航空航天医学

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航空航天医学(aerospace medicine),研究人在大气层和外层空间飞行时,外界环境因素(低压缺氧、宇宙辐射等)及飞行因素(超重、失重等)对人体生理功能的影响及其防护措施的医学学科。它的发展与航空航天工程技术的发展密切相关。1770年代到19世纪的100多年的时间内,各国科学家进行了数以百计的用气球载人载动物的升空试验。当时人们没有认识高空环境会对人体带来危害,没有采取相应的保护措施,以致在升空中发生了人的冻伤耳痛意识丧失甚至死亡的严重事故。此后人们便重视和开展高空环境的研究,逐渐认识到低压、缺氧、低温对人体的危害,这是航空医学的萌芽时期。飞机的制造、飞行是19世纪末20世纪初实现的。当时飞机的性能较低,航行高度仅2000米,飞行速度也仅有 500km/h。即使这样也发生了晕机、着陆事故、飞机碰撞等急待解决的问题。第二次世界大战期间,特别是喷气飞机出现后,飞机的性能提高,航行高度增高,速度增快,续航时间延长,出现了超重、低压、缺氧、低温等引起的更为严重的医学课题,这迫使各国投入了大量人力物力用于开展航空医学研究。

航天医学是在航空医学基础上发展的。40年代末50年代初,人们进行了广泛的火箭和卫星的生物学试验。动物实验证明人类可以到宇宙航行后,苏联在60年代初首先载人航天成功。随后研究了人在宇宙飞行的安全返回、失重对人体的影响等,证明人可以在失重条件下有效地工作和健康地生活。随着航天技术的发展,航天医学也相应地迅速发展。

航空航天医学的研究范围非常广泛,下面仅就几个重要内容加以阐述。

目录

低压、缺氧

低压缺氧是航空航天中的重要环境因素之一。地球周围包绕着一层大气,大气的固定成分主要是氮、氧、二氧化碳等。地平面上的大气压力每一平方厘米承受的大气柱重量为 1.033kg,与同样底面积高760mm的汞柱相等,这一压力值即定为标准压力。大气压力随着高度升高而降低。当外界压力降低到266.89mmHg(8000米上空)时,人就会发生减压损伤。

减压损伤

外界环境压力降低时人体组织内、体液中的气体(主要是在血液组织液中溶解度高的氮气)会游离在血管内形成气泡。形成的气泡在血管内成为气栓堵塞血管,在血管外则压迫局部组织。血管内的气泡循环到肺部则出现肺血管栓塞,继发肺循环障碍。气泡在肺脏外胸廓内可造成气胸。气栓在心脏血管内可导致循环障碍。气泡压迫局部组织常见于四肢关节,特别是膝关节肩关节等处,引起剧烈的疼痛,这种现象,称为“屈肢痛”。飞机迅速上升下降时产生的气压剧烈变化,可引起中耳的疼痛,称为航空性中耳炎。中耳借咽鼓管与外界相通,以保持中耳的内外压力平衡,咽鼓管通常是关闭的,当吞咽打哈欠打喷嚏时便张开。外界压力改变,人不能及时作通气动作或咽鼓管功能不正常,鼓室内外压力发生不平衡,引起耳气压性损伤。飞机上升时外界压力降低,中耳内压力相对增高形成“正压”,鼓膜外凸,但咽鼓管功能正常的人,一般不会发生中耳损伤。飞机下降时环境压力增高,中耳内压力相对低形成负压,鼓膜内陷。因咽鼓管是单项活门,外界气体不能主动进入内耳,若不及时作吞咽动作,中耳负压增加,耳内便有压迫感,并出现耳痛、耳鸣耳闷。主动作通气动作后,使气体进入中耳,鼓膜复位,症状便可消失。客机上发放糖块,要求旅客在飞机上升下降时咀嚼糖块的道理就在于此。军用飞机飞行时,气压改变迅速剧烈,咽鼓管功能正常的有经验的飞行员都能及时作通气动作,一般也不会发生中耳损伤。所以选拔飞行员时,要注意耳功能。旅客机一般不会经受压力剧变,所以旅客很少发生中耳气压损伤。航空中的气压变化还可引起乘员的牙痛,称航空性牙痛,多见于军事飞行人员,其特点是以病牙为中心,向耳周围或颌骨处扩散。民航客机气压变化慢,旅客不会出现航空性牙痛。龋齿继发牙髓损伤常是引起牙痛的主要原因,压力降低,髓腔内残留气体膨胀,压迫血管,引起牙痛。牙本质过敏牙周炎冠周炎等也可能引起航空性牙痛。

