宇航員在失重情況下漂浮的畫面，是不是特別酷炫？但是，失重的太空環(huán)境并沒有想象中美好，人類長期適應(yīng)于地球的引力作用，一旦進入空間飛行的失重狀態(tài)，生理系統(tǒng)就不可避免地發(fā)生一系列適應(yīng)性變化，即失重生理效應(yīng)。為了應(yīng)對失重導致的不良生理效應(yīng)，我們是如何在地面對失重狀態(tài)進行模擬和研究，并加以防護措施的呢？

近期，研究院公眾號將陸續(xù)推出4篇系列文章，為大家詳細介紹在地面對失重狀態(tài)進行模擬和研究的“臥床實驗”。

臥床實驗之一——什么是臥床實驗

目前，空間微重力環(huán)境地面模擬主要通過以下手段實現(xiàn)：落塔法、拋物飛行法、水浮法、氣浮法、懸吊法、以及在醫(yī)學研究中應(yīng)用的頭低腳高位臥床法（人體）和尾部/后肢懸吊法（動物）。

圖1   航天飛行導致的失重生理效應(yīng)

頭低腳高位臥床法（人體）即頭低位臥床實驗（Head-down Bed Rest Experiment），它可以模擬失重所引起的體液頭向分布和運動減少對人體的影響，其所引起的心血管功能紊亂、肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松、內(nèi)分泌失調(diào)、水鹽代謝變化、免疫功能下降等變化與失重的影響也十分相似。因此，可以用頭低位臥床實驗進行失重對人體生理功能影響、機理和防護措施等研究，此方法簡單、易行，是目前應(yīng)用最廣泛的人體模擬失重的方法，有關(guān)失重對人體生理影響的機理認識也大多來自頭低位臥床實驗。

50年代，前蘇聯(lián)、美國就開始進行頭低位臥床實驗（表1），我國自60年代起也進行了頭低位臥床實驗。1971年，前蘇聯(lián)Genin等利用9名志愿者進行了4°頭低位臥床30天，此后頭低位臥床就被作為人體模擬失重的主要方法，并為認識長期模擬失重生理效應(yīng)積累了大量信息。最初，臥床實驗主要用于模擬失重對心血管系統(tǒng)的影響，此階段美國和前蘇聯(lián)/俄羅斯在每次發(fā)射任務(wù)前，都進行了與飛行任務(wù)相同（時間）的地面頭低位臥床實驗，以預測航天員在飛行中可能發(fā)生的生理改變；之后逐漸用于研究失重對多個生理系統(tǒng)的影響研究。

表1   前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國、歐洲臥床實驗完成情況回顧

頭低位臥床實驗發(fā)展史可分為三個不同的階段：第一階段（20世紀70～80年代）主要針對短期飛行急性適應(yīng)期出現(xiàn)的醫(yī)學問題，如體液急性丟失與轉(zhuǎn)移、感覺系統(tǒng)相互作用的變化等，頭低位臥床實驗周期一般為7～15天；第二階段（20世紀90年代）主要針對中期飛行出現(xiàn)的心血管功能失調(diào)、肌肉萎縮、立位耐力下降等，實驗周期一般為30～60天；第三階段（2002年～）主要關(guān)注長期飛行中和返回后骨質(zhì)丟失持續(xù)惡化的最大程度及其誘發(fā)的其它醫(yī)學問題等，兼顧長期飛行中由于高應(yīng)激、免疫功能下降等問題，實驗周期一般為90～150天甚至更長。

頭低位臥床實驗一般在特殊的臥床實驗室中進行。例如，美國NASA的阿莫斯研究中心就是專門進行頭低位臥床實驗研究的場所。頭低位臥床實驗的組織實施包括志愿者的選拔和培訓、實驗管理等，實驗的實施必須符合醫(yī)學倫理學要求。由于人的個體差異很大，在招募志愿者時，一般會根據(jù)實驗的目的確定招募志愿者的年齡、性別、高度、體重、脂肪含量、運動能力和健康狀態(tài)等條件。

