对长期飞行任务中航天员医学防护问题的思考

孙喜庆，张 舒，耿 捷，王永春

（第四军医大学航空航天医学院，西安710032）

1 引言

人类载人航天活动取得了巨大成就，极大地促进了生产力的发展，对社会文明进步产生了重大而深远的影响。深空探测是向更广阔的太阳系空间进行的探索，是人类社会物质和精神文明发展的需要，是科学技术进步的必然趋势。深空探测的重点是月球与火星，而对巨行星的卫星、小行星与彗星则侧重探测水体与生命活动信息，探讨太阳系生命的起源与变化。近年来，航天大国和集团提出了新的、更高的太空探索目标，如再次登月、建立月球基地、火星探测、外空生命搜寻等。美国于2010年宣布，将全面放弃旨在重返月球的“星座计划”，而将火星作为美国载人航天计划的目的地，希望在本世纪30年代中期将航天员送上火星。俄罗斯航天局2007年宣布，拟于2025年以前实现航天员登月，2027-2032年在月球建立永久性基地。而欧洲航天局（ESA）则把空间探索的重点放在一系列深空探测计划上。作为亚洲国家的日本、印度、韩国等把太空探测的目标定在了登月上。《2011年中国的航天》白皮书提出未来五年载人航天、月球探测、对地观测将成为中国航天计划的重要内容。

深空探测活动中，无论是登陆月球、火星，还是在这些星球上建立人类能够生存的基地，航天员作为完成各项科研和探索任务的执行者和指挥者，是载人深空探测系统的核心。如何保障航天员的健康、安全和高效工作成为载人航天医学研究的首要任务。特别是在进行月球和火星的探索和基地建设中，需要航天员在失重和低重力环境下停留更长的时间，面临更多和更强的宇宙辐射侵害。因此，面对深空探测的不同环境特点，航天员将会面临哪些新的风险，以及如何有效地提出和制定行星际航天飞行条件下健康和医学保障方案是亟待解决的问题。本文在分析整理各国资料的基础上，结合我国航天医学发展的实际，综述深空探测对人体的影响，从医学监测和防护技术角度对行星际航天飞行时保障航天员的健康安全提出建议，为我国航天事业未来发展提供参考。

2 深空探测影响人体健康的因素

在50多年的载人航天发展史中，人类的载人航天计划大致可以分为三个阶段：短期载人轨道飞行阶段、探月轨道飞行和登月阶段、中长期载人轨道飞行阶段。

在短期载人轨道飞行、探月轨道飞行和登月这两个阶段的载人航天计划实施中，美国和前苏联两国广泛积累了航天员在飞行前、中、后发生生理变化的数据，重点是研究失重对航天员心血管系统、前庭系统和工作能力的影响。结果发现，进入失重环境会引起空间运动病和空间定向障碍，返回地面1G重力环境后立位耐力降低与运动能力减退，以及飞行后检测出血浆量与红细胞质量减少、脱水、骨钙与肌氮丢失、跟骨密度降低等现象。

20世纪70年代以后，载人航天计划进入中长期载人轨道飞行阶段，苏联率先发展了可在空间长时间停留的空间站。美国也发展了实验性空间站，并从1987年开始，联合16个国家建设了国际空间站。在这个阶段中，航天医学研究的重点是中长期轨道飞行对人体的影响，特别是失重生理效应，并发展了相应的对抗措施。

进入21世纪，随着科学技术的迅猛发展和太空战略地位的提高，深空探测任务成为各国航天计划的首选目标，载人航天即将进入第四阶段：行星际飞行和星球基地建设阶段，主要包括火星探测、月球和火星基地的建立等。在这一阶段，人类将面对宇宙更为深刻的影响，航天医学也面临更为巨大的挑战。

本世纪的深空探测以月球探测和火星探测为主。月球和火星的环境与地球差别很大[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，基本上没有大气；月表温差可以达到300℃以上；月球没有明显的磁场存在，不及地球磁场的1/1000。火星引力约是地球引力的3/8；火星大气非常稀薄，只有地球空气密度的1%，其主要成分是CO2；火星异常寒冷，昼夜温差达100℃以上；火星上无磁场，表面辐射剂量比地球高许多倍。

在未来行星际航天飞行中，鉴于深空环境的特殊性和航天员远离地球的长期性等客观因素，应深刻认识到在深空探测中失重效应和辐射效应对机体产生的不利影响，特别是失重导致的骨质丢失、肌肉萎缩、心血管功能下降以及电离辐射导致的后效应，将严重威胁航天员的健康和工作能力，影响深空探测任务的顺利实施。此外，心理问题也是制约长期飞行任务的重要因素之一。因此，在现阶段，应结合我国载人航天发展规划，针对这些问题开展科研协作攻关，为未来行星际飞行任务的顺利开展奠定基础。

2.1 失重对人体健康的影响

重力变化是载人航天飞行中影响人体健康的关键因素。根据50多年的科学研究，对太空失重环境给人体带来的影响有了基本的认识，总结出一些规律，得出两点一致的看法：①人至少可以适应一年多的失重环境，此时间内失重所引起的生理变化在返回地球后经过一段时间是可以恢复的。②失重时各生理系统变化的潜伏期、持续时间和反应程度是不同的。空间运动病在一进入失重环境就出现，3d左右最明显，1周内基本消失；体液和电解质的反应稍后；心血管系统的最大反应在3周左右；红细胞质量的下降在飞行1个月时达到最严重的程度。以上四个系统的变化在达到最大值后逐渐下降至一种新的、适应失重环境的水平。而骨质丢失和肌肉萎缩随着飞行时间的延长有逐渐加重的趋势[1，2]。

目前，在航天任务中仍有半数以上的航天员发生了程度不同的“空间适应综合征”，直接影响了航天员的工作能力。而在未来的深空探测中，一方面，航天员在飞行中停留的时间将更长；另一方面，在登陆火星并建立基地的过程中，航天员是否能很快的再适应火星的低重力仍未可知。因此，行星际飞行的深空探测中，太空的失重或低重力环境对人体到底会产生哪些影响？如何克服这些影响，从而保证航天员在长期飞行和登陆到其他星球时的健康与安全仍是航天医学的关键问题和今后研究的重点。

