国外载人航天中的危重生理效应防护措施

国外载人航天中的危重生理效应防护措施

经过半个多世纪的载人航空航天实践，目前的航空航天医学发展趋势主要集中在宇宙医学的长期保障上。人体适应长期失重飞行导致的生理系统改变,将严重影响航天员适应地球重力以及月球或火星等重力的反应能力。开展有效的综合在轨失重生理效应防护,建立最优的在轨能量消耗防护方法是在轨医学保障研究的重大课题。本文系统回顾了美、俄两国在轨失重生理效应防护措施的历史与现状,对其发展脉络与研究进展进行了综合分析,并提出了失重生理效应防护措施未来的发展策略。1关于失去生育效益的保护措施的简短介绍1.1飞行引发的影响因素美国最初的水星号任务(1961～1963)没有采取失重防护措施。通过该任务实施,证实了人体可以在微重力下生活,预测了各生理响应的动态时程,发现了飞行引发的立位耐力不良、体重降低及血液浓缩等问题;双子星任务(1965～1966)主要关注飞行中相关生理变化的评价以及2周飞行可能出现的问题。双子星座的大部分任务是为后期的登月任务做准备,在这项任务的研究中进一步证实了水星号任务的发现,同时也发现飞行后运动能力也会出现中等程度降低,红细胞质量降低,骨钙和肌肉氮少量丢失,出舱活动(EVA)需要较大的能量代谢消耗。1.2差动体育锻炼参与了速度天空实验室(Skylab)任务开始了真正意义上的医学和防护研究。在Skylab-2中使用了下体负压(LBNP)和自行车功量计对在轨运动心肺功能进行监测。发现LBNP可以较好地预测飞行后的心血管功能状态,空间飞行中没有出现锻炼响应的下降,一名航天员在早期锻炼中出现了显著的心律失常。为了保障乘员健康,Skylab-4飞行中增加了航天员的锻炼形式、强度和时间。锻炼时间从0.5h增到1h,再到每天1.5h。主要的锻炼设施有自行车功量计、弹力绳、滑轮等动肌力锻炼绳及标准的阿波罗锻炼设备。跑台以及等动锻炼可以对抗微重力的影响,航天员通常是在锻炼过程中可达到最大运动负荷。Skylab-3和-4的航天员飞行后4～5d心血管功能状态恢复到飞行前水平,而Skylab-2的航天员21d后才恢复到飞行前水平,这可能与Skylab-3和-4在飞行中个体锻炼加强有关。Skylab中LBNP和自行车代谢测量的安排基本上是每间隔1d或2d安排1次,时间在同一天,在飞行的中早期是间隔2d。1.3edo计划美国在轨驻留时间延长医学研究计划(EDOMP1989～1995),系统地规划了失重生理效应的防护措施研究。1.3.1防止重新犯罪的方法及方案心血管功能失调研究与防护包括4项内容:1)观察LBNP的防护作用。方法是首先-50mmHg1.5h,之后是-30mmHg3.5h(其中第1个小时负压时,饮用1L水或人工甜果饮品和8mgNaCl)。飞行前3d,飞行后1d或2d检测LBNP实验期间的心率和动脉压。研究发现有效果,但由于耗时长,此措施飞行中没有采用。2)研究返回前24h使用LBNP对防止着陆后立位耐力不良的作用。航天员在着陆前工作日单独进行4h的LBNP锻炼,测量LBNP期间航天员的平均心率、动脉压、耐受指数(MAP/MAP基础值)/(HR/HR基础值)及晕厥指数(SBP/HR)。通过比较LBNP使用者和非使用者的差别发现,LBNP有效果,主要是有助于维持血压和心率储备能力。3)研究不同浓度盐水对防止航天员飞行后立位耐力下降的作用。受试者为23名航天飞机航天员,每人在着陆前1～2h内服用下列3种溶液中的1种:高渗(1.07%)盐片/水溶液;等张盐水;盐片和与等张盐溶液相似的水。