高俊峰、高川、戰(zhàn)略支援部隊特色醫(yī)學(xué)中心、神舟載人航天醫(yī)療隊

196年4月12日之前，蘇聯(lián)的航空航天工程師加加林首次訪問了天空。人類登月夢想經(jīng)歷了47年的輝煌歷程，一個接一個地實現(xiàn)了向地球、向月球和建立空間站的歷史夢想。中國載人航天在奮力追趕世界先進水平中隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展變化也走過了坎坷而獨特的發(fā)展歷程, 取得了累累碩果, 尤其是20世紀90年代初實施的載人航天工程取得了令世人矚目的輝煌成就。 航天事業(yè)的發(fā)展極大地帶動與推進了科學(xué)技術(shù)和學(xué)科體系的發(fā)展,我國40年的載人航天發(fā)展與實踐也催生和促進了相關(guān)領(lǐng)域新學(xué)科和新技術(shù)的發(fā)展。其中一門綜合性新興學(xué)科——航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)也應(yīng)運而生,經(jīng)過40年的發(fā)展,形成了一套較為完整,特色鮮明的科學(xué)理論體系和工程實踐技術(shù),為我國載人航天的突破和發(fā)展做出了極其重要的貢獻。

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的形成與概念

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用進展

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)科伴隨中國載人航天事業(yè)的發(fā)展歷程,經(jīng)歷了萌芽、初步形成、發(fā)展充實和日趨成熟4個發(fā)展階段。

萌芽航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)萌發(fā)于20世紀50年代末、60年代初,作為中國科學(xué)院、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院相關(guān)專業(yè)的分支,開啟了空間科學(xué)探索的旅程。20世紀60年代,成功發(fā)射的系列生物探空火箭,將載有大鼠、小鼠、犬、果蠅及微生物菌種的生物艙送上73 km高空,標志著以載人飛行為目標的科學(xué)實驗開始起步。

初步形成1968年4月航天醫(yī)學(xué)工程研究所成立至20世紀90年代初,從宇宙醫(yī)學(xué)、空間物理學(xué)科集中整合,提出按照系統(tǒng)科學(xué)的思想,應(yīng)用系統(tǒng)工程的理論方法,統(tǒng)籌考慮航天員的安全、健康和工作能力,到“曙光”號任務(wù),返回式1型衛(wèi)星(FSW-1),CBS-1生物搭載艙實踐和國家“863”計劃航天領(lǐng)域設(shè)立的載人航天器環(huán)控生保及醫(yī)學(xué)防護技術(shù)預(yù)先研究,初步形成航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的基本脈絡(luò),促進了飛船生命保障系統(tǒng)、航天員特殊環(huán)境因素選拔、航天環(huán)境醫(yī)學(xué)、工效學(xué)等工程應(yīng)用理論和模擬失重條件下人體生理效應(yīng)等航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。

發(fā)展充實1992年國家載人航天工程的正式啟動,以明確的任務(wù)需求為牽引,航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)得以快速發(fā)展。國內(nèi)開展了大量針對工程應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究,充實和豐富了航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論成果,逐步形成了航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的總體框架。在充分吸收航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)、環(huán)控生保工程技術(shù)的理論知識和工程技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上形成了以航天醫(yī)學(xué)、重力生理學(xué)、航天環(huán)境醫(yī)學(xué)、航天工效學(xué)、環(huán)境控制與生命保障工程技術(shù)(簡稱環(huán)控生保技術(shù))、航天食品工程技術(shù)為主要內(nèi)容的醫(yī)工結(jié)合理論和技術(shù)交叉融合的學(xué)科體系,突出體現(xiàn)了以航天員為中心的系統(tǒng)論和系統(tǒng)工程的原理。

日趨成熟2003年“神舟”5號的首次載人飛行的實現(xiàn)使這一學(xué)科理論基礎(chǔ)得到實際工程的有效檢驗;2005年“神舟”6號多人多天的載人飛行任務(wù)的圓滿完成,我國航天員首次進入軌道艙開展科學(xué)實驗,標志著這一學(xué)科日趨成熟。進入我國載人航天 “三步走”第二步戰(zhàn)略發(fā)展階段后,在系統(tǒng)歸納總結(jié)載人航天第一步發(fā)展經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,進一步梳理、整合、凝煉出了航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的概念、內(nèi)涵、特征,學(xué)科體系更加豐富完善。

從理論研究到學(xué)科問題的研究,從總體上看是航天醫(yī)學(xué)工程

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)概念與學(xué)科構(gòu)成航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)是以載人航天任務(wù)為背景,適應(yīng)載人航天發(fā)展需要而形成和建立起來的一門醫(yī)工結(jié)合、多學(xué)科交叉集成的綜合性應(yīng)用學(xué)科。它以系統(tǒng)論為指導(dǎo),利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),研究載人航天活動對人體的影響及其特征規(guī)律,研制可靠的工程對抗防護措施,設(shè)計和創(chuàng)造合理的人機環(huán)境,尋求載人航天系統(tǒng)中人(航天員/載荷專家)、機(載人航天器及運載器)和環(huán)境(航天環(huán)境和飛行器內(nèi)環(huán)境)之間的優(yōu)化組合,確保航天活動中航天員的安全、健康和高效工作。它既源于航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)、環(huán)控生保工程等學(xué)科基礎(chǔ),又具有鮮明的自身特色——凸現(xiàn)學(xué)科間的交叉融合和明確的飛行任務(wù)應(yīng)用背景。其學(xué)科構(gòu)成見圖1。