2.1.1 心血管系统的变化

在航天任务中，心血管系统的最大反应在3周左右，在6～8周可以达到较为稳定的、适应失重环境的水平[1-3]。中长期行星际飞行对人体的主要影响是心血管系统功能变化导致的立位耐力和运动耐力不良。

（1）心率变化 在飞行中，航天员的心率一般都高于飞行前水平，且在长期飞行时有增加的趋势。

（2）血压变化 体循环动脉血压在飞行中变化不大，但飞行中负荷实验时变化较飞行前大。颈静脉压在飞行第1个月增高1.5～4倍，第2个月有下降趋势，甚至低于飞行前水平。

（3）心电图变化 飞行中心电图的变化比较明显，一些航天员在飞行中出现T波下降和心律失常，尤其运动、下体负压、出舱活动时更易诱发这些变化。例如，前苏联参加长期飞行的16名“和平”号空间站上的航天员，飞行中都出现T波幅度的降低。“阿波罗”15号登月舱的航天员在轨道飞行和月球表面工作时出现多发性期前收缩，“联盟TM2-和平”号航天员拉金，在飞行第5个月因出现多发性期前收缩，被迫终止飞行，提前返回地面。以上结果提示失重或模拟失重可能诱发心脏疾病。

（4）心脏功能变化 研究结果表明，飞行引起了心肌质量的减少。如用超声心动图测量两名飞行了84d的航天员，左室心肌的估计质量减少8%，室壁厚度无明显改变，30d后一些变化才恢复到飞行前水平。用核磁共振技术检查4名参加D-2飞行的航天员的心脏，也发现飞行后心肌质量减少。“天空实验室”的航天员在航天飞行后卧位、运动和下体负压时都有明显的心脏射血期缩短、等容收缩期延长的现象。

（5）立位耐力降低 几乎所有的航天员在飞行中和飞行后都出现明显的立位耐力下降。立位耐力降低的主要表现是在进行与飞行前相同的立位负荷检查（立位和下体负压）时，出现更明显的心率、外周阻力增加，血压、每搏量和脑血管充盈度的下降，晕厥的人数增加。飞行后进行立位检查时，约有40%～50%的航天员不能完成试验。

（6）心率变异性变化 俄罗斯航天员玻利亚可夫于1994—1995年在“和平”号空间站第15～17次任务中所完成的连续飞行时间，已经与火星飞行所需的时间相当。这一创纪录的飞行，时间长达438d。研究显示，在接近飞行第7个月时，自主神经系统交感神经和迷走神经张力均增加，这可能是对血管舒缩中枢活性降低的应答，试图保持动脉血压的稳定。在飞行的第8～9个月，在自主神经系统两部分张力降低的背景下，可发现血管舒缩中枢的活性显著增强。最后，自主神经系统交感神经张力在飞行第11～12个月再度增强，作为对血管舒缩中枢活性降低的应答。

2.1.2 肌肉系统的变化

失重环境下，航天员维持姿态和举物不需要克服重力的作用，造成肌肉功能负荷的降低。同时在飞行任务中航天员的活动减少，肌肉系统尤其是抗重力肌可出现明显的废用性萎缩，并且这种变化随着飞行时间的延长有逐渐加重的趋势。

（1）肌肉质量下降 在失重环境下数日即会出现肌肉发生萎缩变化，表现为肌肉质量和体积的减小，并且随飞行任务的延长而呈现持续、缓慢的下降。

（2）肌肉形态变化 在失重环境下，抗重力肌和慢肌萎缩较为明显。表现为肌纤维直径缩小；慢肌向快肌转化，慢型肌纤维数量减少，含快型肌球蛋白纤维的数量增多，但总的纤维数量不变；收缩蛋白数量减少，肌动蛋白细丝密度的减少程度要较肌球蛋白粗丝更为严重。一般是伸肌率先发生萎缩，“和平”号空间站的观察表明，6个月的飞行任务后航天员屈肌的萎缩程度才与伸肌的萎缩相接近[1，2，4]。

（3）肌肉力量变化 失重可引起肌肉工作能力、力量和耐力下降。失重飞行7～10d，80%航天员的手肌力量减少4～22kg，腿肌力量的减少比手肌更多。“联盟”9号两名航天员飞行18d后，手肌力量没有变化，但躯干力量分别减少40kg和65kg。利用测力计评定“礼炮”6号航天员长期飞行后肌群的力量和速度，发现小腿后部肌群易疲劳无力，背阔肌和斜方肌萎缩，腓肠肌及胫前肌肌力减退。头低位卧床模拟失重4个月，志愿者小腿三头肌所有的力学特征都明显下降：单收缩力下降34%，自动收缩力下降36%，诱发等长收缩力下降34%，最大收缩时间、半舒张时间和总收缩时间延长。

肌肉的废用性萎缩不仅影响肌肉系统本身，而且影响到航天员的其他系统。如它也是引起航天员心血管功能失调、运动协调能力下降、骨质疏松等变化的重要原因。飞行中肌力下降的程度与飞行任务中的锻炼程度有关，增加运动时间和运动量可以减少肌力的下降。

2.1.3 骨骼系统的变化

失重环境下，骨骼不再承受人体的重量，加上肢体运动量减少，减轻了对骨骼的刺激，可出现显著的骨质丢失现象，表现为骨骼密度降低，骨骼矿物质丧失。并且骨骼的这种变化没有自限性，其随飞行任务的延长而持续存在。在短期航天飞行任务中，骨质丢失还未引起严重后果，但在中长期飞行任务中，其影响和危害则较为严重。航天员在“和平”号空间站3～6个月飞行期间，承重骨局部骨矿物质的丢失率可达到每月1%～2%。

