航天飞行人体生理变化与医学问题*

徐 冲 吴 斌 刘尚昕 郭立国 刘建中

（1中国航天员科研训练中心 北京 100094 2北京医院国家老年医学中心 北京 100730）

0 引言

载人航天飞行始于1961年苏联航天员加加林首飞成功，50余年来，人类从未停下探索太空的脚步。苏联/俄罗斯先后实施了东方号、上升号、联盟号、礼炮号、和平号空间站等载人飞行任务，美国先后开展了水星、双子星、阿波罗、天空实验室、航天飞机等飞行计划。1998年起至今，美、俄等16国联合进行国际空间站任务。我国载人航天工程从1992年正式启动，确定了“三步走”发展战略，神舟十一号任务成功标志着二步二阶段圆满收官，开启空间站任务新阶段。我国已经选拔2批航天员，已有11人成功进入太空，在任务实践中形成航天员医学监督与医学保障技术体系，有力推动了航天实施医学的发展。

在短期和长期近地轨道航天飞行中，失重环境会导致人体机能发生诸多变化，可能出现生理不适或病症。本文回顾国内、外载人飞行有关数据与医学保障经验，简要介绍航天飞行中及返回着陆后人体的生理变化与可能出现的医学问题，以及相应的预防干预策略。

1 在轨飞行时间延长对人体的影响

根据人体生理机能对空间飞行的时间响应特性，空间运动病在一进入失重环境即可能出现，2～3 d左右症状最为明显，1周后基本消失；体液和电解质的反应稍滞后；心血管系统的最大反应在3周左右；而红细胞质量的丧失在飞行1个月时达到最严重的程度；肌肉萎缩和骨质丢失则随着飞行时间的延长呈现逐渐增加的趋势。随着飞行时间延长，机体对人体潜伏病毒及舱内微生物的抵抗能力将会下降。

根据航天飞行中的生理变化，可将生理系统的适应过程分为4个时期，分别是初期反应期、基本适应期、基本适应完成期和相对稳定期。

初期反应期（第1周）和基本适应期（第2周）处于飞行的15 d内，主要生理效应包括与体液头向转移有关的头胀、鼻塞等症状，以及体液与电解质丢失、感觉紊乱、空间运动病、运动协调改变等。此期医学保障与防护的重点分别是空间运动病和心血管系统变化。

基本适应完成期（第3、4周至第7周）和开始向相对稳定期的过渡处于飞行的15～60 d之间，在基本适应完成期内适应性反应继续发展，心血管系统、血液系统、免疫系统、体液电解质平衡等大部分系统已达到反应的最高峰，逐渐向稳定的方向发展。此期医学保障与防护的重点分别是心血管系统变化、肌萎缩和骨质丢失。

相对稳定期（第8周以后）处于飞行的60 d以上，机体所有功能达到新的稳定水平，如果没有过度刺激，则可以保持相当长时间的内环境稳定。此期医学保障与防护的重点是骨丢失和肌萎缩。

以骨质丢失为例，航天飞行中骨质丢失主要发生在承重骨，包括下肢、骨盆、腰椎。研究显示，在国际空间站工作6个月的航天员飞行返回后，确实呈现不同程度的骨密度下降，脊柱骨密度月均下降0.9%，髋关节月均下降1.4%～1.5%，跟骨月均下降0.4%，但未出现临床标准上的骨质疏松症［1］（WHO 标准，T 值小于－2.5 提示骨质疏松）。 美国载人航天标准里也注明了乘组飞行前及飞行中骨密度限值，“采用双能X线法测定乘员飞行前骨密度，T值不超过－1.0（平均骨密度值－1.0个标准差）；飞行后T值不超过－2.0（平均骨密度值－2.0个标准差）”［2］。航天飞行数月后，人体骨量恢复较为缓慢，一般长于飞行时间，有的甚至需要1～2年。

2 在轨飞行期间可能发生的医学问题

航天飞行中发生的病症是航天医学的重要问题之一。在载人航天飞行中，航天员受到特殊环境如微重力、辐射、噪声、振动、狭小空间、昼夜节律改变的影响，生活空间和规律与地面有较大差异，由此引起的心理、生理改变均可能导致一些特殊症状和体征发生，目前称为航天病症。航天员在轨飞行中可能出现的病症包括空间运动病、减压病、心血管机能失调、睡眠障碍、感染性病症、应急医学问题等。

