医学超声在空间站的应用及展望

冯金升 ，郑永平

1.香港理工大学 医疗科技及资讯学系，香港；2.中国航天员科研训练中心，北京100094

人类载人航天活动已进行50年，截止至2010年底，累计1200余人次进入了太空，并完成了一系列的空间探索，取得了重要成果，为人类进一步研究浩瀚宇宙打下了基础。自载人航天活动以来，研究人员不仅在地面进行了一系列的模拟实验以探讨航天飞行中人体变化机制和干预措施，而且利用空间飞行的真实环境开展了相应的人体研究[1]。目前，在飞行中进行人体研究方面，超声是唯一在空间站上能提供人体影像数据的技术，并已经被用于开展飞行中人体生理机能变化的研究，且成绩斐然，凸显其在空间飞行中的应用价值。本文回顾了在空间站上应用超声所取得的研究成果，介绍了目前国际空间站（The International Space Station，ISS）超声应用状况，并结合肌肉骨骼超声技术发展趋势，展望未来超声在空间飞行的应用。

1 ISS之前超声应用研究成果

尽管医学超声已经在空间飞行任务中应用了30余年，但与地面大量不同的超声研究项目相比，太空超声应用研究的成果非常少。能够造成此结果，一方面受飞行次数的限制，另一方面每次飞行人数不多。鉴于航天飞行过程中人体的心血管变化是最先出现的生理反应，且会对人体其他生理系统造成一定的影响，因而航天飞行对人体心血管的影响研究成为重点探索课题，故在ISS之前的超声研究多以人体心血管系统为主[2]。Nicogossian等[3]的心脏超声研究结果显示，进入太空初始阶段，由于体液头向分布，所以心室较飞行前轻微增大。在长期飞行中多项心脏超声研究报道[4-6]，在飞行中当宇航员的血容量达到一个新的平衡点时，心室较飞行前变小。在血管超声方面研究结果表明[7]，飞行中大脑的血流保持相对稳定，股动脉的血流发生改变，血流阻抗下降。有研究报道[8]，颈静脉和股静脉血管的截面积在飞行过程中均增加；在心脏收缩和舒张时，颈静脉血管的截面积降低差异明显，表明在飞行中静脉的张力下降；在应用超声评价血管阻抗方面，在飞行中外周血管的阻抗降低，大脑中动脉、肾和颈动脉的阻抗也降低。在对肝脏血管超声研究后，结果显示[8]，在飞行的前期，肝脏静脉血流和返回血流均增加，最终调整回到飞行前水平。Martin等[9]研究报道，在长于100d的飞行中，4名航天员的心脏射血分数均下降。总之，飞行中超声研究结果表明[5]，短期（<18d）飞行后心脏功能没有明显改变。相对于短期飞行，执行长期飞行任务的宇航员心功能改变与飞行时间及飞行中的锻炼有关[10]。应用多普勒超声评价下体负压或立位状态下宇航员飞行前、中、后的立位耐受水平，结果显示，在飞行中和飞行后，下肢血管收缩功能下降，大脑与股动脉血流比值也减低，这些变化与飞行后立位耐力下降有关[7,11]。超声除了用于飞行中心血管研究外，也应用在其他方面，如在飞行中2名宇航员使用超声测得腰椎L1～L5距离较飞行前增加超过7mm；2名宇航员使用超声扫描膀胱显示，飞行中膀胱容积增大，这可能与自主(神经)功能异常有关[12]。

2 ISS超声应用的概况

2.1 ISS超声的技术要求

ISS是由16个国家协作的、在地球低轨道共同使用一个微重力环境从事科学研究的空间试验平台。其拥有从事人体研究设施，即一套研究生物医学的仪器，供研究人员（航天员）研究空间飞行对人体生理、人体健康和行为的影响，以制定相应的对抗措施。以前，ISS超声仪器设计为针对性应用，受到体积的限制，不能像在地面那样得到广泛应用，而目前ISS的超声系统已经多次升级换代，能满足大部分应用需求。作为人体研究设施的超声系统技术必须包括多项诊断和评价功能，能对心脏、腹部、血管、骨骼肌肉、盆腔、脑、眼等脏器和部位进行诊断和评价。这套系统拥有地面医用超声所具有的大部分功能[2]，且ISS的超声使用了比以前更好的定位方法。除人体研究设施系统的特殊要求外，远程诊断、软件修复和升级能力也整合在一起。因为在空间飞行期间系统不能享受维修服务，所以必要时只能用备份替换。这套先进的超声系统为ALT/Philips HDI-5000，于2001年6月安装在ISS，见图1。

