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        作者:賽阿姆斯·蒂埃里 馬蒂厄·科莫羅夫斯基等 來源:光明日報 發布時間:2022/8/4 10:06:55
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        太空醫療:極限環境如何救援

         

        1.艱難的救治環境

        1997年2月24日,在俄羅斯“和平”(Mir)號空間站上,一臺氧氣發生器在維護操作過程中出現問題,一小塊高氯酸鋰著火了??臻g站距離地面超過350千米,且處于失重狀態,形勢十分緊迫。濃厚的煙霧中混合著燃料顆粒和融化的金屬滴,漂浮在空間站中,使宇航員面臨嚴重燒傷和因窒息而失去意識的風險?;鹧孢€可能穿過空間站內壁,使生活艙失壓,這將迅速導致宇航員死亡。機組成員們急忙戴上呼吸防護面罩,以免吸入有毒煙霧,并啟動滅火裝置,在警報聲中僅用幾分鐘就控制了火勢。他們僅受了幾處輕傷,奇跡般地避免了最壞的情況發生。這場緊急事故體現了空間站中對宇航員生存造成威脅的三大隱患:火災、失壓和艙內空氣污染。如果宇航員在任務期間受了重傷,空間站上的種種限制將讓救治變得非常復雜。

        就像獨自環球航行的水手那樣,發生事故時宇航員不一定總是能獲得醫療援助,尤其難以緊急撤離。因此,宇航員必須避免風險,而不是等風險發生時再去承受。他們需要預判種種情況,面對各種突發健康狀況時盡可能獨立處理。國際空間站已經環繞近地軌道運行了二十多年,最近中國空間站也加入其中,這一全新的人類生活方式引發了相關行業對醫療風險管理的思考。無論是軌道飛行還是亞軌道飛行,太空旅行也帶來了新的問題,例如參與者需要滿足什么樣的健康條件。過于嚴格的標準會減少潛在旅客的數量,而過于寬松的標準會在飛行過程中帶來慢性病惡化的風險,目前我們還未能在兩者之間找到一個平衡點。此外,所謂的深空探索(如月球表面探索和火星探索)也提出了新的問題,例如,在這種惡劣環境下人類的防護和適應能力如何,更不必說完全自主地在這樣的環境中進行醫療護理的艱難程度了。

        2.充滿風險的空間

        即使是空間站內的日?;顒?,有時候也會帶來危險。就像在潛水艇上一樣,宇航員要一連數月生活在一個狹小、嘈雜的空間里,周圍是數不清的電線、控制面板和制冷系統,理論上這些設備都可能引發觸電、燒傷或刺激性物質暴露。太空任務的另一特殊之處在于,需要出艙對某些設備(如電池、電纜、天線等)進行維護和維修操作。這些艙外活動具有風險,而且對體力要求很高。這類活動通常持續數小時,其間宇航員要保持精神高度集中。這些任務中使用的宇航服是真正的獨立迷你空間站,包含了所有維持生命所必需的設備。在宇航服內部,宇航員處于低壓環境(30千帕),這提升了宇航服的靈活性,以便宇航員活動肢體,操作工具。從艙內氣壓到宇航服內低壓環境的轉換是受到控制的,在一個減壓室內完成,以避免宇航員患上減壓病,這種病與人們熟知的潛水員減壓病相似。最后,還存在一個重大的風險因素:與太空垃圾或微隕石相撞,這些物體的飛行速度可達到每秒數千米。

        另一個環境限制也同樣重要,那就是失重。在地球上,我們能夠行走、跳躍、跑動、保持平衡,并根據體力活動強度和姿勢變化調節心臟輸出量,這是因為我們的生理構造已經適應了地球的重力。我們的肌肉、骨骼、內耳、心臟和血管系統都在重力作用下經過了數百萬年的演化。而在離地面400千米的高空中,宇航員們處于自由落體狀態。機體的每一個生理系統都傾向于找到一種新的穩態,即新的功能平衡點,但這種適應是有限的。限制的消失反過來成了一種限制:骨骼礦物質逐漸流失,變得越發脆弱;外力的減少會導致骨骼礦物質快速流失,增大了骨折和腎結石的風險;姿勢?。ňS持姿勢的肌肉)萎縮,血管壁增厚;視覺敏銳度有時會下降,原因之一是血液重新分布進入上半身造成顱內高壓;運動感覺協調也改變了。重力的消失造成了一系列癥狀,與衰老或長期臥床的影響相似,這增加了機體對某些疾病的易感性,并削弱了機體在患病或受傷時的應對能力。甚至基因的調控和表達也會受到影響,就像那項著名的孿生子研究所揭示的那樣。

