對長期飛行任務(wù)中航天員醫(yī)學(xué)防護問題的思考

孫喜慶，張 舒，耿 捷，王永春

（第四軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)院，西安710032）

1 引言

人類載人航天活動取得了巨大成就，極大地促進了生產(chǎn)力的發(fā)展，對社會文明進步產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響。深空探測是向更廣闊的太陽系空間進行的探索，是人類社會物質(zhì)和精神文明發(fā)展的需要，是科學(xué)技術(shù)進步的必然趨勢。深空探測的重點是月球與火星，而對巨行星的衛(wèi)星、小行星與彗星則側(cè)重探測水體與生命活動信息，探討太陽系生命的起源與變化。近年來，航天大國和集團提出了新的、更高的太空探索目標(biāo)，如再次登月、建立月球基地、火星探測、外空生命搜尋等。美國于2010年宣布，將全面放棄旨在重返月球的“星座計劃”，而將火星作為美國載人航天計劃的目的地，希望在本世紀(jì)30年代中期將航天員送上火星。俄羅斯航天局2007年宣布，擬于2025年以前實現(xiàn)航天員登月，2027-2032年在月球建立永久性基地。而歐洲航天局（ESA）則把空間探索的重點放在一系列深空探測計劃上。作為亞洲國家的日本、印度、韓國等把太空探測的目標(biāo)定在了登月上?！?011年中國的航天》白皮書提出未來五年載人航天、月球探測、對地觀測將成為中國航天計劃的重要內(nèi)容。

深空探測活動中，無論是登陸月球、火星，還是在這些星球上建立人類能夠生存的基地，航天員作為完成各項科研和探索任務(wù)的執(zhí)行者和指揮者，是載人深空探測系統(tǒng)的核心。如何保障航天員的健康、安全和高效工作成為載人航天醫(yī)學(xué)研究的首要任務(wù)。特別是在進行月球和火星的探索和基地建設(shè)中，需要航天員在失重和低重力環(huán)境下停留更長的時間，面臨更多和更強的宇宙輻射侵害。因此，面對深空探測的不同環(huán)境特點，航天員將會面臨哪些新的風(fēng)險，以及如何有效地提出和制定行星際航天飛行條件下健康和醫(yī)學(xué)保障方案是亟待解決的問題。本文在分析整理各國資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國航天醫(yī)學(xué)發(fā)展的實際，綜述深空探測對人體的影響，從醫(yī)學(xué)監(jiān)測和防護技術(shù)角度對行星際航天飛行時保障航天員的健康安全提出建議，為我國航天事業(yè)未來發(fā)展提供參考。

2 深空探測影響人體健康的因素

在50多年的載人航天發(fā)展史中，人類的載人航天計劃大致可以分為三個階段：短期載人軌道飛行階段、探月軌道飛行和登月階段、中長期載人軌道飛行階段。

在短期載人軌道飛行、探月軌道飛行和登月這兩個階段的載人航天計劃實施中，美國和前蘇聯(lián)兩國廣泛積累了航天員在飛行前、中、后發(fā)生生理變化的數(shù)據(jù)，重點是研究失重對航天員心血管系統(tǒng)、前庭系統(tǒng)和工作能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進入失重環(huán)境會引起空間運動病和空間定向障礙，返回地面1G重力環(huán)境后立位耐力降低與運動能力減退，以及飛行后檢測出血漿量與紅細(xì)胞質(zhì)量減少、脫水、骨鈣與肌氮丟失、跟骨密度降低等現(xiàn)象。

20世紀(jì)70年代以后，載人航天計劃進入中長期載人軌道飛行階段，蘇聯(lián)率先發(fā)展了可在空間長時間停留的空間站。美國也發(fā)展了實驗性空間站，并從1987年開始，聯(lián)合16個國家建設(shè)了國際空間站。在這個階段中，航天醫(yī)學(xué)研究的重點是中長期軌道飛行對人體的影響，特別是失重生理效應(yīng)，并發(fā)展了相應(yīng)的對抗措施。

進入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和太空戰(zhàn)略地位的提高，深空探測任務(wù)成為各國航天計劃的首選目標(biāo)，載人航天即將進入第四階段：行星際飛行和星球基地建設(shè)階段，主要包括火星探測、月球和火星基地的建立等。在這一階段，人類將面對宇宙更為深刻的影響，航天醫(yī)學(xué)也面臨更為巨大的挑戰(zhàn)。

本世紀(jì)的深空探測以月球探測和火星探測為主。月球和火星的環(huán)境與地球差別很大[1]。月球表面的引力只有地球表面的1/6；月球表面是超高真空，基本上沒有大氣；月表溫差可以達(dá)到300℃以上；月球沒有明顯的磁場存在，不及地球磁場的1/1000?；鹦且s是地球引力的3/8；火星大氣非常稀薄，只有地球空氣密度的1%，其主要成分是CO2；火星異常寒冷，晝夜溫差達(dá)100℃以上；火星上無磁場，表面輻射劑量比地球高許多倍。

在未來行星際航天飛行中，鑒于深空環(huán)境的特殊性和航天員遠(yuǎn)離地球的長期性等客觀因素，應(yīng)深刻認(rèn)識到在深空探測中失重效應(yīng)和輻射效應(yīng)對機體產(chǎn)生的不利影響，特別是失重導(dǎo)致的骨質(zhì)丟失、肌肉萎縮、心血管功能下降以及電離輻射導(dǎo)致的后效應(yīng)，將嚴(yán)重威脅航天員的健康和工作能力，影響深空探測任務(wù)的順利實施。此外，心理問題也是制約長期飛行任務(wù)的重要因素之一。因此，在現(xiàn)階段，應(yīng)結(jié)合我國載人航天發(fā)展規(guī)劃，針對這些問題開展科研協(xié)作攻關(guān)，為未來行星際飛行任務(wù)的順利開展奠定基礎(chǔ)。

2.1 失重對人體健康的影響

重力變化是載人航天飛行中影響人體健康的關(guān)鍵因素。根據(jù)50多年的科學(xué)研究，對太空失重環(huán)境給人體帶來的影響有了基本的認(rèn)識，總結(jié)出一些規(guī)律，得出兩點一致的看法：①人至少可以適應(yīng)一年多的失重環(huán)境，此時間內(nèi)失重所引起的生理變化在返回地球后經(jīng)過一段時間是可以恢復(fù)的。②失重時各生理系統(tǒng)變化的潛伏期、持續(xù)時間和反應(yīng)程度是不同的?？臻g運動病在一進入失重環(huán)境就出現(xiàn)，3d左右最明顯，1周內(nèi)基本消失；體液和電解質(zhì)的反應(yīng)稍后；心血管系統(tǒng)的最大反應(yīng)在3周左右；紅細(xì)胞質(zhì)量的下降在飛行1個月時達(dá)到最嚴(yán)重的程度。以上四個系統(tǒng)的變化在達(dá)到最大值后逐漸下降至一種新的、適應(yīng)失重環(huán)境的水平。而骨質(zhì)丟失和肌肉萎縮隨著飛行時間的延長有逐漸加重的趨勢[1，2]。

目前，在航天任務(wù)中仍有半數(shù)以上的航天員發(fā)生了程度不同的“空間適應(yīng)綜合征”，直接影響了航天員的工作能力。而在未來的深空探測中，一方面，航天員在飛行中停留的時間將更長；另一方面，在登陸火星并建立基地的過程中，航天員是否能很快的再適應(yīng)火星的低重力仍未可知。因此，行星際飛行的深空探測中，太空的失重或低重力環(huán)境對人體到底會產(chǎn)生哪些影響？如何克服這些影響，從而保證航天員在長期飛行和登陸到其他星球時的健康與安全仍是航天醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵問題和今后研究的重點。

