基于Pareto原理的健康工程初步研究

刘承宜, 李星儿, 柳 珑, 刘颂豪

(1.华南师范大学体育科学学院,广东广州 510006;2.国防科技大学理学院化学与生物学系，湖南长沙 410073;3.华南师范大学信息光电子科技学院, 广东广州 510006)

基于Pareto原理的健康工程初步研究

刘承宜1*, 李星儿1, 柳 珑2, 刘颂豪3

(1.华南师范大学体育科学学院,广东广州 510006;2.国防科技大学理学院化学与生物学系，湖南长沙 410073;3.华南师范大学信息光电子科技学院, 广东广州 510006)

从Pareto原理出发讨论健康工程.功能内稳态(FSH)是维持功能稳定发挥的负反馈机制，处于/远离FSH的功能称为正则/失调功能.正则功能维持的FSH能被超过阈值的应激所打破，分别建立成功应激和慢性应激.成功应激通过负反馈机制维持最佳实现并提高功适能；慢性应激远离负反馈机制，不能提高功适能.健康机体的必需功能和关键非必需功能都是正则的或成功应激.亚健康机体的关键非必需功能部分失调，但未出现明显疾病.最后从中医和现代医学出发讨论健康诊断、功能训练和药物治疗.

Pareto； 功能内稳态； 健康； 亚健康

健康工程是由美国麻省总医院的COBB[1]首次提出，定义为将危重护理、系统科学和分子工程结合起来从疾病重建健康.表征健康的最终指标应该是死亡率或寿命[2].ERIKSON等[3]发现，医学教授比普通教授的死亡风险高，医师比大学老师的死亡风险高.台湾“卫生署”2009年的统计发现，中医医师比西医医师寿命还短.现代医学对疾病的研究很多，医疗费用却节节攀升.说明现有医学进展不能适应健康工程的要求.本文从Pareto原理[4]这一经济学的基本规律出发分别讨论健康诊断、疾病治疗、亚健康调理和健康促进，为健康工程的进一步研究提供理论依据.

1 Pareto原理

意大利经济学家Pareto提出了著名的Pareto规则(二八规则)，并认为同样的资源可以生产多种产品[4].后者发展的Parero效率[5]和 Pareto网络[6]被广泛用于讨论各种最佳问题.本文将Pareto规则、Pareto效率和Pareto网络统一称为Pareto原理.

生物学上负反馈机制体现为经典的Arndt-Schulz定律[7].按照Arndt-Schulz定律，随着信号的增强，生物功能逐渐增强，达到峰值后逐渐减弱.进一步研究可将峰值拓展为平台，即Arndt-Schulz平台定律.平台期生物功能对信号改变的抵抗作用正是负反馈机制的体现.生物学中负反馈机制的普适性[8]保证了Arndt-Schulz平台定律的普适性.在此基础上，将负反馈对内环境的稳定推广到对功能的稳定，将内稳态概念予以拓展，可提出功能内稳态(function-specific homeostasis, FSH)的概念[9-12].FSH是维持功能稳定发挥的负反馈机制.处于/远离FSH的功能称为正则/失调功能.失调功能建立FSH的过程称为正则化.Arndt-Schulz平台定律的峰值(平台部分)对应于正则功能，不但生理功能最优，而且可以抵抗信号剂量的改变；上升或下降部分对应于失调功能，不但功能下降，而且对信号的改变非常敏感.在药物对健康的影响方面，大部分西药满足Arndt-Schulz定律[7]，但大部分中药不满足Arndt-Schulz定律.

FSH的品质包括功能的复杂性和稳定性，称为功适能.稳定性可以用方差或变异系数(coefficient of variation, CV)来表征.功能复杂性和稳定性是相互匹配的.细胞内蛋白质分子数目的稳定性由信号网络介导的负反馈机制维持，信号网络越复杂，蛋白质分子数目越稳定[8].

Pareto原理是Arndt-Schulz定律的另外一种陈述.如果正则功能对应的信号剂量为1.0，信号剂量达到0.2或5.0时，功能已经达到正则功能的80%左右，即为Pareto规则，相应的数据点称为Pareto点.C2C12成肌细胞增殖对葡萄糖的依赖性[13]满足Arndt-Schulz定律，正则增殖对应的正糖浓度为22.5 mmol/L，其20%为4.5 mmol/L，虽然前几天的增殖离80%较远，但在第6天的增殖为正则增殖的82%，后者即Pareto点.

