AIが宇宙飛行士の健康を宇宙で監視する方法

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▲ 火星探査機ロゼッタが光学スペクトル赤外線リモートイメージングシステム（OSIRIS）を使用して撮影した火星の自然色写真

人類は何百万年もかけて進化し、地球上の生活環境に完全に適応してきました。しかし今日、人類は長期の宇宙ミッションを計画しており、宇宙飛行士はより長い期間、宇宙環境で生活することを余儀なくされています。

NASAは2025年までに人類を小惑星に、2030年代には火星に送る計画を立てている。中でもNASAの「火星への旅」計画は、宇宙飛行士が3年以上宇宙環境で生活することを必要とする、史上最長の有人宇宙ミッションとなる。宇宙飛行士は短期間で宇宙環境に適応することができますが、長期間の宇宙旅行は人体にさまざまなストレスを与えます。過去の経験に基づくと、地球に帰還した宇宙飛行士は、視力、バランス、筋力、協調性、血圧の一連の変化を経験することが多い。

地球上では、私たちの筋肉は自然に重力の影響に抵抗します。しかし、宇宙環境では筋肉は徐々に萎縮し、宇宙飛行士の筋肉量は急激に減少します。微小重力の影響により、宇宙飛行士は6か月以内に筋肉量の最大50%を失うことがよくあります。さらに、宇宙環境では地球上よりもはるかに速くミネラルが体外に排出されるため、人間の骨密度は毎月1％ずつ減少します。この状況は、地球上の高齢者の1年間の骨量減少率と基本的に同じです。つまり、宇宙飛行士は骨粗しょう症のリスクがあり、骨折や過度の猫背につながる可能性がある。骨粗しょう症により、宇宙飛行士の転倒リスクは 40%、股関節骨折リスクは 25%、死亡リスクは 82% 増加します。

したがって、長期の宇宙飛行に参加する宇宙飛行士は、筋肉量と骨量に関する直接的なフィードバックを大いに必要としています。

NASAは現在、宇宙保健トランスレーショナルリサーチ研究所（TRISH）と協力して、宇宙で人体を健康に保つ革新的な方法の開発に取り組んでいます。 TRISH は、ベイラー医科大学が主導し、カリフォルニア工科大学やマサチューセッツ工科大学などが参加する技術コンソーシアムです。同連合は、宇宙飛行士が宇宙で生き残るための持続可能な方法を見つけるのを支援するために、「宇宙環境をシミュレートした」モデルと組み合わせたさまざまな最先端の生物医学研究手法を使用している。

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▲ホノルルにあるハワイ大学がんセンターのAI精密医療研究所

体型は、すべての原子変化プロセスの最終産物です。したがって、体型の変化は、体力の低下を最も直感的に警告する兆候であると言えます。この目的のために、AI-PHI の研究者は、体型情報が筋力、体組成、血液バイオマーカーなどの健康マーカーとの関連性をどのように反映しているかを研究しています。 3D光学モデルは人体の骨と筋肉の構成を正確に推定し、身体の衰えの具体的なリスクレベルを監視することができます。研究者たちはAI技術を使ってデータを分析し、多くの重要な情報を整理しました。

ASTRO3DO の研究目標は、NASA の「火星への旅」など、宇宙飛行士がさまざまな長期宇宙飛行プログラムを完了するのに役立つ画期的なソリューションを開発することです。チームは現在、AI を活用して、宇宙環境における宇宙飛行士の体組成の変化を監視するためのカスタム 3D 光学スキャナーを設計しています。

このプロジェクトの目標は、人体の画像を収集し、体組成比を正確に分析するための宇宙用途向け 3D 光学カメラの最適な性能と実現可能性を判断することです。シェパード博士は、国立衛生研究所 (NIH) が支援する Shape Up! 研究プロジェクトでの経験を活かして、宇宙飛行士の身体的変化の謎をさらに探究する予定です。研究チームは、データを収集するためにカプセル内にいくつかの小型カメラを設置する予定だ。宇宙飛行士は宇宙空間に浮かんでいるため、体が自然に回転するため、カメラは簡単に全身の形を撮影することができます。 3D スキャナーを使用して体の形状を監視すると、健康状態に関する貴重なフィードバックを効果的に提供できます。さらに、3D スキャナー自体は安全で、安価で、使いやすいです。

