مهندسی پزشکی در فضا

کنجکاوی های بشر در مورد ناشناخته های موجود در فضا، سرآغاز مطالعات مختلف برای امکان سنجی حضور انسان در فضا و ادامهی حیات بوده است. به منظور نیل به این مهم، از ابتدای عصر فضا، جانداران مختلفی برای بررسی اثرات گوناگون اقامت در فضا همچون شرایط بی وزنی و تأثیر پرتوهای کیهانی بر سیستم های حیاتی و … به فضا فرستاده شده اند.



در سال ۱۹۴۷ امریکا نخستین محموله های زیستی جهان را که شامل چند مگس، میوه، ذرت، جلبک و سایر گونه های گیاهی بود به منظور مطالعه ی اثرات تابش های مضر خورشیدی بر حیات در قالب چند پرتاب مختلف به فضا ارسال کرد.این پرتاب ها از نوع زیر مداری بودند. در ۱۴ ژوئن ۱۹۴۹، میمونی به نام آلبرت، نخستین پستاندار مسافر فضا شد و تا ارتفاع ۱۳۴ کیلومتری بالا رفت و بدین ترتیب لقب نخستین میمون فضانورد دنیا را نیز به دست آورد. البته این میمون در مسیر بازگشت به دلیل باز نشدن چتر نجات و بر اثر ضربه ی برخورد با زمین از بین رفت. در ۲۱ ژانویه ی ۱۹۵۱، اتحاد جماهیر شوروی سابق نیز دو سگ به نام های سایگان و دزیک را راهی پروازی زیرمداری کرد که هر دو به سلامت به زمین بازگشتند. در سوم نوامبر۱۹۵۷، تنها یک ماه پس از آغاز رسمی عصر فضا، شورویها با ارسال سگی به نام لایکا به فضا سوار بر اسپوتنیک ۲، نخستین موجود زنده را در مدار زمین قرار دادند. لایکا یک سگ ماده و نخستین موجود زنده بود که در مداری به دور زمین گردش کرد و این اتفاق در واقع نقطهی آغازی بر زیست شناسی فضایی بود.



پس از آن و با آغاز پروازهای فضایی انسان، مطالعه ی اثرات بی وزنی بر بدن انسان آغاز شده و برای نخستین بار تغییرات مهم در سامانه های زیستی بدن در یک پرواز فضایی توسط سرنشینان فضاپیمای سه نفره ی آپولو آشکار شد. این تغییرات شامل اختلالات قلبی، آنوم (کمبود گلبول قرمز در خون)، پوکی استخوان و عفونت شدید در طول پرواز و پس از آن می شد. سپس در سال های ۱۹۷۳ و ۱۹۷۴، مطالعه ی اثرات بیولوژیک جاذبه ی ناچیز در پروژهی اسکای لب نخستین آزمایشگاه سرنشین دار مداری آغاز شد.این آزمایشگاه توسط ناسا توسعه یافته و به فضا پرتاب شده بود. آزمایش های اسکای لب برای نخستین بار میزان تغییرات سامانه ی ایمنی بدن را در فضا آشکارکرد. در همین راستا، در بیشتر مراکز فضایی جهان به مطالعه ی اثرات مواجهه با شرایط فضا در جانداران و زیست شناسی فضایی توجه ویژه ای شده است. بی تردید، حضور بشر در فضا مدیون انجام این مطالعات بوده است اما آنچه در طول سالهای متمادی این مطالعات را یاری کرده است، استفاده از تجهیزات و ابزارهای پزشکی از ساده ترین تا پیچیده ترین آن ها بوده است. ازاین رو، در آژانسهای فضایی بخشی به تحقیقات مهندسی پزشکی و طراحی و ساخت تجهیزات مناسب برای ثبت و پایش علائم حیاتی فضانوردان اختصاص یافته است. پس می توان مدعی شد که مهندسی پزشکی در فضا همزمان با ایجاد زیست شناسی فضایی ایجاد شده است و هر دو تاریخچه ای هم زمان و وابسته به هم دارند.



