週四,三月31 2011 17:44

航空航天醫學:重力、加速度和微重力在航空航天環境中的影響

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自 1903 年在北卡羅來納州(美國)基蒂霍克首次有動力飛機持續飛行以來,航空業已成為一項主要的國際活動。 據估計,從 1960 年到 1989 年,每年定期航班的航空旅客人數從 20 萬人次增加到 900 億多人次(Poitrast 和 deTreville 1994)。 軍用飛機已成為許多國家武裝部隊不可或缺的武器系統。 航空技術的進步,尤其是生命支持系統的設計,促進了載人太空計劃的快速發展。 軌道太空飛行相對頻繁,宇航員和宇航員長時間在太空飛行器和空間站工作。

在航空航天環境中,可能在一定程度上影響機組人員、乘客和宇航員健康的物理壓力因素包括空氣中氧氣濃度降低、氣壓降低、熱應力、加速度、失重和各種其他潛在危害(DeH​​art 1992 ). 本文描述了在大氣中飛行期間暴露於重力和加速度的航空醫學影響以及在太空中經歷的微重力的影響。

重力和加速度

在大氣中飛行期間遇到的重力和加速度的組合產生了機組人員和乘客經歷的各種生理效應。 在地球表面,重力幾乎影響所有形式的人類身體活動。 人的重量對應於地球引力場對人體質量施加的力。 用來表示自由落體物體落在地球表面附近時加速度大小的符號稱為 g, 相當於大約 9.8 m/s 的加速度2 (Glaister 1988a;Leverett 和 Whinnery 1985)。

促進 每當運動中的物體增加其速度時就會發生。 速度 描述物體運動的速率(速度)和運動方向。 減速 指的是涉及降低既定速度的加速度。 加速度(以及減速度)是一個矢量(它有大小和方向)。 加速度分為三種:直線加速度,不改變方向的速度變化; 徑向加速度,方向改變而不改變速度; 和角加速度,速度和方向的變化。 在飛行過程中,飛機能夠在所有三個方向上機動,機組人員和乘客可能會經歷線性、徑向和角加速度。 在航空領域,施加的加速度通常表示為重力加速度的倍數。 按照慣例, G 是表示施加的加速度與重力常數之比的單位(Glaister 1988a;Leverett 和 Whinnery 1985)。

生物動力學

生物動力學是一門研究生命物質的力或能量的科學,是航空航天醫學領域的一個主要研究領域。 現代飛機具有高度機動性,能夠以非常高的速度飛行,從而對乘員產生加速力。 加速度對人體的影響取決於加速度的強度、加速度和方向。 加速度的方向一般用三軸坐標係來描述(x,y,z) 其中垂直 (z) 軸平行於身體的長軸,則 x 軸從前到後定向,並且 y 軸方向並排(Glaister 1988a)。 這些加速可分為兩大類:持續的和短暫的。

持續加速

飛行器(以及在發射和重返大氣層期間在重力影響下在大氣層中運行的航天器)的乘員通常會體驗到響應飛行空氣動力的加速度。 包括持續時間超過 2 秒的加速度的長時間速度變化可能是由於飛機速度或飛行方向的變化造成的。 持續加速的生理效應源於身體組織和器官的持續變形以及血液流動和體液分佈的變化 (Glaister 1988a)。

沿正向或向前加速 z 軸(+Gz) 代表主要的生理問題。 在民用航空運輸中, Gz 加速很少見,但在某些起飛和著陸期間以及在空氣湍流條件下飛行時偶爾會出現輕微的加速。 乘客在突然墜落時可能會經歷短暫的失重感(負 Gz 加速度),如果不受限制地坐在座位上。 意外的突然加速可能導致不受約束的機組人員或乘客被拋向飛機機艙的內表面,從而導致受傷。

與民用運輸航空相比,高性能軍用飛機以及特技和空中噴灑飛機的運行可能會產生明顯更高的線性、徑向和角加速度。 當高性能飛機在轉彎或從陡峭的俯衝拉起機動期間改變其飛行路徑時,可能會產生大量的正加速度。 +Gz 當前作戰飛機的性能特徵可能會使乘員承受 5 至 7 的正加速度 G 10 到 40 秒 (Glaister 1988a)。 在相對較低的加速度水平下,機組人員的組織和四肢的重量可能會增加,僅為 +2 Gz. 例如,一名體重 70 公斤的飛行員進行了一次飛機機動,產生了 +2 Gz 體重會從 70 公斤增加到 140 公斤。