▲ AI技術を用いて3D光学画像を分析し、脂肪、筋肉、骨などの正確な体組成を測定

ASTRO3DO研究チームはまた、宇宙環境における人間の健康と機能を改善するための一連の画期的な方法を開発し、宇宙飛行士が飛行中に骨と筋肉の量を継続的に監視できるようにすることで、探査ミッションの実行期間を効果的に延長します。実際、長距離飛行を経験して帰還した宇宙飛行士は、火星で筋肉の喪失や精神的疲労などの症状を経験し、さらには骨粗しょう症を発症し、最終的には脊椎や股関節の骨折や脊柱後弯症につながる可能性が高い。

この研究では、3D光学スキャンと体液再分配を利用して、宇宙飛行士の身体機能低下のリスクを監視します。現在の 3DO モデルは、人体の骨と筋肉の比率をすでに正確に推定できますが、宇宙環境での適応使用の経験はまだ不足しています。宇宙環境をシミュレートするために、シェパード氏のチームは、飛行中の微小重力テストのニーズに対応できるシミュレーション空間を構築しながら、ハードウェア、アルゴリズム、微小重力シミュレータを使用してモデルのパフォーマンスを向上させるためのさらなる研究を推進します。この研究の長期的な目標は、宇宙飛行士の身体的変化と骨折リスクを定量化するために宇宙で使用できる装置と方法を開発することです。このプロジェクトの基本的な前提は、人体の構成を反映した 3DO モデルを使用して宇宙カプセルのハードウェア設計に一致させ、最終的に宇宙環境が人体にもたらす健康上の課題を解決することです。

▲ ASTRO3DO研究チームのメンバー（AI-PHI、NASA、NCSF）

この研究の具体的な目的は次のとおりです。

• 人体表現の解像度、フレームレート、取得精度、コントラストなどの詳細をシミュレートすることで、人体ビューを取得する際の 3D 光学カメラの最適なパフォーマンスと宇宙環境の実現可能性を決定します。
• 全身組成（筋肉、脂肪、脂肪率、BMD）、特定部位（内臓脂肪、皮下脂肪、腰椎BMD）、自動人体測定（姿勢の影響の排除、限定視野のスキャンと分析など）に対する3DOの精度と正確さを調査および判定し、その結果を標準的な方法（DXAおよび高解像度3DO）と比較します。
• 3DO 体組成および自動人体測定ソリューションの精度レベルと上限を決定し、代替条件 (姿勢、姿勢、反重力、反転ブーツ)、浮力 (水中)、微小重力 (トランポリンの上部) を使用して、宇宙環境が測定に与える影響を理解します。
• 微小重力下でプロトタイプ設計を構築し、その性能を特徴付けます。

この研究は非常に革新的であり、長期宇宙飛行環境下における宇宙飛行士の健康保護を真に科学研究の範囲に組み込むことが期待されます。さらに、この方法は同様の身体的変化を呈する癌患者にも適用できるだろう。体組成測定はがん研究の比較的新しい分野であり、肥満や体型ががんの発症や転帰にどのように関連しているかを理解するのに役立ちます。 ASTRO3DO 研究の結果は癌性悪液質の研究にも応用でき、癌に伴う筋肉の喪失を理解して予防し、癌患者の生活の質を向上させるのに役立ちます。このため、ステファード博士はハワイ大学がんセンターで悪液質患者の追跡調査を行う予定です。

宇宙環境で宇宙飛行士を支援することに加えて、世界中の科学者は、AIなどの一連の先進技術を使用して健康状態を監視する方法を模索しています。おそらくいつの日か、生物学的老化プロセスに関連する身体の損失を修復し、高齢者の免疫システム機能を回復させることさえできるようになるでしょう。この研究は、人類が安全に火星へ旅することを助けると同時に、地球上で暮らし続ける人類が実用的な方法で健康寿命を延ばすことにも役立つでしょう。