航空航天醫(yī)學(xué)
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航空航天醫(yī)學(xué)(aerospace medicine)，研究人在大氣層和外層空間飛行時(shí)，外界環(huán)境因素(低壓、缺氧、宇宙輻射等)及飛行因素(超重、失重等)對(duì)人體生理功能的影響及其防護(hù)措施的醫(yī)學(xué)學(xué)科。它的發(fā)展與航空航天工程技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。1770年代到19世紀(jì)的100多年的時(shí)間內(nèi)，各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了數(shù)以百計(jì)的用氣球載人載動(dòng)物的升空試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)人們沒有認(rèn)識(shí)高空環(huán)境會(huì)對(duì)人體帶來危害，沒有采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以致在升空中發(fā)生了人的凍傷、耳痛、意識(shí)喪失甚至死亡的嚴(yán)重事故。此后人們便重視和開展高空環(huán)境的研究，逐漸認(rèn)識(shí)到低壓、缺氧、低溫對(duì)人體的危害，這是航空醫(yī)學(xué)的萌芽時(shí)期。飛機(jī)的制造、飛行是19世紀(jì)末20世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)飛機(jī)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(fā)生了暈機(jī)、著陸事故、飛機(jī)碰撞等急待解決的問題。第二次世界大戰(zhàn)期間，特別是噴氣飛機(jī)出現(xiàn)后，飛機(jī)的性能提高，航行高度增高，速度增快，續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)，出現(xiàn)了超重、低壓、缺氧、低溫等引起的更為嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)課題，這迫使各國(guó)投入了大量人力物力用于開展航空醫(yī)學(xué)研究。
航天醫(yī)學(xué)是在航空醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展的。40年代末50年代初，人們進(jìn)行了廣泛的火箭和衛(wèi)星的生物學(xué)試驗(yàn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明人類可以到宇宙航行后，蘇聯(lián)在60年代初首先載人航天成功。隨后研究了人在宇宙飛行的安全返回、失重對(duì)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(shù)的發(fā)展，航天醫(yī)學(xué)也相應(yīng)地迅速發(fā)展。
航空航天醫(yī)學(xué)的研究范圍非常廣泛，下面僅就幾個(gè)重要內(nèi)容加以闡述。
目錄 |
低壓、缺氧
低壓缺氧是航空航天中的重要環(huán)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(biāo)準(zhǔn)壓力。大氣壓力隨著高度升高而降低。當(dāng)外界壓力降低到266.89mmHg（8000米上空）時(shí)，人就會(huì)發(fā)生減壓損傷。
減壓損傷
外界環(huán)境壓力降低時(shí)人體組織內(nèi)、體液中的氣體(主要是在血液和組織液中溶解度高的氮?dú)?會(huì)游離在血管內(nèi)形成氣泡。形成的氣泡在血管內(nèi)成為氣栓堵塞血管，在血管外則壓迫局部組織。血管內(nèi)的氣泡循環(huán)到肺部則出現(xiàn)肺血管栓塞，繼發(fā)肺循環(huán)障礙。氣泡在肺臟外胸廓內(nèi)可造成氣胸。氣栓在心臟血管內(nèi)可導(dǎo)致循環(huán)障礙。氣泡壓迫局部組織常見于四肢關(guān)節(jié)，特別是膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等處，引起劇烈的疼痛，這種現(xiàn)象，稱為“屈肢痛”。飛機(jī)迅速上升下降時(shí)產(chǎn)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(nèi)外壓力平衡，咽鼓管通常是關(guān)閉的，當(dāng)吞咽、打哈欠、打噴嚏時(shí)便張開。