消防员体征监测和训练评估指标的选取

段建威 谢春龙 洪赢政 杨超杰

0 引言

和平年代，消防员是最危险的职业之一。其职业具有体力活动强度高、应激反应大、心理素质要求严等特点。所以，消防员除了执勤以外，日常训练也是其主要任务之一。但由于消防员训练科学性不足，有些单位还是遵循“三从一大”（从难、从严、从实战出发，大运动量）的训练原则，导致训练损伤频发。程金新等[1]曾对全国消防队伍750 名基层消防员的训练致伤率进行问卷调查，年致伤率高达76.7%。利用体征监测和训练评估技术指导消防员科学训练，避免训练不足或训练过度，可降低消防员训练致伤率。除训练外，实战中也常发生人员伤亡。据报道，2005 ～2020 年间，国内消防员发生了120 余起伤亡事故，超过400 余名消防员因公殉职或负伤[2]。造成消防员实战伤亡的原因有很多，除现场复杂环境和指挥不当等外在因素外，体力不支或身处危险环境而不能及时撤离等因素也对其人身安全造成了极大威胁[3]。利用体征监测技术可以实时监控消防员在实战中的生理状态和危险程度，在发生危险时及时撤离或休息，可以避免一些伤亡事故的发生。另外，我国消防队伍职业化后，面临着从“单一灾种”拓展为“全灾种、大应急”的任务转变，消防员的职业周期延长，救援任务更为复杂多样。消防员的职业安全与健康面临着更高的挑战。

综上，我国消防救援队伍存在训练致伤率高，实战中常发生人员伤亡等问题。通过科学的监测和评估手段可以降低训练致伤率，减少实战伤亡，更好应对新阶段的挑战。所以，对训练和实战中的消防员进行体征监测和训练评估显得尤为必要。

1 国内外发展现状

国外消防员体征监测和训练评估研究起步早，较成熟。美国国家职业安全与健康研究所设计了一套可穿戴背心，可监测消防员训练时的心率、呼吸频率、皮肤温度、血氧饱和度、潮气量等生理指标[4]。Matthew 等人[5]开发了一种创可贴式的生理状态和危险信息监控装备，可以监视消防员的心率、血氧饱和度、碳氧血红蛋白、体温等生理指标以及防护服内的温、湿度等参数，同时还能监视消防员撞击和跌落情况。伍斯特理工学院针对消防员执勤时因心脏病导致的伤亡问题，研发了消防员定位和生理监护仪，可以对执勤中的消防员进行实时定位和生理监控[6]。

国内也开展了一些消防员体征监测与训练评估的研究，但大都停留在单一或少数监测指标阶段，未建立完善的指标体系。例如：卜宇[7]提出一种智能消防服,其利用嵌入式生理传感器通过无线网络传回的数据评估消防员的生理状态。邹鸣[8]设计了一种基于无线传感网的消防员生命体征监测系统，实现了对消防员生理指标的远程监控，包括实时脉搏波形显示和瞬时心率计算。

综合国内外情况，目前针对消防员体征异常阈值提取技术和多指标变量综合分析的体征异常评判技术研究开展较少；针对消防员职业特点的高危环境中温度、湿度和作业强度等因素对消防员生理应激的影响机理研究开展较少。目前应急管理部上海消防研究所正在开展以上两点研究的实验工作，拟根据大量的消防员训练实验数据，建立完善的消防员体征监测和训练评估指标体系，创建消防员体征监测与训练效果评估的便捷科学手段。

2 体征监测和训练评估指标选取

目前国内外多为消防员体能、生理机能定性评估，缺失定性与定量相结合评估技术手段。加之，缺乏高危环境下消防员体能、生理等基础实验数据支撑，目前亟需建立自动评估技术手段，来提升训练效果和实战能力。

国内已经在医疗领域开展生命体征评估法（CRBP）研究。军事体能训练评估体系的建立也涉及相关研究，但仅停留在专家咨询法、问卷调查法和人工打分评估法等技术阶段，未见体能、生理机能自动评估技术。我国消防领域虽然已制定职业安全与健康的相关标准，但自动评估技术研究的理论基础仍较为薄弱。

