“国际空间站”航天员健康维护系统的发展

赵东明　 王永生 （中国航天员科研训练中心）

“国际空间站”航天员健康维护系统的发展

赵东明 王永生 （中国航天员科研训练中心）

1　 长期航天飞行中失重不良作用的预防

“国际空间站”俄罗斯舱段航天员健康维护系统是基于礼炮号和和平号空间站考察乘组长期飞行所取得的经验而建立起来的，它包括：

1）体能训练，这是预防系统的主要组成部分，通过训练保障必要的骨骼肌肉和心血管系统负荷，促进体能和运动功能的维护。

2）被动式体能训练装备，它包括轴向加载的负荷服，高频和低频电子刺激器。

3）在失重中和超重作用情况下用于恢复与地面接近的体液分配设备：下体负压装备、抗超重装置、手镯式套带（一种医疗用夹具，使局部血流减少）。

4）水盐补充，它有助于液体在体内滞留，以此提高下降段直立稳定性和超重的耐受性。

5）调整前庭、心血管等对失重作用不良反应的药物。

在训练小周期框架内体能训练结构的总体特性

在飞行中体能训练每天进行2次，共计2.5h，训练器包括跑步机、功率自行车、阻力训练器。在俄罗斯预防系统中主要是运动训练，4天为1个小周期。

1个小周期包括3天的负荷训练日和1天的主动休息日。1个周期内在跑步机上每天的运动负荷程度为3000～4500m，负荷能量每日为380～580kcal。

在体能训练计划的组织中坚持训练过程通用性的原则，也就考虑了整个飞行期间体能训练的系统性；坚持体能训练的多样性和优先性，旨在维护基本的身体素质和预防机体主要器官发生功能性和结构性变化；在体能训练综合系统中坚持进行轴向静态练习（训练负荷服）、动态练习（走步、跑步、跳跃、力量训练）及惯性冲击练习。太空飞行中体能训练重要的特点是，训练强度大、具有间隔性和明确的方向性。

1个小周期的第一天训练包括，走步和速度为5～6km/h的慢跑，与此同时间隔进行速度为12～14km/h的快跑，时间为1min，这种训练有利于保持骨骼肌肉和心血管厌氧机制的速度力量特性。在第一天训练时，心率平均为140～160次/分钟，高峰时达到180次/分钟以上。训练结构是按照间隔训练的原则构建。

周期内的第二天训练主要是为保持力量耐力。这一天，50%以上的训练是在跑步机传送带被动运动状态下完成，也就是利用航天员腿部力量来移动传送带。这一天的运动量适中，运动强度适中或高于平均水平。

第三天的运动结构基础是速度为13km/h的跑步，间隔时间相对较长（4～6min），这有利于组织内耗氧指标的稳定，并有利于增加供血量（乏氧状态）。

在周期内的第四天，航天员进行选择性训练或完全休息。在此期间，在功率自行车上的训练按照相同的模式进行。

在俄罗斯空间站上，早期每个月对训练周期3天的训练参数进行记录，并将数据传向地面，基于此数据对跑步机和功率自行车的训练过程进行控制。

MO-3阶梯运动测试示意图

注：图中左垂直轴表示跑道流动强度；右垂直轴表示跑步速度（km/h）；横坐标轴表示训练时间。

根据所获取的信息做出关于乘组训练水平的结论，并根据这些结论提出调整训练的建议。专家们根据需要与乘员进行的私人谈话在训练过程管理中具有重要的作用。

为了确定乘组的工作能力和训练效率，过去和现在都在使用每月一次的试验数据，该试验的特点是逐级增加运动负荷和功率自行车测量的负荷。运动性试验为MO-3试验，是在跑道传送带被动运动状态下进行的，轴线负荷不低于体重的60%，其中包括3min准备活动（走步）、2min慢跑、2min中速跑、1min最快速跑和3min放松性走步。总的运动时间为11min，能量消耗为100 kcal。该测试的突出特点是，3级运动负荷中，运动的次序和每项运动的时间是标准化的，在每个级别的运动中航天员任意选择运动强度。

