典型滑行类游乐项目对人体生理反应的影响*

刘晓芬 刘书娟 贾 谊

典型滑行类游乐项目对人体生理反应的影响*

刘晓芬1刘书娟2贾 谊1

（1.中北大学体育学院，山西 太原，030051；2.中国航天员科研训练中心航天医学基础与应用国家重点实验室，北京，100094）

【】探索不同滑行类游乐项目对人体生理反应的影响。招募郑州方特主题游乐园欲乘坐滑行类游乐项目（暴风眼、极地快车、丛林飞龙）项目、年龄在18—40周岁、身体健康、无心脏病和高血压等既往病史的游客。为其随身佩戴BioHarness便携式生理信号采集设备，实时记录受试者在乘坐过程中生理指标变化以及乘坐前后5min的血压。（1）乘坐滑行类游乐项目后，会使乘客出现头晕，恶心，面色苍白等植物性生理反应。（2）心率受加速度影响大，心率最大值与加速度最大值出现时间基本一致。三个项目均有受试者在乘坐过程中达到人体极限生理值，数量为丛林飞龙＞极地快车＞暴风眼。（3）呼吸率与加速度关系并不明显，波动幅度较大，相较乘坐前呼吸率增加。（4）三个项目乘坐前后收缩压上升明显，其中，暴风眼舒张压上升最为明显。乘坐滑行类游乐项目对人体植物性生理反应、心率、呼吸率和血压均有较大的影响。

游乐项目；生理反应；加速度；血压；心率

滑行类游乐项目属于休闲体育运动中的眩晕类运动项目，通过使乘客在重力的作用下沿轨道自由下滑，完成俯冲、急转、翻滚、螺旋等动作，使人在运动中获得在日常生活中难以体验到的空间运动感觉，感受身体与心理极限的刺激[1]。随着物质生活水平的不断提升，国内大型游乐项目的数量和乘坐人数不断增加。据统计，截止2015年底，我国拥有大中型游乐园438个，在用大型游乐项目20377台套，年乘坐人数达10亿多人次[2]。另外，游乐项目的发展具有向高加速度、高刺激的方向发展，如过山车的最高速度达240km/小时，因此对游乐项目安全性的要求也不断提高。目前，国内外也陆续推出了相应的设计标准和规范，以保证设备在安全状态下运行[3-5]。

该类项目在给人们提供精神和身体上享受的同时，也存在一定的风险，在其运行过程中摆动幅度大、速度快、惯性大、涉及范围广，一旦设备失控或者安全防护措施不到位，将会造成严重的人员伤亡和财产损失。学者Pelletier（2005）[6]对美国1994-2004年间40例与乘坐过山车相关的死亡案例进行过调查，其中有18例属于乘坐后并发症导致，其中又有8例属于心脏疾病。德国心脏病专家Kuschyk等人（2007）[7]曾对55名游客乘坐过山车前后的心率变化情况进行过研究，他们的研究结果表明，所有受试者在乘坐后都有心率急剧增加的现象，并且有近一半的受试者出现心跳不规则或明显的窦性心律失常现象。Pringle等人[8]对13名受试者的研究同样发现，受试者乘坐前后的心率变化情况，并指出持续性的心率增高可能导致心肌耗氧量上升，从而增加缺血性心脏病的发病几率。

由此可见，乘坐大型游乐项目有增加心血管系统疾病发病率的可能性。本文通过研究方特主题游乐园典型滑行类游乐项目：暴风眼、极地快车、丛林飞龙三个项目，对乘客乘坐前、乘坐后及乘坐过程中的部分生理指标和运动学参数进行检测，旨在了解我国健康人群对乘坐滑行类游乐项目的生理反应。

