“國際空間站”航天員健康維護系統的發展

趙東明　 王永生 （中國航天員科研訓練中心）

“國際空間站”航天員健康維護系統的發展

趙東明 王永生 （中國航天員科研訓練中心）

1　 長期航天飛行中失重不良作用的預防

“國際空間站”俄羅斯艙段航天員健康維護系統是基于禮炮號和和平號空間站考察乘組長期飛行所取得的經驗而建立起來的，它包括：

1）體能訓練，這是預防系統的主要組成部分，通過訓練保障必要的骨骼肌肉和心血管系統負荷，促進體能和運動功能的維護。

2）被動式體能訓練裝備，它包括軸向加載的負荷服，高頻和低頻電子刺激器。

3）在失重中和超重作用情況下用于恢復與地面接近的體液分配設備：下體負壓裝備、抗超重裝置、手鐲式套帶（一種醫療用夾具，使局部血流減少）。

4）水鹽補充，它有助于液體在體內滯留，以此提高下降段直立穩定性和超重的耐受性。

5）調整前庭、心血管等對失重作用不良反應的藥物。

在訓練小周期框架內體能訓練結構的總體特性

在飛行中體能訓練每天進行2次，共計2.5h，訓練器包括跑步機、功率自行車、阻力訓練器。在俄羅斯預防系統中主要是運動訓練，4天為1個小周期。

1個小周期包括3天的負荷訓練日和1天的主動休息日。1個周期內在跑步機上每天的運動負荷程度為3000～4500m，負荷能量每日為380～580kcal。

在體能訓練計劃的組織中堅持訓練過程通用性的原則，也就考慮了整個飛行期間體能訓練的系統性；堅持體能訓練的多樣性和優先性，旨在維護基本的身體素質和預防機體主要器官發生功能性和結構性變化；在體能訓練綜合系統中堅持進行軸向靜態練習（訓練負荷服）、動態練習（走步、跑步、跳躍、力量訓練）及慣性沖擊練習。太空飛行中體能訓練重要的特點是，訓練強度大、具有間隔性和明確的方向性。

1個小周期的第一天訓練包括，走步和速度為5～6km/h的慢跑，與此同時間隔進行速度為12～14km/h的快跑，時間為1min，這種訓練有利于保持骨骼肌肉和心血管厭氧機制的速度力量特性。在第一天訓練時，心率平均為140～160次/分鐘，高峰時達到180次/分鐘以上。訓練結構是按照間隔訓練的原則構建。

周期內的第二天訓練主要是為保持力量耐力。這一天，50%以上的訓練是在跑步機傳送帶被動運動狀態下完成，也就是利用航天員腿部力量來移動傳送帶。這一天的運動量適中，運動強度適中或高于平均水平。

第三天的運動結構基礎是速度為13km/h的跑步，間隔時間相對較長（4～6min），這有利于組織內耗氧指標的穩定，并有利于增加供血量（乏氧狀態）。

在周期內的第四天，航天員進行選擇性訓練或完全休息。在此期間，在功率自行車上的訓練按照相同的模式進行。

在俄羅斯空間站上，早期每個月對訓練周期3天的訓練參數進行記錄，并將數據傳向地面，基于此數據對跑步機和功率自行車的訓練過程進行控制。

MO-3階梯運動測試示意圖

注：圖中左垂直軸表示跑道流動強度；右垂直軸表示跑步速度（km/h）；橫坐標軸表示訓練時間。

根據所獲取的信息做出關于乘組訓練水平的結論，并根據這些結論提出調整訓練的建議。專家們根據需要與乘員進行的私人談話在訓練過程管理中具有重要的作用。

為了確定乘組的工作能力和訓練效率，過去和現在都在使用每月一次的試驗數據，該試驗的特點是逐級增加運動負荷和功率自行車測量的負荷。運動性試驗為MO-3試驗，是在跑道傳送帶被動運動狀態下進行的，軸線負荷不低于體重的60%，其中包括3min準備活動（走步）、2min慢跑、2min中速跑、1min最快速跑和3min放松性走步。總的運動時間為11min，能量消耗為100 kcal。該測試的突出特點是，3級運動負荷中，運動的次序和每項運動的時間是標準化的，在每個級別的運動中航天員任意選擇運動強度。