（1）骨骼密度降低 航天失重环境中人体的骨骼密度变化主要发生在承重骨，包括脊柱，骨盆和下肢的股骨、胫骨、趾骨、跟骨等。以下是在采用了体育锻炼等防护措施后得到的实验数据：飞行4.5～6个月的11名“和平”号航天员飞行后骨矿物质密度的变化结果显示，与飞行前相比，飞行后整个骨骼系统的骨密度轻度下降，但不同部位骨骼的变化是不一致的。头部和上臂的骨骼密度出现骨密度的增高，其他部位骨骼出现程度不同的下降，其中骨盆的下降最明显。苏联“联盟”9号两名航天员飞行后第2 d跟骨密度分别下降8.5%和9.6%。“礼炮”6号航天员在175d飞行后，2名航天员跟骨密度分别减少8.2%和3.2%，184d飞行后下降7%。7名飞行150～327d的苏联“和平”号航天员飞行前后腰椎骨密度变化结果表明，失重对腰椎密质骨的影响大于松质骨[1，2]。

（2）负钙平衡 失重可影响体内钙和磷的代谢，血钙、尿钙和粪钙增高，出现钙的负平衡。通常血钙的增加较少，粪钙和尿钙的排出明显增加。

2.1.4 血液系统的变化

中长期失重环境下，血液系统的变化主要表现为：血浆容量减少，红细胞质量降低和数量下降，血红蛋白浓度下降。

（1）血浆容量减少 航天飞行后航天员的血浆容量减少的程度可达到16%（约250 ml）。在“天空实验室”的28d、59d和84d飞行任务中，航天员的血浆容量分别平均减少了9.0%、13.1%和15.9%。在地面模拟失重实验中观察到类似的变化。

（2）红细胞质量降低 红细胞质量是指在全血容积中红细胞所占的容积。飞行中红细胞容积有规律性地减少，在持续飞行40～60d时下降变化达到最大值。在“天空实验室”的28d、59d和84d飞行任务中，航天员的红细胞质量分别平均减少了14%、13%和7%。

（3）红细胞数量下降 飞行中航天员血液中红细胞的数量也明显下降，下降程度与飞行时间无关。在“天空实验室”的28d和59d飞行任务中，航天员的红细胞总数分别平均减少了14.3%和12.2%。

（4）血红蛋白浓度下降 航天飞行中航天员血液中血红蛋白浓度也明显下降。苏联航天员在30d、49d、63d、96d、140d 和 175d 的飞行中，血红蛋白浓度分别平均减少了16%、31%、20%、26%、14%和18%。从血红蛋白变化来看，140d和175d飞行同30d和49d飞行相比，血红蛋白减少的程度变轻。这可能是由于红细胞的寿命约为120d，而在140 d以上的飞行中，已成熟的新生红细胞进入人体血液，这可能是血红蛋白略有回升的原因。

2.1.5 免疫功能的变化

飞行任务可导致某些免疫学参数的改变，表现为细胞免疫功能下降，体液免疫功能变化较小，潜在的病毒可被重新激活。

（1）细胞免疫功能下降 飞行中，航天员白细胞和中性粒细胞数量明显增加，NK细胞数目减低，单核细胞和B淋巴细胞变化不明显。另有研究发现，飞行中，T淋巴细胞、NK细胞、中性粒细胞、树突状细胞和巨噬细胞的活性受到了明显影响，一些重要细胞因子的表达下降，这些变化可能都会导致免疫功能减低，机体抗病能力减弱。如飞行1年的两名苏联航天员，飞行后淋巴细胞的PHA反应降低，具有高RNA合成速度的细胞从飞行前的23.2%～25.2%下降到飞行后的12.8%～14.0%，飞行后1周开始恢复，但一名航天员在飞行两个月后仍有T淋巴细胞活性的降低[1，5，6]。

（2）体液免疫功能变化 体液免疫主要指免疫球蛋白所执行的免疫反应。飞行中和飞行后测试的结果是免疫球蛋白的含量不变或升高。免疫球蛋白的升高可能与飞行中的疾病、应激反应有关。长期飞行所引起的肌肉萎缩和骨质脱钙也可以引起自身抗体分泌的增加。“阿波罗”在各次飞行后发现，短期飞行不会影响总的免疫球蛋白水平，而长期飞行后总免疫球蛋白增加。“礼炮”5号飞行49d后，血清中免疫球蛋白IgA、IgG、IgM的浓度增加，表明失重对体液免疫功能的影响不是下降，而是维持正常或有所增高。总的来说，飞行和模拟失重条件下，人体循环免疫球蛋白和补体水平未发生显著性变化，机体体液免疫功能变化较小。

（3）病毒激活现象 飞行中，航天员体内的带状疱疹病毒可被重新激活，导致病毒感染。航天员血循环巨细胞病毒和EB病毒抗体滴度增加，尿液中巨细胞病毒数量增多。飞行前后8名航天员的水痘病毒感染情况研究发现，312个唾液标本中，航天飞行前的112个标本中只有1个阳性，飞行期间和飞行后的200个标本中有61个呈现阳性，提示失重环境中潜在的病毒可被重新激活。

2.1.6 内分泌系统的变化

目前认为，飞行任务可使垂体-肾上腺皮质轴功能增强，肾上腺分泌旺盛。在创纪录的438d航天飞行中观察到，在飞行中第170、287和430d的激素调节变化，引起人们极大的兴趣。具体表现为：在飞行的第170d，肾上腺素和去甲肾上腺素浓度较飞行前水平高出4倍，较飞行中第287d高出3倍；而在飞行的第287d，血中醛固酮浓度与飞行前相比显著增高。由此可见，尽管在飞行中未出现内环境稳定的失衡，但机体调节系统在飞行中“积极”工作着。“天空实验室”84d飞行任务中，航天员血浆胰岛素含量在大部分时间中比飞行前低，特别是在失重1个月后就一直维持在一个较低水平上。D-2飞行任务中发现航天员的生长激素活性升高，雄激素分泌水平下降，但这种降低在回到地面环境后的2周内恢复到正常水平。地面实验观察到，在模拟失重过程中胰岛素敏感度降低[1，2，7]。

2.2 空间辐射对人体健康的影响

2.2.1 空间辐射的分类及特点

地球外层空间的辐射环境是威胁载人航天安全的重要物理因素之一，是仅次于微重力的环境危险因素。空间辐射分为电磁辐射和电离辐射：①电磁辐射包括无线电波、微波、红外光、可见光和紫外光等。这类辐射贯穿物质的能力很差，对人体伤害较小。②电离辐射能直接或间接地使物质电离或激发，如各种带电粒子、中子或X、γ射线等。电离辐射贯穿物质的能力很强，可使物体材料及生物细胞受到损害，对载人航天有较大影响。自然电离辐射源主要有三类，即银河宇宙射线、太阳粒子事件与地磁捕获辐射。

