段建威 謝春龍 洪贏政 楊超杰

0 引言

和平年代，消防員是最危險的職業(yè)之一。其職業(yè)具有體力活動強度高、應激反應大、心理素質(zhì)要求嚴等特點。所以，消防員除了執(zhí)勤以外，日常訓練也是其主要任務之一。但由于消防員訓練科學性不足，有些單位還是遵循“三從一大”（從難、從嚴、從實戰(zhàn)出發(fā)，大運動量）的訓練原則，導致訓練損傷頻發(fā)。程金新等[1]曾對全國消防隊伍750 名基層消防員的訓練致傷率進行問卷調(diào)查，年致傷率高達76.7%。利用體征監(jiān)測和訓練評估技術(shù)指導消防員科學訓練，避免訓練不足或訓練過度，可降低消防員訓練致傷率。除訓練外，實戰(zhàn)中也常發(fā)生人員傷亡。據(jù)報道，2005 ～2020 年間，國內(nèi)消防員發(fā)生了120 余起傷亡事故，超過400 余名消防員因公殉職或負傷[2]。造成消防員實戰(zhàn)傷亡的原因有很多，除現(xiàn)場復雜環(huán)境和指揮不當?shù)韧庠谝蛩赝?，體力不支或身處危險環(huán)境而不能及時撤離等因素也對其人身安全造成了極大威脅[3]。利用體征監(jiān)測技術(shù)可以實時監(jiān)控消防員在實戰(zhàn)中的生理狀態(tài)和危險程度，在發(fā)生危險時及時撤離或休息，可以避免一些傷亡事故的發(fā)生。另外，我國消防隊伍職業(yè)化后，面臨著從“單一災種”拓展為“全災種、大應急”的任務轉(zhuǎn)變，消防員的職業(yè)周期延長，救援任務更為復雜多樣。消防員的職業(yè)安全與健康面臨著更高的挑戰(zhàn)。

綜上，我國消防救援隊伍存在訓練致傷率高，實戰(zhàn)中常發(fā)生人員傷亡等問題。通過科學的監(jiān)測和評估手段可以降低訓練致傷率，減少實戰(zhàn)傷亡，更好應對新階段的挑戰(zhàn)。所以，對訓練和實戰(zhàn)中的消防員進行體征監(jiān)測和訓練評估顯得尤為必要。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外消防員體征監(jiān)測和訓練評估研究起步早，較成熟。美國國家職業(yè)安全與健康研究所設(shè)計了一套可穿戴背心，可監(jiān)測消防員訓練時的心率、呼吸頻率、皮膚溫度、血氧飽和度、潮氣量等生理指標[4]。Matthew 等人[5]開發(fā)了一種創(chuàng)可貼式的生理狀態(tài)和危險信息監(jiān)控裝備，可以監(jiān)視消防員的心率、血氧飽和度、碳氧血紅蛋白、體溫等生理指標以及防護服內(nèi)的溫、濕度等參數(shù)，同時還能監(jiān)視消防員撞擊和跌落情況。伍斯特理工學院針對消防員執(zhí)勤時因心臟病導致的傷亡問題，研發(fā)了消防員定位和生理監(jiān)護儀，可以對執(zhí)勤中的消防員進行實時定位和生理監(jiān)控[6]。

國內(nèi)也開展了一些消防員體征監(jiān)測與訓練評估的研究，但大都停留在單一或少數(shù)監(jiān)測指標階段，未建立完善的指標體系。例如：卜宇[7]提出一種智能消防服,其利用嵌入式生理傳感器通過無線網(wǎng)絡傳回的數(shù)據(jù)評估消防員的生理狀態(tài)。鄒鳴[8]設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)的消防員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對消防員生理指標的遠程監(jiān)控，包括實時脈搏波形顯示和瞬時心率計算。