1 资料与方法

1.1 研究对象

从游乐场欲乘坐滑行类游乐项目的乘客中招募18—40周岁身体健康的志愿者。（排除标准：（1）怀孕、（2）目前或曾有心血管疾病及心脏疾病风险因素的症状、（3）有晕厥、偏头痛、癫痫或其他神经障碍的病史、（4）正在使用除口服避孕药以外的药物、（5）收缩压大于160mmHg或舒张压大于100mmHg、（6）近期有心脏和肺部检查异常。）共采集数据409例，具体情况见表1。

表1 受试者基本情况

项目名称身高（cm）体重（kg）年龄（岁）男女总人数（人） 暴风眼170.0±8.562.7±12.623.2±7.4423072 极地快车170.7±8.566.7±12.926.3±8.1563086 丛林飞龙170.1±7.666.6±18.325.8±6.015596251

三项滑行类游乐项目较为惊险刺激，从表1中可以看出，体验游客年龄在25岁左右，偏向年轻化，并且男性多于女性。

本次实验选取该游乐园最具代表性的滑行类游乐项目，分别为暴风眼，极地快车和丛林飞龙。游乐项目外观如图1，主要技术参数见表2。

表2 游乐项目主要技术参数

最大运行高度（m）运行时间（S）承载人数（人）长度跨距（m）最大运行速度（m/s） 暴风眼46.26012150105 极地快车31902828775.6 丛林飞龙31.715024-86.4

三种游乐设施运行方式各不相同，暴风眼为单一360°环形轨道，最高点设置翻转，最大运行高度高，最大运行速度快，但运行时间短，运行轨道设计相对简单；极地快车为连续两个360°环形轨道，各项技术参数相较其他两种游乐项目，均在中等水平；丛林飞龙运行时间较长，且轨道设计相对复杂，全木制轨道也增加其运行过程中的摇晃和颠簸。值得注意的是，暴风眼和极地快车运行方式为正向和倒退运行，期间相隔3s左右，即先沿轨道正向运行一次，停留3s后，即刻释放，继续沿轨道倒退运行至结束；丛林飞龙全程为正向运行。

1.2 采集设备

1.2.1 BioHarness便携式生理信号遥测系统

使用BIOPAC美国公司生产的BIOPAC BioHarness 便携式生理信号测量系统，对受试者乘坐过程中的心率、呼吸率、加速度、心电等数据进行同步遥测，并通过配套软件Acq Knowledge TM进行数据传输。其中，呼吸率、心率的采样频率为1Hz，加速度的采样频率为18Hz。

1.2.2欧姆龙（OMRON）电子血压计

使用日本欧姆龙腕式便携电子血压计，监测受试者乘坐前后血压和心率的变化，具体规格如表3。

表3 欧姆龙电子血压计具体参数

名称欧姆龙腕式电子血压计HEM-8612 功能测量血压、脉搏数 测量范围压力：0mmHg-299mmHg（0kPa-39.9 kPa）脉搏数：40次/分-180次/分 测量精度压力：±3mmHg（±0.4 kPa）脉搏数：精度为±5% 尺寸约宽78mm*高60mm*厚21mm（不包括袖带） 数量15个

1.3 实验步骤

招募受试者，发放实验注意事项以及知情同意书，并如实填写“受试者基本数据和生理数据记录表”。为受试者测量静息下脉搏，血压，协助受试者穿戴实验仪器。为更好的得到受试者乘坐前后的生理数据变化，在乘坐各项游乐项目前需静息5min，再启动游乐项目，并实时采集生理指标信号，包括心率、心电、脉搏、心输出量、呼吸并同时记录运动三维加速度。游乐项目停止后，采集即刻血压，心率变化，信号采集持续记录5min。采集数据通过Acq Knowledg 4.4软件导出，采用SPSS21.0对实验数据进行统计学分析，比较三种不同的滑行类游乐项目对人体生理反应的影响。

