生理状态实时监测在军事中的应用研究

徐盛嘉，蒋伟东，赵凤雏，边鹏飞

前言

可穿戴的生理监测设备一般用于竞技体育领域，通过实时监测运动员的生理状态，可为教练员制定和调整训练计划提供依据，显著提高运动员的训练效率和运动表现，目前，生理状态实时监测（real time physiological status monitoring，RT-PSM）已越来越多地应用于军事领域，对士兵进行实时生理状态监测可提供关于身体健康和军事任务表现的预测，从而为军事指挥官和士兵个人提供重要信息。军事应用主要包括：（1）通过提供个人状态信息来优化自我调节，工作量分配和增强团队感知，从而技术性地提高军事表现，（2）预测压力负荷（物身体，心理和环境）导致的任务失败，（3）尽早检测到的威胁因素，（4）伤员检测，诊断和早期临床治疗，（5）优化个人健康和锻炼习惯，（6）长期健康风险相关的环境监测和有害物剂量测定［1］。本文将据此分析目前RT-PSM在军事中的应用和发展情况，包括与士兵安全与完成军事任务密切相关的生理状态：能量代谢、运动量、体温、认知、压力应激等，为士兵的最佳化训练和提高军事任务表现提供可行的监测方法。

1 RT-PSM的军用要求

以往，预测士兵的工作休息周期和训练限制只能使用基于个人和环境条件的广义模型来估算。如今，技术的发展通过将焦点转向内部，与个人的实际状态相关联，提供对士兵表现的个人评估，而不是从外部条件进行推断和假设［2］。然而目前的商业监测设备通常不能满足军事用途的要求，原始的生理数据和计算机信息（如最近的睡眠历史或热量消耗）通常基于无法正确检查和验证的专有算法，输出结果精度较差。此外，不安全且功耗要求高的蓝牙连接和专有架构无法轻松集成到战术安全系统和军事通信网络中。RT-PSM不应给士兵增加显著的重量，不需要每天充电或更换电池，因此，较小的尺寸、重量和功率对于士兵的可接受性和战术可用性是至关重要的，且相关应用需要根据军事任务或训练的需求一并开发［3］。这些都是使RT-PSM符合军事用途的重要条件，图1列举了一些RT-PSM的重要组成部分。

图1 RT-PSM系统的重要组成部分

其中，RT-PSM最为关键的组成部分是将数据转化为有用且可操作信息的算法［1］。根据RT-PSM生成的信息，可采取相应的行对对军事任务的结果产生影响，或者在训练中提高安全性和有效性。生理遥测是各种正常人类反应的重要研究工具，然而，大量的原始生理数据在军事中并不易用，即使对于经验丰富的医生来说，诸如心率升高之类的参数也可能意味着个体是适当激活以达到最佳表现、出血并需要紧急护理，或者出现紧张、冲动等情绪。因此，将数据转换为信息的算法是RT-PSM的基础，这些算法应该与军队指挥官的信息需求和军事任务中存在的问题相匹配。

2 RT-PSM的军事应用

2.1 能量代谢和运动量的监测

能量代谢是冷热应激、工作负荷和损伤风险预测的基本参数。例如，在代谢热产生高能量的消耗期间，冻伤的风险可显著降低，而在高温环境中，身体活动水平则受到限制。运动能量消耗（activity energy expenditure，AEE）已用于评估运动量，行军计划的疲劳极限可用能量消耗的比率表示。每日总能量支出（total daily energy expenditure，TDEE）也可用于健身和体重管理计划。最近开发的Ludlow-Weyand模型简化了对行走速度，坡度和总负重量的估算，使结果更加通用和精确，但需要进行全面评估［4］。

躯干上的三轴加速度测量法提高了仅从年龄、体重和身高预测的TDEE估计值［5］。传感器的位置是获取所需信息的重要因素，胸部或躯干佩戴传感器的心率测量精度较手腕低，对于基于加速度计的TDEE，胸部或躯干部位也比手腕部位的测量精度高，虽然手腕佩戴传感器的舒适度更好。鞋子中安装传感器则可以准确地估计AEE并对运动类型进行分类，通过测量足部接触地面的时间和心率在一段时间内的变化，可监测个体摄氧量的变化，使用导航和全球定位系统，并结合气压测量海拔，可进一步提高AEE估算的精度［6］。

监测与损伤相关的运动量是可穿戴技术的重要目标，因为肌肉骨骼损伤仍然是影响军事任务的主要因素之一，运动模式和地面反作用力的可以预测即将发生的损伤，采用预防性的干预手段，例如步态分析和训练等，也可以提前预测损伤［7］。目前，非侵入式的可穿戴系统已经用于现场生物力学评估，为运动量和负重行军的实地研究制作了原型。由Reed Hoyt领导的团队探索了一系列策略，从形状配合鞋垫的传感器到声学地面传感器再到压电泡沫技术，证明了仅使用脚踝周围的惯性传感器估算地面反作用力的可行性［8］。