地面研究已证明这3种溶液有提高血浆容量的作用。飞行前、着陆当天和着陆后3d测试航天员立位耐力。由于干扰因素多,此研究被终止,最终没有在轨使用。4)观察氟氢可的松增加血浆容量和提高立位耐力的作用。采用以下4种给药方案:飞行最后5d每天2次,每次0.1mg;飞行的最后5d,每天0.1mg;着陆前7h单次服用0.3mg。测量飞行前、后仰卧位血容量,仰卧以及站立位心率和动脉压,血浆儿茶酚胺。研究发现没有作用。1.3.2机体理化指标和最大耗氧量与人体其他指标的关系在操作评价研究中,有2项工作与失重锻炼有关。1)研究了飞行中锻炼对飞行后有氧能力和立位耐力的影响。发现飞行中没有锻炼和未使用自行车功量计锻炼的受试者有氧能力显著降低。采用跑台或划船器锻炼的受试者相比于飞行前有氧能力没有差异。飞行时间和最大耗氧量的降低趋势并不相关。对抗措施组和对照组站立实验没有系统差异。对抗组在着陆当天锻炼测试中有氧耐力降低18%,而对照组降低21%。2)研究了空间人体成分改变以及锻炼的影响。该实验认为飞行后机体总蛋白和矿盐的降低可能与细胞内水丢失有关,这些降低共同导致体重降低,可能影响体力和代谢,波及飞行中和飞行后航天员健康。对机体成分和最大耗氧量的相关关系分析发现,有氧耐力的降低至少部分是由机体总蛋白(TBP)的减少引起的,蛋白的丢失可能代表肌肉质量的降低。通过实验,NASA建议:肌肉的检测项目可用于评价飞行中的防护措施效果,检测项目可采用临床的核磁共振(MRI)检测评价肌肉体积变化;肌酸激酶和肌球素等生物标记物评价肌肉损伤;等动肌肉功能检查评价整体的肌肉活动情况。锻炼强度、频率和时间对于维持返回后的有氧锻炼能力非常重要。推荐乘组乘员每周至少锻炼3次,每次锻炼段不少于20min,功率应该高到可以诱发70%或更高最大耗氧量的心率。推荐进行飞行前最大负荷运动试验,确定航天员的最大心率和运动功率,这对制订个体化锻炼方案非常重要。用年龄来预测最大心率过于保守,而且变异太大。如果采用间断的锻炼方法,应该准确地按照功率,而不是依赖心率来制定。着陆当天采用跑台进行最大耗氧量测试易造成肌肉疼痛,而采用自行车功量计进行最大耗氧量测试不会产生这些影响。最大耗氧量测试可准确地评估有氧能力,而亚极量测试在实际操作层面更易于被航天员接受,因此如果在着陆当天或接近着陆时进行极量测试,推荐使用自行车功量计以减少肌肉损伤风险。1.4对抗措施系统1971年4月19日,“礼炮”1号空间站发射时,对抗措施包括:跑台、训练服、“Sekofen”药物和抗荷服。到“礼炮”4号飞行时,对抗措施系统增加自行车功量计、下体负压舱以及水盐添加剂。“礼炮”5号空间站采用了类似的对抗措施系统。后来,随着在轨长期飞行经验的增加,对抗措施系统也在不断发展和完善。1.5帮助后体能训练在国际空间站上,美国舱段对抗措施系统由训练硬件和监测仪器组成。训练硬件包括跑台、阻抗训练装置、自行车功量计,监测仪器包括便携式计算机、心率监测仪、血压/心电仪。俄罗斯采用的对抗措施有跑台、自行车功量计、扩胸器、训练负荷服的体能训练;肌肉电刺激;气比斯服的下体负压训练;随意的肌肉用力设备;企鹅-3服、Kentavr服及Braslet箍带;药品。2为失生理效应采取的保护措施2.1限制下肢压力管阿波罗16号任务采用Jobst齐腰长弹性紧身衣来对抗飞行后立位低血压。该紧身衣在踝关节压力为40～45mmHg,线性降低到腰部大约10mmHg。该服装根据航天员个人尺寸定制。