數字人體發展特征及其在運動訓練監控中的應用

王 靖，王 興

（1.上海立信會計金融學院體育部，上海 201613；2.上海體育學院體育教育訓練學院，上海 200438）

理想與方法探索

數字人體發展特征及其在運動訓練監控中的應用

王 靖1，王 興2

（1.上海立信會計金融學院體育部，上海 201613；2.上海體育學院體育教育訓練學院，上海 200438）

目的：進一步了解數字人體發展的現狀和特征，探究其在運動訓練監控中應用的方法途徑。方法：本文運用文獻資料法、文獻計量法等研究方法，通過科學知識圖譜軟件對數字人體相關文獻進行分析歸納。結果：數字人體技術由理論探索向應用研究轉變；人體系統信息特點是數字人體研究的重要基礎；人體模型的研究是數字人體與不同領域科研相融合的切入點；信息獲取技術是數字人體研究的核心。數字人體可應用于運動員身體機能監控、技戰術監控和心理狀態監控。結論：數字人體可將運動員生理學、運動學和動力學信息由定性研究轉向數字化表達；大部分數字人體研究僅停留在數字人體原型、模型和新技術等的基礎理論研究層面；數字人體為運動員運動訓練監控重要環節的診斷與監測提供了新視野和新方法，建議數字人體技術的應用研究應作為今后研究的主要方向。

數字人體；發展特征；運動訓練監控

數字人體是21世紀醫學、信息科學、計算科學、生命科學和計算機技術等學科交叉融合的最新研究領域，其目標是實現對人體系統從定性描述到定量表達的過渡。數字人體在各科學研究領域中蘊含的應用價值巨大，將深刻地影響著人們的生活方式，為未來人體系統信息的研究注入新活力。運動員運動訓練將直接影響到運動員在比賽中的運動成績，科學的運動訓練可以高效地提高運動員的運動成績、減少運動損傷概率及延長運動員運動壽命。因此，對運動訓練過程中運動員身體機能、體能、技戰術等監控既是提高訓練科學化程度的重要條件，又是促進我國競技體育可持續發展進程的重要保障。本文借助于文獻計量分析方法著重對數字人體的發展動態進行研究，以發現數字人體研究的一般規律，為數字人體在其他科研領域中的應用提供參考和借鑒；并將數字人體技術引入競技體育中運動員身體機能、技戰術和心理狀態等環節的運動訓練監控過程中，不僅為運動訓練監控研究提供了新視角和新動力，還拓展了數字人體研究的范圍。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

數字人體發展特征及其在運動訓練監控中的應用。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法 在中國知網數據庫上，以數字人體為關鍵詞檢索并篩選出2000—2012年的文獻170篇；以運動訓練監控為關鍵詞檢索并篩選后得到文獻186篇，對運動訓練監控的基本理論和測量指標進行了解和借鑒。

1.2.2 文獻計量法 本文主要以REFWORK格式，從中國知網中下載以數字人體為關鍵詞的相關論文的載文信息，運用科學知識圖譜軟件，根據文獻的相關信息，進行數量關系和內部結構的分析，發現其研究的焦點等。

2 結果與分析

2.1 運動員數字人體的內涵

數字人體是指用信息化與數字化的方法研究人體系統信息間相互作用、相互聯系的技術系統。運動員數字人體就是借助數字人體技術，以運動員人體系統為原型，以運動員人體坐標為參考系建立運動員人體信息數據庫，以了解運動員運動中人體系統信息的發生、發展過程及信息之間相互作用、相互聯系的空間化、數字化、網絡化、智能化和可視化的技術系統。因此，運動員數字人體是指用信息化與數字化的方法研究和構建運動員人體信息系統，即將運動員身體活動信息全部數字化之后由計算機網絡來管理的技術系統，用以了解運動員整個運動過程中所涉及的信息過程，并將信息轉化成運動員訓練和比賽中所需要的運動學、生理學和動力學等多學科信息，實現運動員人體信息由定性研究向定量表達的過渡。