2.1.1 心血管系統(tǒng)的變化

在航天任務(wù)中，心血管系統(tǒng)的最大反應(yīng)在3周左右，在6～8周可以達(dá)到較為穩(wěn)定的、適應(yīng)失重環(huán)境的水平[1-3]。中長期行星際飛行對人體的主要影響是心血管系統(tǒng)功能變化導(dǎo)致的立位耐力和運動耐力不良。

（1）心率變化 在飛行中，航天員的心率一般都高于飛行前水平，且在長期飛行時有增加的趨勢。

（2）血壓變化 體循環(huán)動脈血壓在飛行中變化不大，但飛行中負(fù)荷實驗時變化較飛行前大。頸靜脈壓在飛行第1個月增高1.5～4倍，第2個月有下降趨勢，甚至低于飛行前水平。

（3）心電圖變化 飛行中心電圖的變化比較明顯，一些航天員在飛行中出現(xiàn)T波下降和心律失常，尤其運動、下體負(fù)壓、出艙活動時更易誘發(fā)這些變化。例如，前蘇聯(lián)參加長期飛行的16名“和平”號空間站上的航天員，飛行中都出現(xiàn)T波幅度的降低?！鞍⒉_”15號登月艙的航天員在軌道飛行和月球表面工作時出現(xiàn)多發(fā)性期前收縮，“聯(lián)盟TM2-和平”號航天員拉金，在飛行第5個月因出現(xiàn)多發(fā)性期前收縮，被迫終止飛行，提前返回地面。以上結(jié)果提示失重或模擬失重可能誘發(fā)心臟疾病。

（4）心臟功能變化 研究結(jié)果表明，飛行引起了心肌質(zhì)量的減少。如用超聲心動圖測量兩名飛行了84d的航天員，左室心肌的估計質(zhì)量減少8%，室壁厚度無明顯改變，30d后一些變化才恢復(fù)到飛行前水平。用核磁共振技術(shù)檢查4名參加D-2飛行的航天員的心臟，也發(fā)現(xiàn)飛行后心肌質(zhì)量減少。“天空實驗室”的航天員在航天飛行后臥位、運動和下體負(fù)壓時都有明顯的心臟射血期縮短、等容收縮期延長的現(xiàn)象。

（5）立位耐力降低 幾乎所有的航天員在飛行中和飛行后都出現(xiàn)明顯的立位耐力下降。立位耐力降低的主要表現(xiàn)是在進行與飛行前相同的立位負(fù)荷檢查（立位和下體負(fù)壓）時，出現(xiàn)更明顯的心率、外周阻力增加，血壓、每搏量和腦血管充盈度的下降，暈厥的人數(shù)增加。飛行后進行立位檢查時，約有40%～50%的航天員不能完成試驗。

（6）心率變異性變化 俄羅斯航天員玻利亞可夫于1994—1995年在“和平”號空間站第15～17次任務(wù)中所完成的連續(xù)飛行時間，已經(jīng)與火星飛行所需的時間相當(dāng)。這一創(chuàng)紀(jì)錄的飛行，時間長達(dá)438d。研究顯示，在接近飛行第7個月時，自主神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)張力均增加，這可能是對血管舒縮中樞活性降低的應(yīng)答，試圖保持動脈血壓的穩(wěn)定。在飛行的第8～9個月，在自主神經(jīng)系統(tǒng)兩部分張力降低的背景下，可發(fā)現(xiàn)血管舒縮中樞的活性顯著增強。最后，自主神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)張力在飛行第11～12個月再度增強，作為對血管舒縮中樞活性降低的應(yīng)答。

2.1.2 肌肉系統(tǒng)的變化

失重環(huán)境下，航天員維持姿態(tài)和舉物不需要克服重力的作用，造成肌肉功能負(fù)荷的降低。同時在飛行任務(wù)中航天員的活動減少，肌肉系統(tǒng)尤其是抗重力肌可出現(xiàn)明顯的廢用性萎縮，并且這種變化隨著飛行時間的延長有逐漸加重的趨勢。

（1）肌肉質(zhì)量下降 在失重環(huán)境下數(shù)日即會出現(xiàn)肌肉發(fā)生萎縮變化，表現(xiàn)為肌肉質(zhì)量和體積的減小，并且隨飛行任務(wù)的延長而呈現(xiàn)持續(xù)、緩慢的下降。

（2）肌肉形態(tài)變化 在失重環(huán)境下，抗重力肌和慢肌萎縮較為明顯。表現(xiàn)為肌纖維直徑縮小；慢肌向快肌轉(zhuǎn)化，慢型肌纖維數(shù)量減少，含快型肌球蛋白纖維的數(shù)量增多，但總的纖維數(shù)量不變；收縮蛋白數(shù)量減少，肌動蛋白細(xì)絲密度的減少程度要較肌球蛋白粗絲更為嚴(yán)重。一般是伸肌率先發(fā)生萎縮，“和平”號空間站的觀察表明，6個月的飛行任務(wù)后航天員屈肌的萎縮程度才與伸肌的萎縮相接近[1，2，4]。

（3）肌肉力量變化 失重可引起肌肉工作能力、力量和耐力下降。失重飛行7～10d，80%航天員的手肌力量減少4～22kg，腿肌力量的減少比手肌更多?！奥?lián)盟”9號兩名航天員飛行18d后，手肌力量沒有變化，但軀干力量分別減少40kg和65kg。利用測力計評定“禮炮”6號航天員長期飛行后肌群的力量和速度，發(fā)現(xiàn)小腿后部肌群易疲勞無力，背闊肌和斜方肌萎縮，腓腸肌及脛前肌肌力減退。頭低位臥床模擬失重4個月，志愿者小腿三頭肌所有的力學(xué)特征都明顯下降：單收縮力下降34%，自動收縮力下降36%，誘發(fā)等長收縮力下降34%，最大收縮時間、半舒張時間和總收縮時間延長。

肌肉的廢用性萎縮不僅影響肌肉系統(tǒng)本身，而且影響到航天員的其他系統(tǒng)。如它也是引起航天員心血管功能失調(diào)、運動協(xié)調(diào)能力下降、骨質(zhì)疏松等變化的重要原因。飛行中肌力下降的程度與飛行任務(wù)中的鍛煉程度有關(guān)，增加運動時間和運動量可以減少肌力的下降。

2.1.3 骨骼系統(tǒng)的變化

失重環(huán)境下，骨骼不再承受人體的重量，加上肢體運動量減少，減輕了對骨骼的刺激，可出現(xiàn)顯著的骨質(zhì)丟失現(xiàn)象，表現(xiàn)為骨骼密度降低，骨骼礦物質(zhì)喪失。并且骨骼的這種變化沒有自限性，其隨飛行任務(wù)的延長而持續(xù)存在。在短期航天飛行任務(wù)中，骨質(zhì)丟失還未引起嚴(yán)重后果，但在中長期飛行任務(wù)中，其影響和危害則較為嚴(yán)重。航天員在“和平”號空間站3～6個月飛行期間，承重骨局部骨礦物質(zhì)的丟失率可達(dá)到每月1%～2%。

（1）骨骼密度降低 航天失重環(huán)境中人體的骨骼密度變化主要發(fā)生在承重骨，包括脊柱，骨盆和下肢的股骨、脛骨、趾骨、跟骨等。以下是在采用了體育鍛煉等防護措施后得到的實驗數(shù)據(jù)：飛行4.5～6個月的11名“和平”號航天員飛行后骨礦物質(zhì)密度的變化結(jié)果顯示，與飛行前相比，飛行后整個骨骼系統(tǒng)的骨密度輕度下降，但不同部位骨骼的變化是不一致的。頭部和上臂的骨骼密度出現(xiàn)骨密度的增高，其他部位骨骼出現(xiàn)程度不同的下降，其中骨盆的下降最明顯。蘇聯(lián)“聯(lián)盟”9號兩名航天員飛行后第2 d跟骨密度分別下降8.5%和9.6%?！岸Y炮”6號航天員在175d飛行后，2名航天員跟骨密度分別減少8.2%和3.2%，184d飛行后下降7%。7名飛行150～327d的蘇聯(lián)“和平”號航天員飛行前后腰椎骨密度變化結(jié)果表明，失重對腰椎密質(zhì)骨的影響大于松質(zhì)骨[1，2]。

