生理狀態實時監測在軍事中的應用研究

徐盛嘉，蔣偉東，趙鳳雛，邊鵬飛

前言

可穿戴的生理監測設備一般用于競技體育領域，通過實時監測運動員的生理狀態，可為教練員制定和調整訓練計劃提供依據，顯著提高運動員的訓練效率和運動表現，目前，生理狀態實時監測（real time physiological status monitoring，RT-PSM）已越來越多地應用于軍事領域，對士兵進行實時生理狀態監測可提供關于身體健康和軍事任務表現的預測，從而為軍事指揮官和士兵個人提供重要信息。軍事應用主要包括：（1）通過提供個人狀態信息來優化自我調節，工作量分配和增強團隊感知，從而技術性地提高軍事表現，（2）預測壓力負荷（物身體，心理和環境）導致的任務失敗，（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）優化個人健康和鍛煉習慣，（6）長期健康風險相關的環境監測和有害物劑量測定［1］。本文將據此分析目前RT-PSM在軍事中的應用和發展情況，包括與士兵安全與完成軍事任務密切相關的生理狀態：能量代謝、運動量、體溫、認知、壓力應激等，為士兵的最佳化訓練和提高軍事任務表現提供可行的監測方法。

1 RT-PSM的軍用要求

以往，預測士兵的工作休息周期和訓練限制只能使用基于個人和環境條件的廣義模型來估算。如今，技術的發展通過將焦點轉向內部，與個人的實際狀態相關聯，提供對士兵表現的個人評估，而不是從外部條件進行推斷和假設［2］。然而目前的商業監測設備通常不能滿足軍事用途的要求，原始的生理數據和計算機信息（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證的專有算法，輸出結果精度較差。此外，不安全且功耗要求高的藍牙連接和專有架構無法輕松集成到戰術安全系統和軍事通信網絡中。RT-PSM不應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術可用性是至關重要的，且相關應用需要根據軍事任務或訓練的需求一并開發［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系統的重要組成部分

其中，RT-PSM最為關鍵的組成部分是將數據轉化為有用且可操作信息的算法［1］。根據RT-PSM生成的信息，可采取相應的行對對軍事任務的結果產生影響，或者在訓練中提高安全性和有效性。生理遙測是各種正常人類反應的重要研究工具，然而，大量的原始生理數據在軍事中并不易用，即使對于經驗豐富的醫生來說，諸如心率升高之類的參數也可能意味著個體是適當激活以達到最佳表現、出血并需要緊急護理，或者出現緊張、沖動等情緒。因此，將數據轉換為信息的算法是RT-PSM的基礎，這些算法應該與軍隊指揮官的信息需求和軍事任務中存在的問題相匹配。

2 RT-PSM的軍事應用

2.1 能量代謝和運動量的監測

能量代謝是冷熱應激、工作負荷和損傷風險預測的基本參數。例如，在代謝熱產生高能量的消耗期間，凍傷的風險可顯著降低，而在高溫環境中，身體活動水平則受到限制。運動能量消耗（activity energy expenditure，AEE）已用于評估運動量，行軍計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劃。最近開發的Ludlow-Weyand模型簡化了對行走速度，坡度和總負重量的估算，使結果更加通用和精確，但需要進行全面評估［4］。

軀干上的三軸加速度測量法提高了僅從年齡、體重和身高預測的TDEE估計值［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確地估計AEE并對運動類型進行分類，通過測量足部接觸地面的時間和心率在一段時間內的變化，可監測個體攝氧量的變化，使用導航和全球定位系統，并結合氣壓測量海拔，可進一步提高AEE估算的精度［6］。