2.2.2 空间辐射的主要医学效应

载人航天中的空间辐射生物学效应主要有两类：急性效应和后效应。急性效应主要来自太阳粒子事件，可引起恶心呕吐、腹泻、便血、脱水、虚脱和休克等急性效应，甚至导致人员死亡。当航天员在月面居住舱外活动时间较长又缺乏适当的屏蔽时，就易于受到此效应的困扰。后效应则是长期小剂量照射产生的后发效应。在各种后效应中又以癌症最危险，其次是中枢神经系统的损伤，第三是遗传效应。在载人航天技术发展的初期比较注意人体特殊器官的急性效应，即电离辐射对某些组织的非随机的直接损伤。但近年来，随着载人航天经验的积累，更注重随机的小剂量辐射引起的后效应。

载人航天飞行时，有时会遇到电离辐射的短期大剂量照射，如太阳耀斑、航天器上核反应的紧急抢修以及多次穿越地磁捕获辐射带等。急性效应的严重程度与受照射剂量的大小有着密切关系。一般而言，所受剂量越大，急性效应越严重。急性全身辐射的早期效应是发生恶心和呕吐，根据所受照射剂量的不同，其发生率及出现和持续时间亦有不同。急性效应中的血液学效应包括血小板减少、白细胞减少、出血和感染等症状。这些症状通常在照射后的几天至1周内出现。血液系统的效应在很大程度上取决于辐射对骨髓和淋巴组织的损伤情况。航天员在舱外活动的情况下，受到空间辐射的作用引起皮肤反应，辐射剂量越大，皮肤的损伤程度越严重。性腺也是对射线敏感的器官，但迄今尚未发现已参加过航天飞行的航天员在生殖能力方面有明显变化。大剂量的空间辐射还可引起所谓的“中枢神经系统综合征”，即由于中枢神经系统的血管休克、脑水肿和缺氧所致的人的工作能力下降。

近年来，国外对空间辐射的研究主要集中于空间重粒子的生物效应。空间重粒子是高轨道上宇宙射线中的强电离成分，原子序数一般大于2，能量都在50 MeV/核子以上。空间重能粒子大部分来自银河宇宙射线，其余来自太阳宇宙射线。重能粒子不同于其他粒子，其电离能力强，沿粒子径迹会产生很大的能量沉积，从而造成生物细胞的破坏，甚至一个重粒子就能对细胞产生明显损伤。在“阿波罗”计划的5次飞行中有15名航天员感觉到不规则的闪光和光线，平均间隔2～3min，睁眼和闭眼时都有。通过地面模拟实验，确定上述闪光实际上就是空间高能重粒子通过视网膜时产生的。高能重粒子除引起闪光外，还能损伤眼睛角膜，会在角膜上皮细胞上形成小微孔。随着传能线密度的增加，微孔的直径也增大[1，2，8]。因此，如果航天员经常参加高轨道飞行，患白内障的可能性是不能排除的。空间重粒子最严重的危害是致癌作用。

长期的空间实验及离体哺乳动物细胞实验发现，辐射会产生以下生物学效应：①DNA双链断裂。其中重离子辐射造成的DNA双链断裂与粒子注入量呈线性正相关关系，即随粒子注入量值增大，DNA双链断裂的量也逐渐上升，可造成细胞死亡，引起细胞变异、细胞的异常增殖。②染色体畸变。空间的高传能线密度辐射可诱导复杂的重排，还可引起染色体互换，并造成无端粒染色体的出现。研究“双子星座”和“阿波罗”、“天空实验室”任务中航天员的淋巴细胞，用传统的Giemsa染色检查双着丝粒，并用2号和4号染色体探针做FISH检测染色体互换，结果显示在有过飞行经历的血样中染色体畸变显著增加，在细胞学上的损伤比γ射线更高。③基因组不稳定性。它是一系列生物系统的变化，包括细胞死亡的延迟以及基因扩增和突变的延迟。④细胞周期改变。深空辐射可阻断细胞周期活动及延长细胞周期，其中G2期阻滞比较普遍，辐射诱导的细胞周期的延迟与空间高传能线密度辐射的高低、周期依赖性激酶的表达及相关DNA损伤效应蛋白表达的不同有关。

生物体经过空间重粒子的照射后，有些病变要经过相当一段时间才表现出来，这就是所谓的后效应。有学者推测，经常在高轨道上进行长期飞行的航天员，也可能出现后效应，不过目前关于空间辐射的人体效应或致癌效应可采用的数据资料较少，尚需进一步研究。

2.3 弱磁场对人体健康的影响

地球的磁场约50微特斯拉，是生命有机体生活环境的天然成分，它稳定地作用在生物机体上，并且影响着许多生物的生长与代谢过程。长期行星际飞行，航天员要逐渐远离地磁场，经受一个由正常地磁场作用向弱磁场作用的过程。粗略估计，在300 km的近地空间，磁场强度约为地面的87%。近地、远地空间的磁场强度有较大的差别，对生命体的影响也是不可忽略的重要因素之一[1]。目前，有关弱磁场对于生物体功能的影响还了解不多。但已有的研究结果提示，在远地太空地磁场消除的条件下生物体的功能状态会被干扰。

2.4 空间飞行产生的社会心理问题

行为和社会问题一直都被认为是长期飞行任务的障碍之一。长期飞行，与社会隔离、环境狭小、活动受限、特殊的人际关系以及潜在的各种风险等都会给航天员造成极大的心理压力。国外航天经验已表明长期飞行中可能出现不利的心理反应，如焦虑、抑郁、思乡病、人格改变、人际关系紧张、敌意等，并与记忆障碍、疲劳、神经衰弱、睡眠障碍等医学问题具有不可分割的关系，直接影响航天员的身心健康。特别是当航天员在飞行到达火星或其他行星时，这种漫长的隔离、通信的滞后，将使得乘员不得不正视并解决精神方面的问题。因此在未来的太空探险中必须增加心理和社会科学的投入。