乘員選擇的運動速度是補充的，當然也是更好的運動強度信息指數，能更好地反映出航天員的運動量和心率。

3級功率自行車測試的負荷為125Wt、150Wt和175Wt，且每級運動時間都是標準化的，為3min，這在最大程度上符合次最大體能負荷的運動量（是最大負荷的75%）。測試時總的運動時間為9min。在每個級別的運動中實時記錄心電圖，按照科羅特科夫方法分別記錄收縮期血管內徑（DS）和動脈血壓，這保障了運動的安全性。

在出艙活動前航天員穿著俄羅斯航天服進行功率自行車的測試，用手臂“反向”登踏板，運動功率為150Wt。記錄的指標是：運動時間（直到拒絕運動為止），運動時每分鐘末及3min恢復期時的心率。

為減輕由于血液頭向分布而產生的不良影響，運用了下體負壓的方法。使用整套的“氣比斯”服完成下體負壓程序，服內負壓達（60+5）mmHg。

專家們認為，在俄羅斯空間站上下體負壓的方法有利于直立位的穩定性，在整個飛行期間每個月完成一次下體負壓程序，在小周期的第4天進行。

除使用下體負壓方法以外，飛行初期為消除頭部充血而帶來的不適感，航天員們使用了套帶，以此來保障血液駐留在腿部。

對飛行條件下和模擬實驗中水鹽代謝和激素狀態的研究，為預防系統的發展做出了巨大的貢獻，這有利于開發出飛行初期階段對機體水合作用程度控制的方法，以及飛行最后階段對水鹽代謝和血液動力學作用程度的控制方法。

飛行初期階段人的機體伴有一系列的變化，如頸靜脈壓力增高，出現顱腦管靜脈瘀血等。其中包括中央靜脈壓增高，腎素、血管緊張素、醛固酮系統激素分泌降低，而血漿中抗利尿激素有所增加。利尿因素的增加（多尿），并且排除了滲透性的活性物，這導致了機體水合程度的降低。

為了預防在失重中駐留而引起的變化，如循環血液量下降及體內液體含量減少等，在返回前的飛行最后階段航天員服用水鹽補充劑，這提高了航天員飛后初期的立位耐力，并增加負重耐力，服用水鹽補充劑（液體和氯化鈉）也促進了機體水合作用的程度。這種水鹽調整的效果在地面模擬和以后的各類飛行中多次得到了驗證。

服用氯化鈉和液體的時間及劑量，取決于飛行條件、著陸時間及包括每個乘員身體狀態的個體指標。飛行后服用水鹽補充劑后表現出了更加穩定的血液動力學狀態，比飛行后不服用水鹽補充劑更能表現出液體、鈉和滲透活性物的儲留現象。完成多次飛行的乘員，服用水鹽補充劑后，相比不使用水鹽補充劑的乘員，自我感覺更好且超重耐力增強。

由于飛行階段及飛行任務的不同，預防措施和方法是有很大區別的。

在飛行初期（1～10天）航天員熟悉體能訓練的技術，訓練時負荷為正常的50%。必要時在該階段使用套帶，以及使用消除腦血管靜脈充血癥狀和空間運動病的藥物制劑。

在飛行的第二階段，體能訓練的特點是保持狀態的穩定，在“國際空間站”上每天訓練2次，總的訓練時間為2.5h，訓練項目為跑步機、功率自行車、拉力器或力量訓練；根據個人意愿或在必要時使用選擇性的被動訓練設備。在進行出艙活動前，在功率自行車上進行手臂負荷的主動訓練。

著陸前30天的飛行最后階段，在提高著陸階段的超重耐力和隨后順利適應地球重力方面具有決定性的作用，在該階段體能訓練內容包括高強度的跑步機訓練，每日2次，在這種情況下一個小循環周期4天內有2天（第1天和第4天）的訓練是按第1天規定的內容進行。在飛行結束前10天，進行下體負壓訓練，2次預訓練，2次最后的訓練。

