生理狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測在軍事中的應(yīng)用研究

徐盛嘉，蔣偉東，趙鳳雛，邊鵬飛

前言

可穿戴的生理監(jiān)測設(shè)備一般用于競技體育領(lǐng)域，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員的生理狀態(tài)，可為教練員制定和調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃提供依據(jù)，顯著提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，目前，生理狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測（real time physiological status monitoring，RT-PSM）已越來越多地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，對士兵進(jìn)行實(shí)時(shí)生理狀態(tài)監(jiān)測可提供關(guān)于身體健康和軍事任務(wù)表現(xiàn)的預(yù)測，從而為軍事指揮官和士兵個(gè)人提供重要信息。軍事應(yīng)用主要包括：（1）通過提供個(gè)人狀態(tài)信息來優(yōu)化自我調(diào)節(jié)，工作量分配和增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)感知，從而技術(shù)性地提高軍事表現(xiàn)，（2）預(yù)測壓力負(fù)荷（物身體，心理和環(huán)境）導(dǎo)致的任務(wù)失敗，（3）盡早檢測到的威脅因素，（4）傷員檢測，診斷和早期臨床治療，（5）優(yōu)化個(gè)人健康和鍛煉習(xí)慣，（6）長期健康風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測和有害物劑量測定［1］。本文將據(jù)此分析目前RT-PSM在軍事中的應(yīng)用和發(fā)展情況，包括與士兵安全與完成軍事任務(wù)密切相關(guān)的生理狀態(tài)：能量代謝、運(yùn)動(dòng)量、體溫、認(rèn)知、壓力應(yīng)激等，為士兵的最佳化訓(xùn)練和提高軍事任務(wù)表現(xiàn)提供可行的監(jiān)測方法。

1 RT-PSM的軍用要求

以往，預(yù)測士兵的工作休息周期和訓(xùn)練限制只能使用基于個(gè)人和環(huán)境條件的廣義模型來估算。如今，技術(shù)的發(fā)展通過將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向內(nèi)部，與個(gè)人的實(shí)際狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，提供對士兵表現(xiàn)的個(gè)人評估，而不是從外部條件進(jìn)行推斷和假設(shè)［2］。然而目前的商業(yè)監(jiān)測設(shè)備通常不能滿足軍事用途的要求，原始的生理數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)信息（如最近的睡眠歷史或熱量消耗）通常基于無法正確檢查和驗(yàn)證的專有算法，輸出結(jié)果精度較差。此外，不安全且功耗要求高的藍(lán)牙連接和專有架構(gòu)無法輕松集成到戰(zhàn)術(shù)安全系統(tǒng)和軍事通信網(wǎng)絡(luò)中。RT-PSM不應(yīng)給士兵增加顯著的重量，不需要每天充電或更換電池，因此，較小的尺寸、重量和功率對于士兵的可接受性和戰(zhàn)術(shù)可用性是至關(guān)重要的，且相關(guān)應(yīng)用需要根據(jù)軍事任務(wù)或訓(xùn)練的需求一并開發(fā)［3］。這些都是使RT-PSM符合軍事用途的重要條件，圖1列舉了一些RT-PSM的重要組成部分。

圖1 RT-PSM系統(tǒng)的重要組成部分

其中，RT-PSM最為關(guān)鍵的組成部分是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用且可操作信息的算法［1］。根據(jù)RT-PSM生成的信息，可采取相應(yīng)的行對對軍事任務(wù)的結(jié)果產(chǎn)生影響，或者在訓(xùn)練中提高安全性和有效性。生理遙測是各種正常人類反應(yīng)的重要研究工具，然而，大量的原始生理數(shù)據(jù)在軍事中并不易用，即使對于經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生來說，諸如心率升高之類的參數(shù)也可能意味著個(gè)體是適當(dāng)激活以達(dá)到最佳表現(xiàn)、出血并需要緊急護(hù)理，或者出現(xiàn)緊張、沖動(dòng)等情緒。因此，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息的算法是RT-PSM的基礎(chǔ)，這些算法應(yīng)該與軍隊(duì)指揮官的信息需求和軍事任務(wù)中存在的問題相匹配。

