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国际空间站上的人体研究设备架(图)

发布日期:2004年06月23日字体: 【大】【中】【小】

航天医学研究的结果表明,太空飞行中影响航天员健康最主要的因素是失重和辐射。经过40多年的研究,证明失重可以影响航天员所有的生理系统,使它们出现紊乱。例如,航天员在飞行中或飞行后出现了空间运动病、航天贫血症、心血管功能失调、免疫功能下降、骨质疏松、肌肉萎缩等。

  这些研究结果主要是通过观察航天员飞行前后生理改变得出的,也进行了飞行中的一些医学实验和检查。但是,由于条件的限制,飞行中医学设备少,导致研究的范围很窄,主要是对心血管系统和前庭系统进行了较多的研究,对其它生理系统研究较少。又因为在太空中没有统一的检测设备,常常是参加国各自为政,用自己研制的设备进行检查,使得出的结果不能进行综合分析。所以,尽管到现在为止,已经进行了40多年的航天医学研究,花费了大量的人力和物力,但还没有找出失重飞行中航天员生理系统变化的确切规律,对引起这些变化原因更不清楚。如果这个问题不解决,就会影响今后的载人航天任务。

  21世纪,人类吹响了向火星和其它星球进军的号角,航天员在太空停留的时间会更长,辐射对人体的影响会更大。长期失重加上宇宙辐射的共同作用会不会影响到航天员的健康,甚至生命呢?会不会诱发太空探险者的潜在性疾病,甚至癌症呢?经过长期太空飞行旅途到达另一个星球时,航天员还能够正常工作吗?如果这些医学问题不解决,是无法进行星际探险的。

  国际空间站是航天史上第一个由各国合作建设的载人空间站,共有16个参加国。装配完成后的国际空间站大致相当于两个足球场大小,具备多个实验舱,它停留在太空的时间约15年左右。因此,国际空间站是进行航天医学研究最理想的地方。为了更好更快地进行医学研究,必须有一套先进、多功能、统一型号的实验设备。

  为此,美国宇航局(NASA)提出了研制太空人体研究设备架的任务。此设备的研制始于1996年,主要负责人是德克萨斯州休斯顿约翰逊空间中心的丹尼斯·格朗博士,一些非NASA的研究者和医学家参与研制。他们根据今后太空研究的需要,帮助NASA设计了这个实验架及其硬件。它是第一次以实验架的形式安装在国际空间站上的。

    人体研究设备(HRF)是一个提供服务的搁物架,可以在那里进行实验和安装实验仪器。它由电源、指令和数据处理系统、冷却的空气和水,加压的气体和真空吸尘器等组成。已经研制了两个HRF,并送到国际空间站上,安装在美国的实验室中。图1是HRF的外形。


     图1研究微重力对人体生理系统影响的人体研究设备架(HRF)

  人体研究设备架上有一个供航天员使用和进行实验的计算机工作台和便携式电脑,它可以收集和储存实验数据,发送和接收来自地球科学家的信息,提供储存系列软件和进行生命科学研究。从国际空间站的第2考察组开始,空间站的航天员将使用计算机处理辐射环境实验的数据,进行医学实验和心理学实验。

  安装在这个实验架上的还有为了进行生理性代谢实验的气体分析系统(GASMAP系统)(图2)和进行生命科学研究的超声成像装置(图3)。它们是诊断性的研究工具,可用于今后进行各种人体研究,GASMAP可以评价航天员的需氧能力,测量人的代谢、心输出量、肺气体扩散能力、肺活量、肺功能和氮的排出。

  图2  安放在人体研究实验架上的GASMAP 气体分析器

  GASMAP由两部分硬件组成,分析模块和标定模块。分析模块是由测量和分析空间站航天员吸入和排出气流的传感器和电子器件组成。标定模块为分析模块提供了高压的标定气体。标定气体储存在3个圆筒内。

  圆筒1含有20%氧,80%氮;圆筒2含有15%二氧化碳,1%氩,84%氧;圆筒3含有10% 氮,10%氩,10%氦,5%二氧化碳,0.7%乙炔,2% 六氟化硫,0.3%一氧化碳,52%氧。

  如果这些气体泄漏到座舱中,也不会引起危险。在进行气体分析时,一个随机存取的质谱仪可以使标定模块中的混合气进入分析模块进行气体分析。

  太空飞行期间,需要定期维护GASMAP,方法是每隔30天,航天员启动GASMAP的硬件,对仪器的状态进行检测。太空飞行期间,每90天进行一次航天员生理功能的检查。实验时,为了防止被检者之间的交叉传染,每名受检者都有自己的接嘴和唾液过滤器,下一次实验时再换一个新的。分析模块中的导管过滤器也是可以撤换的。

  图3是进行医学实验的超声成像系统,它可以提供心脏和其它器官、肌肉和血管的三维影像放大。它有很高的分辨率,在诊断和研究中有广泛的应用价值。超声成像系统的维护较容易,只是在必要时航天员用真空吸尘器吸出入口空气过滤筛上的脏物就可以了。安装在人体研究设备架上的其它设备还有样品收藏包,一个持续的血液加压装置、一个固定脚的装置和一个下体负压装置。

  图3. 安装在人体研究架上的超声设备

  在天空实验室、航天飞机和俄罗斯的空间站上也有一些进行人体实验的装置。在国际空间站上的实验装置与以上不同之处是它提供了进行多种研究的标准化实验装置,减少了空间站中的实验装置。标准化实验装置得出的实验结果更可靠,也可以将不同组航天员得出的数据进行统一分析,这将有利于揭示航天中人体生理系统变化的规律。

  人体研究设备的硬件可以标准化、系统地收集空间站航天员生理数据,它所得到的研究结果可以评价航天员的健康状态。包括人体在内的科学研究是国际空间站飞行的主要目的之一。应用人体研究设备系统可以很好地研究飞行中航天员的健康状态和功能,例如可以用这个设备及其硬件研究肾结石的危险性、骨密度的下降和电离辐射的作用等。

  太空中的人体研究可以促进我们进一步了解有关生命、健康和疾病,并促进防护措施的研究,保证航天员的安全和健康。人体研究装置使国际空间站从第二考察组开始就可以在太空中进行各种生命科学的研究。(必威登录平台网特约撰稿/沈羡云)

本文编辑:李迁

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