可以采用便携式代谢监测仪测量呼吸的氧气和二氧化碳，以更直接的进行TDEE测量，便携式代谢监测仪的优势在于获得能量代谢的更详细的方面，如常量营养素［9］。测量水周转率／通量的新技术将提供与运动表现相关的水平衡的监测，以实现更精确和最佳的水合作用［10］。代谢监测的进展为评估葡萄糖和乳酸等能量代谢的关键循环成分提供了可能，这些成分与影响身体，认知和行为表现的疲劳有关［11］。然而，目前仍然需要通过皮肤进行某种形式的分析物采样。改进的经皮光谱方法、汗液采样系统、以及呼吸分析可能很快实现代谢评估的非侵入性和舒适性。

2.2 体温的监测

在临床医学中，一般通过在个体表现出神经症状的情况下才进行体温测量，以确认体温过高。但是，在没有这种背景的情况下，仅通过测量核心温度来确认体温过高，就会掩盖人体对持久性运动的生理适应性。在马拉松运动员中，核心温度可持续数小时高于40℃，对于士兵而言，由于着装要求，且携带装备较多，因此具有额外的热量负担。使用可摄入的温度药丸进行核心温度监测提供了现场研究的工具，但它并不能解决检测个体在高温下的工作极限问题。

安全工作极限可用热习服指数来解决，该指数将核心温度与心率相结合，并结合其他一些研究成果使之成为实用的解决方案［12］。一种是基于时间序列心率分析核心温度预测算法的开发，以取代需要吞下检测温度的药丸［13］。美军在生理监测技术的测试，整合和验证方面投入了大量资金，开发了胸戴式的心率和核心温度检测系统，进一步降低了尺寸，重量和功率，提高了舒适度，并提供了通信功能。热训练环境中的个性化监测也正在研究中，通过允许比预测热习服指数值更高的训练工作量来提高训练效果。

简单的核心温度也不能提供关于体温过低的可操作信息。在高风险野外训练期间，观察到士兵核心温度大幅下降，但并没有造成伤亡；而在中等温度条件下，低温死亡事件却会意外发生。监测方法可能需要关注温度调节失败的指标，例如停止颤抖发热的时间等［14］。尽管对手和脚的寒冷影响可通过靴子和手套缓解，但通过温度感应，防止周围（尤其是手部）的冻伤，对于完成军事任务非常关键。

2.3 警觉性的监测和职业适应性的评估

警觉性是士兵的重要能力，适用于巡逻、岗哨、驾驶、监控等多种任务。但即使是休息充分的士兵，在持续工作两个小时后也开始出现错误。士兵在夜间的警觉性会显著降低，此时会出现注意力的减退和打盹次数的增加，对军事任务产生较大影响。

早期的疲劳和急性警觉性监测较为简单，使用头盔背面的水银开关检测头部摆动。更敏感的方法是使用红外反射来检测慢速眼睑闭合，从仪表板安装系统跟踪视网膜。如果将头盔或眼镜随头部移动以保持与眼睛对齐，则更为可靠。眨眼，眼跳和瞳孔测量等眼球动力学指标长期以来都被视为是疲劳评估的预测因素［15］。尽管对眼科测量评估系统进行了大量的投入，旨在评估适用性，但该技术并未成熟。脑电警报监测也被证实可以用于监测疲劳，当功率不受限制时，例如在车辆或飞机中，该方法是可行的，但对于常规使用来说，全套头皮电极的侵入性较大，舒适度较差［16］。目前已经开发出更为简单的单通道脑电系统，该系统可能最终被放置在帽子或头盔中［17］。法国空军目前正在使用研究人员开发的单通道脑电系统以优化休息和飞行时间表，并修改战术、技术和程序有效性［18］。近红外光谱的前额测量值可与单通道脑电图结合使用，可能会增加警惕性预测的准确性［17］。

睡眠史的测量已被用于预测警觉状态，特别是当与昼夜周期中预期的警觉性变化相结合时。睡眠限制或剥夺睡眠时间会造成表现和注意力的下降，但是睡眠恢复力的遗传学因素、小憩和咖啡因调节等许多其他因素干扰了预测的准确性［19］。睡眠史由三轴加速度估计的总睡眠时间获得。常用的算法预测睡眠持续时间的可靠性大于90%，但在正确分类清醒状态方面则效果较差（约60%）［20］。然而，睡眠监测似乎有助于改善士兵的睡眠行为，为健康提供帮助，可靠的睡眠质量测量对于士兵在战场上压缩恢复性睡眠的开发和评估具有重要意义。

