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编号:10240755
太空减压病的发病率与预防
http://www.100md.com 《航天医学与医学工程》 2000年第5期
     作者:贾司光 陈景山

    单位:航天医学工程研究所,北京 100094

    关键词:航天医学;减压病;压力制度;吸氧排氮

    航天医学与医学工程000516摘要: 通过对太空减压病同高空减压病进行比较,阐明太空减压病应由高空减压病独立出来的必要性。太空减压病与高空减压病的病因学和发病机理相同,但引起发病率有不同的规律(包括影响因素等)和各自独特的特征。为了利于对太空减压病有一个系统明确的认识,利于更有效地制定预防方案和建立学科,太空减压病应成为独立的专业术语。

    中图分类号:R852.16 文献标识码:A 文章编号:1002-0837(2000)05-0378-04

    Incidence and Prevention of Space Decompression Sickness
, 百拇医药
    JIA Si-guang,CHEN Jing-shan

    (Space Medicine & Medical Engineering)

    Abstract:To expound the necessity that space decompression sickness (SDCS) should be separated from altitude DCS,comparison was made between the features of space DCS and altitude DCS.The etiology and pathogenesis of the space DCS and altitude DCS were the same,but the features of the rules leading to their incidences (included influencing factors etc.) were different.For the convenience of getting better systemic and definite knowedge about SDCS, and making effective preventive plans and theoretical expositous,SDCS should be taken as an independent professional term.
, 百拇医药
    Key words:space medicine;decompression sickness;pressure regime;preoxygenation

    减压病是在环境气压减到一定程度时,体内形成气泡所导致的病症,它存在于潜水、航空、航天领域,最早见于19世纪潜水员在超过海平面1个大气压力的水下作业(故称为潜水员病)。直到1878年,法国生理学家P. Bert 在其专著里才科学地描述了该病的本态;并肯定了气泡学说为其病因学[1]。1908年英国生理学家Haldane进而明确了减压病的发病机理,如“机体组织被氮气饱和脱饱和”以及“机体组织被氮气饱和容许系数”等;并提出了效能高的预防潜水员减压病的阶段减压法[1]。上述这些经典成就为后来的潜水员病、高空减压病和太空减压病研究奠定了病因学、发病机理和预防方法的理论基础。1952年美国航空医学权威Armstrong 基于航空领域发生减压病的压力环境不同于潜水员病,即是发生于一个大气压力以下的高空低压环境,又特称该类型减压病为高空减压病[2]。从此高空减压病作为独立学科发展至今。考虑到太空减压病已发展近40年,并取得了突破性进展,但报道多分散,大部分混杂于高空减压病刊物[3~7],且笔者认为太空减压病是在太空飞行中的压力环境和微重力环境下产生,其预防也不同于高空减压病,所以有必要进行专门的系统论述。基于各领域减压病的病因学和发病机理是共同的,本文对此从略,侧重阐述太空减压病特有的发病规律与预防等关键内容,以利于对太空减压病能够产生系统而又明确的认识,利于更有针对性地制定预防方案,建立学科。
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    太空减压病发病率研究成就

    在载人航天中,有两种工况存在产生减压病的可能性:一是舱内气压快速降低;二是出舱活动(EVA)。前者是偶发事件,后者是常规活动。因此对出舱活动减压病的发病率与其规律尤为关注。前苏联/俄国和美国模拟出舱前工况,系统地开展了大量有关实验,并取得了突破性进展。这里仅引用有代表性的,并已用于实际的成就。

    前苏联/俄国成就 图1集中地表达了多年来的系统研究成就[3]。图中曲线是:在不吸氧排氮(左图)与吸氧排氮1 h(右图上)和2 h(右图下)的条件下,模拟舱压(1个大气压)减压到模拟航天服不同低压环境时减压病的发病率。由曲线可知,减压值越高(左图曲线由上向下),即减压前后压差越小,发病率越低。如左图最下曲线减压值为40 kPa ,发病率仅为3%左右。实际上,发病率不完全取决于减压值的高低,还与其它多种因素密切相关。⑴ 高度(压差);⑵ 上升速度(减压速度);⑶ 暴露时间;⑷ 重复暴露;⑸ 环境温度;⑹ 年龄;⑺ 胖瘦(女性);⑻ 体力负荷;⑼ 呼吸循环功能不全,关节或肌肉受伤等[8]。在太空环境还存在失重[7,9,10]和航天员穿着航天服处于加压状态进行动作[11]等因素会明显降低发病率。
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    图1 吸氧与不吸氧对减压后减压病发病率的影响

