[[286902]] 

▲ 由Rosetta號(hào)航天器利用光學(xué)、光譜與紅外遠(yuǎn)程成像系統(tǒng)(OSIRIS)拍攝的火星自然色照片

人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年，充分適應(yīng)了地球上的生活條件。但如今，人類(lèi)正在計(jì)劃長(zhǎng)時(shí)間的太空任務(wù)，這就迫使宇航員不得不在太空環(huán)境下居住更長(zhǎng)時(shí)間。

NASA計(jì)劃在2025年將人類(lèi)送上小行星，并在2030年代將人類(lèi)送往火星。其中，NASA的“火星之旅”計(jì)劃是有史以來(lái)時(shí)間周期最長(zhǎng)的載人航天任務(wù)，要求宇航員在太空環(huán)境中生活三年以上。雖然宇航員能夠在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)太空條件，但長(zhǎng)時(shí)間太空旅行仍會(huì)給人體帶來(lái)種種壓力。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，返回地球的宇航員往往會(huì)在視力、平衡能力、力量、協(xié)調(diào)性以及血壓等各個(gè)方面經(jīng)歷一系列變化。

在地球上，人體肌肉會(huì)自然抵抗重力的影響。但在太空環(huán)境下，肌肉會(huì)逐漸萎縮，導(dǎo)致宇航員的肌含量快速下降。在微重力作用下，宇航員往往在6個(gè)月之內(nèi)就損失高達(dá)50%的肌肉比例。另外，太空環(huán)境中，礦物質(zhì)排出體外的速度也要比地球上快得多，導(dǎo)致人體骨骼密度每個(gè)月下降1%。這樣的狀況，基本相當(dāng)于地球上老年人一年的骨質(zhì)流失速率。也就是說(shuō)，宇航員存在罹患骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致骨折以及過(guò)度駝背。骨質(zhì)疏松導(dǎo)致宇航員跌倒的風(fēng)險(xiǎn)提高40%，髖部骨折風(fēng)險(xiǎn)提高25%，死亡風(fēng)險(xiǎn)更將提高82%。

所以，參與長(zhǎng)時(shí)間太空飛行的宇航員們，非常需要得到關(guān)于其肌肉量與骨骼量的直接反饋。

NASA目前正在與太空健康轉(zhuǎn)化研究所(TRISH)開(kāi)展合作，共同開(kāi)發(fā)創(chuàng)新方法以保證人體在太空中的健康狀態(tài)。TRISH是由貝勒醫(yī)學(xué)院負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)的技術(shù)聯(lián)盟，參與者包括CalTech以及麻省理工學(xué)院。該聯(lián)盟正在利用一系列最先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)研究方法，配合“模擬環(huán)境到太空環(huán)境”模型，希望幫助宇航員找到可持續(xù)的太空生存之道。

[[286903]] 

▲ 位于檀香山夏威夷大學(xué)癌癥中心的AI精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院

身體形態(tài)是一切原子變化過(guò)程的終產(chǎn)物，因此，身體形態(tài)的改變，可以說(shuō)是體能下降最為直觀的警告性表現(xiàn)。針對(duì)于此，AI-PHI的研究人員正在研究身體形態(tài)信息如何反應(yīng)強(qiáng)度、身體組成以及血液生物標(biāo)記等健康標(biāo)記的關(guān)聯(lián)性。3D光學(xué)模型能夠準(zhǔn)確估算人體中的骨骼與肌肉成分，進(jìn)而監(jiān)測(cè)身體機(jī)能下降的具體風(fēng)險(xiǎn)水平。研究人員們利用AI技術(shù)分析數(shù)據(jù)，整理出大量重要信息。

ASTRO3DO研究的目標(biāo)，在于開(kāi)發(fā)出一套突破性方案，幫助宇航員完成NASA“火星之旅”等各類(lèi)長(zhǎng)期太空飛行計(jì)劃。該團(tuán)隊(duì)目前正在使用AI設(shè)計(jì)定制的3D光學(xué)掃描儀，用以監(jiān)控宇航員在太空環(huán)境中的身體成分變化。

項(xiàng)目目標(biāo)是確定3D光學(xué)攝像機(jī)的最佳性能與太空應(yīng)用可行性，借以收集人體視圖并準(zhǔn)確分析體成分比例。Shepherd博士計(jì)劃利用他在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)支持的“Shape Up!Study”項(xiàng)目中積累的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步探索宇航員的身體變化之謎。該小組將在太空艙內(nèi)安裝多個(gè)小型攝像機(jī)以收集數(shù)據(jù)。宇航員在太空中漂浮時(shí)，身體會(huì)自然旋轉(zhuǎn)，因此攝像機(jī)能夠輕松捕捉他們的完整體貌。利用3D掃描儀監(jiān)控身體形態(tài)，能夠有效提供與健康狀態(tài)相關(guān)的有價(jià)值反饋。更重要的是，3D掃描儀本身安全廉價(jià)，且易于使用。