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)體系框架航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)科以人為中心,以實現(xiàn)載人航天任務(wù)中航天員的安全、健康和高效工作的需求為目標,在明確的任務(wù)驅(qū)動牽引下,遵循應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)、應(yīng)用技術(shù)工程化實踐的發(fā)展規(guī)律,綜合集成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、機械工程等多學(xué)科知識、理論和技術(shù),通過醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的交叉融合,形成了以確保航天員安全、維護航天員健康、提高航天員工作能力為主體的實施體系,構(gòu)成了交叉、綜合具有鮮明系統(tǒng)工程特征的新型學(xué)科體系(圖2)。

以安全、健康和高效工作為目標牽引的3大體系存在著相互影響、相互支撐的內(nèi)在聯(lián)系。確保航天員的安全是保障航天員健康飛行和高效工作的基礎(chǔ),逐步發(fā)展的維護航天員健康的醫(yī)學(xué)措施不斷對環(huán)控生保和航天服的實現(xiàn)又提出新的設(shè)計要求,不斷增加的任務(wù)負荷和飛行周期又會對航天員健康與訓(xùn)練提出了更高的要求。

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究進展

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系在預(yù)先研究的學(xué)術(shù)成果的積累提煉及工程型號任務(wù)的強有力驅(qū)動下, 逐步完了成從理論預(yù)研到承擔型號任務(wù)的過渡, 構(gòu) 成了載人航天工程的重要支撐。

國家載人航天工程一經(jīng)啟動, 航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)在長期預(yù)先研究所獲得成果的基礎(chǔ)上形成了航天員系統(tǒng)和飛船系統(tǒng)環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)這兩個最具載人特色的工程型號系統(tǒng), 在載人航天型號研制中發(fā)揮極其重要的作用。

與此同時,在載人航天實踐中,形成發(fā)展了航天員選拔訓(xùn)練技術(shù)、航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保技術(shù)、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術(shù)、航天服技術(shù)、載人航天環(huán)境模擬技術(shù)、載人航天生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)、航天食品工程技術(shù)等工程應(yīng)用技術(shù),不僅為確保載人航天任務(wù)的 圓滿完成發(fā)揮了重要作用,也從工程應(yīng)用角度豐富了航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的學(xué)科體系和內(nèi)容。

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的發(fā)展充分體現(xiàn)了“任務(wù)帶學(xué)科,學(xué)科促任務(wù)”的指導(dǎo)思想, 本部分將沿著航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的基本體系框架,介紹航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的研究進展及其對我國載人航天工程的重要貢獻。

航天重力生理學(xué)與航天細胞分子生物學(xué)針對航天飛行中影響航天員健康的醫(yī)學(xué)問題,通過重力生理學(xué)、航天細胞分子生物學(xué)等航天基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的前期預(yù)研,構(gòu)成航天實施醫(yī)學(xué)應(yīng)用相關(guān)防護措施的依據(jù)和技術(shù)。伴隨我國載人航天實踐,航天基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究經(jīng)歷了生理現(xiàn)象觀察到細胞分子機理探討,從對抗防護措施理論研究到航天任務(wù)實際應(yīng)用,從地基模擬模型到天基實時實驗的三大飛躍。

早在20世紀70年代,在“曙光”號任務(wù)中,正式開始了以航天醫(yī)學(xué)問題為目標的航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究,主要研究了超重對心血管神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。隨后伴隨“863”項目和載人航天工程的正式啟動,航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究不斷系統(tǒng)化、深入化。以大鼠、小鼠和家兔為對象,建立了限動和尾吊動物模型;以心血管、骨骼、免疫、肌肉系統(tǒng)生理變化為重點,進行了大量模擬失重對壓力感受器反射功能、腎功能、血管和細胞外液、血液流變性的影響研究。提出了改變失重或模擬失重狀態(tài)下的血液分布,調(diào)整對壓力感受器的刺激,可能是預(yù)防心血管失調(diào)的有效方法。研究了不同懸吊時間對大鼠椎骨骨質(zhì)和生物力學(xué)特性的影響。模擬失重、噪聲、輻射等復(fù)合環(huán)境因素可顯著降低小鼠免疫功能。利用7 d、14 d短期臥床實驗,觀察了臥床前后的立位耐力、壓力感受性反射功能、內(nèi)分泌水平等的改變。在著重研究了模擬失重條件下機體各系統(tǒng)適應(yīng)變化過程中,發(fā)現(xiàn)不同臥床時間中的機體各生理功能的不同反應(yīng)變化特征,下肢血管順應(yīng)性變化是立位耐力下降的重要影響因素等觀點。

90年代后期,失重生理效應(yīng)的研究從早期的現(xiàn)象觀察發(fā)展為深入的機制探討。從細胞分子水平開展了航天醫(yī)學(xué)問題發(fā)生、發(fā)展的機理研究,通過以成骨細胞和心肌細胞為突破口的系統(tǒng)研究,提出重力敏感系統(tǒng)——細胞骨架系統(tǒng)中的分子表達與調(diào)控是進行航天醫(yī)學(xué)防護的關(guān)注焦點的學(xué)術(shù)觀點。1999年通過國際合作,在PHOTON生物衛(wèi)星上成功進行了成骨細胞空間飛行實驗,驗證了中藥復(fù)方可通過穩(wěn)定細胞骨架對抗微重力效應(yīng)的論點。2005年,通過“神舟”6號任務(wù),在國際上率先實現(xiàn)了空間飛行條件下心肌細胞實時研究,首次發(fā)現(xiàn)心肌細胞微絲與微管骨架對空間飛行的響應(yīng)方式和敏感度不同:微管對空間飛行條件更加敏感,發(fā)生解聚性變化;而微絲骨架保持了結(jié)構(gòu)與分布的相對完整性,為進一步開展空間心血管功能紊亂的機理與防護對抗措施研究提供了細胞學(xué)依據(jù)。

