航天飛行人體生理變化與醫學問題*

徐 沖 吳 斌 劉尚昕 郭立國 劉建中

（1中國航天員科研訓練中心 北京 100094 2北京醫院國家老年醫學中心 北京 100730）

0 引言

載人航天飛行始于1961年蘇聯航天員加加林首飛成功，50余年來，人類從未停下探索太空的腳步。蘇聯/俄羅斯先后實施了東方號、上升號、聯盟號、禮炮號、和平號空間站等載人飛行任務，美國先后開展了水星、雙子星、阿波羅、天空實驗室、航天飛機等飛行計劃。1998年起至今，美、俄等16國聯合進行國際空間站任務。我國載人航天工程從1992年正式啟動，確定了“三步走”發展戰略，神舟十一號任務成功標志著二步二階段圓滿收官，開啟空間站任務新階段。我國已經選拔2批航天員，已有11人成功進入太空，在任務實踐中形成航天員醫學監督與醫學保障技術體系，有力推動了航天實施醫學的發展。

在短期和長期近地軌道航天飛行中，失重環境會導致人體機能發生諸多變化，可能出現生理不適或病癥。本文回顧國內、外載人飛行有關數據與醫學保障經驗，簡要介紹航天飛行中及返回著陸后人體的生理變化與可能出現的醫學問題，以及相應的預防干預策略。

1 在軌飛行時間延長對人體的影響

根據人體生理機能對空間飛行的時間響應特性，空間運動病在一進入失重環境即可能出現，2～3 d左右癥狀最為明顯，1周后基本消失；體液和電解質的反應稍滯后；心血管系統的最大反應在3周左右；而紅細胞質量的喪失在飛行1個月時達到最嚴重的程度；肌肉萎縮和骨質丟失則隨著飛行時間的延長呈現逐漸增加的趨勢。隨著飛行時間延長，機體對人體潛伏病毒及艙內微生物的抵抗能力將會下降。

根據航天飛行中的生理變化，可將生理系統的適應過程分為4個時期，分別是初期反應期、基本適應期、基本適應完成期和相對穩定期。

初期反應期（第1周）和基本適應期（第2周）處于飛行的15 d內，主要生理效應包括與體液頭向轉移有關的頭脹、鼻塞等癥狀，以及體液與電解質丟失、感覺紊亂、空間運動病、運動協調改變等。此期醫學保障與防護的重點分別是空間運動病和心血管系統變化。

基本適應完成期（第3、4周至第7周）和開始向相對穩定期的過渡處于飛行的15～60 d之間，在基本適應完成期內適應性反應繼續發展，心血管系統、血液系統、免疫系統、體液電解質平衡等大部分系統已達到反應的最高峰，逐漸向穩定的方向發展。此期醫學保障與防護的重點分別是心血管系統變化、肌萎縮和骨質丟失。

相對穩定期（第8周以后）處于飛行的60 d以上，機體所有功能達到新的穩定水平，如果沒有過度刺激，則可以保持相當長時間的內環境穩定。此期醫學保障與防護的重點是骨丟失和肌萎縮。

以骨質丟失為例，航天飛行中骨質丟失主要發生在承重骨，包括下肢、骨盆、腰椎。研究顯示，在國際空間站工作6個月的航天員飛行返回后，確實呈現不同程度的骨密度下降，脊柱骨密度月均下降0.9%，髖關節月均下降1.4%～1.5%，跟骨月均下降0.4%，但未出現臨床標準上的骨質疏松癥［1］（WHO 標準，T 值小于－2.5 提示骨質疏松）。 美國載人航天標準里也注明了乘組飛行前及飛行中骨密度限值，“采用雙能X線法測定乘員飛行前骨密度，T值不超過－1.0（平均骨密度值－1.0個標準差）；飛行后T值不超過－2.0（平均骨密度值－2.0個標準差）”［2］。航天飛行數月后，人體骨量恢復較為緩慢，一般長于飛行時間，有的甚至需要1～2年。