乘员选择的运动速度是补充的，当然也是更好的运动强度信息指数，能更好地反映出航天员的运动量和心率。

3级功率自行车测试的负荷为125Wt、150Wt和175Wt，且每级运动时间都是标准化的，为3min，这在最大程度上符合次最大体能负荷的运动量（是最大负荷的75%）。测试时总的运动时间为9min。在每个级别的运动中实时记录心电图，按照科罗特科夫方法分别记录收缩期血管内径（DS）和动脉血压，这保障了运动的安全性。

在出舱活动前航天员穿着俄罗斯航天服进行功率自行车的测试，用手臂“反向”登踏板，运动功率为150Wt。记录的指标是：运动时间（直到拒绝运动为止），运动时每分钟末及3min恢复期时的心率。

为减轻由于血液头向分布而产生的不良影响，运用了下体负压的方法。使用整套的“气比斯”服完成下体负压程序，服内负压达（60+5）mmHg。

专家们认为，在俄罗斯空间站上下体负压的方法有利于直立位的稳定性，在整个飞行期间每个月完成一次下体负压程序，在小周期的第4天进行。

除使用下体负压方法以外，飞行初期为消除头部充血而带来的不适感，航天员们使用了套带，以此来保障血液驻留在腿部。

对飞行条件下和模拟实验中水盐代谢和激素状态的研究，为预防系统的发展做出了巨大的贡献，这有利于开发出飞行初期阶段对机体水合作用程度控制的方法，以及飞行最后阶段对水盐代谢和血液动力学作用程度的控制方法。

飞行初期阶段人的机体伴有一系列的变化，如颈静脉压力增高，出现颅脑管静脉瘀血等。其中包括中央静脉压增高，肾素、血管紧张素、醛固酮系统激素分泌降低，而血浆中抗利尿激素有所增加。利尿因素的增加（多尿），并且排除了渗透性的活性物，这导致了机体水合程度的降低。

为了预防在失重中驻留而引起的变化，如循环血液量下降及体内液体含量减少等，在返回前的飞行最后阶段航天员服用水盐补充剂，这提高了航天员飞后初期的立位耐力，并增加负重耐力，服用水盐补充剂（液体和氯化钠）也促进了机体水合作用的程度。这种水盐调整的效果在地面模拟和以后的各类飞行中多次得到了验证。

服用氯化钠和液体的时间及剂量，取决于飞行条件、着陆时间及包括每个乘员身体状态的个体指标。飞行后服用水盐补充剂后表现出了更加稳定的血液动力学状态，比飞行后不服用水盐补充剂更能表现出液体、钠和渗透活性物的储留现象。完成多次飞行的乘员，服用水盐补充剂后，相比不使用水盐补充剂的乘员，自我感觉更好且超重耐力增强。

由于飞行阶段及飞行任务的不同，预防措施和方法是有很大区别的。

在飞行初期（1～10天）航天员熟悉体能训练的技术，训练时负荷为正常的50%。必要时在该阶段使用套带，以及使用消除脑血管静脉充血症状和空间运动病的药物制剂。

在飞行的第二阶段，体能训练的特点是保持状态的稳定，在“国际空间站”上每天训练2次，总的训练时间为2.5h，训练项目为跑步机、功率自行车、拉力器或力量训练；根据个人意愿或在必要时使用选择性的被动训练设备。在进行出舱活动前，在功率自行车上进行手臂负荷的主动训练。

着陆前30天的飞行最后阶段，在提高着陆阶段的超重耐力和随后顺利适应地球重力方面具有决定性的作用，在该阶段体能训练内容包括高强度的跑步机训练，每日2次，在这种情况下一个小循环周期4天内有2天（第1天和第4天）的训练是按第1天规定的内容进行。在飞行结束前10天，进行下体负压训练，2次预训练，2次最后的训练。