表1 消防员体征监测和训练评估指标

竞技体育利用体能、生理指标指导运动员科学训练的手段已较为成熟。其根据项目选择相应的生理指标进行监测和评估，经过长期训练大数据的积累实现了定性与定量相结合的评估技术手段，可用于监控运动员对于单次训练课的反馈；评价运动员对训练计划的适应程度；降低发生训练过度和伤病的风险。但由于消防员职业的特殊性，这些技术不能直接应用于消防训练和实战，所以本研究结合消防员训练和实战的特点，选取消防员体征监测和训练评估指标，这些指标包括个人基础指标、生理指标、体能指标、生化指标、运动学指标、空呼信息，如表1 所示。

2.1 个人基础指标

消防员的体征监测和训练评估应根据不同年龄、身高、体重和身体质量指数有所区别，避免“一刀切”式的统一标准带来的过度训练和高损伤率。不同年龄的消防员达标和阈值标准应该有所差异，特别是职业化以后，消防员的年龄跨度较大，对于一些体能要求高的项目，年龄大的消防员应该相应的降低标准。不同身高、体重的消防员所擅长的项目不同，比如身材瘦小的消防员擅长爬绳、单双杠这种自重作为负荷的项目；身材高大的消防员擅长400 米物资疏散、拖拽水带这类的项目。我们要根据消防员的身高、体重有所区别的制定考核和训练标准。身体质量指数是目前国际上常用的衡量人体胖瘦程度以及是否健康的标准。特别是在进行有氧训练项目时，要根据消防员的身体质量指数区别对待，减少发生训练伤的风险。

2.2 生理指标

心率是体内综合生理反应的“窗口”，是反映实时运动强度的“速度仪”，是保护机体安全的“保险杠”[9]。运动开始时，心率会随着运动强度的增加呈正比例增加。当接近最大运动强度时，心率出现平台期，不会随着运动强度的增大而继续增大，这意味着心率已接近最大值，如图1 所示[10]。心率应用到消防训练有以下优点：（1）概念简单，消防员更容易理解指标意义；（2）对生理刺激较为敏感，可以实时反映消防员实战训练时的身体应激反应；（3）实用性强。消防员实战训练本就会穿戴繁重的个人防护装备，再增加复杂繁琐的生理监测装备，只会增加消防员的负担，而心率监测传感器形式小巧、穿戴简单，使消防员增负最小化；（4）与运动强度关系密切；（5）可以反映训练负荷和恢复情况；（6）可以用于实战训练阈值报警。

体温过高是导致运动能力下降的主要因素，研究表明，下肢肌肉的最大收缩力矩和自主激活程度会随着核心温度的升高而降低[11]。对于训练有素的人，产热量随着剧烈运动不断增加，核心温度快速上升，但只要体表温度保持较低水平，就不会导致最大摄氧量明显降低[12]。其机理可能是由于核心温度和体表温度存在温差，身体内部的热量可通过各种传导途径传至体表，不会导致核心温度持续积累。但消防员常处的高温高湿环境使体表温度快速升高，导致其最大摄氧量显著降低，有氧运动能力下降[13]。因此，对消防员的体表温度进行监控可以预防由于体温过高导致运动能力下降，减少实战训练的伤亡风险。

图1 心率与运动强度的关系

2.3 体能指标

最大摄氧量表示一个人进行有氧运动的最大能力，是衡量机体有氧运动能力的黄金标准[14]。在消防实战中，消防员经常进行长时间的执勤作业，良好的有氧耐力对于一名合格的消防员来说至关重要。最大摄氧量受训练因素的影响很大，长期进行有氧耐力训练可有效提高最大摄氧量水平。所以，对消防员进行有氧耐力训练并阶段性的测量最大摄氧量显得尤为必要。实验室测量最大摄氧量具有测试精确的优点，但需要专业的设备和人员，操作复杂且成本很高，通常只针对特殊群体，例如心血管病人或高水平的运动员[15],应用于大规模、高频率的消防员训练可操作性不强。而基于心率估算最大摄氧量的方法[16]，具有准确、简便的优点，可以对消防训练进行常态化监控。