在防護措施上,研究了丹參、黃芪、刺五加、川芎、熟地、人參地上甙、西洋參、山楂、杜仲、人參根、銀杏葉、生地等中藥合劑對尾吊大鼠血粘度、紅細胞變形性、纖維蛋白原含量、血細胞壓積、紅細胞形態(tài)、肌肉重量、肌纖維類型和面積的影響,發(fā)現(xiàn)中藥合劑能有效改善血液流變學(xué)變化和肌肉萎縮,提高尾吊大鼠的細胞免疫功能。使大鼠心肌SDH活性減弱,ATP酶活性明顯降低,能耗減少。中藥具有對抗模擬失重引起的“脾氣虛”的效應(yīng)。探討了藥物、力刺激、磁場、生物工程技術(shù)等方法對失重導(dǎo)致的心血管、骨骼、肌肉、免疫功能等系統(tǒng)的防護對抗作用[12,13,14,15,16,17]。

開展了重點針對空間運動病、減壓病和立位耐力下降3大醫(yī)學(xué)問題研究,采取了藥物、適應(yīng)性訓(xùn)練與物理預(yù)防相結(jié)合的綜合防護措施。

剛剛完成的我國首次60 d頭低位人體臥床實驗(“地星”1號),是交會對接任務(wù)中的一次綜合性大型醫(yī)學(xué)國際合作實驗。初步驗證了失重生理效應(yīng)防護措施的有效性,檢驗空間醫(yī)學(xué)實驗的可行性,積累中長期模擬失重導(dǎo)致的人體生理、心理變化特征等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在交會對接任務(wù)階段,將驗證利用運動、人工負荷、藥物進行多因素、多途徑綜合防護,協(xié)同對抗的總體構(gòu)想。形成了針對不同飛行時間、不同任務(wù)特點防護對抗措施:在短期飛行中,以補充體液為對抗立位耐力下降主要方法,在中短期飛行中必須增加運動鍛煉、力學(xué)負荷、力學(xué)刺激等對抗防護措施。

伴隨理論研究的不斷深入,具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)學(xué)細胞學(xué)天、地基實驗技術(shù)體系和平臺也逐漸得以建立完善,構(gòu)建了系統(tǒng)設(shè)計性強,天、地基配套性好的航天醫(yī)學(xué)細胞學(xué)空間實驗技術(shù)平臺,形成了一系列包括人體臥床、大鼠尾吊、動態(tài)回轉(zhuǎn)、視動刺激的具有航天醫(yī)學(xué)特點的實驗?zāi)Ｐ秃脱芯糠椒?研制了擁有國際先進技術(shù)和設(shè)計理念的微重力效應(yīng)與超重效應(yīng)平臺,具備模擬航天特殊環(huán)境和實時空間飛行條件下進行人體、動物、細胞、分子生物學(xué)研究的實驗條件和技術(shù)力量。建立了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)學(xué)細胞學(xué)空間實驗技術(shù)體系,實現(xiàn)了我國航天醫(yī)學(xué)從地基研究到空間實驗的突破。

航天環(huán)境醫(yī)學(xué)與航天工效學(xué)航天環(huán)境醫(yī)學(xué)的主要任務(wù)是開展航天環(huán)境有害因素(低壓缺氧、艙內(nèi)污染物、高低溫、振動、噪聲、電離輻射和非電離輻射等)的人體效應(yīng)及其防護研究,制定環(huán)境醫(yī)學(xué)標準,提出艙內(nèi)環(huán)境工程設(shè)計的醫(yī)學(xué)要求,開展醫(yī)學(xué)評價。伴隨我國載人航天預(yù)研、“曙光”號任務(wù)、人-機-環(huán)境研究、和國家載人航天工程任務(wù)的發(fā)展與實施,提出制定了飛船工程設(shè)計的醫(yī)學(xué)要求的指導(dǎo)思想和原則;建立了載人飛船工程設(shè)計的醫(yī)學(xué)要求,提出大氣環(huán)境、溫度、濕度、有害氣體、力學(xué)環(huán)境、沖擊、噪聲等醫(yī)學(xué)要求的系列國家標準;制定的《飛船乘員艙大氣環(huán)境控制工程設(shè)計的醫(yī)學(xué)要求》成為我國載人飛船工程設(shè)計依據(jù)。完成了系列“神舟”任務(wù)中載人飛船乘員艙環(huán)境的醫(yī)學(xué)評價,為后續(xù)任務(wù)中載人航天器的工程設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。特別是針對首次載人飛行試驗的環(huán)境醫(yī)學(xué)問題和“神舟”6號飛行任務(wù)的新增項目,增加了艙內(nèi)有害氣體、振動和能量物質(zhì)代謝等評價內(nèi)容;充實發(fā)展了我國載人航天環(huán)境醫(yī)學(xué)的理論和醫(yī)學(xué)標準。

充分體現(xiàn)人的因素的航天工效學(xué)經(jīng)歷了從重視機器性能到以航天員為中心的動態(tài)發(fā)展歷程。建立了航天員人體尺寸測量數(shù)據(jù)庫、覆蓋艙內(nèi)布局、人工控制、顯示照明、報警設(shè)計等等內(nèi)容的工效學(xué)評價要求、體系和評價方法,將設(shè)計評價、計算機模型評價、主觀評價、特性測試評價相結(jié)合,并在工程實踐中提出工效學(xué)評價與工程設(shè)計同步、與工程研制并行的先進的設(shè)計思想,及時糾正了工程設(shè)計中存在的缺陷與隱患,提出了明確的工效學(xué)要求,圓滿完成了載人飛行器的工效學(xué)要求與評價任務(wù),確保了“神舟”5號、6號飛行任務(wù)中航天員的高效工作。

