宇航員在失重情況下漂浮的畫(huà)面，是不是特別酷炫？但是，失重的太空環(huán)境并沒(méi)有想象中美好，人類(lèi)長(zhǎng)期適應(yīng)于地球的引力作用，一旦進(jìn)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(duì)失重導(dǎo)致的不良生理效應(yīng)，我們是如何在地面對(duì)失重狀態(tài)進(jìn)行模擬和研究，并加以防護(hù)措施的呢？

近期，研究院公眾號(hào)將陸續(xù)推出4篇系列文章，為大家詳細(xì)介紹在地面對(duì)失重狀態(tài)進(jìn)行模擬和研究的“臥床實(shí)驗(yàn)”。

臥床實(shí)驗(yàn)之一——什么是臥床實(shí)驗(yàn)

目前，空間微重力環(huán)境地面模擬主要通過(guò)以下手段實(shí)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(xué)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(dòng)物）。

圖1   航天飛行導(dǎo)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(shí)驗(yàn)（Head-down Bed Rest Experiment），它可以模擬失重所引起的體液頭向分布和運(yùn)動(dòng)減少對(duì)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行失重對(duì)人體生理功能影響、機(jī)理和防護(hù)措施等研究，此方法簡(jiǎn)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(duì)人體生理影響的機(jī)理認(rèn)識(shí)也大多來(lái)自頭低位臥床實(shí)驗(yàn)。

50年代，前蘇聯(lián)、美國(guó)就開(kāi)始進(jìn)行頭低位臥床實(shí)驗(yàn)（表1），我國(guó)自60年代起也進(jìn)行了頭低位臥床實(shí)驗(yàn)。1971年，前蘇聯(lián)Genin等利用9名志愿者進(jìn)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(rèn)識(shí)長(zhǎng)期模擬失重生理效應(yīng)積累了大量信息。最初，臥床實(shí)驗(yàn)主要用于模擬失重對(duì)心血管系統(tǒng)的影響，此階段美國(guó)和前蘇聯(lián)/俄羅斯在每次發(fā)射任務(wù)前，都進(jìn)行了與飛行任務(wù)相同（時(shí)間）的地面頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，以預(yù)測(cè)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(duì)多個(gè)生理系統(tǒng)的影響研究。

表1   前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)、歐洲臥床實(shí)驗(yàn)完成情況回顧

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)發(fā)展史可分為三個(gè)不同的階段：第一階段（20世紀(jì)70～80年代）主要針對(duì)短期飛行急性適應(yīng)期出現(xiàn)的醫(yī)學(xué)問(wèn)題，如體液急性丟失與轉(zhuǎn)移、感覺(jué)系統(tǒng)相互作用的變化等，頭低位臥床實(shí)驗(yàn)周期一般為7～15天；第二階段（20世紀(jì)90年代）主要針對(duì)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(shí)驗(yàn)周期一般為30～60天；第三階段（2002年～）主要關(guān)注長(zhǎng)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(xué)問(wèn)題等，兼顧長(zhǎng)期飛行中由于高應(yīng)激、免疫功能下降等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)周期一般為90～150天甚至更長(zhǎng)。

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)一般在特殊的臥床實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。例如，美國(guó)NASA的阿莫斯研究中心就是專(zhuān)門(mén)進(jìn)行頭低位臥床實(shí)驗(yàn)研究的場(chǎng)所。頭低位臥床實(shí)驗(yàn)的組織實(shí)施包括志愿者的選拔和培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)管理等，實(shí)驗(yàn)的實(shí)施必須符合醫(yī)學(xué)倫理學(xué)要求。由于人的個(gè)體差異很大，在招募志愿者時(shí)，一般會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的確定招募志愿者的年齡、性別、高度、體重、脂肪含量、運(yùn)動(dòng)能力和健康狀態(tài)等條件。

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)過(guò)程通常包括三個(gè)時(shí)期，即志愿者自由活動(dòng)期、頭低位臥床期和恢復(fù)期。自由活動(dòng)期即志愿者到達(dá)臥床實(shí)驗(yàn)室后大約需要花費(fèi)一至兩周的時(shí)間以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shuō)吃喝拉撒睡玩和測(cè)試都在床上進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程飲食和營(yíng)養(yǎng)也會(huì)受到嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制（圖2）；恢復(fù)期即志愿者起床以后處于自由活動(dòng)狀態(tài)，有專(zhuān)門(mén)工作的人員協(xié)助進(jìn)行后恢復(fù)，模擬航天員航天返回后的再適應(yīng)地球環(huán)境的過(guò)程。

