航天失重对人体机能影响的探析

1. 航天失重对人体机能影响的探析 李志香 工学院

3. 内 容 提 要 研究背景 主要研究内容 研究结果

4. 一、研究背景 人的正常承重状态 人的失重状态

5. 一、研究背景 失重、超重、 振动、噪声 不利于人体，引起 病理-生理-心理变化 狭小的生活 环境、有害 气体 辐射、昼夜 节律改变 Diagram 2 Diagram 3 Diagram 2 Diagram 3

6. 一、研究背景 航天飞行中人体承重骨的骨密度以每月1%~2%的速度丢失，并且飞行后骨密度恢复的比较慢，要几个月甚至更长时间，有的达2~3年，也有可能造成不可逆的损伤，严重影响了航天员的健康。

7. 一、研究背景 由此可见失重性骨丢失（包括骨量减少，骨质变化和钙代谢障碍）是人类长期停留太空和探索其它星球的主要障碍之一，尽快找到切实有效的防护措施，也就成为当前重力生理学和航天医学面临的重要课题之一。

8. 局部血 流动力 学改变 调节因素 的变化 一、研究背景 失重骨丢 失的原因 肌肉牵拉 作用减弱 重力作 用消失

9. 一、研究背景 对抗措施 运动、人工重力 穿企鹅服、下肢负压 水盐补充、营养、 药物 肌肉电刺激、适应训练 失重环境

10. 一、研究背景 运动预防骨骼丢失 下肢锻炼 上肢锻炼 在额外负重下通过增加功能需求改善结构。

11. 一、研究背景 花费时间 体育锻炼 缺点 运动强度大， 容易疲劳 能够适应的角速度 人工重力 没解决 能耐受的时间等

12. 一、研究背景 过去半个世纪：疾病谱迁移 • 瘟疫、传染病、感染病大幅度降低； • 生殖相关死亡大幅度降低； • 肥胖、肌力减退越来越严重； • 高血脂、高血压、高胆固醇增加迅速； • 心脏病、癌症、脑血管疾病快速增加; • 骨关节疾病（骨质疏松和骨关节炎）的发病率不断增加 ，老龄化人群中占慢性疾病的一半．

13. 4 影响航天飞行任务 一、研究背景 骨质疏松的不良影响 1 骨密度的降低常导致骨折的多发 2 生活质量降低,死亡率增高 3 住院和医疗保健费用高昂

14. 一、研究背景 治疗的误区 • 忽视肌肉力量对骨生长的必要性； • 忽视增加骨应力的物理治疗手段； • 忽视关节炎对骨骼的负面影响； • 将肥胖作为预防骨质疏松的有利因素； • 将补钙作为治疗骨质疏松的主要方法； • 雌激素可以独立刺激骨生长； • 二磷酸盐类药物可以独立增加骨强度。

15. 《英国医学杂志》 英国《柳叶刀》杂志 一、研究背景 • 传统观点认为，服用钙片及维生素D有助于防治骨质疏松。 没有降低骨折的危险性,对防治骨质疏松症无益处

16. 一、研究背景 就诊者期望：测量简单化 • 不应有损伤; • 测量方便，时间短； • 对几乎所有人适用； • 费用低廉； • 操作简单。

17. 一、研究背景 随着医学科研技术的迅速发展，越来越多的实验数据使学者们认识到，由于骨组织的形状、骨量及其内部结构的变化取决于力学环境的改变，控制这些变化的主要因素只能是外力作用（生物力学因素），而其它的非生物力学因素则起辅助作用。

18. 一、研究背景 振动对骨骼肌肉系统的有益影响

19. 一、研究背景 采取合适的振动刺激，可以在一定程度上弥补由于骨骼受到的力学刺激减少所带来的副作用，从而“欺骗”骨骼对此产生相应的变化使得骨骼维持正常的情况，避免在返回地球或进入其它重力场时，由于骨量下降所导致骨骼抗载荷能力下降而引起机体无法应付原本被视作“正常”的环境。

20. 一、研究背景 因此，振动方法不仅能帮助我们更好地对抗由于太空失重环境给人体带来的不利影响，保障了航天员的安全。而且由于振动装置的研制，能更好地治疗那些骨质疏松的患者，同时具备了较高的民用价值。

21. 二、主要研究内容 骨骼肌肉系统功能改善的各项评价指标 • 骨密度 • 股骨颈抗骨折能力 • 下肢最大肌力 • 膝关节有效活动范围 • 全身脂肪百分比 • 动态平衡和静态平衡

22. 二、主要研究内容 股骨颈抗骨折能力（FS） • 定义：股骨颈骨折前所能承受体重的倍数，这与股骨颈结构、骨密度、材料强度（骨质量）、肌力、及体重皆有直接关系. • 应用：这一参数为克服DEXA骨密度的误诊而发展出来的新的诊断指标。这一参数不受体重、民族、性别、年龄的限制，所有人群可以采用同一个标准进行诊断 。

