虚拟空气污染条件下身体活动对健康影响效益的综述

黄俊彦，司 琦

(浙江大学 教育学院体育学系，浙江 杭州 310058)

0 前 言

21世纪以来，医疗技术不断发展，传染性疾病的发病率、致死率获得了有效控制。慢性非传染性疾病逐渐成为危害我国人民健康，导致死亡的主要原因[1]。2021年，世界卫生组织在《世界健康统计2021：监测健康以实现可持续发展目标》(World Health Statistics 2021: Monitoring health for the SDGs，以下简称《2021报告》)的报告中指出，2019年全球前十位致死因素中，有七个是慢性非传染性疾病，其中癌症、心血管疾病(CVD)，糖尿病和慢性呼吸系统疾病(CRD)为人类的主要死因[2]。疾病谱和致死因素的变化与现代人快节奏生活方式息息相关，高强度学习工作令人压力巨大，“久坐”成了生活常态。

从世界卫生组织的《2021报告》看，身体活动不足是导致慢性非传染性疾病的重要诱因之一，并且全球范围内还有约四分之一的成年人长期处于身体活动不足的状态[2]。可见，身体活动不足和与其相关的慢性非传染性疾病正严重威胁着人类健康。越来越多的科学研究证据表明，规律参与身体活动对人类健康具有积极正向影响作用[3,4]。参与身体活动有利于生理健康，可以提高体适能水平，改善心肺功能，促进新陈代谢等；同时身体活动也有利于心理健康，能提高自尊、自信水平、自我效能感等[5,6]。对于心脏病、肺病、糖尿病和癌症等慢性非传染性疾病，科学的身体活动能起到预防和治疗作用[7]。因此，美国运动医学会提出了“锻炼是良药(Exercise is medicine)”[8]，倡导积极参与身体活动应该成为每个人的“必修课”。

参与身体活动需结合自身实际情况，也需考虑活动的场所、环境，其中就包含活动场所的环境质量。随着我国经济的快速发展，引发了一定程度的环境污染，而以雾霾为代表的空气质量问题则与参与户外身体活动息息相关。自2013年1月起，我国东部诸多城市出现严重雾霾，对社会环境和居民生活产生巨大影响。2014年1月，国家减灾委员会办公室把雾霾定义为自然灾情，全国各省、市、自治区开始对每日雾霾浓度进行检测、公开，并向公众普及相应防护措施[9]。

空气污染对人的身心健康危害严重，尤其对呼吸系统造成的危害会大大降低人们参与户外身体活动的动机；进行中高强度身体活动可能加重污染对人体健康的损害。而规律性参与身体活动又对人类健康具有积极正向影响作用[10]。这就像一个天平的两端，一端是参与户外身体活动带来的健康益处，另一端则是在空气污染下进行户外身体活动可能带来的健康损害。那么，空气污染环境下是否应该进行户外身体活动？变成了一个权衡收益和损害的决策难题。理想情况下，研究者可以通过随机分组实验等方法探究这个决策难题的“拐点”，然而出于道德伦理考虑，将人曝露于空气污染环境下进行身体活动干预实验研究无法实施。因此，空气污染环境下的户外身体活动到底会对人类身心健康带来怎样的影响？收益与损害的“拐点”会在何时、何种情形下出现？这些问题难以在现实条件下得到回答。

虚拟现实(virtual reality)是利用计算机模拟产生一个虚拟世界，为使用者提供视觉等感官体验，使其仿佛身临其境的一项技术[11]。诞生至今，在人类生活各个领域得到了广泛应用。例如康复医学，包括对脑卒中、帕金森综合征、小儿麻痹症、骨关节置换手术患者等的康复治疗[12，13]。在心理学领域，虚拟现实技术被应用于社交恐惧症、创伤后应激障碍以及自闭症儿童等患者群体的干预研究[14]。在体育领域，虚拟现实技术则多被应用于运动训练。研究者模拟不同运动场景，以期改善专业运动员技战术水平和临场应变能力[15，16]。以上研究有一个共同点，即尝试用虚拟现实技术构建一个理想的、现实不可行的研究环境。而该技术同样为解决空气污染环境下是否应该参与户外身体活动？身体活动的健康收益与损害“拐点”可能在何时、何种情况下出现？虚拟空气污染环境下，身体活动的身心影响效益如何等问题，提供了思路和可能。

因此，本文将综述前期虚拟现实技术相关文献，梳理虚拟空气污染环境下参与身体活动对人体可能带来影响的相关证据，为探究虚拟空气污染环境下参与身体活动对成年人群体可能带来的身体和心理健康影响效益提供参考。