        為了在這個遠離醫療機構的獨特環境中保護宇航員的健康,各國航天局和醫療機構已經采取了一系列措施,從三個方面來降低風險:預防、應對和機上自主醫療。

        一種預防措施就是嚴格選擇身心健康的年輕宇航員,以避免他們在任務期間身體狀況惡化,出現慢性?。ㄈ绨d癇、哮喘或心力衰竭)發作的狀況。招募完成后,一支醫療團隊將在整個飛行任務準備階段對宇航員進行健康監測。監測內容是標準化的,包含阻抗測試、骨密度控制、眼科和聽力檢查。這些測試是為了確保宇航員出發前沒有身患疾病,并為起飛后的健康監測提供參考數據。在起飛前隔離14天能減少將潛伏的傳染性疾病帶入空間站的風險。一切可疑癥狀都會將宇航員排除在任務之外,以確保本人和同事們的健康。一個著名的案例就是肯·馬丁利(Ken Mattingly),他在起飛前幾天被懷疑患上了風疹,無緣“阿波羅”13號(Apollo 13)任務。

        另一個預防措施就是使用環境健康系統(EHS)對國際空間站內的環境進行密切監控。這個系統包括多臺監測設備,能檢測空間站的水或表面潛在的微生物污染??臻g站內的空氣質量同樣受到監控,系統會在發現甲醛或一氧化碳等有毒氣體時發出警報。最后,射線劑量計能監測輻射風險,就像地面上的核電站或放射性醫療機構的工作人員監測電離輻射風險那樣。

        在預防措施的基礎上,還要準備應對措施,目的是減少不可控制的變量(如失重和禁閉環境)對生理或心理的影響。例如,為了避免太空航行引發的肌肉流失,宇航員每天必須運動兩個半小時。國際空間站也為此配置了多種設備,有帶安全帶的跑步機和動感單車,還有先進阻抗訓練器(ARED),這是一種適應失重環境的肌肉訓練設備。另一些應對措施是營養學方面的,科學家正在研究在太空任務期間通過攝入多酚維持肌肉量的方法。

        前兩種保護措施(預防和應對)是有效的,占據了近地軌道航天任務中風險管理策略的大部分。不幸的是,在這個危險的環境里,我們無法完全消除受傷或患病的風險。有統計預測顯示,在持續6個月的軌道空間站任務中,發生嚴重疾病或創傷的概率為每人1%到17%。太空探索的歷史上也多次出現先例。在1961-1999年間,國際空間站仍未投入使用的時候,有記錄的在軌飛行器上發生的嚴重醫療事件為17起,其中4起事件要求緊急返回地球。面對心率失常、嚴重尿道感染和無法用止痛藥抑制的頭痛,機組負責人選擇了縮短任務時間,以免在飛行器上冒險進行醫療操作。

        第三道防線就是為國際空間站內部配備醫療和外科手術設備,以便機組人員盡可能獨立應對各種突發健康狀況。這就是國際空間站中健康維持系統的作用,它配備超過190種藥品,按照緊急程度分類存放在不同的藥箱里,用于應對最有可能發生的疾病。例如,沒有惡化風險的輕微感染很容易使用“門診”藥箱處理,這個藥箱中的藥可以很好地應對常見的小毛?。ㄈ缣詹?、惡心、便秘、輕微燒傷等)??臻g站上還配備了超聲波儀器,可以檢測多種疾病,為診斷帶來了很大的幫助。

        3.侵略性的細菌

        宇航員還攜帶了大量的抗生素,以應對肺部或尿路系統的細菌感染。在太空中,多種因素的結合放大了感染的風險。因為環境狹小而封閉,細菌很容易發生人際傳播。同時,宇航員的免疫抵抗力也被削弱了,這可能是因為任務的壓力、睡眠紊亂和心律紊亂、放射性環境和食物營養成分受限。最后,多項研究顯示太空站的條件(封閉、人造的低壓環境)可能催生對治療有更強抵抗性的細菌(例如形成細菌生物膜,阻礙抗生素滲透和生效),甚至毒性更強的細菌。其中包括2013年德國柏林工業大學的伊麗莎白·格羅曼(Elisabeth Grohmann)的研究,和2020年美國航空航天局(NASA)的莎米拉·巴塔查里亞(Sharmila Bhattacharya)的研究。

        此外,太空的輻射環境會加速藥物活性成分的分解,長此以往可能使藥物失效,這在火星探索等長期任務中可能造成問題,因為不可能在執行任務期間得到補給。一些團隊正在研究保護藥物不受宇宙射線影響的包裝方式。而美國加利福尼亞大學戴維斯分校的卡倫·麥克唐納(Karen McDonald)等研究人員的目標是使空間站具備就地生產藥物的能力,比如利用經過基因編輯的生菜。

        作為應對嚴重事故的最后手段,空間站上還配備了高級生命支持包,以便宇航員能在第一時間應對問題。支持包里配備了除顫器、氣管插管設備和簡易呼吸機,還有急救所需的藥物,如腎上腺素和阿托品(atropine)。

