden zur Bewertung der Effizienz von Anti-G-Anzügen

Bewertung der Fähigkeit von Anti-G-Anzügen zur Verhinderung eines G-LOC 
Die Hauptbedrohung für einen LFF von Kampfflugzeugen ist der G-induzierte Bewusstseinsverlust (G-LOC), der abrupt zu einem Verlust des Luftfahrzeugs mit tödlichem Ausgang für den Piloten führen kann. Die Verhinderung eines G-LOC hat daher oberste Priorität und Anti-G-Schutzanzüge müssen in der Lage sein, dieses sicherzustellen. Bei der Leistungsfähigkeit der heutigen hochagilen Kampfflugzeuge sollte diese Fähigkeit mindestens den Bereich bis zu 9 Gz 1, bei G-Onset-Raten von 6 Gz/s, wenn möglich sogar darüber, abdecken. Leider gibt es gegenwärtig noch keine sichere Methode, die es erlaubt, schon im Vorfeld einen drohenden G-LOC verlässlich zu erkennen und vorherzusagen [6, 7]. Auch kann die Fähigkeit eines Anti-G-Anzuges einen G-LOC zu verhindern, vor allem aus ethischen Gründen, natürlich nur indirekt bestimmt werden. Man nähert sich dieser Fragestellung experimentell, indem man die Fähigkeit der LFF prüft, mit dem zu testenden Anti-G-Schutzsystem Profile im Hochleistungsbereich zu absolvieren. Auch wenn durchaus Situationen vorstellbar sind, bei denen ein G-LOC nicht durch ein zu geringes Leistungsvermögen des Anti-GSchutzsystems bedingt ist, sollte bei Testungen von Anti-GSchutzanzügen ein auftretender G-LOC, bei dem akute gesundheitliche Probleme des Piloten oder aber ein Defekt im Anti-G-Schutzsystem selbst als Ursache ausscheiden, als Ausschlusskriterium für einen Anzug verwendet werden.
Bereits seit ihrem Beginn fokussierte sich die Beschleunigungsforschung auf das Herz-Kreislaufsystem und auf Techniken, die auch während des Einwirkens hoher Beschleunigungskräfte eine kontinuierliche Versorgung des Gehirns mit Blut sichern.

Bewertung der Herz-Kreislauf-Funktion unter hohen Gz-Belastungen 
Auf dem Gebiet der klinischen Diagnostik ist zwar inzwischen ein Methodenrepertoire verfügbar, das es ermöglicht, die Herz- Kreislauf-Funktion umfassend zu charakterisieren. Allerdings ist die Adaptation dieser Methoden an die Bedingungen hoher Beschleunigungskräfte leider noch immer schwierig und mitunter unmöglich. Auch bedarf es hierzu ausschließlich nicht-invasiver Methoden, da eine invasive Diagnostik für diese Zwecke selbstverständlich ausscheidet.
Dennoch ist ein kardiovaskuläres Monitoring unter G-Belastungen eine conditio sine qua non, um objektive, zuverlässige und valide Aussagen zum Wohlbefinden des Piloten und zur Wirksamkeit bestimmter Anti-G-Schutzanzüge und -Maßnahmen tätigen zu können.
Aus diesem Grunde wurde in der Abteilung Forschung, Wissenschaft und Lehre Luft- und Raumfahrtmedizin des Flugmedizinischen Instituts der Luftwaffe (FlMedInstLw) im Rahmen von Vergleichsuntersuchungen verschiedener Anti-G-Schutzanzüge der Versuch unternommen, die Pulsoxymetrie und die ihr inhärente Methode der Photoplethysmographie mit einem nach dem Reflektionsprinzip arbeitenden Stirnsensor (Abb. 1) zum hämodynamischen Monitoring heranzuziehen.
Es konnte gezeigt werden, dass sich das Photoplethysmogramm tatsächlich zur besseren Beurteilung der Kreislaufsituation unter hohen Gz-Beschleunigungen eignet und eine wertvolle Ergänzung des bis dato verwendeten Methodenspektrums darstellt. Dabei wurden die Wechselanteile der Pulswelle als Maß für die Kontraktilität des Herzens und die Gleichanteile der Pulswelle als Maß für die Füllung des Gefäßbettes am Messort verwendet [5, 8, 9]. Allerdings war bei Einführung der Methode eine quantitative Auswertung zunächst nur unter den definierten Bedingungen von sog. „gradual onset runs“ oder Linearprofilen und noch nicht bei freien und den für den operationellen Flugbetrieb bedeutenderen Profilen mit hohen G-Onset-Raten möglich.
Die bei moderaten G-Onset-Raten während des Absolvierens von Linearprofilen beobachteten Zunahmen der Gleichanteile der Pulswelle waren dabei mit einer Entleerung des Gefäßbettes im Kopfbereich erklärbar. Je besser der jeweilige Anzug diesen Volumenverlust zu verhindern vermochte, desto besser war die Performance des LFF. Im angeführten Beispiel (Abb. 2) war es der Anzug 1, mit dem die Piloten deutlich höhere Gz tolerieren konnten.
Um den Volumenverlust im Kopfbereich auch bei freien Profilen mit hohen Beschleunigungen beurteilen zu können, wurde in der Folge ein Index entwickelt und als „Abstrom-Index“ oder „volume loss index (VLI)“ bezeichnet. Dieser kann als Quotient aus der mittleren Änderung der Gleichanteile der Pulswelle gegenüber der Ausgangslage und dem Mittelwert der erreichten Gz-Beschleunigung berechnet werden (siehe Formel 1).