綜合國內(nèi)外情況，目前針對消防員體征異常閾值提取技術(shù)和多指標變量綜合分析的體征異常評判技術(shù)研究開展較少；針對消防員職業(yè)特點的高危環(huán)境中溫度、濕度和作業(yè)強度等因素對消防員生理應激的影響機理研究開展較少。目前應急管理部上海消防研究所正在開展以上兩點研究的實驗工作，擬根據(jù)大量的消防員訓練實驗數(shù)據(jù)，建立完善的消防員體征監(jiān)測和訓練評估指標體系，創(chuàng)建消防員體征監(jiān)測與訓練效果評估的便捷科學手段。

2 體征監(jiān)測和訓練評估指標選取

目前國內(nèi)外多為消防員體能、生理機能定性評估，缺失定性與定量相結(jié)合評估技術(shù)手段。加之，缺乏高危環(huán)境下消防員體能、生理等基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)支撐，目前亟需建立自動評估技術(shù)手段，來提升訓練效果和實戰(zhàn)能力。

國內(nèi)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域開展生命體征評估法（CRBP）研究。軍事體能訓練評估體系的建立也涉及相關(guān)研究，但僅停留在專家咨詢法、問卷調(diào)查法和人工打分評估法等技術(shù)階段，未見體能、生理機能自動評估技術(shù)。我國消防領(lǐng)域雖然已制定職業(yè)安全與健康的相關(guān)標準，但自動評估技術(shù)研究的理論基礎(chǔ)仍較為薄弱。

表1 消防員體征監(jiān)測和訓練評估指標

競技體育利用體能、生理指標指導運動員科學訓練的手段已較為成熟。其根據(jù)項目選擇相應的生理指標進行監(jiān)測和評估，經(jīng)過長期訓練大數(shù)據(jù)的積累實現(xiàn)了定性與定量相結(jié)合的評估技術(shù)手段，可用于監(jiān)控運動員對于單次訓練課的反饋；評價運動員對訓練計劃的適應程度；降低發(fā)生訓練過度和傷病的風險。但由于消防員職業(yè)的特殊性，這些技術(shù)不能直接應用于消防訓練和實戰(zhàn)，所以本研究結(jié)合消防員訓練和實戰(zhàn)的特點，選取消防員體征監(jiān)測和訓練評估指標，這些指標包括個人基礎(chǔ)指標、生理指標、體能指標、生化指標、運動學指標、空呼信息，如表1 所示。

2.1 個人基礎(chǔ)指標

消防員的體征監(jiān)測和訓練評估應根據(jù)不同年齡、身高、體重和身體質(zhì)量指數(shù)有所區(qū)別，避免“一刀切”式的統(tǒng)一標準帶來的過度訓練和高損傷率。不同年齡的消防員達標和閾值標準應該有所差異，特別是職業(yè)化以后，消防員的年齡跨度較大，對于一些體能要求高的項目，年齡大的消防員應該相應的降低標準。不同身高、體重的消防員所擅長的項目不同，比如身材瘦小的消防員擅長爬繩、單雙杠這種自重作為負荷的項目；身材高大的消防員擅長400 米物資疏散、拖拽水帶這類的項目。我們要根據(jù)消防員的身高、體重有所區(qū)別的制定考核和訓練標準。身體質(zhì)量指數(shù)是目前國際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的標準。特別是在進行有氧訓練項目時，要根據(jù)消防員的身體質(zhì)量指數(shù)區(qū)別對待，減少發(fā)生訓練傷的風險。

2.2 生理指標

心率是體內(nèi)綜合生理反應的“窗口”，是反映實時運動強度的“速度儀”，是保護機體安全的“保險杠”[9]。運動開始時，心率會隨著運動強度的增加呈正比例增加。當接近最大運動強度時，心率出現(xiàn)平臺期，不會隨著運動強度的增大而繼續(xù)增大，這意味著心率已接近最大值，如圖1 所示[10]。心率應用到消防訓練有以下優(yōu)點：（1）概念簡單，消防員更容易理解指標意義；（2）對生理刺激較為敏感，可以實時反映消防員實戰(zhàn)訓練時的身體應激反應；（3）實用性強。消防員實戰(zhàn)訓練本就會穿戴繁重的個人防護裝備，再增加復雜繁瑣的生理監(jiān)測裝備，只會增加消防員的負擔，而心率監(jiān)測傳感器形式小巧、穿戴簡單，使消防員增負最小化；（4）與運動強度關(guān)系密切；（5）可以反映訓練負荷和恢復情況；（6）可以用于實戰(zhàn)訓練閾值報警。