1 身体活动影响健康

1.1 身体活动对死亡率影响的研究

Blair等人1995年对大样本体育锻炼人群进行了为期5年的纵向研究后发现，积极参与体育锻炼的人死亡率降低达44%[17]。Macera等人在2003年的一篇系统综述中结合大量研究结果指出，身体活动对死亡率有显著积极影响，身体活动较多的心血管疾病患者死亡率低于不活动者两到四倍，提高身体活动水平能够降低20%到35%的死亡率[18]。Myers等在2004年的研究中对1987年到2000年的6 213名男性进行测试，并对其中842名男性进行了身体活动模式评估。在持续平均5.5±2年随访后，研究结果显示，规律参与身体活动能够减少由心血管疾病引发的死亡率50%以上。身体活动每增加1 000千卡或1梅脱能量消耗可减少20%的死亡率[19]。

1.2 身体活动对慢性非传染性疾病发生率影响的研究

大量研究证实，身体活动在预防和控制疾病方面与药物有相似的影响作用[20]。Warburton等的系统综述，对身体活动与过早全因性死亡率和慢性疾病(如心血管疾病、中风、高血压、结肠癌、2型糖尿病等)之间的关系进行了评估。研究发现，身体活动和很多慢性疾病之间存在剂量-反应(dose-response)关系，即越缺乏身体活动的人，患慢性疾病的可能性越高[21]。

Taylor对48个临床研究进行系统综述发现，对比正常用药组，身体活动治疗组心血管疾病患者死亡率下降更加显著[22]。每周消耗1 600千卡能量能够有效延缓疾病的进一步恶化，每周消耗2 200千卡能量则能够更为有效的控制疾病[23]。中高强度有氧身体活动能够有效提高心血管病人的健康状态[24]。2016年，美国糖尿病组织在一份官方研究报告中总结了大量科学研究结果后指出，作为血糖控制和整体健康管理的一部分，应向所有糖尿病患者推荐身体活动[25]。Manson等通过对21 271名有锻炼习惯的男性进行流行病学研究后认为，经常参与身体活动的个体Ⅱ型糖尿病的发生率大大下降。中等强度身体活动能够有效控制Ⅱ型糖尿病的进一步恶化[26]。Lee等[27]的研究和Shephard等[28]的研究探究了癌症和身体活动之间的关系，证实规律性身体活动(无论是职业性的还是闲暇身体活动)能够减低癌症发病率。McTiernan等人对2016年以前的文献进行系统综述和元分析后发现，不同强度身体活动和膀胱，乳房，结肠，子宫内膜，食道，肾脏以及胃部癌症的发病风险之间存在联系，身体活动能有效降低上述癌症患病的相对风险[29]。此研究结果后续被第2版美国国民身体活动指南相应部分采用作为支撑证据。

综上，身体活动对慢性非传染性疾病具有预防作用，且合适强度的身体活动能减少上述疾病的发生率，并有效提高患者群体的生活质量。

1.3 身体活动对心理健康影响的研究

身体活动对人的心理健康有积极影响作用[30]。Teychenne等人在2020年对全球范围内成年人身体活动指南和心理健康的关系进行了研究，以期对现有身体活动指南的心理健康效益部分进行有效补充。结果发现，即便是参与低水平身体活动仍然对成年人心理健康有显著积极影响[31]。Rodriguez-Ayllon等人对学龄前儿童、儿童和青少年的身体活动、久坐行为对其心理健康的影响做了系统综述和元分析，研究对涉及上述群体的身体活动与心理健康(即自尊，自我概念，自我效能感，自我形象，积极影响，乐观，幸福感和对生活的满意度)和心理疾病(即抑郁，焦虑，压力或负面影响)的关系研究整理分析后发现：身体活动可以改善青少年的心理健康，促进身体活动和减少久坐行为可能会保护儿童、青少年的心理健康[32]。有研究发现，参与身体活动能提升老年人的身体素质和自我效能感[33]，降低其认知损伤和痴呆症的发病率[34]并有效提高认知能力[35]。Rebar等人就身体活动对非临床成年人群中抑郁和焦虑影响的相关研究进行了元-元分析，发现大量证据支持身体活动可以减少该人群的抑郁和焦虑[36]。