DC810 normiert entspricht hierbei dem Mittelwert der auf die Ausgangslage normierten Gleichanteile der Pulswelle (DC = direct current component of the pulse wave). Er erlaubt es, die Güte verschiedener Anti-G-Schutzanzüge auch bei hohen GOnset- Raten und selbst bei differierenden Belastungsmustern, objektiv, vergleichend und nahezu unabhängig von der Mitarbeit der Luftfahrzeugführer zu charakterisieren. Die Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für die Änderung der Abstrom-Indizes bei einer Gruppe von 17 erfahrenen Eurofighter-Piloten bei sogenannten „rapid onset runs“ mit Stufen von +6 Gz bis +9 Gz bei Benutzung zweier unterschiedlicher Anti-G-Schutzanzüge. Der Anzug mit dem geringeren VLI (in diesem Fall der Anzug 1) hatte den besten G-Schutz.

Die Auswertung der Wechselanteile bei Linearprofilen brachte weitere Erkenntnisse, die eine ergänzende Charakteristik von Anti-G-Anzügen erlauben. Die Zunahmen der Amplitude der Pulswelle während der Zentrifugen-Läufe war mit einer erhöhten Kontraktilität des Herzens und einem damit einhergehenden vergrößerten Volumenausstoß erklärbar und es konnte nachgewiesen werden, dass es bei Integration einer positiven Druckbeatmung in das Anti-G-Schutzkonzept zu einer deutlich höheren Herz-Kreislaufbelastung kommt (Abb. 4).

Bewertung des Einflusses von Anti-G-Anzügen auf die körperliche Leistungsfähigkeit

Traditionell werden zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Piloten bei Benutzung unterschiedlicher Anti-G-Anzüge in der Humanzentrifuge Profile herangezogen, bei denen standardisierte Belastungen zu bewältigen sind. Hierbei werden den Luftfahrzeugführern definierte Stufenprofile mit verschiedenen Gz- Stufen im Wechsel (zum Beispiel +4 Gz und +8 Gz) mit einer vorgeschriebenen Plateauzeit und definierten Pausen abverlangt, die sie solange fahren sollen, bis die Leistungsanforderung nicht mehr erfüllt werden kann. Die Effizienz zweier zu vergleichender Anti-G-Anzüge kann dann anhand der Fahrzeit direkt abgelesen werden.