體溫過高是導致運動能力下降的主要因素，研究表明，下肢肌肉的最大收縮力矩和自主激活程度會隨著核心溫度的升高而降低[11]。對于訓練有素的人，產(chǎn)熱量隨著劇烈運動不斷增加，核心溫度快速上升，但只要體表溫度保持較低水平，就不會導致最大攝氧量明顯降低[12]。其機理可能是由于核心溫度和體表溫度存在溫差，身體內(nèi)部的熱量可通過各種傳導途徑傳至體表，不會導致核心溫度持續(xù)積累。但消防員常處的高溫高濕環(huán)境使體表溫度快速升高，導致其最大攝氧量顯著降低，有氧運動能力下降[13]。因此，對消防員的體表溫度進行監(jiān)控可以預防由于體溫過高導致運動能力下降，減少實戰(zhàn)訓練的傷亡風險。

圖1 心率與運動強度的關(guān)系

2.3 體能指標

最大攝氧量表示一個人進行有氧運動的最大能力，是衡量機體有氧運動能力的黃金標準[14]。在消防實戰(zhàn)中，消防員經(jīng)常進行長時間的執(zhí)勤作業(yè)，良好的有氧耐力對于一名合格的消防員來說至關(guān)重要。最大攝氧量受訓練因素的影響很大，長期進行有氧耐力訓練可有效提高最大攝氧量水平。所以，對消防員進行有氧耐力訓練并階段性的測量最大攝氧量顯得尤為必要。實驗室測量最大攝氧量具有測試精確的優(yōu)點，但需要專業(yè)的設(shè)備和人員，操作復雜且成本很高，通常只針對特殊群體，例如心血管病人或高水平的運動員[15],應用于大規(guī)模、高頻率的消防員訓練可操作性不強。而基于心率估算最大攝氧量的方法[16]，具有準確、簡便的優(yōu)點，可以對消防訓練進行常態(tài)化監(jiān)控。

身體活動的能量消耗用代謝當量（METs）表示。代謝當量定義為特定身體活動期間的代謝率與靜止代謝率之比。1MET 為1kcal/kg/hour 或3.5ml/kg/min，大約等于靜坐時的能量消耗。運動強度與MET 值的對應關(guān)系如圖2 所示。美國消防協(xié)會（NFPA）在NFPA1582 中規(guī)定，消防員為了勝任各種救援活動，其有氧能力須達到12MET[17]，這表明消防員的職業(yè)活動包括12MET 以下不同強度的身體活動。因此，對消防員在進行訓練和實戰(zhàn)時的代謝當量進行監(jiān)控顯得尤為重要，不僅可以反映訓練的運動強度和能量消耗水平，而且可以根據(jù)每日訓練和出勤的能量消耗水平,合理補充能量。

運動時的最大心率百分比是反映當前運動強度最便捷有效的指標，也可作為消防員訓練或?qū)崙?zhàn)時的閾值報警指標。當該指標達到閾值時，再繼續(xù)同等或更高強度的身體活動，機體發(fā)生危險的概率增加，這時應及時停止作業(yè)，進行休息。

訓練沖量（TRIMP）是近年來建立的用來衡量訓練者身體承受訓練負荷刺激程度的指標，該指標結(jié)合了負荷強度、負荷量、運動時間和其它因素而形成，它反映的是訓練者機體所承受的內(nèi)部運動負荷，是外部負荷的內(nèi)化反應。對消防員訓練后的訓練沖量進行計算，可以了解其對訓練負荷的內(nèi)在反應，便于組訓者及時調(diào)整訓練方案，以達到理想的訓練效果?；谛穆实挠嬎鉚RIMP 的公式[18]：