    Fig.1 Incidences of decompression sickness with or without pre-breating

    a.without pre-breating;b1.1 h pre-breathing;b2.2 h pre-breathing,dotted curve represent decompression to 20 to 30 kPa at twice after first decompression to 35 to 41 kPa

    Haldane[1]曾明确了不产生减压病的两种安全值:一是压力比值,即减压前(P1,高压)和后(P2,低压)的压力比值(P1/P2)。还规定减压值为50%时,即压力比值为2.0 时为安全值;二是考虑到引起减压病的气泡主要是氮气,又特将体内组织里溶解的“氮气过饱和容许系数”(又称R值=减压前组织里氮分压/减压后环境总压,亦称“TR组织比值”)等于1.48 为安全限。但大量实验发现,由于存在大量影响因素,在无预防措施的条件下,个别例,R=1才能确保不产生减压病。美国航天标准规定不产生减压病的R值为1.22,在医学上可以接受的、允许发生低发病率的R值为1.40[12]
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    美国成就 美国曾模拟出舱活动的实际情况进行了系统实验。减压范围是由舱压1个大气压减到航天服工作压力29.67 kPa。实验内容包括研究阶段减压、反复出舱、不预先吸氧阈值、长时间暴露、预先吸氧过程体力负荷等。此项工作的特点是在人群代表性(n=821)、针对性、科学性及可操作性等方面均优于至今国内外的报道。利用这些实验结果绘制的图2[4],更具有重要实用价值。静脉血的气泡发生率(曲线1)、轻度(曲线2)和重度(曲线3)减压病发病率同R值具有明显的相关性,R值T1/2为6 h。只要将初定的压力制度进行R值计算,便可由图2得知轻、重减压病的发病率。这对于制定标准和预防方案是至关重要的。

    图2 静脉气泡与轻重型减压病同R值的关系

    Fig.2 The relationship of venous bubbles and very mild symptoms of decompression sickness as well as more serious symptoms with R value
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    Note:1.venous bubbles;2.mild symptom;3.serious symptom

    压力制度和排氮方案

    压力制度和排氮方案是最常用的预防减压病的有效措施。压力制度是指舱压和航天服的工作压力是多高(包括气体成分)。当舱压意外降低或出舱执行任务时,需要穿着航天服进行防护,其中压力的高低主要用于防减压病。为了预防减压病,舱压与航天服的最佳结合是R值不高于1.22。但由于航天服自身质量所限和考虑到航天服工程研制技术,目前均采用低压力制度,并允许轻度减压病的发生。如果舱压为低压力环境,可缩小减压前后压差,更有利于预防减压病。这里仅简述已采用的或预研的主要方案。

    美国航天飞机出舱前方案 为了使航天服具有良好的活动性能,美国一贯采用低压力制度,但防减压病性能差。航天飞机航天服在舱外活动时的工作压力为29.67 kPa,应急时降低到22.96~26.89 kPa[13]。当舱压由101.3 kPa 降到29.67 kPa压力值时,按图1中左图的发病率为32%。如果计算R值时,高达2.53,远远超过安全限1.22。再按图2中曲线计算,轻型发病率已超出曲线2的66%,重型发病率已超出曲线3的27%。
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    为了预防减压病发生,特采用了代价大(低效率、不经济)的预防方案。在出舱前相继进行低压排氮和吸氧排氮[6]。航天员由生活舱进入气闸舱(用于过渡到太空)后,该舱减压到70.38 kPa,航天员在这里进行24 h 的排氮,然后穿好航天服再吸氧排氮40 min 才允许出舱。该方案的优点是航天员在低压排氮期间能够执行任务(不浪费时间),缺点是排氮时间过长,同时,气闸舱的低压环境对温控系统更有不利影响。按最近报道,低压排氮时间缩短到14 h,并增添了促进排氮的有效措施[10]