圖2    6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)可以模擬失重所引起的身體一系列生理變化，包括運(yùn)動(dòng)能力的降低、體液的頭向分布、激素和代謝改變、姿勢(shì)感覺(jué)的部分喪失、骨骼肌肉系去負(fù)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(shí)，頭低位臥床實(shí)驗(yàn)是一種很好的模擬失重生理效應(yīng)的模型。通過(guò)頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，人們既能預(yù)測(cè)長(zhǎng)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(jī)制，也能評(píng)價(jià)某些對(duì)抗措施的效果，為長(zhǎng)期空間飛行后人類(lèi)重返重力場(chǎng)提供必要幫助。

盡管完成頭低位臥床實(shí)驗(yàn)需要特殊的場(chǎng)所和裝置，且方法和程序較為復(fù)雜的，但科學(xué)價(jià)值巨大，美國(guó)、前蘇聯(lián)/俄羅斯、法國(guó)以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均開(kāi)展了廣泛的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)研究，NASA及ESA已完成90天～120天的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，俄羅斯甚至已完成400多天的實(shí)驗(yàn)，積累了大量數(shù)據(jù)。

臥床實(shí)驗(yàn)之二——我國(guó)臥床實(shí)驗(yàn)發(fā)展歷程

我國(guó)針對(duì)短期飛行中生理效應(yīng)開(kāi)展了多次7～21天臥床實(shí)驗(yàn)研究，積累了豐富的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，逐漸建立了短期模擬失重的生理效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，驗(yàn)證了針對(duì)短期飛行中航天醫(yī)學(xué)問(wèn)題的防護(hù)措施效果，體液補(bǔ)充和藥物等對(duì)抗措施已在神舟6、7號(hào)飛行任務(wù)中得到應(yīng)用。

2007年，由中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心主持，法國(guó)航天局、香港中文大學(xué)和第四軍醫(yī)大學(xué)等單位協(xié)作，進(jìn)行了代號(hào)為“地星一號(hào)”的60天頭低位臥床實(shí)驗(yàn)。

“地星一號(hào)”60天頭低位臥床實(shí)驗(yàn)

我國(guó)科研人員和法國(guó)專(zhuān)家一起為志愿者進(jìn)行測(cè)試前準(zhǔn)備

研究人員對(duì)志愿者進(jìn)行心血管超聲檢測(cè)

臥床實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與志愿者合影

“地星一號(hào)”實(shí)驗(yàn)是我國(guó)航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域首次開(kāi)展的大型人體綜合實(shí)驗(yàn)，于2007年11月10日至2008年2月16日完成實(shí)施。該項(xiàng)目通過(guò)21名男性志愿者（分為臥床對(duì)照組、阻抗鍛煉組和藥物防護(hù)組）60天-6°頭低位臥床模擬失重，研究了失重對(duì)人體心血管生理影響、阻抗振動(dòng)對(duì)骨丟失和肌肉萎縮的對(duì)抗作用以及失重狀態(tài)下傳統(tǒng)中醫(yī)藥對(duì)人體的防護(hù)作用等三大主要內(nèi)容，共計(jì)發(fā)表SCI論文8篇。

60天頭低位臥床實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了21名志愿者全程完成實(shí)驗(yàn)、所獲數(shù)據(jù)可靠、參試人員零失誤的目標(biāo)，獲取了60天模擬失重生理效應(yīng)的人體數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了交會(huì)對(duì)接任務(wù)階段相關(guān)對(duì)抗措施的有效性，積累了大型醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)志愿者管理經(jīng)驗(yàn)，為推進(jìn)自主創(chuàng)新、組織實(shí)施交會(huì)對(duì)接任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)的圓滿(mǎn)成功突破了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，縮小了與國(guó)外同類(lèi)研究的差距，明顯提高了我國(guó)航天醫(yī)學(xué)研究水平。

2010年7-8月，航天員中心組織開(kāi)展了我國(guó)首次女性15天頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，志愿者為22名在校女大學(xué)生。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(hù)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(jī)制，創(chuàng)建的下體負(fù)壓聯(lián)合自行車(chē)功量計(jì)防護(hù)鍛煉處方，提出的女性航天員在軌醫(yī)學(xué)監(jiān)督保障要點(diǎn)等已在交會(huì)對(duì)接任務(wù)中應(yīng)用，為我國(guó)女性航天員首飛成功提供了有力支撐。

女性頭低位臥床實(shí)驗(yàn)的志愿者合影

下體負(fù)壓防護(hù)實(shí)施

運(yùn)動(dòng)心肺功能測(cè)試

首席科學(xué)家和臥床實(shí)驗(yàn)技術(shù)總體負(fù)責(zé)人在臥床試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

上肢典型動(dòng)作力量測(cè)試

臥床運(yùn)動(dòng)能力測(cè)試

通過(guò)多次臥床實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，有效驗(yàn)證了失重防護(hù)措施的效果，為我國(guó)交會(huì)對(duì)接及后續(xù)任務(wù)失重生理效應(yīng)防護(hù)提供了有效的理論支持。