阿波罗17号任务采用加压管原理为下身加压,采用液压计测量压力,用手球进行充气,加压管通过服装传到踝关节皮肤的压力为2∶1,压力线性降低到腰部10mmHg。飞行前采用压力感受器来控制压力传导比例,以及对踝部到腰部的压力梯度降低进行验证。为适应飞行中下肢围度的逐渐减小采用了束带。加压管本身可适应下肢围度的中度变化(2.5cm)。实际使用时指令长充气到130mmHg,踝关节压力为65mmHg。两种类型的对抗立位低血压服装,压力管式服装更适于航天员使用。虽然弹力服装也起到了中度对抗立位低血压的效果。但弹力服装在返回前以及溅落后由于航天飞机舱内环境狭小,很难顺利穿着,其防护只能在返回后使用,而且飞行前的服装在飞行后由于肌肉萎缩,无法达到规定压力,此问题在加压管服装设计中给予了考虑。2.2锻炼设备与时间在天空实验室3次载人飞行任务中使用了心血管对抗服装,该服装主要给下身提供机械压力对抗飞行后着陆姿态低血压的影响。设备由与腿一样长的拉力管组成。采用压力球给拉力管充气后可在踝部产生85～90mmHg压力,在腰部的压力为10mmHg。航天员在返回前着此服装,有时在返回过程中和着陆后充气。天空实验室跑台锻炼方案为每天行走,跳跃和慢跑10min。天空实验室2号采用自行车功量计进行锻炼,每次15min,每天2次。每次锻炼,航天员在飞行前测定的最大耗氧量25%,50%和75%的条件下锻炼,每个工作负荷锻炼5min,共锻炼15min。天空实验室2号采用下体负压设备进行实验,一般1名航天员为受试者,1名航天员进行实验。下肢容量测量在LBNP作用的同时进行。所使用的负压方案与阿波罗任务相同,最初5min为对照,15min刺激期包含5个不同的负压,8mmHg和16mmHg各1min,30mmHg3min,40和50mmHg各5min(图1)。LBNP的研究结果发现立位耐力的下降在飞行最初的4到6天就已经出现。在飞行最初的1～3周心血管稳定性和立位耐力大幅度下降,大约5～7周后心血管响应变得更为稳定,立位耐力有所提高。在整个天空实验室任务中仪器设备和锻炼步骤的调整是根据前一次飞行的经验来进行的。在天空实验室3号任务中航天员的锻炼时间从每天30min延长到了每天1h,同时还增加了锻炼措施。在天空实验室4号任务中,锻炼时间进一步延长到每天1.5h,同时配备了跑台装置。天空实验室4号任务采用MarkI锻炼器锻炼上肢,其为一种惯性轮抗阻装置;采用跑台锻炼下肢。也可采用锻炼装置锻炼小腿。采用自行车功量计对抗心血管功能失调。在高负荷下蹬自行车较长时间,如15、20、30min左右时需要分散注意力(在自行车前加屏幕或者航天员可听音乐来分散注意力)。天空实验室综合方案的使用情况,见表1。2.3高间隔锻炼方案飞行时间延长计划(EDOMP)中的航天员在轨进行了被动跑台锻炼,方式包括不同的锻炼时间,锻炼强度和锻炼天数。锻炼方案包括连续和间隔锻炼,负荷为飞行前最大耗氧量的60%到85%。一些航天员在飞行中很难达到或维持目标靶心率,且使用的被动跑台只能在正的坡度下跑步。1)连续锻炼方案包括3个阶段,每个阶段持续8～10min,负荷为达到受试者飞行前最大耗氧量60%,70%和80%所对应的心率,该方案只用于跑台锻炼。2)间断锻炼方案包含5段对应于飞行前最大耗氧量65%心率4min,随后是最大耗氧量50%对应的心率2min。该方案用于跑台、划船器或自行车功量计。高间隔锻炼方案是间断锻炼方案的改良,该方案也包含5个阶段,每段包含4min高和2min低的锻炼。最开始的2个高/低段心率对应于65%和50%的最大耗氧量,后2个阶段心率对应于75%和50%最大耗氧量,最后一段心率对应于飞行前最大耗氧量的85%。