Ein solches Vorgehen bildet den operationellen Flugbetrieb allerdings nicht sehr realitätsnah ab. Deshalb war es wünschenswert, ein Verfahren zu entwickeln, das auch bei frei gewählten Profilen eine Bestimmung der Leistungsfähigkeit ermöglicht. Um dies zu erreichen, haben wir Luftfahrzeugführer aufgefordert, über einen bestimmten Zeitraum (zum Beispiel 150 s) mit Lastwechseln zwischen bestimmten Gz-Stufen (zum Beispiel zwischen +4 Gz bis +9 Gz) so viel Gz wie möglich zu ziehen. Vorausgesetzt, der LFF hat seine Maximalleistung bei dem gefahrenen Profil tatsächlich erbracht, lassen sich die Anzüge hinsichtlich ihres Einflusses auf die körperliche Leistungsfähigkeit einfach vergleichen, indem man das Integral (die Fläche unter der gefahrenen Gz-Kurve) über die Zeit des Profils, das heißt über fortlaufende Gz-Werte, zum Beispiel > +4 Gz bis < +9 Gz, (Abb. 5) bildet.
Detailliertere Aussagen sind dann noch durch die Ermittlung der Aufenthaltsflächen zwischen zwei Gz-Werten, zum Beispiel Integral zwischen 7 Gz und 8 Gz, und des mittleren Abstromindex ableitbar. Mit einem solchen Verfahren sind nun auch selbst geringe Unterschiede in der Leistungsfähigkeit bei frei gefahrenen Profilen objektivierbar (Abb. 6).

Subjektive Methoden zur Bewertung der Effizienz von Anti-G-Anzügen

Nicht immer lassen sich alle Aspekte des G-Schutzes objektiv erfassen. In diesen Fällen bleibt nur die Anwendung subjektiver Methoden. Hierbei haben sich sowohl Fragebogen- als auch Interviewverfahren mit Ratingskalen bewährt. Häufig wird dabei die Likert-Skala, die 1932 von dem amerikanischen Psychologen Rensis Likert entwickelt und später nach ihm benannt wurde, verwendet. Sie ermöglicht eine Diskriminierung der Teilnehmer einer Studie nach ihren persönlichen Einstellungen zu einem bestimmten untersuchten Sachverhalt oder Gegenstand, die mit Hilfe von Items abgefragt werden. Es ist ein leistungsfähiges Skalierungsverfahren, das auf möglichst äquidistanten Ratingskalen aufbaut. Diese bestehen üblicherweise aus einer ungeraden Anzahl (5, 7 oder 11) von Merkmalsausprägungen. Letztere sollten dabei möglichst unipolar sein, das heißt von einem Extrem zum anderen (zum Beispiel von „extrem“ bis „gar nicht“) reichen und den gesamten Bereich der Antwortmöglichkeiten umfassen. Anders als bei einfachen Ja/Nein-Fragen kann man mit diesem Verfahren auch Graduierungen der Meinung erkennen.
Im FlMedInstLw sind im Rahmen von Vergleichserprobungen verschiedener Anti-G-Schutzanzüge standardisierte Experteninterviews mit Ratingskalen entwickelt und durchgeführt worden. An der Erarbeitung, Überprüfung und Revision des entsprechenden Interviewleitfadens für die Experteninterviews und die Erstellung der Fragebögen waren neben der Abteilung Ergonomie (Federführung Dipl Psych PrivDoz Dr. M. Stein) unter anderem Testpiloten der Typenbegleitmannschaft Kampfflugzeuge und der Wehrtechnischen Dienststelle 61 für Luftfahrzeuge (WTD 61) sowie die Universität Wuppertal (Lehrstuhl für Allgemeine Psychologie) beteiligt, um möglichst alle relevanten fliegerischen, funktionalen und ergonomischen Aspekte der Nutzung der Anti-G-Schutzanzüge in die Erfassung mit einzubeziehen [4].
Dabei wurden Items wie +Gz-Schutz, Gefühl der Sicherheit, Auftreten von Arm- und Footpain, Sichteinschränkungen, subjektiv empfundene Anstrengung („Effort“) und Aufmerksamkeitsbedarf für das Anti-G-Manöver, Komfort und Diskomfort sowie subjektive Belastung/Anforderung insgesamt systematisch erhoben und ausgewertet.
Solche Erhebungen runden das Bild zur Charakteristik von Anti-G-Schutzanzügen ab und ermöglichen es, auch solche Parameter, die einer objektiven Messung nicht zugänglich sind, zu betrachten und zu bewerten.