缺氧

外界压力降低时,空气中的绝对氧分压也相应降低,引起飞行人员的高空缺氧。在3000m高度时(氧分压为100mmHg)人会出现轻度缺氧,4600m高度(氧分压为80mmHg),可发生中等度缺氧,在6100m(氧分压为63mmHg)以上的高度,可出现严重的缺氧状态。脑和感觉器官对缺氧非常敏感,缺氧直接影响乘员的协调动作和智能功能(记忆、理解、判断),严重缺氧会引起意识障碍,导致严重的飞行事故。

低压缺氧的防护

现代飞机的飞行高度不超过7公里,一般仍可用敞开式座舱。性能较高的飞机则采用密封式增压座舱,它可以有效地防护高空的低压缺氧、低温、高速气流等不良因素对飞行人员的伤害,舱内合适的微小气候保证飞行人员有良好的工作生活条件。增压座舱主要由能承受一定压差、具有良好密闭性能的座舱结构和环境控制系统组成。增压座舱可分为通风式、再生式两种。

①  通风式增压座舱,又称气密座舱。基本原理是:关闭舱盖后,舱盖边缘的密封胶带充气,使舱盖口密封严密;同时机上的专用座舱增压器将高空的稀薄大气不断压缩到密封舱内,舱内压力调节装置自动地将舱内多余的增压空气排出舱外,使舱内气压和压力变化率符合所要求的压力制度并维持舱内空气清新。利用气体增压所致的气温升高实现座舱调温。飞机高空飞行时座舱增压,形成了舱内外的一定压力差(称余压),舱内增压压差制度根据机种的不同而异。旅客机机动飞行要求低,飞机重量较大,很少发生迅速减压,续航时间长,常采用高压差制度如协和式客机航行高度在18km,舱内高度仅为 1800m,旅客在舱内可自由活动和交谈。军用飞机,特别是歼击机,飞行时间短,机动性能要求高,乘员需使用供氧装置,常采用低压差制度。飞机上备有供氧系统,以防止高空缺氧,它由机上携带的氧源、氧气调节器、减压器、供氧面罩、连接管路、监测仪表、跳伞供氧器等组成。军用飞机增压座舱采用低压制度,配备加压供氧系统,断续性供氧。中远程客机的巡航高度在8~12km,增压座舱采用高压制度,飞行中乘员和旅客不需供氧,机上可配备应急时的供氧装置。

②  再生式增压座舱,用于载人的航天器座舱,与外界隔绝,完全气密,舱内备有完整的生命保障系统。其主要设施是大气控制系统,由气源氧源、调节控制器组成。舱内压力一般是一个大气压力,气体成分中氧占20%、氮占80%。调节控制系统自动地不断补充人体消耗的氧和舱体泄漏的气体,以维持舱内的压力要求。温度控制系统可调节舱温。净化系统吸附、过滤、净化人体呼出的二氧化碳,汗液挥发出的、胃肠道排出的有害气体,保持舱内气体新鲜。还有去湿、废物处理等装置。

超重和失重

飞行器升、降时会产生超重,航天器在宇宙空间飞行时会产生失重,两者对人体生理功能均有影响。

超重

航空航天飞行器飞行时速度快,机动性强,产生强大的超重(又称加速度、过载)。重力作用于人体的方向由头至足的则称正超重(正加速度),即+G2;反之,重力的方向由足至头时称负超重(负加速度),即 -G2;以上为纵向超重。重力方向由胸至背时,叫胸背向超重,即+G2;反之,重力方向由背至胸时,叫背胸向超重,即-G2,以上称横向超重;还有侧向超重。航空时人在舱内取坐姿,重力作用主要是纵向超重,它对人体的影响较大,可使体位改变,体内组织器官发生变形移位,对血液动力学和悬垂组织的影响更为突出。正超重时,血液受惯性力作用由上身转移到下身,引起头部、上身缺血视力障碍,严重时可发生晕厥。人体对纵向超重耐力较低,只有4G值左右,训练、穿着抗荷服可提高超重耐力。航天器发射和返回时同样产生时间较长的加速减速超重,超重值可达8G左右。高G值的超重,人取坐姿难以适应,所以航天员通常采取仰卧姿,经受的是横向超重,这对人体的影响较轻。人对8G值的横向超重可耐受十多分钟。航天中经受的这种横向超重,一般人都可以耐受。