从影响因素分析，一类是因失重环境而造成的空间运动病、骨骼肌萎缩、骨质疏松、心律失常等；一类是在座舱环境失常情况下导致的疾病，例如有害气体溢出可导致中毒、温控系统失灵可能导致高低温应激等；还有一类主要是感染、疼痛、睡眠障碍、外伤等与航天员直接相关的临床医学问题。载人航天飞行实践表明，短期飞行中严重疾病的出现概率较低，但随着飞行时间延长，发生医学问题的概率增高。

前期对国内、外航天飞行中实际发生的病症进行了系统汇总归纳，合计65种病症（或医学事件），现选取需要重点关注的医学问题做简要介绍。

1）空间运动病。症状包括头晕、恶心、呕吐等，类似于地面运动病。症状的发作始于进入失重环境数分钟至数小时，高峰期在24～48 h，直接影响航天员的工作效率。根据资料，苏联和平号空间运动病的发病率为40%～50%，美国阿波罗为35%，天空实验室为60%［3］。一般治疗方法为闭目静息、限制头部运动及药物干预，例如口服茶苯海明片、肌注盐酸异丙嗪等。

2）心血管机能失调。航天飞行使心脏处于低动力状态，出现心搏量降低、心肌虚损和自主神经调节紊乱。飞行早期航天员易发生心血管失调，主要表现为运动耐力下降、心律失常和血压改变。例如，联盟TM2－和平号航天员拉维金出现心动过速和期前收缩，中止飞行任务提前返回地面。航天飞机飞行中有1/3的航天员在出舱活动时出现期前收缩；据报道曾有一名航天员出现连续二联律达10 min，另一名航天员则出现了频发性房性期前收缩。

心血管系统对于微重力环境具有一定的适应性。短暂的心脏节律改变不会影响航天员的健康。13名参加1964—1985年飞行的航天员在飞行期间曾出现各种类型的期前收缩，通常在航天器上升段和出舱活动时较为多发。航天员在出现期前收缩时没有出现主观症状，也不影响航天员的正常工作，因此被认为是一种功能性的变化。如果出现心律失常，并伴有心慌、胸闷、气短等心前区不适感，应服抗心律失常药物。

在航天飞行中，航天员的动脉压会出现波动，甚至在一天内动脉压也会波动多次。短时间的动脉压升高是人体对航天失重环境、体力负荷及神经兴奋的适应反应。如果动脉压持续性偏高并伴有头晕、头痛等不适感，应考虑服用降压药治疗。

3）感染性病症。长期飞行中空间微生物致病力发生改变，加之人体免疫力下降，环境中致病菌感染、航天员之间交叉感染等诸多因素均可导致感染性疾病。飞行中常见的感染性疾病包括上呼吸道感染、胃肠道感染、尿路感染，以及角结膜炎、口腔溃疡、皮肤感染等。感染性疾病如果病症较重或治疗效果不理想，甚至会致使提前返回。

上呼吸道感染包括鼻炎、咽炎、喉炎等。阿波罗7号发生了3例鼻炎；阿波罗9号因航天员鼻炎和咽炎飞行延迟。治疗措施主要有抗感冒药及抗菌素，发热可用退热药。

胃肠炎主要表现为腹痛、腹泻，当伴发热症状时，首先应禁食，治疗上可采用抗菌素、解痉止痛药等。阿波罗7号飞行时发生过一例伴有恶心和呕吐的胃肠炎病例。

泌尿系感染，出现尿频、尿急、尿痛、血尿，有时伴发热，其治疗措施是抗菌、解痉、镇痛。1985年联盟T－14号飞行任务期间，一名俄罗斯航天员因持续高烧（后被诊断为前列腺炎）而提前返回。阿波罗13号的航天员由于长期戴尿收集装置而发生泌尿系统感染。