2.2 ISS超声应用

从前期的超声应用研究来看，航天飞行中超声的研究领域主要集中在人体心血管系统。科研人员在原有研究的基础上，应用现代超声继续开展在人体心血管方面的研究。在ISS上，6名宇航员应用超声每月检测在飞行中心血管的临床超声参数，结合地面数据，分析飞行前、中、后心脏超声参数变化，结果显示[13]，从临床意义来看，长期航天飞行的航天员心脏的超声参数变化不一致。除了应用超声进行人体研究外，超声在ISS上的应用范围逐渐得到拓展。在对航天员培训、软件改进及超声扫描部位确认后，ISS又进行了一系列的超声应用试验研究[14]。2002年，ISS的NASA第5科学考察组组长Peggy A.Whitson在飞行控制中心的指导下，成功应用超声诊断检查了自己的腹部、胸部、表浅组织和血管系统，尤其是在经过简要的提示后，其还获取一套完整的甲状腺超声图像[15-16]。2003年，NASA开发了微重力下高级超声诊断系统，包含一套快速的超声操作训练方案，使用该训练方案培训国际空间站科学考察8～11组的航天员进行心血管和胸廓的超声检查。其中，科学考察8组航天员Michael C. Foale实施了心血管和胸廓的超声诊断检查以排除这些部位发生疾病的可能性[14]；第9组航天员Michael E.Fincke 和Gennady I.Padalka在经过2h培训后，除进行心血管和胸廓的超声诊断检测外，还成功地实施了航天员肌肉骨骼方面的超声检查，首次检查了肩关节、膑腱等[17]；第10组航天员Leroy Chiao 和 Salizhan S.Sharipov 进一步扩大超声的应用范围，在飞行中应用超声进行口腔及鼻窦感染、眼睛外伤的诊断试验，同时，应用超声瞳孔测量技术检测了瞳孔对光反射，并获取了相应的数据[14]；第11组航天员John L.Phillips首次在没有指导情况下实施了整体心脏超声检查，结果显示，可以自主获得高质量的心脏超声可视图像[14]。ISS医疗主管航天员在休斯敦控制中心的指导下，获取了人体肾脏、膀胱及输尿管的超声图像，并将图像传回地面，这些高质量的实时和静态超声图像作为诊断泌尿系疾病（损伤）的依据，表明微重力状态下的超声能提供腹膜后和骨盆结构的诊断超声图像，进而提高在轨飞行意外疾病的诊断和治疗能力[15]。

图1 在ISS上使用的经改装的ALT/Philips HDI-5000超声系统

意外伤害即使在最健康的人群中也可能发生，而在太空飞行中这是也一个不可回避的问题。在远离地球的空间飞行，NASA专家把在飞行中的外伤和急诊医学问题提高到最高危险级别。Kirkpatrick等[18]在回顾了航天飞行中严重威胁健康的伤害后，提出在长期航天飞行中，考虑到存在伤害风险和远离地球的因素，在飞行器内应配备训练有素的医生或具备外科诊断能力的人员，并应用现代最先进技术以维护航天员的生命。为此，ISS加强了外伤和急诊处置能力的提升。超声仪器作为唯一的在轨医学影像设备，利用其开展外伤和急诊的应用研究势在必行。外伤的超声重点评价技术超声聚焦创伤评估（The Focused Assessment with Sonography for Trauma，FAST）是一种快速检测人体受伤后体内几个重要部位液体（主要为血液）积聚的超声技术，其常常在急诊医学中应用[19-20]；NASA的影像专家认为，航天员在遇到钝挫伤或外伤时，应该会应用FAST技术快速诊断。首次在地面模拟0重力环境下，Kirkpatrick AW等[21]完成了对外伤的超声重点评价技术FAST试验研究后，认为在失重的状态下实施这项技术是可行的，具有可操作性。随后，在ISS上，航天员开展了这项超声技术的试验以评价其操作这项技术的应用能力。结果显示，ISS上应用FAST技术的敏感性和特异性与前面的试验有一致性，证实在飞行中应用超声快速重点诊断和评价外伤是可行的和合理的[22]。在ISS上，面部和眼部的外伤具有较高的风险，航天员需要合适的技术来评价眼部损伤的形态，超声的应用责无旁贷。2005年，ISS宇航员在地面控制中心的影像专家指导下，获取了眼球矢状、横切及冠状位的超声图像，同时，应用B超结合M超观察瞳孔直径的变化以检测瞳孔反应时间，为评价大脑和中枢神经系统损伤提供了依据[23]。在ISS的组建和在轨维护期间，航天员出舱活动比较频繁，这大大增加了肌肉骨骼受伤的可能性，需要对受伤的肌肉肌肉骨骼进行超声诊断和评价[24-25]。2005年，ISS第9考察组指令长Gennady I.Padalka应用超声对航天员Michael E.Fincke的肩袖完整性进行评价，获取了肱二头肌腱、喙肩韧带、喙肱关节面的横切和纵轴超声图像，将图像实时传回约翰逊航天中心，由NASA影像专家阅读分析，这证实超声可以对出舱后肩部不适的航天员进行诊断和评价，进而可以用超声来诊断和评价微重力引起的肌肉骨骼变化[17,26]。