2.2 數字人體技術的發展特征

2.2.1 數字人體技術由理論探索向應用研究轉變 人體是由細胞組成的復雜系統，其復雜性限制了人體科學研究的深入，因此將人體系統簡單化、數字化是實現人體從微觀到宏觀、從定性研究到定量表達的重要基礎。在這一系統中尤其注重人體信息與信息之間的聯系和相互作用。以數字人體為關鍵詞，在中國知網數據庫上篩選出的170篇文獻；但核心期刊收錄較少。在其他領域的研究不僅得到了國家自然科學基金、國家863計劃專題課題資助和國家重點實驗室等國家級項目的資助，還得到了教育部科技重點項目、國家中醫藥管理局專項研究項目等，可見其在體育領域的研究匱乏。結合圖1、圖2和表1可知，2001—2004年數字人體相關研究的發文量出現遞增趨勢，并在2004年達到鼎盛時期。畢思文的《數字人體—人體系統數字學》一書在2004年出版，為數字人體的發展起到了一定的推動作用。但只出現了對SARS疫情、中醫診療及與人工智能融合3個方向進行研究的5篇應用性研究論文；2005—2007年數字人體的研究逐漸減少，2007年的發文量出現低谷。在此階段數字人體逐漸被以醫學為主的專家、學者所借鑒和應用。2008—2012年發文量出現回升，數字人體科學理論在此階段被很多領域所應用，并做了一系列嘗試性探索研究。研究范圍擴展到經絡診療、針灸、服裝、汽車、體育等領域，豐富了數字人體的理論與實踐研究。

圖1 我國數字人體科學相關研究發文量變化趨勢

圖2 數字人體研究熱點知識圖譜

表1 關鍵詞及頻次分析

2.2.2 人體系統信息的研究是數字人體研究的重要基礎 人體系統是數字人體的原型，將人體系統的原始數據轉換成可以被人解讀和利用的信息是數字人體研究的重要基礎。當前利用醫學科學技術、信息科學技術和計算科學技術等技術，從物質組成、動力學特征、流體規律和能量循環等方面對人體系統物質和能量信息進行研究，不斷拓寬了人類對人體系統自身認識的廣度和深度。而且將通過對人體進行切片和掃描后產生的人體數據進行整合，建成了整個人體的三維立體的生理結構，即數字化虛擬人。實現了人體信息從定性描述向定量表達的轉變，為數字人體的研究打下了堅實的基礎。

2.2.3 人體模型的研究是數字人體與不同領域科研相融合的切入點 數字人體是將人體系統作為一個有機的整體，主要是對人體內部各信息之間相互作用和相互聯系規律的研究。將數字人體研究與醫學、力學、數學和信息學等學科相融合，并建立了多個數字人體的模型，主要包括人體輪廓、物質組成、結構特征和功能的數字人體物質模型；人體幾何學、動力學和運動學信息的數字人體力學模型；動態人體數學表達的數學模型；人體信息產生、傳播、耗散及獲取與處理的數字人體信息模型；為數字人體技術應用找到了多個切入點。

2.2.4 信息獲取技術的研究是數字人體研究的核心 數字人體是對復雜的、開放的和動態的人體系統的深入研究，是要經歷數據采集、存儲、處理和顯示等過程的研究，因此借助相關先進技術進行研究是數字人體的必經之路。現在已研究出的信息獲取途徑主要有人體局部成像的多光譜探測技術、熱紅外探測技術、對人體動力學、運動學參數進行測試的人體系統仿真技術和微波遙感技術等，為數字人體深入研究提供了思路和可能性。

2.3 數字人體在運動訓練監控中的應用當今世界體壇，以高科技手段輔助運動員的訓練和比賽，已成為最大限度開發人體運動潛能的最主要途徑。通常人們對訓練過程的監控主要包括身體機能、技戰術和心理狀態診斷與監測等環節。而數字人體技術與不同專業領域的知識、需求相結合是武裝各科研領域的新技術，是數字化時代的新變革。數字人體的應用將會對運動訓練需要的多項重要指標進行精確的測量與分析，將運動訓練部分指標監控的益處最大化。

