宇航员在失重情况下漂浮的画面，是不是特别酷炫？但是，失重的太空环境并没有想象中美好，人类长期适应于地球的引力作用，一旦进入空间飞行的失重状态，生理系统就不可避免地发生一系列适应性变化，即失重生理效应。为了应对失重导致的不良生理效应，我们是如何在地面对失重状态进行模拟和研究，并加以防护措施的呢？

近期，研究院公众号将陆续推出4篇系列文章，为大家详细介绍在地面对失重状态进行模拟和研究的“卧床实验”。

卧床实验之一——什么是卧床实验

目前，空间微重力环境地面模拟主要通过以下手段实现：落塔法、抛物飞行法、水浮法、气浮法、悬吊法、以及在医学研究中应用的头低脚高位卧床法（人体）和尾部/后肢悬吊法（动物）。

图1   航天飞行导致的失重生理效应

头低脚高位卧床法（人体）即头低位卧床实验（Head-down Bed Rest Experiment），它可以模拟失重所引起的体液头向分布和运动减少对人体的影响，其所引起的心血管功能紊乱、肌肉萎缩、骨质疏松、内分泌失调、水盐代谢变化、免疫功能下降等变化与失重的影响也十分相似。因此，可以用头低位卧床实验进行失重对人体生理功能影响、机理和防护措施等研究，此方法简单、易行，是目前应用最广泛的人体模拟失重的方法，有关失重对人体生理影响的机理认识也大多来自头低位卧床实验。

50年代，前苏联、美国就开始进行头低位卧床实验（表1），我国自60年代起也进行了头低位卧床实验。1971年，前苏联Genin等利用9名志愿者进行了4°头低位卧床30天，此后头低位卧床就被作为人体模拟失重的主要方法，并为认识长期模拟失重生理效应积累了大量信息。最初，卧床实验主要用于模拟失重对心血管系统的影响，此阶段美国和前苏联/俄罗斯在每次发射任务前，都进行了与飞行任务相同（时间）的地面头低位卧床实验，以预测航天员在飞行中可能发生的生理改变；之后逐渐用于研究失重对多个生理系统的影响研究。

表1   前苏联/俄罗斯、美国、欧洲卧床实验完成情况回顾

头低位卧床实验发展史可分为三个不同的阶段：第一阶段（20世纪70～80年代）主要针对短期飞行急性适应期出现的医学问题，如体液急性丢失与转移、感觉系统相互作用的变化等，头低位卧床实验周期一般为7～15天；第二阶段（20世纪90年代）主要针对中期飞行出现的心血管功能失调、肌肉萎缩、立位耐力下降等，实验周期一般为30～60天；第三阶段（2002年～）主要关注长期飞行中和返回后骨质丢失持续恶化的最大程度及其诱发的其它医学问题等，兼顾长期飞行中由于高应激、免疫功能下降等问题，实验周期一般为90～150天甚至更长。

头低位卧床实验一般在特殊的卧床实验室中进行。例如，美国NASA的阿莫斯研究中心就是专门进行头低位卧床实验研究的场所。头低位卧床实验的组织实施包括志愿者的选拔和培训、实验管理等，实验的实施必须符合医学伦理学要求。由于人的个体差异很大，在招募志愿者时，一般会根据实验的目的确定招募志愿者的年龄、性别、高度、体重、脂肪含量、运动能力和健康状态等条件。

头低位卧床实验过程通常包括三个时期，即志愿者自由活动期、头低位卧床期和恢复期。自由活动期即志愿者到达卧床实验室后大约需要花费一至两周的时间以适应实验环境和饮食。卧床期即志愿者在头低位卧床期间身体只能仰卧、平躺、翻身、侧身，可以说吃喝拉撒睡玩和测试都在床上进行，整个实验过程饮食和营养也会受到严格监测和控制（图2）；恢复期即志愿者起床以后处于自由活动状态，有专门工作的人员协助进行后恢复，模拟航天员航天返回后的再适应地球环境的过程。

