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载人航天技术对医学发展的贡献

发布日期:2004年06月07日字体: 【大】【中】【小】

载人航天技术的发展,不仅保证了航天任务的顺利完成,而且对地球上生命科学的发展也做出了巨大的贡献。在过去的40多年中,很多在空间飞行计划中研究出的技术,已应用到临床医学及保健中去,促进了医学发展,提高了人类的健康水平。

  航天生物遥测技术的应用

  航天生物遥测是利用传感器将人的生理信号变为电信号,经放大、调制,送入发射机,经发射天线发射,由远距离接收机接收所传输的无线电波并将其还原成原始的生理信号,再进行分析处理。

  载人航天中,为了保证航天员的生命安全和健康,必须长时间地、实时地监视航天员在航天过程中的生命安全参数和医学实验数据。但是人体的各种生理信号如心电、脑电、肌电等都是微伏—毫伏级的信号,易受外界环境和人体其它信号的干扰。为了能测量、传输和处理航天员的生理信号,航天科学家们研制出一套完整的航天生物医学遥测系统。这套系统由输入设备(传感器、信号调节器、多路调制器等)、无线电多路传输系统(飞行器上的发射机、发射天线、地面站接收天线、接收机等)和输出设备(多路解调器、输出终端设备如显示器、记录仪及数据处理机等)组成。

  随着航天事业的发展,航天生物遥测系统也在不断地发展和完善。最初,在水星号载人飞船上,遥测系统输入设备体积大,只能安装在载人飞船上,后来由于输入设备小型化和模块化技术的发展,在双子星座号飞行时,生物信号遥测系统就安装在航天服内的腰带上。为了完成航天员出舱活动和到外星的探索,二次遥测技术发展了,航天员只要随身携带一个微功耗的小型生理遥测发射机就可将他们的生理信息发送到航天器上,再由航天器的遥测设备转发到地面站。美国于1983年和l988年发射的两颗跟踪和数据转发中继卫星实现了用同步卫星来沟通地面站和运行在中低轨道上的航天器的信息传输,从而大大扩展了跟踪测量的范围和数据传输时间。

  航天遥测系统的发展,推动医学生理信息遥测技术的前进,使这种技术广泛地应用于临床诊断和监护。

  诊断疾病

  在临床上,医生要制定有效的治疗方案时,首先要对病人的病因病情作出正确的诊断。但是一些疾病,例如心脏病,仅通过记录安静状态下病人的心电图很难作出正确的诊断。因为安静时心电图不能反映正常活动情况下的心功能,仅靠记录一二次心电图也很难发现心律紊乱。过去由于诊断技术的落后,白白葬送了许多心脏病患者的生命。

  随着载人航天技术的发展,航天员医监系统的生理遥测仪被直接应用到临床上。航天员随身携带的小型生物信息发射机已成为临床上常用的生理记录器——Holter,它可连续地记录人在24小时正常活动下的心电和脑电,将记录在磁带上的生理信号送入处理机,经特定程序分析,就能一目了然地了解到病人的心功能、脑功能,医生可据此对患者的病情作出正确的诊断,订出有效的治疗方案。通过多年的临床实践证明,它挽救了干百万心脏病患者的生命,同时,航天电子系统的遥控、遥测、通信和图像传输等各分系统的统一利用技术也逐渐应用到医学中,它可使处于地球上不同国家的医生接收到同一个病人的病情、医学测量结果,以便对其病情进行诊断和治疗。美苏的遥测医学空间桥就是一个很好的例子。

  1988年美国向前苏联提出共同通过卫星建立遥测医学空间桥,通过这个桥,美苏之间可以进行视、听和传真通信,将两国任何地方的患者的医学信息传输给对方,以共同商量治疗方案和进一步对其进行医学研究。另外,这个桥对一些有关公共健康的问题,例如环境卫生、传染病的扩散、自然灾害的防护等也起到了一定作用。

  1989年在前苏联的乌拉尔山地区的乌法城发生了火车事故,空间桥就将莫斯科、乌法城与美国几个大城市里的医学专家们联系起来,共同商量对伤员的处理。这次约有400名以上的内科医生和医务人员参加了会诊。

  监护
   
  临床上,需要对重症病人的病情进行监护,以便在病情发生变化时,及时进行抢救。目前,在较大的医院中都有重症监护系统,连接在重症病人身上的监测仪,时刻将病人的监测生理参数送入监护室中的接收装备上。当生理参数的变化超过正常阈限、可能危及到病人的生命时,监测仪就发出警报,值班医生和护士就可以迅速赶到,采取救护措施,以挽救病人的生命。使用了这种监护系统可使一名医务人员同时监测多名病人的病情,节约了大量的人力、物力,并能及时、准确地处理病情。这种监护系统是在航天员医监系统的基础上发展起来的。

  航天员的医监系统在技术上比临床应用的监护系统要复杂得多。航天中使用的生物环境信息系统,将飞船座舱内的各种环境参数和生物遥测仪送来的生理信息、航天员的语言信息作实时的处理,并将其与飞行前、飞行中的历史数据阈限作比较,核对有无异常,若出现异常,则发出警告信号,以便地面医监组的专家们立即作出医学处理的决定。