此外，座舱内空气中尘埃和致病菌增多、外伤等原因可引起眼病，例如角结膜炎等；应激、紧张、免疫力低下、膳食中维生素缺乏还会引起口腔溃疡。以上均应对症治疗。

4）疼痛。飞行中会出现身体某些部位疼痛，例如头痛、牙痛、腰痛、腹痛、肾绞痛等。

头痛：体液头向转移、紧张、疲劳、睡眠障碍等会引起头痛，与空间飞行有关的头痛是一种常见的自限性症状，必要时可服用止痛药。

牙痛：飞行中发生急性牙病，可服用抗菌素和镇痛剂。

腰痛：航天飞行中航天员腰背痛发生率较高，可能与失重状态下与椎旁肌萎缩和功能下降、椎间盘形变刺激神经等因素相关，具体机制尚需进一步探讨，除镇痛剂外，还需探索针对性的干预和对抗措施［4］。

肾绞痛：航天飞行中因结石或痉挛等原因诱发的肾绞痛，是严重危及飞行安全的病症。航天飞行中骨质丢失，尿钙排除增加，一定程度上会增加结石患病风险。联盟T5-礼炮7号飞行中曾有一名航天员因泌尿系结石发生绞痛。

腹痛：长期飞行座舱内环境温度偏低会诱发胃肠痉挛及胃肠炎等均可引起腹痛。发生剧烈腹痛时若治疗不理想甚至影响任务完成。

5）睡眠障碍。昼夜节律紊乱、环境狭小、紧张孤独会引起情绪改变，例如烦躁、焦虑，甚至抑郁、睡眠障碍，直接影响飞行任务的完成。在短期和长期空间飞行中美俄航天员均出现了睡眠紊乱。必要时可给予一定的兴奋剂或安眠药。

6）皮肤病症。最常见是皮炎（接触性皮炎、神经性皮炎、过敏性皮炎）、湿疹、毛囊炎、疖肿。主要症状为皮肤瘙痒、红肿、疼痛等。可采取抗炎或抗过敏治疗。

7）视疲劳与视力下降。舱内近距离视物时间长、使用电子显示屏幕较多等原因可导致视疲劳发生概率增加，表现为眼干、眼涩、眼酸胀、视物模糊甚至视力下降。应避免过度用眼，做眼保健操和增加瞬目，同时外用玻璃酸钠等滴眼药物。

长期航天飞行对视力的影响近几年备受关注。微重力环境下，人体体液头向转移，颅内压增高，进而影响眼睛和视神经，导致眼球结构改变和视敏度恶化。美国国家航空航天局（NASA）人体研究计划将其列为优先研究项目。视力损伤和颅内高压（VIIP）综合数据分析发现：33名国际空间站乘员中，约有70%都经历了轻度VIIP，其中男性发病率是女性的2倍。研究发现视神经乳头水肿可能是最关键的变化［5］。此外，营养和遗传可能与部分航天员经历的视力问题相关，涉及几种酶和必需的B族维生素（叶酸、维生素B12和维生素B6）。

8）环境问题。长期空间飞行环境对航天员健康的影响不容忽视，例如电击、隐火、锋利边缘及可能的大气污染物，均可能对航天员的健康造成危害。

座舱大气污染主要来源于人体代谢产物、非金属材料脱气产物、仪器设备释放的有害产物、推进系统的推进剂泄漏及舱内微粒污染物。这些有害气体可通过多种途径被人体吸收，造成毒性危害。飞船座舱内部的污染主要包括：一氧化碳、二氧化碳、氨、硫化氢、苯、甲醛、肼等。这些物质在一定条件下会引起航天员机体中毒。和平号空间站运行的最后几年，曾因设备损坏出现有毒物质散发到空间站大气中的例子：航天员中出现了3例鼻腔不适、2例眼部不适和3例皮肤不适。在过敏反应不严重的情况下，使用指定的受体阻滞剂和类固醇激素药膏，还可额外服用保肝剂和维生素制剂。

9）减压病。航天减压病的病因及发病机理与高空减压病相近，是大气压力降低时在组织、体液中溶解的氮气离析出来形成了气泡。在血管内形成的气泡，可成为气体栓子堵塞血管；在其他组织内形成的气泡，则可能压迫局部组织。根据形成气泡的多少及栓塞或压迫部位的不同，可引发各种不同症状。在载人航天中，有2种情况存在发生减压病的可能性：一是舱内气压快速降低，二是出舱活动（EVA）。前者是偶发事件，后者是常规活动。因此对出舱活动减压病的发病率与其规律尤为关注。