2 RT-PSM的軍事應(yīng)用

2.1 能量代謝和運(yùn)動(dòng)量的監(jiān)測

能量代謝是冷熱應(yīng)激、工作負(fù)荷和損傷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的基本參數(shù)。例如，在代謝熱產(chǎn)生高能量的消耗期間，凍傷的風(fēng)險(xiǎn)可顯著降低，而在高溫環(huán)境中，身體活動(dòng)水平則受到限制。運(yùn)動(dòng)能量消耗（activity energy expenditure，AEE）已用于評估運(yùn)動(dòng)量，行軍計(jì)劃的疲勞極限可用能量消耗的比率表示。每日總能量支出（total daily energy expenditure，TDEE）也可用于健身和體重管理計(jì)劃。最近開發(fā)的Ludlow-Weyand模型簡化了對行走速度，坡度和總負(fù)重量的估算，使結(jié)果更加通用和精確，但需要進(jìn)行全面評估［4］。

軀干上的三軸加速度測量法提高了僅從年齡、體重和身高預(yù)測的TDEE估計(jì)值［5］。傳感器的位置是獲取所需信息的重要因素，胸部或軀干佩戴傳感器的心率測量精度較手腕低，對于基于加速度計(jì)的TDEE，胸部或軀干部位也比手腕部位的測量精度高，雖然手腕佩戴傳感器的舒適度更好。鞋子中安裝傳感器則可以準(zhǔn)確地估計(jì)AEE并對運(yùn)動(dòng)類型進(jìn)行分類，通過測量足部接觸地面的時(shí)間和心率在一段時(shí)間內(nèi)的變化，可監(jiān)測個(gè)體攝氧量的變化，使用導(dǎo)航和全球定位系統(tǒng)，并結(jié)合氣壓測量海拔，可進(jìn)一步提高AEE估算的精度［6］。

監(jiān)測與損傷相關(guān)的運(yùn)動(dòng)量是可穿戴技術(shù)的重要目標(biāo)，因?yàn)榧∪夤趋罁p傷仍然是影響軍事任務(wù)的主要因素之一，運(yùn)動(dòng)模式和地面反作用力的可以預(yù)測即將發(fā)生的損傷，采用預(yù)防性的干預(yù)手段，例如步態(tài)分析和訓(xùn)練等，也可以提前預(yù)測損傷［7］。目前，非侵入式的可穿戴系統(tǒng)已經(jīng)用于現(xiàn)場生物力學(xué)評估，為運(yùn)動(dòng)量和負(fù)重行軍的實(shí)地研究制作了原型。由Reed Hoyt領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)探索了一系列策略，從形狀配合鞋墊的傳感器到聲學(xué)地面?zhèn)鞲衅髟俚綁弘娕菽夹g(shù)，證明了僅使用腳踝周圍的慣性傳感器估算地面反作用力的可行性［8］。

可以采用便攜式代謝監(jiān)測儀測量呼吸的氧氣和二氧化碳，以更直接的進(jìn)行TDEE測量，便攜式代謝監(jiān)測儀的優(yōu)勢在于獲得能量代謝的更詳細(xì)的方面，如常量營養(yǎng)素［9］。測量水周轉(zhuǎn)率／通量的新技術(shù)將提供與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)相關(guān)的水平衡的監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)更精確和最佳的水合作用［10］。代謝監(jiān)測的進(jìn)展為評估葡萄糖和乳酸等能量代謝的關(guān)鍵循環(huán)成分提供了可能，這些成分與影響身體，認(rèn)知和行為表現(xiàn)的疲勞有關(guān)［11］。然而，目前仍然需要通過皮膚進(jìn)行某種形式的分析物采樣。改進(jìn)的經(jīng)皮光譜方法、汗液采樣系統(tǒng)、以及呼吸分析可能很快實(shí)現(xiàn)代謝評估的非侵入性和舒適性。