2 空气污染对健康和身体活动参与的影响研究

2.1 空气污染对健康的危害

空气污染对人类健康的危害主要是空气中的颗粒物和颗粒物上吸附的其他物质造成的，可以对人的心脑血管系统、呼吸系统及神经系统造成损害进而增加死亡率[37，38]。研究表明，人体长期暴露于PM2.5含量高的环境中，可导致心血管疾病，如心肌梗死、缺血性卒中、心力衰竭、心律失常、房颤等的发生率增加[39]。呼吸道是大气污染物进入人体的主要途径之一。大气污染物通过刺激呼吸道表面的迷走神经末梢，引起支气管痉挛，使呼吸道阻力增加，肺通气功能降低，从而诱发各种呼吸道疾病[40-41]。前期动物实验证明，大气颗粒物对神经系统有影响[42]。处于空气污染环境还会显著增加死亡率[43]。因此，空气污染对人类健康的危害是全方位的。

2.2 空气污染对身体活动参与的影响

空气污染对人体健康造成如此大的损害，还能参与户外身体活动吗？是参与户外身体活动带来的健康收益更大，还是暴露在空气污染环境条件下身体可能受到损害更大？“拐点”在哪里？2016年，Tainio等人通过分析不同地区城市人群的主动出行(包括步行和骑行)和不同程度空气污染对全因性死亡率变化的影响，探究了主动出行身体活动和暴露于空气污染下的风险-收益平衡。研究发现，在城市平均PM2.5浓度为22微克/m3时，即便是最极端的主动出行水平，身体活动带来的健康收益也远远大于空气污染可能带来的风险；在PM2.5浓度为100微克/m3的地区，每天骑行1h30min或步行10h以上，都将弊大于利；如果骑车出行而不是呆在家里，每天骑行3h30min所带来的健康收益将超过空气污染可能带来的危害。研究认为，除最极端空气污染浓度外，主动出行的健康收益均超过了空气污染可能造成的危害[44]。

应斌斌等在2019年对空气污染和身体活动我国的相关文献进行系统综述后发现，空气污染会减少居民户外身体活动，如降低户外身体锻炼时间、减少外出就餐频率等。在出行模式选择上，空气污染会减少非机动交通模式，如步行、骑自行车等的选择，而会增加其他空间较为密闭的交通工具，如私家车、轨道交通等的选择。并且这些变化受年龄、性别以及收入水平等因素影响[45]。

2021年，Tainio联合多国学者对2019年秋季之前有关空气污染，身体活动和健康关系的研究做了非系统性映射综述(mapping review)，以期综合说明空气污染和身体活动之间的相关及其对健康的综合影响。研究发现，身体活动和空气污染通过多种生理、行为机制联系在一起。总体而言，在城市进行户外身体活动的长期收益超过暴露于空气污染可能带来的损害。另有一些启示性证据表明，在空气污染程度较高的情况下，身体活动对脆弱人群，即心血管或呼吸系统疾病患者的短期健康积极影响可能较弱或不存在。此外，空气污染程度和对大气质量信息的公开似乎阻碍了人们参与户外身体活动[46]。

尽管许多研究支持参与户外身体活动的健康收益仍大于空气污染可能带来损害的观点，部分研究也指出空气污染条件下进行户外身体活动会增加健康受损程度和运动损伤的风险[47，48]。因此，有必要进一步检验和探究空气污染条件下的身体活动到底会给人体带来怎样的身心影响？

3 基于虚拟现实技术的相关研究

3.1 虚拟现实技术应用研究

虚拟现实技术在过去二十年间取得了飞速发展，作为一门新兴的人机交互技术，在动作技能训练、运动康复以及心理治疗等领域都得到了广泛应用。虚拟现实技术被大量运用于运动训练，国内学者使用该技术影响不同项目运动员技战术水平。刘园园在2018年的研究中，结合专家访谈和问卷调查结果，使用虚拟现实技术辅助设计少儿羽毛球训练方案，并通过实验证明该方案对训练效果具有积极影响[15]。杨勇涛等人利用虚拟现实技术，研究虚拟网球发球情景下，不同水平网球运动员在不同知觉动作匹配时的接发球表现，效果良好[16]。说明虚拟现实技术在运动训练领域具有应用价值。

虚拟现实在医疗培训领域的应用研究与前类似。程凯在其综述研究指出，虚拟现实技术可以通过虚拟手术和人体三维数字化模型，在临床技能培训、手术训练和远程诊疗等方面提供帮助[49]。目前，国内外已使用虚拟现实技术不同种类手术的模拟[50-53]。

在运动康复领域，虚拟现实技术运用广泛。2007年，周柳等对运动康复领域虚拟现实技术应用的研究进行了综述，将研究分为平衡和体态、行走、上下肢和日常行为康复训练四种类型[13]。平衡和体态康复训练中，研究者关注因本体感觉障碍导致平衡感丧失和动作不协调的患者，通过虚拟现实技术改善其平衡感[54，55]。上下肢康复训练中，研究者对不同患者存在的上肢、下肢、手部、踝关节等部位康复训练尝试使用虚拟现实技术进行辅助[56-58]。而针对日常生活行为的康复，研究者则使用虚拟现实技术构建日常生活场景，帮助患者更好地完成日常生活中的任务，提高独立生活能力[59-61]。