上述公式中，T：訓練時間（分鐘）；HRex：訓練心率；HRrest：安靜心率；HRmax：最大心率；Y=0.64e1.92x（男性）；Y=0.86e1.67x（女性）；e=2.718；

2.4 生化指標

在運動訓練中常用的生化指標包括熱休克蛋白、血乳酸、血氧飽和度、尿蛋白和尿潛血。熱休克蛋白可提高細胞的應激能力，特別是耐熱能力。其可預先給生物以非致死性的熱刺激，可以加強生物對第二次熱刺激的抵抗力，提高生物對致死性熱刺激的存活率，這種現(xiàn)象稱為熱耐受。消防員常穿著厚重的防護服處于濕熱環(huán)境中，熱耐受能力對于消防員來說尤為重要。對熱休克蛋白進行監(jiān)測可用于消防員階段性的熱耐受能力評估。血乳酸、尿蛋白、尿潛血都可反映訓練強度對機體的刺激程度，訓練強度過大，血乳酸快速升高，尿蛋白和尿潛血呈現(xiàn)陽性結(jié)果。血氧飽和度是指血中氧飽和血紅蛋白相對于總血紅蛋白（不飽和+飽和）的比例。血氧飽和度過低會出現(xiàn)呼吸急促、能量供應不足、疲勞等癥狀。消防員在進行滅火救援內(nèi)攻時，可能由于機體內(nèi)部供氧不足導致血氧飽和度過低，發(fā)生危險。所以，對消防員實戰(zhàn)訓練中的血氧飽和度進行監(jiān)控同樣具有重要意義。

圖2 運動強度與MET 值的對應關(guān)系

2.5 運動學指標

消防員在執(zhí)行救援任務時，不同的運動姿態(tài)可以大致反映其所處環(huán)境的危險程度。當處于行走狀態(tài)時，表示相對安全；當處于奔跑狀態(tài)時，表示可能遇到了緊急情況；當一段時間處于俯臥或者仰臥位時，表示可能遇到了危險情況或失去了行動能力。所以對消防員運動姿態(tài)進行監(jiān)測，結(jié)合其他監(jiān)控指標能夠更加準確的判斷消防員執(zhí)勤時的安全狀態(tài)。

2.6 空呼信息

完成同等強度的運動，消耗的氧氣量越少，氧氣的利用率越高，稱為耗氧經(jīng)濟性。實時監(jiān)測空呼氣瓶壓力對訓練和實戰(zhàn)的意義不同。在訓練方面，組訓者可以對消防員的耗氧經(jīng)濟性進行橫向和縱向比較。橫向比較：同等任務下越優(yōu)秀的消防員，氣瓶內(nèi)空氣消耗越少；縱向比較：比較消防員經(jīng)過系統(tǒng)性訓練之后的耗氧經(jīng)濟性。若訓練效果不理想，及時調(diào)整訓練方案。在實戰(zhàn)方面，實時監(jiān)測空呼氣瓶壓力，便于消防員及時撤離，保障生命安全。

3 結(jié)語

目前本研究正在全國消防隊伍中進行體征監(jiān)測和訓練評估指標閾值提取功能的實驗工作，通過系統(tǒng)學習模式，對個人基礎(chǔ)、生理、體能、生化、運動學、空呼信息等指標進行多維融合，從而大幅提升自動評估定量分析能力，可逐步優(yōu)化體能、生理機能自動評估技術(shù)，初步建立科學合理的消防員體能訓練質(zhì)量評估指標標準體系，最終實現(xiàn)由定性評估向定性與定量相結(jié)合評估的轉(zhuǎn)變，由人為評估向人機結(jié)合評估的轉(zhuǎn)變。下一步擬根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)建立我國消防員各項指標數(shù)據(jù)庫，在大數(shù)據(jù)的支撐下制定各項指標的標準值和閾值。最后建立更為完善的消防員體征監(jiān)測和訓練評估指標體系，進一步提高實戰(zhàn)訓練的科 學性和安全性。