心血管系統是決定對+的整體耐受性和反應的最重要的器官系統Gz 壓力 (Glaister 1988a)。 積極加速對視力和心理表現的影響是由於血流量減少以及向眼睛和大腦輸送氧氣。 心臟將血液泵送到眼睛和大腦的能力取決於其在循環系統中任何一點超過血液靜水壓的能力以及正向心臟產生的慣性力 Gz 加速度。 這種情況可以比作向上拉一個部分裝滿水的氣球,並觀察由於慣性力作用在水團上而使氣球向下膨脹。 暴露於正加速度可能會導致周邊視力暫時喪失或完全喪失意識。 高性能飛機的軍事飛行員可能會面臨發展的風險 G- 當暴露於 + 中的快速啟動或長時間的正加速時引起的停電Gz 軸。 暴露於高持續水平的 + 後經常發生良性心律失常Gz 加速,但通常臨床意義很小,除非存在預先存在的疾病; –Gz 由於飛機設計和性能的限制,加速很少發生,但可能發生在倒飛、外圈和自旋以及其他類似的機動動作中。 與接觸相關的生理效應 –Gz 加速主要涉及上半身、頭部和頸部的血管壓力增加 (Glaister 1988a)。

垂直於身體長軸的持續加速度稱為 橫向加速度 並且在大多數航空情況下相對不常見,除了彈射器和噴氣式或火箭輔助從航空母艦起飛,以及在航天飛機等火箭系統發射期間。 在此類軍事行動中遇到的加速度相對較小,通常不會對身體產生重大影響,因為慣性力與身體的長軸成直角。 一般來說,效果不如在 Gz 加速度。 橫向加速度±Gy 軸是不常見的,除了實驗飛機。

瞬態加速度

個體對短時加速的生理反應是飛機事故預防和機組人員及乘客保護科學中的主要考慮因素。 瞬時加速的持續時間非常短(不到 1 秒),以至於身體無法達到穩態。 飛機事故中最常見的受傷原因是飛機撞擊地面或水面時發生的突然減速 (Anton 1988)。

當飛機撞擊地面時,巨大的動能會對飛機及其乘員施加破壞力。 人體通過加速度和應變的組合來響應這些施加的力。 損傷是由於組織和器官的變形以及與飛機駕駛艙和/或機艙的結構部件碰撞造成的解剖部位的創傷造成的。

人類對突然減速的容忍度是可變的。 傷害的性質將取決於施加力的性質(主要是穿透性衝擊還是鈍性衝擊)。 碰撞時,產生的力取決於通常施加於乘員的縱向和水平減速度。 突然的減速力通常分為可容忍的、有害的和致命的。 可以忍受 外力造成擦傷和瘀傷等外傷; 傷害性的 力會產生中度至嚴重的創傷,但可能不會使人喪失能力。 據估計,大約 25 的加速脈衝 G 維持0.1秒是沿+的耐受極限Gz 軸,那大約 15 G 0.1 秒是 – 的極限Gz 軸(安東 1988)。

多種因素會影響人類對短時加速的耐受性。 這些因素包括施加力的大小和持續時間、施加力的開始速度、施加力的方向和施加位置。 需要注意的是,人能承受的垂直於身體長軸的力要大得多。

保護對策

對機組人員進行身體檢查以確定可能使他們在航空航天環境中面臨更大風險的嚴重既往疾病是航空醫學計劃的一項關鍵功能。 此外,高性能飛機的機組人員可以採取對策,以防止飛行期間極端加速的不利影響。 船員必須接受培訓,以認識到多種生理因素可能會降低他們對 G 壓力。 這些危險因素包括疲勞、脫水、熱應激、低血糖和缺氧 (Glaister 1988b)。