飞行中各种加速度对人体的前庭器官是一种刺激,在适宜范围内一般不会引起不良反应,当加速度刺激频繁、剧烈,时间较长,超过前庭器官的阈值,即可引起运动病反应。运动病有晕船、晕机、晕车、航天运动病等。主要症状是头晕恶心呕吐出冷汗面色苍白等。病因与前庭器官密切相关,丧失前庭功能的聋哑人,前庭器官发育不全的人,一般不会发生运动病。军事飞行中乘员晕机的较多。民航客机飞行平稳,座舱舒适,发生晕机的旅客一般不超过6%。

失重

航天飞行中的一个特殊物理因素。人体的结构特点,保证人对重力的对抗和适应。载人航天实践证明,失重对人体的生理功能有很大影响,但不像原先想象的那样严重。人在失重条件下连续生活工作365天后,返回地球经短期休息,可完全地恢复健康,并未发生不可逆转的生理变化。

失重引起的人体生理功能变化主要是:①心血管功能的改变。失重时人体的流体静压丧失,血液和其他体液不像重力条件下那样惯常地流向下身,相反,下身的血液回流到胸腔、头部。航天员面部浮肿头胀颈部静脉曲张,身体质量中心上移。人体的感受器感到体液增加,机体通过体液调节系统减少体液,出现体液转移、反射多尿,导致水盐从尿中排出,血容量减少,出现心血管功能降低征候,如心输出量减少、立位耐力降低等,返回地面后短时对重力不适应。随着航天的时间延长,心血管功能可在新的水平上达到新的平衡,心率、血压、运动耐力恢复到飞行前的水平。失重引起血容量减少的同时可出现血红细胞血红蛋白量的减少,这些随着航天时间的延长逐渐恢复正常。②前庭功能变化。失重时,出现头晕、恶心,腹部不适,体位翻转等运动病症状,称为航天运动病,又称航天适应综合征。发生率约占航天员总数的1/3~1/2。航天初期进入失重后即可发病,持续一周,失重一周之后,前庭功能可对失重适应。发病者个体差异很大。病因不清,可能与失重相关。失重时耳石失去重量,对半规管的正常抑制解除,使半规管兴奋性和反应增强,这时任何头部运动都可成为阈上刺激;有人认为失重时感觉重力的器官将异常信号传入大脑,形成前庭、视觉运动觉等信号冲突,引起各分析器相互作用紊乱,导致航天运动病。航天运动病至今还不能完全预防,发病时可服抗运动病药物。③骨盐代谢紊乱。失重会引起人体的骨无机盐代谢紊乱,经尿排出的钙磷增加,钙的排出量每月约6克左右。负重的跟骨股骨等骨盐丧失较大,上肢挠骨、尺骨则较轻。脱钙的原因是地面上常有的适宜载荷垂直负重对骨骼肌肉的刺激减弱或消失,血液供应减少,骨细胞营养改变,破骨细胞功能增强,成骨细胞功能减弱,分解过程大于合成过程。骨盐的丧失引起骨质疏松,而且持续时间很长。失重引起的肌肉变化,主要表现在对抗重力的肌群张力减弱,甚至萎缩。原因是抗重力肌不需做功,出现废用性萎缩。

一般认为人在失重下生活六个月,生理功能不会发生不可恢复的改变。

宇宙辐射

航空航天飞行中常可出现宇宙辐射对人体的伤害。宇宙辐射主要指从银河系各方面来的高能带电粒子流,由质子、光子、电子组成;其次是太阳发生耀斑时释放出的大量高能带电粒子,绝大多数是质子,其次是α 粒子;第三种是地球辐射带的射线,带电粒子在近地球空间为地磁场俘获,形成范围很广的高强度辐射区,称地球辐射带。辐射粒子作用于人体细胞使原子产生电离效应。