航天員選拔訓(xùn)練、航天員心理學(xué)與航天實施醫(yī)學(xué)以教育訓(xùn)練學(xué)原理為基礎(chǔ)的航天員選拔訓(xùn)練技術(shù)與理論,以面向應(yīng)用為目標的航天心理學(xué)以及以醫(yī)學(xué)選拔、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保為主要研究內(nèi)容的航天實施醫(yī)學(xué)3個學(xué)科方向在學(xué)科發(fā)展中相互交融,在工作實踐中密切配合,緊緊圍繞航天員選拔訓(xùn)練和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保實施的主線,確保航天員以良好的身體素質(zhì)、心理素質(zhì)和專業(yè)技能園滿完成飛行任務(wù)?！吧裰邸?號、6號任務(wù)的圓滿完成向世界展示了中國航天員的風(fēng)貌,標志著我國已成為繼俄羅斯和美國之后擁有系統(tǒng)、完善的航天員選拔、訓(xùn)練體系的國家。

我國的航天員選拔訓(xùn)練起步于“曙光”號任務(wù),針對性地開展了航天員的醫(yī)學(xué)和特因選拔、失重飛機選拔、倒立位模擬失重、電動轉(zhuǎn)椅實驗等基礎(chǔ)工作。1992年載人航天工程項目啟動至1997年第一批預(yù)備航天員產(chǎn)生,針對航天員的選拔訓(xùn)練方法、標準進行了一系列預(yù)先研究,完成了2名航天員教員的選拔和培訓(xùn)。伴隨著“神舟”5號的任務(wù)準備,形成了適合中國國情的航天員選拔訓(xùn)練體系、標準、程序和方法。堅持多維一體的系統(tǒng)性、循序探索出漸進性原則,遵循知識掌握和技能形成規(guī)律,科學(xué)統(tǒng)籌安排的指導(dǎo)思想,建立了包括基礎(chǔ)理論、體質(zhì)訓(xùn)練、航天環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練、心理訓(xùn)練、專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練、飛行程序與任務(wù)模擬訓(xùn)練、救生訓(xùn)練及大型聯(lián)合演練等內(nèi)容的訓(xùn)練理論和胸背向超重對抗技術(shù)、飛行程序與任務(wù)模擬訓(xùn)練技術(shù)、心理放松與表象訓(xùn)練技術(shù)等科學(xué)有效的航天員專項訓(xùn)練技術(shù);探索出科學(xué)有效的實施模式,確保航天員訓(xùn)練零損傷、零事故?！吧裰邸?號任務(wù)中創(chuàng)建了執(zhí)行載人航天飛行任務(wù)航天員乘組的選拔技術(shù)體系,研發(fā)了乘組選拔評價的輔助決策支持系統(tǒng),提出了飛行乘組相容性和協(xié)同配合能力的訓(xùn)練方法,有效提升了乘組的工作效能。為“神舟”5號、6號任務(wù)訓(xùn)練選拔出優(yōu)秀出色的飛行乘組,圓滿完成了“神舟”5號、6號飛行任務(wù)。

航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保的主要任務(wù)是根據(jù)不同的任務(wù)特點,實施飛行前、中、后和日常工作中的醫(yī)學(xué)監(jiān)督與醫(yī)學(xué)保障,確保航天員飛行中的健康。并通過航天生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的突破與實現(xiàn),為飛行航天員健康監(jiān)測提供裝備設(shè)施。

航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保源于軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院宇宙醫(yī)學(xué)研究所醫(yī)學(xué)保障室。在“曙光”號任務(wù)期間,主要任務(wù)是保障被試者在實驗中的安全,負責(zé)航天醫(yī)學(xué)工程研究實驗中被試者的日常醫(yī)監(jiān)醫(yī)保。無論從組織結(jié)構(gòu)設(shè)置、醫(yī)護裝備配置都相對簡單。載人航天工程啟動后,特別是“神舟”5號、6號的兩次載人飛行,促進了航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保技術(shù)的快速發(fā)展和完善,形成了明確的任務(wù)目標體系:即通過全面監(jiān)測、分析、評估航天員個體及群體健康狀況,實施醫(yī)學(xué)保障,預(yù)防和消除不良因素對航天員健康的影響,維護航天員身心健康;重點強化航天員訓(xùn)練期及航天前、中、后的醫(yī)學(xué)監(jiān)督與醫(yī)學(xué)保障,使之適應(yīng)于航天特殊環(huán)境因素的訓(xùn)練和航天飛行;建立各類航天員(指令長、飛行工程師)的醫(yī)學(xué)選拔方法和標準,對預(yù)備航天員進行醫(yī)學(xué)選拔和航天飛行過程中的醫(yī)學(xué)救援。發(fā)展建立了具有中國特色的健康維護體系,提出了“預(yù)防性原則、實時性原則及預(yù)見性原則”的健康保障原則;將中醫(yī)藥理論、方法與航天醫(yī)學(xué)相結(jié)合,創(chuàng)立了特色的航天員個體化診療方法,確保了飛行任務(wù)中的航天員健康。優(yōu)化了航天員航天生理功能檢查方法,確定了航天員個體生理參數(shù)在各種條件下的極值范圍,建立了適合中國航天員的航天生理功能評價標準體系,為航天實時醫(yī)監(jiān)提供了客觀依據(jù)。