Bewertung möglicher ungünstiger Effekte von Anti-G-Anzügen auf die Gesundheit

Auswirkungen von Anzugdesign und integrierter Überdruckbeatmung auf die Lungenfunktion

Die Tatsache, dass kopfwärts gerichtete (positive) Gz-Beschleunigungen zu Veränderungen der Lungenfunktion führen, ist seit den frühen Jahren der Beschleunigungsforschung bekannt. Systematische Untersuchungen dazu sind in einem ausführlichen Review von Glaister [10] bereits 1970 zusammengefasst worden. Dabei wurden sowohl Veränderungen der Ventilation als auch der Perfusion und die Ausbildung sogenannter G-induzierter Atelektasen als Folge von Beschleunigungseinwirkungen beschrieben. Jüngere Untersuchungen zur Erfassung der Lungenfunktion unmittelbar nach Beschleunigungsbelastungen brachten sowohl Störungen der Belüftung als auch der Diffusion zum Vorschein, die auch nach den Zentrifugenläufen noch persistierten und je nach Anzugdesign und verwendetem Atemgasgemisch in ihrem Schweregrad variierten [11, 12].
In dem Bemühen, die physiologische Leistungsfähigkeit des Menschen der technischen Leistungsfähigkeit der Luftfahrzeuge anzugleichen, wurde immer wieder darüber nachgedacht, wie man die G-Toleranz des Menschen erhöhen könnte. Dazu geeignet ist jede Technik, die passiv den Blutdruck und die Atmung auf einem hohen Niveau halten kann. Da eine positive Druckbeatmung sehr effektiv dazu in der Lage ist, hat sie Einzug in viele moderne Anti-G-Schutzsysteme für Luftfahrzeuge der neuesten Generation gefunden. Die ursprünglich von Gagge und Marbarger [13] entwickelte und erstmalig im 2. Weltkrieg als sogenannten PB-A („positiv pressure breathing for altitude protection“) verwendete Technik wurde etwa seit Beginn der 1950er Jahre auch als Methode zur Erhöhung der G-Toleranz und Ausdauerleistung bei Gz-Belastungen (PB-G: „pressure breathing for G-protection“) genutzt.
Seine physiologischen Wirkungen entfaltet PB-G vor allem über das Herz-Kreislauf- und Atmungssystem [14]. Allerdings entstehen durch das dauerhaft positive intrathorakale Druckniveau auch akute Nebenwirkungen, die sowohl den Kreislauf als auch die Lungenfunktion betreffen. So wird der herzwärts gerichtete venöse Rückstrom behindert und die Herzfüllung reduziert. Daraus ergibt sich eine verminderte Auswurfleistung mit den Folgen einer Kreislaufinsuffizienz. Darüber hinaus kommt es zu einem Anstieg des pulmonalen Gefäßwiderstandes und des Hirndruckes (durch Behinderung des venösen Rückstroms aus dem Gehirn) und zu einem Abfall der Durchblutung von Nieren, Leber und Splanchnicus-Bereich.