2 在軌飛行期間可能發生的醫學問題

航天飛行中發生的病癥是航天醫學的重要問題之一。在載人航天飛行中，航天員受到特殊環境如微重力、輻射、噪聲、振動、狹小空間、晝夜節律改變的影響，生活空間和規律與地面有較大差異，由此引起的心理、生理改變均可能導致一些特殊癥狀和體征發生，目前稱為航天病癥。航天員在軌飛行中可能出現的病癥包括空間運動病、減壓病、心血管機能失調、睡眠障礙、感染性病癥、應急醫學問題等。

從影響因素分析，一類是因失重環境而造成的空間運動病、骨骼肌萎縮、骨質疏松、心律失常等；一類是在座艙環境失常情況下導致的疾病，例如有害氣體溢出可導致中毒、溫控系統失靈可能導致高低溫應激等；還有一類主要是感染、疼痛、睡眠障礙、外傷等與航天員直接相關的臨床醫學問題。載人航天飛行實踐表明，短期飛行中嚴重疾病的出現概率較低，但隨著飛行時間延長，發生醫學問題的概率增高。

前期對國內、外航天飛行中實際發生的病癥進行了系統匯總歸納，合計65種病癥（或醫學事件），現選取需要重點關注的醫學問題做簡要介紹。

1）空間運動病。癥狀包括頭暈、惡心、嘔吐等，類似于地面運動病。癥狀的發作始于進入失重環境數分鐘至數小時，高峰期在24～48 h，直接影響航天員的工作效率。根據資料，蘇聯和平號空間運動病的發病率為40%～50%，美國阿波羅為35%，天空實驗室為60%［3］。一般治療方法為閉目靜息、限制頭部運動及藥物干預，例如口服茶苯海明片、肌注鹽酸異丙嗪等。

2）心血管機能失調。航天飛行使心臟處于低動力狀態，出現心搏量降低、心肌虛損和自主神經調節紊亂。飛行早期航天員易發生心血管失調，主要表現為運動耐力下降、心律失常和血壓改變。例如，聯盟TM2－和平號航天員拉維金出現心動過速和期前收縮，中止飛行任務提前返回地面。航天飛機飛行中有1/3的航天員在出艙活動時出現期前收縮；據報道曾有一名航天員出現連續二聯律達10 min，另一名航天員則出現了頻發性房性期前收縮。

心血管系統對于微重力環境具有一定的適應性。短暫的心臟節律改變不會影響航天員的健康。13名參加1964—1985年飛行的航天員在飛行期間曾出現各種類型的期前收縮，通常在航天器上升段和出艙活動時較為多發。航天員在出現期前收縮時沒有出現主觀癥狀，也不影響航天員的正常工作，因此被認為是一種功能性的變化。如果出現心律失常，并伴有心慌、胸悶、氣短等心前區不適感，應服抗心律失常藥物。

在航天飛行中，航天員的動脈壓會出現波動，甚至在一天內動脈壓也會波動多次。短時間的動脈壓升高是人體對航天失重環境、體力負荷及神經興奮的適應反應。如果動脈壓持續性偏高并伴有頭暈、頭痛等不適感，應考慮服用降壓藥治療。

3）感染性病癥。長期飛行中空間微生物致病力發生改變，加之人體免疫力下降，環境中致病菌感染、航天員之間交叉感染等諸多因素均可導致感染性疾病。飛行中常見的感染性疾病包括上呼吸道感染、胃腸道感染、尿路感染，以及角結膜炎、口腔潰瘍、皮膚感染等。感染性疾病如果病癥較重或治療效果不理想，甚至會致使提前返回。

上呼吸道感染包括鼻炎、咽炎、喉炎等。阿波羅7號發生了3例鼻炎；阿波羅9號因航天員鼻炎和咽炎飛行延遲。治療措施主要有抗感冒藥及抗菌素，發熱可用退熱藥。

胃腸炎主要表現為腹痛、腹瀉，當伴發熱癥狀時，首先應禁食，治療上可采用抗菌素、解痙止痛藥等。阿波羅7號飛行時發生過一例伴有惡心和嘔吐的胃腸炎病例。

泌尿系感染，出現尿頻、尿急、尿痛、血尿，有時伴發熱，其治療措施是抗菌、解痙、鎮痛。1985年聯盟T－14號飛行任務期間，一名俄羅斯航天員因持續高燒（后被診斷為前列腺炎）而提前返回。阿波羅13號的航天員由于長期戴尿收集裝置而發生泌尿系統感染。