在心理治疗方面，2021年，Emmelkamp等对基于虚拟现实技术的前期研究进行了系统综述。研究表明，虚拟现实技术在心理治疗方面的应用主要体现在两方面：心理障碍评估和治疗。心理障碍评估方面的研究主要集中于社交焦虑症、创伤性应激障碍、强迫症、物质滥用障碍、饮食失调、精神病和多动症等的评估。而心理障碍治疗方面的研究则主要集中于焦虑症(包括特定焦虑症、社交焦虑症、恐惧症和恐慌症以及普遍焦虑症等)，创伤后应激障碍，强迫症，成瘾行为(主要包括药物滥用和吸烟等)，饮食失调，精神病，自闭症相关障碍和注意力缺陷多动障碍(ADHD)等的治疗。综述结果发现，大量证据支持在焦虑症和创伤后应激障碍中使用虚拟现实暴露疗法有效，几乎没有证据表明虚拟现实暴露疗法在一般焦虑症和强迫症治疗方面有效；越来越多的证据证明虚拟现实暴露疗法对成瘾和饮食失调治疗有效[62]。

3.2 基于虚拟现实技术的身体活动研究

目前，基于虚拟现实技术的身体活动研究在国外发展较快，其关注热点主要集中在：利用虚拟现实技术促进不同人群参与身体活动以及结合虚拟现实技术的身体活动给参与者可能带来的身心效益影响。

前期研究发现，虚拟室内锻炼环境能给身体活动者带来与真实户外锻炼情境类似的积极心境状态[63]。对比真实室内室外环境，在虚拟现实模拟的优美自然环境中进行身体活动更有利于锻炼兴趣、动机和坚持性的激发和培养，且有更好的身心健康效益[64]。研究者认为，可以利用虚拟锻炼环境下出现的高动机水平来解释锻炼者坚持性和积极情绪体验水平的增加[65-67]。而与单独的虚拟环境、身体活动相比，虚拟现实环境结合身体活动能更加有效提高锻炼者的心理效益[68]。Qian等学者2020年综述了基于虚拟现实的身体活动对于不同群体生理、心理和康复效果的前期研究成果，结果表明：与传统身体活动相比，结合虚拟现实的身体活动可能对个体的生理、心理和康复效果产生积极影响[69]。

杨勇涛等把30名大学生随机分配至单一运动组、运动音乐组、虚拟环境运动组，每组10名大学生，男女各5名，令其完成40min中等强度功率自行车任务。运动前后分别评估心境状态和身体自尊，运动开始10min后每5min的主观用力感。研究结果显示，中等强度身体活动对心理有改善作用，虚拟锻炼环境对心境有更好的调节效果[70]。Ulas等学者使用虚拟现实和传统身体活动评估有氧运动的生物学和动机效应。对80名学生进行了为期8周的分组对照实验，记录其能量消耗、睡眠质量、焦虑和学业成绩指标，结果显示，传统身体活动组能量消耗、睡眠质量显著提高；传统身体活动组和虚拟现实身体活动组的学业表现均显著改善[71]。Debska等学者使用新型跑步机和飞行模拟器研究了沉浸式虚拟现实环境中参与身体活动的乐趣和强度，发现参与者在使用沉浸式虚拟现实设备进行身体活动期间平均锻炼乐趣水平提高，并显著高于使用跑步机时的水平。研究表明，沉浸式虚拟现实技术可以成为增加健康身体活动参与的有效工具[72]。

4 总结与启示

空气污染对人体健康的危害作用和身体活动对健康的促进作用均得到了大量实证证据证实。但三者之间的交互影响效果如何，仍存在争议，需进行进一步研究。前期多数研究认为，在非极端空气污染条件下身体活动的健康促进作用大于暴露于空气污染对健康产生的损害，但两者互相作用的机制和剂量效应仍无法明确，因为受限于研究的伦理道德和实验方法困境。随着虚拟现实技术日趋成熟，已成为身体活动干预方式的有益补充，且被证实能显著影响个体参与身体活动的身心健康效益，使得构建虚拟空气污染环境并检验身体活动对健康的影响以及尝试寻找健康收益-损害的拐点成为了可能。后续仍需实验研究来检验基于虚拟空气污染条件、身体活动与身心健康的交互影响效果。