外界壓力改變，人不能及時(shí)作通氣動(dòng)作或咽鼓管功能不正常，鼓室內(nèi)外壓力發(fā)生不平衡，引起耳氣壓性損傷。飛機(jī)上升時(shí)外界壓力降低，中耳內(nèi)壓力相對(duì)增高形成“正壓”，鼓膜外凸，但咽鼓管功能正常的人，一般不會(huì)發(fā)生中耳損傷。飛機(jī)下降時(shí)環(huán)境壓力增高，中耳內(nèi)壓力相對(duì)低形成負(fù)壓，鼓膜內(nèi)陷。因咽鼓管是單項(xiàng)活門，外界氣體不能主動(dòng)進(jìn)入內(nèi)耳，若不及時(shí)作吞咽動(dòng)作，中耳負(fù)壓增加，耳內(nèi)便有壓迫感，并出現(xiàn)耳痛、耳鳴、耳悶。主動(dòng)作通氣動(dòng)作后，使氣體進(jìn)入中耳，鼓膜復(fù)位，癥狀便可消失?？蜋C(jī)上發(fā)放糖塊，要求旅客在飛機(jī)上升下降時(shí)咀嚼糖塊的道理就在于此。軍用飛機(jī)飛行時(shí)，氣壓改變迅速劇烈，咽鼓管功能正常的有經(jīng)驗(yàn)的飛行員都能及時(shí)作通氣動(dòng)作，一般也不會(huì)發(fā)生中耳損傷。所以選拔飛行員時(shí)，要注意耳功能。旅客機(jī)一般不會(huì)經(jīng)受壓力劇變，所以旅客很少發(fā)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，多見于軍事飛行人員，其特點(diǎn)是以病牙為中心，向耳周圍或頜骨處擴(kuò)散。民航客機(jī)氣壓變化慢，旅客不會(huì)出現(xiàn)航空性牙痛。齲齒繼發(fā)牙髓損傷常是引起牙痛的主要原因，壓力降低，髓腔內(nèi)殘留氣體膨脹，壓迫血管，引起牙痛。牙本質(zhì)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(shí)，空氣中的絕對(duì)氧分壓也相應(yīng)降低，引起飛行人員的高空缺氧。在3000m高度時(shí)(氧分壓為100mmHg）人會(huì)出現(xiàn)輕度缺氧，4600m高度（氧分壓為80mmHg)，可發(fā)生中等度缺氧，在6100m（氧分壓為63mmHg）以上的高度，可出現(xiàn)嚴(yán)重的缺氧狀態(tài)。腦和感覺器官對(duì)缺氧非常敏感，缺氧直接影響乘員的協(xié)調(diào)動(dòng)作和智能功能（記憶、理解、判斷），嚴(yán)重缺氧會(huì)引起意識(shí)障礙，導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故。
低壓缺氧的防護(hù)
現(xiàn)代飛機(jī)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(jī)則采用密封式增壓座艙，它可以有效地防護(hù)高空的低壓缺氧、低溫、高速氣流等不良因素對(duì)飛行人員的傷害，艙內(nèi)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(jié)構(gòu)和環(huán)境控制系統(tǒng)組成。增壓座艙可分為通風(fēng)式、再生式兩種。
① 通風(fēng)式增壓座艙，又稱氣密座艙。基本原理是：關(guān)閉艙蓋后，艙蓋邊緣的密封膠帶充氣，使艙蓋口密封嚴(yán)密；同時(shí)機(jī)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(nèi)，艙內(nèi)壓力調(diào)節(jié)裝置自動(dòng)地將艙內(nèi)多余的增壓空氣排出艙外，使艙內(nèi)氣壓和壓力變化率符合所要求的壓力制度并維持艙內(nèi)空氣清新。利用氣體增壓所致的氣溫升高實(shí)現(xiàn)座艙調(diào)溫。飛機(jī)高空飛行時(shí)座艙增壓，形成了艙內(nèi)外的一定壓力差（稱余壓），艙內(nèi)增壓壓差制度根據(jù)機(jī)種的不同而異。旅客機(jī)機(jī)動(dòng)飛行要求低，飛機(jī)重量較大，很少發(fā)生迅速減壓，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，常采用高壓差制度如協(xié)和式客機(jī)航行高度在18km，艙內(nèi)高度僅為 1800m，旅客在艙內(nèi)可自由活動(dòng)和交談。軍用飛機(jī)，特別是殲擊機(jī)，飛行時(shí)間短，機(jī)動(dòng)性能要求高，乘員需使用供氧裝置，常采用低壓差制度。飛機(jī)上備有供氧系統(tǒng)，以防止高空缺氧，它由機(jī)上攜帶的氧源、氧氣調(diào)節(jié)器、減壓器、供氧面罩、連接管路、監(jiān)測(cè)儀表、跳傘供氧器等組成。軍用飛機(jī)增壓座艙采用低壓制度，配備加壓供氧系統(tǒng)，斷續(xù)性供氧。中遠(yuǎn)程客機(jī)的巡航高度在8～12km，增壓座艙采用高壓制度，飛行中乘員和旅客不需供氧，機(jī)上可配備應(yīng)急時(shí)的供氧裝置。