在最后的12～20h，服用水鹽補充劑（0.9% NaCl），每公斤體重服用18～20mL。在返回階段及適應期前幾天穿著抗超重服，采用最大擠壓制度。

基于廣泛的飛行后機體主要系統臨床生理診查數據，確定出飛行中俄羅斯艙段航天員健康規定。

飛行前后“國際空間站”俄羅斯乘員感覺運動臨床生理研究清單

2　 “國際空間站”俄羅斯健康維護系統的發展

“國際空間站”所有俄羅斯乘員均以上述系統作為基本預防系統來使用。但是，空間站上生活和工作條件，以及訓練基礎狀況均出現了變化，預防系統的具體措施也進行了較大修改。

“國際空間站”飛行的一個重要特點是考察乘組的國際化，乘組成員使用兩類不同的預防系統。一個是俄羅斯預防系統，其關鍵的訓練措施是跑步機上高強度變速（間隔）運動，另一個是美國的預防系統，特點是以阻力訓練為主，運動訓練僅作為一種補充，且在相應的需氧狀態下進行（慢步跑）。

第二個特點是“國際空間站”多數乘員首次進行太空飛行，所以了解俄羅斯預防系統原理的“老航天員”相對較少。結果是在“國際空間站”考察前幾年，俄羅斯航天員在訓練中采用的方式與所建議的方式存在很大的偏差，訓練制度也有很大的改變。

此時，一個最常出現的偏差主要是使用一次訓練制度，雖然與之相比兩次訓練制度效率更高，這在俄羅斯早期空間站運行中已經被證實。

另一個比較常見的偏差是，在“國際空間站”考察的第一階段，乘員比較喜歡需氧方向的訓練，以此代替了俄羅斯系統推薦的高強度變速（間隔）運動訓練，訓練方式與美國航天員接近，運動訓練沒有負重功能。

慢步跑運動主要是訓練需氧耐受性，特點是低強度，低能量，在“國際空間站”飛行中相應的預防效果較差，這種訓練方式與所推薦的高強度變速運動方式是相排斥的，兩者只能選其一。在“國際空間站”第一階段飛行中，需氧運動方式成為了主要的運動方式，原因是這種運動做起來相對容易，而且運動時可以看電影或聽音樂，使單調的跑步變得有趣，沒有長期太空飛行經驗的俄羅斯航天員比較喜歡這種運動方式。

航天員們在跑步機跑道移動方式的使用方面也有很大的差別，跑道移動方式分為被動式（無電狀態）和主動式（依靠發動機主動移動），根據艙載文件的建議，25%～30%的訓練應當是用被動方式進行，因為在這種制度下阻力更大，使用這種方式能產生更大的負重效果。

航天員們雖然在地面進行過系統的力量訓練，并且經常以這種方式作為主要預防手段，但最終他們還是選擇了美國的力量訓練器。

與此同時，所有航天員每周無條件地完成了運動訓練，有為數不多的幾次漏訓，通常情況下是因為工作任務過重而影響了訓練，還有一個特殊的原因，就是在飛行初期“國際空間站”一個主訓練器的功能經常出現異常，這個訓練器就是美國帶有減震系統的TVIS跑步機。這臺跑步機的跑道支承不穩定，這為適應跑步機增加了困難，在訓練時也增加了體能消耗。與所有沒經過充分地面試驗的新設備一樣，在前幾次飛行中這臺TVIS跑步機沒能穩定地保障完成訓練計劃。在“國際空間站”第1～6長期考察組考察期間有87天沒有使用這臺跑步機，其中有TVIS系統故障的原因（8天），也有跑步機本身的原因（79天）。

TVIS跑步機在工作中存在一些局限，其中不僅涉及訓練器的主要工作特性、跑步的速度及在進行縱軸負荷跑步時向航天員身體產生的負荷，也涉及訓練器的使用方式。

但是，盡管在使用預防設備中出現了上述偏差，俄羅斯乘員的訓練還是相當有效的。在“國際空間站”第6長期考察組采用彈道方式降落后，在偏離指定地點500km處著陸，乘員們只能在數小時內等待救援分隊，在這種情況下俄羅斯乘員能獨立撤離返回艙，并給予其他乘員必要的幫助。

隨著“國際空間站”考察任務的繼續，體能訓練也發生了變化。在考察期間的第20～34天，所有乘員每天都力爭按照所建議的方法進行訓練，采用高強度變速運動的規則（間隔式高強度運動原則），在訓練過程中交替進行運動項目。這促進了航天員飛行后工作能力的提高。