3 超声在太空应用展望

随着科技的进步，超声技术的发展也日新月异，新的超声技术层出不穷[27]，如超声检测人体肌肉的动态功能特性[28]，超声测量人体肌肉的弹性[29]，以及肌肉骨骼组织的三维立体超声技术[30]等。如何将先进的超声技术逐步应用到航天医学领域，提升太空飞行医疗保障能力和航天医学科研水平，是一个值得探索的课题。从上述ISS超声的应用来看，在ISS早期，超声主要用于飞行中人体心血管的实验研究和探索，而在其他方面应用不多。目前，ISS逐渐扩展超声的应用范围，注重提升其应用诊断和评价能力，以满足ISS上的医疗保障需求。

在长期飞行过程中，由于受到微重力的影响，所以人体各个生理系统出现不同程度的变化，其中，人体的运动系统变化最为明显，主要表现为抗重力肌肉萎缩导致运动功能减低及人体承重骨骨丢失[24]。在航天飞行中，这些变化可以引起航天员工作效率的降低，同时也可发生不适症状或出现疾病。如在航天飞行中，航天员腰背痛就是常见的不适症状之一，这已经引起了航天医学研究人员的关注，并进行了初步的探讨[31-32]。针对航天飞行人体运动系统变化的研究多以地面研究为主，鲜见飞行中相应的研究报道，一方面是由于受到飞行环境的限制，另一方面是因为ISS缺少用于人体运动系统研究的设备，如MRI、CT等。超声已成功地在ISS上应用30余年，且是唯一能提供医学影像的设备，如果能适当地进行改进或增加功能模块，完全可以充分利用超声开展人体肌肉骨骼系统的探索。ISS已经进行了这方面的尝试。在地面上，定量超声已经应用于肌肉和骨骼的评价。定量超声可以在3方面对肌肉进行评价[33]。

（1）利用二维超声图像提取的结构参数来反应肌肉功能状态，这方面应用最多的是应用超声定量测量人体动、静态的肌肉横断面积或厚度来反应肌肉的功能[34-35]。

（2）超声和人体运动分析系统的结合，进一步分析人体运动中肌肉、肌腱与关节的生物力学特性，增加了超声评价肌肉功能的新途径[36-37]。

（3）通过超声检测肌肉硬度来评价肌肉的功能。因为肌肉的硬度与非疲劳状态下肌肉的收缩强度呈线性相关[38]。

在对骨骼的评价方面，超声骨密度检测仪已经在临床和科研上应用多年。在对骨骼整体评价上，三维超声可以实现骨骼整体形态的评价[39]。目前，这些新的超声技术日趋成熟，已经应用于康复医学、运动医学及科研等领域。超声仪器具有体积小、质量轻、功耗低、无辐射等优点，这是MRI、CT不可比拟的，其已经成功地在空间站上应用，并取得丰富的成果。如果将这些先进的超声技术引进，逐步应用于航天飞行，这将有助于提高ISS的医疗保障能力，同时，促进ISS人体研究水平的提升，推动航天医学的向前发展。相信这些新的超声技术总有一天会应用到ISS，从而进一步提升航天员的医学监督与医学保障技术水平。

志谢

作者感谢香港理工大学（J-BB69）基金对本研究的资助。

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