繼“神舟”5號首次“1人1天”載人飛行任務(wù)后,又突破了“多人多天”在軌的航天員醫(yī)學(xué)健康保障技術(shù)和飛行后航天員健康康復(fù)技術(shù)。針對短期在軌飛行特點,以恢復(fù)體液平衡和重力再適應(yīng)為重點,對飛行后乘組實施了運動療法、中藥調(diào)理、推拿按摩等醫(yī)學(xué)康復(fù)治療;“神舟”6號飛行任務(wù)證明飛行乘組心理、生理狀態(tài)良好,心率穩(wěn)定,遙測心電正常,體溫及血壓正常,無醫(yī)學(xué)病癥發(fā)生,較快地適應(yīng)了失重狀態(tài),醫(yī)學(xué)保障措施科學(xué)有效。確保了“多人多天”飛行任務(wù)中的航天員健康和及時恢復(fù),對航天員安全高效地執(zhí)行飛行任務(wù)做出了重要貢獻。

創(chuàng)造性地將航天醫(yī)學(xué)理論與中醫(yī)藥研究有機結(jié)合。以航天員訓(xùn)練、飛行和返回地面不同階段身體各系統(tǒng)生理適應(yīng)反應(yīng)有關(guān)資料為依據(jù),對我國航天員、被試者在模擬航天不同時期的機體反應(yīng)態(tài)進行中醫(yī)辨證分型。發(fā)揚中醫(yī)治未病思想,強調(diào)預(yù)防為主、寓治于防、強身固本;初步形成了載人航天不同時期中醫(yī)藥防治理論,建立了具有中國特色和自主知識產(chǎn)權(quán)的中西醫(yī)結(jié)合的短期飛行航天員健康保障體系。

航天營養(yǎng)與食品工程航天營養(yǎng)與食品工程是確保航天員健康的重要。經(jīng)過40年的努力,初步形成了以航天營養(yǎng)代謝研究為基礎(chǔ)、以航天食品質(zhì)量與安全管理體系為手段、以船載航天食品研制為目的的具有典型醫(yī)工結(jié)合特色的研究體系。

航天營養(yǎng)研究從20世紀70年代“曙光”號航天計劃時起步,研制出我國第一代航天食品,以此在地面進行了大量模擬失重動物實驗和人體實驗,進行了營養(yǎng)代謝和能量代謝測試,積累了第一手資料,為后續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。 載人航天工程啟動后,在短短的10余年間,形成了航天員地面訓(xùn)練期間、飛行前、飛行中及返回后康復(fù)期膳食營養(yǎng)指導(dǎo)與評價體系,完善了航天飛行營養(yǎng)素供給量標準的研究方法,形成了系列標準,為大型地面臥床實驗、密閉艙實驗及“神舟”5號、6號航天食品的研制提供了科學(xué)依據(jù)。

航天食品研究隨載人航天工程的啟動而進入了飛速發(fā)展時期,經(jīng)過從無到有、從單一到復(fù)雜、從供給標準到口味豐富的發(fā)展歷程。突破了短期載人飛行航天食品及包裝自主研制的工程技術(shù),建立了航天食品研制技術(shù)平臺和人才隊伍,形成了包括航天食品標準體系、過程控制、分析檢測與風(fēng)險評估方法在內(nèi)的航天食品質(zhì)量管理與安全控制體系。

研制出了六大類上百個具有中國飲食文化特色的航天食品,實現(xiàn)了“安全、營養(yǎng)、方便、多樣”的目標,保障航天員圓滿完成了兩次航天飛行任務(wù)。

形成了以銀離子制備、檢測和消毒等成套的航天飲水制備技術(shù)。

航天生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)航天生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)是實施航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保的重要技術(shù)支撐。通過研制的一系列醫(yī)監(jiān)裝備,確保航天飛行和地面試驗中人體生理信息準確提取與及時傳輸,是醫(yī)監(jiān)決策必備的支撐裝備。這涉及生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)信號測量與處理技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)信號遙測技術(shù)等。從我國第一只上天小狗的心電、呼吸、心率和血壓等生理指標的記錄,到國家“七五”攻關(guān)項目研制的心電電極、呼吸傳感器、體溫傳感器、血壓測量傳感器,為解決載人航天飛行任務(wù)中生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)難題奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

在“神舟”1~4號無人飛行任務(wù)中,突破了飛船擬人載荷技術(shù),解決了失重條件下模擬航天員的耗氧和產(chǎn)熱等難題,為環(huán)控生保系統(tǒng)的工程設(shè)計和研制提供了重要參數(shù)。在“神舟”5號、6號任務(wù)中又不斷攻克了心電、呼吸、體溫和血壓在軌測量等關(guān)鍵技術(shù),解決了航天員的生理信號監(jiān)測問題。在生理信號傳輸中建立了嵌入式心率提取算法,首次采用了雙口RAM、FIFO等技術(shù)解決了多CPU之間的協(xié)調(diào)技術(shù)難題,研制的醫(yī)監(jiān)決策支持系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、小波分析等數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)了航天員心電、呼吸信號的智能化處理。在新型電子設(shè)備研制中,以DSP技術(shù)替代了單片機,成功實現(xiàn)了生理信號放大器的小型化,解決純氧環(huán)境下使用的安全性和信號的無線傳輸?shù)燃夹g(shù)難題。根據(jù)中長期航天員在軌飛行健康監(jiān)測的醫(yī)學(xué)需求,積極開展了連續(xù)血壓、無創(chuàng)心功能、無創(chuàng)肺功能測量等關(guān)鍵技術(shù)研究,為后續(xù)任務(wù)進行充分的技術(shù)儲備。

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術(shù)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術(shù)是載人航天工程中最具有“載人”特征的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是載人航天的標志性技術(shù),直接關(guān)系到航天員的生命安全。環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)依其工作原理分為非再生式、物理化學(xué)再生式和受控生態(tài)再生式3類。