Pareto效率是从整体上讨论正则功能.Pareto等[4]指出，同样的资源可以生产多种产品.如果一种产品生产的提高不得不削减另一个产品的生产，相应的生产效率就称为Pareto效率[5].推广到生物学上，如果一种生物某种功能的改进不影响其它功能，这种功能就称为Pareto无效[5].

维持一个正则功能的子功能也可以构成一个Pareto网络，分为必需子功能和非必需子功能.非必需功能的地位并非均等，其中一部分为关键非必需子功能，其余的称为普通非必需子功能.正则功能要求所有必需子功能和关键非必需子功能是正则的.正则普通非必需子功能越多，正则功能的功适能越高.Arndt-Schulz平台定律表明，正则功能可以抵抗子功能在一定范围内变化，这个子功能一定是非必需的.换句话说，Pareto点的存在说明相应的子功能是非必需的，Pareto点不存在则说明相应的子功能可能是必需的.

Pareto规则还可以用于讨论网络结构.网络由节点和边线连接形成.发现一个节点与k个邻近节点相连的机会可以分成指数形式和无标度形式两种[6]，后者服从Pareto规则，即Pareto网络.网络中任何两个节点之间的边称为两个节点的距离，整个网络的平均距离称为网络的直径.Pareto网络存在两类节点，一类是必需节点，去除这些节点增加网络的直径；另一类是非必需节点，这些节点的去除不影响网络直径.

2 应激

正则功能可以抵抗阈值内的内外干扰，但其FSH被超过阈值的应激(FSH-specific stress, FSS)所打破[11]. 打破正则非必需子功能的应激称为常规应激，例如浓度高于或低于正糖的葡萄糖(高糖/低糖)引起细胞增殖失调属于常规应激[13]. 打破正则必需子功能的应激称为超常应激，例如提高强度的运动训练引起的延迟性肌肉酸痛(Delayed onset muscle soreness, DOMS)[14-15]和骨骼肌顿挫伤[16]. 图1表明，一个正则功能被FSS打破后，可建立具有各种功适能的FSH(would-be FSH, wFSH)，按照功适能由低到高排列，其中功适能最高的wFSH(wFSH of maximum functional fitness, mFSH)由成功应激建立，其余wFSH则由慢性应激建立.成功应激提高功适能，慢性应激则不能提高功适能.文化学习、职业培训和各种职业活动的功能训练都属于成功应激.

图1 慢性应激与成功应激

成功应激与正则功能一样，存在必需子功能和非必需子功能.成功应激的必需子功能和关键非必需子功能必须是正则的或属于成功应激，当遭遇子功能慢性应激时便导致整个功能蜕变成慢性应激.自限性疾病[17]属于成功应激，但遭遇子功能慢性应激则蜕变为慢性应激.小面积伤口的愈合属于成功应激，但遭遇细菌感染则蜕变为溃疡. DOMS属于成功超常应激[16]，可以增强骨骼肌的功适能，但遭遇力竭性运动引起的疲劳则康复延迟[17].

弱光可以促进慢性应激建立成功应激[11-12]. C2C12细胞在正糖中属于正则增殖，高糖引起常规应激，但在低强度红光的照射下可以再次建立正则增殖[13].力竭性离心运动诱导的大鼠DOMS[15]和大鼠骨骼肌顿挫伤[16]属于超常应激，但在低强度氦氖激光的照射下可以分别建立成功应激.

3 机体功能网络

健康机体的功能构成Pareto网络，分为必需功能、关键非必需功能和普通非必需功能.其中必需功能是稀疏的[12]，中医将其概括为阴阳和脏腑等.李江华等[18]对优秀运动员的代谢组学进行研究，从中国游泳运动员准备参加2006年多哈亚运会的训练中，获得了18名男运动员的晨尿(连续3周，每周1次)，并进行了核磁共振分析.每个尿样可以获得409个核磁共振分析数据.运动员参加比赛的成绩可以分为决赛组和非决赛组.依据尿样的2个主成份数据即可将运动员分为决赛组和非决赛组.这2个主成份是所有主成份中最稳定的.

