醫學超聲在空間站的應用及展望

馮金升 ，鄭永平

1.香港理工大學 醫療科技及資訊學系，香港；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094

人類載人航天活動已進行50年，截止至2010年底，累計1200余人次進入了太空，并完成了一系列的空間探索，取得了重要成果，為人類進一步研究浩瀚宇宙打下了基礎。自載人航天活動以來，研究人員不僅在地面進行了一系列的模擬實驗以探討航天飛行中人體變化機制和干預措施，而且利用空間飛行的真實環境開展了相應的人體研究[1]。目前，在飛行中進行人體研究方面，超聲是唯一在空間站上能提供人體影像數據的技術，并已經被用于開展飛行中人體生理機能變化的研究，且成績斐然，凸顯其在空間飛行中的應用價值。本文回顧了在空間站上應用超聲所取得的研究成果，介紹了目前國際空間站（The International Space Station，ISS）超聲應用狀況，并結合肌肉骨骼超聲技術發展趨勢，展望未來超聲在空間飛行的應用。

1 ISS之前超聲應用研究成果

盡管醫學超聲已經在空間飛行任務中應用了30余年，但與地面大量不同的超聲研究項目相比，太空超聲應用研究的成果非常少。能夠造成此結果，一方面受飛行次數的限制，另一方面每次飛行人數不多。鑒于航天飛行過程中人體的心血管變化是最先出現的生理反應，且會對人體其他生理系統造成一定的影響，因而航天飛行對人體心血管的影響研究成為重點探索課題，故在ISS之前的超聲研究多以人體心血管系統為主[2]。Nicogossian等[3]的心臟超聲研究結果顯示，進入太空初始階段，由于體液頭向分布，所以心室較飛行前輕微增大。在長期飛行中多項心臟超聲研究報道[4-6]，在飛行中當宇航員的血容量達到一個新的平衡點時，心室較飛行前變小。在血管超聲方面研究結果表明[7]，飛行中大腦的血流保持相對穩定，股動脈的血流發生改變，血流阻抗下降。有研究報道[8]，頸靜脈和股靜脈血管的截面積在飛行過程中均增加；在心臟收縮和舒張時，頸靜脈血管的截面積降低差異明顯，表明在飛行中靜脈的張力下降；在應用超聲評價血管阻抗方面，在飛行中外周血管的阻抗降低，大腦中動脈、腎和頸動脈的阻抗也降低。在對肝臟血管超聲研究后，結果顯示[8]，在飛行的前期，肝臟靜脈血流和返回血流均增加，最終調整回到飛行前水平。Martin等[9]研究報道，在長于100d的飛行中，4名航天員的心臟射血分數均下降。總之，飛行中超聲研究結果表明[5]，短期（<18d）飛行后心臟功能沒有明顯改變。相對于短期飛行，執行長期飛行任務的宇航員心功能改變與飛行時間及飛行中的鍛煉有關[10]。應用多普勒超聲評價下體負壓或立位狀態下宇航員飛行前、中、后的立位耐受水平，結果顯示，在飛行中和飛行后，下肢血管收縮功能下降，大腦與股動脈血流比值也減低，這些變化與飛行后立位耐力下降有關[7,11]。超聲除了用于飛行中心血管研究外，也應用在其他方面，如在飛行中2名宇航員使用超聲測得腰椎L1～L5距離較飛行前增加超過7mm；2名宇航員使用超聲掃描膀胱顯示，飛行中膀胱容積增大，這可能與自主(神經)功能異常有關[12]。

2 ISS超聲應用的概況

2.1 ISS超聲的技術要求

ISS是由16個國家協作的、在地球低軌道共同使用一個微重力環境從事科學研究的空間試驗平臺。其擁有從事人體研究設施，即一套研究生物醫學的儀器，供研究人員（航天員）研究空間飛行對人體生理、人體健康和行為的影響，以制定相應的對抗措施。以前，ISS超聲儀器設計為針對性應用，受到體積的限制，不能像在地面那樣得到廣泛應用，而目前ISS的超聲系統已經多次升級換代，能滿足大部分應用需求。作為人體研究設施的超聲系統技術必須包括多項診斷和評價功能，能對心臟、腹部、血管、骨骼肌肉、盆腔、腦、眼等臟器和部位進行診斷和評價。這套系統擁有地面醫用超聲所具有的大部分功能[2]，且ISS的超聲使用了比以前更好的定位方法。除人體研究設施系統的特殊要求外，遠程診斷、軟件修復和升級能力也整合在一起。因為在空間飛行期間系統不能享受維修服務，所以必要時只能用備份替換。這套先進的超聲系統為ALT/Philips HDI-5000，于2001年6月安裝在ISS，見圖1。

