基于多元熱生理仿真的運(yùn)動(dòng)健康量化方法及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

賈 楠，賈曉敏，郝晶晶，谷 敬，黃 袁

(1.河北地質(zhì)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050031；2.河北醫(yī)科大學(xué) 第二直屬醫(yī)院，石家莊 050017；3.中山大學(xué) 數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510006)

當(dāng)今時(shí)代，人們健康意識(shí)的提高、智能健康產(chǎn)品的出現(xiàn)以及運(yùn)動(dòng)社交的興起，極大地促進(jìn)了人們運(yùn)動(dòng)的熱情。而如何科學(xué)、安全、有效地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，已成為全民健身中關(guān)注的核心問題，同時(shí)也是當(dāng)前研究人員關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]。

眾所周知，盲目的、不合理的運(yùn)動(dòng)不僅起不到健身強(qiáng)體的效果，反而增加了人體的負(fù)荷，對(duì)人體安全造成嚴(yán)重傷害。例如，在2015年福州馬拉松比賽中，腹痛嘔吐16人次，脫水30人，休克2人，心跳驟停1人，其他不適47人次。因此，有效量化運(yùn)動(dòng)過程中的健康狀態(tài)，從而避免出現(xiàn)更多的運(yùn)動(dòng)事故變得極為重要。尤其是在開始運(yùn)動(dòng)之前，提前量化健康狀態(tài)并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的眾多運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，如脫水、中暑、暈厥甚至猝死等，能夠極大地提高人體的運(yùn)動(dòng)安全性[1-2]。

在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)健康研究工作中，基于可穿戴式設(shè)備的健康量化和基于數(shù)據(jù)挖掘的健康量化是最為主要的兩種方式。基于可穿戴式設(shè)備的健康量化是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和大量傳感器構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)的人體數(shù)據(jù)收集、量化、預(yù)警系統(tǒng)[2-3]。例如，芬蘭POLAR公司的運(yùn)動(dòng)心率表產(chǎn)品系列，能夠監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)過程中的心臟狀態(tài)，有效判斷心臟及身體的負(fù)荷[3]；美國(guó)風(fēng)和公司開發(fā)的Lifeshirt，能同時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸、心電和運(yùn)動(dòng)參數(shù)[4]。這類系統(tǒng)有助于健身者監(jiān)測(cè)生理變化、量化身體狀態(tài)以及調(diào)整運(yùn)動(dòng)方案，在一定程度上可以避免由于過度運(yùn)動(dòng)而引起的健康事故的發(fā)生?？纱┐魇浇】迪到y(tǒng)側(cè)重實(shí)時(shí)性，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)量化和實(shí)時(shí)預(yù)警，即當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警提示時(shí)人體多處于危險(xiǎn)的臨界態(tài)，人體存在健康風(fēng)險(xiǎn)。此外，可穿戴式設(shè)備的成本、佩戴舒適度和便利性問題也會(huì)對(duì)一般用戶造成困擾?；跀?shù)據(jù)挖掘的健康量化方法，則是利用大量用戶歷史運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)某種疾病或者身體狀態(tài)進(jìn)行分析和量化[5]。例如，CALDERON et al[6]利用決策樹、KNN、SVM等多種方法對(duì)心電圖進(jìn)行識(shí)別和事故概率判斷；LI et al[7]利用多層感知機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)脈沖質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，從而判斷心臟疾病?；跀?shù)據(jù)挖掘方法，如果沒有足夠的用戶數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析，則該方法的準(zhǔn)確性會(huì)受到嚴(yán)重影響。

為克服上述問題，筆者提出一種基于人體熱生理仿真模型的運(yùn)動(dòng)健康量化方法。近年來(lái)，研究人員對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中人體-服裝-環(huán)境所構(gòu)成的多耦合系統(tǒng)中的生理調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行了深入的研究[1,8]，使得利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行著裝人體熱生理仿真成為可能。該方法能夠利用熱生理仿真模型代替人體生理實(shí)驗(yàn)和織物性能測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過仿真計(jì)算獲得人體運(yùn)動(dòng)健康密切相關(guān)的多元生理體征數(shù)據(jù)，并利用這些生理體征數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)多場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)條件下的人體運(yùn)動(dòng)生理反應(yīng)，幫助人們理解在不同環(huán)境和活動(dòng)級(jí)別下人體生理健康水平，從而達(dá)到人體生理狀態(tài)預(yù)測(cè)和分析的目的。該方法不僅避免了使用各類可穿戴式健康設(shè)備所帶來(lái)的便利性問題，同時(shí)也避免了在無(wú)用戶數(shù)據(jù)積累情景下的健康量化問題。

然而，由于人體-服裝-環(huán)境熱濕動(dòng)態(tài)交互構(gòu)成的多耦合系統(tǒng)涉及人體生理調(diào)節(jié)、服裝熱濕傳輸?shù)葯C(jī)制，使得著裝人體的運(yùn)動(dòng)生理仿真建模極為復(fù)雜。同時(shí)，當(dāng)前已知生理仿真模型如Gagge模型(又稱2節(jié)點(diǎn)模型)[9]、Stolwijk模型(又稱25節(jié)點(diǎn)人體模型)[10]，著重模擬人體在運(yùn)動(dòng)過程中的熱濕變化。由于這些模型尚未考慮人體心血管生理調(diào)節(jié)機(jī)制，因此不能有效預(yù)測(cè)與人體心血管相關(guān)的運(yùn)動(dòng)健康風(fēng)險(xiǎn)，極大地限制了人體健康生理仿真模型的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)此，本文將人體熱濕調(diào)節(jié)機(jī)制和心血管機(jī)制相結(jié)合，建立了一個(gè)更加完善的人體熱生理仿真模型。