非再生式環(huán)控生保技術(shù)是我國載人航天領(lǐng)域開展較早的預(yù)研項目,在“曙光”號任務(wù)中就開展了飛船環(huán)控生保系統(tǒng)的總體設(shè)計、供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化、溫濕度控制、水管理以及特種航天傳感器等關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀80年代和90年代初在衛(wèi)星上進行了部分關(guān)鍵技術(shù)的飛行試驗驗證和研究,其中包括返回式1型衛(wèi)星密閉艙壓力控制系統(tǒng)和生物搭載實驗艙等。生物搭載實驗艙系統(tǒng)是一個用動物(小白鼠)進行空間飛行試驗驗證的功能完整的小型環(huán)控生保系統(tǒng),于1990年10月5日~13日經(jīng)過8 d的軌道飛行后隨衛(wèi)星安全返回地面。飛行過程中實驗艙內(nèi)的大氣壓力、溫濕度、CO2濃度等參數(shù)均符合設(shè)計指標要求。20世紀90年代以后,在“863”預(yù)研項目的支持下,尤其是通過“神舟”1~6號飛船環(huán)控生保系統(tǒng)的研制,突破并掌握了座艙供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化、溫濕度控制、微重力環(huán)境下氣液分離和液體管理、測量控制、壓力應(yīng)急狀態(tài)下生命保障、火煙探測及滅火、航天員在軌生活保障等關(guān)鍵技術(shù),確保了載人飛船密閉艙內(nèi)適宜的生存環(huán)境和必要的生活支持條件,為實現(xiàn)我國載人航天工程從無人飛行試驗到載人航天飛行、從“1人1天”飛行到“多人多天”飛行的跨越奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)載人航天計劃,開展了關(guān)鍵技術(shù)研究并獲得突破性進展。

物理化學(xué)再生式環(huán)控生保技術(shù)是發(fā)展空間站應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在“863”預(yù)研項目的長期支持下,目前已經(jīng)形成了以空間站應(yīng)用為目標、以物理化學(xué)再生式技術(shù)為核心的完整的環(huán)控生保系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)和研制體系,建立了模擬空間站密閉艙的再生式環(huán)控生保系統(tǒng)技術(shù)試驗平臺,并首次在其中進行了“3人62天”連續(xù)的以再生生保技術(shù)為主的系統(tǒng)集成試驗。試驗中再生生保系統(tǒng)提供了3人100% 氧的需要,32%的飲用水和全部的衛(wèi)生用水。通過試驗,驗證了物理化學(xué)再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的核心技術(shù)、掌握了系統(tǒng)集成技術(shù)、系統(tǒng)運行流程及規(guī)律,初步獲取了指導(dǎo)我國未來空間站環(huán)控生保系統(tǒng)設(shè)計、研制的若干總體性指標,如功耗、體積、重量、熱管理參數(shù)、信息交換量等,為空間站環(huán)控生保系統(tǒng)的研制奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)是實施未來深空探測和月球/火星基地等長期載人航天計劃所必不可少的重要系統(tǒng)。世界各航天大國均在該領(lǐng)域投入了大量的人力和物力,競相開展相關(guān)研究。20世紀90年代以來,我國已在受控生態(tài)生保系統(tǒng)的概念構(gòu)型、系統(tǒng)配置、植物篩選培養(yǎng)、藻類培養(yǎng)、廢物處理與循環(huán)利用等方面開展了大量的基礎(chǔ)性研究。研制了受控生態(tài)生保技術(shù)綜合實驗系統(tǒng)等大型試驗研究設(shè)備,篩選出小麥、生菜等若干種受控生態(tài)生保系統(tǒng)候選植物,初步摸索了1人對維生素、氧氣、飲用水的需求量與植物栽培面積之間的對應(yīng)關(guān)系,下一步將在此基礎(chǔ)上開展受控生態(tài)生保系統(tǒng)整合試驗研究。在進行基礎(chǔ)性研究的同時,開展了受控生態(tài)生保系統(tǒng)空間搭載驗證試驗的相關(guān)研究工作,先后研制出空間植物栽培裝置、空間微生物廢物處理裝置和空間微藻光生物反應(yīng)器等地面試驗樣機,并進行了全面的地基試驗驗證,為后續(xù)天基試驗產(chǎn)品的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

航天服工程航天服是載人航天活動所必需的個人防護和作業(yè)保障關(guān)鍵系統(tǒng)。根據(jù)功能劃分,有艙內(nèi)航天服和艙外航天服兩類系統(tǒng): 艙內(nèi)航天服的主要功能是在飛船座艙壓力應(yīng)急時為航天員提供嚴重缺氧和減壓的防護保障;艙外航天服主要功能是為在極端嚴酷的空間環(huán)境下進行出艙作業(yè)的航天員提供良好的生存防護和任務(wù)必須的工作能力保障。

我國“曙光”號計劃中就開始進行用于載人飛行的艙內(nèi)航天服研制,由于工程項目終止而未能完成。1992年開始根據(jù)我國載人航天工程要求,研制用于飛船壓力應(yīng)急使用的艙內(nèi)航天服系統(tǒng)。我國艙內(nèi)航天服為一體軟式全壓服結(jié)構(gòu),系統(tǒng)具有良好的氣密性能,可靠的壓力控制和維持能力,良好的操作活動性能和適度的體型適應(yīng)調(diào)節(jié)功能,適應(yīng)人體生理要求的通風(fēng)供氧分配能力,良好的視覺保障性能。系統(tǒng)能夠根據(jù)人體在航天座椅中長時間束縛的耐受性要求進行結(jié)構(gòu)形態(tài)調(diào)節(jié)和控制,保證了較長時間壓力應(yīng)急的耐受安全性要求。與航天服配套的通信頭戴裝置為航天員提供了著服狀態(tài)下的天地語音通信功能,具有高噪聲防護功能和高噪聲環(huán)境下語音通信性能。艙內(nèi)航天服技術(shù)上達到了國際在用系統(tǒng)的先進水平。