（2）負(fù)鈣平衡 失重可影響體內(nèi)鈣和磷的代謝，血鈣、尿鈣和糞鈣增高，出現(xiàn)鈣的負(fù)平衡。通常血鈣的增加較少，糞鈣和尿鈣的排出明顯增加。

2.1.4 血液系統(tǒng)的變化

中長期失重環(huán)境下，血液系統(tǒng)的變化主要表現(xiàn)為：血漿容量減少，紅細(xì)胞質(zhì)量降低和數(shù)量下降，血紅蛋白濃度下降。

（1）血漿容量減少 航天飛行后航天員的血漿容量減少的程度可達(dá)到16%（約250 ml）。在“天空實驗室”的28d、59d和84d飛行任務(wù)中，航天員的血漿容量分別平均減少了9.0%、13.1%和15.9%。在地面模擬失重實驗中觀察到類似的變化。

（2）紅細(xì)胞質(zhì)量降低 紅細(xì)胞質(zhì)量是指在全血容積中紅細(xì)胞所占的容積。飛行中紅細(xì)胞容積有規(guī)律性地減少，在持續(xù)飛行40～60d時下降變化達(dá)到最大值。在“天空實驗室”的28d、59d和84d飛行任務(wù)中，航天員的紅細(xì)胞質(zhì)量分別平均減少了14%、13%和7%。

（3）紅細(xì)胞數(shù)量下降 飛行中航天員血液中紅細(xì)胞的數(shù)量也明顯下降，下降程度與飛行時間無關(guān)。在“天空實驗室”的28d和59d飛行任務(wù)中，航天員的紅細(xì)胞總數(shù)分別平均減少了14.3%和12.2%。

（4）血紅蛋白濃度下降 航天飛行中航天員血液中血紅蛋白濃度也明顯下降。蘇聯(lián)航天員在30d、49d、63d、96d、140d 和 175d 的飛行中，血紅蛋白濃度分別平均減少了16%、31%、20%、26%、14%和18%。從血紅蛋白變化來看，140d和175d飛行同30d和49d飛行相比，血紅蛋白減少的程度變輕。這可能是由于紅細(xì)胞的壽命約為120d，而在140 d以上的飛行中，已成熟的新生紅細(xì)胞進入人體血液，這可能是血紅蛋白略有回升的原因。

2.1.5 免疫功能的變化

飛行任務(wù)可導(dǎo)致某些免疫學(xué)參數(shù)的改變，表現(xiàn)為細(xì)胞免疫功能下降，體液免疫功能變化較小，潛在的病毒可被重新激活。

（1）細(xì)胞免疫功能下降 飛行中，航天員白細(xì)胞和中性粒細(xì)胞數(shù)量明顯增加，NK細(xì)胞數(shù)目減低，單核細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞變化不明顯。另有研究發(fā)現(xiàn)，飛行中，T淋巴細(xì)胞、NK細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的活性受到了明顯影響，一些重要細(xì)胞因子的表達(dá)下降，這些變化可能都會導(dǎo)致免疫功能減低，機體抗病能力減弱。如飛行1年的兩名蘇聯(lián)航天員，飛行后淋巴細(xì)胞的PHA反應(yīng)降低，具有高RNA合成速度的細(xì)胞從飛行前的23.2%～25.2%下降到飛行后的12.8%～14.0%，飛行后1周開始恢復(fù)，但一名航天員在飛行兩個月后仍有T淋巴細(xì)胞活性的降低[1，5，6]。

（2）體液免疫功能變化 體液免疫主要指免疫球蛋白所執(zhí)行的免疫反應(yīng)。飛行中和飛行后測試的結(jié)果是免疫球蛋白的含量不變或升高。免疫球蛋白的升高可能與飛行中的疾病、應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。長期飛行所引起的肌肉萎縮和骨質(zhì)脫鈣也可以引起自身抗體分泌的增加。“阿波羅”在各次飛行后發(fā)現(xiàn)，短期飛行不會影響總的免疫球蛋白水平，而長期飛行后總免疫球蛋白增加。“禮炮”5號飛行49d后，血清中免疫球蛋白IgA、IgG、IgM的濃度增加，表明失重對體液免疫功能的影響不是下降，而是維持正?；蛴兴龈摺？偟膩碚f，飛行和模擬失重條件下，人體循環(huán)免疫球蛋白和補體水平未發(fā)生顯著性變化，機體體液免疫功能變化較小。

（3）病毒激活現(xiàn)象 飛行中，航天員體內(nèi)的帶狀皰疹病毒可被重新激活，導(dǎo)致病毒感染。航天員血循環(huán)巨細(xì)胞病毒和EB病毒抗體滴度增加，尿液中巨細(xì)胞病毒數(shù)量增多。飛行前后8名航天員的水痘病毒感染情況研究發(fā)現(xiàn)，312個唾液標(biāo)本中，航天飛行前的112個標(biāo)本中只有1個陽性，飛行期間和飛行后的200個標(biāo)本中有61個呈現(xiàn)陽性，提示失重環(huán)境中潛在的病毒可被重新激活。

2.1.6 內(nèi)分泌系統(tǒng)的變化

目前認(rèn)為，飛行任務(wù)可使垂體-腎上腺皮質(zhì)軸功能增強，腎上腺分泌旺盛。在創(chuàng)紀(jì)錄的438d航天飛行中觀察到，在飛行中第170、287和430d的激素調(diào)節(jié)變化，引起人們極大的興趣。具體表現(xiàn)為：在飛行的第170d，腎上腺素和去甲腎上腺素濃度較飛行前水平高出4倍，較飛行中第287d高出3倍；而在飛行的第287d，血中醛固酮濃度與飛行前相比顯著增高。由此可見，盡管在飛行中未出現(xiàn)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的失衡，但機體調(diào)節(jié)系統(tǒng)在飛行中“積極”工作著?！疤炜諏嶒炇摇?4d飛行任務(wù)中，航天員血漿胰島素含量在大部分時間中比飛行前低，特別是在失重1個月后就一直維持在一個較低水平上。D-2飛行任務(wù)中發(fā)現(xiàn)航天員的生長激素活性升高，雄激素分泌水平下降，但這種降低在回到地面環(huán)境后的2周內(nèi)恢復(fù)到正常水平。地面實驗觀察到，在模擬失重過程中胰島素敏感度降低[1，2，7]。

2.2 空間輻射對人體健康的影響

2.2.1 空間輻射的分類及特點

地球外層空間的輻射環(huán)境是威脅載人航天安全的重要物理因素之一，是僅次于微重力的環(huán)境危險因素?？臻g輻射分為電磁輻射和電離輻射：①電磁輻射包括無線電波、微波、紅外光、可見光和紫外光等。這類輻射貫穿物質(zhì)的能力很差，對人體傷害較小。②電離輻射能直接或間接地使物質(zhì)電離或激發(fā)，如各種帶電粒子、中子或X、γ射線等。電離輻射貫穿物質(zhì)的能力很強，可使物體材料及生物細(xì)胞受到損害，對載人航天有較大影響。自然電離輻射源主要有三類，即銀河宇宙射線、太陽粒子事件與地磁捕獲輻射。