在最后的12～20h，服用水盐补充剂（0.9% NaCl），每公斤体重服用18～20mL。在返回阶段及适应期前几天穿着抗超重服，采用最大挤压制度。

基于广泛的飞行后机体主要系统临床生理诊查数据，确定出飞行中俄罗斯舱段航天员健康规定。

飞行前后“国际空间站”俄罗斯乘员感觉运动临床生理研究清单

2　 “国际空间站”俄罗斯健康维护系统的发展

“国际空间站”所有俄罗斯乘员均以上述系统作为基本预防系统来使用。但是，空间站上生活和工作条件，以及训练基础状况均出现了变化，预防系统的具体措施也进行了较大修改。

“国际空间站”飞行的一个重要特点是考察乘组的国际化，乘组成员使用两类不同的预防系统。一个是俄罗斯预防系统，其关键的训练措施是跑步机上高强度变速（间隔）运动，另一个是美国的预防系统，特点是以阻力训练为主，运动训练仅作为一种补充，且在相应的需氧状态下进行（慢步跑）。

第二个特点是“国际空间站”多数乘员首次进行太空飞行，所以了解俄罗斯预防系统原理的“老航天员”相对较少。结果是在“国际空间站”考察前几年，俄罗斯航天员在训练中采用的方式与所建议的方式存在很大的偏差，训练制度也有很大的改变。

此时，一个最常出现的偏差主要是使用一次训练制度，虽然与之相比两次训练制度效率更高，这在俄罗斯早期空间站运行中已经被证实。

另一个比较常见的偏差是，在“国际空间站”考察的第一阶段，乘员比较喜欢需氧方向的训练，以此代替了俄罗斯系统推荐的高强度变速（间隔）运动训练，训练方式与美国航天员接近，运动训练没有负重功能。

慢步跑运动主要是训练需氧耐受性，特点是低强度，低能量，在“国际空间站”飞行中相应的预防效果较差，这种训练方式与所推荐的高强度变速运动方式是相排斥的，两者只能选其一。在“国际空间站”第一阶段飞行中，需氧运动方式成为了主要的运动方式，原因是这种运动做起来相对容易，而且运动时可以看电影或听音乐，使单调的跑步变得有趣，没有长期太空飞行经验的俄罗斯航天员比较喜欢这种运动方式。

航天员们在跑步机跑道移动方式的使用方面也有很大的差别，跑道移动方式分为被动式（无电状态）和主动式（依靠发动机主动移动），根据舱载文件的建议，25%～30%的训练应当是用被动方式进行，因为在这种制度下阻力更大，使用这种方式能产生更大的负重效果。

航天员们虽然在地面进行过系统的力量训练，并且经常以这种方式作为主要预防手段，但最终他们还是选择了美国的力量训练器。

与此同时，所有航天员每周无条件地完成了运动训练，有为数不多的几次漏训，通常情况下是因为工作任务过重而影响了训练，还有一个特殊的原因，就是在飞行初期“国际空间站”一个主训练器的功能经常出现异常，这个训练器就是美国带有减震系统的TVIS跑步机。这台跑步机的跑道支承不稳定，这为适应跑步机增加了困难，在训练时也增加了体能消耗。与所有没经过充分地面试验的新设备一样，在前几次飞行中这台TVIS跑步机没能稳定地保障完成训练计划。在“国际空间站”第1～6长期考察组考察期间有87天没有使用这台跑步机，其中有TVIS系统故障的原因（8天），也有跑步机本身的原因（79天）。

TVIS跑步机在工作中存在一些局限，其中不仅涉及训练器的主要工作特性、跑步的速度及在进行纵轴负荷跑步时向航天员身体产生的负荷，也涉及训练器的使用方式。

但是，尽管在使用预防设备中出现了上述偏差，俄罗斯乘员的训练还是相当有效的。在“国际空间站”第6长期考察组采用弹道方式降落后，在偏离指定地点500km处着陆，乘员们只能在数小时内等待救援分队，在这种情况下俄罗斯乘员能独立撤离返回舱，并给予其他乘员必要的帮助。

随着“国际空间站”考察任务的继续，体能训练也发生了变化。在考察期间的第20～34天，所有乘员每天都力争按照所建议的方法进行训练，采用高强度变速运动的规则（间隔式高强度运动原则），在训练过程中交替进行运动项目。这促进了航天员飞行后工作能力的提高。