Im Hinblick auf das Atmungssystem werden mechanische Irritationen durch hohen Druck und relativ trockene Luft als Wegbereiter für Entzündungen diskutiert. Und tatsächlich sind bronchiale Irritationen, Schmerzen unter dem Brustbein, Husten oder Atemnot nach Benutzung von Anti-G-Schutzsystemen mit Überdruckbeatmung, allerdings auch bei Benutzung von solchen ohne Überdruckbeatmung, beschrieben worden. Die Ausatmung wird erschwert und das ohnehin schon vorhandene Ventilations- Perfusions-Mismatch in den Lungen nimmt weiter zu. Wiederholt wurden auch Barotraumen (Spontanpneumothorax oder Emphysem -mediastinal oder apikal) als Folge der Überdruckbeatmung beobachtet [15, 16]. Hier wird vor allem die Dislokation von Lungengewebe durch Gz und Überdruckbeatmung mit der damit verbundenen Dehnung und Weitung der apikalen Alveolen als ursächlich beschrieben.
Trotz der wiederholten Fallbeschreibungen von Barotraumen der Lunge nach Benutzung von Anti-G-Schutzsystemen mit Überdruckbeatmung gibt es bisher, zumindest in der öffentlich zugänglichen flugmedizinischen Literatur, nur sehr wenige Untersuchungen zu den Auswirkungen positiver Druckbeatmung auf die Lungenfunktion [11, 17]. Fundierte systematische Erhebungen fehlen ganz.
Aus klinischen Studien ist jedoch inzwischen bekannt, dass eine kontinuierliche Druckbeatmung selbst bei wesentlich geringeren Drucken als sie in den genannten Anti-G-Schutzsystemen verwandt werden, Lungenschädigungen nach sich ziehen kann. Diese werden auch als „Beatmungsinduzierte Lungenschädigung“ („ventilator induced lung injury“, VILI) bezeichnet. Pathogenetisch werden hierfür sowohl mechanische/physikalische (Überdehnung, Scherkräfte, zyklisches Kollabieren) als auch biologische/entzündliche (Entzündungsmediatoren/-zellen) Faktoren ursächlich verantwortlich gemacht. In diesem Zusammenhang wurden Begriffe wie „Barotrauma“, „Volutrauma“ und „Biotrauma“ sowie “Lungen protektive Beatmung“ geprägt [18]. Trotz der vorhandenen Unterschiede bei klinischen und im fliegerischen Bereich verwendeten Formen der Druckbeatmung ist nicht auszuschließen, dass auch die nur kurz einwirkende PB-G der modernen Anti-G-Schutzsysteme das Potenzial besitzt, die Lungen zu schädigen. Daher ist es unumgänglich, experimentelle Untersuchungen auf diesem Gebiet durchzuführen.

Arm- und Footpain

Arm- und Footpain sind Erscheinungen, die häufig unter hohen Gz-Belastungen und insbesondere dann vorkommen, wenn zusätzlich noch eine positive Druckbeatmung in das Anti-GSchutzsystem integriert ist. Eine konventionelle Position von Kontroll-Stick und Gashebel unter Herzniveau wirkt darüber hinaus weiter verstärkend. Hinsichtlich seiner Qualität handelt es sich dabei um einen Tiefenschmerz von dumpfem Charakter, der schlecht lokalisierbar ist. Er kommt mit großer Wahrscheinlichkeit durch eine Überdehnung der Gefäßwände einschließlich ihrer kollagenen Strukturen zustande und wird durch in der Gefäßwand liegende Nozizeptoren vermittelt, die von langsamen, dünnen, myelinisierten, afferenten AD-Fasern versorgt werden [19]. Diese Schmerzsensationen sind der objektiven Erfassung bis dato nicht zugänglich und müssen daher mittels subjektiver Bewertungsmethoden mit Ratingskalen erfasst werden.

Bildung von „G-Measles“

Hohe Gz-Belastungen führen zur Ausbildung sogenannten GMeasles. Darunter versteht man punktförmige, masern- oder flohstichartige Einblutungen, die vor allem in den abhängigen und/oder ungeschützten Körperpartien entstehen und deren Verteilung in erster Linie von der Konfiguration des Sitzes im Flugzeug und dem benutzten Anti-G-Anzug abhängen. Hinsichtlich ihrer Genese wird vermutet, dass sie vor allem durch den hohen intravasalen Druck und eine dadurch bedingte Diapedese von Erythrozyten in das umgebende Gewebe oder eine Ruptur kleinerer Kapillaren entstehen [19, 20]. Je nach Anzugdesign kann die Ausprägung der G-Measles sehr variieren und wird daher zur Bewertung der Anzüge herangezogen.