頭低位臥床實驗過程通常包括三個時期，即志愿者自由活動期、頭低位臥床期和恢復期。自由活動期即志愿者到達臥床實驗室后大約需要花費一至兩周的時間以適應(yīng)實驗環(huán)境和飲食。臥床期即志愿者在頭低位臥床期間身體只能仰臥、平躺、翻身、側(cè)身，可以說吃喝拉撒睡玩和測試都在床上進行，整個實驗過程飲食和營養(yǎng)也會受到嚴格監(jiān)測和控制（圖2）；恢復期即志愿者起床以后處于自由活動狀態(tài)，有專門工作的人員協(xié)助進行后恢復，模擬航天員航天返回后的再適應(yīng)地球環(huán)境的過程。

圖2    6°頭低位臥床實驗

頭低位臥床實驗可以模擬失重所引起的身體一系列生理變化，包括運動能力的降低、體液的頭向分布、激素和代謝改變、姿勢感覺的部分喪失、骨骼肌肉系去負荷、代謝需求減少以及立位耐力下降等。臥床的角度是0°~-12°（即頭低位12°），甚至更低，目前大多采用-6°。大量研究證實，頭低位臥床實驗是一種很好的模擬失重生理效應(yīng)的模型。通過頭低位臥床實驗，人們既能預測長期空間飛行可能發(fā)生的不利影響，闡明失重生理效應(yīng)發(fā)生的機制，也能評價某些對抗措施的效果，為長期空間飛行后人類重返重力場提供必要幫助。

盡管完成頭低位臥床實驗需要特殊的場所和裝置，且方法和程序較為復雜的，但科學價值巨大，美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯、法國以及日本等發(fā)達國家均開展了廣泛的頭低位臥床實驗研究，NASA及ESA已完成90天～120天的頭低位臥床實驗，俄羅斯甚至已完成400多天的實驗，積累了大量數(shù)據(jù)。

臥床實驗之二——我國臥床實驗發(fā)展歷程

我國針對短期飛行中生理效應(yīng)開展了多次7～21天臥床實驗研究，積累了豐富的頭低位臥床實驗經(jīng)驗，逐漸建立了短期模擬失重的生理效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，驗證了針對短期飛行中航天醫(yī)學問題的防護措施效果，體液補充和藥物等對抗措施已在神舟6、7號飛行任務(wù)中得到應(yīng)用。

2007年，由中國航天員科研訓練中心主持，法國航天局、香港中文大學和第四軍醫(yī)大學等單位協(xié)作，進行了代號為“地星一號”的60天頭低位臥床實驗。

“地星一號”60天頭低位臥床實驗

我國科研人員和法國專家一起為志愿者進行測試前準備

研究人員對志愿者進行心血管超聲檢測

臥床實驗團隊與志愿者合影

“地星一號”實驗是我國航天醫(yī)學領(lǐng)域首次開展的大型人體綜合實驗，于2007年11月10日至2008年2月16日完成實施。該項目通過21名男性志愿者（分為臥床對照組、阻抗鍛煉組和藥物防護組）60天-6°頭低位臥床模擬失重，研究了失重對人體心血管生理影響、阻抗振動對骨丟失和肌肉萎縮的對抗作用以及失重狀態(tài)下傳統(tǒng)中醫(yī)藥對人體的防護作用等三大主要內(nèi)容，共計發(fā)表SCI論文8篇。

60天頭低位臥床實驗實現(xiàn)了21名志愿者全程完成實驗、所獲數(shù)據(jù)可靠、參試人員零失誤的目標，獲取了60天模擬失重生理效應(yīng)的人體數(shù)據(jù)，驗證了交會對接任務(wù)階段相關(guān)對抗措施的有效性，積累了大型醫(yī)學實驗志愿者管理經(jīng)驗，為推進自主創(chuàng)新、組織實施交會對接任務(wù)奠定了堅實基礎(chǔ)。實驗的圓滿成功突破了現(xiàn)有實驗?zāi)芰Γs小了與國外同類研究的差距，明顯提高了我國航天醫(yī)學研究水平。