在《NASA空间飞行人系统标准，卷Ⅰ：乘员健康》飞行中医学诊疗一章，针对EVA活动，明确了减压病预防和治疗标准，即治疗手段包括增加供氧压力（高压氧治疗）和采取其他有效医学治疗手段，例如药物、补液等支持治疗；明确提出减压病预防控制标准，即每名出舱航天员发生减压病风险≤15%［1］。预防减压病主要通过有效的吸氧排氮。目前总计出舱活动500多人次，由于采取了有效的防护措施，尚未见正式报道减压病发生。

10）高热、心绞痛、严重心律失常、严重烧伤及急腹症等医学急症。应根据在轨医学预案及时进行医学干预，结合病情进行控制，适时提出医学中止建议。由于缺乏进一步治疗条件，医学急症一旦发生可导致飞行任务提前中止，对着陆场医学岗位人员组织医学救援、积极开展急救处置提出了要求。

截至目前为止，国外载人航天中因航天员身体状态异常而提前返回的事例有 3次［6］：1976年，苏联2名航天员在联盟－21号/礼炮5号空间站计划工作66 d，第48天时，航天员受到了化学气体伤害，航天员卓洛博夫出现头痛，导致提前返回。1985年9月，联盟T－14号飞船指令长、俄罗斯航天员瓦休京在联盟T－14号与礼炮7号空间站任务期间，因持续高烧（后被诊断为前列腺炎）提前返回。瓦休京后因前列腺癌去世。1987年7月，和平号空间站航天员拉维金经过近半年的航天飞行，由于大负荷工作期间出现较严重的心律失常而提前返回地球。

3 返回着陆后关注的医学问题

航天飞行中人体生理系统发生一系列适应失重环境的改变，除骨丢失和肌萎缩随飞行时间延长逐渐加重外，大部分生理系统的变化会达到新的平衡。当航天员返回地面后，会对地球重力环境产生不适，然后逐步适应和恢复到飞行前水平。

航天员返回后主要出现心血管功能失调、骨骼肌功能下降，以及神经－前庭功能不适等，主要表现为立位耐力、运动耐力、超重耐力下降，姿势平衡障碍及出现运动病症状（眩晕、恶心、呕吐等），以及航天异常环境应急返回出现着陆冲击过载、减压损伤等较为严重/危重医学问题。有关资料表明，心血管系统、前庭神经系统和体液电解质的恢复高峰均在返回1周以内，其中返回着陆现场的短时间适应十分关键。

1）立位耐力下降。立位耐力降低是指人在直立位时发生的一种心血管不良反应，表现为直立位时心血管系统不能维持适当的动脉压以保证脑血流供应，出现晕厥前症状（眼花、面色苍白、出汗、恶心等）或晕厥。立位耐力下降是人体重新返回地面普遍存在的现象，是重力环境改变时人体的正常生理适应反应。

研究表明，这类问题影响了大约20%～30%短期飞行和83%长期飞行航天员。参加过苏联/俄罗斯飞行任务后几乎所有航天员均出现过不同程度的立位耐力下降。与短期飞行相比，天空实验室任务（28 d/59 d/84 d）后立位耐力没有更严重下降的趋势，但恢复时间延长。未见航天飞机着陆时航天员出现晕厥前症状的报道，但实际上最初的26次飞行中，航天员走下飞机或立位实验中出现过8次晕厥前症状或发生晕厥。资料提示，航天员返回后感觉不适，出现面色苍白和出虚汗等症状，其中女航天员症状比较明显［7］。

返回后随重力环境的逐步再适应，航天员的立位耐力逐步恢复，一般返回1 d后立位耐力部分恢复，返回1～2周后基本恢复。提高立位耐力的对策主要有补液（口服补液盐）、下体正压装置等［1］。

2）运动耐力下降。航天员返回地面后，完成同样工作需要较高的耗氧量，且耐受时间明显缩短。

最大氧耗量（VO2max）是运动负荷心肺功能检查项目中最重要的指标，代表着机体运动锻炼中转运和利用氧的最大能力，是衡量人体有氧运动能力的黄金标准，航天实施医学中高度关注该指标。研究表明，半年的航天飞行中，人体氧耗量在最初1～3周下降范围在15%～25%，第1个月最大氧耗量平均下降17%，之后呈现轻度回升趋势，着陆后2 d测量最大氧耗量再次下降约17%。航天飞行机体最大氧耗量下降并非必然，部分航天员经过6个月飞行后最大氧耗量并未下降，得以很好的维持。