身体活动的能量消耗用代谢当量（METs）表示。代谢当量定义为特定身体活动期间的代谢率与静止代谢率之比。1MET 为1kcal/kg/hour 或3.5ml/kg/min，大约等于静坐时的能量消耗。运动强度与MET 值的对应关系如图2 所示。美国消防协会（NFPA）在NFPA1582 中规定，消防员为了胜任各种救援活动，其有氧能力须达到12MET[17]，这表明消防员的职业活动包括12MET 以下不同强度的身体活动。因此，对消防员在进行训练和实战时的代谢当量进行监控显得尤为重要，不仅可以反映训练的运动强度和能量消耗水平，而且可以根据每日训练和出勤的能量消耗水平,合理补充能量。

运动时的最大心率百分比是反映当前运动强度最便捷有效的指标，也可作为消防员训练或实战时的阈值报警指标。当该指标达到阈值时，再继续同等或更高强度的身体活动，机体发生危险的概率增加，这时应及时停止作业，进行休息。

训练冲量（TRIMP）是近年来建立的用来衡量训练者身体承受训练负荷刺激程度的指标，该指标结合了负荷强度、负荷量、运动时间和其它因素而形成，它反映的是训练者机体所承受的内部运动负荷，是外部负荷的内化反应。对消防员训练后的训练冲量进行计算，可以了解其对训练负荷的内在反应，便于组训者及时调整训练方案，以达到理想的训练效果。基于心率的计算TRIMP 的公式[18]：

上述公式中，T：训练时间（分钟）；HRex：训练心率；HRrest：安静心率；HRmax：最大心率；Y=0.64e1.92x（男性）；Y=0.86e1.67x（女性）；e=2.718；

2.4 生化指标

在运动训练中常用的生化指标包括热休克蛋白、血乳酸、血氧饱和度、尿蛋白和尿潜血。热休克蛋白可提高细胞的应激能力，特别是耐热能力。其可预先给生物以非致死性的热刺激，可以加强生物对第二次热刺激的抵抗力，提高生物对致死性热刺激的存活率，这种现象称为热耐受。消防员常穿着厚重的防护服处于湿热环境中，热耐受能力对于消防员来说尤为重要。对热休克蛋白进行监测可用于消防员阶段性的热耐受能力评估。血乳酸、尿蛋白、尿潜血都可反映训练强度对机体的刺激程度，训练强度过大，血乳酸快速升高，尿蛋白和尿潜血呈现阳性结果。血氧饱和度是指血中氧饱和血红蛋白相对于总血红蛋白（不饱和+饱和）的比例。血氧饱和度过低会出现呼吸急促、能量供应不足、疲劳等症状。消防员在进行灭火救援内攻时，可能由于机体内部供氧不足导致血氧饱和度过低，发生危险。所以，对消防员实战训练中的血氧饱和度进行监控同样具有重要意义。

图2 运动强度与MET 值的对应关系

2.5 运动学指标

消防员在执行救援任务时，不同的运动姿态可以大致反映其所处环境的危险程度。当处于行走状态时，表示相对安全；当处于奔跑状态时，表示可能遇到了紧急情况；当一段时间处于俯卧或者仰卧位时，表示可能遇到了危险情况或失去了行动能力。所以对消防员运动姿态进行监测，结合其他监控指标能够更加准确的判断消防员执勤时的安全状态。

2.6 空呼信息

完成同等强度的运动，消耗的氧气量越少，氧气的利用率越高，称为耗氧经济性。实时监测空呼气瓶压力对训练和实战的意义不同。在训练方面，组训者可以对消防员的耗氧经济性进行横向和纵向比较。横向比较：同等任务下越优秀的消防员，气瓶内空气消耗越少；纵向比较：比较消防员经过系统性训练之后的耗氧经济性。若训练效果不理想，及时调整训练方案。在实战方面，实时监测空呼气瓶压力，便于消防员及时撤离，保障生命安全。

3 结语

目前本研究正在全国消防队伍中进行体征监测和训练评估指标阈值提取功能的实验工作，通过系统学习模式，对个人基础、生理、体能、生化、运动学、空呼信息等指标进行多维融合，从而大幅提升自动评估定量分析能力，可逐步优化体能、生理机能自动评估技术，初步建立科学合理的消防员体能训练质量评估指标标准体系，最终实现由定性评估向定性与定量相结合评估的转变，由人为评估向人机结合评估的转变。下一步拟根据大量实验数据建立我国消防员各项指标数据库，在大数据的支撑下制定各项指标的标准值和阈值。最后建立更为完善的消防员体征监测和训练评估指标体系，进一步提高实战训练的科 学性和安全性。