3 航天飞行健康监测与诊断技术现状

3.1 航天医学监测

为了评价和保障航天飞行中航天员身体健康状态，除了航天员自己报告主观感觉外，在航天飞行中还要利用舱载设备对航天员健康状态实施仪器医学监测。

美国的“阿波罗”计划中航天员均佩戴全套生物传感器装备，该设备是一个腰带装置，穿在航天服里面。该系统可传回心电图、心率、呼吸模式和呼吸率数据。“阿波罗”15号飞行中，首次在生物传感器装备中使用了海绵小球电极，这一改进降低了早先因连续佩戴电极对皮肤的刺激，并且所获得的数据质量极佳。在月面探险活动期间，还通过对液冷服进出口温度的监测进行代谢率的评估。

苏联“礼炮”号空间站配备的医学监测设备有：出舱医学监督仪器“β-06M”、常规舱载仪器综合体“γ-1”、身体质量测量仪、小腿容积测量仪、电子体温计、脉搏计、研究血清免疫球蛋白的仪器和尿液分析仪等。其确定的检查项目有：12导联心电图检查，腋下体温及肺通气状况检查，测量动脉血压，颞动脉、桡动脉、股动脉脉搏波，心动图，脑电图，眼电图，尿常规，肢体末梢体积图等。在“礼炮”3号空间站上，又补充了脑血流图分析仪、血液分析仪以及研究前庭功能、心理生理机能的装置。

“和平”号空间站配备的医学监测设备有：常规舱载仪器综合体“γ-1M”和10个补充的独立仪器和装置，可记录下列生理信息：12个标准导联心电图，心震图（心音图），心冲击图，超声心动图，颞脉搏图，动-静脉脉搏图，大腿、小腿和上肢的动脉脉搏图，动脉血压，肝、肺、小腿和前臂的血流容积图。为了保证“和平”号空间站航天员健康状态常规医学监督，还补充使用了独立的仪器和设备，其中包括电子体温计、数字血压计、体重测量仪、小腿容积测量仪、心电图自动记录仪、光谱光度仪（进行血液和尿生化分析）和血细胞比容测量仪等。

国际空间站上配备的医学监测设备是一个集多种诊断设备于一体的综合医学诊断系统，它包括指令和数据处理系统、常规医学诊断设备、气体分析系统和超声成像装置等。检查的常规项目有动脉血压、12导静态心电图、24 h心电图、立位耐力、心血管功能、上肢运动能力、小腿容积、身体质量、血和尿生化分析、血细胞比容。气体分析系统可评价航天员的需氧能力，测量人的代谢、心输出量、肺气体扩散能力、肺活量、肺功能和氮排出量。超声成像系统主要用于医学实验，可以提供血管、心脏以及其他器官的三维成像。其他设备还有样品收藏包、一个持续的血液加压装置、一个固定脚装置和一个下体负压装置[1，9]。

在ESA设计的舱外航天服中，通过医学传感器可得到人体新陈代谢负荷、航天服呼吸气体中CO2的含量、采用双电极标准监测技术检测ECG、通过胸廓的电阻抗变化得到呼吸率、用正温度系数探针测量皮肤温度、用无源辐射计记录航天员个人辐射剂量。

我国神舟飞船配备了相应的体征参数监测设备，监测的体征参数包括心电、体温、脉搏和血压等。

3.2 空间辐射剂量的监测与处理

美国NASA和俄罗斯航天局对空间辐射的影响都很重视。在每次飞行任务中，都配备了辐射剂量监测仪和个人辐射剂量测量仪，测量飞行中座舱和航天员所接收的辐射剂量，并进行空间辐射生物学的研究。目前，他们已经积累了丰富的太空辐射剂量的资料及空间辐射生物学的实验数据。这些资料表明，在近地轨道飞行中航天员主要受到小剂量空间辐射的照射，其剂量是在医学规定的安全范围内，对航天员的健康影响不大。例如，美国的“天空实验室”4号是迄今为止美国空间飞行接受辐射剂量最高的一次飞行，它的平均日辐射剂量是0.86（mGy，90 d飞行的总剂量是77.4mGy。1989年俄罗斯“和平”号空间站在飞行期间，发生了多次太阳粒子事件，辐射剂量监测结果表明这些事件对舱内影响并不很大，4次事件的总剂量仅为35.5mGy。上述辐射剂量值都远远低于美国和俄罗斯规定的低轨道航天员辐照限值[1]。因此，对于400km高度的低轨道载人航天，可以说太阳质子对座舱中的影响不大，航天员在低轨道飞行时是安全的。

在中长期的行星际飞行深空探测任务中，航天员将较长期地暴露于各种辐射场的作用下，并且月球和火星具有独特的辐射环境，辐射对人体的影响远比近地轨道飞行时为重，所以极其有必要深入进行辐射的监测和处理。

在ESA的“HUMAX”研究中，为认真评价人对长期行星际和行星环境的生存与适应，在辐射对人和设备的影响研究部分，实施了以下研究活动[11]：①通过轨道器和着陆器测量，研发合适的模型，了解火星表面的辐射场及其瞬时的变化。随着2001火星“奥德赛”任务的剂量计的安装，火星辐射环境试验进行了第一步。采用能谱辐射剂量计，第一次在火星轨道上测量了能量与电荷分布，以及宇宙射线剂量率。②研究在组织等效材料中的辐射修正以及潜在的如风化层或居住地内壁等屏蔽材料。已建造了“MATROSHKA”，它由组织等效假人组成，正在“国际空间站”上记录辐射剂量分布。③建立太阳耀斑预警系统，包括在地球轨道卫星以及火星表面上的一个观察和警报站。④研究空间宇宙射线以及地面重离子加速单个重离子（HZE粒子）生物效应器。这些研究为评估人在空间辐射危险程度提供了重要的依据。⑤研究辐射环境不同成分的复合作用的生物效应以及和其他环境因素的潜在相互作用，如重力降低和其他物理因素。⑥建立人类飞往月球和火星的辐射防护准则，并在涉及的国家中达成共识。

3.3 远程医学诊断与治疗

飞行任务中，航天员的健康是最令人关心的问题。如果在飞行中患病，特别是在关键的飞行任务阶段患病，就会造成严重的后果。因此，空-地远程医学诊断与治疗是航天医学保障不可分割的一部分。