2.2.2 空間輻射的主要醫(yī)學(xué)效應(yīng)

載人航天中的空間輻射生物學(xué)效應(yīng)主要有兩類：急性效應(yīng)和后效應(yīng)。急性效應(yīng)主要來自太陽粒子事件，可引起惡心嘔吐、腹瀉、便血、脫水、虛脫和休克等急性效應(yīng)，甚至導(dǎo)致人員死亡。當(dāng)航天員在月面居住艙外活動時間較長又缺乏適當(dāng)?shù)钠帘螘r，就易于受到此效應(yīng)的困擾。后效應(yīng)則是長期小劑量照射產(chǎn)生的后發(fā)效應(yīng)。在各種后效應(yīng)中又以癌癥最危險，其次是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷，第三是遺傳效應(yīng)。在載人航天技術(shù)發(fā)展的初期比較注意人體特殊器官的急性效應(yīng)，即電離輻射對某些組織的非隨機的直接損傷。但近年來，隨著載人航天經(jīng)驗的積累，更注重隨機的小劑量輻射引起的后效應(yīng)。

載人航天飛行時，有時會遇到電離輻射的短期大劑量照射，如太陽耀斑、航天器上核反應(yīng)的緊急搶修以及多次穿越地磁捕獲輻射帶等。急性效應(yīng)的嚴(yán)重程度與受照射劑量的大小有著密切關(guān)系。一般而言，所受劑量越大，急性效應(yīng)越嚴(yán)重。急性全身輻射的早期效應(yīng)是發(fā)生惡心和嘔吐，根據(jù)所受照射劑量的不同，其發(fā)生率及出現(xiàn)和持續(xù)時間亦有不同。急性效應(yīng)中的血液學(xué)效應(yīng)包括血小板減少、白細(xì)胞減少、出血和感染等癥狀。這些癥狀通常在照射后的幾天至1周內(nèi)出現(xiàn)。血液系統(tǒng)的效應(yīng)在很大程度上取決于輻射對骨髓和淋巴組織的損傷情況。航天員在艙外活動的情況下，受到空間輻射的作用引起皮膚反應(yīng)，輻射劑量越大，皮膚的損傷程度越嚴(yán)重。性腺也是對射線敏感的器官，但迄今尚未發(fā)現(xiàn)已參加過航天飛行的航天員在生殖能力方面有明顯變化。大劑量的空間輻射還可引起所謂的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)綜合征”，即由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的血管休克、腦水腫和缺氧所致的人的工作能力下降。

近年來，國外對空間輻射的研究主要集中于空間重粒子的生物效應(yīng)。空間重粒子是高軌道上宇宙射線中的強電離成分，原子序數(shù)一般大于2，能量都在50 MeV/核子以上?？臻g重能粒子大部分來自銀河宇宙射線，其余來自太陽宇宙射線。重能粒子不同于其他粒子，其電離能力強，沿粒子徑跡會產(chǎn)生很大的能量沉積，從而造成生物細(xì)胞的破壞，甚至一個重粒子就能對細(xì)胞產(chǎn)生明顯損傷。在“阿波羅”計劃的5次飛行中有15名航天員感覺到不規(guī)則的閃光和光線，平均間隔2～3min，睜眼和閉眼時都有。通過地面模擬實驗，確定上述閃光實際上就是空間高能重粒子通過視網(wǎng)膜時產(chǎn)生的。高能重粒子除引起閃光外，還能損傷眼睛角膜，會在角膜上皮細(xì)胞上形成小微孔。隨著傳能線密度的增加，微孔的直徑也增大[1，2，8]。因此，如果航天員經(jīng)常參加高軌道飛行，患白內(nèi)障的可能性是不能排除的?？臻g重粒子最嚴(yán)重的危害是致癌作用。

長期的空間實驗及離體哺乳動物細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn)，輻射會產(chǎn)生以下生物學(xué)效應(yīng)：①DNA雙鏈斷裂。其中重離子輻射造成的DNA雙鏈斷裂與粒子注入量呈線性正相關(guān)關(guān)系，即隨粒子注入量值增大，DNA雙鏈斷裂的量也逐漸上升，可造成細(xì)胞死亡，引起細(xì)胞變異、細(xì)胞的異常增殖。②染色體畸變。空間的高傳能線密度輻射可誘導(dǎo)復(fù)雜的重排，還可引起染色體互換，并造成無端粒染色體的出現(xiàn)。研究“雙子星座”和“阿波羅”、“天空實驗室”任務(wù)中航天員的淋巴細(xì)胞，用傳統(tǒng)的Giemsa染色檢查雙著絲粒，并用2號和4號染色體探針做FISH檢測染色體互換，結(jié)果顯示在有過飛行經(jīng)歷的血樣中染色體畸變顯著增加，在細(xì)胞學(xué)上的損傷比γ射線更高。③基因組不穩(wěn)定性。它是一系列生物系統(tǒng)的變化，包括細(xì)胞死亡的延遲以及基因擴增和突變的延遲。④細(xì)胞周期改變。深空輻射可阻斷細(xì)胞周期活動及延長細(xì)胞周期，其中G2期阻滯比較普遍，輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞周期的延遲與空間高傳能線密度輻射的高低、周期依賴性激酶的表達(dá)及相關(guān)DNA損傷效應(yīng)蛋白表達(dá)的不同有關(guān)。

生物體經(jīng)過空間重粒子的照射后，有些病變要經(jīng)過相當(dāng)一段時間才表現(xiàn)出來，這就是所謂的后效應(yīng)。有學(xué)者推測，經(jīng)常在高軌道上進行長期飛行的航天員，也可能出現(xiàn)后效應(yīng)，不過目前關(guān)于空間輻射的人體效應(yīng)或致癌效應(yīng)可采用的數(shù)據(jù)資料較少，尚需進一步研究。

2.3 弱磁場對人體健康的影響

地球的磁場約50微特斯拉，是生命有機體生活環(huán)境的天然成分，它穩(wěn)定地作用在生物機體上，并且影響著許多生物的生長與代謝過程。長期行星際飛行，航天員要逐漸遠(yuǎn)離地磁場，經(jīng)受一個由正常地磁場作用向弱磁場作用的過程。粗略估計，在300 km的近地空間，磁場強度約為地面的87%。近地、遠(yuǎn)地空間的磁場強度有較大的差別，對生命體的影響也是不可忽略的重要因素之一[1]。目前，有關(guān)弱磁場對于生物體功能的影響還了解不多。但已有的研究結(jié)果提示，在遠(yuǎn)地太空地磁場消除的條件下生物體的功能狀態(tài)會被干擾。

2.4 空間飛行產(chǎn)生的社會心理問題

行為和社會問題一直都被認(rèn)為是長期飛行任務(wù)的障礙之一。長期飛行，與社會隔離、環(huán)境狹小、活動受限、特殊的人際關(guān)系以及潛在的各種風(fēng)險等都會給航天員造成極大的心理壓力。國外航天經(jīng)驗已表明長期飛行中可能出現(xiàn)不利的心理反應(yīng)，如焦慮、抑郁、思鄉(xiāng)病、人格改變、人際關(guān)系緊張、敵意等，并與記憶障礙、疲勞、神經(jīng)衰弱、睡眠障礙等醫(yī)學(xué)問題具有不可分割的關(guān)系，直接影響航天員的身心健康。特別是當(dāng)航天員在飛行到達(dá)火星或其他行星時，這種漫長的隔離、通信的滯后，將使得乘員不得不正視并解決精神方面的問題。因此在未來的太空探險中必須增加心理和社會科學(xué)的投入。

3 航天飛行健康監(jiān)測與診斷技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 航天醫(yī)學(xué)監(jiān)測