監測與損傷相關的運動量是可穿戴技術的重要目標，因為肌肉骨骼損傷仍然是影響軍事任務的主要因素之一，運動模式和地面反作用力的可以預測即將發生的損傷，采用預防性的干預手段，例如步態分析和訓練等，也可以提前預測損傷［7］。目前，非侵入式的可穿戴系統已經用于現場生物力學評估，為運動量和負重行軍的實地研究制作了原型。由Reed Hoyt領導的團隊探索了一系列策略，從形狀配合鞋墊的傳感器到聲學地面傳感器再到壓電泡沫技術，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測儀測量呼吸的氧氣和二氧化碳，以更直接的進行TDEE測量，便攜式代謝監測儀的優勢在于獲得能量代謝的更詳細的方面，如常量營養素［9］。測量水周轉率／通量的新技術將提供與運動表現相關的水平衡的監測，以實現更精確和最佳的水合作用［10］。代謝監測的進展為評估葡萄糖和乳酸等能量代謝的關鍵循環成分提供了可能，這些成分與影響身體，認知和行為表現的疲勞有關［11］。然而，目前仍然需要通過皮膚進行某種形式的分析物采樣。改進的經皮光譜方法、汗液采樣系統、以及呼吸分析可能很快實現代謝評估的非侵入性和舒適性。

2.2 體溫的監測

在臨床醫學中，一般通過在個體表現出神經癥狀的情況下才進行體溫測量，以確認體溫過高。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體溫過高，就會掩蓋人體對持久性運動的生理適應性。在馬拉松運動員中，核心溫度可持續數小時高于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擔。使用可攝入的溫度藥丸進行核心溫度監測提供了現場研究的工具，但它并不能解決檢測個體在高溫下的工作極限問題。

安全工作極限可用熱習服指數來解決，該指數將核心溫度與心率相結合，并結合其他一些研究成果使之成為實用的解決方案［12］。一種是基于時間序列心率分析核心溫度預測算法的開發，以取代需要吞下檢測溫度的藥丸［13］。美軍在生理監測技術的測試，整合和驗證方面投入了大量資金，開發了胸戴式的心率和核心溫度檢測系統，進一步降低了尺寸，重量和功率，提高了舒適度，并提供了通信功能。熱訓練環境中的個性化監測也正在研究中，通過允許比預測熱習服指數值更高的訓練工作量來提高訓練效果。

簡單的核心溫度也不能提供關于體溫過低的可操作信息。在高風險野外訓練期間，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，低溫死亡事件卻會意外發生。監測方法可能需要關注溫度調節失敗的指標，例如停止顫抖發熱的時間等［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，防止周圍（尤其是手部）的凍傷，對于完成軍事任務非常關鍵。

2.3 警覺性的監測和職業適應性的評估

警覺性是士兵的重要能力，適用于巡邏、崗哨、駕駛、監控等多種任務。但即使是休息充分的士兵，在持續工作兩個小時后也開始出現錯誤。士兵在夜間的警覺性會顯著降低，此時會出現注意力的減退和打盹次數的增加，對軍事任務產生較大影響。

早期的疲勞和急性警覺性監測較為簡單，使用頭盔背面的水銀開關檢測頭部擺動。更敏感的方法是使用紅外反射來檢測慢速眼瞼閉合，從儀表板安裝系統跟蹤視網膜。如果將頭盔或眼鏡隨頭部移動以保持與眼睛對齊，則更為可靠。眨眼，眼跳和瞳孔測量等眼球動力學指標長期以來都被視為是疲勞評估的預測因素［15］。盡管對眼科測量評估系統進行了大量的投入，旨在評估適用性，但該技術并未成熟。腦電警報監測也被證實可以用于監測疲勞，當功率不受限制時，例如在車輛或飛機中，該方法是可行的，但對于常規使用來說，全套頭皮電極的侵入性較大，舒適度較差［16］。目前已經開發出更為簡單的單通道腦電系統，該系統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的單通道腦電系統以優化休息和飛行時間表，并修改戰術、技術和程序有效性［18］。近紅外光譜的前額測量值可與單通道腦電圖結合使用，可能會增加警惕性預測的準確性［17］。