寿命是健康程度的标志[2].必需功能的复杂性或稳定性显著影响健康机体的死亡率并存在相关性.例如，基础心率[19]或活动心率[20]与死亡率或寿命存在相关性.关键非必需功能的复杂性或稳定性对健康机体寿命的影响并不显著，但显著影响患者的寿命.按照这个标准，中医的气血津液和经络穴位与西医的大部分体检功能都属于关键非必需功能，其中体检参数的共同特征是具有较宽的参考值范围.例如，血脂功能或他汀类药物的降脂作用属于关键非必需功能.NACI等[21]分析发现，他汀类药物可用于冠心病的一级和二级预防，用于全因死亡率的二级预防.Atorvastatin和Lovastatin对全因死亡率的疗效对剂量不是很敏感，支持了Arndt-Schulz平台定律.

个体作为一个整体所开展的活动也分为必需功能、关键非必需功能和普通非必需功能. KAHNEMAN等[22]的研究发现影响幸福感的2个主要因素是在单位尽快完成工作的压力和睡眠质量，排在第二位的是收入、教育和信仰，排在第三位的是在家里尽快完成工作的压力、婚姻和裁员. 其中排在第一位的在单位尽快完成工作的压力和睡眠质量应该是机体的关键非必需功能，其它活动则为普通非必需功能.

4 健康

按照世界卫生组织(world health organization, WHO)的定义，健康不仅是免于疾病和衰弱，而且是保持身体、精神和社会适应方面的完美状态.KRYZHANOVSKY[23]将健康定义为机体不受干扰的功能动力学内稳态，后者维持机体功能的最佳执行，以便适应机体与环境的建设性关系.本文将机体功能细分为必需功能、关键非必需功能和普通非必需功能，给出了健康的更加严格定义.健康机体的必需功能和关键非必需功能都是正则的或成功应激.正则普通非必需功能或成功常规应激越多，健康水平越高.

构成健康机体的正则功能和成功应激对免疫系统的影响不同.正则功能的心理体验属于享乐型幸福.成功应激的心理体验属于实现型幸福.FREDRICKSON等[24]的研究发现，前者导致炎症相关基因表达增高，抗病毒反应基因表达下降；后者导致炎症相关基因表达下降，抗病毒反应基因表达增高.显然，单从免疫的角度，成功应激对机体健康水平的贡献大于正则功能.

中医虽然对健康机体的研究比西医深入，但中医体质[25]难以给出一个清楚的描述.中医体质描述了正则必需功能和正则关键非必需功能的功适能之间的匹配关系.正则功能的功适能彼此匹配的体质称为平和质，部分功适能较低的体质分别称为气虚质、阳虚质、阴虚质、痰湿质、湿热质、血瘀质、气郁质或特禀质等偏颇体质.从小学文化、中等教育(中学和中专)文化到高等教育(大专以上)文化，随着文化程度的提高，平和质及湿热质的比例逐渐增加，气虚质、阳虚质和阴虚质的比例逐渐下降[25]，说明教育可以促进部分偏颇体质转化为平和质.

在各种日常活动中，学生的学习或成人的工作是健康机体的必需功能.与有职业者相比，无职业者平和质比例最低与气虚质和气郁质比例最高[25]，说明没有职业会降低健康水平.研究发现，成绩越差的中学生健康越差[26].职业技能越高，死亡风险越低[27].创造力越高，死亡风险越低[28].

5 亚健康

WHO和KRYZHANOVSKY[23]的健康定义虽然可以区分健康与疾病，但无法给出亚健康的定义.本文对健康的精细定义可以严格定义亚健康.健康机体的所有关键非必需功能必须是正则的，其中一部分失调但还没有明显疾病的机体称为亚健康.大量研究表明，没有罹患疾病的人群其非必需功能的复杂性或稳定性与死亡率没有相关性，但患者的关键非必需功能的复杂性或稳定性与死亡率存在相关性.说明亚健康不影响寿命，只有发展成为疾病之后才会影响寿命.

消除亚健康的最好方式是消除引起功能失调的因素.如果无法或不愿意消除引起功能失调的因素，也可以采用药物治疗、弱光治疗[9-13, 15-16]和针灸推拿.亚健康涉及非必需功能，它对机体健康的影响满足Arndt-Schulz定律.大多数西药和功能食品满足Arndt-Schulz定律[7]，可以用于亚健康调理.血压偏高可以用降压药来控制，但其药物依从性受到抽烟、抑郁、悲伤和吃快餐等因素的影响[29].

中医偏颇体质易于出现亚健康[25].功能训练可以促进偏颇体质转化为平和质[25]，适合调理亚健康.中药对亚健康的疗效远远不如功能训练.袁曙光等[30]发现五行养生功(功能训练)和西洋参含片(中药调理)对亚健康的疗效分别为97.5%和57.5%.