為了評價和保障航天飛行中航天員身體健康狀態(tài)，除了航天員自己報告主觀感覺外，在航天飛行中還要利用艙載設(shè)備對航天員健康狀態(tài)實施儀器醫(yī)學(xué)監(jiān)測。

美國的“阿波羅”計劃中航天員均佩戴全套生物傳感器裝備，該設(shè)備是一個腰帶裝置，穿在航天服里面。該系統(tǒng)可傳回心電圖、心率、呼吸模式和呼吸率數(shù)據(jù)?！鞍⒉_”15號飛行中，首次在生物傳感器裝備中使用了海綿小球電極，這一改進降低了早先因連續(xù)佩戴電極對皮膚的刺激，并且所獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量極佳。在月面探險活動期間，還通過對液冷服進出口溫度的監(jiān)測進行代謝率的評估。

蘇聯(lián)“禮炮”號空間站配備的醫(yī)學(xué)監(jiān)測設(shè)備有：出艙醫(yī)學(xué)監(jiān)督儀器“β-06M”、常規(guī)艙載儀器綜合體“γ-1”、身體質(zhì)量測量儀、小腿容積測量儀、電子體溫計、脈搏計、研究血清免疫球蛋白的儀器和尿液分析儀等。其確定的檢查項目有：12導(dǎo)聯(lián)心電圖檢查，腋下體溫及肺通氣狀況檢查，測量動脈血壓，顳動脈、橈動脈、股動脈脈搏波，心動圖，腦電圖，眼電圖，尿常規(guī)，肢體末梢體積圖等。在“禮炮”3號空間站上，又補充了腦血流圖分析儀、血液分析儀以及研究前庭功能、心理生理機能的裝置。

“和平”號空間站配備的醫(yī)學(xué)監(jiān)測設(shè)備有：常規(guī)艙載儀器綜合體“γ-1M”和10個補充的獨立儀器和裝置，可記錄下列生理信息：12個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)心電圖，心震圖（心音圖），心沖擊圖，超聲心動圖，顳脈搏圖，動-靜脈脈搏圖，大腿、小腿和上肢的動脈脈搏圖，動脈血壓，肝、肺、小腿和前臂的血流容積圖。為了保證“和平”號空間站航天員健康狀態(tài)常規(guī)醫(yī)學(xué)監(jiān)督，還補充使用了獨立的儀器和設(shè)備，其中包括電子體溫計、數(shù)字血壓計、體重測量儀、小腿容積測量儀、心電圖自動記錄儀、光譜光度儀（進行血液和尿生化分析）和血細(xì)胞比容測量儀等。

國際空間站上配備的醫(yī)學(xué)監(jiān)測設(shè)備是一個集多種診斷設(shè)備于一體的綜合醫(yī)學(xué)診斷系統(tǒng)，它包括指令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、常規(guī)醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備、氣體分析系統(tǒng)和超聲成像裝置等。檢查的常規(guī)項目有動脈血壓、12導(dǎo)靜態(tài)心電圖、24 h心電圖、立位耐力、心血管功能、上肢運動能力、小腿容積、身體質(zhì)量、血和尿生化分析、血細(xì)胞比容。氣體分析系統(tǒng)可評價航天員的需氧能力，測量人的代謝、心輸出量、肺氣體擴散能力、肺活量、肺功能和氮排出量。超聲成像系統(tǒng)主要用于醫(yī)學(xué)實驗，可以提供血管、心臟以及其他器官的三維成像。其他設(shè)備還有樣品收藏包、一個持續(xù)的血液加壓裝置、一個固定腳裝置和一個下體負(fù)壓裝置[1，9]。

在ESA設(shè)計的艙外航天服中，通過醫(yī)學(xué)傳感器可得到人體新陳代謝負(fù)荷、航天服呼吸氣體中CO2的含量、采用雙電極標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)檢測ECG、通過胸廓的電阻抗變化得到呼吸率、用正溫度系數(shù)探針測量皮膚溫度、用無源輻射計記錄航天員個人輻射劑量。

我國神舟飛船配備了相應(yīng)的體征參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測的體征參數(shù)包括心電、體溫、脈搏和血壓等。

3.2 空間輻射劑量的監(jiān)測與處理

美國NASA和俄羅斯航天局對空間輻射的影響都很重視。在每次飛行任務(wù)中，都配備了輻射劑量監(jiān)測儀和個人輻射劑量測量儀，測量飛行中座艙和航天員所接收的輻射劑量，并進行空間輻射生物學(xué)的研究。目前，他們已經(jīng)積累了豐富的太空輻射劑量的資料及空間輻射生物學(xué)的實驗數(shù)據(jù)。這些資料表明，在近地軌道飛行中航天員主要受到小劑量空間輻射的照射，其劑量是在醫(yī)學(xué)規(guī)定的安全范圍內(nèi)，對航天員的健康影響不大。例如，美國的“天空實驗室”4號是迄今為止美國空間飛行接受輻射劑量最高的一次飛行，它的平均日輻射劑量是0.86（mGy，90 d飛行的總劑量是77.4mGy。1989年俄羅斯“和平”號空間站在飛行期間，發(fā)生了多次太陽粒子事件，輻射劑量監(jiān)測結(jié)果表明這些事件對艙內(nèi)影響并不很大，4次事件的總劑量僅為35.5mGy。上述輻射劑量值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國和俄羅斯規(guī)定的低軌道航天員輻照限值[1]。因此，對于400km高度的低軌道載人航天，可以說太陽質(zhì)子對座艙中的影響不大，航天員在低軌道飛行時是安全的。

在中長期的行星際飛行深空探測任務(wù)中，航天員將較長期地暴露于各種輻射場的作用下，并且月球和火星具有獨特的輻射環(huán)境，輻射對人體的影響遠(yuǎn)比近地軌道飛行時為重，所以極其有必要深入進行輻射的監(jiān)測和處理。

在ESA的“HUMAX”研究中，為認(rèn)真評價人對長期行星際和行星環(huán)境的生存與適應(yīng)，在輻射對人和設(shè)備的影響研究部分，實施了以下研究活動[11]：①通過軌道器和著陸器測量，研發(fā)合適的模型，了解火星表面的輻射場及其瞬時的變化。隨著2001火星“奧德賽”任務(wù)的劑量計的安裝，火星輻射環(huán)境試驗進行了第一步。采用能譜輻射劑量計，第一次在火星軌道上測量了能量與電荷分布，以及宇宙射線劑量率。②研究在組織等效材料中的輻射修正以及潛在的如風(fēng)化層或居住地內(nèi)壁等屏蔽材料。已建造了“MATROSHKA”，它由組織等效假人組成，正在“國際空間站”上記錄輻射劑量分布。③建立太陽耀斑預(yù)警系統(tǒng)，包括在地球軌道衛(wèi)星以及火星表面上的一個觀察和警報站。④研究空間宇宙射線以及地面重離子加速單個重離子（HZE粒子）生物效應(yīng)器。這些研究為評估人在空間輻射危險程度提供了重要的依據(jù)。⑤研究輻射環(huán)境不同成分的復(fù)合作用的生物效應(yīng)以及和其他環(huán)境因素的潛在相互作用，如重力降低和其他物理因素。⑥建立人類飛往月球和火星的輻射防護準(zhǔn)則，并在涉及的國家中達(dá)成共識。

3.3 遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)診斷與治療

飛行任務(wù)中，航天員的健康是最令人關(guān)心的問題。如果在飛行中患病，特別是在關(guān)鍵的飛行任務(wù)階段患病，就會造成嚴(yán)重的后果。因此，空-地遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)診斷與治療是航天醫(yī)學(xué)保障不可分割的一部分。