پروژه ی مرکوری (Mercury space program) در طی سال های ۱۹۵۹ تا ۱۹۶۳ میلادی انجام گرفت و نخستین مأموریت فضایی سرنشیندار بود. پروازهای فضایی مرکوری به طور کلی شامل دو دسته بود: «فضاپیماهای رادستون» برای پروازهای زیر مداری و «فضاپیماهای اطلس» برای پروازهای مداری طراحی شده بودند. این پروژه شامل: بیست پرواز بدون سرنشین، دو پرواز زیرمداری سرنشین دار و چهار پرواز مداری سرنشین دار بود. برنامه ریزی و پژوهش های اولیه این پروژه توسط کمیته ملی مشاوران هوانوردی آمریکا (National Advisory Committee for Aeronautics) انجام شد و به طور رسمی توسط جانشین آن، ناسا ادامه یافت. پروژه ی مرکوری گام اول در رسیدن به ماه در برنامه فضایی امریکا بود که بعد ها توسط پروژه جمینای ادامه و در پروژه آپولو تحقق یافت. “آلن شپارد” با فضاپیمای مرکوری-رادستون ۳ به فضا پرتاب شد و به ارتفاع ۱۸۷ کیلومتر (۱۱۶ مایل) رسید و حدود ۱۵ دقیقه در فضا پرواز کرد و تبدیل به نخستین آمریکایی شد که به فضا رسیده است. در ۲۰ فوریه ۱۹۶۲، “جان گلن” با فضاپیمای مرکوری-اطلس ۶ به فضا پرتاب شد و ۲۶۵ کیلومتر از سطح زمین فاصله گرفت. او در کمتر از پنج ساعت، سه بار با فضاپیما پیرامون زمین گردید و تبدیل به نخستین آمریکایی شد که پیرامون زمین میگردد. با این پرواز فضایی، پروژه مرکوری به هدف اصلی خود، یعنی پرواز مداری رسید. این طرح در مدت ۵ سال به طول انجامید. این مقاله مروری بر تاریخچه ی پیدایش مهندسی پزشکی در پروژه ی مرکوری است.



در دهه ی ۱۹۴۰ هم زمان با پرتاب راکت های کاوش، رد پای تجهیزات پزشکی برای ثبت علائم حیاتی جاندار دیده میشود. در این پرتاب ها نرخ ضربان قلب یا تنفس موجود زنده ثبت می شد.
به تدریج با پیشرفت فناوری، ثبت علائم حیاتی درمأموریت ها رنگ تازه ای به خود گرفت به نحوی که درپروژه ی پرتاب شامپانزه ای به نام “هام” (HAM) در مأموریت مرکوری ـ ردستون ۲ در سال ۱۹۶۱، پارامترهای فیزیولوژیکی شامل سیگنال الکتریکی قلب (ECG)، سیگنال تنفس و دمای عمقی موجود ثبت شده است. این اطلاعات هم در حافظه ی تعبیه شده به این منظور ذخیره می شد و هم به ایستگاه زمینی مخابره می شد.

صندلی پرواز در این پروژه به گونه ای طراحی شده بود که مهار کننده فشار شامپانزه مورد نظر، سنسور فیزیولوژیکی، سخت افزار را در خود جای داده بود و همچنین صندلی پرواز متناسب با داخل کپسول مرکوری و بدون ایجاد هیچ گونه تغییری در کپسول طراحی شده و در آن جای داده شده بود. هدف از این پروژه بررسی رفتار و عملکرد جاندار در فضا بوده است.
سیگنال الکتریکی قلب موجود زنده با استفاده از سه الکترود دو عدد به صورت ایمپلنت در زیر پوست سینه و الکترود سوم روی پای چپ ثبت شد. دو الکترود ایمپلنت از فولاد ضد زنگ با قطر۰/۲۸ اینچ بودند که در فضای بین دنده ای تقریبی پنجم و ششم در قسمت قدامی سینه کاشته شدند با استفاده از سیگنال های الکتریکی قلب ثبت شده در طول پرتاب به روش شمارش کمپلکس های QRS نرخ ضربان قلب جاندار نیز به دست آمد.