图2    6°头低位卧床实验

头低位卧床实验可以模拟失重所引起的身体一系列生理变化，包括运动能力的降低、体液的头向分布、激素和代谢改变、姿势感觉的部分丧失、骨骼肌肉系去负荷、代谢需求减少以及立位耐力下降等。卧床的角度是0°~-12°（即头低位12°），甚至更低，目前大多采用-6°。大量研究证实，头低位卧床实验是一种很好的模拟失重生理效应的模型。通过头低位卧床实验，人们既能预测长期空间飞行可能发生的不利影响，阐明失重生理效应发生的机制，也能评价某些对抗措施的效果，为长期空间飞行后人类重返重力场提供必要帮助。

尽管完成头低位卧床实验需要特殊的场所和装置，且方法和程序较为复杂的，但科学价值巨大，美国、前苏联/俄罗斯、法国以及日本等发达国家均开展了广泛的头低位卧床实验研究，NASA及ESA已完成90天～120天的头低位卧床实验，俄罗斯甚至已完成400多天的实验，积累了大量数据。

卧床实验之二——我国卧床实验发展历程

我国针对短期飞行中生理效应开展了多次7～21天卧床实验研究，积累了丰富的头低位卧床实验经验，逐渐建立了短期模拟失重的生理效应数据库，验证了针对短期飞行中航天医学问题的防护措施效果，体液补充和药物等对抗措施已在神舟6、7号飞行任务中得到应用。

2007年，由中国航天员科研训练中心主持，法国航天局、香港中文大学和第四军医大学等单位协作，进行了代号为“地星一号”的60天头低位卧床实验。

“地星一号”60天头低位卧床实验

我国科研人员和法国专家一起为志愿者进行测试前准备

研究人员对志愿者进行心血管超声检测

卧床实验团队与志愿者合影

“地星一号”实验是我国航天医学领域首次开展的大型人体综合实验，于2007年11月10日至2008年2月16日完成实施。该项目通过21名男性志愿者（分为卧床对照组、阻抗锻炼组和药物防护组）60天-6°头低位卧床模拟失重，研究了失重对人体心血管生理影响、阻抗振动对骨丢失和肌肉萎缩的对抗作用以及失重状态下传统中医药对人体的防护作用等三大主要内容，共计发表SCI论文8篇。

60天头低位卧床实验实现了21名志愿者全程完成实验、所获数据可靠、参试人员零失误的目标，获取了60天模拟失重生理效应的人体数据，验证了交会对接任务阶段相关对抗措施的有效性，积累了大型医学实验志愿者管理经验，为推进自主创新、组织实施交会对接任务奠定了坚实基础。实验的圆满成功突破了现有实验能力，缩小了与国外同类研究的差距，明显提高了我国航天医学研究水平。

2010年7-8月，航天员中心组织开展了我国首次女性15天头低位卧床实验，志愿者为22名在校女大学生。该实验项目系统研究了青年女性的失重生理效应规律与防护特征，发现的模拟失重后立位耐力下降的性别差异及发生机制，创建的下体负压联合自行车功量计防护锻炼处方，提出的女性航天员在轨医学监督保障要点等已在交会对接任务中应用，为我国女性航天员首飞成功提供了有力支撑。

女性头低位卧床实验的志愿者合影

下体负压防护实施

运动心肺功能测试

首席科学家和卧床实验技术总体负责人在卧床试验现场

上肢典型动作力量测试

卧床运动能力测试

通过多次卧床实验的开展，有效验证了失重防护措施的效果，为我国交会对接及后续任务失重生理效应防护提供了有效的理论支持。

卧床实验之三——研究院卧床实验设施

随着我国空间站任务的推进，研究院也将组织开展90天头低位卧床模拟失重实验来验证长期失重生理效应防护技术。研究院前期已经成功组织开展了“绿航星际-4人180天受控生态生保系统集成试验”和“源航行动-12人24天人体低代谢调节技术实验”，为此次实验奠定了良好的基础。

对于此次大规模卧床模拟失重实验，研究院已经筹备多年，共完成约三千万元的航天医学平台建设（重力环境效应与健康维护技术实验室）。该平台主要包括三大系统：重力环境模拟（模拟失重与超重/低重、中央监控与设备管理）、生理效应研究（心血管、骨骼生理、运动生理、前庭功能）、健康维护系统（行走能力维护、颈椎功能维护、下肢力量维护）。其中模拟失重床、干浸水槽、短臂离心机、零重力跑台、抗阻力锻炼系统是自研设备。