3.3.1 航天疾病

早在20世紀(jì)80年代，美國就提出了航天飛行任務(wù)中航天員可能會發(fā)生的醫(yī)學(xué)問題。它們包括：①外傷：輕傷（小傷口、挫傷、擦傷、實驗期間的動物咬傷），中等傷（眼睛進入異物、深傷口或動物咬傷、腦震蕩、手和腳小骨骼骨折），重傷（長骨或下顎骨或肋骨骨折、頭骨骨折、穿透傷、胸部或腹部硬傷）；②休克：包括心律失常和燒傷（熱燒傷或化學(xué)燒傷）；③接觸有毒物質(zhì)：急性（過敏反應(yīng)、局限性肺炎、肺水腫、神經(jīng)后遺癥），慢性（局限性肺炎、神經(jīng)性疾病、胃腸系統(tǒng)疾病、雜癥）；④減壓?。虎菁毙葬t(yī)學(xué)或外科腹部疾?。@尾炎、疝氣、憩室炎、腎結(jié)石、膽結(jié)石、小腸梗阻）；⑥心肌梗死；⑦藥物反應(yīng)，包括過敏反應(yīng)；⑧環(huán)境（腸套疊、動物寄生蟲病）；⑨輻射：急性（大面積胃腸影響），慢性（中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血液癥狀、累積影響危險）；⑩牙腫、齲齒和破裂。

在載人航天發(fā)展史中，航天員已發(fā)生過的醫(yī)學(xué)問題包括：空間運動病、減壓病、前庭障礙、立位耐力降低、胃潰瘍、上呼吸道病毒感染、病毒感染、病毒性胃腸炎、嚴(yán)重耳炎、眼睛和手指受傷、瞼腺炎、癤子、接觸性皮炎、泌尿系感染、抗重力肌有萎縮病灶、頭痛、腎絞痛、心律失常、期前收縮、室性早搏、焦慮、納差、失眠等。

3.3.2 航天疾病診斷

目前，對航天中所發(fā)生的生理變化和疾病進行判斷或預(yù)測存在著一定的難度，這主要是至今還缺乏對航天時機體由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài)過程的明確認(rèn)識，對所發(fā)生的疾病也缺乏詳細(xì)的記載。當(dāng)前國際通用的航天員狀態(tài)判斷和預(yù)測的方法一般有三個階段。首先，根據(jù)航天員飛行前的身體檢查結(jié)果，生理功能性試驗，以及訓(xùn)練時個人的生理反應(yīng)等大量原始資料進行回顧；其次，綜合飛行前臨床-生理學(xué)檢查結(jié)果與實時飛行所得的資料進行判斷；最后，將身體的變化結(jié)合飛行中的物理參數(shù)、電視圖像、通話（醫(yī)學(xué)詢問）進行預(yù)測。

3.3.3 航天疾病治療

在載人航天發(fā)展史中，還未出現(xiàn)嚴(yán)重的飛行醫(yī)學(xué)疾病發(fā)生，一般的醫(yī)學(xué)問題均可以由航天員自行處理。目前的國際航天任務(wù)中，在載人飛船或“國際空間站”都裝備了艙載醫(yī)藥箱，醫(yī)藥箱內(nèi)的物品可供航天員進行初期醫(yī)學(xué)自救和互救，其裝備藥品的選擇一般以高效、廣譜和無不良副作用為原則[10]。由于空間環(huán)境中缺失重力，并缺乏開展外科治療的條件，故進一步的治療手段很難展開，如靜脈液體注射技術(shù)、胃部灌洗技術(shù)、嘔吐控制技術(shù)、患者和清洗物的外科隔離方法等。目前，尚缺乏適合行星際飛行中的有效醫(yī)療手段。

4 深空探測健康監(jiān)測與遠(yuǎn)程醫(yī)療策略

為了保障航天員在長期飛行中的健康，針對航天任務(wù)的特殊需求，應(yīng)注重將新技術(shù)手段運用于醫(yī)學(xué)監(jiān)督工作中去，尤其要注重醫(yī)學(xué)監(jiān)督的自動化，注重先進的通信技術(shù)、信息技術(shù)、人-機界面技術(shù)與醫(yī)護技術(shù)的整合，以提高醫(yī)學(xué)監(jiān)督水平。航天用醫(yī)療儀器必須具備體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點。因此，應(yīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計思想，探索各種有效的方法，按照小型化、低功耗、集成化以及適合失重環(huán)境的原則，設(shè)計和研制適用于航天領(lǐng)域的小型化、集成化的醫(yī)療儀器，并且大力發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)，應(yīng)用信息系統(tǒng)、無線電通信設(shè)備、醫(yī)學(xué)診斷和治療以及人-機界面技術(shù)的發(fā)展，為航天員提供適當(dāng)?shù)尼t(yī)護能力，這對于中長期飛行任務(wù)的成功是至關(guān)重要的。

4.1 研制集成化的航天醫(yī)學(xué)診療系統(tǒng)

航天醫(yī)學(xué)診療系統(tǒng)應(yīng)包括體征參數(shù)檢測、體液分析、醫(yī)學(xué)影像、治療與康復(fù)、信息處理等模塊，以滿足航天飛行中診療的需要。

4.2 開發(fā)飛行生物檢測技術(shù)

除了上述的利用較為成熟技術(shù)建立診療系統(tǒng)外，還可以開發(fā)可用于臨床分析、疾病檢測和微生物監(jiān)測的一些新技術(shù)，如芯片實驗室、聲表面波生物傳感器技術(shù)和表面等離子體共振生物傳感器。目前芯片實驗室已在臨床分析及疾病檢測中應(yīng)用，可以對血液、尿液及其他體液排泄物和分泌物進行檢驗分析。聲表面波生物傳感器技術(shù)可用于微生物的檢測。表面等離子體共振生物傳感器能滿足血液、尿液、唾液等體液標(biāo)本中含量極低的生物分子的檢測要求。

4.3 發(fā)展深空探測遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)

在行星際飛行的漫長旅程及特殊環(huán)境中，航天員患病的風(fēng)險大大提高，如何開展遠(yuǎn)程醫(yī)療，如何實施空間醫(yī)療救護和轉(zhuǎn)移，以及如何在空間展開外科手術(shù)等問題亟待討論和解決。鑒于深空探測任務(wù)中微重力和輻射環(huán)境對機體的影響，我國應(yīng)集中優(yōu)勢資源，開發(fā)先進的醫(yī)學(xué)診療系統(tǒng)，建立適合失重環(huán)境的醫(yī)學(xué)治療方案和技術(shù)。

5 深空探測心血管和肌肉骨骼系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)防護策略

在失重環(huán)境長時間停留可引起機體多個系統(tǒng)發(fā)生適應(yīng)性改變和一些屬于病理生理性質(zhì)的變化，其中又以失重對心血管、肌肉骨骼系統(tǒng)的不良影響對航天員健康和安全關(guān)系最大，故也最受重視。此外，在行星際飛行任務(wù)中，輻射對機體的影響和心理問題也不容忽視。目前的航天醫(yī)學(xué)防護措施主要是針對心血管及骨骼肌肉系統(tǒng)展開的，這些防護措施中既有專項鍛煉方案，也有綜合鍛煉方案。

5.1 心血管系統(tǒng)專項防護方案

5.1.1 下體負(fù)壓

下體負(fù)壓作為對抗立位耐力下降措施的研究始于20世紀(jì)60年代。研究表明，下體負(fù)壓對機體的影響主要通過人為的定量改變正常血容量和血流分布，使心血管系統(tǒng)受到高強度應(yīng)激而導(dǎo)致下肢容積及相關(guān)循環(huán)指標(biāo)的相應(yīng)改變[12]。目前可利用的下體負(fù)壓設(shè)備主要有下體負(fù)壓艙、下體負(fù)壓褲等。下體負(fù)壓暴露可恢復(fù)血漿容量，較好地對抗失重或模擬失重引起的立位耐力降低，并已在航天實踐中應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，本課題組在國內(nèi)首次提出了中長期航天飛行時下體負(fù)壓對抗失重影響方案。近年來，下體負(fù)壓和其他對抗措施（如下肢肌肉鍛煉）聯(lián)合應(yīng)用亦顯示出良好的對抗效果[13-15]。