2.2 體溫的監(jiān)測

在臨床醫(yī)學(xué)中，一般通過在個(gè)體表現(xiàn)出神經(jīng)癥狀的情況下才進(jìn)行體溫測量，以確認(rèn)體溫過高。但是，在沒有這種背景的情況下，僅通過測量核心溫度來確認(rèn)體溫過高，就會(huì)掩蓋人體對持久性運(yùn)動(dòng)的生理適應(yīng)性。在馬拉松運(yùn)動(dòng)員中，核心溫度可持續(xù)數(shù)小時(shí)高于40℃，對于士兵而言，由于著裝要求，且攜帶裝備較多，因此具有額外的熱量負(fù)擔(dān)。使用可攝入的溫度藥丸進(jìn)行核心溫度監(jiān)測提供了現(xiàn)場研究的工具，但它并不能解決檢測個(gè)體在高溫下的工作極限問題。

安全工作極限可用熱習(xí)服指數(shù)來解決，該指數(shù)將核心溫度與心率相結(jié)合，并結(jié)合其他一些研究成果使之成為實(shí)用的解決方案［12］。一種是基于時(shí)間序列心率分析核心溫度預(yù)測算法的開發(fā)，以取代需要吞下檢測溫度的藥丸［13］。美軍在生理監(jiān)測技術(shù)的測試，整合和驗(yàn)證方面投入了大量資金，開發(fā)了胸戴式的心率和核心溫度檢測系統(tǒng)，進(jìn)一步降低了尺寸，重量和功率，提高了舒適度，并提供了通信功能。熱訓(xùn)練環(huán)境中的個(gè)性化監(jiān)測也正在研究中，通過允許比預(yù)測熱習(xí)服指數(shù)值更高的訓(xùn)練工作量來提高訓(xùn)練效果。

簡單的核心溫度也不能提供關(guān)于體溫過低的可操作信息。在高風(fēng)險(xiǎn)野外訓(xùn)練期間，觀察到士兵核心溫度大幅下降，但并沒有造成傷亡；而在中等溫度條件下，低溫死亡事件卻會(huì)意外發(fā)生。監(jiān)測方法可能需要關(guān)注溫度調(diào)節(jié)失敗的指標(biāo)，例如停止顫抖發(fā)熱的時(shí)間等［14］。盡管對手和腳的寒冷影響可通過靴子和手套緩解，但通過溫度感應(yīng)，防止周圍（尤其是手部）的凍傷，對于完成軍事任務(wù)非常關(guān)鍵。

2.3 警覺性的監(jiān)測和職業(yè)適應(yīng)性的評估

警覺性是士兵的重要能力，適用于巡邏、崗哨、駕駛、監(jiān)控等多種任務(wù)。但即使是休息充分的士兵，在持續(xù)工作兩個(gè)小時(shí)后也開始出現(xiàn)錯(cuò)誤。士兵在夜間的警覺性會(huì)顯著降低，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)注意力的減退和打盹次數(shù)的增加，對軍事任務(wù)產(chǎn)生較大影響。

早期的疲勞和急性警覺性監(jiān)測較為簡單，使用頭盔背面的水銀開關(guān)檢測頭部擺動(dòng)。更敏感的方法是使用紅外反射來檢測慢速眼瞼閉合，從儀表板安裝系統(tǒng)跟蹤視網(wǎng)膜。如果將頭盔或眼鏡隨頭部移動(dòng)以保持與眼睛對齊，則更為可靠。眨眼，眼跳和瞳孔測量等眼球動(dòng)力學(xué)指標(biāo)長期以來都被視為是疲勞評估的預(yù)測因素［15］。盡管對眼科測量評估系統(tǒng)進(jìn)行了大量的投入，旨在評估適用性，但該技術(shù)并未成熟。腦電警報(bào)監(jiān)測也被證實(shí)可以用于監(jiān)測疲勞，當(dāng)功率不受限制時(shí)，例如在車輛或飛機(jī)中，該方法是可行的，但對于常規(guī)使用來說，全套頭皮電極的侵入性較大，舒適度較差［16］。目前已經(jīng)開發(fā)出更為簡單的單通道腦電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能最終被放置在帽子或頭盔中［17］。法國空軍目前正在使用研究人員開發(fā)的單通道腦電系統(tǒng)以優(yōu)化休息和飛行時(shí)間表，并修改戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)和程序有效性［18］。近紅外光譜的前額測量值可與單通道腦電圖結(jié)合使用，可能會(huì)增加警惕性預(yù)測的準(zhǔn)確性［17］。