由于“国际空间站”航天员训练形式存在多样性，这使得能够对一些俄罗斯系统运动规则的效率情况进行实时的实验性检查，这些规则是基于早期的模拟试验而制定的。在飞行中，根据运动训练的特点将航天员们分成两组，每组人数大致相等。一组乘员进行高强度训练，多次进行走步向高速跑步转换，这就是所谓的间隔运动（变速运动）。而另一组乘员则采用能量保障的需氧机制，进行强度适中的不间断训练。

在确定飞行中训练的效果时，MO-3、5测试数据表明，需氧训练小组中的航天员生理负荷值有明显的增加，而在间隔式训练（变速训练）小组中航天员工作能力与飞行前指标相比没有区别。

对3块小腿主要运动肌肉的运动肌电值研究中，在走步速度为90步/分钟的情况下，也获取了类似的训练效果。在飞行期间进行需氧训练的小组中，航天员的步行肌电值无论飞后第3天还是第7天都表现出了明显的增长。而在飞行中采用跑步机间隔式训练（变速）方式的小组，在飞后第3天运动肌电值的变化极小，在飞后第7天完全没有变化。根据骨密度测量数据，“需氧”方式运动小组最大骨丢失区域显示，骨丢失程度是很大的。

在另一项实验中，将两种训练效果进行了比较，一种训练是包含30%以上跑步机跑道被动运动方式的训练，另一种训练被动运动方式占的比重较低，占整个训练时间的17%以下。第一种情况，在飞后进行行走时肌动反应与飞前值没有区别；第二种情况，在着陆后第3天和第10天进行走步时肌动图幅度有明显的增大。

在“国际空间站”考察的第二阶段，训练过程的正常化在很大程度上取决于监测系统的完善。基于每天记录的TVIS训练数据，对跑步机体能训练期间负荷值和强度进行监督，并对训练的质量及其与所规定训练方法的一致性进行监督，通过遥测系统将数据传向地面。专家们对所取得的数据进行分析，确定航天员体能训练的强度、工作量及训练的结构，并确定出航天员训练的水平。航天员所选择的负荷强度、他们完成的工作量、高强度运动周期的时间及其结束后停顿的时间，能够完全正确地反映出机体的运动能力。基于对训练结果的分析，每星期向站上传送一次个性化的建议，以此来对训练过程进行调整。如果能获取训练中航天员心率的信息，在确定其训练水平时就能相对容易一些。但是一些航天员在训练中不使用心率监测器，这样在评价运动的生理价值时准确性就稍差一些。

被动预防设备在“国际空间站”考察飞行中很少使用，除非特殊情况必须使用。

这样，和平号空间站乘员经常使用的抗重力服企鹅-3，在“国际空间站”上使用时前提条件是必须防止航天员身高在失重中变长，身高要保持在与着陆时所使用的防护装备相符，所以这种服装基本上是身材不变的航天员使用。“紧张”肌电刺激器仅有一名航天员使用，由于身体状况，他需要避免高强度训练，并依靠肌电刺激来弥补负重的不足。

用于克服返回阶段和适应期前几天超重影响的被动装备，“国际空间站”考察乘员充分地进行了使用。

“国际空间站”第4期考察乘组小周期跑步机训练范例

3　 “国际空间站”健康维护设备的发展

“国际空间站”考察飞行期间充分证明了俄罗斯防护措施的正确性，与此同时“国际空间站”也成为航天员健康维护系统未来发展的重要平台。

健康维护系统的发展首先涉及的是完善和拓展预防设备的问题。新型跑步机БД-2的研制是预防系统发展的巨大成就，其特点是与“国际空间站”伙伴国共同制定了其中的医学技术要求，充分考虑了在使用TVIS期间所有的意见和要求，兼顾了各方面的工艺方法和研究结果。俄罗斯生物医学问题研究所的科研人员与维也纳大学体育科学研究所及维也纳技术大学的专家们，共同开发出了新型的阻力训练器，以此来保障腿部、背和手臂在偏心、同心和静力状态的锻炼，同时也可将其作为功率计使用。在训练器上可以产生250N的最大负重值。