此外，座艙內空氣中塵埃和致病菌增多、外傷等原因可引起眼病，例如角結膜炎等；應激、緊張、免疫力低下、膳食中維生素缺乏還會引起口腔潰瘍。以上均應對癥治療。

4）疼痛。飛行中會出現身體某些部位疼痛，例如頭痛、牙痛、腰痛、腹痛、腎絞痛等。

頭痛：體液頭向轉移、緊張、疲勞、睡眠障礙等會引起頭痛，與空間飛行有關的頭痛是一種常見的自限性癥狀，必要時可服用止痛藥。

牙痛：飛行中發生急性牙病，可服用抗菌素和鎮痛劑。

腰痛：航天飛行中航天員腰背痛發生率較高，可能與失重狀態下與椎旁肌萎縮和功能下降、椎間盤形變刺激神經等因素相關，具體機制尚需進一步探討，除鎮痛劑外，還需探索針對性的干預和對抗措施［4］。

腎絞痛：航天飛行中因結石或痙攣等原因誘發的腎絞痛，是嚴重危及飛行安全的病癥。航天飛行中骨質丟失，尿鈣排除增加，一定程度上會增加結石患病風險。聯盟T5-禮炮7號飛行中曾有一名航天員因泌尿系結石發生絞痛。

腹痛：長期飛行座艙內環境溫度偏低會誘發胃腸痙攣及胃腸炎等均可引起腹痛。發生劇烈腹痛時若治療不理想甚至影響任務完成。

5）睡眠障礙。晝夜節律紊亂、環境狹小、緊張孤獨會引起情緒改變，例如煩躁、焦慮，甚至抑郁、睡眠障礙，直接影響飛行任務的完成。在短期和長期空間飛行中美俄航天員均出現了睡眠紊亂。必要時可給予一定的興奮劑或安眠藥。

6）皮膚病癥。最常見是皮炎（接觸性皮炎、神經性皮炎、過敏性皮炎）、濕疹、毛囊炎、癤腫。主要癥狀為皮膚瘙癢、紅腫、疼痛等。可采取抗炎或抗過敏治療。

7）視疲勞與視力下降。艙內近距離視物時間長、使用電子顯示屏幕較多等原因可導致視疲勞發生概率增加，表現為眼干、眼澀、眼酸脹、視物模糊甚至視力下降。應避免過度用眼，做眼保健操和增加瞬目，同時外用玻璃酸鈉等滴眼藥物。

長期航天飛行對視力的影響近幾年備受關注。微重力環境下，人體體液頭向轉移，顱內壓增高，進而影響眼睛和視神經，導致眼球結構改變和視敏度惡化。美國國家航空航天局（NASA）人體研究計劃將其列為優先研究項目。視力損傷和顱內高壓（VIIP）綜合數據分析發現：33名國際空間站乘員中，約有70%都經歷了輕度VIIP，其中男性發病率是女性的2倍。研究發現視神經乳頭水腫可能是最關鍵的變化［5］。此外，營養和遺傳可能與部分航天員經歷的視力問題相關，涉及幾種酶和必需的B族維生素（葉酸、維生素B12和維生素B6）。

8）環境問題。長期空間飛行環境對航天員健康的影響不容忽視，例如電擊、隱火、鋒利邊緣及可能的大氣污染物，均可能對航天員的健康造成危害。

座艙大氣污染主要來源于人體代謝產物、非金屬材料脫氣產物、儀器設備釋放的有害產物、推進系統的推進劑泄漏及艙內微粒污染物。這些有害氣體可通過多種途徑被人體吸收，造成毒性危害。飛船座艙內部的污染主要包括：一氧化碳、二氧化碳、氨、硫化氫、苯、甲醛、肼等。這些物質在一定條件下會引起航天員機體中毒。和平號空間站運行的最后幾年，曾因設備損壞出現有毒物質散發到空間站大氣中的例子：航天員中出現了3例鼻腔不適、2例眼部不適和3例皮膚不適。在過敏反應不嚴重的情況下，使用指定的受體阻滯劑和類固醇激素藥膏，還可額外服用保肝劑和維生素制劑。