5.1.2 套帶

此方法是在四肢的近心端戴上套帶，套帶加壓可部分阻止四肢淺靜脈回流，將相當(dāng)多的體液留于四肢，對抗失重或模擬失重時體液頭向轉(zhuǎn)移，減少血液頭向分布和刺激壓力感受器反射，維持有效血容量和心臟前負(fù)荷，一定程度上維持了心血管系統(tǒng)的正常功能。它對于減少失重時的不適感和返回后立位耐力降低有一定作用。本課題組的研究表明，加壓套帶能有效阻止頭低位模擬失重產(chǎn)生的立位耐力下降[16]。

5.2 肌肉骨骼系統(tǒng)專項防護方案

5.2.1 電刺激

電刺激是目前使用較廣泛的方法。在“和平”號空間站上，研究者在功能性電刺激方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種電極褲，使航天員下肢的4組肌肉群都得到廣泛鍛煉以對抗肌萎縮。雖然慢性電刺激可以增加肌肉活動，防治肌萎縮的發(fā)生發(fā)展，但并不能完全對抗失重條件下的肌萎縮，它對肌肉最大縮短速度和收縮速度的改變作用不明顯，也不能防止比目魚肌等長收縮力降低[1，2]。

5.2.2 機械刺激

已知刺激皮膚感受器可引起同側(cè)屈肌運動，并通過脊髓中間神經(jīng)元抑制同側(cè)伸肌活動。Layne等給飛行中的航天員穿上特殊設(shè)計的壓力靴增加足部壓力并配合上肢上舉屈曲，以增加軀體感覺傳入進而增加神經(jīng)肌肉活動，可在某種程度上改善神經(jīng)肌肉活動的階段性特征，對抗肌萎縮的發(fā)展。

5.2.3 抗阻鍛煉

抗阻鍛煉也是一種很常用的對抗措施。在失重狀態(tài)下，肌肉等長收縮會明顯減少或消失。抗阻有氧鍛煉可增加肌肉收縮運動，有效防治失重性肌萎縮，且效果因組織解剖位置及所選擇參數(shù)的不同而異?？棺桢憻挵ㄈN：等長運動、向心運動及離心運動。結(jié)果表明，同其他形式鍛煉相比，離心運動鍛煉效果更佳。研究證明，每天40min踏車運動或每天6min負(fù)重75%爬梯運動同每天1min離心機運動在1周內(nèi)的對抗效果相似。但從所耗時間來看，離心機鍛煉只用失重時間的0.035%就可使蛋白質(zhì)含量減少下降44%，所以鍛煉對抗肌萎縮時應(yīng)首先考慮離心機運動[1]。

5.2.4 振動

高頻低幅振動作為促進骨骼生長的力學(xué)刺激，已受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Rubin教授發(fā)現(xiàn)經(jīng)過振動治療后綿羊股骨的骨松質(zhì)密度在一年內(nèi)增加了34%。此項實驗表明，頻率較高、應(yīng)變量小的刺激信號（通過站立或維持身體姿勢等就可達(dá)到）可以改變骨的形態(tài)，提高骨量和改變骨結(jié)構(gòu)。另外，Robinson、Snow-Harter、Hargens等人也分別報道了運動、臥床和失重條件下骨骼反應(yīng)的臨床研究結(jié)果，證實了骨骼對物理和環(huán)境刺激的敏感性。研究發(fā)現(xiàn)，高頻率、低幅值的應(yīng)變刺激對保持和增加骨的質(zhì)量比低頻率、高幅值的應(yīng)變更有效。我國近年開展的60d頭低位臥床實驗表明，阻抗振動可以減緩頭低位臥床引起的承重骨骨密度和骨形成能力的下降。振動可能是失重性骨質(zhì)丟失的有效對抗措施之一，其方案和機制有待深入研究[2，17]。

5.3 失重生理效應(yīng)綜合防護措施

5.3.1 體育鍛煉

體育鍛煉是現(xiàn)有對抗措施的核心部分，是一種綜合鍛煉方案。體育鍛煉的目的不僅是對心血管、肌肉和骨骼是一種良好的刺激，還可以促進神經(jīng)、肌肉功能的協(xié)調(diào)，給心血管系統(tǒng)和肌肉增加適度的負(fù)荷，以減輕失重引起的心血管紊亂。采用的方法主要有自行車功量計、跑臺和企鵝服。

（1）自行車功量計 航天員進行自行車功量計鍛煉，對防止心臟功能和骨骼肌質(zhì)量的下降及呼吸功能的降低有一定作用，并可以增加循環(huán)血量，改善組織器官的血液供應(yīng)，但是它對防止礦物質(zhì)喪失和立位耐力降低的作用不大[18]。自行車功量計除用于體育鍛煉外，還可以記錄人在運動時的多種生理指標(biāo)，因此也是一種評價航天員在航天飛行中心血管功能變化的實驗設(shè)備。自20世紀(jì)70年代初以來，進行長期航天飛行的航天員都使用自行車功量計進行鍛煉，一般每天鍛煉1.5～2h，這是航天飛行中應(yīng)用最廣泛的一種鍛煉方法。

（2）跑臺 美國和前蘇聯(lián)/俄羅斯的空間站中都有跑臺裝置，它用一個彈性束帶將航天員固定在跑臺上，并施加一定的壓力。由于壓力向下施加在航天員身上，因此當(dāng)航天員在跑臺上靜立、行走、跑、跳時鍛煉了骨骼肌，并不斷壓迫骨骼，刺激了骨的重建。跑臺運動是一種全身性的運動，運動量較大，對航天員的心血管、骨骼、肌肉系統(tǒng)都是一種很好的刺激。此外，它還可以促使神經(jīng)-肌肉功能的協(xié)調(diào)，減輕航天員返回地面后的行走困難。跑臺鍛煉被認(rèn)為是當(dāng)前航天飛行中最有效的一種鍛煉方法。

（3）企鵝服 這是一種特殊的服裝，其夾層中排列著多層橡皮條。航天員穿著這種服裝，在肌肉松弛時處于一種“胎兒”狀態(tài)。在進行各種操作活動和運動時，必須克服服裝彈力的作用，這樣就鍛煉了肌肉。由于企鵝服不影響人的操作和活動，因此受到了航天員的歡迎。參加過175d和185d空間站長期飛行的蘇聯(lián)航天員，除了睡眠外都穿著這種服裝，每天大約穿 12～16h。

現(xiàn)行體育運動對抗措施也有其局限性，飛行時間越長，越加突出。主要問題如下：①對抗效果并不理想。例如，俄羅斯“和平”號空間站的資料表明，每天2～4h跑臺運動仍不能使骨密度保持正常。飛行中的體育鍛煉雖對保持航天員有氧能力與肌肉質(zhì)量和功能有一定效果，但對防止飛行后立位耐力不良卻無明顯效果。美國1997年的專門報告及俄羅斯57次長時間飛行的經(jīng)驗均支持此結(jié)論。②體育鍛煉消耗航天器內(nèi)代價高昂的生命支持物資數(shù)量過多，對長期載人航天不利。在失重環(huán)境，僅通過以運動為主的對抗措施來使身體各組織局部應(yīng)力和應(yīng)變分布均恢復(fù)到與地面1g重力時相同的狀態(tài)幾乎是不可能的?，F(xiàn)行對抗措施未能取得滿意效果可能與此有關(guān)。