② 再生式增壓座艙，用于載人的航天器座艙，與外界隔絕，完全氣密，艙內(nèi)備有完整的生命保障系統(tǒng)。其主要設(shè)施是大氣控制系統(tǒng)，由氣源氧源、調(diào)節(jié)控制器組成。艙內(nèi)壓力一般是一個(gè)大氣壓力，氣體成分中氧占20％、氮占80％。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自動(dòng)地不斷補(bǔ)充人體消耗的氧和艙體泄漏的氣體，以維持艙內(nèi)的壓力要求。溫度控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)艙溫。凈化系統(tǒng)吸附、過濾、凈化人體呼出的二氧化碳，汗液揮發(fā)出的、胃腸道排出的有害氣體，保持艙內(nèi)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(shí)會(huì)產(chǎn)生超重，航天器在宇宙空間飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生失重，兩者對(duì)人體生理功能均有影響。
超重
航空航天飛行器飛行時(shí)速度快，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的超重（又稱加速度、過載）。重力作用于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(shí)稱負(fù)超重（負(fù)加速度），即 -G2；以上為縱向超重。重力方向由胸至背時(shí)，叫胸背向超重，即+G2；反之，重力方向由背至胸時(shí)，叫背胸向超重，即-G2，以上稱橫向超重；還有側(cè)向超重。航空時(shí)人在艙內(nèi)取坐姿，重力作用主要是縱向超重，它對(duì)人體的影響較大，可使體位改變，體內(nèi)組織器官發(fā)生變形移位，對(duì)血液動(dòng)力學(xué)和懸垂組織的影響更為突出。正超重時(shí)，血液受慣性力作用由上身轉(zhuǎn)移到下身，引起頭部、上身缺血，視力障礙，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生暈厥。人體對(duì)縱向超重耐力較低，只有4G值左右，訓(xùn)練、穿著抗荷服可提高超重耐力。航天器發(fā)射和返回時(shí)同樣產(chǎn)生時(shí)間較長(zhǎng)的加速減速超重，超重值可達(dá)8G左右。高G值的超重，人取坐姿難以適應(yīng)，所以航天員通常采取仰臥姿，經(jīng)受的是橫向超重，這對(duì)人體的影響較輕。人對(duì)8G值的橫向超重可耐受十多分鐘。航天中經(jīng)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(duì)人體的前庭器官是一種刺激，在適宜范圍內(nèi)一般不會(huì)引起不良反應(yīng)，當(dāng)加速度刺激頻繁、劇烈，時(shí)間較長(zhǎng)，超過前庭器官的閾值，即可引起運(yùn)動(dòng)病反應(yīng)。運(yùn)動(dòng)病有暈船、暈機(jī)、暈車、航天運(yùn)動(dòng)病等。主要癥狀是頭暈、惡心、嘔吐、出冷汗、面色蒼白等。病因與前庭器官密切相關(guān)，喪失前庭功能的聾啞人，前庭器官發(fā)育不全的人，一般不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)病。軍事飛行中乘員暈機(jī)的較多。民航客機(jī)飛行平穩(wěn)，座艙舒適，發(fā)生暈機(jī)的旅客一般不超過6％。
失重
航天飛行中的一個(gè)特殊物理因素。人體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證人對(duì)重力的對(duì)抗和適應(yīng)。載人航天實(shí)踐證明，失重對(duì)人體的生理功能有很大影響，但不像原先想象的那樣嚴(yán)重。人在失重條件下連續(xù)生活工作365天后，返回地球經(jīng)短期休息，可完全地恢復(fù)健康，并未發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)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(shí)人體的流體靜壓?jiǎn)适В汉推渌w液不像重力條件下那樣慣常地流向下身，相反，下身的血液回流到胸腔、頭部。航天員面部浮腫，頭脹，頸部靜脈曲張，身體質(zhì)量中心上移。