2 结果

2.1 乘坐后受试者主观感受评价

受试者乘坐后的主观感受评价是对游乐项目刺激程度最直观的体现。表4是各项目受试者主观感受评价结果统计。除唾液增加外，其余运动病症状都有所表现。乘坐极地快车后出现头晕症状的受试者占比最高，达到26.7%。有20.7%的受试者在乘坐丛林飞龙后，出现面色苍白现象。暴风眼对受试者影响较小，主要表现为头晕。

表4 受试者运动病症状阳性结果占比（%）

恶心面色苍白冷汗发热头晕唾液增加 暴风眼0.00.00.00.05.60 极地快车5.812.82.30.026.70 丛林飞龙5.620.710.40.812.00

注：表内数值为相关症状反应人数占参加测试总人数的百分比

2.2 乘坐前后心率和呼吸率的变化情况

测量了游乐项目启动前和停止后各5分钟内的心率和呼吸率平均值，结果如表5所示。配对T检验结果显示，所有项目在乘坐后，受试者心率和呼吸率均显著升高（P＜0.00）。

表5 不同游乐项目乘坐前后心率、呼吸率（BPM）

乘坐前心率乘坐后心率T值P值乘坐前呼吸率乘坐后呼吸率T值P值 暴风眼85.7±13.099.6±17.5-9.5850.000**18.6±3.019.8±3.5-10.1410.000** 极地快车88.5±15.4102.2±20.2-10.8580.000**19.3±3.619.9±4.1-8.1820.000** 丛林飞龙93.4±16.0108.3±16.8-19.0120.000**17.9±3.421.1±4.3-10.5110.000**

注：*表示具有显著性差异，**表示具有非常显著性差异

2.3 乘坐滑行类游乐项目心率和加速度的关系

从图1可以看出，受试者心率随着游乐项目加速度上升而迅速增加。丛林飞龙项目轨道设计复杂，加速度起伏变化大，但受试者心率一直保持较高水平。暴风眼和极地快车运行过程中有停顿倒退，加速度迅速降低后，受试者心率在短时间内并未立即下降，在运行过程中一直保持较高状态。

2.4 乘坐滑行类游乐项目呼吸率与加速度的关系

从图2可以看出，呼吸率与游乐项目加速度关系并不明显，且全程波动幅度较大，可能是由于受试者乘坐过程中因紧张和恐惧等心理，出现喊叫、憋气等原因造成的。

2.5 乘坐滑行类游乐项目心率、呼吸率和加速度的最大值

从表6可以看出，心率、呼吸率和加速度的最大值均出现在丛林飞龙项目中，分别为173.5±26.4BPM、28.2±4.4BPM和6.9±1.2G。丛林飞龙有48人的心率最大值超出极限心率，极地快车2人，暴风眼1人。

单因素方差分析（ANOVA）结果表明，乘坐不同游乐项目时，人体的心率、呼吸率和加速度的最大值均呈显著性差异。在三个项目中，丛林飞龙的刺激强度最大，因此生理学和运动学指标都高于其他两个项目

表6 不同游乐项目心率（BPM）、呼吸率（BPM）和加速度（G）最大值

暴风眼极地快车丛林飞龙FP 心率最大值147.5±22.4153.8±21.6173.5±26.4109.900.00 呼吸率最大值25.5±5.124.6±4.128.2±4.436.60.00 加速度最大值3.9±0.43.7±0.56.9±1.24978.500.00

2.6 乘坐前后血压的比较

在设备运行前5分钟和运行结束后5分钟，对受试者收缩压和舒张压各测量一次，测量结果如表7所示。三个项目乘坐后的收缩压显著上升（P＜0.05），其中暴风眼的差异非常显著（P＜0.01），说明人体收缩压对与地面垂直方向运动幅度较大的项目敏感性较高。暴风眼项目，乘坐后舒张压显著上升（P＜0.01）；极地快车和丛林飞龙项目，乘坐后舒张压略有下降，但未表现出显著性差异（P＞0.05）。