艙外航天服是航天員進入開放的宇宙空間進行作業(yè)的關(guān)鍵保障和支持系統(tǒng)。它需要具備良好的空間環(huán)境綜合防護能力,其關(guān)節(jié)系統(tǒng)在預(yù)定的壓力制度下應(yīng)提供比艙內(nèi)航天服更好更全面活動性能,具有脫離母船獨立工作時的人體熱平衡控制、氧氣供給和壓力調(diào)控、服內(nèi)微大氣環(huán)境的通風(fēng)凈化等環(huán)境控制和生命保障功能,以及在主要系統(tǒng)故障情況下的保障應(yīng)急供氧能力,保障艙外活動時的遙測通信能力。根據(jù)我國載人航天發(fā)展規(guī)劃,在“863”項目的支持下,1998年開始進行出艙活動航天服關(guān)鍵技術(shù)研究。在艙內(nèi)航天服、座艙環(huán)控生保研制的技術(shù)基礎(chǔ)上,跟蹤國際上先進艙外服技術(shù)發(fā)展,先后開展并完成了航天服熱防護技術(shù)、關(guān)節(jié)和氣密軸承技術(shù)、水升華器冷源技術(shù)、外層防護材料復(fù)合織造技術(shù)、艙外服總體方案等關(guān)鍵技術(shù)項目研究,取得了多項突破性成果。為我國艙外航天服工程研制奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

航天環(huán)境模擬試驗及飛行訓(xùn)練仿真技術(shù)航天環(huán)境模擬試驗技術(shù)主要是通過在地面建立模擬空間和飛行動力學(xué)環(huán)境的設(shè)備設(shè)施為航天員選拔訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)實驗及工程產(chǎn)品可靠性試驗的獨特技術(shù)平臺和技術(shù)保障。在載人航天的實踐中,航天員系統(tǒng)通過等效再現(xiàn)原理,環(huán)境參數(shù)模擬、環(huán)境效應(yīng)模擬、數(shù)字仿真模擬等技術(shù),建立了載人航天人工大氣環(huán)境、空間環(huán)境、飛船動力學(xué)環(huán)境、失重環(huán)境等的系列地基模擬技術(shù),研制了乘員艙大氣環(huán)境模擬設(shè)備、載人空間環(huán)境模擬設(shè)備、載人超重環(huán)境模擬設(shè)備、中性浮力模擬設(shè)備和載人振動與沖擊模擬設(shè)備等載人航天環(huán)境模擬設(shè)備,為航天醫(yī)學(xué)工程研究以及相關(guān)產(chǎn)品的研制提供了有效的試驗保障,對促進航天醫(yī)學(xué)工程研究、提高載人航天器可靠性和確保航天員安全發(fā)揮重要作用。

航天飛行訓(xùn)練仿真技術(shù)主要是采用實物、半實物和數(shù)字方法模擬航天器飛行中所產(chǎn)生的人的視覺、觸覺、聽覺等感知,為航天員提供載人航天器的設(shè)備操作、飛行程序及飛行任務(wù)方面的訓(xùn)練。早在“曙光”號任務(wù)時期, 結(jié)合人機工效研究對飛行訓(xùn)練仿真技術(shù)進行了初步摸索,研制了面向人工控制訓(xùn)練的早期模擬器。國家載人航天工程啟動以來,航天飛行訓(xùn)練仿真技術(shù)作為航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的重要分支得以飛速發(fā)展。創(chuàng)建了適合中國載人航天實際的航天飛行仿真技術(shù)方法、平臺和體系,研制了單項任務(wù)訓(xùn)練器和模擬“神舟”飛船飛行全過程的固定基全任務(wù)飛行訓(xùn)練模擬器,為“神舟”5號、6號任務(wù)航天員訓(xùn)練提供了十分重要的設(shè)備保障。

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)體系方法載人航天是一項巨大復(fù)雜的系統(tǒng)工程,航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的核心目標是確保航天員飛行中的安全、健康和高效工作。圍繞這一目標,在載人航天的實踐過程中,建立、發(fā)展了學(xué)科特色鮮明的航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)體系方法。

應(yīng)用系統(tǒng)工程理論,將載人航天系統(tǒng)的可靠性、安全性、可維修性與人的因素有機結(jié)合,以滿足全系統(tǒng)的進度、功能、接口等要求為目標,進行系統(tǒng)頂層設(shè)計,形成了航天醫(yī)學(xué)工程總體技術(shù)理論,成為指導(dǎo)任務(wù)完成的重要總體技術(shù)基礎(chǔ)。

人是載人航天的核心,以人為本的設(shè)計理念是航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的突出特點,一切從航天員的安全、健康和高效工作出發(fā),形成了獨特的醫(yī)工結(jié)合體系方法。航天醫(yī)學(xué)需求和目標是開展任務(wù)研究與研制的基礎(chǔ),工程技術(shù)是保障目標實現(xiàn)的途徑和手段。凸顯醫(yī)學(xué)與工程結(jié)合性,以滿足人的醫(yī)學(xué)需求為工程研制目標的醫(yī)工結(jié)合體系方法,在解決載人航天的理論實踐問題中發(fā)揮了重要作用。