睡眠史的測量已被用于預(yù)測警覺狀態(tài)，特別是當(dāng)與晝夜周期中預(yù)期的警覺性變化相結(jié)合時(shí)。睡眠限制或剝奪睡眠時(shí)間會(huì)造成表現(xiàn)和注意力的下降，但是睡眠恢復(fù)力的遺傳學(xué)因素、小憩和咖啡因調(diào)節(jié)等許多其他因素干擾了預(yù)測的準(zhǔn)確性［19］。睡眠史由三軸加速度估計(jì)的總睡眠時(shí)間獲得。常用的算法預(yù)測睡眠持續(xù)時(shí)間的可靠性大于90%，但在正確分類清醒狀態(tài)方面則效果較差（約60%）［20］。然而，睡眠監(jiān)測似乎有助于改善士兵的睡眠行為，為健康提供幫助，可靠的睡眠質(zhì)量測量對于士兵在戰(zhàn)場上壓縮恢復(fù)性睡眠的開發(fā)和評估具有重要意義。

2.4 心理狀態(tài)和壓力的神經(jīng)生理學(xué)監(jiān)測

測量急性心理壓力的標(biāo)記物，是對新威脅的適當(dāng)應(yīng)激反應(yīng)，可測量的生理反應(yīng)包括皮膚電傳導(dǎo)、心率和心率變異性，以及聲音成分的變化等聲音壓力分析可檢測到情緒緊張的事件，這種反應(yīng)會(huì)隨著信心的增加而在隨后的試驗(yàn)中減弱，而心率升高則是適當(dāng)應(yīng)激激活的持續(xù)特征，可以為危險(xiǎn)的任務(wù)做準(zhǔn)備［21］。同樣地，飛行員在夜間或風(fēng)暴中將飛機(jī)降落在傾斜的航空母艦甲板上會(huì)引起適當(dāng)?shù)摹⒖蓽y量的生理反應(yīng)，這些生理反應(yīng)可描述情緒上的重大事件和壓力激活，但不能提供可操作的信息［21］。

情感領(lǐng)域監(jiān)測方法通?；谡Z音和行為，在預(yù)測抑郁和認(rèn)知障礙中具有重要意義。美國國防部高級研究計(jì)劃局發(fā)起了一項(xiàng)心理信號的檢測和計(jì)算分析，通過社會(huì)交往評估和生理感知監(jiān)測，并結(jié)合心理狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)（眼睛注視，身體姿勢，語音分析，對話內(nèi)容分析等），旨在針對反映心理狀態(tài)的人類行為中的重要信號［22］。例如，對相關(guān)腦區(qū)域的差異評估，進(jìn)一步剖析語音成分，可以識別是否具有抑郁癥［23］。對面部單元激活情況進(jìn)行差異評估，可以識別認(rèn)知障礙和創(chuàng)傷性腦損傷的持續(xù)癥狀［24］。結(jié)合熱習(xí)服指數(shù)，基于運(yùn)動(dòng)模式變化的神經(jīng)認(rèn)知評估也可提供對即將發(fā)生的中暑和凍傷的可靠預(yù)測［25］。這些技術(shù)將對士兵的提供神經(jīng)認(rèn)知狀態(tài)提供更多的認(rèn)識。

未來的監(jiān)測將包括其他感測模式，如揮發(fā)性氣味的監(jiān)測。犬類能察覺人類揮發(fā)的特殊應(yīng)激信號物，例如警報(bào)犬能察覺1型糖尿病和精神?。?6］。在某種程度上，這些犬類察覺到的不同的運(yùn)動(dòng)模式、生理反應(yīng)或揮發(fā)性有機(jī)化合物的分泌也可用機(jī)器檢測。人類氣味是一種潛在的豐富信息來源，在感染或頭部受傷后會(huì)產(chǎn)生特定的揮發(fā)性有機(jī)化合物，新的嗅覺受體納米管傳感技術(shù)使檢測成為可能［27］。