表7 不同游乐项目乘坐前后血压统计结果（单位：mmHg）

乘坐前收缩压乘坐后收缩压T值P值乘坐前舒张压乘坐后舒张压T值P值 暴风眼117.7±16.4130.4±16.6-8.0980.000**78.7±14.086.7±14.2-6.4510.000** 极地快车123.7±15.7127.4±15.7-3.0250.003*82.3±12.182.2±13.60.0710.944 丛林飞龙123.1±13.4125.1±15.3-2.5270.012*82.0±10.981.3±12.51.0010.318

注：*表示具有显著性差异，**表示具有非常显著性差异

3 讨论

研究发现，受试者心率变化与游乐设备加速度大小具有显著相关性，说明滑行类游乐项目产生的高加速度环境是导致受试者心率升高的可能因素。有研究认为，高G环境是引起心率升高的主要原因，是交感-肾上腺髓质系统紧张性增强导致[9-11]。另外的观点则倾向于高加速度环境会使人的血液分布重新分配，对人体的心率和血压产生影响，心指数和每搏指数降低，心脏每分做功量和心肌耗氧量增加[12]。但是，关于高G环境暴露是否会导致心脏结构和功能损伤，尚存在不同看法。从损伤机制上，高加速度环境不会发生心脏缺血缺氧导致的心脏结构功能改变[13,14]，流行病学的调查结果也不支持高加速度环境导致心脏结构功能损伤的假说[15,16]。即便的确存在损伤，也不能认为高加速度环境暴露是唯一的作用因素[17]。并且，以往研究以反复暴露在高加速度环境下的动物为研究对象，加速度作用的持续时间较长，结论也不适用于游乐项目对人体的影响。本研究只观察到受试者最大心率与游乐项目的加速度呈正相关关系，并且部分受试者的最大心率超出极限心率范围，这一现象可能会直接或间接造成心脏结构功能的损伤。

本研究的另一个发现是乘坐滑行类游乐项目对受试者血压的影响。受试者收缩压在乘坐后均有明显上升。收缩压的上升与心率上升和心输出量增加有关。有研究表明，进行大强度运动时，人体收缩压会上升10mmHg，并在6分钟内达到或者低于静息水平[18]，这与本次测试结果基本一致。而受试者舒张压的变化情况略为复杂，暴风眼在乘坐后出现上升，极地快车和丛林飞龙出现下降。影响舒张压的因素主要是心率和血流外周阻力。一方面，由于心率增快，心脏舒张期变短，使得动脉存留血量过多，会导致舒张压增高；另外，人体在运动或过度兴奋时，血管平滑肌舒张，外周小动脉阻力下降，会导致舒张压下降[19]。另有研究表明，血管内皮功能变化也会对人体舒张压产生影响[20]。在本研究中，究竟何种因素导致受试者舒张压的上升或下降，仍不清楚。在高加速环境下，人体血管内皮功能是否会产生特异性改变，继而影响到乘坐后的舒张压变化，也有待进一步研究。

本次实验仍有许多不足之处，由于实验设备的限制，无法测量乘客乘坐过程中血压的实时变化，只能通过游乐项目行驶前后的人体血压差值进行判断，对实验结果可能产生一定的影响。此外，受试者均为游乐园欲乘坐该项目的普通游客，无法判定其是否存在隐性疾病，从而干扰实验结果。

4 结论

本次实验发现滑行类游乐项目对人体生理反应有较大的影响，虽然呼吸率在乘坐过程中变化幅度较大，但与游乐设备的惊险刺激依然存在关系。三个项目中均出现部分受试者最大心率超出极限心率范围，或对人体造成损伤，根据不同游乐项目对人体生理反应影响存在的差异，同时为提高乘客的游玩体验，研究者更应注重对特殊情况的考察和研究，减少事故的发生。

[1]运动性活动[J].中国商贸,2009(5X):162-162.

[2]沈功田,张勇,刘然.游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究[J].中国特种设备安全,2016,32(10):5-9.