高性能飛機的機組人員採用三種類型的機動動作來最大程度地減少飛行過程中持續加速的不利影響,這些動作是肌肉緊張、對著閉合或部分閉合的聲門(舌頭後部)用力呼氣和正壓呼吸(Glaister 1988b;德哈特 1992)。 強制性肌肉收縮對血管施加增加的壓力以減少靜脈池並增加靜脈回流和心輸出量,從而導致流向心臟和上半身的血流量增加。 雖然有效,但該過程需要極端、積極的努力,並可能很快導致疲勞。 針對閉合的聲門呼氣,稱為 瓦爾薩爾瓦動作 M-1程序) 可以增加上半身的壓力並提高胸內壓(胸腔內); 然而,結果是短暫的,如果延長可能是有害的,因為它會減少靜脈血回流和心輸出量。 對著部分閉合的聲門用力呼氣是一種更有效的抗G 緊張的動作。 在正壓下呼吸是另一種增加胸腔內壓力的方法。 正壓傳輸到小動脈系統,導致流向眼睛和大腦的血液增加。 正壓呼吸必須結合使用抗G 套裝可防止下半身和四肢過度積水。

軍用空勤人員練習多種訓練方法提升 G 寬容。 機組人員經常在離心機中訓練,該離心機由連接到旋轉臂的吊籃組成,旋轉臂旋轉並產生 +Gz 加速度。 機組人員熟悉可能出現的一系列生理症狀,並學習控制這些症狀的正確程序。 體能訓練,尤其是全身力量訓練,也被發現是有效的。 最常用的機械設備之一,用作保護設備以減少 + 的影響G 暴露由氣動充氣反G 西裝(格萊斯特 1988b)。 典型的褲狀服裝由腹部、大腿和小腿上的氣囊組成,這些氣囊通過反G 飛機上的閥門。 抗G 閥門膨脹以響應施加在飛機上的加速度。 在通貨膨脹時,反G 套裝會導致下肢組織壓力升高。 這可以維持外周血管阻力,減少腹部和下肢的血液積聚,並最大限度地減少隔膜的向下位移,以防止可能由正向加速引起的心臟和大腦之間的垂直距離增加 (Glaister 1988b)。

倖存與飛機失事相關的短暫加速取決於有效的約束系統和駕駛艙/機艙完整性的維護,以最大限度地減少損壞的飛機部件對生活空間的侵入(Anton 1988)。 腰帶、安全帶和其他類型的約束系統的功能是限制機組人員或乘客的移動,並減弱撞擊過程中突然減速的影響。 約束系統的有效性取決於它在身體和座椅或車輛結構之間傳遞載荷的能力。 能量衰減座椅和後向座椅是飛機設計中限制傷害的其他特徵。 其他事故保護技術包括吸收能量的機身部件設計和改進座椅結構以減少機械故障(DeHart 1992;DeHart 和 Beers 1985)。

微重力

自 1960 年代以來,宇航員和宇航員執行了無數次太空飛行任務,其中包括美國人 6 次登月。 任務持續時間從幾天到幾個月不等,一些俄羅斯宇航員記錄了大約 1 年的飛行時間。 在這些太空飛行之後,醫生和科學家撰寫了大量文獻來描述飛行中和飛行後的生理異常。 在大多數情況下,這些像差歸因於失重或微重力。 儘管這些變化是短暫的,在返回地球後的幾天到幾個月內會完全恢復,但沒有人能完全肯定地說宇航員在執行持續 2 到 3 年的任務後是否會如設想的火星往返那樣幸運。 主要的生理異常(和對策)可分為心血管、肌肉骨骼、神經前庭、血液和內分泌(Nicogossian、Huntoon 和 Pool 1994)。

心血管危害

到目前為止,太空中沒有出現嚴重的心臟問題,例如心髒病發作或心力衰竭,儘管有幾名宇航員出現了短暫的異常心律,尤其是在艙外活動 (EVA) 期間。 在一個案例中,作為預防措施,一名俄羅斯宇航員不得不比計劃提前返回地球。

另一方面,微重力似乎會導致血壓和脈搏不穩定。 雖然這不會導致飛行期間的健康或機組人員表現受損,但大約一半的宇航員在飛行後會立即變得極度頭暈和頭暈,一些人會出現暈厥(暈厥)或接近暈厥(暈厥前)。 人們認為這種不能垂直站立的原因是重新進入地球引力場後血壓下降,再加上身體補償機制的功能障礙。 因此,身體對這種生理失常的正常反應不受反對的低血壓和減少的脈搏導致這些症狀。

