航空太空醫學

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航空太空醫學(aerospace medicine),研究人在大氣層和外太空飛行時,外界環境因素(低壓缺氧、宇宙輻射等)及飛行因素(超重、失重等)對人體生理功能的影響及其防護措施的醫學學科。它的發展與航空太空工程技術的發展密切相關。1770年代到19世紀的100多年的時間內,各國科學家進行了數以百計的用氣球載人載動物的升空試驗。當時人們沒有認識高空環境會對人體帶來危害,沒有採取相應的保護措施,以致在升空中發生了人的凍傷耳痛意識喪失甚至死亡的嚴重事故。此後人們便重視和開展高空環境的研究,逐漸認識到低壓、缺氧、低溫對人體的危害,這是航空醫學的萌芽時期。飛機的製造、飛行是19世紀末20世紀初實現的。當時飛機的性能較低,航行高度僅2000米,飛行速度也僅有 500km/h。即使這樣也發生了暈機、著陸事故、飛機碰撞等急待解決的問題。第二次世界大戰期間,特別是噴氣飛機出現後,飛機的性能提高,航行高度增高,速度增快,續航時間延長,出現了超重、低壓、缺氧、低溫等引起的更為嚴重的醫學課題,這迫使各國投入了大量人力物力用於開展航空醫學研究。

太空醫學是在航空醫學基礎上發展的。40年代末50年代初,人們進行了廣泛的火箭和衛星的生物學試驗。動物實驗證明人類可以到宇宙航行後,蘇聯在60年代初首先載人太空成功。隨後研究了人在宇宙飛行的安全返回、失重對人體的影響等,證明人可以在失重條件下有效地工作和健康地生活。隨著太空技術的發展,太空醫學也相應地迅速發展。

航空太空醫學的研究範圍非常廣泛,下面僅就幾個重要內容加以闡述。

目錄

低壓、缺氧

低壓缺氧是航空太空中的重要環境因素之一。地球周圍包繞著一層大氣,大氣的固定成分主要是氮、氧、二氧化碳等。地平面上的大氣壓力每一平方厘米承受的大氣柱重量為 1.033kg,與同樣底面積高760mm的汞柱相等,這一壓力值即定為標準壓力。大氣壓力隨著高度升高而降低。當外界壓力降低到266.89mmHg(8000米上空)時,人就會發生減壓損傷。

減壓損傷

外界環境壓力降低時人體組織內、體液中的氣體(主要是在血液組織液中溶解度高的氮氣)會游離在血管內形成氣泡。形成的氣泡在血管內成為氣栓堵塞血管,在血管外則壓迫局部組織。血管內的氣泡循環到肺部則出現肺血管栓塞,繼發肺循環障礙。氣泡在肺臟外胸廓內可造成氣胸。氣栓在心臟血管內可導致循環障礙。氣泡壓迫局部組織常見於四肢關節,特別是膝關節肩關節等處,引起劇烈的疼痛,這種現象,稱為「屈肢痛」。飛機迅速上升下降時產生的氣壓劇烈變化,可引起中耳的疼痛,稱為航空性中耳炎。中耳借咽鼓管與外界相通,以保持中耳的內外壓力平衡,咽鼓管通常是關閉的,當吞咽打哈欠打噴嚏時便張開。外界壓力改變,人不能及時作通氣動作或咽鼓管功能不正常,鼓室內外壓力發生不平衡,引起耳氣壓性損傷。飛機上升時外界壓力降低,中耳內壓力相對增高形成「正壓」,鼓膜外凸,但咽鼓管功能正常的人,一般不會發生中耳損傷。飛機下降時環境壓力增高,中耳內壓力相對低形成負壓,鼓膜內陷。因咽鼓管是單項活門,外界氣體不能主動進入內耳,若不及時作吞咽動作,中耳負壓增加,耳內便有壓迫感,並出現耳痛、耳鳴耳悶。主動作通氣動作後,使氣體進入中耳,鼓膜複位,症状便可消失。客機上發放糖塊,要求旅客在飛機上升下降時咀嚼糖塊的道理就在於此。軍用飛機飛行時,氣壓改變迅速劇烈,咽鼓管功能正常的有經驗的飛行員都能及時作通氣動作,一般也不會發生中耳損傷。所以選拔飛行員時,要注意耳功能。旅客機一般不會經受壓力劇變,所以旅客很少發生中耳氣壓損傷。航空中的氣壓變化還可引起乘員的牙痛,稱航空性牙痛,多見於軍事飛行人員,其特點是以病牙為中心,向耳周圍或頜骨處擴散。民航客機氣壓變化慢,旅客不會出現航空性牙痛。齲齒繼發牙髓損傷常是引起牙痛的主要原因,壓力降低,髓腔內殘留氣體膨脹,壓迫血管,引起牙痛。牙本質過敏牙周炎冠周炎等也可能引起航空性牙痛。