23. 二、主要研究内容 股骨颈抗骨折能力

24. 二、主要研究内容 抗骨折能力随年龄变化 FS 16 14 12 10 8 6 4 Age 20 30 40 50 60 70 80

25. 二、主要研究内容 下肢最大肌力(MF) • 步行及跑步过程中 • 跳跃过程中 • 蹲起过程中 • 其他运动中

26. 二、主要研究内容 肌力的下降是造成骨关节功能减退及骨质疏松的重要原因，治疗下肢骨关节疾病及骨质疏松的一项重要任务就是提高下肢肌力以提高股骨颈等部位的骨应力，下肢肌力通常作为骨密度和骨强度升高的预测指标。

27. 二、主要研究内容 膝关节障碍 冲击 支撑点变化 转角 地面支撑力变化

28. 二、主要研究内容 这一指标广泛用于骨科及康复科，如膝关节障碍及骨关节炎筛查，下肢骨关节疾病早期筛查，膝关节炎药物治疗过程中药效的评估，作肌肉功能的鉴别诊断等。

29. 二、主要研究内容 全身振动治疗设备 ZD-10

30. 二、主要研究内容 运动功能分析仪的结构 测量平台 工作台

31. 二、主要研究内容 QDR－4500W骨密度仪

32. 二、主要研究内容 受试者进行体格检查 振动实验

33. 二、主要研究内容

34. 二、主要研究内容 骨质疏松组入选标准： ①受试者有骨骼疼痛，四肢乏力和下肢肌肉痉挛等骨质疏松症状； ②对受试者采用L2-4和髋关节进行骨密度检查，其中任何一项诊断为骨量不足或骨质疏松； 骨密度诊断标准： T≥-1.0：骨量正常 -2.0≤T＜-1.0 骨量不足 -3.0≤T＜-2.0 骨质疏松 -4.0≤T＜-3.0 严重疏松 T＜-4.0 骨折危险 ③受试者X线片可见不同程度骨质疏松症状。 凡受试者符合①、②、③中任何两项即可入选骨质疏松组进行振动治疗。

35. 二、主要研究内容 实验对象的分组 被试者按随机原则分为振动组A和对照组B，所有病例均在20岁以上75岁以下的人群中选取。振动组和对照组分别按照年龄细分为青年组（A1和B1，年龄25-35）、中年组（A2和B2，年龄40-60）和老年组（A3和B3，年龄61-75）。

36. 二、主要研究内容 被试者基本情况

37. 三、研究结果 1. 骨密度和股骨颈抗骨折能力变化 图1 各组受试者不同时期腰椎骨密度变化

38. 三、研究结果 图2 各组受试者不同时期股骨颈骨密度变化

39. 三、研究结果 数据统计结果表明，腰椎骨密度值提高明显，达到显著性差异；股骨部位，中年组骨密度提高明显，达到显著性差异；青年组和老年组在振动后骨密度有所提高，但未达到显著性差异。

40. 三、研究结果 图3 各组受试者不同时期股骨颈抗骨折能力变化

41. 三、研究结果 振动治疗1个月时，受试者的股骨颈抗骨折能力比基础值平均增长1.16％，但此时没有统计学意义（P＞0.05）；而2个月时和3个月时分别比基础值平均增长2.38％（P＜0.05，差异具有显著性）和2.81％（P＜0.05，差异具有显著性）。此外，年龄越大的患者，骨量流失越多，股骨颈抗骨折能力越弱，振动疗法对其疗效越明显。

42. 三、研究结果 2. 下肢最大肌力变化 图4 各组受试者不同时期下肢最大肌力变化

43. 三、研究结果 A组受试者的双下肢最大肌力随着时间的推移呈不断增加趋势。振动治疗1个月时，受试者的双下肢最大肌力比基础值平均增长3.9％，但此时没有统计学意义（P＞0.05）；而2个月时和3个月时分别比基础值平均增长6.9％（P＜0.05，差异具有显著性）和10.12％（P＜0.01，差异具有极显著性）。此外，年龄越大的患者，骨量流失越多，肌肉力量越弱，振动疗法对其疗效越明显。

44. 三、研究结果 3. 膝关节有效活动范围变化 图5 各组受试者不同时期膝关节活动范围变化

45. 三、研究结果 A组受试者的双下肢膝关节有效活动范围随时间的推移逐步增加1个月时没有统计学意义，2个月和3个月时差异具有显著性。B组受试者的膝关节有效活动范围在1个月、2个月、3个月时分别比基础值增加了2.07％、2.98％和2.74％，虽然也是呈增加趋势，但都没有统计学意义（P＞0.05）。

46. 三、研究结果 4. 动态平衡和静态平衡 各组受试者不同时期动、静态平衡变化情况 全身振动对于改善正常人的姿态控制能力和平衡性没有显著性效果，造成这一结果的原因可能是训练时间太短。

47. 三、研究结果 5. 全身脂肪百分比 图６ 各组受试者不同时期脂肪百分比变化 振动治疗前后受试者脂肪百分比发生了变化，A组青年组变化不明显，中年组在2个月后下降了2.28%（P＜0.05），有显著变化；老年组变化最明显，3个月后脂肪百分比下降了1.94%（P＜0.01，极显著变化)。

48. 三、研究结果 • 振动可以提高振动组受试者腰椎和股骨颈骨密度； • 振动可以明显提高振动组受试者双下肢最大肌力 ； • 振动可以改善振动组受试者膝关节活动范围和有效活动范围； • 振动对改善受试者的动、静态平衡性没有显著性效果；但振动使振动组受试者全身脂肪含量下降。

49. 三、研究结果