所有方案开始于3min的热身阶段,结束于3min的整理恢复。一名航天员蹬自行车采用自己设计的连续锻炼方案,在所有阶段均采用70%到80%飞行前最大耗氧量所对应的心率。在锻炼过程中实时监测航天员心率,并给航天员以反馈。飞行锻炼组在着陆时肌力降低更多,躯干屈伸锻炼组比飞行前力量更大一些,这些结果表明跑台锻炼不能防止9到11d飞行躯干力量的降低,肌肉功能的维持仅限于锻炼过的肌肉。飞行中没有锻炼或采用自行车功量计锻炼的受试者飞行后有氧能力显著降低,飞行中采用跑台或划船器进行锻炼的受试者飞行后有氧能力较飞行前没有变化。飞行时间和最大耗氧量的降低不相关。飞行中每周锻炼3次以上,锻炼负荷大于70%其年龄预测的最大心率,每次锻炼超过20min的受试者,在着陆当天比锻炼频率较少或锻炼强度过低的受试者最大耗氧量降低较少。进一步的研究表明,跑台锻炼与飞行后3%的VO2max降低有关;飞行中划船锻炼与6%的VO2max降低有关;飞行中进行自行车功量计锻炼与12%～13%的VO2max降低有关。另外的发现就是飞行中自行车功量计的心率与飞行前相似。有航天员发现在航天飞机跑台上跑步很难达到靶心率,经研究表明这一现象与飞行中跑台设备有关,而与微重力暴露引发的生理变化关系不大。2.4国际空间站的任务2.4.1测试次数及效果NASA在地面上开展了国际空间站运动锻炼效果验证实验。在相关试验中使用的近似国际空间站上使用的有氧锻炼方案(自行车功量计),参见图2。抗阻锻炼动作包括蹲起、卧推、上肢推举以及提拉等动作。锻炼时低速(20°/s)重复6次为一组,中速时(35°/s)重复8次为一组,高速(50°/s)重复12次为一组。蹲起动作低速采用10°/s,中速采用15°/s,高速采用20°/s,各速度下重复次数与其他动作相同。地面舱内模拟的研究结果表明,经过锻炼的受试者最大耗氧量平均增加7%(1%～20%),在后续实验中应加入跑台有氧锻炼;所有完成所需锻炼的受试者肌力均增强,后期应增加锻炼能动性,增加锻炼动作及目标性的测试检测评估。目前,国际空间站失重防护锻炼日安排时间为2.5h,具体的锻炼项目安排,见表2。2.4.2自行车体育锻炼的安排俄罗斯方案使用M型套带,采用弹力带研制,加在皮肤上的压力约为30～40mmHg。着企鹅服时一般使用的负荷为10～15Kg,着装时间8～12h。俄罗斯在轨自行车功量计使用方案在防护手册中有详细的介绍,以天进行安排,可用脚踏车,也可用自行车功量计锻炼上肢,蹬车通常采用中速(60～70r/min),间断蹬车,100w为基础功率,低负荷锻炼时最高负荷为150w,锻炼时间5min;中等负荷锻炼时最高负荷为175w,锻炼时间为7min;高强度负荷锻炼时最高负荷为225w,锻炼时间9～10min。安排为低负荷、高强度负荷、中等负荷。自行车锻炼之间穿插手部踏车以及拉力器锻炼。俄罗斯在空间站上使用的跑台锻炼方案也是以天为单位安排的。跑台锻炼因穿着束缚系统,常与躯干及上肢的阻力锻炼结合一起进行,跑台锻炼在行走时速度设为4.5～5km/h,而在跑步时低速设定为6.5～7km/h或8km/h,高速跑步时设定为14km/h,设定的持续时间在2～3min,间隔采用抗阻锻炼来实现。3重要的生理效果保护措施的发展战略3.1进一步开发锻炼设备的用途从在轨失重防护的研究发展历程上看,防护措施从最初的只有自行车功量计,到后期拉力器、跑台、抗阻锻炼装置等,防护措施的多样化除了失重生理效应防护的内在需求外,还有航天员对防护锻炼多样化、趣味性的要求,而且由于每名航天员均有在轨锻炼需求,也要求更多防护方法和防护措施,保证航天员的日锻炼需求。