▲ 利用AI技術(shù)分析3D光學(xué)圖像，從而測(cè)量包括脂肪、肌肉以及骨骼在內(nèi)的確切人體構(gòu)成

ASTRO3DO研究小組還將開(kāi)發(fā)出一系列改善太空環(huán)境下人類(lèi)健康與機(jī)能的突破性方法，幫助宇航員在飛行過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)自己的骨骼與肌肉質(zhì)量，從而切實(shí)延長(zhǎng)探索任務(wù)的執(zhí)行周期。事實(shí)上，經(jīng)歷長(zhǎng)途飛行并返回的宇航員，很有可能出現(xiàn)肌肉減少以及精神萎頓等癥狀，甚至在火星上發(fā)展為骨質(zhì)疏松癥，最終導(dǎo)致椎骨或髖骨骨折并出現(xiàn)后凸畸形。

這項(xiàng)研究將利用3D光學(xué)掃描以及流體重新分配，監(jiān)測(cè)宇航員的體能下降風(fēng)險(xiǎn)。目前的3DO模型已經(jīng)能夠準(zhǔn)確估算人體內(nèi)的骨骼與肌肉比例，但還缺乏在太空環(huán)境下的適應(yīng)性使用經(jīng)驗(yàn)。為了模擬太空條件，Shepherd團(tuán)隊(duì)將推動(dòng)進(jìn)一步研究，嘗試?yán)糜布⑺惴ㄒ约拔⒅亓δM物等增強(qiáng)模型性能，同時(shí)為飛行期間的微重力測(cè)試需求構(gòu)建可行的仿真空間。這項(xiàng)研究的長(zhǎng)期目標(biāo)，是創(chuàng)造出一種在太空中可行的裝置與方法，量化宇航員的體能變化與骨折風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目的基本假設(shè)，在于利用反映人體成分的3DO模型匹配太空艙內(nèi)的硬件設(shè)計(jì)，最終解決太空條件給人體帶來(lái)的健康挑戰(zhàn)。

▲ 來(lái)自AI-PHI、NASA以及NCSF的ASTRO3DO研究小組成員

此項(xiàng)研究的具體目標(biāo)包括：

• 通過(guò)模擬人體表征的分辨率、成幀速率、采集精度以及對(duì)比度等細(xì)節(jié)，確定3D光學(xué)攝像機(jī)在采集人體視圖時(shí)的最佳性能與太空環(huán)境可行性。
• 探索并確定3DO在全身成分(肌肉、脂肪、脂肪百分比、BMD)、特殊區(qū)域(內(nèi)臟脂肪、皮下脂肪、腰椎BMD)以及自動(dòng)人體測(cè)量學(xué)(消除姿勢(shì)影響、受限視圖掃描與分析等)的準(zhǔn)確性與精度，并將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法(DXA與高分辨率3DO)進(jìn)行比較。
• 明確3DO身體成分與自動(dòng)人體測(cè)量學(xué)方案的精度水平與精度上限，利用其他替代性條件(姿勢(shì)、姿態(tài)、反重力、反向靴)、浮力(水下)以及微重力(蹦床頂點(diǎn))掌握太空環(huán)境對(duì)測(cè)量造成的影響
• 構(gòu)建并描述原型設(shè)計(jì)方案在微重力條件下的性能表現(xiàn)。

這項(xiàng)研究極具創(chuàng)新性，有望真正將長(zhǎng)周期太空飛行條件下的宇航員健康保護(hù)納入科研范疇。此外，相關(guān)方法也將適用于存在類(lèi)似身體變化狀況的癌癥患者。身體成分測(cè)量屬于癌癥研究當(dāng)中一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，能夠幫助我們了解肥胖與體態(tài)同癌癥發(fā)展及結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。ASTRO3DO研究的結(jié)果，也將適用于癌癥惡病質(zhì)研究，從而幫助我們了解并預(yù)防與癌癥相關(guān)的肌肉流失問(wèn)題，改善癌癥患者的生活質(zhì)量。正因?yàn)槿绱?，Stepherd博士計(jì)劃在夏威夷大學(xué)癌癥中心對(duì)惡病質(zhì)患者進(jìn)行隨訪研究。

除了為太空環(huán)境下的宇航員提供助力之外，世界各地的科學(xué)家也在嘗試?yán)肁I等一系列先進(jìn)技術(shù)探索健康狀況的監(jiān)測(cè)之道。也許終有一天，我們能夠修復(fù)與生物衰老過(guò)程相關(guān)的體損失，甚至恢復(fù)老年人的免疫系統(tǒng)功能。這項(xiàng)研究將幫助人類(lèi)安全前往火星，同時(shí)也以務(wù)實(shí)的態(tài)度幫助繼續(xù)生活在地球上的人類(lèi)延長(zhǎng)健康壽命。