在“国际空间站”考察期间，实际上所有的训练设备都进行了改进。研究所的专家们开发并提供了新型的下体负压训练服气比斯-M、低频肌电刺激器刺激-01НЧ，该设备在和平号空间站进行试验时获得了很高的评价。对下肢肌肉进行低频刺激具有很好的效果，这在7天“干”浸实验和105天隔离实验中都得到了证实。

在设计和方法上继续进行支撑减负荷补偿器的完善工作，以此来保障在自然运动状态下对脚部支撑区域的机械刺激。在“干”浸条件下对仪器及使用制度所进行的各类改型生理实验表明，该仪器在预防运动系统无支撑消极效果方面具有很高的效率。该仪器通过了所有的技术试验，并准备在“国际空间站”预防-2太空实验中使用。

轴向负荷服企鹅-3的改进型企鹅-3 CNH也通过了“国际空间站”试验，并成为了舱载预防系统的组成部分，其特点是配备了负荷客观记录系统，能测量出负荷效果，记录负荷在身体各部分（环节）分布的大小及方向上的差异。通过试验表明，在身体前半部分大拉力负载的不对称负荷状态下，航天员要努力保持垂直的姿势，在背部肌肉及大腿、小腿后表面肌肉保持恒定的负荷，这样可以在这些部位产生出可观的训练效果。

中国舱内航天服

4　 航天员健康维护设备与方法的发展前景

对“国际空间站”健康维护设备和方法使用的分析，能够帮助俄罗斯研究人员确定预防系统主要的发展方向。这首先涉及到的是优化训练记录的问题。体能运动训练和阻力训练是飞行中主要预防措施，占据了相对较多的时间，同时也相对单一、单调，并且不够舒适。俄罗斯研究人员在及时和有针对性地对训练过程进行调整时也遇到较大的困难，主要是缺少有效和多参数的肌肉神经及感觉系统监督设备。

时至今日，在预防系统中没有充分考虑各飞行段人体反应机制上存在的差异。在飞行和地面试验所进行的研究表明，在失重条件下驻留会造成感觉系统、运动系统和植物神经系统综合性紊乱，这些紊乱在第一时间产生的速度可以证明这些系统的反射属性。在以后的飞行阶段，肌肉和骨的萎缩性变化，运动和植物神经调节系统适应性偏差的产生和固化，是产生运动性紊乱及其它紊乱的重要因素。显然，在第一阶段最大的成果应当是针对感觉和反射机制的补偿和调整设备，而第二阶段则是预防身体各个系统结构性变化固化的设备。目前已开发出了力量负载装置，其使用目的是减少主动训练的时间。

在现代自动化程度下，创建训练系统不会有原则性困难，依靠向训练引入动机性刺激因素，训练时在心理上将更加轻松（游戏训练器，能够以竞赛方式进行训练的器材）。

通过对飞后临床生理诊查数据和模拟肌力减退实验数据进行比较分析表明，在空间相对较大的飞船中航天员的工作运动活性更能产生预防效果。

依靠操作控制机构的力量和阻力负载，可以强化这种预防效果，这只需借助普通的装置（弹簧、磁锁）及更完美的装置（液压装置）即可实现。在这种情况下，训练时负载量及负载时间均可以压缩。

解决体能训练的另一个途径是，进一步发展所谓的被动训练设备，其训练效果已在模拟条件下得到了验证。这种设备包括：各种类型的负荷服，各种特性电子和振动刺激器，以及短半径的离心机，这种离心机能在相对较短的间隔内强化肌肉和骨组织的负载，同时能增加前庭、本体感受和支撑传入系统的活性。

为了加强对预防措施的实施过程、效果及耐受性的监控，需要研制大信息量自动化的训练过程监控系统，以便对操作员在训练过程中的状态进行评价，同时对获取的信息进行反馈，对自动状态或人工操作的负载量和负荷强度进行调节。基于实施俄罗斯预防计划所积累的丰富经验，开发出了该系统的模型，在火星-500长期飞行试验中对该模型进行了验证。

“国际空间站”为新型先进技术的应用提供了可能，为月球、火星等各类考察飞行任务开发新技术提供了平台。

DEVELOPMENT OF ISS ASTRONAUT HEALTH MAINTENANCE SYSTEM