Flight Performance after Normobaric Hypoxia in a Tactical Military Flight Simulator

Abstract

Hapenpuute eli hypoksia on yksi fysiologisista hätätilanteista, jonka lentäjä saattaa kohdata lentäessään korkealla ilmakehässä. Tilanne saattaa aiheutua esimerkiksi ongelmasta paineistuksessa tai hapentuottojärjestelmässä (OBOGS). Tyypillisimpiin oireisiin kuuluvat kevyt olo, huimaus, pistely, sekavuus ja näköongelmat. Mikäli vakava-asteinen hypoksia jää huomaamatta johtaa tilanne tajunnanmenetykseen ja lopulta kuolemaan. Viime vuosikymmeninä fysiologisia tapauksia (PhysEps) alkoi ilmaantua sotilasilmailussa lisääntyvin määrin. Hypoksian tunnistuskoulutus on pakollista sotilaslentäjille. Koulutus järjestetään joko alipainekammiossa (hypobaarinen hypoksia, HH) tai vähentämällä hapen osuutta hengitettävästä kaasuseoksesta normobaarisessa ympäristössä (normobaarinen hypoksia, NH). Normobaarista hypoksiakoulutusta on järjestetty Ilmavoimissa vuodesta 2008. Koulutus auttaa lentäjiä tunnistamaan yksilölliset hapenpuuteoireensa ja mahdollistaa hätätoimenpiteiden kertaamisen simulaattorin ohjaamossa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia, onko normobaarisella hypoksialla pitkäkestoisia vaikutuksia lentäjien lentokykyyn. Lisätavoitteina oli selvittää vaikuttaako hapenpuutteenaikainen minuuttiventilaatio lentokykyyn sekä tuoda ilmi normobaarisen hypoksiakoulutuksen mahdollisia sivuvaikutuksia.

Tutkimusten aineisto on kerätty Ilmavoimien hypoksiakoulutuksista. Koulutuksissa käytettiin kolmea hypoksista kaasuseosta simuloiden altistusta eri korkeuksille: 8 % happi simuloi 6 200 metrin korkeutta, 7 % happi simuloi 7 000 metrin korkeutta ja 6 % happi simuloi 7 900 metrin korkeutta. Koulutukset toteutettiin täysi lentovarustus, regulaattori ja maski päällä. Tutkittavilta mitattiin otsasta SpO2 tasoa, monitoroitiin langatonta EKG:ta ja subjektiiviset oireet kirjattiin ylös.

Ensimmäisessä osatyössä kuusitoista lentäjää suoritti NH koulutuksen Hawk simulaattorissa. Taktisen liikehdinnän aikana hypoksinen kaasu vaihdettiin päälle ilman, että lentäjälle kerrottiin. Lentäjän tehtävänä oli tunnistaa hapenpuutteen oireet ja suorittaa hätätoimenpiteet. Hätätoimenpiteisiin kuuluvat 100 % hätähapen vaihto päälle, happihanan säätö pois päältä, hätälaskeutuminen alle 3 000 metriin sekä hätäkoodin 7700 asetus transponderiin. Tutkittavat suorittivat kolme hypoksia-altistusta, joissa käytettiin 8 %, 7 % ja 6 %:sta happiseosta. Kolmannen altistuksen hätätoimenpiteiden jälkeen, mukaan lukien 100 % hapen hengittely, lentäjät suorittivat paluulennon tukikohtaan. Heidän lentokykyään arvioitiin ILS-lähestymisen ja laskun aikana. Lentokykyä verrattiin kontrollilentoon, jonka osa suoritti ennen hypoksiakoulutusta ja osa sen jälkeen.

Toisessa osatyössä 86 lentäjän minuuttiventilaation muutoksia tutkittiin NH koulutuksen aikana Hornet WTSAT simulaattorissa. Harjoitusprotokollaan kuului joko kaksi (n = 80) tai kolme (n = 6) hypoksia-altistusta käyttäen 8 %, 7 % tai 6 % happiseoksia. Lentäjät suorittivat simuloitua tunnistustehtävää, kunnes huomasivat hapenpuutteen oireita ja toteuttivat hätätoimenpiteet. Minuuttiventilaatio (VE) mitattiin ennen hypoksiaa, sen aikana sekä sen jälkeen.

Kolmannessa osatyössä viisitoista lentäjää osallistui tutkimukseen, joka oli kaksoissokkoutettu, plasebokontrolloitu sekä randomoitu. Tutkittavat suorittivat kolme lentoa Hawk simulaattorissa randomoidussa järjestyksessä. Kesken lennon ilmaseos vaihdettiin joko 8 %, 6 % tai 21 % (kontrolli) happiseokseen. Tunnistettuaan hypoksian oireet he suorittivat hätätoimenpiteet, mukaan lukien 100 % hätähapen käyttö ja suorittivat paluun tukikohtaan. Lentokyky arvioitiin paluulennon ILS lähestymisen aikana. Minuuttiventilaatio mitattiin ennen hypoksiaa, sen aikana sekä sen jälkeen.

Hypoksian oireiden tunnistus tapahtui SpO2 keskiarvolla 69-78%, kun käytettiin 6 % happiseosta. ILS lentokyky heikentyi 25 % ensimmäisessä osatyössä ja vastaavasti 27 % kolmannessa osatyössä 6 %:sen hypoksian jälkeen. Toisessa osatyössä Hornet lentäjien minuuttiventilaatio nousi hypoksian aikana 33-53 %. Korkean minuuttiventilaation ja huonon lentokyvyn välillä havaittiin yhteyttä kolmannessa osatyössä (6 % hapen jälkeen r = -0.472 ja 8 % hapen jälkeen r = -0.182), mutta tulokset eivät olleet tilastollisesti merkitseviä (p = 0.08; p = 0.52).