此外，在人體運(yùn)動(dòng)健康狀態(tài)量化過程中，生理指標(biāo)的閾值以及對(duì)應(yīng)癥狀之間存在一定的模糊界限，且個(gè)人的主觀認(rèn)知也會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)論，從而影響運(yùn)動(dòng)健康量化的可行性和有效性。對(duì)此，本文通過定義運(yùn)動(dòng)健康模糊有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)過程中的健康量化。

綜上所述，本文的具體工作包括以下幾點(diǎn)：首先從人體生理學(xué)角度出發(fā)，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)生理機(jī)制進(jìn)行仿真建模，通過對(duì)人體熱調(diào)節(jié)機(jī)制和心率調(diào)節(jié)機(jī)制的仿真建模，獲得多個(gè)與健康相關(guān)的生理仿真數(shù)據(jù)(如，內(nèi)核溫度，出汗率，心率等)在運(yùn)動(dòng)過程中的變化趨勢(shì)；其次，基于已獲得的多元人體生理仿真數(shù)據(jù)，本文引入模糊有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)健康量化和分析，通過定義模糊有限狀態(tài)機(jī)中的健康狀態(tài)及計(jì)算狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率，有效量化運(yùn)動(dòng)過程中健康轉(zhuǎn)移序列，并預(yù)測(cè)任意時(shí)刻的健康狀態(tài)；最后，建立了一個(gè)面向人體運(yùn)動(dòng)健康的仿真平臺(tái)，并給出相關(guān)的仿真案例。通過實(shí)驗(yàn)分析可知，基于人體熱生理仿真模型的運(yùn)動(dòng)健康量化結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相吻合，其在規(guī)避運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)上具有很好的指導(dǎo)意義。

1 人體熱生理仿真模型

人體熱生理仿真的研究是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。其不僅涉及到人體的生理組成和人體內(nèi)部復(fù)雜的熱調(diào)節(jié)機(jī)制、心率調(diào)節(jié)機(jī)制，還涉及到服裝與外界環(huán)境對(duì)人體的熱傳輸影響[8,11]。人體熱生理模型主要分為三個(gè)模塊：人體模型，用于描述人體生理組織結(jié)構(gòu)；熱生理模型，用于描述運(yùn)動(dòng)熱調(diào)節(jié)機(jī)制和心率調(diào)節(jié)機(jī)制；服裝/環(huán)境熱濕耦合傳輸模型，用于描述熱量、汗水等在人體-服裝-環(huán)境之間的傳輸機(jī)制。通過對(duì)人體熱生理仿真模型的分析，可以仿真輸出皮膚溫度、內(nèi)核溫度、心率等多個(gè)與運(yùn)動(dòng)健康相關(guān)的生理體征數(shù)據(jù),并在這些仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)健康風(fēng)險(xiǎn)判斷和預(yù)測(cè)。

1.1 人體模型

人體是一個(gè)非幾何對(duì)稱的實(shí)體，各組織、器官和系統(tǒng)等非均勻分布在身體各部位，直接影響人體運(yùn)動(dòng)生理機(jī)制的運(yùn)行以及相關(guān)生理現(xiàn)象的發(fā)生。其中，25節(jié)點(diǎn)人體模型是最典型且應(yīng)用最廣的一類非均勻多節(jié)點(diǎn)模型，它能夠根據(jù)人體生理特征及分布情況將人體劃分為6個(gè)節(jié)段，分別是頭、軀干、臂、手、腿、足；每個(gè)節(jié)段又分為四層：內(nèi)核、肌肉、脂肪和皮膚。此外，該模型還給出一個(gè)中心血池，用于連接身體各部分模擬大動(dòng)脈、靜脈，并構(gòu)成人體循環(huán)系統(tǒng)。[10,12]本文正是在此模型基礎(chǔ)上對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過程中的熱生理機(jī)制進(jìn)行研究和分析。

1.2 熱生理模型

1.2.1熱調(diào)節(jié)機(jī)制建模

體溫是人體內(nèi)部熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要信號(hào)，也是衡量人體健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。研究體溫分布以及人體熱調(diào)節(jié)行為，構(gòu)建人體熱調(diào)節(jié)模型是運(yùn)動(dòng)生理仿真中必不可少的工作。