缺氧

外界壓力降低時,空氣中的絕對氧分壓也相應降低,引起飛行人員的高空缺氧。在3000m高度時(氧分壓為100mmHg)人會出現輕度缺氧,4600m高度(氧分壓為80mmHg),可發生中等度缺氧,在6100m(氧分壓為63mmHg)以上的高度,可出現嚴重的缺氧狀態。腦和感覺器官對缺氧非常敏感,缺氧直接影響乘員的協調動作和智能功能(記憶、理解、判斷),嚴重缺氧會引起意識障礙,導致嚴重的飛行事故。

低壓缺氧的防護

現代飛機的飛行高度不超過7公里,一般仍可用敞開式座艙。性能較高的飛機則採用密封式增壓座艙,它可以有效地防護高空的低壓缺氧、低溫、高速氣流等不良因素對飛行人員的傷害,艙內合適的微小氣候保證飛行人員有良好的工作生活條件。增壓座艙主要由能承受一定壓差、具有良好密閉性能的座艙結構和環境控制系統組成。增壓座艙可分為通風式、再生式兩種。

①  通風式增壓座艙,又稱氣密座艙。基本原理是:關閉艙蓋後,艙蓋邊緣的密封膠帶充氣,使艙蓋口密封嚴密;同時機上的專用座艙增壓器將高空的稀薄大氣不斷壓縮到密封艙內,艙內壓力調節裝置自動地將艙內多餘的增壓空氣排出艙外,使艙內氣壓和壓力變化率符合所要求的壓力制度並維持艙內空氣清新。利用氣體增壓所致的氣溫升高實現座艙調溫。飛機高空飛行時座艙增壓,形成了艙內外的一定壓力差(稱余壓),艙內增壓壓差制度根據機種的不同而異。旅客機機動飛行要求低,飛機重量較大,很少發生迅速減壓,續航時間長,常採用高壓差制度如協和式客機航行高度在18km,艙內高度僅為 1800m,旅客在艙內可自由活動和交談。軍用飛機,特別是殲擊機,飛行時間短,機動性能要求高,乘員需使用供氧裝置,常採用低壓差制度。飛機上備有供氧系統,以防止高空缺氧,它由機上攜帶的氧源、氧氣調節器、減壓器、供氧面罩、連接管路、監測儀錶、跳傘供氧器等組成。軍用飛機增壓座艙採用低壓制度,配備加壓供氧系統,斷續性供氧。中遠程客機的巡航高度在8~12km,增壓座艙採用高壓制度,飛行中乘員和旅客不需供氧,機上可配備應急時的供氧裝置。

②  再生式增壓座艙,用於載人的太空飛行器座艙,與外界隔絕,完全氣密,艙內備有完整的生命保障系統。其主要設施是大氣控制系統,由氣源氧源、調節控制器組成。艙內壓力一般是一個大氣壓力,氣體成分中氧佔20%、氮佔80%。調節控制系統自動地不斷補充人體消耗的氧和艙體泄漏的氣體,以維持艙內的壓力要求。溫度控制系統可調節艙溫。淨化系統吸附、過濾、淨化人體呼出的二氧化碳,汗液揮發出的、胃腸道排出的有害氣體,保持艙內氣體新鮮。還有去濕、廢物處理等裝置。

超重和失重

飛行器升、降時會產生超重,太空飛行器在宇宙空間飛行時會產生失重,兩者對人體生理功能均有影響。

超重

航空太空飛行器飛行時速度快,機動性強,產生強大的超重(又稱加速度、過載)。重力作用於人體的方向由頭至足的則稱正超重(正加速度),即+G2;反之,重力的方向由足至頭時稱負超重(負加速度),即 -G2;以上為縱向超重。重力方向由胸至背時,叫胸背向超重,即+G2;反之,重力方向由背至胸時,叫背胸向超重,即-G2,以上稱橫向超重;還有側向超重。航空時人在艙內取坐姿,重力作用主要是縱向超重,它對人體的影響較大,可使體位改變,體內組織器官發生變形移位,對血液動力學和懸垂組織的影響更為突出。正超重時,血液受慣性力作用由上身轉移到下身,引起頭部、上身缺血視力障礙,嚴重時可發生暈厥。人體對縱向超重耐力較低,只有4G值左右,訓練、穿著抗荷服可提高超重耐力。太空飛行器發射和返回時同樣產生時間較長的加速減速超重,超重值可達8G左右。高G值的超重,人取坐姿難以適應,所以太空員通常採取仰臥姿,經受的是橫向超重,這對人體的影響較輕。人對8G值的橫向超重可耐受十多分鐘。太空中經受的這種橫向超重,一般人都可以耐受。