        使用這些設備進行護理操作需要醫學技能和謹慎心態。如果一位宇航員自己就來自醫療機構,他自然會被分配負責空間站的健康護理工作。但大多數時候,這項責任會落在一位并不是醫生的宇航員身上。他將接受十幾個小時的急救培訓,被任命為機組健康官(CMO),負責執行多種多樣的醫療操作,包括縫合、牙科手術和導尿。

        作為補充手段,宇航員還會接受地面上的飛行外科醫生和太空醫學專家的監測和幫助。工作人員在地面控制中心持續分析宇航員的各項生理參數,并在他們需要的時候提供遠程指導。通過規律的醫學和生理學監測,宇航員能夠獲得健康方面的建議,同時借助空間站上的藥物處理輕微的疾病。

        有一個數字可以說明這套醫療風險控制策略在近地軌道任務中的成功和可靠性:自這套策略在2000年投入使用以來,國際空間站上需要緊急撤離的醫療事件數量為零。與最初那個較為悲觀的統計預測相比,這個數字有些出乎意料。

        但這樣的成功也不能掩蓋一個事實:每一道防線(預防、控制和自主應對)都有局限性。國際空間站上自主醫療的一些技術或策略上的弱點,在火星探測等更長期的任務中可能會造成巨大的困難和醫療困境。

        在一個容納6個人的空間站里配置一個技術平臺,需要考慮有效載荷、體積、成本、性能和人力等問題,很難做到面面俱到。國際空間站沒有配備用于重癥或長期護理的設備,因此必須有所妥協,將應對目標對準最有可能發生的疾病。這些疾病有的可能在飛行期間自發發生,與任務本身無關(例如牙齦膿腫),有的和環境有關,也就是由太空環境的某種限制條件導致或誘發的疾病。在發生嚴重疾病的時候,治療的選項將被快速排除??臻g站中沒有容易變質的血液制品(比如輸血所需的血袋),沒有能進行消化道或血管緊急侵入性操作的手術設備,也沒有足夠的人員能夠在發生嚴重受傷時執行大量的關鍵醫療操作。為了增強空間站上的自主醫療能力,NASA在國際空間站測試了一臺生理鹽水發生器(名為IVGEN)。這種必備溶液能用于配制藥物,或通過靜脈注射為重病患者補充水分。

        另一重困難在于太空中孤獨的機組成員和地面上的醫療專家之間的空間隔離。這讓醫療援助變得更加復雜。地面和國際空間站的音頻和視頻通信中常常發生信號丟失,這阻礙了信息傳輸。在空間站發生緊急狀況的時候,雙方對情況的評估都可能發生錯誤,因為緊急狀況本身就會造成錯誤判斷和認知偏差,正如法國緊急醫療救助服務系統(SAMU)在實踐中所證明的那樣。各方參與者使用不同的母語,這讓交流越發困難。在火星探測任務中,這種遠程合作將受到很大的影響,甚至可能失效:無線電通信將出現極大的延遲(有時單向延遲超過20分鐘),在發生緊急狀況時不可能與地面實時溝通。一些研究團隊正在研究如何使用人工智能、聊天機器人和增強現實等技術,輔助宇航員進行醫療決策和風險評估。

        回到國際空間站上。如果發生危及生命的情況,我們能否選擇緊急撤離?畢竟,??吭诳臻g站的“聯盟”號(Soyouz)和“龍”飛船(Crew Dragon)可以在幾小時內返回地球。在決定撤離到將宇航員收入地面醫療中心之間的時間差預計30個小時左右。因此,軌道空間站內人員到某個現代醫療機構的距離,要比某些在南極過冬的船員或科學家更近。對于后者來說,就醫需要花上幾天時間,甚至可能因為氣象條件的阻礙而無法成行。

        然而,這種優勢被許多困難抵消了,限制了緊急撤離的可行性。例如,根據新型冠狀病毒疫情期間對病人轉院的模型研究,將需要重癥監護的宇航員從國際空間站送到地球是不可能的。轉運一個需要插管、輔助呼吸和使用鎮靜劑的病人需要大量的后勤保障,包括治療設備(靜脈輸液設備、注射泵、通過氣管插管連接在病人身上的呼吸機)、監控設備和人員。狹小的飛船里不可能裝得下這么多醫療設備。

        對于國際空間站來說,醫療原因的緊急撤離會帶來兩個決策上的困難。一方面可能發生無效撤離,用高昂的成本應對一種本可以用站內藥箱治愈的輕微疾病。另一方面,如果在病情初始或發展階段低估它的嚴重性,就會錯過撤離窗口,只能用空間站上的藥物和設備處理。