2.2 ISS超聲應用

從前期的超聲應用研究來看，航天飛行中超聲的研究領域主要集中在人體心血管系統。科研人員在原有研究的基礎上，應用現代超聲繼續開展在人體心血管方面的研究。在ISS上，6名宇航員應用超聲每月檢測在飛行中心血管的臨床超聲參數，結合地面數據，分析飛行前、中、后心臟超聲參數變化，結果顯示[13]，從臨床意義來看，長期航天飛行的航天員心臟的超聲參數變化不一致。除了應用超聲進行人體研究外，超聲在ISS上的應用范圍逐漸得到拓展。在對航天員培訓、軟件改進及超聲掃描部位確認后，ISS又進行了一系列的超聲應用試驗研究[14]。2002年，ISS的NASA第5科學考察組組長Peggy A.Whitson在飛行控制中心的指導下，成功應用超聲診斷檢查了自己的腹部、胸部、表淺組織和血管系統，尤其是在經過簡要的提示后，其還獲取一套完整的甲狀腺超聲圖像[15-16]。2003年，NASA開發了微重力下高級超聲診斷系統，包含一套快速的超聲操作訓練方案，使用該訓練方案培訓國際空間站科學考察8～11組的航天員進行心血管和胸廓的超聲檢查。其中，科學考察8組航天員Michael C. Foale實施了心血管和胸廓的超聲診斷檢查以排除這些部位發生疾病的可能性[14]；第9組航天員Michael E.Fincke 和Gennady I.Padalka在經過2h培訓后，除進行心血管和胸廓的超聲診斷檢測外，還成功地實施了航天員肌肉骨骼方面的超聲檢查，首次檢查了肩關節、臏腱等[17]；第10組航天員Leroy Chiao 和 Salizhan S.Sharipov 進一步擴大超聲的應用范圍，在飛行中應用超聲進行口腔及鼻竇感染、眼睛外傷的診斷試驗，同時，應用超聲瞳孔測量技術檢測了瞳孔對光反射，并獲取了相應的數據[14]；第11組航天員John L.Phillips首次在沒有指導情況下實施了整體心臟超聲檢查，結果顯示，可以自主獲得高質量的心臟超聲可視圖像[14]。ISS醫療主管航天員在休斯敦控制中心的指導下，獲取了人體腎臟、膀胱及輸尿管的超聲圖像，并將圖像傳回地面，這些高質量的實時和靜態超聲圖像作為診斷泌尿系疾病（損傷）的依據，表明微重力狀態下的超聲能提供腹膜后和骨盆結構的診斷超聲圖像，進而提高在軌飛行意外疾病的診斷和治療能力[15]。

圖1 在ISS上使用的經改裝的ALT/Philips HDI-5000超聲系統

意外傷害即使在最健康的人群中也可能發生，而在太空飛行中這是也一個不可回避的問題。在遠離地球的空間飛行，NASA專家把在飛行中的外傷和急診醫學問題提高到最高危險級別。Kirkpatrick等[18]在回顧了航天飛行中嚴重威脅健康的傷害后，提出在長期航天飛行中，考慮到存在傷害風險和遠離地球的因素，在飛行器內應配備訓練有素的醫生或具備外科診斷能力的人員，并應用現代最先進技術以維護航天員的生命。為此，ISS加強了外傷和急診處置能力的提升。超聲儀器作為唯一的在軌醫學影像設備，利用其開展外傷和急診的應用研究勢在必行。外傷的超聲重點評價技術超聲聚焦創傷評估（The Focused Assessment with Sonography for Trauma，FAST）是一種快速檢測人體受傷后體內幾個重要部位液體（主要為血液）積聚的超聲技術，其常常在急診醫學中應用[19-20]；NASA的影像專家認為，航天員在遇到鈍挫傷或外傷時，應該會應用FAST技術快速診斷。首次在地面模擬0重力環境下，Kirkpatrick AW等[21]完成了對外傷的超聲重點評價技術FAST試驗研究后，認為在失重的狀態下實施這項技術是可行的，具有可操作性。隨后，在ISS上，航天員開展了這項超聲技術的試驗以評價其操作這項技術的應用能力。結果顯示，ISS上應用FAST技術的敏感性和特異性與前面的試驗有一致性，證實在飛行中應用超聲快速重點診斷和評價外傷是可行的和合理的[22]。在ISS上，面部和眼部的外傷具有較高的風險，航天員需要合適的技術來評價眼部損傷的形態，超聲的應用責無旁貸。2005年，ISS宇航員在地面控制中心的影像專家指導下，獲取了眼球矢狀、橫切及冠狀位的超聲圖像，同時，應用B超結合M超觀察瞳孔直徑的變化以檢測瞳孔反應時間，為評價大腦和中樞神經系統損傷提供了依據[23]。在ISS的組建和在軌維護期間，航天員出艙活動比較頻繁，這大大增加了肌肉骨骼受傷的可能性，需要對受傷的肌肉肌肉骨骼進行超聲診斷和評價[24-25]。2005年，ISS第9考察組指令長Gennady I.Padalka應用超聲對航天員Michael E.Fincke的肩袖完整性進行評價，獲取了肱二頭肌腱、喙肩韌帶、喙肱關節面的橫切和縱軸超聲圖像，將圖像實時傳回約翰遜航天中心，由NASA影像專家閱讀分析，這證實超聲可以對出艙后肩部不適的航天員進行診斷和評價，進而可以用超聲來診斷和評價微重力引起的肌肉骨骼變化[17,26]。