減輕士兵的壓力負(fù)荷是神經(jīng)生理學(xué)監(jiān)測的重要應(yīng)用，這將是未來人機(jī)交互的重要組成部分。這在美國國防部高級研究計(jì)劃局的另一項(xiàng)關(guān)于“增強(qiáng)認(rèn)知”的研究計(jì)劃中進(jìn)行了嘗試，其中團(tuán)隊(duì)內(nèi)心理工作量的重新分配、信息顯示的數(shù)量和形式，以及各種類型的表現(xiàn)增強(qiáng)均基于對實(shí)時(shí)神經(jīng)認(rèn)知狀態(tài)監(jiān)測能力的假設(shè)［28］。另一個(gè)應(yīng)用是監(jiān)測并幫助減少士兵的適應(yīng)性心理應(yīng)激反應(yīng)，在精神病學(xué)創(chuàng)傷性暴露后數(shù)小時(shí)內(nèi)持續(xù)的生理活動(dòng)會(huì)對后續(xù)的創(chuàng)傷障礙產(chǎn)生影響，目前以及提出了心理急救的措施，使用藥物進(jìn)行干預(yù)。預(yù)防方面，使用心血管測量與游戲相結(jié)合的生物反饋技術(shù)，是一種有效的自我情緒管理的替代方法［29］。

2.5 任務(wù)特定生理限制的監(jiān)測

基于RT-PSM的實(shí)時(shí)行為指導(dǎo)可以增強(qiáng)士兵的表現(xiàn)?！暗谒膶脟H士兵身體表現(xiàn)大會(huì)”展示了可以使用的監(jiān)測工具完成的工作量調(diào)整和加速適應(yīng)的示例［30］。例如，在某些極端條件下控制代謝率和產(chǎn)熱可以為士兵的表現(xiàn)和生存提供有利條件。RT-PSM提供的生物反饋信息可能為士兵提供需要多年訓(xùn)練才能形成的能力。

RT-PSM可為士兵提高多種任務(wù)的表現(xiàn)提供幫助，包括一些特殊的任務(wù)和環(huán)境條件。這就要求對士兵系統(tǒng)進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，以便根據(jù)特定的任務(wù)需求進(jìn)行配置。由于許多國家邊境和軍事沖突的地點(diǎn)位于高原，因此在海拔上升期間的缺氧損害預(yù)測也具有戰(zhàn)術(shù)意義?；赗T-PSM監(jiān)測心血管參數(shù)（如血氧飽和度）的表現(xiàn)預(yù)測可指導(dǎo)士兵分階段到達(dá)不同的高度并識別個(gè)體表現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。飛行員也存在潛在的生理事件風(fēng)險(xiǎn)，如駕駛艙內(nèi)缺氧等，將會(huì)影響飛行安全。此外，RT-PSM代謝感應(yīng)能在許多封閉的環(huán)境中起到作用，如潛水設(shè)備、宇航設(shè)備和封閉車輛，降低惡劣環(huán)境對人員造成的風(fēng)險(xiǎn)。

3 小結(jié)

RT-PSM具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值，可為士兵和指揮官提供重要幫助，監(jiān)測內(nèi)容包括熱工作限制，警覺性和適應(yīng)性狀態(tài)，肌肉骨骼疲勞極限，神經(jīng)心理狀態(tài)和任務(wù)特定的生理狀態(tài)（例如，缺氧、肺部感染、低溫等），并且可與醫(yī)療救護(hù)和環(huán)境監(jiān)測結(jié)合，為士兵健康提供幫助。在實(shí)際應(yīng)用RT-PSM時(shí)，顯示的信息應(yīng)簡單直觀，能為士兵和指揮官提供可操作的信息。目前，使用人體生理和行為信號的以檢測神經(jīng)生理狀態(tài)，特別是在預(yù)測個(gè)體的應(yīng)激極限和表現(xiàn)降低方面與有極大的發(fā)展空間，此外，RT-PSM各種功能的整合也是研究的重點(diǎn)。