通常，人體被視為一個(gè)含有內(nèi)熱源的傳熱系統(tǒng)。人體組織的生化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生能量，且這些能量中的大部分會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成熱量，并通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射及蒸發(fā)等途徑，不斷地與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，將人體溫度維持在37 ℃左右。尤其在運(yùn)動(dòng)過程中，人體內(nèi)部能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的過程持續(xù)且強(qiáng)烈發(fā)生，必將導(dǎo)致人體溫度的快速升高，激活人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在熱調(diào)節(jié)過程中，人體溫度感受器將收集當(dāng)前身體各節(jié)點(diǎn)的溫度，并將其傳送給體溫調(diào)節(jié)中樞；之后由體溫調(diào)節(jié)中樞對(duì)人體各組織發(fā)出產(chǎn)、散熱的控制信號(hào)，并利用人體皮膚血流量、汗腺、骨骼肌活動(dòng)等實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)行為，從而維持人體在運(yùn)動(dòng)過程中的熱穩(wěn)定狀態(tài)[13]。

本節(jié)通過對(duì)25節(jié)點(diǎn)人體模型的組成成分及其熱傳輸特性的分析和處理，分別從皮膚層、脂肪層、肌肉層、內(nèi)核層以及中心血池5個(gè)方面對(duì)熱調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行建模分析。人體模型中身體各節(jié)段的熱平衡方程如下。

內(nèi)核層熱平衡方程：

(1)

肌肉層熱平衡方程：

(2)

脂肪層熱平衡方程：

(3)

皮膚層熱平衡方程：

(4)

中心血池?zé)崞胶夥匠蹋?/p>

(5)

式中：i為人體節(jié)段編號(hào)，j為某節(jié)段的層數(shù)編號(hào)；C(i,j)表示節(jié)點(diǎn)(i,j)的熱容；T表示人體節(jié)點(diǎn)體溫；Qqb(i,j)表示基礎(chǔ)代謝生成熱；Qb(i,j)表示身體節(jié)點(diǎn)間的血液循環(huán)熱傳導(dǎo)；Qd(i,j)表示同一節(jié)段相鄰層之間的熱傳導(dǎo)；Qres(i,j)為呼吸熱損耗；Qw(i,j)為運(yùn)動(dòng)做功生成熱；Qcchill(i,j)為肌肉打顫生成熱；Qe(i,j)表示皮膚表面與環(huán)境之間的干熱損失；Qs(i,j)表示皮膚表面濕熱交換，主要為蒸發(fā)熱損耗。

在人體熱交互過程中，影響熱分布變化的生理調(diào)節(jié)現(xiàn)象主要有血管舒縮、汗腺活動(dòng)和肌肉運(yùn)動(dòng)[13]。

1) 血管舒縮。人體組織之間的傳熱主要依靠血液循環(huán)過程中的對(duì)流熱交換來(lái)完成，血管舒縮直接決定組織中血流量變化，從而影響人體內(nèi)核到皮膚的溫度分布。

(6)

式中：Vbf(i,j)為血流率；Vbfb(i,j)為基本血流率；Sdil為血管舒張信號(hào)；Scon為血管收縮信號(hào)；Serr(1,1)，Swrm(1,1)，Scld(1,1)，Swrms，Sclds為溫度誤差信號(hào)、暖信號(hào)、冷信號(hào)、人體綜合暖信號(hào)、綜合冷信號(hào)；Dcdil，Dsdil，Dpdil為血管舒張的控制系數(shù)；Dccon，Dscon，Dpcon為血管收縮的控制系數(shù)；Wdil(i)和Wcon(i)為各節(jié)段的血管舒張和收縮的權(quán)重系數(shù)；q為局部影響因子；a為反向熱交換比率，這里取值為1；ρ為身體節(jié)點(diǎn)密度。

2) 汗腺活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中，人體汗腺會(huì)分泌大量汗液，這些汗液蒸發(fā)會(huì)帶走體內(nèi)多余的熱量，加速身體向外界環(huán)境散熱，維持人體熱平衡。

(7)

式中：Sswe為出汗控制信號(hào)；Vrsw(i)為節(jié)段i的出汗率；Dcswe，Dsswe，Dpswe為出汗控制系數(shù)；Wswe(i)為各節(jié)段的出汗權(quán)重系數(shù)；hfg為汗水汽化熱；A(i)為節(jié)點(diǎn)i的體表面積；d為人體出汗量(近似等于脫水量)；m為人體體重；Rdap為脫水比。

3) 肌肉運(yùn)動(dòng)。肌肉運(yùn)動(dòng)是指人體打顫現(xiàn)象，即當(dāng)人體體溫低于某種臨界值時(shí)，通過骨骼肌的自主收縮形成的一種產(chǎn)熱現(xiàn)象，用于調(diào)節(jié)人體熱狀態(tài)。

(8)

式中：Schill為打顫控制信號(hào)；Dcchil，Dschil，Dpchil為打顫控制系數(shù)；Wchill(i)為各節(jié)段的打顫?rùn)?quán)重系數(shù)。

1.2.2心率調(diào)節(jié)機(jī)制建模

隨著人體代謝水平和體內(nèi)熱環(huán)境的變化，人體的心血管活動(dòng)會(huì)做出適應(yīng)性的調(diào)整，使得心輸出量和各組織器官的血流量得以滿足當(dāng)前新陳代謝的需求，并保持動(dòng)脈壓力的相對(duì)穩(wěn)定，其中，最顯著的適應(yīng)性變化為運(yùn)動(dòng)心率調(diào)節(jié)[13]。研究表明，當(dāng)人體完成較小強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)時(shí)，心率會(huì)在運(yùn)動(dòng)初期迅速上升，達(dá)到一定水平后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持一個(gè)穩(wěn)定范圍，這段時(shí)間內(nèi)的各系統(tǒng)機(jī)能也處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，系統(tǒng)機(jī)能平衡被破壞，心率將再次升高直至達(dá)到最大心率。當(dāng)人體完成較大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)代謝水平很高，各系統(tǒng)機(jī)能不能保持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，因此心率將持續(xù)增高，直至最大心率。