飛行中各種加速度對人體的前庭器官是一種刺激,在適宜範圍內一般不會引起不良反應,當加速度刺激頻繁、劇烈,時間較長,超過前庭器官的閾值,即可引起運動病反應。運動病有暈船、暈機、暈車、太空運動病等。主要症状是頭暈噁心嘔吐出冷汗面色蒼白等。病因與前庭器官密切相關,喪失前庭功能的聾啞人,前庭器官發育不全的人,一般不會發生運動病。軍事飛行中乘員暈機的較多。民航客機飛行平穩,座艙舒適,發生暈機的旅客一般不超過6%。

失重

太空飛行中的一個特殊物理因素。人體的結構特點,保證人對重力的對抗和適應。載人太空實踐證明,失重對人體的生理功能有很大影響,但不像原先想像的那樣嚴重。人在失重條件下連續生活工作365天後,返回地球經短期休息,可完全地恢復健康,並未發生不可逆轉的生理變化。

失重引起的人體生理功能變化主要是:①心血管功能的改變。失重時人體的流體靜壓喪失,血液和其他體液不像重力條件下那樣慣常地流向下身,相反,下身的血液迴流到胸腔、頭部。太空員面部浮腫頭脹頸部靜脈曲張,身體質量中心上移。人體的感受器感到體液增加,機體通過體液調節系統減少體液,出現體液轉移、反射多尿,導致水鹽從尿中排出,血容量減少,出現心血管功能降低徵候,如心輸出量減少、立位耐力降低等,返回地面後短時對重力不適應。隨著太空的時間延長,心血管功能可在新的水平上達到新的平衡,心率、血壓、運動耐力恢復到飛行前的水平。失重引起血容量減少的同時可出現血紅細胞血紅蛋白量的減少,這些隨著太空時間的延長逐漸恢復正常。②前庭功能變化。失重時,出現頭暈、噁心,腹部不適,體位翻轉等運動病症狀,稱為太空運動病,又稱太空適應症候群。發生率約佔太空員總數的1/3~1/2。太空初期進入失重後即可發病,持續一周,失重一周之後,前庭功能可對失重適應。發病者個體差異很大。病因不清,可能與失重相關。失重時耳石失去重量,對半規管的正常抑制解除,使半規管興奮性和反應增強,這時任何頭部運動都可成為閾上刺激;有人認為失重時感覺重力的器官將異常信號傳入大腦,形成前庭、視覺運動覺等信號衝突,引起各分析器相互作用紊亂,導致太空運動病。太空運動病至今還不能完全預防,發病時可服抗運動病藥物。③骨鹽代謝紊亂。失重會引起人體的骨無機鹽代謝紊亂,經尿排出的鈣磷增加,鈣的排出量每月約6克左右。負重的跟骨股骨等骨鹽喪失較大,上肢撓骨、尺骨則較輕。脫鈣的原因是地面上常有的適宜載荷垂直負重對骨骼肌肉的刺激減弱或消失,血液供應減少,骨細胞營養改變,破骨細胞功能增強,成骨細胞功能減弱,分解過程大於合成過程。骨鹽的喪失引起骨質疏鬆,而且持續時間很長。失重引起的肌肉變化,主要表現在對抗重力的肌群張力減弱,甚至萎縮。原因是抗重力肌不需做功,出現廢用性萎縮。

一般認為人在失重下生活六個月,生理功能不會發生不可恢復的改變。

宇宙輻射

航空太空飛行中常可出現宇宙輻射對人體的傷害。宇宙輻射主要指從銀河系各方面來的高能帶電粒子流,由質子、光子、電子組成;其次是太陽發生耀斑時釋放出的大量高能帶電粒子,絕大多數是質子,其次是α 粒子;第三種是地球輻射帶的射線,帶電粒子在近地球空間為地磁場俘獲,形成範圍很廣的高強度輻射區,稱地球輻射帶。輻射粒子作用於人體細胞使原子產生電離效應。