有文献报道2周内的短期航天飞行人体最大耗氧量一般在返回后 6～9 d恢复［8］；6个月的航天飞行，人体最大耗氧量一般在返回30 d内基本恢复［9］。

3）肌肉萎缩、力量与协调性下降。失重可引起肌肉工作能力、力量和耐力下降。航天飞行7～10 d，80%航天员的手肌力量减少4～22 kg，腿肌力量的减少比手肌更多。联盟9号2名航天员飞行18 d后，手肌力量没有变化，但躯干力量分别减少40 kg和65 kg。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，腓肠肌及胫前肌的肌力减退。航天飞行中肌力下降的程度与飞行中的锻炼直接相关，增加运动时间和运动量可有效减少肌力下降。

肌肉协调性变差表现为航天员在失重飞行的头几天完成某种动作的时间延长，不易判断肌肉用力的大小，往往用力过度。返回地面后常感到疲劳无力、肢体沉重、站立和行走动作不协调、精细运动能力下降等。

4）神经－前庭功能再适应。大部分首次飞行的航天员会出现空间运动病，在返回地球后即刻仍可能会再现类似症状，其程度和持续时间与飞行任务时间及以往经历有关。主要表现为面色苍白、恶心、呕吐、头痛、食欲缺乏等。

美国Bacal及其同事系统回顾研究了从航天飞机飞行任务18年来关于神经症状的医疗报告，超过1／2的受访航天员飞行着陆后均有这3类问题：动作笨拙（69%）、难走直线（66%）和知觉延迟效应（60%）［10］。这些症状大多是轻微的，缓解大多需要1 d时间（返回后第1天），个别可能会持续1周。返回着陆后，任何程度的恶心发生率15%，呕吐发生率8%，远低于发射入轨后相应症状的发生率。重力再适应相关症状有时会持续几天，但通常会在着陆后24 h内显著缓解。

5）工程应急、故障条件下着陆场可能遇到的医学问题主要包括：航天员着陆冲击损伤；由于飞船着火，航天员烧伤、窒息、有毒物质侵害；座舱失压，航天员出现缺氧、减压损伤；温度失控，航天员中暑/冻伤；有害气体，例如无水肼、一氧化碳中毒等。出现上述问题需启动医疗救护程序，及时展开检查、诊断与救治。

主要参考文献

［1］Jean D Sibonga.Human research program,human health countermeasures element,evidence book,risk of bone fracture.Houston:National Aeronautics and Space Administration,2008:11.

［2］Richard S Williams.NASA space flight human system standard,revision A,volume 1:crew health.Washington,D.C.National Aeronautics and Space Administration,2014:18.

［3］Michael R Barratt,Sam L Pool.Principles of clinical medicine for space flight.New York:Springer Science+Business Media,LLC,2008:27.

［4］冯金升,王玲.航天飞行中航天员非特异性腰痛的机理探讨.颈腰痛杂志,2010,31(5):359.

［5］Michael AP,Marshall－Bowman K.Spaceflight－induced intracranial hypertension.Aerospace Medicine and Human Performance,2015,86(6):557.

［6］袁家军.载人航天飞行中的事故与灾难.北京:中国宇航出版社,2013:235.

［7］Steven H Platts.Human research program,human health countermeasures element,evidence book,risk of orthostatic intolerance during reexposure to cravity.Houston:National Aeronautics and Space Administration,2008:4.

［8］Moore A D,Lee SMC,Stenger M B,Platts SH.Cardiovascular exercise in the U.S.space program:Past,present and future.Acta Astronautica,2010,66(7－8):974.

［9］Alan D.Moore,Human research program,human health countermeasures element,evidence book,risk of reduced physical performance capabilities due to reduced aerobic Capacity.Houston:National Aeronautics and Space Administration,2010:11.

［10］Bacal K,Billica R,Bishop S.Neurovestibular symptoms following space flight.Jownal of Vestibular Research,2003,13(2－3):93.