在心率調(diào)節(jié)過程中，神經(jīng)調(diào)節(jié)和體溫調(diào)節(jié)是影響心率變化的兩個(gè)重要機(jī)制。其中，神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制負(fù)責(zé)控制心率的陡然上升與下降；體溫調(diào)節(jié)機(jī)制負(fù)責(zé)維持短時(shí)間內(nèi)的心率穩(wěn)定現(xiàn)象?；谠撛?，本節(jié)對(duì)心率調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行建模分析。人體運(yùn)動(dòng)心率的非線性調(diào)節(jié)方程為：

Vhr=N(M)+B(T)+g.

(9)

式中：Vhr為心率；N(M)為神經(jīng)調(diào)節(jié)函數(shù)；B(T)為內(nèi)核溫度調(diào)節(jié)函數(shù)；g為噪聲。

神經(jīng)調(diào)節(jié)函數(shù)：

(10)

內(nèi)核溫度調(diào)節(jié)函數(shù)：

B(T)=p2T2+p1T+p0.

(11)

式中：M表示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)代謝量；T表示內(nèi)核溫度。由于人體胸部的內(nèi)核溫度與心率關(guān)系最為相關(guān)，因此選擇胸部?jī)?nèi)核溫度作為變量，并采用二次函數(shù)來(lái)表示內(nèi)核溫度與心率之間的依賴方程。模型參數(shù)g，b，c，d，k，p2，p1，p0可根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)[14]。

心率變化與人體運(yùn)動(dòng)健康相關(guān)。心率過高或者過低都會(huì)增加心臟負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致惡心、頭暈、胸悶等癥狀[15-16]。維持合理心率范圍是保證運(yùn)動(dòng)效果和運(yùn)動(dòng)安全的必要條件。其中，目標(biāo)心率和最大心率是兩個(gè)常見的心率健康判斷閾值。目標(biāo)心率(Vthr)[17]是指在運(yùn)動(dòng)時(shí)理想的心跳頻率，在目標(biāo)心率范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)一般是健康合理的。最大心率(Vmhr)[18]是指運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大承受心率，超過最大心率值，則會(huì)出現(xiàn)健康風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)該減緩或停止運(yùn)動(dòng)。最大心率與目標(biāo)心率的計(jì)算公式分別為：

(12)

式中：a為年齡；e為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度；Vrhr為人體靜息心率。

1.3 服裝/環(huán)境熱濕耦合傳輸模型

人體除了依靠?jī)?nèi)部自身的熱調(diào)節(jié)維持體溫穩(wěn)定外，人體與服裝、環(huán)境之間的熱交換也是保持熱調(diào)節(jié)機(jī)制正常運(yùn)行的重要途徑。其中，服裝作為人體和環(huán)境的中間層，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)生理健康有著十分重要的影響，主要表現(xiàn)為：服裝阻隔了人體與環(huán)境的直接傳熱，人體熱能、皮膚表面的水蒸氣以及吸附在皮膚表面的汗液必須通過服裝擴(kuò)散到環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)的過程。因此，建立合理高效的服裝熱濕傳遞模型，充分考慮服裝對(duì)運(yùn)動(dòng)中人體生理狀態(tài)的影響，對(duì)建立合理全面的運(yùn)動(dòng)生理模型是十分關(guān)鍵的。

本文采用的服裝熱濕傳輸以及人體與服裝熱濕耦合交互模型已在我們以前的文獻(xiàn)中給出了詳細(xì)介紹，此處不再贅述[19]。

2 基于模糊有限狀態(tài)機(jī)的運(yùn)動(dòng)健康量化

基于上述提出的人體熱生理模型，我們可以通過仿真計(jì)算得到與人體運(yùn)動(dòng)健康密切相關(guān)的多元生理體征數(shù)據(jù)。其中，人體運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的不適癥狀多與內(nèi)核溫度、脫水量以及心率有關(guān)[10]。因此，我們選擇這三個(gè)體征作為基本健康量化指標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，生理指標(biāo)的閾值以及對(duì)應(yīng)癥狀之間存在一定的模糊界限，且個(gè)人的主觀認(rèn)知也會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)論，例如37.5 ℃既可被認(rèn)為是正常溫度，也可被認(rèn)為是輕度發(fā)熱。為保證運(yùn)動(dòng)健康量化的可行性和有效性，本節(jié)首先對(duì)人體內(nèi)核溫度、脫水量和心率的仿真數(shù)值進(jìn)行模糊預(yù)處理；其次，基于預(yù)處理后的仿真數(shù)值定義人體運(yùn)動(dòng)過程中可能存在的身體癥狀，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)健康生理有限狀態(tài)機(jī)；最后，利用健康狀態(tài)概率計(jì)算模型來(lái)獲取人體健康狀態(tài)的概率值，客觀量化人體運(yùn)動(dòng)健康狀態(tài)。