由于“國際空間站”航天員訓練形式存在多樣性，這使得能夠對一些俄羅斯系統運動規則的效率情況進行實時的實驗性檢查，這些規則是基于早期的模擬試驗而制定的。在飛行中，根據運動訓練的特點將航天員們分成兩組，每組人數大致相等。一組乘員進行高強度訓練，多次進行走步向高速跑步轉換，這就是所謂的間隔運動（變速運動）。而另一組乘員則采用能量保障的需氧機制，進行強度適中的不間斷訓練。

在確定飛行中訓練的效果時，MO-3、5測試數據表明，需氧訓練小組中的航天員生理負荷值有明顯的增加，而在間隔式訓練（變速訓練）小組中航天員工作能力與飛行前指標相比沒有區別。

對3塊小腿主要運動肌肉的運動肌電值研究中，在走步速度為90步/分鐘的情況下，也獲取了類似的訓練效果。在飛行期間進行需氧訓練的小組中，航天員的步行肌電值無論飛后第3天還是第7天都表現出了明顯的增長。而在飛行中采用跑步機間隔式訓練（變速）方式的小組，在飛后第3天運動肌電值的變化極小，在飛后第7天完全沒有變化。根據骨密度測量數據，“需氧”方式運動小組最大骨丟失區域顯示，骨丟失程度是很大的。

在另一項實驗中，將兩種訓練效果進行了比較，一種訓練是包含30%以上跑步機跑道被動運動方式的訓練，另一種訓練被動運動方式占的比重較低，占整個訓練時間的17%以下。第一種情況，在飛后進行行走時肌動反應與飛前值沒有區別；第二種情況，在著陸后第3天和第10天進行走步時肌動圖幅度有明顯的增大。

在“國際空間站”考察的第二階段，訓練過程的正常化在很大程度上取決于監測系統的完善。基于每天記錄的TVIS訓練數據，對跑步機體能訓練期間負荷值和強度進行監督，并對訓練的質量及其與所規定訓練方法的一致性進行監督，通過遙測系統將數據傳向地面。專家們對所取得的數據進行分析，確定航天員體能訓練的強度、工作量及訓練的結構，并確定出航天員訓練的水平。航天員所選擇的負荷強度、他們完成的工作量、高強度運動周期的時間及其結束后停頓的時間，能夠完全正確地反映出機體的運動能力。基于對訓練結果的分析，每星期向站上傳送一次個性化的建議，以此來對訓練過程進行調整。如果能獲取訓練中航天員心率的信息，在確定其訓練水平時就能相對容易一些。但是一些航天員在訓練中不使用心率監測器，這樣在評價運動的生理價值時準確性就稍差一些。

被動預防設備在“國際空間站”考察飛行中很少使用，除非特殊情況必須使用。

這樣，和平號空間站乘員經常使用的抗重力服企鵝-3，在“國際空間站”上使用時前提條件是必須防止航天員身高在失重中變長，身高要保持在與著陸時所使用的防護裝備相符，所以這種服裝基本上是身材不變的航天員使用。“緊張”肌電刺激器僅有一名航天員使用，由于身體狀況，他需要避免高強度訓練，并依靠肌電刺激來彌補負重的不足。

用于克服返回階段和適應期前幾天超重影響的被動裝備，“國際空間站”考察乘員充分地進行了使用。

“國際空間站”第4期考察乘組小周期跑步機訓練范例

3　 “國際空間站”健康維護設備的發展

“國際空間站”考察飛行期間充分證明了俄羅斯防護措施的正確性，與此同時“國際空間站”也成為航天員健康維護系統未來發展的重要平臺。

健康維護系統的發展首先涉及的是完善和拓展預防設備的問題。新型跑步機БД-2的研制是預防系統發展的巨大成就，其特點是與“國際空間站”伙伴國共同制定了其中的醫學技術要求，充分考慮了在使用TVIS期間所有的意見和要求，兼顧了各方面的工藝方法和研究結果。俄羅斯生物醫學問題研究所的科研人員與維也納大學體育科學研究所及維也納技術大學的專家們，共同開發出了新型的阻力訓練器，以此來保障腿部、背和手臂在偏心、同心和靜力狀態的鍛煉，同時也可將其作為功率計使用。在訓練器上可以產生250N的最大負重值。