[3]国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会. GB/T 8408-2018大型游乐项目安全规范[S].北京:中国标准出版社,2018.

[4] 张煜,张新东,李向东,等.我国大型游乐项目风险分析研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(9):160-164.

[5]American Society for Testing Materials. ASTM/F2137-16 Standard Practice for Measuring the Dynamic Characteristics of Amusement Rides and Devices[S]. West Conshohocken: ASTM,2016.

[6] AR Pelletier, J Gilchrist. Roller coaster related fatalities，United States，1994–2004[J]. Inj Prev, 2005, 11 (5) :309-312

[7] J Kuschyk, D Haghi, M Borggrefe, et al. Cardiovascular Response to a Modern Roller Coaster Ride[J]. Jama, 2007, 298 (7) :739-741.

[8] SD Pringle, PW Macfarlane, SM Cobbe. Response of heart rate to a roller coaster ride[J]. BRITISH MEDICAL JOURNAL, 1989, 299 (6715) :1575-1575.

[9] Laughlin MH. Analysis of the risk of human cardiac damage during + Gz stress: a review[J]. Aviat Space Environ Med,1982,53(5):423-431.

[10] Miyam oto Y,S himazu H. Nakamura A. Plasma-catecholamine and cortisol concentrations du ring acceleration stress[J]. Eur J Appl. Phosiol,1995,70(5) :407-412.

[11] Bunrs JW, Laughlin M H,Wit I WM,et al. Pathophysiologic effects of acceleration stress in the miniature swine[J]. Aviation Space and Environmental Medicine,1983,54(9):881-893.

[12] SHENDER BS,FORSTER EM,HREBIEN L, et al. Acceleration-induced near-loss of consciousness: The "A- LOC" syndrome[J]. Aviat Space Environ Med,2003,74(10): 1021- 1028.

[13] Shubrooks S J, Burns JW, Erickson H H,et al. Coronary hemodynamics during positive +Gz acceleration[J]. Aviat Space Environ Med,1975,46(4 Sec 1):413-418.

[14] Laugh lin, M H,Youn g JT, Witt WM, et al. The importance of myocardial perfusion in the pathogenesis of the cardiac pathology associated with +Gz exposure in miniature swine[J]. Aviat Space Envi ronMed,1980,51(11):1197-1204.

[15] 郑军,肖晓光,姚克纯,等.不同水平+Gz暴露后飞行员心脏功能的变化. 中华航空航天医学杂志,2004,15(2):65-69.

[16] Iy er EM, Malik H, Disk Shit MB. Serum creatine phosphokinase isoenzyme changes in pilots during +Gz training in human centrifuge [J]. Ind J Aeros pace Med,2000,44(1):12-16.

[17] 金朝,耿喜臣.持续性+Gz暴露对心脏结构和功能的影响[J].中华航空航天医学杂志,2005(02):152-156.

[18] Syme AN, Blanchard BE, Guidry MA, et al. Peak systolic blood pressure on a graded maximal exercise test and the blood pressure response to an acute bout of submaximal exercise[J]. Am J Cardiol. 2006,98(7):938-943.

[19] GF Fletcher, PA Ades, P Kligfield, et al. Exercise Standards for Testing and Training A Scientific Statement From the American Heart Association[J]. Circulation. 2013,128(8):873-934.

[20] 王瑞英,赵晓琴,许志红,等.运动血压与血管内皮功能的相关性研究[J].中国药物与临床,2007(9):674-676.

Effects of Typical Sliding Amusement Rides on Human’s Physiological Response

LIU Xiaofen, etal.

（North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China）

“十三五”国家重点研发计划项目“游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究”(2016YFF0203100)；典型游乐项目虚拟仿真、质量预测和虚拟体验技术研究与系统开发(2016YFF0203102)。

刘晓芬（1994—），硕士生，研究方向：动作技术诊断与分析。

刘书娟。