5.3.2 人工重力

由于人工重力可以模仿自然的1g重力環(huán)境，因此它被認(rèn)為是一種能夠解決失重不利影響的最有效的多系統(tǒng)對抗措施，其對骨骼、肌肉、心血管功能、肌力減弱、感覺運動和神經(jīng)前庭功能紊亂等都能提供有益的防護。由于人體保持健康的狀態(tài)并不一定需要每天24h的連續(xù)重力，因此，使用短臂離心機提供間斷性人工重力的方案理論上是可行的。

短臂離心機上的人工重力是通過向心運動產(chǎn)生的。旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)速度決定了向心加速度的大小。迄今為止的國內(nèi)外地面模擬實驗和太空中進行的利用短臂離心機產(chǎn)生人工重力對抗實驗都主要集中在對心血管、骨骼肌肉系統(tǒng)的研究上。目前多項研究表明[19-25]，人工重力聯(lián)合運動鍛煉可以提高心率、血壓；可明顯改善心臟泵血功能，維持短期失重情況下的心血管自主神經(jīng)功能，對防止航天飛行后立位耐力不良的出現(xiàn)有較好效果。此外，地面臥床實驗表明，短臂離心機訓(xùn)練可維持20d臥床實驗期間的大腿肌肉體積；2.0～2.5G、15～30min 短臂離心機訓(xùn)練足以阻止骨質(zhì)脫鈣。

目前人工重力需要闡明的問題是，在長期飛行中應(yīng)提供多大、多長和多少次的重力刺激，才能維持航天員近似地面重力環(huán)境時生理系統(tǒng)的正常功能狀態(tài)，特別是心血管、肌肉和骨骼系統(tǒng)對重力刺激的反應(yīng)性有著較為明顯的區(qū)別。研究顯示，刺激強度與生理反應(yīng)有著倒“U”字的關(guān)系：強度較小時沒有反應(yīng)，中間是適度刺激范圍，太多的刺激帶來反應(yīng)下降或者沒有反應(yīng)。此外，短臂離心機如何在載人飛船中安裝和使用也是工程上需要解決的問題。

5.4 中醫(yī)藥的應(yīng)用

我國中醫(yī)藥主要是通過改善機體的調(diào)節(jié)功能、增強機體對外界環(huán)境的適應(yīng)能力而提高防病抗病能力。中醫(yī)藥與航天醫(yī)學(xué)相結(jié)合極大地豐富了其應(yīng)用范圍，同時為航天醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的思路。近年來，我國的航天醫(yī)學(xué)工作者根據(jù)失重對不同生理系統(tǒng)的影響，以中醫(yī)辨證的理論為基礎(chǔ)，開展了中藥防護措施的研究，取得了一定成效。提出了載人航天不同時相的中醫(yī)病機假說和中醫(yī)藥防護原則，制定了干預(yù)方藥，通過觀察方藥對模擬航天不同生理適應(yīng)期的人體模型和動物模型的調(diào)節(jié)效用，驗證了航天不同時相的中醫(yī)病機假說及其防治理論的合理性和有效性[26]。但是，要真正將中醫(yī)藥應(yīng)用于航天，尚需進行航天條件下的中醫(yī)辨證以及中藥的藥效、藥代、毒理研究及劑型改進等工作，制訂合理的防護措施。

5.5 建立仿真計算機數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)

模型與仿真是使重力生理學(xué)研究由分析轉(zhuǎn)向綜合，由描述性轉(zhuǎn)向預(yù)測性的重要手段。美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯在20世紀(jì)70年代，即已開始了這方面的工作，涉及循環(huán)與體液、電解質(zhì)調(diào)節(jié)、紅細(xì)胞生成調(diào)節(jié)、心血管調(diào)節(jié)、鈣穩(wěn)態(tài)、體溫調(diào)節(jié)、呼吸、神經(jīng)-前庭系統(tǒng)及空間藥理學(xué)等領(lǐng)域。仿真計算機數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)在空間生物醫(yī)學(xué)研究中具有以下特殊用途：①可對擬在航天中進行的研究方案進行預(yù)測，以完善計劃，降低費用；②可由少量測得的生理數(shù)據(jù)，估算出很難（或根本不可能）直接測得的生理數(shù)據(jù)；③可用于航天器環(huán)境控制系統(tǒng)與航天員出艙活動服裝的計算機輔助設(shè)計；④可將大量知識綜合在一個程序的結(jié)構(gòu)之中，驗證對真實系統(tǒng)的了解程度，提出新假說以指導(dǎo)下一輪地面與空間研究。

由于數(shù)學(xué)模型具有很多優(yōu)點，近年來在生理學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。美國NASA借助“天空實驗室”所取得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用黑箱理論建立了在失重狀態(tài)下人體心血管系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)血流量計算出循環(huán)系統(tǒng)的變量，其發(fā)展經(jīng)歷了由黑箱模型到白箱模型的歷程。俄羅斯Lishchuk應(yīng)用力學(xué)理論研究失重狀態(tài)下心血管系統(tǒng)的反應(yīng)，建立了集總參數(shù)模型對所研究對象內(nèi)部按功能分區(qū)研究，然后再將各部分集總建立系統(tǒng)的總體模型，模型具有較強的實用性，但精確度不夠高，這屬于灰箱模型的范疇。郝衛(wèi)亞等用人體集總參數(shù)模型研究了失重對血壓的影響，其模型預(yù)測當(dāng)血容量減少超過約15%時，收縮壓隨著血容量減少而明顯降低，舒張壓的變化與血容量的減少量十分密切。馮岱雅等根據(jù)航天員標(biāo)準(zhǔn)人體生理參數(shù)，利用pspice語言建立了適用于各種重力環(huán)境下人體血液循環(huán)系統(tǒng)的計算機仿真模型，模擬了失重前后不同重力環(huán)境下血壓、血流量的變化，血容量減少對人體血液循環(huán)系統(tǒng)的影響以及腦血流量與壓力感受器壓力的變化。Akulov等用數(shù)學(xué)模型的方法揭示了短臂離心機對人體腿部血管的特殊作用，詳細(xì)闡述了重力和慣性力暴露時，局部重力載荷和局部流體靜壓的變化。資料顯示，局部流體靜壓與旋轉(zhuǎn)半徑的平方相關(guān)；大血管的不規(guī)則振動引起了血液科里奧利加速度對血管壁的作用；人體的g耐力與g值加載時身體軸向、加載速度以及個體差異有關(guān)[1，27]。

總之，仿真計算機系統(tǒng)能夠較好地模擬不同重力條件環(huán)境下人體相應(yīng)指標(biāo)的變化，具有花費小、無損傷、易于開展等優(yōu)點，是對航天醫(yī)學(xué)實驗的有力補充，更有利開展深空環(huán)境對于人體的影響及相關(guān)機制的研究。

6 結(jié)束語

綜上所述，在深空探測任務(wù)中，航天員將在失重和低重力環(huán)境中停留更長時間，面臨更多和更強的宇宙射線的侵害，可能還會受到低磁場的影響。同時，航天員在遠(yuǎn)離地球的飛行任務(wù)中還會面對突發(fā)疾病的診斷和處理等問題。而現(xiàn)有的航天醫(yī)學(xué)技術(shù)，還不能完全有效地解決這些難題。為此，進行針對性的航天醫(yī)學(xué)技術(shù)研究，提出和制訂行星際航天飛行條件下的健康和醫(yī)學(xué)保障方案將是航天醫(yī)學(xué)界的一項重要任務(wù)。在我國載人航天發(fā)展計劃中，需要對我國未來深空探測任務(wù)的研究提前布局，通過開發(fā)新技術(shù)和新方法，保證我國航天員在未來的飛行任務(wù)中能夠健康、安全和高效地工作?！?/p>

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