儘管這些先兆暈厥和暈厥發作是短暫的並且沒有後遺症,但由於多種原因仍然引起人們的極大關注。 首先,如果返回的航天器在著陸時出現火災等緊急情況,宇航員想要快速逃生將非常困難。 其次,即使月球的引力場是地球的六分之一,宇航員在太空停留一段時間後登陸月球也會有一定程度的預暈和昏厥。 最後,這些心血管症狀在長時間任務後可能會更嚴重甚至致命。

正是出於這些原因,人們一直在積極尋找對策,以防止或至少改善微重力對心血管系統的影響。 儘管目前正在研究的一些反制措施顯示出一定的希望,但到目前為止還沒有一種被證明是真正有效的。 研究主要集中在使用跑步機、自行車測力計和划船機的飛行鍛煉上。 此外,還對下半身負壓 (LBNP) 進行了研究。 有一些證據表明,降低下半身周圍的壓力(使用緊湊的特殊設備)會增強身體的補償能力(即,當血壓和脈搏降得太低時,會升高血壓和脈搏)。 如果宇航員同時飲用適量的特製鹽水,LBNP 對策可能會更加有效。

如果要解決心血管問題,不僅需要在這些對策上做更多的工作,還必須找到新的對策。

肌肉骨骼危害

無論任務持續時間長短,所有從太空返回的宇航員都有一定程度的肌肉萎縮或萎縮。 尤其危險的肌肉是手臂和腿部的肌肉,會導致體型、力量、耐力和工作能力下降。 儘管這些肌肉變化的機制仍不明確,但部分解釋是長時間不使用; 微重力下的工作、活動和運動幾乎毫不費力,因為沒有任何重量。 這對於在太空中工作的宇航員來說可能是一個福音,但在返回引力場時顯然是一種負擔,無論是月球還是地球。 減弱的條件不僅會阻礙飛行後的活動(包括在月球表面的工作),如果著陸時需要的話,它還會影響快速地面緊急逃生。 另一個因素是在 EVA 期間可能需要進行太空飛行器維修,這可能非常費力。 正在研究的對策包括飛行中的鍛煉、電刺激和合成代謝藥物(睾酮或類睾酮類固醇)。 不幸的是,這些方式充其量只能延緩肌肉功能障礙。

除了肌肉萎縮外,所有宇航員都會經歷太空中緩慢但不可避免的骨質流失(每天約 300 毫克,或每月骨鈣總量的 0.5%)。 這已通過骨骼的飛行後 X 射線記錄,特別是那些承受重量的骨骼(即中軸骨骼)。 這是由於鈣質緩慢但持續地流失到尿液和糞便中。 非常令人擔憂的是鈣的持續流失,無論飛行時間長短。 因此,除非找到有效的對策,否則這種鈣流失和骨質侵蝕可能是飛行的限制因素。 雖然這種非常顯著的生理異常的確切機制尚不完全清楚,但毫無疑問,部分原因是骨骼上沒有重力,以及類似於肌肉萎縮的廢用。 如果骨質流失無限期地持續下去,特別是在執行長期任務後,骨骼會變得非常脆弱,最終即使在很小的壓力下也會有骨折的風險。 此外,隨著鈣不斷通過腎臟流入尿液,可能會形成腎結石,並伴有劇烈疼痛、出血和感染。 顯然,如果這些並發症發生在太空中,它們將是一個非常嚴重的問題。

不幸的是,沒有已知的對策可以有效防止太空飛行期間鈣質流失。 正在測試多種方式,包括運動(跑步機、自行車測力計和划船機),理論是這種自願的身體壓力會使骨代謝正常化,從而防止或至少改善骨質流失。 正在研究的其他對策包括鈣補充劑、維生素和各種藥物(例如二膦酸鹽——一類已被證明可以防止骨質疏鬆症患者骨質流失的藥物)。 如果這些更簡單的對策都沒有被證明是有效的,那麼解決方案可能在於通過航天器的連續或間歇旋轉產生的人造重力。 儘管這種運動會產生類似於地球的引力,但除了主要的附加成本外,這將是一場工程“噩夢”。

神經前庭危害

超過一半的宇航員和宇航員患有太空運動病(SMS)。 儘管症狀因人而異,但大多數人會感到胃部不適、噁心、嘔吐、頭痛和嗜睡。 通常頭部快速運動會加重症狀。 如果宇航員出現 SMS,通常會在發射後幾分鐘到幾小時內發生,並在 72 小時內完全緩解。 有趣的是,返回地球後症狀有時會復發。

