Comparison of cardiovascular and biomechanical parameters of supine lower body negative pressure (LBNP) and upright lower body positive pressure (LBPP) to simulate activity in 1/6 G and 3/8 G

Abstract

INTRODUCTION: Missions of astronauts to Moon and Mars may be planned in the future. From over 40 years of manned spaceflight it is known that the human body experiences cardiovascular and musculoskeletal losses and a decrease in aerobic fitness while exposed to reduced gravity. Because future missions will be much longer than before, further research is needed to improve Earth-based simulations of reduced gravity. Among others, two methods are capable of simulating fractional gravity on Earth: supine Lower Body Negative Pressure (LBNP) and upright Lower Body Positive Pressure (LBPP). Up to now no direct comparison between supine LBNP and upright LBPP has been performed. To prepare future space exploration missions it is, however, important to determine the best method of simulating on Earth cardiovascular and biomechanical conditions for lunar (1/6 G) and Martian (3/8 G) gravities. For this purpose, exercise performed within a lower body negative pressure (LBNP) and a lower body positive pressure (LBPP) chamber was compared in this study. METHODS: Twelve subjects underwent a protocol of resting and walking (0.25 Froude) within supine LBNP and upright LBPP simulation. Each protocol was performed in simulated 1/6 G and 3/8 G. We assessed heart rate (HR), mean arterial blood pressure, oxygen consumption (V̇O2), normalized stride length, normalized vertical peak ground reaction force, duty factor, cadence, perceived exertion (Borg), and comfort of the subject. A mixed linear model was employed to determine effects of the simulation on the respective parameters. Furthermore, parameters were compared with predicted values for lunar and Martian gravities to determine the method that showed the best agreement. RESULTS: During walking, all cardiovascular and biomechanical parameters were unaffected by the simulation used for lunar and Martian gravities. During rest, HR and V̇O2 were lower in supine LBNP compared with upright LBPP. HR, V̇O2, and normalized vertical peak ground reaction force obtained with supine LBNP and upright LBPP during walking showed good agreement with predicted values. DISCUSSION: Since supine LBNP and upright LBPP are lacking significant differences, we conclude that both simulations are suited to simulate the cardiovascular and biomechanical conditions during activity in lunar and Martian gravities. Operational characteristics and the intended application should be considered when choosing either supine LBNP or upright LBPP to simulate partial gravities on Earth.

EINFÜHRUNG: Erfahrungen aus 40 Jahren bemannter Raumfahrt zeigen, dass die Exposition des menschlichen Körpers gegenüber reduzierter Schwerkraft erhebliche Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems sowie des Bewegungsapparates bewirkt. Diese Veränderungen bedingen eine Reduktion seiner Leistungsfähigkeit. Es ist davon auszugehen, dass zukünftige Weltraum- Missionen zum Mond oder Mars denkbar länger sein werden als alle bisherigen. Um diese adäquat vorzubereiten, sind zusätzliche Forschungen notwendig, um erdbasierte Simulationen reduzierter Schwerkraft weiter zu verbessern. Derzeit existieren zwei Methoden für die Simulation reduzierter Schwerkraft auf der Erde: Die Applikation von Unterdruck auf den Unterkörper in horizontaler Position (Lower Body Negative Pressure, LBNP) und die Applikation von Überdruck auf den Unterkörper in vertikaler Position (Lower Body Positive Pressure, LBPP). Allerdings ist bisher kein direkter Vergleich zwischen horizontalem LBNP und vertikalem LBPP durchgeführt worden, um die beste Methode zur Simulation der Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems und Bewegungsapparates an Mond- (1/6 G) und Mars-Gravitation (3/8 G) auf der Erde zu bestimmen. Das Ziel der Studie war daher die Simulation dieser Anpassungen mittels beider Methoden (LBNP vs. LBPP) im Ruhen und Gehen jeweils miteinander zu vergleichen. METHODEN: Zwölf Probanden durchliefen ein Protokoll bestehend aus Ruhen und Gehen (0,25 Froude) unter Verwendung von jeweils horizontalem LBNP und vertikalem LBPP. Jedes Protokoll wurde in simulierter Mond- (1/6 G) und Mars-Gravitation (3/8 G) durchgeführt. Folgende Parameter wurden untersucht: Herzfrequenz (HF), mittlerer arterieller Blutdruck, Sauerstoffaufnahme (VO2), normierte Schrittlänge, normierte vertikale Spitzenbodenreaktionskraft, Tastverhältnis (Duty Factor), Schrittfrequenz, subjektive Beurteilung der Anstrengung (Borg) und des Komforts des Probanden. Ein gemischtes lineares Modell wurde verwendet, um Effekte der Simulation auf die jeweiligen Parameter zu bestimmen. Darüber hinaus wurden die erhobenen Parameter mit vorberechneten Werten für Mond- und Mars-Gravitation verglichen, um die Simulations-Methode mit der besten Übereinstimmung zu identifizieren. ERGEBNISSE: Während des Gehens waren alle Herz-Kreislauf- und biomechanischen Parameter unabhängig von der Simulations-Methode für 1/6-G und 3/8-G. Während der Ruhebedingungen hingegen waren HF und VO2 in horizontalem LBNP verglichen mit vertikalem LBPP niedriger. Darüber hinaus zeigten die mittels horizontalem LBNP und vertikalem LBPP simulierten Parameter (HF, VO2 und normierte vertikale Spitzenbodenreaktionskraft) eine gute Übereinstimmung mit den vorberechneten Werten für Mond- und Mars-Gravitation. DISKUSSION: Da zwischen horizontalem LBNP und vertikalem LBPP keine signifikanten Unterschiede aufgezeigt werden konnten, schlussfolgern wir, dass beide Simulations-Methoden geeignet sind, die Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems und Bewegungsapparates an Aktivitäten bei Mond- und Mars-Gravitation zu simulieren. Die vorgesehene Anwendung und deren Spezifika sollten bei der Auswahl der jeweiligen Methodik (horizontaler LBNP oder vertikaler LBPP) zur Simulation von Mond- und Mars-Gravitation auf der Erde Berücksichtigung finden.