9）減壓病。航天減壓病的病因及發病機理與高空減壓病相近，是大氣壓力降低時在組織、體液中溶解的氮氣離析出來形成了氣泡。在血管內形成的氣泡，可成為氣體栓子堵塞血管；在其他組織內形成的氣泡，則可能壓迫局部組織。根據形成氣泡的多少及栓塞或壓迫部位的不同，可引發各種不同癥狀。在載人航天中，有2種情況存在發生減壓病的可能性：一是艙內氣壓快速降低，二是出艙活動（EVA）。前者是偶發事件，后者是常規活動。因此對出艙活動減壓病的發病率與其規律尤為關注。

在《NASA空間飛行人系統標準，卷Ⅰ：乘員健康》飛行中醫學診療一章，針對EVA活動，明確了減壓病預防和治療標準，即治療手段包括增加供氧壓力（高壓氧治療）和采取其他有效醫學治療手段，例如藥物、補液等支持治療；明確提出減壓病預防控制標準，即每名出艙航天員發生減壓病風險≤15%［1］。預防減壓病主要通過有效的吸氧排氮。目前總計出艙活動500多人次，由于采取了有效的防護措施，尚未見正式報道減壓病發生。

10）高熱、心絞痛、嚴重心律失常、嚴重燒傷及急腹癥等醫學急癥。應根據在軌醫學預案及時進行醫學干預，結合病情進行控制，適時提出醫學中止建議。由于缺乏進一步治療條件，醫學急癥一旦發生可導致飛行任務提前中止，對著陸場醫學崗位人員組織醫學救援、積極開展急救處置提出了要求。

截至目前為止，國外載人航天中因航天員身體狀態異常而提前返回的事例有 3次［6］：1976年，蘇聯2名航天員在聯盟－21號/禮炮5號空間站計劃工作66 d，第48天時，航天員受到了化學氣體傷害，航天員卓洛博夫出現頭痛，導致提前返回。1985年9月，聯盟T－14號飛船指令長、俄羅斯航天員瓦休京在聯盟T－14號與禮炮7號空間站任務期間，因持續高燒（后被診斷為前列腺炎）提前返回。瓦休京后因前列腺癌去世。1987年7月，和平號空間站航天員拉維金經過近半年的航天飛行，由于大負荷工作期間出現較嚴重的心律失常而提前返回地球。

3 返回著陸后關注的醫學問題

航天飛行中人體生理系統發生一系列適應失重環境的改變，除骨丟失和肌萎縮隨飛行時間延長逐漸加重外，大部分生理系統的變化會達到新的平衡。當航天員返回地面后，會對地球重力環境產生不適，然后逐步適應和恢復到飛行前水平。

航天員返回后主要出現心血管功能失調、骨骼肌功能下降，以及神經－前庭功能不適等，主要表現為立位耐力、運動耐力、超重耐力下降，姿勢平衡障礙及出現運動病癥狀（眩暈、惡心、嘔吐等），以及航天異常環境應急返回出現著陸沖擊過載、減壓損傷等較為嚴重/危重醫學問題。有關資料表明，心血管系統、前庭神經系統和體液電解質的恢復高峰均在返回1周以內，其中返回著陸現場的短時間適應十分關鍵。

1）立位耐力下降。立位耐力降低是指人在直立位時發生的一種心血管不良反應，表現為直立位時心血管系統不能維持適當的動脈壓以保證腦血流供應，出現暈厥前癥狀（眼花、面色蒼白、出汗、惡心等）或暈厥。立位耐力下降是人體重新返回地面普遍存在的現象，是重力環境改變時人體的正常生理適應反應。

研究表明，這類問題影響了大約20%～30%短期飛行和83%長期飛行航天員。參加過蘇聯/俄羅斯飛行任務后幾乎所有航天員均出現過不同程度的立位耐力下降。與短期飛行相比，天空實驗室任務（28 d/59 d/84 d）后立位耐力沒有更嚴重下降的趨勢，但恢復時間延長。未見航天飛機著陸時航天員出現暈厥前癥狀的報道，但實際上最初的26次飛行中，航天員走下飛機或立位實驗中出現過8次暈厥前癥狀或發生暈厥。資料提示，航天員返回后感覺不適，出現面色蒼白和出虛汗等癥狀，其中女航天員癥狀比較明顯［7］。