短信,尤其是嘔吐,不僅會讓機組人員感到不安,還可能導致生病的宇航員表現下降。 此外,穿著壓力服進行 EVA 時嘔吐的風險也不容忽視,因為嘔吐物可能導致生命維持系統發生故障。 正是出於這些原因,在太空任務的前 3 天,從未安排任何 EVA 活動。 如果需要 EVA,例如,對航天器進行緊急維修,機組人員將不得不承擔該風險。

許多神經前庭研究都致力於尋找一種預防和治療 SMS 的方法。 已經嘗試了各種方式,包括抗暈車藥和貼片,以及使用飛行前適應訓練器(例如旋轉椅子)來使宇航員習慣,但收效甚微。 然而,近年來發現通過注射給予的抗組胺藥非那根是一種極其有效的治療方法。 因此,它會在所有航班上攜帶並根據需要提供。 其作為預防劑的功效尚未得到證實。

宇航員報告的其他神經前庭症狀包括頭暈、眩暈、平衡失調以及自我運動和周圍環境運動的錯覺,有時在飛行後短時間內行走困難。 這些現象的機制非常複雜,尚未完全了解。 它們可能會有問題,特別是在太空中幾天或幾週後登月之後。 截至目前,還沒有已知的有效對策。

由於微重力,神經前庭現像很可能是由內耳(半規管和橢圓囊)功能障礙引起的。 要么錯誤的信號被發送到中樞神經系統,要么信號被誤解。 無論如何,結果就是上述症狀。 一旦更好地理解了該機制,就可以確定有效的對策。

血液學危害

微重力對身體的紅細胞和白細胞有影響。 前者充當向組織輸送氧氣的通道,後者充當保護身體免受入侵生物體侵害的免疫系統。 因此,任何功能障礙都可能導致有害影響。 由於不明原因,宇航員在飛行初期損失了大約 7% 到 17% 的紅細胞。 這種損失似乎在幾個月內趨於穩定,在飛行後 4 至 8 週恢復正常。

到目前為止,這種現像沒有臨床意義,而是一種奇怪的實驗室發現。 然而,這种红細胞量的減少顯然有可能成為一種非常嚴重的異常。 令人擔憂的是,在為 XNUMX 世紀設想的非常長的任務中,紅細胞可能會以更快的速度丟失,並且丟失的數量要大得多。 如果發生這種情況,貧血可能會發展到宇航員可能患重病的程度。 希望情況不會如此,無論任務持續時間如何,紅細胞損失都將保持非常小。

此外,白細胞系統的幾個組成部分也會受到微重力的影響。 例如,白細胞總體增加,主要是中性粒細胞,但淋巴細胞減少。 還有證據表明,一些白細胞無法正常發揮作用。

截至目前,儘管發生了這些變化,但尚未將疾病歸因於這些白細胞變化。 未知長期任務是否會導致數量進一步減少以及進一步功能障礙。 如果發生這種情況,身體的免疫系統將受到損害,使宇航員非常容易感染傳染病,甚至可能因輕微疾病而喪失能力,否則正常運作的免疫系統很容易抵禦這種疾病。

與紅細胞變化一樣,白細胞變化至少在大約一年的任務中沒有臨床意義。 由於在飛行中或飛行後存在嚴重疾病的潛在風險,因此繼續研究微重力對血液系統的影響至關重要。

內分泌危害

在太空飛行期間,人們注意到體內有許多液體和礦物質的變化,部分原因是內分泌系統的變化。 一般來說,體液總量會丟失,鈣、鉀和鈣也會丟失。 儘管各種荷爾蒙水平的變化提供了部分解釋,但這些現象的精確機制尚未得到定義。 更令人困惑的是,所研究的宇航員的實驗室結果往往不一致,因此無法就這些生理異常的原因辨別出統一的假設。 儘管存在這種混淆,但這些變化並沒有對宇航員的健康造成已知的損害,也沒有導致飛行中的性能下降。 這些內分泌變化對長途飛行的意義是什麼,以及它們可能預示著非常嚴重的後遺症的可能性是未知的。

致謝: 作者想認可航空航天醫學協會在這一領域的工作。

 

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