2.3.1 數字人體與運動員身體機能監控運動訓練身體機能監控是訓練監控的重要組成部分，通常是指用心率、血壓、血液和尿液等指標對運動員身體機能評定和恢復、運動訓練方法的科學性和運動負荷的合理性等內容進行監控，通過一定的評價方法對運動員的機能狀態進行評定，做出相應信息反饋的過程。但是這些指標的監控大都不能在運動中實時監控；而且評定標準不一，建立多元化的評價體系是大勢所趨。數字人體是將人體數字化后，對人體信息進行管理的過程，我們可以通過數字人體近紅外光譜技術無創獲取運動員的血液、尿液等生化指標的信息，方便又不影響運動員的后續訓練；還可以通過數字人體近紅外成像技術獲得運動員某部位內部圖像，降低運動員運動損傷概率，又可以有效地治療運動員的運動損傷。

2.3.2 數字人體與運動員技戰術監控技戰術診斷與監測是促使運動員在比賽中獲得優勝的重要保障，且運動技戰術訓練是一個動態的、復雜的、個體化多因素影響的過程。數字人體以人體系統為原型，以人體坐標為參考系，以多體系統運動學研究和分析運動員的技戰術。可以通過建立模型設定運動員的運動軌跡，并與真實運動員的運動軌跡相比較，發現運動員技術中的不足；也可以通過設定運動參數，在虛擬運動員身上，試演高難度動作，減少了直接讓運動員做動作產生的傷害。可以通過對人體各關鍵點的運動軌跡、關節運動角度及人體加速度等人體姿態參數進行分析，使運動員在訓練過程中較快掌握動作技術要領；還可以設定比賽雙方的不同戰術，通過科學預演判斷在現實中對陣該對手時應采用什么樣的戰術。

2.3.3 數字人體與運動員心理狀態監控人類的心理活動都是人腦對客觀現實的反映，因此運動員的賽前心理狀態是運動員在比賽前對比賽情景和機體內環境各種綜合信息的反映，是大腦皮層和皮下神經中樞協同活動的結果，運動員心理狀態是運動員在比賽中發揮穩定的決定性因素，尤其是在競賽時心理狀態的好壞直接影響到運動表現的成功與否。通過數字人體紅外掃描技術對運動員的大腦進行掃描，研究其賽前的神經活動與最佳神經狀態下神經活動的對比，診斷其賽前心理狀態的優劣；也可根據大腦神經活動的不同特點，分析其心理狀態不佳的原因，并根據分析結果對運動員的心理狀態進行調控。

3 結 論

3.1 數字人體就是為了了解運動員在訓練和比賽中整個人體系統信息之間相互作用、相互聯系的規律，是將運動員生理學、運動學和動力學信息由定性研究轉向數字化表達。

3.2 雖有對數字人體的研究，但是大部分研究僅停留在數字人體原型、模型和新技術等的基礎理論研究層面，其在醫學、教學和服裝等領域應用研究的探討彰顯了其潛在的重要研究價值。

3.3 競技體育運動訓練監控是實踐科學訓練的基礎，是運動員在比賽中獲得優勝的重要保障。數字人體可為運動員身體機能、運動技戰術和心理活動等運動訓練監控的重要環節的診斷與監測提供新視野和新方法。

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[ 2 ] 畢思文，劉保延.數字人體基礎理論框架構建[ J ].世界科學技術—中醫藥現代化，2003（1）：10-14.

[ 3 ] 畢思文，汪湘.數字人體經絡信息獲取的多光譜探測技術研究[ J ].中國醫學影像技術，2003（S1）：86-88.

[ 4 ] 畢思文.數字人體信息獲取的微波遙感技術研究[ J ].中國醫學影像技術，2004（11）：1790-1791.

[ 5 ] 盟國正，岳曉燕.科學技術發展對競技體育運動的影響[ J ].運動，2009（1）：40-41.

G808

A

1674-151X（2017）11-029-03

10.3969/j.issn.1674-151x.2017.11.015

投稿日期：2017-05-12

國家體育總局重點研究領域重大課題：競技體育“數字人體”遙測系統的研發（項目編號：2014B071）。

王靖（1987—），助教，碩士。研究方向：運動與體育科技。

王興（1966—），教授，博士。研究方向：運動與康復。