لیدهای الکتروکاردیوگرام، سنسور تنفس، لباس و صندلی پرواز مخصوص شامپانزه را نشان می دهد.
شامپانزه “هام” و تکنسین در کنار لیدهای الکتروکاردیوگرام، سنسور تنفس و صندلی پرواز مخصوص شامپانزه در حال آماده سازی برای پرتاب هستند.
برای به دست آوردن تعداد تنفس شامپانزه، از یک امپدانس متر قفسه ی سینه استفاده شد که با اندازه گیری تغییرات حجم قفسه سینه بر اثر تنفس و تغییر امپدانس ناشی از آن، تعداد تنفس جاندار سنجیده می شد.
سنسور تنفس شامپانزه از جنس یک پلاستیک انعطاف پذیر بود و لوله های پلاستیکی آن با قطر داخلی ۱۲۵/۰ اینچ، قطر خارجی از ۱۸۷۵/۰ اینچ و به طول حدود کمتر از ۱ اینچ دور قفسه سینه گذاشته شده بود.
دمای عمقی نیز توسط حسگر رکتال که با استفاده از فیکسچرهای ساده ای روی کمر جاندار ثابت شده بود سنجیده شد. این حسگر در حدود ۸ اینچ در داخل مقعد قرار داده شد و توسط نوار اعمال شده به باسن ثبت می شد.

صندلی شامپانزه “هام”



سنسور فشار خون شامپانزه که درون صندلی پرواز مختص شامپانزه تعبیه شده بود.
سنسور فشار خون شامپانزه در فضاپیما میان فرورفتگی پای شامپانزه و صندلی پرواز نصب شد. فشار خون با استفاده از یک مبدل اندازه گیری با رنج ۵/۱۲ +/- فشار psi اندازه گیری شد. مبدل دوم، با رنج ۲/۵ +/ – فشار psi، برای فشار وریدی مورد استفاده قرار گرفت. فشارسنج در یک بلوک نصب شده که شامل دو استوانه، برای سنجش هریک از این ماشین ها شد. در پایان سیلندرهای لوله های پلی اتیلن به هم متصل می شدند. سیلندر به پیستون مجهز شده بودند که با استفاده از یک موتور کوچک کار می کردند. هر مقایسه کننده ی سنجش فشار ارتباطات آزادانه به یک سیلندر و به یکی از اتصالات لولههای پلی اتیلنی داشت. سیلندر با محلول هپارین رقیق (۱سی سی از ۱٫۰۰۰ واحد سی سی هپارین در ۵۰ سی سی نرمال سالین) پر شدند. دیسک موتور به پیستون به طوری متصل شده بودند که محلول هپارین تحت پرفیوژن بطنی بتواند از طریق هر سیستم سنجش فشار در نرخ حدود ۵/۲ میلی لیتر در ساعت اندازهگیری شود.
در مجموع ۲۰ ساعت مداوم کار با سنسور فشار خون ممکن بود. خروجی الکتریکی مبدل فشار با استفاده از یک نوسان سنج گالوانومتر ویژه طراحی شده ثبت شد. نوسان سنج استفاده شده به فیلم ۱۶ میلی متر در حال حرکت در ۷/۵ اینچ در هر دقیقه با ظرفیت ۵۰۰ فوت مجهز بود. این عملیات ضبط مداوم برای بیش از ۱۶ ساعت مجاز بود. ضبط کننده خود طوری طراحی شده بودکه بتواند هنگامی که به طور کامل در هر دو حالت آب و گازغوطه ور هست عمل نماید.