航天医学平台（重力环境效应与健康维护技术实验室）

自助式头低位实验床

将建成能够同时容纳40名志愿者开展系统实验的头低位卧床实验室，实验室配有24小时中央监控支持系统，自助式头低位实验床，先进的基础生理数据收集系统，自动化旋转立位床和众多先进检测设备，为研究人员最大限度提供了研究便利。

卧床实验之四——智能卧位实验床

智能卧位实验床，即自助式头低位实验床，源自航天医学专利产品《多功能集成微重力生理效应模拟床》和《多重力模拟生活照料床》。在航天医学中主要用于开展长期头低位卧床模拟失重实验研究，经过改良和加工成自助式多功能照料床后，未来在临床护理和居家养老产业领域有广阔前景。

智能卧位实验床

该产品能够实现长期卧床病人、老年人进行洗漱、进食、饮水、娱乐等日常生活自我照料，能够进行心率、呼吸、睡眠等多生理参数监测，也能进行早期心血管和下肢功能康复锻炼。本产品在提高残疾人生活质量的同时降低了家庭或机构护理人员工作强度，提高护理效率。配套的中央管理主机能够对多张照料床进行集中管理，便于进行较大规模照料护理监测。

养老市场状况：（1）失能老年人口数量与日俱增；2016年10月，由全国老龄办、民政部、财政部共同发布的第四次中国城乡老年人生活状况抽样调查结果显示，我国失能、半失能老年人大致4063万人，占老年人口18.3%，据测算，失能老人2030年将达到6168万人，2050年将达到9750万人。（2）养老机构人力成本高，且专业护理人才缺口破千万；目前我国各地养老机构约有4万家，具有医疗服务能力的不足20%，养老护理人员缺口约1千万， 92%的民办养老院遭遇招工难题，有10.4%的养老机构反映护理人员不足开始影响机构运转，有55.2%的养老机构表示人手较为紧张。预计2030年市场规模将增至6亿元，到2050年将增至10亿元。

本产品技术优势及主要特点

1. 功能特点

（1）自我生活照料，如床体配有洗漱盆和上下水、吃饭的小桌板；床旁配有可升降的物品摆放桌、可测量饮水量的饮水机、配有可测量尿量的尿收集装置；病人或老年人可以自己洗漱、就餐、饮水和排尿；

（2）日常生理参数的上传和记录，如病人或老年人可自行测量血压、心率、体温、呼吸等数据，输入床旁管理系统直接上传到中控主机上；

（3）睡眠呼吸监测：配有床垫式睡眠呼吸监测系统  在自然睡眠条件下监测被测者的心搏、呼吸、体动等生理参数，并提供被测群体每个人的睡眠结构图；此功能可方便护理人员大规模照料时及时发现病人风险；

（4）早期心血管和下肢功能康复锻炼，可调角度床体设计，同时配合脚踏板，病人或老年人可以进行早期心血管调节和下肢功能锻炼；

（5）信息交互方便快捷，医生可以将相关的要求和检测项目时间实时通知病人，病人也可将个人的基本情况向医生及时进行通报；

(6) 休闲娱乐,可自行上网观看相关节目，处理邮件等功能；

(7) 床体姿态倾斜，可根据病人或老年人需求，由中控将床位设定成头高位和头低位设置以满足生理要求，同时床旁小桌板也可同步进行高度调节。

2.节约人力，降低护理成本

可实现对多张生活照料床的计算机联网管理，中央管理主机对多名卧床人员多种监测参数进行集中管理，实现照料护理自动化和精确化，便于进行较大规模照料护理监测。

本产品的临床价值和意义

1. 为长期卧床病人、选择居家养老的老年人、专业养老机构的失能及半自理老人提供日常生活自主照料和监测的手段；

2. 通过中央管理主机对多名卧床人员多种监测参数进行集中管理的方式，可降低家庭或机构护理人员工作强度，提高护理照料效率，减轻残疾人家庭、照料机构的负担。