  遥测技术也可用于预防性的监护,例如高血压是一种潜在性的疾病,在病人不出现明显的高血压病症状时,往往忽视它,也常常不能坚持长时间的服药治疗。

  在阿波罗和天空实验室上用的血压显示系统可以及时察觉血压的变化,以使高血压病人及时去诊断和治疗,因此,这种系统也广泛地用于临床。

  航天图像处理系统的应用
  
  航天任务中,为了得到更清晰的星球图像以及满足医学科学研究的需要,数字成像处理技术诞生了,各种类型的图像仪产生了。这些技术和仪器对人类疾病的诊断作出了巨大的贡献。

  有名的CAT扫描及以后发展的CT扫描,就是建立在数字成像处理技术上的。它可以得到人体内部器官高清晰度的图像,使医学上的诊断技术发生了一次革命。CT扫描现已成为临床上十分有效的诊断方法。

  几十年前就已有了核磁共振成像装置,但直至最近才用于临床诊断,空间成像处理技术对磁共振成像技术(MRT)的发展起了很大的促进作用。使用MRT时,不用将病人暴露在x—光下,而只用磁场和无线电波,就可观察内部器官的横切面,此仪器对软组织如肝、肾更敏感。将CT和MRT结合起来应用,对医生了解患者内脏病变,确诊病变位置是十分有效的。

  美国宇航局(NASA)的喷气推进实验室在图像处理技术的研究中作出了出色的贡献,其中一个仅有5名工作人员的生物医学图像处理实验室使用核磁共振成像技术对航天医学中存在的问题进行了大量研究。例如,为了研究失重所引起的肌肉萎缩,他们使用了核磁共振成像技术,当强磁场作用于肌肉时,肌肉质子释放出一定的能量,通过计算机,将这些停息合并成三维图像,经分析,可得出肌肉的体积,重复测量后,就能得到肌肉的萎缩率。此方法也可用于医学诊断和医学研究。

  心血管系统的疾病是造成人类死亡的最严重的疾病,美国死亡人数中的一半死因与心血管系统的异常有直接或间接的关系。最近,尸解研究表明30岁以上的男子都有一定程度的动脉硬化。因此,了解动脉硬化的程度,采取必要的防护和手术是降低死亡率的主要手段。空间科学研究用的超声图仪可用于诊断动脉粥样硬化,它可显示一个动脉的三维图像,用计算机技术计算每一个横断面的边界。美国宇航局(NASA)的科学家们还采用了一种计算机成像方法,来测量动脉粥样硬化的损伤程度。它的优点是准确,并可进行长时间的监测。

  促进医用诊断仪和治疗仪的发展
   
  目前医院中使用的许多疾病治疗仪与航天技术的发展有密切的关联,下面仅举几个美国宇航局(NASA)航天技术应用的实例:

  不间断的、细心的药物治疗可以有效地防止高血压所引起的死亡。但是病人,尤其是儿童,很难坚持常年不懈地服药。而且,有些病人的高血压的主观症状不明显,病人在没有严重自觉症状时,常常认为没有必要再继续服药。现在有一种传感器可植入人体内,它可感受体内血压的高低,通过它来控制抗高血压药物的释放,此装置的产生就与美国宇航局(NASA)的航天技术有关。

  很多致命的心脏病发作起因于心脏传导系统的障碍,用体内植入起搏器的方法,可以控制心脏的收缩。最初的起博器只有一种固定的刺激频率,不能因身体状态的改变而改变,如需调整起博频率,只能取出起搏器。1979年,作为美国宇航局(NASA)航天技术的一个副产品,一种有可控程序的起博器诞生了。它具有两种方式的通信能力,医生远距离就可监视和影响它。同时,可根据病人的情况,不需取出就可改变它的刺激频率。这样缩短了病人的住院时间,防止病人病情恶化。

  最近NASA又生产出一种与心脏节律密切配合的起搏器,它有一个可反映身体运动的传感器,具有28个起搏功能及上千个程序,可适应多种多样的生活形式和活动范围。这种起博器已在美国90家医院进行试验,750名心脏病人植入了新型起搏器。

  每年,美国心脏病发作人数超过100万,一年后约有5万人死亡,其中大部分与室颤有关。在美国宇航局(NASA)的倡议下,研制了一种自动、可植入的除颤装置,将它用于室颤危险因素较高的病人,当仪器察觉到心跳异常时,就可自动输入电脉冲,帮助心脏恢复正常节律。

  美国宇航局(NASA)航天技术的另一个副产品是一种轻便的手提式除颤器,可用于解救心脏病发作的病人。此除颤器是通过胸壁上的两个金属电极,使心脏休克,中止异常节律,恢复正常节律。