人體的感受器感到體液增加，機(jī)體通過體液調(diào)節(jié)系統(tǒng)減少體液，出現(xiàn)體液轉(zhuǎn)移、反射性多尿，導(dǎo)致水鹽從尿中排出，血容量減少，出現(xiàn)心血管功能降低征候，如心輸出量減少、立位耐力降低等，返回地面后短時(shí)對(duì)重力不適應(yīng)。隨著航天的時(shí)間延長(zhǎng)，心血管功能可在新的水平上達(dá)到新的平衡，心率、血壓、運(yùn)動(dòng)耐力恢復(fù)到飛行前的水平。失重引起血容量減少的同時(shí)可出現(xiàn)血紅細(xì)胞、血紅蛋白量的減少，這些隨著航天時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)正常。②前庭功能變化。失重時(shí)，出現(xiàn)頭暈、惡心，腹部不適，體位翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)病癥狀，稱為航天運(yùn)動(dòng)病，又稱航天適應(yīng)綜合征。發(fā)生率約占航天員總數(shù)的1/3～1/2。航天初期進(jìn)入失重后即可發(fā)病，持續(xù)一周，失重一周之后，前庭功能可對(duì)失重適應(yīng)。發(fā)病者個(gè)體差異很大。病因不清，可能與失重相關(guān)。失重時(shí)耳石失去重量，對(duì)半規(guī)管的正常抑制解除，使半規(guī)管的興奮性和反應(yīng)增強(qiáng)，這時(shí)任何頭部運(yùn)動(dòng)都可成為閾上刺激；有人認(rèn)為失重時(shí)感覺重力的器官將異常信號(hào)傳入大腦，形成前庭、視覺、運(yùn)動(dòng)覺等信號(hào)沖突，引起各分析器相互作用紊亂，導(dǎo)致航天運(yùn)動(dòng)病。航天運(yùn)動(dòng)病至今還不能完全預(yù)防，發(fā)病時(shí)可服抗運(yùn)動(dòng)病藥物。③骨鹽代謝紊亂。失重會(huì)引起人體的骨無機(jī)鹽代謝紊亂，經(jīng)尿排出的鈣磷增加，鈣的排出量每月約6克左右。負(fù)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(fù)重對(duì)骨骼肌肉的刺激減弱或消失，血液供應(yīng)減少，骨細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)改變，破骨細(xì)胞功能增強(qiáng)，成骨細(xì)胞功能減弱，分解過程大于合成過程。骨鹽的喪失引起骨質(zhì)疏松，而且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。失重引起的肌肉變化，主要表現(xiàn)在對(duì)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(xiàn)廢用性萎縮。
一般認(rèn)為人在失重下生活六個(gè)月，生理功能不會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的改變。
宇宙輻射
航空航天飛行中?？沙霈F(xiàn)宇宙輻射對(duì)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(zhì)子、光子、電子組成；其次是太陽發(fā)生耀斑時(shí)釋放出的大量高能帶電粒子，絕大多數(shù)是質(zhì)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(chǎng)俘獲，形成范圍很廣的高強(qiáng)度輻射區(qū)，稱地球輻射帶。輻射粒子作用于人體細(xì)胞使原子產(chǎn)生電離效應(yīng)。
宇宙輻射經(jīng)地球大氣層的屏蔽，到達(dá)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?jī)H是4.35～5.5雷姆(rem，劑量當(dāng)量單位)，所以低空飛行的飛機(jī)，不會(huì)受到宇宙輻射的損害。美國(guó)對(duì)民航飛行進(jìn)行過測(cè)定，表明超音速亞音速客機(jī)航行中機(jī)組人員和旅客接受到的宇宙輻射劑量沒有超過國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)規(guī)定的最大允許標(biāo)準(zhǔn)，即從事輻射職業(yè)工作人員年接受量5rem。一般人員0.5rem。