宇宙辐射经地球大气层的屏蔽,到达地面的剂量很小,人在地面上生活30年,平均接受的自然剂量仅是4.35~5.5雷姆(rem,剂量当量单位),所以低空飞行的飞机,不会受到宇宙辐射的损害。美国对民航飞行进行过测定,表明超音速亚音速客机航行中机组人员和旅客接受到的宇宙辐射剂量没有超过国际辐射防护委员会规定的最大允许标准,即从事辐射职业工作人员年接受量5rem。一般人员0.5rem。

载人航天历来重视宇宙辐射对航天员的伤害,航天器及乘员身上都带有各种辐射剂量测定仪,以观察宇宙辐射可能对人体的伤害。观测表明,美苏航天员航天中接受的辐射剂量多数没有达到使人伤害的水平,但少数飞行中航天员接受的辐射剂量比较大。航天时接受剂量的多少与航行轨道有关,航行轨道高时比轨道低时接受的剂量多。载人航天中还应特别注意重粒子对人的伤害。载人航天器的金属舱壁有一部分防辐射作用,但有一定限度。应尽可能避免航空航天时遭受太阳耀斑的辐射伤害。

飞行乘员的食品供应

飞机乘员的食品供应,应注意营养丰富。飞行前避免食用易产气和富含纤维素的食物,并防止空腹或过饱飞行。航天员的食品除营养丰富适合口味外,重要的是适合航天条件下食用。航天时舱内一切物体,包括食物,都处于失重状态,会自由飘浮。航天食品中肉酱、果酱类半固体食品可装入牙膏状的铝管内,进食时挤压铝管食物即可通过硬塑料管进入口中,这类食品方便安全,但不适合口味,现已少用。面包、点心、肉块、鸡块等可制成一口大小的块状,表面涂有一层可食用的薄膜,以防食品破碎脱屑。罐装食品是现在航天食品使用最多最受欢迎的食品,内装食品有一定的粘稠性,食用时不会飘浮,性状同地面食品一样。早期的航天食品较简单,仅是一些牙膏软管状和压缩的块状食物,现在航天食品品种有70多种。航天器中还有电热灶,用以加热食品。

航空航天中的昼夜节律变化

长期生活在地球表面昼夜节律周期中的人,心理生理功能逐渐形成与此相适应的人体内环境的平衡,某些功能存在着与昼夜节律相类似的同步变化。外界环境昼夜周期发生变化后,人在短期内不能适应,会出现一些生理功能紊乱现象。

航空飞行中的时差变化

大型喷气客机飞行一小时可跨越一个时区。乘喷气客机旅行,高速向东或向西飞行10小时,到达目的地后,两地相较,即提前或推迟10小时。旅客对新的时间不能马上适应,可出现一时性适应困难,引起睡眠障碍疲劳等症状,同时工作效率降低,体育比赛成绩不理想。因此,有重要任务的旅客(如参加国际会议、重大国际体育比赛者)应力争做到飞行前、飞行后的适应。飞行前适应是指若向东飞行,飞行前几天就开始每天提早就寝、提早起床,以便尽可能提前适应目的地的环境昼夜节律。飞行后适应是指提前到达目的地,休息1~2天,适应新的环境。

航天中的昼夜节律

载人航天器绕地球飞行一周,航天员可见到一次日落,一次日出,一天24小时内可见到十几次日落日出的昼夜周期。航天中的昼夜周期是可变的,时间长短决定于载人航天器绕地球飞行的轨道高低,轨道高则昼夜周期长,轨道低则昼夜周期短。载人航天器飞行轨道一般是近地球轨道,近远点在200~700km处,绕地飞行一周大约90分钟,24小时内有16个昼夜变化。航天员长期习惯于地球上的昼夜周期,对这种短暂的昼夜变化很不习惯,可出现睡眠不好,易醒、易疲劳,工作效率降低等。航天医学工作者将航天员的作息制度按24小时为一个昼夜周期安排,基本上与地球昼夜周期同步。24小时内8小时工作,8小时睡眠,2小时就餐,其余时间为洗漱、文化娱乐、体育锻炼。航天员睡眠期间,舱内灯光也相应减暗,地面人员尽可能不打扰他们,只通过遥测系统传来的航天员重要生理信息(心率、血压等),监视他们的健康状况。

参考书目

蔡翘等著:《航空与空间医学基础》,国防工业出版社,北京,1979。

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