2010年7-8月，航天員中心組織開展了我國首次女性15天頭低位臥床實驗，志愿者為22名在校女大學生。該實驗項目系統(tǒng)研究了青年女性的失重生理效應(yīng)規(guī)律與防護特征，發(fā)現(xiàn)的模擬失重后立位耐力下降的性別差異及發(fā)生機制，創(chuàng)建的下體負壓聯(lián)合自行車功量計防護鍛煉處方，提出的女性航天員在軌醫(yī)學監(jiān)督保障要點等已在交會對接任務(wù)中應(yīng)用，為我國女性航天員首飛成功提供了有力支撐。

女性頭低位臥床實驗的志愿者合影

下體負壓防護實施

運動心肺功能測試

首席科學家和臥床實驗技術(shù)總體負責人在臥床試驗現(xiàn)場

上肢典型動作力量測試

臥床運動能力測試

通過多次臥床實驗的開展，有效驗證了失重防護措施的效果，為我國交會對接及后續(xù)任務(wù)失重生理效應(yīng)防護提供了有效的理論支持。

臥床實驗之三——研究院臥床實驗設(shè)施

隨著我國空間站任務(wù)的推進，研究院也將組織開展90天頭低位臥床模擬失重實驗來驗證長期失重生理效應(yīng)防護技術(shù)。研究院前期已經(jīng)成功組織開展了“綠航星際-4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗”和“源航行動-12人24天人體低代謝調(diào)節(jié)技術(shù)實驗”，為此次實驗奠定了良好的基礎(chǔ)。

對于此次大規(guī)模臥床模擬失重實驗，研究院已經(jīng)籌備多年，共完成約三千萬元的航天醫(yī)學平臺建設(shè)（重力環(huán)境效應(yīng)與健康維護技術(shù)實驗室）。該平臺主要包括三大系統(tǒng)：重力環(huán)境模擬（模擬失重與超重/低重、中央監(jiān)控與設(shè)備管理）、生理效應(yīng)研究（心血管、骨骼生理、運動生理、前庭功能）、健康維護系統(tǒng)（行走能力維護、頸椎功能維護、下肢力量維護）。其中模擬失重床、干浸水槽、短臂離心機、零重力跑臺、抗阻力鍛煉系統(tǒng)是自研設(shè)備。

航天醫(yī)學平臺（重力環(huán)境效應(yīng)與健康維護技術(shù)實驗室）

自助式頭低位實驗床

將建成能夠同時容納40名志愿者開展系統(tǒng)實驗的頭低位臥床實驗室，實驗室配有24小時中央監(jiān)控支持系統(tǒng)，自助式頭低位實驗床，先進的基礎(chǔ)生理數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，自動化旋轉(zhuǎn)立位床和眾多先進檢測設(shè)備，為研究人員最大限度提供了研究便利。

臥床實驗之四——智能臥位實驗床

智能臥位實驗床，即自助式頭低位實驗床，源自航天醫(yī)學專利產(chǎn)品《多功能集成微重力生理效應(yīng)模擬床》和《多重力模擬生活照料床》。在航天醫(yī)學中主要用于開展長期頭低位臥床模擬失重實驗研究，經(jīng)過改良和加工成自助式多功能照料床后，未來在臨床護理和居家養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有廣闊前景。