臥床實(shí)驗(yàn)之三——研究院臥床實(shí)驗(yàn)設(shè)施

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

對(duì)于此次大規(guī)模臥床模擬失重實(shí)驗(yàn)，研究院已經(jīng)籌備多年，共完成約三千萬(wàn)元的航天醫(yī)學(xué)平臺(tái)建設(shè)（重力環(huán)境效應(yīng)與健康維護(hù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）。該平臺(tái)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(yùn)動(dòng)生理、前庭功能）、健康維護(hù)系統(tǒng)（行走能力維護(hù)、頸椎功能維護(hù)、下肢力量維護(hù)）。其中模擬失重床、干浸水槽、短臂離心機(jī)、零重力跑臺(tái)、抗阻力鍛煉系統(tǒng)是自研設(shè)備。

航天醫(yī)學(xué)平臺(tái)（重力環(huán)境效應(yīng)與健康維護(hù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）

自助式頭低位實(shí)驗(yàn)床

將建成能夠同時(shí)容納40名志愿者開(kāi)展系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室配有24小時(shí)中央監(jiān)控支持系統(tǒng)，自助式頭低位實(shí)驗(yàn)床，先進(jìn)的基礎(chǔ)生理數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)立位床和眾多先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備，為研究人員最大限度提供了研究便利。

臥床實(shí)驗(yàn)之四——智能臥位實(shí)驗(yàn)床

智能臥位實(shí)驗(yàn)床，即自助式頭低位實(shí)驗(yàn)床，源自航天醫(yī)學(xué)專(zhuān)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(xué)中主要用于開(kāi)展長(zhǎng)期頭低位臥床模擬失重實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過(guò)改良和加工成自助式多功能照料床后，未來(lái)在臨床護(hù)理和居家養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有廣闊前景。

智能臥位實(shí)驗(yàn)床

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

養(yǎng)老市場(chǎng)狀況：（1）失能老年人口數(shù)量與日俱增；2016年10月，由全國(guó)老齡辦、民政部、財(cái)政部共同發(fā)布的第四次中國(guó)城鄉(xiāng)老年人生活狀況抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)失能、半失能老年人大致4063萬(wàn)人，占老年人口18.3%，據(jù)測(cè)算，失能老人2030年將達(dá)到6168萬(wàn)人，2050年將達(dá)到9750萬(wàn)人。（2）養(yǎng)老機(jī)構(gòu)人力成本高，且專(zhuān)業(yè)護(hù)理人才缺口破千萬(wàn)；目前我國(guó)各地養(yǎng)老機(jī)構(gòu)約有4萬(wàn)家，具有醫(yī)療服務(wù)能力的不足20%，養(yǎng)老護(hù)理人員缺口約1千萬(wàn)， 92%的民辦養(yǎng)老院遭遇招工難題，有10.4%的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)反映護(hù)理人員不足開(kāi)始影響機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，有55.2%的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)表示人手較為緊張。預(yù)計(jì)2030年市場(chǎng)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(shì)及主要特點(diǎn)

1. 功能特點(diǎn)

（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(cè)量飲水量的飲水機(jī)、配有可測(cè)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(cè)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(jī)上；

（3）睡眠呼吸監(jiān)測(cè)：配有床墊式睡眠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)  在自然睡眠條件下監(jiān)測(cè)被測(cè)者的心搏、呼吸、體動(dòng)等生理參數(shù)，并提供被測(cè)群體每個(gè)人的睡眠結(jié)構(gòu)圖；此功能可方便護(hù)理人員大規(guī)模照料時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)病人風(fēng)險(xiǎn)；

（4）早期心血管和下肢功能康復(fù)鍛煉，可調(diào)角度床體設(shè)計(jì)，同時(shí)配合腳踏板，病人或老年人可以進(jìn)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(cè)項(xiàng)目時(shí)間實(shí)時(shí)通知病人，病人也可將個(gè)人的基本情況向醫(yī)生及時(shí)進(jìn)行通報(bào)；

(6) 休閑娛樂(lè),可自行上網(wǎng)觀(guān)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(mǎn)足生理要求，同時(shí)床旁小桌板也可同步進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。

2.節(jié)約人力，降低護(hù)理成本

可實(shí)現(xiàn)對(duì)多張生活照料床的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理，中央管理主機(jī)對(duì)多名臥床人員多種監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)照料護(hù)理自動(dòng)化和精確化，便于進(jìn)行較大規(guī)模照料護(hù)理監(jiān)測(cè)。

本產(chǎn)品的臨床價(jià)值和意義

1. 為長(zhǎng)期臥床病人、選擇居家養(yǎng)老的老年人、專(zhuān)業(yè)養(yǎng)老機(jī)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(cè)的手段；

2. 通過(guò)中央管理主機(jī)對(duì)多名臥床人員多種監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行集中管理的方式，可降低家庭或機(jī)構(gòu)護(hù)理人員工作強(qiáng)度，提高護(hù)理照料效率，減輕殘疾人家庭、照料機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。