3.3.1 航天疾病

早在20世纪80年代，美国就提出了航天飞行任务中航天员可能会发生的医学问题。它们包括：①外伤：轻伤（小伤口、挫伤、擦伤、实验期间的动物咬伤），中等伤（眼睛进入异物、深伤口或动物咬伤、脑震荡、手和脚小骨骼骨折），重伤（长骨或下颚骨或肋骨骨折、头骨骨折、穿透伤、胸部或腹部硬伤）；②休克：包括心律失常和烧伤（热烧伤或化学烧伤）；③接触有毒物质：急性（过敏反应、局限性肺炎、肺水肿、神经后遗症），慢性（局限性肺炎、神经性疾病、胃肠系统疾病、杂症）；④减压病；⑤急性医学或外科腹部疾病（阑尾炎、疝气、憩室炎、肾结石、胆结石、小肠梗阻）；⑥心肌梗死；⑦药物反应，包括过敏反应；⑧环境（肠套叠、动物寄生虫病）；⑨辐射：急性（大面积胃肠影响），慢性（中枢神经系统、血液症状、累积影响危险）；⑩牙肿、龋齿和破裂。

在载人航天发展史中，航天员已发生过的医学问题包括：空间运动病、减压病、前庭障碍、立位耐力降低、胃溃疡、上呼吸道病毒感染、病毒感染、病毒性胃肠炎、严重耳炎、眼睛和手指受伤、睑腺炎、疖子、接触性皮炎、泌尿系感染、抗重力肌有萎缩病灶、头痛、肾绞痛、心律失常、期前收缩、室性早搏、焦虑、纳差、失眠等。

3.3.2 航天疾病诊断

目前，对航天中所发生的生理变化和疾病进行判断或预测存在着一定的难度，这主要是至今还缺乏对航天时机体由一种状态转变到另一种状态过程的明确认识，对所发生的疾病也缺乏详细的记载。当前国际通用的航天员状态判断和预测的方法一般有三个阶段。首先，根据航天员飞行前的身体检查结果，生理功能性试验，以及训练时个人的生理反应等大量原始资料进行回顾；其次，综合飞行前临床-生理学检查结果与实时飞行所得的资料进行判断；最后，将身体的变化结合飞行中的物理参数、电视图像、通话（医学询问）进行预测。

3.3.3 航天疾病治疗

在载人航天发展史中，还未出现严重的飞行医学疾病发生，一般的医学问题均可以由航天员自行处理。目前的国际航天任务中，在载人飞船或“国际空间站”都装备了舱载医药箱，医药箱内的物品可供航天员进行初期医学自救和互救，其装备药品的选择一般以高效、广谱和无不良副作用为原则[10]。由于空间环境中缺失重力，并缺乏开展外科治疗的条件，故进一步的治疗手段很难展开，如静脉液体注射技术、胃部灌洗技术、呕吐控制技术、患者和清洗物的外科隔离方法等。目前，尚缺乏适合行星际飞行中的有效医疗手段。

4 深空探测健康监测与远程医疗策略

为了保障航天员在长期飞行中的健康，针对航天任务的特殊需求，应注重将新技术手段运用于医学监督工作中去，尤其要注重医学监督的自动化，注重先进的通信技术、信息技术、人-机界面技术与医护技术的整合，以提高医学监督水平。航天用医疗仪器必须具备体积小、质量轻、功耗低等特点。因此，应突破传统的设计思想，探索各种有效的方法，按照小型化、低功耗、集成化以及适合失重环境的原则，设计和研制适用于航天领域的小型化、集成化的医疗仪器，并且大力发展远程医疗技术，应用信息系统、无线电通信设备、医学诊断和治疗以及人-机界面技术的发展，为航天员提供适当的医护能力，这对于中长期飞行任务的成功是至关重要的。

4.1 研制集成化的航天医学诊疗系统

航天医学诊疗系统应包括体征参数检测、体液分析、医学影像、治疗与康复、信息处理等模块，以满足航天飞行中诊疗的需要。

4.2 开发飞行生物检测技术

除了上述的利用较为成熟技术建立诊疗系统外，还可以开发可用于临床分析、疾病检测和微生物监测的一些新技术，如芯片实验室、声表面波生物传感器技术和表面等离子体共振生物传感器。目前芯片实验室已在临床分析及疾病检测中应用，可以对血液、尿液及其他体液排泄物和分泌物进行检验分析。声表面波生物传感器技术可用于微生物的检测。表面等离子体共振生物传感器能满足血液、尿液、唾液等体液标本中含量极低的生物分子的检测要求。

4.3 发展深空探测远程医疗技术

在行星际飞行的漫长旅程及特殊环境中，航天员患病的风险大大提高，如何开展远程医疗，如何实施空间医疗救护和转移，以及如何在空间展开外科手术等问题亟待讨论和解决。鉴于深空探测任务中微重力和辐射环境对机体的影响，我国应集中优势资源，开发先进的医学诊疗系统，建立适合失重环境的医学治疗方案和技术。

5 深空探测心血管和肌肉骨骼系统的医学防护策略

在失重环境长时间停留可引起机体多个系统发生适应性改变和一些属于病理生理性质的变化，其中又以失重对心血管、肌肉骨骼系统的不良影响对航天员健康和安全关系最大，故也最受重视。此外，在行星际飞行任务中，辐射对机体的影响和心理问题也不容忽视。目前的航天医学防护措施主要是针对心血管及骨骼肌肉系统展开的，这些防护措施中既有专项锻炼方案，也有综合锻炼方案。

5.1 心血管系统专项防护方案

5.1.1 下体负压

下体负压作为对抗立位耐力下降措施的研究始于20世纪60年代。研究表明，下体负压对机体的影响主要通过人为的定量改变正常血容量和血流分布，使心血管系统受到高强度应激而导致下肢容积及相关循环指标的相应改变[12]。目前可利用的下体负压设备主要有下体负压舱、下体负压裤等。下体负压暴露可恢复血浆容量，较好地对抗失重或模拟失重引起的立位耐力降低，并已在航天实践中应用。20世纪90年代，本课题组在国内首次提出了中长期航天飞行时下体负压对抗失重影响方案。近年来，下体负压和其他对抗措施（如下肢肌肉锻炼）联合应用亦显示出良好的对抗效果[13-15]。