智能臥位實驗床

該產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)長期臥床病人、老年人進行洗漱、進食、飲水、娛樂等日常生活自我照料，能夠進行心率、呼吸、睡眠等多生理參數(shù)監(jiān)測，也能進行早期心血管和下肢功能康復鍛煉。本產(chǎn)品在提高殘疾人生活質(zhì)量的同時降低了家庭或機構(gòu)護理人員工作強度，提高護理效率。配套的中央管理主機能夠?qū)Χ鄰堈樟洗策M行集中管理，便于進行較大規(guī)模照料護理監(jiān)測。

養(yǎng)老市場狀況：（1）失能老年人口數(shù)量與日俱增；2016年10月，由全國老齡辦、民政部、財政部共同發(fā)布的第四次中國城鄉(xiāng)老年人生活狀況抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，我國失能、半失能老年人大致4063萬人，占老年人口18.3%，據(jù)測算，失能老人2030年將達到6168萬人，2050年將達到9750萬人。（2）養(yǎng)老機構(gòu)人力成本高，且專業(yè)護理人才缺口破千萬；目前我國各地養(yǎng)老機構(gòu)約有4萬家，具有醫(yī)療服務(wù)能力的不足20%，養(yǎng)老護理人員缺口約1千萬， 92%的民辦養(yǎng)老院遭遇招工難題，有10.4%的養(yǎng)老機構(gòu)反映護理人員不足開始影響機構(gòu)運轉(zhuǎn)，有55.2%的養(yǎng)老機構(gòu)表示人手較為緊張。預計2030年市場規(guī)模將增至6億元，到2050年將增至10億元。

本產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢及主要特點

1. 功能特點

（1）自我生活照料，如床體配有洗漱盆和上下水、吃飯的小桌板；床旁配有可升降的物品擺放桌、可測量飲水量的飲水機、配有可測量尿量的尿收集裝置；病人或老年人可以自己洗漱、就餐、飲水和排尿；

（2）日常生理參數(shù)的上傳和記錄，如病人或老年人可自行測量血壓、心率、體溫、呼吸等數(shù)據(jù)，輸入床旁管理系統(tǒng)直接上傳到中控主機上；

（3）睡眠呼吸監(jiān)測：配有床墊式睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)  在自然睡眠條件下監(jiān)測被測者的心搏、呼吸、體動等生理參數(shù)，并提供被測群體每個人的睡眠結(jié)構(gòu)圖；此功能可方便護理人員大規(guī)模照料時及時發(fā)現(xiàn)病人風險；

（4）早期心血管和下肢功能康復鍛煉，可調(diào)角度床體設(shè)計，同時配合腳踏板，病人或老年人可以進行早期心血管調(diào)節(jié)和下肢功能鍛煉；

（5）信息交互方便快捷，醫(yī)生可以將相關(guān)的要求和檢測項目時間實時通知病人，病人也可將個人的基本情況向醫(yī)生及時進行通報；

(6) 休閑娛樂,可自行上網(wǎng)觀看相關(guān)節(jié)目，處理郵件等功能；

(7) 床體姿態(tài)傾斜，可根據(jù)病人或老年人需求，由中控將床位設(shè)定成頭高位和頭低位設(shè)置以滿足生理要求，同時床旁小桌板也可同步進行高度調(diào)節(jié)。

2.節(jié)約人力，降低護理成本

可實現(xiàn)對多張生活照料床的計算機聯(lián)網(wǎng)管理，中央管理主機對多名臥床人員多種監(jiān)測參數(shù)進行集中管理，實現(xiàn)照料護理自動化和精確化，便于進行較大規(guī)模照料護理監(jiān)測。

本產(chǎn)品的臨床價值和意義

1. 為長期臥床病人、選擇居家養(yǎng)老的老年人、專業(yè)養(yǎng)老機構(gòu)的失能及半自理老人提供日常生活自主照料和監(jiān)測的手段；

2. 通過中央管理主機對多名臥床人員多種監(jiān)測參數(shù)進行集中管理的方式，可降低家庭或機構(gòu)護理人員工作強度，提高護理照料效率，減輕殘疾人家庭、照料機構(gòu)的負擔。