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

2.4 心理狀態和壓力的神經生理學監測

測量急性心理壓力的標記物，是對新威脅的適當應激反應，可測量的生理反應包括皮膚電傳導、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，這種反應會隨著信心的增加而在隨后的試驗中減弱，而心率升高則是適當應激激活的持續特征，可以為危險的任務做準備［21］。同樣地，飛行員在夜間或風暴中將飛機降落在傾斜的航空母艦甲板上會引起適當的、可測量的生理反應，這些生理反應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］。

情感領域監測方法通常基于語音和行為，在預測抑郁和認知障礙中具有重要意義。美國國防部高級研究計劃局發起了一項心理信號的檢測和計算分析，通過社會交往評估和生理感知監測，并結合心理狀態監測技術（眼睛注視，身體姿勢，語音分析，對話內容分析等），旨在針對反映心理狀態的人類行為中的重要信號［22］。例如，對相關腦區域的差異評估，進一步剖析語音成分，可以識別是否具有抑郁癥［23］。對面部單元激活情況進行差異評估，可以識別認知障礙和創傷性腦損傷的持續癥狀［24］。結合熱習服指數，基于運動模式變化的神經認知評估也可提供對即將發生的中暑和凍傷的可靠預測［25］。這些技術將對士兵的提供神經認知狀態提供更多的認識。

未來的監測將包括其他感測模式，如揮發性氣味的監測。犬類能察覺人類揮發的特殊應激信號物，例如警報犬能察覺1型糖尿病和精神病［26］。在某種程度上，這些犬類察覺到的不同的運動模式、生理反應或揮發性有機化合物的分泌也可用機器檢測。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產生特定的揮發性有機化合物，新的嗅覺受體納米管傳感技術使檢測成為可能［27］。

減輕士兵的壓力負荷是神經生理學監測的重要應用，這將是未來人機交互的重要組成部分。這在美國國防部高級研究計劃局的另一項關于“增強認知”的研究計劃中進行了嘗試，其中團隊內心理工作量的重新分配、信息顯示的數量和形式，以及各種類型的表現增強均基于對實時神經認知狀態監測能力的假設［28］。另一個應用是監測并幫助減少士兵的適應性心理應激反應，在精神病學創傷性暴露后數小時內持續的生理活動會對后續的創傷障礙產生影響，目前以及提出了心理急救的措施，使用藥物進行干預。預防方面，使用心血管測量與游戲相結合的生物反饋技術，是一種有效的自我情緒管理的替代方法［29］。

2.5 任務特定生理限制的監測

基于RT-PSM的實時行為指導可以增強士兵的表現。“第四屆國際士兵身體表現大會”展示了可以使用的監測工具完成的工作量調整和加速適應的示例［30］。例如，在某些極端條件下控制代謝率和產熱可以為士兵的表現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練才能形成的能力。

RT-PSM可為士兵提高多種任務的表現提供幫助，包括一些特殊的任務和環境條件。這就要求對士兵系統進行模塊化的設計，以便根據特定的任務需求進行配置。由于許多國家邊境和軍事沖突的地點位于高原，因此在海拔上升期間的缺氧損害預測也具有戰術意義。基于RT-PSM監測心血管參數（如血氧飽和度）的表現預測可指導士兵分階段到達不同的高度并識別個體表現風險。飛行員也存在潛在的生理事件風險，如駕駛艙內缺氧等，將會影響飛行安全。此外，RT-PSM代謝感應能在許多封閉的環境中起到作用，如潛水設備、宇航設備和封閉車輛，降低惡劣環境對人員造成的風險。

3 小結

RT-PSM具有重要的軍事應用價值，可為士兵和指揮官提供重要幫助，監測內容包括熱工作限制，警覺性和適應性狀態，肌肉骨骼疲勞極限，神經心理狀態和任務特定的生理狀態（例如，缺氧、肺部感染、低溫等），并且可與醫療救護和環境監測結合，為士兵健康提供幫助。在實際應用RT-PSM時，顯示的信息應簡單直觀，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生理狀態，特別是在預測個體的應激極限和表現降低方面與有極大的發展空間，此外，RT-PSM各種功能的整合也是研究的重點。