5.1.2 套带

此方法是在四肢的近心端戴上套带，套带加压可部分阻止四肢浅静脉回流，将相当多的体液留于四肢，对抗失重或模拟失重时体液头向转移，减少血液头向分布和刺激压力感受器反射，维持有效血容量和心脏前负荷，一定程度上维持了心血管系统的正常功能。它对于减少失重时的不适感和返回后立位耐力降低有一定作用。本课题组的研究表明，加压套带能有效阻止头低位模拟失重产生的立位耐力下降[16]。

5.2 肌肉骨骼系统专项防护方案

5.2.1 电刺激

电刺激是目前使用较广泛的方法。在“和平”号空间站上，研究者在功能性电刺激方法的基础上设计了一种电极裤，使航天员下肢的4组肌肉群都得到广泛锻炼以对抗肌萎缩。虽然慢性电刺激可以增加肌肉活动，防治肌萎缩的发生发展，但并不能完全对抗失重条件下的肌萎缩，它对肌肉最大缩短速度和收缩速度的改变作用不明显，也不能防止比目鱼肌等长收缩力降低[1，2]。

5.2.2 机械刺激

已知刺激皮肤感受器可引起同侧屈肌运动，并通过脊髓中间神经元抑制同侧伸肌活动。Layne等给飞行中的航天员穿上特殊设计的压力靴增加足部压力并配合上肢上举屈曲，以增加躯体感觉传入进而增加神经肌肉活动，可在某种程度上改善神经肌肉活动的阶段性特征，对抗肌萎缩的发展。

5.2.3 抗阻锻炼

抗阻锻炼也是一种很常用的对抗措施。在失重状态下，肌肉等长收缩会明显减少或消失。抗阻有氧锻炼可增加肌肉收缩运动，有效防治失重性肌萎缩，且效果因组织解剖位置及所选择参数的不同而异。抗阻锻炼包括三种：等长运动、向心运动及离心运动。结果表明，同其他形式锻炼相比，离心运动锻炼效果更佳。研究证明，每天40min踏车运动或每天6min负重75%爬梯运动同每天1min离心机运动在1周内的对抗效果相似。但从所耗时间来看，离心机锻炼只用失重时间的0.035%就可使蛋白质含量减少下降44%，所以锻炼对抗肌萎缩时应首先考虑离心机运动[1]。

5.2.4 振动

高频低幅振动作为促进骨骼生长的力学刺激，已受到国内外学者的关注。Rubin教授发现经过振动治疗后绵羊股骨的骨松质密度在一年内增加了34%。此项实验表明，频率较高、应变量小的刺激信号（通过站立或维持身体姿势等就可达到）可以改变骨的形态，提高骨量和改变骨结构。另外，Robinson、Snow-Harter、Hargens等人也分别报道了运动、卧床和失重条件下骨骼反应的临床研究结果，证实了骨骼对物理和环境刺激的敏感性。研究发现，高频率、低幅值的应变刺激对保持和增加骨的质量比低频率、高幅值的应变更有效。我国近年开展的60d头低位卧床实验表明，阻抗振动可以减缓头低位卧床引起的承重骨骨密度和骨形成能力的下降。振动可能是失重性骨质丢失的有效对抗措施之一，其方案和机制有待深入研究[2，17]。

5.3 失重生理效应综合防护措施

5.3.1 体育锻炼

体育锻炼是现有对抗措施的核心部分，是一种综合锻炼方案。体育锻炼的目的不仅是对心血管、肌肉和骨骼是一种良好的刺激，还可以促进神经、肌肉功能的协调，给心血管系统和肌肉增加适度的负荷，以减轻失重引起的心血管紊乱。采用的方法主要有自行车功量计、跑台和企鹅服。

（1）自行车功量计 航天员进行自行车功量计锻炼，对防止心脏功能和骨骼肌质量的下降及呼吸功能的降低有一定作用，并可以增加循环血量，改善组织器官的血液供应，但是它对防止矿物质丧失和立位耐力降低的作用不大[18]。自行车功量计除用于体育锻炼外，还可以记录人在运动时的多种生理指标，因此也是一种评价航天员在航天飞行中心血管功能变化的实验设备。自20世纪70年代初以来，进行长期航天飞行的航天员都使用自行车功量计进行锻炼，一般每天锻炼1.5～2h，这是航天飞行中应用最广泛的一种锻炼方法。

（2）跑台 美国和前苏联/俄罗斯的空间站中都有跑台装置，它用一个弹性束带将航天员固定在跑台上，并施加一定的压力。由于压力向下施加在航天员身上，因此当航天员在跑台上静立、行走、跑、跳时锻炼了骨骼肌，并不断压迫骨骼，刺激了骨的重建。跑台运动是一种全身性的运动，运动量较大，对航天员的心血管、骨骼、肌肉系统都是一种很好的刺激。此外，它还可以促使神经-肌肉功能的协调，减轻航天员返回地面后的行走困难。跑台锻炼被认为是当前航天飞行中最有效的一种锻炼方法。

（3）企鹅服 这是一种特殊的服装，其夹层中排列着多层橡皮条。航天员穿着这种服装，在肌肉松弛时处于一种“胎儿”状态。在进行各种操作活动和运动时，必须克服服装弹力的作用，这样就锻炼了肌肉。由于企鹅服不影响人的操作和活动，因此受到了航天员的欢迎。参加过175d和185d空间站长期飞行的苏联航天员，除了睡眠外都穿着这种服装，每天大约穿 12～16h。

现行体育运动对抗措施也有其局限性，飞行时间越长，越加突出。主要问题如下：①对抗效果并不理想。例如，俄罗斯“和平”号空间站的资料表明，每天2～4h跑台运动仍不能使骨密度保持正常。飞行中的体育锻炼虽对保持航天员有氧能力与肌肉质量和功能有一定效果，但对防止飞行后立位耐力不良却无明显效果。美国1997年的专门报告及俄罗斯57次长时间飞行的经验均支持此结论。②体育锻炼消耗航天器内代价高昂的生命支持物资数量过多，对长期载人航天不利。在失重环境，仅通过以运动为主的对抗措施来使身体各组织局部应力和应变分布均恢复到与地面1g重力时相同的状态几乎是不可能的。现行对抗措施未能取得满意效果可能与此有关。

