[[286902]] 

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

人類已經進化了數(shù)百萬年，充分適應了地球上的生活條件。但如今，人類正在計劃長時間的太空任務，這就迫使宇航員不得不在太空環(huán)境下居住更長時間。

NASA計劃在2025年將人類送上小行星，并在2030年代將人類送往火星。其中，NASA的“火星之旅”計劃是有史以來時間周期最長的載人航天任務，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間內適應太空條件，但長時間太空旅行仍會給人體帶來種種壓力。根據(jù)以往的經驗來看，返回地球的宇航員往往會在視力、平衡能力、力量、協(xié)調性以及血壓等各個方面經歷一系列變化。

在地球上，人體肌肉會自然抵抗重力的影響。但在太空環(huán)境下，肌肉會逐漸萎縮，導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個月之內就損失高達50%的肌肉比例。另外，太空環(huán)境中，礦物質排出體外的速度也要比地球上快得多，導致人體骨骼密度每個月下降1%。這樣的狀況，基本相當于地球上老年人一年的骨質流失速率。也就是說，宇航員存在罹患骨質疏松癥的風險，可能導致骨折以及過度駝背。骨質疏松導致宇航員跌倒的風險提高40%，髖部骨折風險提高25%，死亡風險更將提高82%。

所以，參與長時間太空飛行的宇航員們，非常需要得到關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化研究所(TRISH)開展合作，共同開發(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)學院負責領導的技術聯(lián)盟，參與者包括CalTech以及麻省理工學院。該聯(lián)盟正在利用一系列最先進的生物醫(yī)學研究方法，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癌癥中心的AI精準醫(yī)學研究院

身體形態(tài)是一切原子變化過程的終產物，因此，身體形態(tài)的改變，可以說是體能下降最為直觀的警告性表現(xiàn)。針對于此，AI-PHI的研究人員正在研究身體形態(tài)信息如何反應強度、身體組成以及血液生物標記等健康標記的關聯(lián)性。3D光學模型能夠準確估算人體中的骨骼與肌肉成分，進而監(jiān)測身體機能下降的具體風險水平。研究人員們利用AI技術分析數(shù)據(jù)，整理出大量重要信息。

ASTRO3DO研究的目標，在于開發(fā)出一套突破性方案，幫助宇航員完成NASA“火星之旅”等各類長期太空飛行計劃。該團隊目前正在使用AI設計定制的3D光學掃描儀，用以監(jiān)控宇航員在太空環(huán)境中的身體成分變化。

項目目標是確定3D光學攝像機的最佳性能與太空應用可行性，借以收集人體視圖并準確分析體成分比例。Shepherd博士計劃利用他在美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)支持的“Shape Up!Study”項目中積累的經驗，進一步探索宇航員的身體變化之謎。該小組將在太空艙內安裝多個小型攝像機以收集數(shù)據(jù)。宇航員在太空中漂浮時，身體會自然旋轉，因此攝像機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)相關的有價值反饋。更重要的是，3D掃描儀本身安全廉價，且易于使用。

▲ 利用AI技術分析3D光學圖像，從而測量包括脂肪、肌肉以及骨骼在內的確切人體構成

ASTRO3DO研究小組還將開發(fā)出一系列改善太空環(huán)境下人類健康與機能的突破性方法，幫助宇航員在飛行過程中持續(xù)監(jiān)測自己的骨骼與肌肉質量，從而切實延長探索任務的執(zhí)行周期。事實上，經歷長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)展為骨質疏松癥，最終導致椎骨或髖骨骨折并出現(xiàn)后凸畸形。

這項研究將利用3D光學掃描以及流體重新分配，監(jiān)測宇航員的體能下降風險。目前的3DO模型已經能夠準確估算人體內的骨骼與肌肉比例，但還缺乏在太空環(huán)境下的適應性使用經驗。為了模擬太空條件，Shepherd團隊將推動進一步研究，嘗試利用硬件、算法以及微重力模擬物等增強模型性能，同時為飛行期間的微重力測試需求構建可行的仿真空間。這項研究的長期目標，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險。項目的基本假設，在于利用反映人體成分的3DO模型匹配太空艙內的硬件設計，最終解決太空條件給人體帶來的健康挑戰(zhàn)。

▲ 來自AI-PHI、NASA以及NCSF的ASTRO3DO研究小組成員

此項研究的具體目標包括：

• 通過模擬人體表征的分辨率、成幀速率、采集精度以及對比度等細節(jié)，確定3D光學攝像機在采集人體視圖時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(內臟脂肪、皮下脂肪、腰椎BMD)以及自動人體測量學(消除姿勢影響、受限視圖掃描與分析等)的準確性與精度，并將結果與標準方法(DXA與高分辨率3DO)進行比較。
• 明確3DO身體成分與自動人體測量學方案的精度水平與精度上限，利用其他替代性條件(姿勢、姿態(tài)、反重力、反向靴)、浮力(水下)以及微重力(蹦床頂點)掌握太空環(huán)境對測量造成的影響
• 構建并描述原型設計方案在微重力條件下的性能表現(xiàn)。

這項研究極具創(chuàng)新性，有望真正將長周期太空飛行條件下的宇航員健康保護納入科研范疇。此外，相關方法也將適用于存在類似身體變化狀況的癌癥患者。身體成分測量屬于癌癥研究當中一個相對較新的領域，能夠幫助我們了解肥胖與體態(tài)同癌癥發(fā)展及結果之間的關聯(lián)。ASTRO3DO研究的結果，也將適用于癌癥惡病質研究，從而幫助我們了解并預防與癌癥相關的肌肉流失問題，改善癌癥患者的生活質量。正因為如此，Stepherd博士計劃在夏威夷大學癌癥中心對惡病質患者進行隨訪研究。

除了為太空環(huán)境下的宇航員提供助力之外，世界各地的科學家也在嘗試利用AI等一系列先進技術探索健康狀況的監(jiān)測之道。也許終有一天，我們能夠修復與生物衰老過程相關的體損失，甚至恢復老年人的免疫系統(tǒng)功能。這項研究將幫助人類安全前往火星，同時也以務實的態(tài)度幫助繼續(xù)生活在地球上的人類延長健康壽命。