返回后隨重力環境的逐步再適應，航天員的立位耐力逐步恢復，一般返回1 d后立位耐力部分恢復，返回1～2周后基本恢復。提高立位耐力的對策主要有補液（口服補液鹽）、下體正壓裝置等［1］。

2）運動耐力下降。航天員返回地面后，完成同樣工作需要較高的耗氧量，且耐受時間明顯縮短。

最大氧耗量（VO2max）是運動負荷心肺功能檢查項目中最重要的指標，代表著機體運動鍛煉中轉運和利用氧的最大能力，是衡量人體有氧運動能力的黃金標準，航天實施醫學中高度關注該指標。研究表明，半年的航天飛行中，人體氧耗量在最初1～3周下降范圍在15%～25%，第1個月最大氧耗量平均下降17%，之后呈現輕度回升趨勢，著陸后2 d測量最大氧耗量再次下降約17%。航天飛行機體最大氧耗量下降并非必然，部分航天員經過6個月飛行后最大氧耗量并未下降，得以很好的維持。

有文獻報道2周內的短期航天飛行人體最大耗氧量一般在返回后 6～9 d恢復［8］；6個月的航天飛行，人體最大耗氧量一般在返回30 d內基本恢復［9］。

3）肌肉萎縮、力量與協調性下降。失重可引起肌肉工作能力、力量和耐力下降。航天飛行7～10 d，80%航天員的手肌力量減少4～22 kg，腿肌力量的減少比手肌更多。聯盟9號2名航天員飛行18 d后，手肌力量沒有變化，但軀干力量分別減少40 kg和65 kg。利用測力計評定禮炮6號航天員長期飛行后肌群的力量和速度，發現小腿后部肌群易疲勞無力，背闊肌和斜方肌萎縮，腓腸肌及脛前肌的肌力減退。航天飛行中肌力下降的程度與飛行中的鍛煉直接相關，增加運動時間和運動量可有效減少肌力下降。

肌肉協調性變差表現為航天員在失重飛行的頭幾天完成某種動作的時間延長，不易判斷肌肉用力的大小，往往用力過度。返回地面后常感到疲勞無力、肢體沉重、站立和行走動作不協調、精細運動能力下降等。

4）神經－前庭功能再適應。大部分首次飛行的航天員會出現空間運動病，在返回地球后即刻仍可能會再現類似癥狀，其程度和持續時間與飛行任務時間及以往經歷有關。主要表現為面色蒼白、惡心、嘔吐、頭痛、食欲缺乏等。

美國Bacal及其同事系統回顧研究了從航天飛機飛行任務18年來關于神經癥狀的醫療報告，超過1／2的受訪航天員飛行著陸后均有這3類問題：動作笨拙（69%）、難走直線（66%）和知覺延遲效應（60%）［10］。這些癥狀大多是輕微的，緩解大多需要1 d時間（返回后第1天），個別可能會持續1周。返回著陸后，任何程度的惡心發生率15%，嘔吐發生率8%，遠低于發射入軌后相應癥狀的發生率。重力再適應相關癥狀有時會持續幾天，但通常會在著陸后24 h內顯著緩解。

5）工程應急、故障條件下著陸場可能遇到的醫學問題主要包括：航天員著陸沖擊損傷；由于飛船著火，航天員燒傷、窒息、有毒物質侵害；座艙失壓，航天員出現缺氧、減壓損傷；溫度失控，航天員中暑/凍傷；有害氣體，例如無水肼、一氧化碳中毒等。出現上述問題需啟動醫療救護程序，及時展開檢查、診斷與救治。

主要參考文獻

［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］馮金升,王玲.航天飛行中航天員非特異性腰痛的機理探討.頸腰痛雜志,2010,31(5):359.

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

［6］袁家軍.載人航天飛行中的事故與災難.北京:中國宇航出版社,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.