    俄国和平号空间站出舱前方案 为降低减压病发病率,航天服采用较高的工作压力(39.2 kPa),应急时允许短时间减压到26.5 kPa。该压力制度仍低于防减压病的安全限。由图1可知,服压保持在39.2 kPa压力水平时仍有3%的发病率(左图最下曲线)。如果按R值计算,已高达1.87,由图2曲线2可查知,轻型发病率接近50%。由曲线3可查知,重型发病率超过13%。如果在39.2 kPa停留 2~4 h后再减压到26.5 kPa的时间超过30 min 以上时,由图1中右下图虚线可查知,发病率高达25%。故在出舱前尚需吸氧排氮30 min,以降低发病的可能性。该方案的优点是防减压病能力较强,但活动性能欠佳。
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    两个航天大国方案虽然各有特色,但都是成功的。载人航天以来,出舱活动200多人次,尚未见发病报道(但不排除轻度减压病可能性)。

    欧航局出舱前设想方案 舱压为101.3 kPa,服压为50 kPa,R值为1.50。要求通过预防方案(表1中之任一种)R值降到1.2。允许(轻型)1%的发病率[14]。该预防方案较完善,但近来报道,航天服工作压力降到42 kPa[13]

    舱内低压力制度的优越性 出于人的因素考虑,人能适应低压环境生存。美国“天空实验室”航天员在舱内高氧环境生活了84 d,除了高氧对人体有害作用外,低气压未显示有作用。舱压低时,可以降低航天服压力,对预防减压病和保证人体活动均有利。由系统工程高度和长期航行考虑,舱压低,更有利于实现经济、高效与安全的要求。因之,舱压与服压的兼容性问题早已受到重视。笔者曾制定了舱压为50.65 kPa,服压为30.66 kPa,氧气与氮气分别为42%与58%的舱内低压力制度方案,利于预防减压病[15]。多年来,前苏联和俄国系统地开展了这方面的预研。在不吸氧排氮的条件下,进行低舱压与低服压不同水平的结合,氧气与氮气不同比例的结合,观察减压病的发病率。目的是取得不吸氧排氮、活动性能好、工程代价低的效益。17年来,先后进行1828人次实验,取得了有意义的结果[6]
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    表1 欧洲舱外活动减压病的预防方案

    Table 1 Recommended decompression schedules for European EVA procedure

    schedule

    1

    2

    3

    cabin pressure (kPa)

    101.3

    101.3

    101.3

    prebreathing (h)--
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    1

    0

    airlock pressure (kPa)--

    70

    70

    time of reduced pressure (h)--

    12~24

    48~72

    prebreathing before EVA (h)

    2.5

    0

    0
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    选定预防方案的要领 选定方案的基本原则是在太空作业中,既不能产生减压病,要保证安全;又要求人与服装的活动性能好,保证工作效率。体现该原则的关键是选定多高的航天服的工作压力和那一种排氮方案。美俄两国对此侧重不同,方案因之有异(见前述)。美国预研多年的“高性能航天服”解决了这两大关键,但目前仍处于改进阶段[15],还只能采用现有的方案。由系统工程高度和应急出舱角度考虑,俄国方案较优越。选好压力制度和排氮方案后,再计算出R值,由图2便可查知理论上的发病率。再考虑到太空作业中失重和航天员穿航天服处于加压状态进行动作所致的良好效益(见前述),便可预估天上发病情况。但基于发病的影响因素很多,即使在选拔时已排除易感者,航天员仍应在模拟出舱程序和太空活动的条件下进行减压病检查。表2 太空减压病同高空减压病比较

    Table 2 comparison between space DCS and altitude DCS item

    space DCS
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    altitude DCS

    etiology

    the same

    the same

    pathogenesis

    the same

    the same

    environment pressure

    hypobaric and vacuum

    hypobaric

    gravity environment
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    microgravity

    gravity

    prevention before EVA

    yes

    no

    prevention decompression in cabin

    multi schedule

    single schedule

    spacesuit pressure schedules

    yes

    no
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    compatibility of pressure schedules

    yes

    no

    hypobaric denitrogenation schedules

    yes

    no

    prebreathing

    multi schedules

    single schedule

    ratio value

    in most commonly used
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    in no commonly used

    factors influencing

    more, special

    less, general

    incidence

    no

    lower

    太空减压病同高空减压病比较 太空减压病与高空减压病的异同,在上文已部分地提及,表2作了全面比较。由表可见,太空减压病具有独自内容,有必要由高空减压病独立出来,以利建立航天医学有关学科和确保实际运用的有效性。

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, 百拇医药
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    收稿日期:1999-12-14, 百拇医药