Zur Befundung und quantitativen Erfassung von G-Measles gab es in der Flugmedizin kein Procedere. Im Rahmen einer Vergleichsuntersuchung zweier verschiedener Anti-G-Schutzanzüge wurde daher in der Forschungsabteilung des FlMedInstLw ein Verfahren zur quantitativen Erfassung von G-Measles entwickelt. Dazu wurde das Auftreten von G-Measles, Druckstellen und Blutergüssen nach definierten Zentrifugen-Belastungen hinsichtlich Vorkommen, das heißt Größe der befallenen Fläche, Verteilungsmuster und Schweregrad von ein und demselben Untersucher und in einem eigens dafür erstellten Datenblatt, das die Vorder- und Rückseite einer standardisierten menschlichen Silhouette zeigte, dokumentiert (Abb. 7).
Der Schweregrad der Ausprägung der G-Measles wurde auf einer Bewertungsskala von 1 - 3 (gering, mittel oder stark) festgelegt. Zusätzlich wurden die Befunde fotografisch festgehalten. Anschließend wurden diese Datenblätter digitalisiert, als Bitmap- Dateien abgelegt und die markierten Flächen je nach erhobenem Schweregrad grün (gering = 1), rot (mittel = 2) oder blau (stark = 3) eingefärbt (Abb. 8).

Die so entstandenen Dateien waren die Grundlage für die Auswertung der befallenen Flächen mit einer in Zusammenarbeit mit der Sektion Mathematik der Technischen Universität Darmstadt eigens dafür entwickelten Software. Die Größe der befallenen Areale in Prozent der Gesamtoberfläche wurde planimetrisch ermittelt und für alle drei Schweregrade und für Vorderund Rückseite getrennt bestimmt und einer weiteren Datenauswertung zugeführt.
Insgesamt konnte mit diesem Verfahren das Auftreten von GMeasles hinsichtlich ihres Verteilungsmusters und des aufgetretenen Schweregrades auf der Basis einer subjektiven Skala dokumentiert, die betroffene Körperoberfläche quantitativ ermittelt und die Daten mit ausreichender Genauigkeit und Zuverlässigkeit erhoben werden.
Die Frage, ob im Laufe der langen fliegerischen Karriere als LFF eines Hochleistungsflugzeuges das regelmäßige Auftreten von G-Measles ein erhöhtes gesundheitliches Risiko für den LFF mit sich bringt, kann bisher nicht beantwortet werden. Somit ist die Bedeutung der G-Measles für die Gesundheit der LFF weitgehend unklar. Man muss aber davon ausgehen, dass ein ähnliches Bild wie an der äußeren Haut auch an den inneren Organen zu finden ist. Daher wäre es durchaus denkbar, dass der chronische Austritt von zellulären und plasmatischen Bestandteilen des Blutes zu einer Fibrose des Gewebes abhängiger Körperpartien und innerer Organe führen kann. Bisher wird bei den üblichen Belastungen allerdings eher von reversiblen Veränderungen ohne pathologische Konsequenz ausgegangen. Auch über mögliche Reparationsmechanismen insbesondere bei jungen LFF ist nichts bekannt. Insgesamt ist dies ein Themenfeld, das einer experimentellen Studie nur sehr schwer zugänglich ist, daher gibt es dazu so gut wie keine Daten.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Die vorliegende Arbeit hat versucht, Aspekte der Bewertung der Effektivität von Anti-G-Schutzanzügen und -Maßnahmen zu erörtern. Damit wollten wir uns der Frage nähern, wie ein optimales Experimentaldesign für Untersuchungen von Anti-G-Schutzanzügen aussehen müsste, da ein standardisiertes Procedere für derartige Untersuchungen bis dato nicht existiert. Dabei sollte vor allem gezeigt werden, dass Schlüsselelemente des G-Schutzes (Erhalt der Funktionstüchtigkeit des kardiovaskulären Systems und der Leistungsfähigkeit der Luftfahrzeugführer im Hoch-Gz- Bereich) in weitaus größerem Maße als bisher der objektiven, nicht-invasiven Messung zugänglich sind. Die Anpassung von nicht-invasiven klinischen Methoden an die Gegebenheiten der Humanzentrifuge macht dies möglich und gestattet inzwischen eine vom Untersucher und von der Mitarbeit der Luftfahrzeugführer zumindest weitgehend unabhängige Analyse der Daten. Dennoch gibt es immer noch Aspekte des G-Schutzes, die der objektiven Messung, jedenfalls momentan, nur sehr schwer oder gar nicht zugänglich sind, die aber dennoch das Bild der Effektivität des jeweiligen Anzuges abrunden und vervollständigen können. Dazu gehören beispielsweise Phänomene wie Arm- und Footpain sowie die Sprachverständlichkeit, aber auch subjektive Empfindungen der Luftfahrzeugführer wie Gefühl der Sicherheit, nötiger Effort, körperliche Verfassung, körperliche Erschöpfung, Komfort, Diskomfort, usw.. Letztere können lediglich durch Befragung oder subjektive Bewertung durch Dritte erhoben werden. Bei der Vielzahl der für die Bewertung der Effektivität des GSchutzes zu prüfenden Aspekte muss allerdings auch immer der Einfluss jedes einzelnen geprüften Aspektes für den G-Schutz und die Flugsicherheit im Auge behalten und gewichtet werden. Bei den gesundheitsrelevanten Aspekten ist vieles, zum Beispiel die Auswirkung von PB-G auf die Lungenfunktion oder die Bedeutung von G-Measles, noch nicht verstanden und/oder dem objektiven Experiment schwer zugänglich und daher Gegenstand zukünftiger Forschungen.
Gegenwärtig kann man zuverlässige und valide Aussagen zur Wirksamkeit von Anti-G-Schutzanzügen und -maßnahmen daher nur treffen, wenn sowohl objektive als auch subjektive Daten erhoben und in ihrer Gesamtheit gewichtet und bewertet werden.