6 疾病

KRYZHANOVSKY[23]将疾病定义为机体受到干扰的功能动力学内稳态，导致机体无法执行维持与环境建设性关系的功能.本文从功能网络的角度，将疾病分为2种类型：(1)部分必需功能失调或正则必需功能的功适能下降到无法维持机体的基本生存，例如心肌梗死和呼吸功能衰竭.(2)关键非必需功能的功能下降到无法维持机体的基本生存，甚至造成必需功能的损伤，例如糖尿病、贫血病、败血症和白血病等.患者的关键非必需功能的复杂性或稳定性与死亡率存在相关性.

西医对传染病或外科疾病可以治愈，但对慢性病的药物治疗只能治标.西药的量效关系大多满足Arndt-Schulz定律[7]，只能调理非必需功能.慢性病常常属于慢性超常应激.如果只要消除常规慢性应激，慢性超常应激就可以转化为成功超常应激，西药常常可以取得很好的疗效.面积不大的伤口愈合属于成功应激.对于因为细菌感染形成的伤口溃疡，抗生素可以将溃疡转化成伤口的自然愈合.

弱激光可以自适应促进慢性应激建立成功应激[9-13, 15-16, 31].DOMS的康复属于成功应激[14].对于力竭性运动引起的DOMS，只要用低强度激光消除疲劳[15]，就可以实现成功应激.骨骼肌大面积顿挫伤属于慢性超常应激，胰岛素类生长因子和转化生长因子的激活或抑制不到位，只要用低强度激光自适应促进两者各自到位[16]，损伤的康复就属于成功应激.

癌症患者肿瘤的生长是正则的[32].除了外科手术外，西医癌症治疗基本上都是直接杀死癌细胞.值得注意的是，血管性疾病或系统性炎症可以导致癌症自愈[33].肿瘤正则生长要求所有必需子功能和关键非必需子功能都是正则的.阻断糖摄入可以减少恶性肿瘤的进展或风险[34].血管性疾病导致肿瘤葡萄糖供应下降.系统性炎症导致肿瘤表面新产生的肿瘤细胞受到免疫系统的攻击.两种慢性应激中的一种就可以导致肿瘤生长失调，最后导致自行消失.除此之外，小孩或孕妇的癌症自愈也时有发生，这可能是因为小孩或胎儿的迅速生长导致肿瘤生长失调造成的.

当然，采用气功[35]等恰当的功能训练，可以促进失调的必需功能正则化并提升正则功能的功适能，某些疾病还有可能自愈[36-37].

7 健康诊断

机体的正则功能越多，正则功能的功适能越高，机体的健康水平越高.如果没有明显的疾病，判断一个功能是否正则和正则功能的功适能高低是判断机体健康的前提.可以用多次测量获得的变异性或CV的大小来判断功适能.如果体检结果属于参考值范围，但变异性或CV较大，相应的功能很可能不是正则的.如果体检结果超过参考值范围，但变异性或CV很小，又没有明显的疾病征兆，相应的功能应该是正则的.所有必需功能和关键非必需功能都是正则的属于健康，关键非必需功能失调则属于亚健康，前两种情况下都没有明显的疾病，其它情形则属于疾病.

体质辨认是中医健康诊断的前提.亚健康的中医诊断应该采用气血津液辨证、六经辨证、卫气营血辨证、三焦辨证和经络辨证等.中医采用望闻问切的方式进行诊断，只能判断机体必需功能之间、关键非必需功能之间和两类功能之间的匹配关系，包括正则功能的功适能之间的匹配关系——中医体质和部分功能失调的情况——中医证候.当机体处于健康状态时，机体的正则必需功能、正则关键非必需功能和两类正则功能之间匹配得很好，这种状态即平和质.当机体虽然处于健康状态，但机体的正则必需功能或正则关键非必需功能中某些正则功能的功适能较低，和与之对应的另一些正则功能的功适能不能互相匹配，则形成偏颇体质，如阳虚质、阴虚质.当机体处于疾病状态，必需功能或关键非必需功能失调，则形成中医证候.对于健康状况的诊断，目前中医的诊断方法只能准确鉴别平和质者，而无法将正则功能的功适能低下形成的偏颇体质与远离内稳态时的真的功能失调区分开来. 例如，对于阳虚质患者，中医诊断的阳虚可能是属阳的必需功能失调，但也不能排除仅仅是属阳的必需正则功能的功适能低于匹配值.值得指出的是，结合多次诊断的变异性可以区分中医体质与中医证候.如果多次诊断的结果相差不大，应该属于中医偏颇体质.