2.1 人體熱生理指標(biāo)模糊預(yù)處理

熱生理指標(biāo)模糊預(yù)處理的含義，是指依據(jù)人體在日常健身活動(dòng)中生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)，及個(gè)人熱生理狀態(tài)來(lái)定義隸屬函數(shù)并劃分身體癥狀區(qū)間。在此，本文采用了梯形隸屬函數(shù)來(lái)定義生理指標(biāo)范圍和癥狀區(qū)間，其表達(dá)式如公式(13)所示：

(13)

式中：隸屬函數(shù)μ(x)的值可理解為出現(xiàn)某癥狀的概率值；{a,b,c,d}為參數(shù)集，用于決定梯形隸屬函數(shù)的圖形形狀，通過調(diào)整參數(shù)變化可以很好地定義和劃分身體癥狀區(qū)間[20]。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和運(yùn)動(dòng)生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究表明[14]，人體內(nèi)核溫度可劃分為五個(gè)癥狀，分別是低溫(H)、正常(N)、低熱(F1)、中度熱(F2)和高熱(F3)；人體脫水比可劃分為四個(gè)癥狀，分別是正常(N)、輕度脫水(D1)、中度脫水(D2)、重度脫水(D3)；人體心率可劃分為三個(gè)癥狀，分別是心率過緩(B)、正常(N)和心率過快(T)。三個(gè)運(yùn)動(dòng)健康量化指標(biāo)的隸屬函數(shù)如圖1所示。

圖1 生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)Fig.1 Membership functions of physiological indicators

2.2 運(yùn)動(dòng)健康有限狀態(tài)機(jī)定義

研究并模擬人體運(yùn)動(dòng)過程中的生理漸進(jìn)變化有利于人體健康狀態(tài)的判定。有限狀態(tài)機(jī)(finite state machine,FSM)是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型[21-22]。本節(jié)中，我們通過內(nèi)核溫度、脫水比和心率表示人體運(yùn)動(dòng)身體狀態(tài)，利用三個(gè)指標(biāo)的數(shù)值變化作為身體狀態(tài)之間的觸發(fā)事件定義一個(gè)運(yùn)動(dòng)健康有限狀態(tài)機(jī)。該狀態(tài)機(jī)能夠直觀并全面地模擬整個(gè)過程中的運(yùn)動(dòng)身體狀態(tài)及其變化過程，其定義如下所示。

定義1：一個(gè)運(yùn)動(dòng)健康有限狀態(tài)機(jī)表示為

M=(∑,Q,φ,δ) .

1) ∑為所有可能的身體癥狀。根據(jù)三個(gè)輸入指標(biāo)及其模糊處理后的癥狀劃分，共有12個(gè)身體癥狀，所有癥狀含義及其說(shuō)明如表1所示。每個(gè)癥狀都有一個(gè)隸屬度值μ(i,j,x)，且0<μ(i,j,x)<1.其中，i表示第i個(gè)輸入指標(biāo)；j表示第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的癥狀編號(hào)；x是當(dāng)前時(shí)刻的第i個(gè)指標(biāo)的仿真值；μ(i,j,x)表示第i個(gè)指標(biāo)的仿真值為x且對(duì)應(yīng)第j個(gè)癥狀時(shí)的概率值。

表1 身體癥狀Table 1 Human body states

2)Q為所有可能的身體狀態(tài)。當(dāng)前狀態(tài)集包含了所有由∑中癥狀引起的健康狀態(tài)，共有60個(gè)健康狀態(tài)。如，NNN代表健康；FD3N代表高熱且脫水等。其中，健康狀態(tài)的第一個(gè)字符表示內(nèi)核溫度，第二個(gè)字符表示脫水比，第三個(gè)字符表示心率。狀態(tài)NNN為初始狀態(tài)，任何一個(gè)狀態(tài)都可作為運(yùn)動(dòng)結(jié)束狀態(tài)。

3)φ為權(quán)重函數(shù)，該函數(shù)表示身體癥狀之間的轉(zhuǎn)移權(quán)重。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域人體身體癥狀轉(zhuǎn)移關(guān)系可定義為“從不”“偶爾 ”“時(shí)?！薄敖?jīng)?！薄耙恢薄?，對(duì)應(yīng)的權(quán)重值分別為0.1,0.5,0.7,0.9,1.0[23]。

4)δ為轉(zhuǎn)移函數(shù)。轉(zhuǎn)移函數(shù)的形式定義為：A→βB.其中，A為身體的當(dāng)前狀態(tài)；B為新的目的狀態(tài)；β為新提取的癥狀。例如，NNN→hhr NNT，表示狀態(tài)NNN接收到新癥狀hhr后，狀態(tài)轉(zhuǎn)移為NNT。此外，狀態(tài)是可以自轉(zhuǎn)移的。例如，NNN→nt NNN，表示狀態(tài)NNN接收到新癥狀nt后，狀態(tài)仍保持在NNN上。需要注意的是，正常情況下人體生理性能是連續(xù)平滑變化的，非鄰接狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的情況較少出現(xiàn)，如指標(biāo)狀態(tài)低溫(H)與發(fā)燒(F1,F2,F3)、心率過緩(B)和心率過快(T)之間無(wú)直接轉(zhuǎn)移行為。