宇宙輻射經地球大氣層的屏蔽,到達地面的劑量很小,人在地面上生活30年,平均接受的自然劑量僅是4.35~5.5雷姆(rem,劑量當量單位),所以低空飛行的飛機,不會受到宇宙輻射的損害。美國對民航飛行進行過測定,表明超音速亞音速客機航行中機組人員和旅客接受到的宇宙輻射劑量沒有超過國際輻射防護委員會規定的最大允許標準,即從事輻射職業工作人員年接受量5rem。一般人員0.5rem。

載人太空歷來重視宇宙輻射對太空員的傷害,太空飛行器及乘員身上都帶有各種輻射劑量測定儀,以觀察宇宙輻射可能對人體的傷害。觀測表明,美蘇太空員太空中接受的輻射劑量多數沒有達到使人傷害的水平,但少數飛行中太空員接受的輻射劑量比較大。太空時接受劑量的多少與航行軌道有關,航行軌道高時比軌道低時接受的劑量多。載人太空中還應特別注意重粒子對人的傷害。載人太空飛行器的金屬艙壁有一部分防輻射作用,但有一定限度。應儘可能避免航空太空時遭受太陽耀斑的輻射傷害。

飛行乘員的食品供應

飛機乘員的食品供應,應注意營養豐富。飛行前避免食用易產氣和富含纖維素的食物,並防止空腹或過飽飛行。太空員的食品除營養豐富適合口味外,重要的是適合太空條件下食用。太空時艙內一切物體,包括食物,都處於失重狀態,會自由飄浮。太空食品中肉醬、果醬類半固體食品可裝入牙膏狀的鋁管內,進食時擠壓鋁管食物即可通過硬塑料管進入口中,這類食品方便安全,但不適合口味,現已少用。麵包、點心、肉塊、雞塊等可製成一口大小的塊狀,表面塗有一層可食用的薄膜,以防食品破碎脫屑。罐裝食品是現在太空食品使用最多最受歡迎的食品,內裝食品有一定的粘稠性,食用時不會飄浮,性狀同地麵食品一樣。早期的太空食品較簡單,僅是一些牙膏軟管狀和壓縮的塊狀食物,現在太空食品品種有70多種。太空飛行器中還有電熱灶,用以加熱食品。

航空太空中的晝夜節律變化

長期生活在地球表面晝夜節律周期中的人,心理生理功能逐漸形成與此相適應的人體內環境的平衡,某些功能存在著與晝夜節律相類似的同步變化。外界環境晝夜周期發生變化後,人在短期內不能適應,會出現一些生理功能紊亂現象。

航空飛行中的時差變化

大型噴氣客機飛行一小時可跨越一個時區。乘噴氣客機旅行,高速向東或向西飛行10小時,到達目的地後,兩地相較,即提前或推遲10小時。旅客對新的時間不能馬上適應,可出現一時性適應困難,引起睡眠障礙疲勞等症状,同時工作效率降低,體育比賽成績不理想。因此,有重要任務的旅客(如參加國際會議、重大國際體育比賽者)應力爭做到飛行前、飛行後的適應。飛行前適應是指若向東飛行,飛行前幾天就開始每天提早就寢、提早起床,以便儘可能提前適應目的地的環境晝夜節律。飛行後適應是指提前到達目的地,休息1~2天,適應新的環境。

太空中的晝夜節律

載人太空飛行器繞地球飛行一周,太空員可見到一次日落,一次日出,一天24小時內可見到十幾次日落日出的晝夜周期。太空中的晝夜周期是可變的,時間長短決定於載人太空飛行器繞地球飛行的軌道高低,軌道高則晝夜周期長,軌道低則晝夜周期短。載人太空飛行器飛行軌道一般是近地球軌道,近遠點在200~700km處,繞地飛行一周大約90分鐘,24小時內有16個晝夜變化。太空員長期習慣於地球上的晝夜周期,對這種短暫的晝夜變化很不習慣,可出現睡眠不好,易醒、易疲勞,工作效率降低等。太空醫學工作者將太空員的作息制度按24小時為一個晝夜周期安排,基本上與地球晝夜周期同步。24小時內8小時工作,8小時睡眠,2小時就餐,其餘時間為洗漱、文化娛樂、體育鍛煉。太空員睡眠期間,艙內燈光也相應減暗,地面人員儘可能不打擾他們,只通過遙測系統傳來的太空員重要生理信息(心率、血壓等),監視他們的健康狀況。

參考書目

蔡翹等著:《航空與空間醫學基礎》,國防工業出版社,北京,1979。

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