8 讨论

健康工程的目标是从疾病和亚健康重建和提升健康.本文利用Pareto原理直接将健康工程的这一理念体现在疾病、亚健康和健康的定义上.其中最关键的一步发展就是将维持机体的功能分为必需功能、关键非必需功能和普通非必需功能，理清了功能训练、中医治疗和西医治疗对各类功能的影响，为健康工程的进一步发展提供了精细的框架.

Pareto规则似乎与长尾理论矛盾[38]，但Pareto网络与长尾理论是一致的.对必需功能的调理属于长尾部分，只能个体定制，只适合干细胞移植[39]等个性化医学或中医.对非必需功能的调理属于主体部分，相应的产品可以进行工业化生产.调理中医证候的处方药属于长尾部分，必须对症下药，中成药的疗效差.循证医学发现，治疗慢性心率衰竭的中药复方芪苈强心胶囊需要8周才能观察到与对照组的差异[40]，但Moleac公司出售的治疗中风的中成药胶囊MLC601(NeuroAiD)与对照组没有显著性差异[41].调理亚健康的中医处方则属于主体部分，可以成药化.大部分食疗也属于这个范畴.亚健康的经络穴位调理特异性不强，可以在家庭施行，也可以仪器化.

用于调理非必需功能的西药之所以能够治愈疾病，依赖于将慢性超常应激转化为成功超常应激.大多数疾病都涉及同样的关键非必需功能失调，因此，治疗一种疾病的西药可以用于治疗大量涉及同样关键非必需功能失调的疾病，这应该是旧药新用或广谱药物的基本原理.降脂的他汀类药物和改善凝血功能的阿司匹林都发现属于广谱药物.最近发现，降糖的二甲双胍也有类似的发展趋势.

健康管理是健康工程的重要内容之一.目前主要依赖一次体检和体检参数参考值范围来开展健康管理，只能告知体检参数是否在参考值范围，而无法告知被检查对象是否真正属于健康、亚健康或疾病.按照本文的定义，可以用多次测量所获得的各个体检参数的CV来判断.正则功能的CV显著小于失调功能.经过3次以上体检，每个体检参数都可以计算1个CV，所有体检参数的CV的加和平均或对数平均可以计算个体的健康指数.健康人的健康指数最小，其次是亚健康患者，最后是疾病患者.一个地区的所有个体的健康指数平均可以建立地区健康指数，可以作为GDP和幸福指数的补充，来判断一个地区的建设成就.GDP只能反映经济方面的成就，受地区资源的影响.幸福指数受众多主观因素的影响.健康指数则非常客观，是一个评价地区成就的好指标.

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Keywords： Pareto; function-specific homeostasis; health; suboptimal health

PrimaryResearchonHealthEngineeringBasedonParetoPrinciple

LIU Chengyi1*, LI Xinger1, LIU Long2, LIU Songhao3

(1. College of Physical Education and Sports Science, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;2. Department of Chemistry and Biology, College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;3. School of Information and Electro Optics Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

Health engineering was studied in terms of Pareto principle in this paper. Function-specific homeostasis (FSH) is a negative feedback response for the function to be perfectly performed. A function in/far-from its FSH is called a normal/dysfunctional function. A normal function-specific stress to disrupt the FSH of a normal function was classified into a successful stress which optimum performance was maintained by its negative feedback so that the functional fitness was upgraded and a chronic stress which was far from its negative feedback and the functional fitness can not be upgraded. Health was a state of an organism all of which essential functions and key non-essential functions were normal or stresses of which normal functions were successful. Suboptimal health was a state of a disease-free organism only some of which key non-essential functions were dysfunctional in comparison with its healthy state. Disease was a state of an organism which was not in both health and suboptimal health. The health diagnosis, functional training and medical treatments were then discussed in terms of traditional Chinese medicine and modern medicine.

2013-08-25

国家自然科学基金项目(60878061)；高等学校博士学科点专项科研基金(博导类) (20124407110013)；广东省科技计划项目(社会发展)(2012B031600004)

*通讯作者:刘承宜, 教授, Email: liutcy@scnu.edu.cn.

1000-5463(2013)06-0148-07

Q445

A

10.6054/j.jscnun.2013.09.022

【中文责编：谭春林 英文责编：李海航】