5.3.2 人工重力

由于人工重力可以模仿自然的1g重力环境，因此它被认为是一种能够解决失重不利影响的最有效的多系统对抗措施，其对骨骼、肌肉、心血管功能、肌力减弱、感觉运动和神经前庭功能紊乱等都能提供有益的防护。由于人体保持健康的状态并不一定需要每天24h的连续重力，因此，使用短臂离心机提供间断性人工重力的方案理论上是可行的。

短臂离心机上的人工重力是通过向心运动产生的。旋转半径和旋转速度决定了向心加速度的大小。迄今为止的国内外地面模拟实验和太空中进行的利用短臂离心机产生人工重力对抗实验都主要集中在对心血管、骨骼肌肉系统的研究上。目前多项研究表明[19-25]，人工重力联合运动锻炼可以提高心率、血压；可明显改善心脏泵血功能，维持短期失重情况下的心血管自主神经功能，对防止航天飞行后立位耐力不良的出现有较好效果。此外，地面卧床实验表明，短臂离心机训练可维持20d卧床实验期间的大腿肌肉体积；2.0～2.5G、15～30min 短臂离心机训练足以阻止骨质脱钙。

目前人工重力需要阐明的问题是，在长期飞行中应提供多大、多长和多少次的重力刺激，才能维持航天员近似地面重力环境时生理系统的正常功能状态，特别是心血管、肌肉和骨骼系统对重力刺激的反应性有着较为明显的区别。研究显示，刺激强度与生理反应有着倒“U”字的关系：强度较小时没有反应，中间是适度刺激范围，太多的刺激带来反应下降或者没有反应。此外，短臂离心机如何在载人飞船中安装和使用也是工程上需要解决的问题。

5.4 中医药的应用

我国中医药主要是通过改善机体的调节功能、增强机体对外界环境的适应能力而提高防病抗病能力。中医药与航天医学相结合极大地丰富了其应用范围，同时为航天医学的发展提供了新的思路。近年来，我国的航天医学工作者根据失重对不同生理系统的影响，以中医辨证的理论为基础，开展了中药防护措施的研究，取得了一定成效。提出了载人航天不同时相的中医病机假说和中医药防护原则，制定了干预方药，通过观察方药对模拟航天不同生理适应期的人体模型和动物模型的调节效用，验证了航天不同时相的中医病机假说及其防治理论的合理性和有效性[26]。但是，要真正将中医药应用于航天，尚需进行航天条件下的中医辨证以及中药的药效、药代、毒理研究及剂型改进等工作，制订合理的防护措施。

5.5 建立仿真计算机数学模拟系统

模型与仿真是使重力生理学研究由分析转向综合，由描述性转向预测性的重要手段。美国、前苏联/俄罗斯在20世纪70年代，即已开始了这方面的工作，涉及循环与体液、电解质调节、红细胞生成调节、心血管调节、钙稳态、体温调节、呼吸、神经-前庭系统及空间药理学等领域。仿真计算机数学模拟系统在空间生物医学研究中具有以下特殊用途：①可对拟在航天中进行的研究方案进行预测，以完善计划，降低费用；②可由少量测得的生理数据，估算出很难（或根本不可能）直接测得的生理数据；③可用于航天器环境控制系统与航天员出舱活动服装的计算机辅助设计；④可将大量知识综合在一个程序的结构之中，验证对真实系统的了解程度，提出新假说以指导下一轮地面与空间研究。

由于数学模型具有很多优点，近年来在生理学中得到广泛的应用。美国NASA借助“天空实验室”所取得的数据，应用黑箱理论建立了在失重状态下人体心血管系统的数学模型，可根据血流量计算出循环系统的变量，其发展经历了由黑箱模型到白箱模型的历程。俄罗斯Lishchuk应用力学理论研究失重状态下心血管系统的反应，建立了集总参数模型对所研究对象内部按功能分区研究，然后再将各部分集总建立系统的总体模型，模型具有较强的实用性，但精确度不够高，这属于灰箱模型的范畴。郝卫亚等用人体集总参数模型研究了失重对血压的影响，其模型预测当血容量减少超过约15%时，收缩压随着血容量减少而明显降低，舒张压的变化与血容量的减少量十分密切。冯岱雅等根据航天员标准人体生理参数，利用pspice语言建立了适用于各种重力环境下人体血液循环系统的计算机仿真模型，模拟了失重前后不同重力环境下血压、血流量的变化，血容量减少对人体血液循环系统的影响以及脑血流量与压力感受器压力的变化。Akulov等用数学模型的方法揭示了短臂离心机对人体腿部血管的特殊作用，详细阐述了重力和惯性力暴露时，局部重力载荷和局部流体静压的变化。资料显示，局部流体静压与旋转半径的平方相关；大血管的不规则振动引起了血液科里奥利加速度对血管壁的作用；人体的g耐力与g值加载时身体轴向、加载速度以及个体差异有关[1，27]。

总之，仿真计算机系统能够较好地模拟不同重力条件环境下人体相应指标的变化，具有花费小、无损伤、易于开展等优点，是对航天医学实验的有力补充，更有利开展深空环境对于人体的影响及相关机制的研究。

6 结束语

综上所述，在深空探测任务中，航天员将在失重和低重力环境中停留更长时间，面临更多和更强的宇宙射线的侵害，可能还会受到低磁场的影响。同时，航天员在远离地球的飞行任务中还会面对突发疾病的诊断和处理等问题。而现有的航天医学技术，还不能完全有效地解决这些难题。为此，进行针对性的航天医学技术研究，提出和制订行星际航天飞行条件下的健康和医学保障方案将是航天医学界的一项重要任务。在我国载人航天发展计划中，需要对我国未来深空探测任务的研究提前布局，通过开发新技术和新方法，保证我国航天员在未来的飞行任务中能够健康、安全和高效地工作。◇

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