載人航天歷來重視宇宙輻射對(duì)航天員的傷害，航天器及乘員身上都帶有各種輻射劑量測(cè)定儀，以觀察宇宙輻射可能對(duì)人體的傷害。觀測(cè)表明，美蘇航天員航天中接受的輻射劑量多數(shù)沒有達(dá)到使人傷害的水平，但少數(shù)飛行中航天員接受的輻射劑量比較大。航天時(shí)接受劑量的多少與航行軌道有關(guān)，航行軌道高時(shí)比軌道低時(shí)接受的劑量多。載人航天中還應(yīng)特別注意重粒子對(duì)人的傷害。載人航天器的金屬艙壁有一部分防輻射作用，但有一定限度。應(yīng)盡可能避免航空航天時(shí)遭受太陽耀斑的輻射傷害。
飛行乘員的食品供應(yīng)
飛機(jī)乘員的食品供應(yīng)，應(yīng)注意營(yíng)養(yǎng)豐富。飛行前避免食用易產(chǎn)氣和富含纖維素的食物，并防止空腹或過飽飛行。航天員的食品除營(yíng)養(yǎng)豐富適合口味外，重要的是適合航天條件下食用。航天時(shí)艙內(nèi)一切物體，包括食物，都處于失重狀態(tài)，會(huì)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(nèi)，進(jìn)食時(shí)擠壓鋁管食物即可通過硬塑料管進(jìn)入口中，這類食品方便安全，但不適合口味，現(xiàn)已少用。面包、點(diǎn)心、肉塊、雞塊等可制成一口大小的塊狀，表面涂有一層可食用的薄膜，以防食品破碎脫屑。罐裝食品是現(xiàn)在航天食品使用最多最受歡迎的食品，內(nèi)裝食品有一定的粘稠性，食用時(shí)不會(huì)飄浮，性狀同地面食品一樣。早期的航天食品較簡(jiǎn)單，僅是一些牙膏軟管狀和壓縮的塊狀食物，現(xiàn)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。
航空航天中的晝夜節(jié)律變化
長(zhǎng)期生活在地球表面晝夜節(jié)律周期中的人，心理生理功能逐漸形成與此相適應(yīng)的人體內(nèi)環(huán)境的平衡，某些功能存在著與晝夜節(jié)律相類似的同步變化。外界環(huán)境晝夜周期發(fā)生變化后，人在短期內(nèi)不能適應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)一些生理功能紊亂現(xiàn)象。
航空飛行中的時(shí)差變化
大型噴氣客機(jī)飛行一小時(shí)可跨越一個(gè)時(shí)區(qū)。乘噴氣客機(jī)旅行，高速向東或向西飛行10小時(shí)，到達(dá)目的地后，兩地相較，即提前或推遲10小時(shí)。旅客對(duì)新的時(shí)間不能馬上適應(yīng)，可出現(xiàn)一時(shí)性適應(yīng)困難，引起睡眠障礙、疲勞等癥狀，同時(shí)工作效率降低，體育比賽成績(jī)不理想。因此，有重要任務(wù)的旅客（如參加國(guó)際會(huì)議、重大國(guó)際體育比賽者）應(yīng)力爭(zhēng)做到飛行前、飛行后的適應(yīng)。飛行前適應(yīng)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，以便盡可能提前適應(yīng)目的地的環(huán)境晝夜節(jié)律。飛行后適應(yīng)是指提前到達(dá)目的地，休息1～2天，適應(yīng)新的環(huán)境。
航天中的晝夜節(jié)律
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(shí)內(nèi)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(shí)間長(zhǎng)短決定于載人航天器繞地球飛行的軌道高低，軌道高則晝夜周期長(zhǎng)，軌道低則晝夜周期短。載人航天器飛行軌道一般是近地球軌道，近遠(yuǎn)點(diǎn)在200～700km處，繞地飛行一周大約90分鐘，24小時(shí)內(nèi)有16個(gè)晝夜變化。航天員長(zhǎng)期習(xí)慣于地球上的晝夜周期，對(duì)這種短暫的晝夜變化很不習(xí)慣，可出現(xiàn)睡眠不好，易醒、易疲勞，工作效率降低等。航天醫(yī)學(xué)工作者將航天員的作息制度按24小時(shí)為一個(gè)晝夜周期安排，基本上與地球晝夜周期同步。24小時(shí)內(nèi)8小時(shí)工作，8小時(shí)睡眠，2小時(shí)就餐，其余時(shí)間為洗漱、文化娛樂、體育鍛煉。航天員睡眠期間，艙內(nèi)燈光也相應(yīng)減暗，地面人員盡可能不打擾他們，只通過遙測(cè)系統(tǒng)傳來的航天員重要生理信息（心率、血壓等），監(jiān)視他們的健康狀況。
參考書目
蔡翹等著：《航空與空間醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)》，國(guó)防工業(yè)出版社，北京，1979。
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