2.3 健康狀態(tài)概率計(jì)算模型

基于已定義的運(yùn)動(dòng)健康模糊有限狀態(tài)機(jī)，我們引入一個(gè)健康狀態(tài)概率計(jì)算模型。該模型通過當(dāng)前時(shí)刻的癥狀轉(zhuǎn)移概率、指標(biāo)狀態(tài)概率等來(lái)共同計(jì)算運(yùn)動(dòng)過程中身體生理狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列及其相關(guān)概率，且概率越大，出現(xiàn)該狀態(tài)的可能性越大。

單個(gè)指標(biāo)引起的癥狀轉(zhuǎn)移概率：

(14)

式中：si表示指標(biāo)的癥狀集，例如i=1，對(duì)應(yīng)的輸入變量為tc，si={低溫，正常，低熱，中度熱，高熱}；s為輸入變量對(duì)應(yīng)的癥狀；dSi(s)為癥狀s的隸屬函數(shù)值；ω表示當(dāng)前癥狀和下一時(shí)刻即將出現(xiàn)的新癥狀之間的轉(zhuǎn)移權(quán)重；最大值求解max的含義是當(dāng)接收一個(gè)新癥狀時(shí)，我們選擇概率最大的癥狀所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)狀態(tài)作為下一時(shí)刻的目的狀態(tài)。例如：假設(shè)前一時(shí)刻內(nèi)核溫度為37 ℃，對(duì)應(yīng)的癥狀為nt，當(dāng)輸入的內(nèi)核溫度仿真值為37.4 ℃時(shí)，其對(duì)應(yīng)的癥狀和當(dāng)前概率有兩個(gè)，分別為nt(0.7)和sht(0.3)，癥狀轉(zhuǎn)移權(quán)重φ(nt,nt)=0.9,φ(nt,sht)=0.7.當(dāng)前由內(nèi)核溫度引起的癥狀轉(zhuǎn)移概率為

μ=max{min{0.7,0.9},min{0.3,0.7}}=0.7.

第i個(gè)指標(biāo)在n時(shí)刻的狀態(tài)概率：

(15)

其中，μi(n-1)為第i個(gè)指標(biāo)在n-1時(shí)刻的狀態(tài)概率。若當(dāng)前癥狀與上一時(shí)刻癥狀相同，當(dāng)前指標(biāo)狀態(tài)μi(n)取上一時(shí)刻狀態(tài)概率值μi(n-1)與當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率值μ的平均值；若當(dāng)前癥狀與上一時(shí)刻癥狀不同，則μi(n)取上一時(shí)刻狀態(tài)概率的補(bǔ)集1-μi(n-1)與當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率值μ的平均值。需注意的是，初始時(shí)刻的指標(biāo)狀態(tài)概率為1.

n時(shí)刻身體運(yùn)動(dòng)生理狀態(tài)概率為：

(16)

式中：μovernall(n-1)為n-1時(shí)刻的身體運(yùn)動(dòng)生理狀態(tài)概率；N為運(yùn)動(dòng)過程中，狀態(tài)沒有改變過的指標(biāo)個(gè)數(shù)；M為狀態(tài)改變過的指標(biāo)個(gè)數(shù)，0≤N，M≤3.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 人體熱生理仿真模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的人體熱生理仿真模型，選擇20個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)際運(yùn)動(dòng)生理監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過程中，我們采用吞咽式內(nèi)核溫度測(cè)量計(jì)、高精度體重計(jì)以及心率帶進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)量[24]。為保證監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，每個(gè)對(duì)象進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取其平均值。實(shí)驗(yàn)對(duì)象生理屬性的平均值和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置如表2和表3所示。

圖2分別給出了實(shí)驗(yàn)對(duì)象在場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中的平均內(nèi)核溫度的分布曲線對(duì)比圖。其中，紅線為

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象Table 2 Experimental subjects

表3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Table 3 Experimental scenes

采用吞咽式內(nèi)核溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色為基于人體熱生理模型的仿真結(jié)果。誤差棒范圍是±0.5 ℃.通過該圖可知，仿真的內(nèi)核溫度與測(cè)量的內(nèi)核溫度有相同的變化趨勢(shì)，且誤差均在0.5 ℃以內(nèi)。因此，該仿真結(jié)果是可接受的。同時(shí)，場(chǎng)景1以走路為主，由于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較低，其內(nèi)核溫度隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增

圖2 內(nèi)核溫度變化曲線Fig.2 Curves of core temperature

加而緩慢上升；而場(chǎng)景2以跑步為主，其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大，人體熱生成機(jī)制的作用要大于熱擴(kuò)散機(jī)制，其內(nèi)核溫度會(huì)快速上升，并明顯高于走路狀態(tài)的內(nèi)核溫度值。

表4給出了實(shí)驗(yàn)對(duì)象在場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中平均出汗量以及脫水比的結(jié)果。通過表中數(shù)值比較可知，盡管出汗量的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果存在一定誤差，但脫水比的誤差不足0.1%，因此，該仿真結(jié)果是可接受的。