2.4 心理状态和压力的神经生理学监测

测量急性心理压力的标记物，是对新威胁的适当应激反应，可测量的生理反应包括皮肤电传导、心率和心率变异性，以及声音成分的变化等声音压力分析可检测到情绪紧张的事件，这种反应会随着信心的增加而在随后的试验中减弱，而心率升高则是适当应激激活的持续特征，可以为危险的任务做准备［21］。同样地，飞行员在夜间或风暴中将飞机降落在倾斜的航空母舰甲板上会引起适当的、可测量的生理反应，这些生理反应可描述情绪上的重大事件和压力激活，但不能提供可操作的信息［21］。

情感领域监测方法通常基于语音和行为，在预测抑郁和认知障碍中具有重要意义。美国国防部高级研究计划局发起了一项心理信号的检测和计算分析，通过社会交往评估和生理感知监测，并结合心理状态监测技术（眼睛注视，身体姿势，语音分析，对话内容分析等），旨在针对反映心理状态的人类行为中的重要信号［22］。例如，对相关脑区域的差异评估，进一步剖析语音成分，可以识别是否具有抑郁症［23］。对面部单元激活情况进行差异评估，可以识别认知障碍和创伤性脑损伤的持续症状［24］。结合热习服指数，基于运动模式变化的神经认知评估也可提供对即将发生的中暑和冻伤的可靠预测［25］。这些技术将对士兵的提供神经认知状态提供更多的认识。

未来的监测将包括其他感测模式，如挥发性气味的监测。犬类能察觉人类挥发的特殊应激信号物，例如警报犬能察觉1型糖尿病和精神病［26］。在某种程度上，这些犬类察觉到的不同的运动模式、生理反应或挥发性有机化合物的分泌也可用机器检测。人类气味是一种潜在的丰富信息来源，在感染或头部受伤后会产生特定的挥发性有机化合物，新的嗅觉受体纳米管传感技术使检测成为可能［27］。

减轻士兵的压力负荷是神经生理学监测的重要应用，这将是未来人机交互的重要组成部分。这在美国国防部高级研究计划局的另一项关于“增强认知”的研究计划中进行了尝试，其中团队内心理工作量的重新分配、信息显示的数量和形式，以及各种类型的表现增强均基于对实时神经认知状态监测能力的假设［28］。另一个应用是监测并帮助减少士兵的适应性心理应激反应，在精神病学创伤性暴露后数小时内持续的生理活动会对后续的创伤障碍产生影响，目前以及提出了心理急救的措施，使用药物进行干预。预防方面，使用心血管测量与游戏相结合的生物反馈技术，是一种有效的自我情绪管理的替代方法［29］。

2.5 任务特定生理限制的监测

基于RT-PSM的实时行为指导可以增强士兵的表现。“第四届国际士兵身体表现大会”展示了可以使用的监测工具完成的工作量调整和加速适应的示例［30］。例如，在某些极端条件下控制代谢率和产热可以为士兵的表现和生存提供有利条件。RT-PSM提供的生物反馈信息可能为士兵提供需要多年训练才能形成的能力。

RT-PSM可为士兵提高多种任务的表现提供帮助，包括一些特殊的任务和环境条件。这就要求对士兵系统进行模块化的设计，以便根据特定的任务需求进行配置。由于许多国家边境和军事冲突的地点位于高原，因此在海拔上升期间的缺氧损害预测也具有战术意义。基于RT-PSM监测心血管参数（如血氧饱和度）的表现预测可指导士兵分阶段到达不同的高度并识别个体表现风险。飞行员也存在潜在的生理事件风险，如驾驶舱内缺氧等，将会影响飞行安全。此外，RT-PSM代谢感应能在许多封闭的环境中起到作用，如潜水设备、宇航设备和封闭车辆，降低恶劣环境对人员造成的风险。

3 小结

RT-PSM具有重要的军事应用价值，可为士兵和指挥官提供重要帮助，监测内容包括热工作限制，警觉性和适应性状态，肌肉骨骼疲劳极限，神经心理状态和任务特定的生理状态（例如，缺氧、肺部感染、低温等），并且可与医疗救护和环境监测结合，为士兵健康提供帮助。在实际应用RT-PSM时，显示的信息应简单直观，能为士兵和指挥官提供可操作的信息。目前，使用人体生理和行为信号的以检测神经生理状态，特别是在预测个体的应激极限和表现降低方面与有极大的发展空间，此外，RT-PSM各种功能的整合也是研究的重点。