1 +Gz = Beschleunigung in Richtung der Körperlängsachse (kopfwärts)

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Erklärung: Für alle in dieser Arbeit vorgestellten Versuche liegt ein Votum der zuständigen Ethikkommission vor.

Bildquelle: Abbildung 1: Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe

Abb. 1: Pilot in der Humanzentrifuge; an der Stirn ein nach dem Reflexionsprinzip arbeitender Pulsoxymetriesensor

Abb. 2: Veränderung der Gleichanteile bei Benutzung verschiedener Anti-G-Anzüge bei einer Gruppe von 10 Versuchspersonen bei Absolvieren eines Linearprofils. Jeder Proband hat mit jedem Anzug je einen Zentrifugenlauf absolviert.

Formel 1: Berechnung des „volume loss index (VLI)

Abb. 3: Änderung des „Abstrom-Index“ oder „volume loss index“ (VLI) bei einem Stufenprofil bei Benutzung von zwei verschiedenen Anti-G-Anzügen

Abb. 4: Auswirkungen positiver Druckbeatmung auf die Amplitude der Pulswelle an ihrem Punktum maximum bei Linearprofilen. In beiden Fällen wurde der gleiche Anti-G-Anzug benutzt, einmal ohne und einmal mit PB-G.

Abb. 5: Beispiel für die Ermittlung des Integrals über fortlaufenden Gz-Werten (Flächengröße unter der Kurve) bei zwei jeweils 150 s andauernden Zentrifugen-Profilen

Abb. 6: Ermittlung der Aufenthaltsfläche zwischen einzelnen Gz-Intervallen bei einem 150 s andauernden Zentrifugen-Profil bei Benutzung zweier verschiedener Anti-G-Schutzanzüge li.: Beispiel für ein ausgewähltes Gz-Intervall re.: Ermittlung der Integrale zwischen einzelnen Gz-Bereichen über den gesamten abgefahrenen Gz-Bereich

Abb. 7: Datenerfassungsblatt für die Erfassung von G-Measles, Druckstellen und Blutergüssen. Die betroffenen Bereiche wurden markiert und die Ausprägung nach einer Bewertungsskala von 1 = gering, 2 = mittel und 3 = stark bewertet. Die Dokumentation der betroffenen Stellen erfolgte zusätzlich fotografisch.

 

Datum: 25.09.2014

Quelle: Wehrmedizinische Monatsschrift 2014/8