航空航天醫學

航空航天醫學

航空航天醫學(Aerospace medicine )是研究人在大氣層和外層空間飛行時,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。

航空航天醫學發展史


航空航天醫學
航空航天醫學
1770年到19世紀的一百多年的時間裡,各國科學家進行了大量的氣球載人、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,航行高度僅兩千米,飛行速度也僅有每小時500公里。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后,飛機的性能提高,航行高度增高,速度增快,續航時間延長,出現了由超重、低壓、缺氧、低溫等引起的醫學問題,這迫使各國投入了大量人力物力用於開展航空醫學研究。
航天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后,蘇聯在60年代初首先載人航天成功。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。隨著航天技術的發展,航天醫學也相應地迅速發展。

航空航天醫學的研究內容


航空航天醫學的研究範圍非常廣泛,低壓缺氧是航空航天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266.89mm汞柱(8000米上空)時,人就會發生減壓損傷。
外界環境壓力降低時,人體組織內、體液中的氣體(主要是在血液和組織液中溶解度高的氮氣)會遊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。
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。
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3000米高度時人會出現輕度缺氧,4600米高度可發生中等度缺氧,在6100米以上的高度,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。
現代飛機的飛行高度不超過7000米公里,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。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。
飛行器升、降時會產生超重,航天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。航空航天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;反之,重力的方向由足至頭時稱負超重。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。訓練、穿著抗荷服可提高超重耐力。
航天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,所以航天員通常採取仰卧姿,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。航天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、航天運動病等。主要癥狀是頭暈、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%。
失重是航天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。載人航天實踐證明,失重對人體的生理功能有很大影響,但不像原先想象的那樣嚴重。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


心血管功能改變。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,航天員面部浮腫,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,出現體液轉移反射性多尿,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,返回地面后短時對重力不適應。
隨著航天的時間延長,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,這些隨著航天時間的延長逐漸恢復正常。
失重時,出現頭暈、噁心,腹部不適,體位翻轉等運動病癥狀,稱為航天運動病,又稱航天適應綜合征。發生率約佔航天員總數的1/3~1/2。航天初期進入失重后即可發病,持續一周,失重一周之後,前庭功能可對失重適應。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素亂,導致航天運動病。航天運動病至今還不能完全預防,發病時可服抗運動病藥物。
骨鹽代謝紊亂。失重會引起人體的骨無機鹽代謝素亂,經尿排出的鈣磷增加,鈣的排出量每月約六克左右。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。

航空航天飛行中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“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,人在地面上生活三十年,平均接受的自然劑量僅是4.35~5.5雷姆(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。
載人航天歷來重視宇宙輻射對航天員的傷害,航天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,美蘇航天員航天中接受的輻射劑量多數沒有達到使人傷害的水平,但少數飛行中航天員接受的輻射劑量比較大。
航天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。載人航天中還應特別注意重粒子對人的傷害,載人航天器的金屬艙壁有防輻射作用,但有一定限度。應儘可能避免航空航天時遭受太陽耀斑的輻射傷害。
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。航天員的食品除營養豐富、適合口味外,重要的是適合航天條件下食用。航天時艙內一切物體,包括食物,都處於失重狀態,會自由飄浮航天食品中肉醬、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。
罐裝食品是現在航天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。早期的航天食品較簡單,僅是一些牙膏軟管狀和壓縮的塊狀食物,現在航天食品品種有70多種。航天器中還有電熱灶,用以加熱食品。
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后,人在短期內不能適應,會出現一些生理功能素亂現象。
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,到達目的地后,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、疲勞等癥狀,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、飛行后的適應。
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。飛行后適應是指提前到達目的地,休息1~2天,適應新的環境。
載人航天器繞地球飛行一周,航天員可見到一次日落,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。航天中的晝夜周期是可變的,時間長短決定於載人航天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。
載人航天器飛行軌道一般是近地軌道,繞地飛行一周大約90分鐘,24小時內有16個晝夜變化。航天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。航天醫學工作者將航天員的作息制度按24小時為一個晝夜周期安排,基本上與地球晝夜周期同步。