表4 出汗量與脫水量的對(duì)比Table 4 Comparison of sweating rate and dehydration rate

圖3給出了實(shí)驗(yàn)對(duì)象在場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中平均心率的變化曲線對(duì)比圖。其中，心率的誤差棒范圍在±10 min-1.通過兩個(gè)圖可知，仿真的心率與測(cè)量的心率有相同的變化趨勢(shì)，且誤差均在10 min-1以內(nèi)。此外，與場(chǎng)景1相比，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增大，場(chǎng)景2中的心率變化要更加明顯。

圖3 心率變化曲線Fig.3 Curves of heart rate

3.2 運(yùn)動(dòng)健康量化案例

本節(jié)在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的20個(gè)對(duì)象中，隨機(jī)挑選2個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行健康量化案例分析。案例1(A)為年輕男性穿T恤短褲在室溫環(huán)境下慢跑120 min，案例2(B)為中年男性穿背心短褲在略高于室溫的環(huán)境下快跑30 min，詳細(xì)設(shè)置見表5所示。

表5 場(chǎng)景設(shè)置Table 5 Scene setting

案例1：對(duì)象A(男，25歲，177 cm，68 kg)身穿棉質(zhì)T恤和短褲，在25℃和65% RH的環(huán)境下，以7 km/h的速度慢跑120 min.在該場(chǎng)景中，對(duì)象A的內(nèi)核溫度、脫水量、心率的變化趨勢(shì)如圖4所示，身體健康狀態(tài)變化趨勢(shì)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列分別如圖5和表6所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象A的仿真指標(biāo)變化曲線Fig.4 Change curves of the simulated physiological indicators of subject A

圖5 實(shí)驗(yàn)對(duì)象A的運(yùn)動(dòng)健康狀態(tài)狀態(tài)機(jī)Fig.5 State machine for exercise health status of subject A

表6 實(shí)驗(yàn)對(duì)象A的健康狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列Table 6 Health state transition sequence of subject A

在圖5中，淺綠色為健康狀態(tài)，淺橙色為健康預(yù)警狀態(tài)，橙色為危險(xiǎn)狀態(tài)。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過程中，對(duì)象A共經(jīng)歷了NNN，F(xiàn)1NN，F(xiàn)2NN，F(xiàn)2NT，F(xiàn)2D1T以及F3D1T六個(gè)身體狀態(tài)。其中，NNN狀態(tài)為初始態(tài)，概率為1；F3D1T為運(yùn)動(dòng)結(jié)束狀態(tài)，概率為0.77.如表6所示，在仿真的第5 min，人體內(nèi)核溫度上升且其對(duì)應(yīng)的癥狀由nt變?yōu)閟ht，身體狀態(tài)由NNN變?yōu)镕1NN，此時(shí)，人體處于輕微發(fā)熱狀態(tài)，即人體溫度略高于正常值；之后，內(nèi)核溫度緩慢增加，其對(duì)應(yīng)癥狀變?yōu)閙ht和ht，對(duì)應(yīng)的身體狀態(tài)標(biāo)識(shí)變?yōu)镕2和F3；在第49 min時(shí)，人體心率對(duì)應(yīng)癥狀從nhr變?yōu)閔hr，身體狀態(tài)由F2NN變?yōu)镕2NT；在第114 min，對(duì)象A開始脫水，對(duì)應(yīng)癥狀從nd變?yōu)閙id，身體狀態(tài)由F3NT變?yōu)镕3D1T.此外，根據(jù)概率計(jì)算模型可知，身體狀態(tài)的概率值越大，人體處于該狀態(tài)的可能性越大。例如，在慢跑的第6 min，人體內(nèi)核溫度剛剛增長(zhǎng)至低熱狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)象A處于F1NN狀態(tài)的概率為0.71；第10 min時(shí)，人體內(nèi)核溫度緩慢增加，此時(shí)，對(duì)象A處于身體狀態(tài)F1NN的可能性要比第7 min大得多，此時(shí)F1NN對(duì)應(yīng)的概率值為0.99.根據(jù)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究表明，人體長(zhǎng)期處于發(fā)熱狀態(tài)對(duì)人體組織和生理功能是有害的，且長(zhǎng)期發(fā)熱結(jié)合脫水會(huì)造成中暑等問題。因此，當(dāng)內(nèi)核溫度的癥狀為mht或ht時(shí)，需要為用戶進(jìn)行健康預(yù)警。當(dāng)脫水比的癥狀為mih時(shí)，人體進(jìn)入脫水狀態(tài)，此時(shí)用戶需要補(bǔ)充水分來(lái)維持人體正常機(jī)能。當(dāng)心率癥狀進(jìn)入hhr時(shí)，人體處于心率過快狀態(tài)，容易引起心臟疾病的發(fā)生，造成身體損害，此時(shí)需要及時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，保證心率在正常安全范圍內(nèi)。

案例2：對(duì)象B(男，35歲，173 cm，74 kg)身穿棉質(zhì)背心和短褲，在28 ℃和50% RH的環(huán)境下，以12 km/h的速度、80%的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度快跑30 min.