在“國際空間站”考察期間，實際上所有的訓練設備都進行了改進。研究所的專家們開發并提供了新型的下體負壓訓練服氣比斯-M、低頻肌電刺激器刺激-01НЧ，該設備在和平號空間站進行試驗時獲得了很高的評價。對下肢肌肉進行低頻刺激具有很好的效果，這在7天“干”浸實驗和105天隔離實驗中都得到了證實。

在設計和方法上繼續進行支撐減負荷補償器的完善工作，以此來保障在自然運動狀態下對腳部支撐區域的機械刺激。在“干”浸條件下對儀器及使用制度所進行的各類改型生理實驗表明，該儀器在預防運動系統無支撐消極效果方面具有很高的效率。該儀器通過了所有的技術試驗，并準備在“國際空間站”預防-2太空實驗中使用。

軸向負荷服企鵝-3的改進型企鵝-3 CNH也通過了“國際空間站”試驗，并成為了艙載預防系統的組成部分，其特點是配備了負荷客觀記錄系統，能測量出負荷效果，記錄負荷在身體各部分（環節）分布的大小及方向上的差異。通過試驗表明，在身體前半部分大拉力負載的不對稱負荷狀態下，航天員要努力保持垂直的姿勢，在背部肌肉及大腿、小腿后表面肌肉保持恒定的負荷，這樣可以在這些部位產生出可觀的訓練效果。

中國艙內航天服

4　 航天員健康維護設備與方法的發展前景

對“國際空間站”健康維護設備和方法使用的分析，能夠幫助俄羅斯研究人員確定預防系統主要的發展方向。這首先涉及到的是優化訓練記錄的問題。體能運動訓練和阻力訓練是飛行中主要預防措施，占據了相對較多的時間，同時也相對單一、單調，并且不夠舒適。俄羅斯研究人員在及時和有針對性地對訓練過程進行調整時也遇到較大的困難，主要是缺少有效和多參數的肌肉神經及感覺系統監督設備。

時至今日，在預防系統中沒有充分考慮各飛行段人體反應機制上存在的差異。在飛行和地面試驗所進行的研究表明，在失重條件下駐留會造成感覺系統、運動系統和植物神經系統綜合性紊亂，這些紊亂在第一時間產生的速度可以證明這些系統的反射屬性。在以后的飛行階段，肌肉和骨的萎縮性變化，運動和植物神經調節系統適應性偏差的產生和固化，是產生運動性紊亂及其它紊亂的重要因素。顯然，在第一階段最大的成果應當是針對感覺和反射機制的補償和調整設備，而第二階段則是預防身體各個系統結構性變化固化的設備。目前已開發出了力量負載裝置，其使用目的是減少主動訓練的時間。

在現代自動化程度下，創建訓練系統不會有原則性困難，依靠向訓練引入動機性刺激因素，訓練時在心理上將更加輕松（游戲訓練器，能夠以競賽方式進行訓練的器材）。

通過對飛后臨床生理診查數據和模擬肌力減退實驗數據進行比較分析表明，在空間相對較大的飛船中航天員的工作運動活性更能產生預防效果。

依靠操作控制機構的力量和阻力負載，可以強化這種預防效果，這只需借助普通的裝置（彈簧、磁鎖）及更完美的裝置（液壓裝置）即可實現。在這種情況下，訓練時負載量及負載時間均可以壓縮。

解決體能訓練的另一個途徑是，進一步發展所謂的被動訓練設備，其訓練效果已在模擬條件下得到了驗證。這種設備包括：各種類型的負荷服，各種特性電子和振動刺激器，以及短半徑的離心機，這種離心機能在相對較短的間隔內強化肌肉和骨組織的負載，同時能增加前庭、本體感受和支撐傳入系統的活性。

為了加強對預防措施的實施過程、效果及耐受性的監控，需要研制大信息量自動化的訓練過程監控系統，以便對操作員在訓練過程中的狀態進行評價，同時對獲取的信息進行反饋，對自動狀態或人工操作的負載量和負荷強度進行調節。基于實施俄羅斯預防計劃所積累的豐富經驗，開發出了該系統的模型，在火星-500長期飛行試驗中對該模型進行了驗證。

“國際空間站”為新型先進技術的應用提供了可能，為月球、火星等各類考察飛行任務開發新技術提供了平臺。

DEVELOPMENT OF ISS ASTRONAUT HEALTH MAINTENANCE SYSTEM