  激发氙氯化物的激光器最初是由NASA设计的,目的是监测大气中的臭氧。随后,这种激光器引起了医生们的极大兴趣,经修改,他们研制出一种激光器,用于清除冠状血管内的血小板沉积物。这种仪器有一个细长的导管,导管前端有一根极小的、易弯曲的玻璃纤维,缠绕着一个极小的透镜,将它连到体外的监视器上,通过导管,医生可看到血管内壁,并逐渐地将导管向内插,当达到病患部位时,激光器顶端发出短暂的、低温的能量波去冲击沉淀的血小板。使用此仪器,不用切开血管和损伤组织,就可以清除冠状血管内壁血小板的沉积。

  1970年后半期,NASA的刘易斯研究中心的Cycbtion设备被用于治疗癌症。Cyclotion是第一个可以发射水平和垂直方向中子束的设备,它较过去仅能发射水平方向中子束的设备定位准确,因而治疗癌症种类的范围扩大。通过实践证明,快速中子治疗法对唾液腺、头部、颈部和甲状腺肿瘤均有明显的治疗效果。NASA为此提供了大量的人力和物力。

  提高医学样品的分析效率

  在临床检验时,需要对所取样品进行准确、可靠、省时的分析,航天技术对这方面也有所贡献。NASA主持的一项发明——自动微生物监测系统(AMS),原来是用于航天任务——监测微生物的,现已用于临床分析病人体液中可引起疾病的微生物品系及含量,以便采用相应的治疗措施。此仪器的优点是省时、准确、分析时间较其它方法节省50%一80%。由于使用了此仪器对样品可进行准确、快速的分析,使病人得到及时的治疗,缩短了病人住院时间,对提高医疗效果有很大的帮助。

  在临床诊断和医学研究中,常常需要对血液、骨骼内细胞的蛋白质进行分离,最好的方法是电脉。电脉是将电场加于所测溶液的两端。溶液中的带电粒子在电场的作用下,向着与自己所带电荷相反方向的电极移动。溶液中不同性质物质所带的电量不同,就可在电场作用下分离,出现不同的层次。用照像的方法,记录实验结果,再进行分析。

  在航天任务中,为了迅速地分离、鉴别少量血中血红蛋白、铁蛋白的含量,NASA研制了一种称作Grunbaum系统的电脉仪,它可同时对20个样品进行分析,现在此仪器已广泛地应用于医学研究和诊断。

  航天飞行中为了迅速地测量人体内钙、钠、钾等离子浓度,促进了生化传感器的发展。1989年NASA的军事研制中心研制了一种插入式的钙离子传感器,它可迅速、准确地测量血样,这对诊断和治疗一些疾病,如甲状旁腺的疾病是十分有用的,以前这类疾病是很难诊断的。此外,它在维护公共卫生上也有一定用处,如可以及时分析饮用水和废水中的离子成分等。

  在人体保健中的应用

  运动是航天员维持失重状态下生理功能的最好方法,运用于微重力状态下的特殊运动装置必须效率高、重量轻。这些装置的研究成功,对长期卧床病人的康复十分有用。此外,在飞行中要对航天员运动时的生理状态进行监视、记录、分析,此套生理测试系统的发展,对运动医学的发展也起到促进作用。

  航天员飞行中生活在一个密闭的小环境中,这种特殊的环境使散发在座舱内的有害物质、有害气体散发不出去,造成座舱内大气的污染,污染物的特点是种类多、浓度低、影响因素多,这些给污染物的检测带来了困难。为了检测座舱内的有害气体,要求仪器的体积小,重量轻,灵敏度高,可检测多种气体。在研制航天座舱大气监测仪时,促进了气相色谱技术和仪器的发展。

  图2显示了4种气体监侧仪,自左往右的第一个是最古老的温度传导检测仪,它能检测微量污染的水平是百万分之几(ppm),而且体积大。第二个是用于70年代航天任务中的。第三个是代谢离子监测仪的实物模型。后两个仪器较第一个灵敏度高、体积小。第四个是最近设计的代谢离子监测仪,它体积小、重量轻、灵敏度高,可测量十亿分之一范围内的微量污染,可对气相中各种类型的化学物质进行监测,这种便携式分析装置,对监测地面各种条件下的有害气体,保证作业人员的身体健康十分有用。

  在航天服研制的基础上,美国研制了一种液体冷却服(图3),它具有降低人的体表温度的作用,可用于体温调节功能不良的病人,例如用于一些出生后没有汗腺的儿童、体温调节紊乱的病人或四肢瘫痪、无法自动翻身的患者,也可用于手术致冷及医学研究(如对癌症治疗时体温控制的研究)。更广泛的用处是做成一种轻便式的汗衫,用于从事高温作业的工作人员。

  除上述之外,航天医学的发展也促进了医学研究的发展,如对航天中所出现的立位性低血压,心律不齐、骨质疏松、运动病、免疫功能低下、水盐代谢紊乱等机理和防护措施的研究,也促进了地球上临床医学与此有关方面的研究。总之,载人航天科学技术的发展,对临床医学贡献巨大。今后,这两个领域的密切结合,将为地球上人类的健康带来更多的福音。(必威登录平台网特约撰稿/沈羡云)





本文编辑:李迁

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