Neljännessä osatyössä raportoimme tapausselostuksen harvinaisesta NH koulutuksen sivuvaikutuksesta. Lentäjä koki hyvin voimakasta väsymystä ja haukottelua kolme tuntia koulutuksen jälkeen. Oireet sopivat viivästyneeseen sopite syndroomaan, joka oli provosoitunut altistuksesta syvälle hypoksialle.

Normobaarisella hypoksialla on merkittävä, pitkäkestoinen vaikutus lentokykyyn, jonka me nimesimme ”hypoksia hangoveriksi”. Ventilaatiovaste hypoksialle vaihtelee yksilöiden välillä, joka saattaa vaikuttaa siihen minkälaisen oirekokonaisuuden fysiologinen tapaus aiheuttaa. NH koulutus saattaa aiheuttaa viivästyneesti sivuvaikutuksia, jonka vuoksi koulutusta tulisi seurata ajokielto sekä vapautus lentopalveluksesta 12 tunnin ajaksi. Tulevaisuudessa hypoksiakoulutusta tulisi muokata kohti fysiologisten tapausten harjoittelua useamman simulaattorin yhteisalustalla.

Hypoxia, meaning the depletion of oxygen, is one of the physiological episodes that an aviator might face during high-altitude flying. It may be caused, for example, by a problem in the cabin pressurization or the on-board oxygen-generating system. The symptoms of hypoxia include lightheadedness, dizziness, tingling, mental confusion, and visual impairment. If severe hypoxia is not detected, it will lead to a loss of consciousness and, eventually, to death. During the last decades, physiological episodes have started to occur in increasing numbers in military aviation. Hypoxia recognition training is mandatory for military pilots. The training is conducted in a hypobaric chamber (hypobaric hypoxia [HH] training) or by reducing the fraction of inspired oxygen in a normobaric environment (normobaric hypoxia [NH] training). NH training in a tactical fighter simulator has been conducted in the Finnish Air Force since 2008. This training helps aviators to recognize their individual hypoxia symptoms and refreshes hypoxia emergency procedures in a realistic cockpit. The aim for this thesis was to evaluate if NH has a lingering effect on pilots’ flight performance. Secondary aims were to evaluate if minute ventilation (VE) during hypoxia affects flight performance and to investigate the side effects of NH training.

Data in these studies were gathered from the Finnish Air Force’s NH training sessions. Three hypoxic gas mixtures were used to simulate exposure to altitude: 8% oxygen to simulate an altitude of 6 200 m, 7% oxygen to simulate an altitude of 7 000 m, and 6% oxygen to simulate an altitude of 7 900 m. Training sessions were conducted with full flight gear and a regulator and mask on. Forehead SpO2, wireless electrocardiogram and subjective symptoms were documented.

In Study I, sixteen pilots performed a NH training flight in a Hawk simulator. In the middle of tactical maneuvering, hypoxic gas was turned on without the subject’s knowledge. The subject’s task was to recognize hypoxic symptoms and perform emergency procedures. Emergency procedures include putting on emergency oxygen (100%), turning the main oxygen valve off, making an emergency descent to below 3 000 m, and setting the transponder code to 7700 (emergency squawk). The subjects performed three hypoxic exposures using 8%, 7%, or 6% oxygen in nitrogen gas mixtures. After the third exposure’s emergency procedures, including breathing 100% oxygen, the pilots flew back to base and their flight performance was evaluated during an instrument landing system (ILS) approach and landing. This was compared with their control flight without hypoxia, which was conducted either before or after the NH training.

In Study II, VE was evaluated during NH in a Hornet simulator with 86 pilots. The training protocol included two hypoxic exposures (n = 80) or three hypoxic exposures (n = 6) using 8%, 7%, or 6% oxygen in nitrogen gas mixtures. The pilots conducted a simulated identification mission and, similarly to other training sessions, they performed the emergency procedures after detecting symptoms of hypoxia. VE was measured before, during, and after the NH.

In Study III, fifteen pilots participated in a double-blinded, placebo-controlled, and randomized study. The subjects performed three flights in a tactical Hawk simulator in a randomized order. In the middle of the flight, without the subjects’ knowledge, 21% (control level), 8%, or 6% oxygen in nitrogen was turned on. After recognizing the symptoms of hypoxia, they performed emergency procedures, including breathing 100% oxygen, and returned to base. During the ILS approach, flight performance was evaluated. VE was measured before, during, and after the NH.

The symptoms of hypoxia were recognized at a mean SpO2 of 69–78% with the exposure of 6% oxygen. After the 6% exposure, ILS flight performance was found to decrease by 25% in Study I, and a similar decrement of 27% was found in Study III. In Study II, the Hornet pilots’ VE increased from 33% to 53% during hypoxia. An association between high VE and poor flight performance was found in Study III (r = -0.472 with 6% oxygen, r = -0.182 with 8% oxygen), but they lacked statistical significance (p = 0.08, p = 0.52, respectively).

In the case report of Study IV, a rare side effect of NH training is presented. A pilot experienced delayed drowsiness and yawning three hours after the training. The symptoms matched delayed sopite syndrome, provoked by the exposure to deep hypoxia.

NH has a significant, long-lasting effect on flight performance that we named a hypoxia hangover. The ventilatory response to hypoxia differs between individuals, and this might affect the spectrum of symptoms that develops during physiological episodes. NH training may cause delayed aftereffects and should be combined with restrictions on car driving and grounding pilots from flight duty for 12 hours. In the future, hypoxia recognition training should be modified towards physiological episodes training in the network of multiple fighter simulators.