另外,还要充分开发锻炼设备的各种用途以保证航天员在轨锻炼需求。如俄罗斯的自行车功量计,除可进行蹬车锻炼运动心肺功能和下肢部分肌群外,还可进行上肢锻炼,且上肢的负荷要求显著低于上肢,采用自行车功量计进行上肢锻炼,能够较好地达到上肢锻炼需求。跑台锻炼上装有束缚系统,采用以弹力绳为材料的束缚系统还可用于进行躯干锻炼,达到抗阻锻炼的部分效果。着企鹅服除了在日常工作中进行部分锻炼外,还可设计相关动作进行主动锻炼,以便于达到锻炼效果。新型防护措施的验证和使用,也是增加锻炼方式的途径。如目前还处于验证阶段的返回前单次性最大量锻炼,返回前正压呼吸预防返回后的立位耐力降低,采用KAATSU训练法使肌肉肥大对抗肌肉萎缩,足底刺激防护,采用多关节低阻力对抗措施,使身体各主要关节在日常工作中进行低阻力针对性锻炼,以及能够同时进行耐力和阻力锻炼的防护措施等等。中医整体防护的特色也可在未来的失重防护加以应用,如建立可配合航天服穿着的穴位刺激服,整体调节航天员功能状态,使之对抗身体的适应性改变等。3.2和平号航站楼上的能量需求空间飞行工作负荷和代谢消耗的研究表明,需要重点关注长时间有氧锻炼(2h)以及中高强度锻炼(70%VO2max)下的能量消耗。如和平号空间站上2.5h日常锻炼,平均日消耗能量1450kcal,是整个任务3150kcal日摄入能力的一半。表3给出了在轨飞行的能量需求。保持锻炼对抗的同时降低整体能量需求是失重防护发展的需求。低估能量和饮水需求会造成严重的脱水和食物短缺,过高估计能量需求也会造成发射成本的增加。因此研究最佳探索锻炼和饮食需求匹配方案,是长期飞行规划和成功完成任务的基本要求。3.2.1其他反射机制立位耐力降低是航天飞行以来一直存在的生理问题。该生理问题机制与10%～20%的循环血容量降低、心脏充盈、每搏量和心输出量降低有关。另外,还与几种反射机制有关,包括心脏压力反射敏感性降低,外周血管阻力降低,以及交感神经响应性降低。因此,锻炼和营养防护设计应该维持循环血容量和压力反射功能,以缓解空间飞行后立位问题有关心血管机制的不良影响。3.2.2蛋白质饮食、一般肌肉中的通量要保证调湿联合返回后测试中航天员出现各种骨骼肌力量降低,结构、快肌和慢肌纤维功能的变化,提示应该耐力和阻力锻炼联合,同时给予合适的蛋白质饮食才能有效对抗长期飞行中骨骼肌萎缩性变化。3.2.3骨生成降低了骨钙和骨密度饮食中矿物质含量满足正常需求的情况下,1～3个月空间飞行会引起尿钙和尿磷排出增加2倍,形成负氮和负磷平衡。空间飞行实验已经证实骨吸收增加,骨生成降低造成了骨钙和骨密度以每月0.4%～1.0%的速率降低,6到8个月飞行松质骨和脊柱骨矿物质丢失达7%～12%,造成中长期飞行进行体力活动时骨折风险增加,肾结石风险增加。因此在空间飞行应中进行特殊的体育锻炼以增加骨骼系统的负载,同时补充与骨生长和维持有关的矿物质,方可有效对抗微重力引发的骨和肾功能障碍。3.3重负荷-压力—反向契合失重生理效应层次特征的锻炼-输出动态响应应用除确定有效的饮食制度外,锻炼和营养综合对抗研究必须致力于最有效的提供有氧能力,立位耐力、肌肉和骨骼维持。每一种防护方法均针对不同的生理系统,其锻炼模式涉及作用强度,作用时间和作用频次。如何合理优化安排不同锻炼模式也是防护措施取得有效防护效果的关键。人工重力是目前针对多系统综合防护的设备和方法之一。而美国MIT在人工重力研究上,其作用和锻炼方案的提出,也值得