در پروژه ی مرکوری (سرنشین دار) برای چکاب پزشکی فضانورد از انتقال صداها به عنوان یک منبع با ارزش استفاده می شد. به گونه ای که در این پروازها، پزشکان برای ارزیابی خلبان از گزارش کردنِ پرسش و پاسخ استفاده می کردند. با این وجود، این روش اطلاعات چندان درستی را در اختیار پزشکان قرار نمی داد. تصاویر عکاسی و فیلم های گرفته شده توسط دوربین در حال پرواز نیز ارزش کمی را در نظارت پزشکی نشان دادند. این امر به دلیل موقعیت ضعیف دوربین ها و شرایط نوری مختلف که ناشی از وضعیت عملیاتی پرواز می شد، بود.

بدین منظور، دانشمندان به طراحی دستگاهی پرداختند که بتواند برخی از پارامترهای فیزیولوژیکی فضانورد را به دست آورد و در نظارت پزشکی به آنان کمک کند. این دستگاه “سیستم اندازگیری پارامترهای فیزیولوژیکی” یا به عبارتی “Bioinstrumentation System” نام داشت. سیستم اندازگیری پارامترهای فیزیولوژیکی دستگاهی است که مانندِ لباس توسط فضانوردان برای اندازه گیری پارامترهای اولیه فیزیولوژیکی سفر به فضا پوشیده می شد. این پارامترهای اصلی اندازه گیری شامل: ضربان قلب، فشار خون، تعداد تنفس و درجه حرارت بدن بودند. در نتیجه، در طراحی آن از بیوسنسورها استفاده کردند. این سنسورهای پزشکی در درجه اول با این هدف مورد استفاده قرار گرفت که تعیین کند آیا فضانورد از نظر فیزیولوژیکی قادر به ادامه مأموریت است یا نه؟ و در درجه دوم برای این که مشخص کند آیا انواع مختلفی از این سنسورهای پزشکی استفاده شده برای جمع آوری داده های پزشکی کفایت می کند یا نه؟

انواع این بیوسنسور ها شامل: سنسورهای نوار قلب (ECG)، سنسورهای نوار مغز (EEG) و



سنسورهای پاسخ گالوانیک پوست (GSR) می شدند. فضانوردان این سنسورهای زیست پزشکی را به عنوان بخشی از سیستم اندازهگیری پارامتر های فیزیولوژیکی زیر لباس فضایی خود می پوشیدند. این سنسورها در پروژه ی مرکوری ۳ تا ۹ مورد استفاده قرار گرفتند. هدف از این آزمایشات بررسی پاسخ های فیزیولوژیکی فضانوردان و هدف تحقیقاتی بررسی عملکرد فیزیولوژی قلب و عروق و پزشکی بالینی بود.
سیستم اندازه گیری پارامترهای فیزیولوژیکی در ارائه اطلاعات فیزیولوژیکی به پرسنل پزشکی زمینی مورد استفاده قرار گرفت. این وسیله از یک الکتروکاردیوگراف (ضربان نگار قلب)، یک امپیدانس دم سنج، یک مبدل DC به DC، دستگاه تهویه دما بدن و الکترود مناسب، حسگر دما و کابلهای به هم متصل شده تشکیل شده است. این سیستم همچنین، در مأموریتهای آپولو ۷ تا ۱۷، جمینی ۴ تا ۷ و برنامه ی اسکای لب مورد استفاده قرار گرفت.



الکترود سمت راست قبل از اینکه به پوست متصل شود برای اولین بار با چسب رنگ شده بود.
قرار گرفتن ۴ لید الکترو کاردیوگراف (ECG) را که به فضانوردان در طی پروژهی مرکوری وصل شده نشان می دهد. در پروژهی مرکوری برای اولین بار در طب هوا-فضا، چهار لید (ECG)مورد استفاده قرار گرفته بود.
الکترودهای الکتروکاردیوگرافی که از امپدانس پایین برخوردار بودند با تقویتکننده ی فضاپیما مطابقت داده شدند و در این پروژه برای پرواز دوامی بیشتر از ۳۰ ساعت، مورد نیاز بود که این الکترودها چنین ماندگاری را دارا بودند و عملکرد بسیار خوب و اطلاعات بسیار عالی از سرعت و ریتم ضربان قلب را فراهم کردند.
ادامه دارد…

منابع :

ماهنامه مهندسی پزشکی