3 超聲在太空應用展望

隨著科技的進步，超聲技術的發展也日新月異，新的超聲技術層出不窮[27]，如超聲檢測人體肌肉的動態功能特性[28]，超聲測量人體肌肉的彈性[29]，以及肌肉骨骼組織的三維立體超聲技術[30]等。如何將先進的超聲技術逐步應用到航天醫學領域，提升太空飛行醫療保障能力和航天醫學科研水平，是一個值得探索的課題。從上述ISS超聲的應用來看，在ISS早期，超聲主要用于飛行中人體心血管的實驗研究和探索，而在其他方面應用不多。目前，ISS逐漸擴展超聲的應用范圍，注重提升其應用診斷和評價能力，以滿足ISS上的醫療保障需求。

在長期飛行過程中，由于受到微重力的影響，所以人體各個生理系統出現不同程度的變化，其中，人體的運動系統變化最為明顯，主要表現為抗重力肌肉萎縮導致運動功能減低及人體承重骨骨丟失[24]。在航天飛行中，這些變化可以引起航天員工作效率的降低，同時也可發生不適癥狀或出現疾病。如在航天飛行中，航天員腰背痛就是常見的不適癥狀之一，這已經引起了航天醫學研究人員的關注，并進行了初步的探討[31-32]。針對航天飛行人體運動系統變化的研究多以地面研究為主，鮮見飛行中相應的研究報道，一方面是由于受到飛行環境的限制，另一方面是因為ISS缺少用于人體運動系統研究的設備，如MRI、CT等。超聲已成功地在ISS上應用30余年，且是唯一能提供醫學影像的設備，如果能適當地進行改進或增加功能模塊，完全可以充分利用超聲開展人體肌肉骨骼系統的探索。ISS已經進行了這方面的嘗試。在地面上，定量超聲已經應用于肌肉和骨骼的評價。定量超聲可以在3方面對肌肉進行評價[33]。

（1）利用二維超聲圖像提取的結構參數來反應肌肉功能狀態，這方面應用最多的是應用超聲定量測量人體動、靜態的肌肉橫斷面積或厚度來反應肌肉的功能[34-35]。

（2）超聲和人體運動分析系統的結合，進一步分析人體運動中肌肉、肌腱與關節的生物力學特性，增加了超聲評價肌肉功能的新途徑[36-37]。

（3）通過超聲檢測肌肉硬度來評價肌肉的功能。因為肌肉的硬度與非疲勞狀態下肌肉的收縮強度呈線性相關[38]。

在對骨骼的評價方面，超聲骨密度檢測儀已經在臨床和科研上應用多年。在對骨骼整體評價上，三維超聲可以實現骨骼整體形態的評價[39]。目前，這些新的超聲技術日趨成熟，已經應用于康復醫學、運動醫學及科研等領域。超聲儀器具有體積小、質量輕、功耗低、無輻射等優點，這是MRI、CT不可比擬的，其已經成功地在空間站上應用，并取得豐富的成果。如果將這些先進的超聲技術引進，逐步應用于航天飛行，這將有助于提高ISS的醫療保障能力，同時，促進ISS人體研究水平的提升，推動航天醫學的向前發展。相信這些新的超聲技術總有一天會應用到ISS，從而進一步提升航天員的醫學監督與醫學保障技術水平。

志謝

作者感謝香港理工大學（J-BB69）基金對本研究的資助。

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