圖6給出了對(duì)象B在該場(chǎng)景下的內(nèi)核溫度、脫水量、心率的變化趨勢(shì)，圖7給出了身體健康狀態(tài)變化趨勢(shì)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列。由圖7可知，與案例1中對(duì)象A相比，對(duì)象B的生理變化要迅速得多，尤其是內(nèi)核溫度很快增長(zhǎng)至40 ℃，心率增長(zhǎng)到170 min-1.對(duì)象B在運(yùn)動(dòng)過程的身體狀態(tài)也從NNN快速更新到NNT以及F1NT，F(xiàn)2NT和F3NT.需要注意的是，由于心率快速達(dá)到最大值，對(duì)象B在該場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)是具有很大風(fēng)險(xiǎn)的，即對(duì)象B需要調(diào)整運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，比如，降低運(yùn)動(dòng)速度，減少快跑時(shí)間等。

4 運(yùn)動(dòng)健康仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

基于上述的人體熱生理建模和運(yùn)動(dòng)健康量化分析，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向運(yùn)動(dòng)健康的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型仿真數(shù)值計(jì)算、運(yùn)動(dòng)健康量化和可視化四個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)前處理模塊主要負(fù)責(zé)場(chǎng)景信息的定義和設(shè)置。在仿真開始之前，用戶需要通過電腦、手機(jī)等交互式設(shè)備對(duì)仿真場(chǎng)景中的人體屬性、服裝屬性、活動(dòng)信息以及環(huán)境信息進(jìn)行設(shè)置。其中，人體組織的生理參數(shù)和織物物理參數(shù)繁雜，且不同對(duì)象之間參數(shù)差異較小，因此通常將其預(yù)設(shè)為默認(rèn)值。在需要時(shí)，用戶可根據(jù)自身情況進(jìn)行選擇和修改。

圖6 實(shí)驗(yàn)對(duì)象B的仿真指標(biāo)變化曲線Fig.6 Change curves of the simulated physiological indicators of subject B

圖7 實(shí)驗(yàn)對(duì)象B的運(yùn)動(dòng)健康狀態(tài)狀態(tài)機(jī)Fig.7 State machine for exercise health status of subject B

模型數(shù)值仿真計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)人體熱生理模型的計(jì)算。在場(chǎng)景信息確定后，用戶需結(jié)合邊界信息和仿真控制信息，對(duì)人-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中耦合的熱生理模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算結(jié)果如內(nèi)核溫度的變化、心率的變化等作為運(yùn)動(dòng)健康量化模塊的輸入，并存入仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中以便后續(xù)使用。

運(yùn)動(dòng)健康量化模塊主要負(fù)責(zé)量化和預(yù)測(cè)人體在仿真過程中的健康狀態(tài)。基于模型仿真得到的內(nèi)核溫度、脫水比和心率，該模塊依次實(shí)現(xiàn)指標(biāo)模糊處理功能、狀態(tài)機(jī)定義功能和健康狀態(tài)概率計(jì)算功能。

在可視化模塊中，人體熱生理仿真數(shù)據(jù)以及人體運(yùn)動(dòng)健康仿真結(jié)果將以2D圖表以及3D動(dòng)畫的形式展示給用戶。其中，2D圖表用于展示運(yùn)動(dòng)過程中的各生理指標(biāo)和健康狀態(tài)的變化趨勢(shì)， 3D動(dòng)畫用于動(dòng)態(tài)展示人體體溫和濕度的分布情況。結(jié)合可視化結(jié)果以及運(yùn)動(dòng)生理學(xué)知識(shí)，能夠?yàn)橛脩艚】颠\(yùn)動(dòng)提供合理的有價(jià)值的建議。

圖8為平臺(tái)部分界面，包括場(chǎng)景定義界面、仿真控制界面以及仿真結(jié)果分析界面。

圖8 仿真結(jié)果可視化界面Fig.8 Visual interface of simulation results

5 總結(jié)

隨著人們對(duì)運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的深入認(rèn)識(shí)以及對(duì)健康運(yùn)動(dòng)的迫切需求，面向運(yùn)動(dòng)健康的研究與應(yīng)用已成為當(dāng)前的工作熱點(diǎn)。為此，本文深入分析了人體在運(yùn)動(dòng)過程中的多個(gè)生理機(jī)制，尤其是熱調(diào)節(jié)機(jī)制和心率調(diào)節(jié)機(jī)制，建立了有效合理的人體熱生理仿真模型。其次，基于該生理模型得到的多元仿真數(shù)據(jù)，提出一個(gè)基于模糊有限狀態(tài)機(jī)的健康量化方法。該方法通過分析和計(jì)算人體在運(yùn)動(dòng)過程中的身體狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列，能夠加深對(duì)人體健康狀態(tài)的理解。最后，根據(jù)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向運(yùn)動(dòng)健康的仿真平臺(tái)。通過平臺(tái)，用戶能夠在運(yùn)動(dòng)之前對(duì)即將開始的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，人體熱生理仿真結(jié)果以及健康量化結(jié)果都可以直觀地給出，最終實(shí)現(xiàn)提前規(guī)避運(yùn)動(dòng)健康風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。在后續(xù)的研究中，筆者將會(huì)加強(qiáng)個(gè)性化的人體運(yùn)動(dòng)健康量化。