        數年前國際空間站上發生的一起事件就體現了這些問題。一名機組成員參加了一項用超聲波檢查血管厚度的研究。在這項研究的某次檢查中,研究團隊意外發現該宇航員頸內靜脈有一個血栓。實際上,失重是導致血栓形成的一個風險因素,靜脈血液流動減緩會誘發高凝狀態,就像長期臥床的影響一樣。這樣的血栓是有隱患的。盡管該宇航員當時沒有出現任何不適癥狀,但血栓可能從血管壁上脫落,導致嚴重的肺栓塞,誘發很可能致命的心力衰竭。

        機組醫療團隊面臨的情況十分棘手。是否應該采用拉起就跑(scoop and run)方法,就像應對有代償失調風險的病人那樣,盡快將其送到醫療機構,并在轉送過程中給予輕度的治療?還是說應該選擇相反的就地治療(stay and play)策略,更加積極介入,用最容易實施的醫療干預穩定病情,再進行可能的轉運?

        在這個案例中,最終的決定是讓宇航員留在機組中,并借助空間站上的醫藥箱,用抗凝血劑限制血栓生長。依靠前往國際空間站的補給飛船,治療得以持續到任務結束,例行超聲波檢查沒有發現任何并發癥。機組的醫生們在兩種院前急救策略當中選擇了一個折中的方案。但是,宇航員離地球的距離越遠,就地治療就越有可能成為唯一可行的選項。例如在火星表面探測任務中,醫療補給或人力增援都會變得復雜,甚至無法實現。

        4.模擬失重

        到目前為止,太空醫學仍然是一個非常開放的研究領域,隨著太空探索向更遠的距離發展和對旅客開放,這個領域探討的問題也在發生變化。為了加深我們對這個領域的理解,國際空間站仍然是一座研究失重科學的重點實驗室。但借助其他方法也能(至少部分地)模擬空間站的特殊條件,比如用飛機進行拋物線飛行,或干浸實驗。干浸實驗的主要操作點位于法國圖盧茲的太空醫學和生理學研究所(MEDES),這是一座用于建立太空醫學和生理學基準的機構。干浸實驗會將實驗者包裹在巨大的防水帆布袋中,浸泡在一個大浴缸里,借此模擬失重的影響。這種設備消除了人體支撐點,可以研究失重對肌肉或心臟造成的各種影響。

        地面上的醫學也能從這類研究中受益。一些機構將部分研究轉向了太空醫學,法國卡昂大學(University of Caen)的COMET實驗室和勃艮第大學(University of Burgundy)的認知、行為和感覺運動可塑性實驗室(CAPS)就是其中兩所。事實上,行動障礙、住院患者長期臥床和內耳病變都與失重引發的生理變化有相似之處。

        從太空醫療中受益的還有遠程醫療領域。例如在2017年的Proxima任務中,宇航員托馬斯·佩斯凱(Thomas Pesquet)參與了遠程超聲波設備Echo的調試。目前,地面上的醫生能夠遠程操作國際空間站上的超聲波探頭。借助這項技術,地球上的醫學專家也可以遠程對一名患者進行干預,檢查實時獲得的圖片的質量,以便更好地根據檢查結果作出診斷。此外,加拿大航天局還開發了一種生物監測緊身衣,它能夠以非侵入式手段記錄宇航員的生命體征。

        如今,航天任務的程序員、工程師、研究者、宇航員訓練師和太空醫療專家之間的緊密合作,能夠盡可能減少宇航員在軌道空間站上發生疾病的風險,并建立相關的安全標準。人類的深空探索則是另一個更復雜的挑戰。技術的發展必然還會帶來倫理上的問題,例如當發生嚴重疾病,需要的資源超出了供給能力時應如何處理。在位于月球或火星上的一座小小的太空站里,無法立即獲得補給或增援,也沒法立即撤離,幸存的希望將變得非常渺茫。盡管如此,一些技術進步也許能提供解決方案,提高這些任務的安全性,進一步拓展探索的邊界。一些雄心勃勃的研究項目甚至在探討人類冬眠的方法。

        (撰文:賽阿姆斯·蒂埃里(Seamus Thierry),系法國南布列塔尼大學醫療系統的麻醉與復蘇醫師,以及心理學、認知、行為與交流實驗室研究員;馬蒂厄·科莫羅夫斯基(Matthieu Komorowski),系英國查令十字醫院麻醉與復蘇醫師,以及英國皇家理工學院高級講師;阿德里安諾斯·格萊米斯(Adrianos Golemis),系歐洲航天局的宇航員醫師,法國太空醫學和生理學研究所(MEDES)成員;勞拉·安德烈-布瓦耶(Laura Andre-Boyet),系歐洲航天局的宇航員導師,德國漢莎航空培訓中心成員 翻譯:戚譯引)

         
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