創(chuàng)新性提出醫(yī)學(xué)項目工程化的管理方法并成功應(yīng)用于60 d人體臥床實驗。針對涉及人體的航天醫(yī)學(xué)實驗具有周期長、影響因素復(fù)雜、測試項目多、相互干擾大、參試人員多等特點,運用系統(tǒng)工程設(shè)計思想,借鑒工程化管理經(jīng)驗和方法進行項目策劃、組織、實施,提出大型綜合醫(yī)學(xué)實驗中數(shù)據(jù)管理與分析共享、實驗過程控制要素、醫(yī)學(xué)異?，F(xiàn)象跟蹤處理方法是工程化控制重點的理念。

航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)發(fā)展展望

國際空間站、重返月球和載人火星登陸已成為國際載人航天的發(fā)展路線圖的明確站標。根據(jù)我國“載人航天三步走計劃”我國的載人航天活動也將實現(xiàn)4個過渡,即由短期飛行過渡到中長期飛行,由艙內(nèi)活動過渡到艙外活動,由近地軌道過渡到深空探測,由地基模擬研究過渡到空間在軌研究。這一切都對航天醫(yī)學(xué)工程提出了新任務(wù)和新挑戰(zhàn),圍繞保證航天員安全、健康和高效工作,航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的理論研究和工程研制重點也將有所轉(zhuǎn)移。

航天員選拔與訓(xùn)練的主要任務(wù)是針對不同的任務(wù)目標研究預(yù)備航天員選拔策略,乘組搭配及乘組整體效能;制定飛行工程師、載荷專家及女航天員的選拔方法和標準,建立航天員交會對接、空間站選拔訓(xùn)練技術(shù)和長期飛行中航天員乘組訓(xùn)練選拔要求。

提高航天員健康管理水平、發(fā)展空間急救、(超)遠程醫(yī)學(xué)診療等在軌飛行疾病診斷與處置技術(shù),充分發(fā)揮祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)優(yōu)勢,建立具有中國特色的航天醫(yī)學(xué)體系是航天實施醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向。建立發(fā)展基于可穿戴技術(shù)、生理數(shù)據(jù)壓縮及圖像壓縮技術(shù)的航天員健康監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測平臺,突破長期飛行中航天員健康的全面實時監(jiān)測,對于保障航天員安全、健康飛行具有舉足輕重的作用。

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的發(fā)展水平制約著長期載人航天器的發(fā)展速度。發(fā)展建設(shè)空間站的核心之一是突破物理化學(xué)再生式環(huán)控生保技術(shù);第3代環(huán)控生保技術(shù)——受控生態(tài)生物生保系統(tǒng)技術(shù)則是人類進軍深空之前必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。特別是電解水制氧裝置、CO2凈化處理裝置、廢水處理等理論與技術(shù)的突破,將實現(xiàn)通過氧氣再生,水再生,食物再生供應(yīng)和廢物回收利用確保在漫長的空間探索旅程中的自給自足。

掌握登月服技術(shù)是繼艙外航天服之后又一個技術(shù)高峰,是登月與月面活動不可缺少的生保系統(tǒng)。需要在適應(yīng)月球0.16 g重力、月面灰塵污染、晝夜溫差大等環(huán)境下滿足使用要求,具有保護航天員免受微流星損害和紫外線輻射的功能;可活動性、靈活性、工效性能要求更高,能滿足航天員在月面科考和實驗等任務(wù)要求;工作時間、使用壽命、安全可靠性、可維修性要求更高;可在月基維修、更換。

空間骨丟失、輻射效應(yīng)、免疫功能下降等航天醫(yī)學(xué)問題是影響人類長期在軌飛行的重要制約因素。針對骨形成、骨細胞重力效應(yīng)、輻射生物計量及其效應(yīng)等醫(yī)學(xué)問題的研究將是航天醫(yī)學(xué)研究的重點方向。堅持“由研及用”的原則,基于對空間環(huán)境導(dǎo)致的基因、細胞、組織、器官及其功能變化機理的本質(zhì)認識的不斷深入,必將獲得針對性強的有效對抗防護措施的新突破,為長期飛行和深空探索中航天員的健康飛行提供堅實的技術(shù)支撐。

新近空間生命科學(xué)研究結(jié)果表明,力學(xué)因素參與細胞分化發(fā)育?！坝钪妗?129號生物衛(wèi)星飛行18.5 d后,骨質(zhì)中未分化的成骨細胞祖母細胞數(shù)量增加,表明失重影響成骨細胞的分化進程。分化過程受空間微重力影響的細胞還包括軟骨細胞、骨細胞和造血祖細胞,提示重力因素在生命個體的發(fā)生發(fā)展中的作用不容忽視。因此空間環(huán)境為生命科學(xué)研究提供了獨特的實驗平臺,為認識生命現(xiàn)象的本質(zhì)提供了不同的視角,對于豐富生命科學(xué)理論具有積極的促進作用。

隨著人類活動的空間疆域不斷拓展,與地球迥然不同的太空環(huán)境的運行節(jié)律對生命系統(tǒng)影響不容忽視,與航天醫(yī)學(xué)工程密切相關(guān)的新學(xué)科——空間時間生物學(xué),由于其在揭示環(huán)境因素引起的生命系統(tǒng)內(nèi)部生物節(jié)律的變化、功能與行為的變化中的獨特作用,也將在指導(dǎo)飛行任務(wù)周期的設(shè)計選擇,提高航天員健康保障的有效性和科學(xué)設(shè)計航天員活動安排中發(fā)揮愈來愈重要的作用。

結(jié)束語

長期載人飛行和載人登月已成為21世紀世界載人航天發(fā)展的熱點,也必將是我國載人航天發(fā)展的重要目標。毋庸置疑,航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)在后續(xù)載人航天任務(wù)實施中必然得到進一步應(yīng)用、豐富和發(fā)展,同時航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的發(fā)展也將進一步促進載人航天工程未來型號任務(wù)的完成和載人航天技術(shù)的發(fā)展。