數(shù)字人體發(fā)展特征及其在運動訓練監(jiān)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(shù)字人體發(fā)展特征及其在運動訓練監(jiān)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(shù)字人體發(fā)展的現(xiàn)狀和特征，探究其在運動訓練監(jiān)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(shù)字人體相關文獻進行分析歸納。結果：數(shù)字人體技術由理論探索向應用研究轉變；人體系統(tǒng)信息特點是數(shù)字人體研究的重要基礎；人體模型的研究是數(shù)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(shù)字人體研究的核心。數(shù)字人體可應用于運動員身體機能監(jiān)控、技戰(zhàn)術監(jiān)控和心理狀態(tài)監(jiān)控。結論：數(shù)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(shù)字化表達；大部分數(shù)字人體研究僅停留在數(shù)字人體原型、模型和新技術等的基礎理論研究層面；數(shù)字人體為運動員運動訓練監(jiān)控重要環(huán)節(jié)的診斷與監(jiān)測提供了新視野和新方法，建議數(shù)字人體技術的應用研究應作為今后研究的主要方向。

數(shù)字人體；發(fā)展特征；運動訓練監(jiān)控

數(shù)字人體是21世紀醫(yī)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(xiàn)對人體系統(tǒng)從定性描述到定量表達的過渡。數(shù)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(tǒng)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(zhàn)術等監(jiān)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(xù)發(fā)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(shù)字人體的發(fā)展動態(tài)進行研究，以發(fā)現(xiàn)數(shù)字人體研究的一般規(guī)律，為數(shù)字人體在其他科研領域中的應用提供參考和借鑒；并將數(shù)字人體技術引入競技體育中運動員身體機能、技戰(zhàn)術和心理狀態(tài)等環(huán)節(jié)的運動訓練監(jiān)控過程中，不僅為運動訓練監(jiān)控研究提供了新視角和新動力，還拓展了數(shù)字人體研究的范圍。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

數(shù)字人體發(fā)展特征及其在運動訓練監(jiān)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(shù)據(jù)庫上，以數(shù)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(jiān)控為關鍵詞檢索并篩選后得到文獻186篇，對運動訓練監(jiān)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(shù)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(jù)文獻的相關信息，進行數(shù)量關系和內部結構的分析，發(fā)現(xiàn)其研究的焦點等。

2 結果與分析

2.1 運動員數(shù)字人體的內涵

數(shù)字人體是指用信息化與數(shù)字化的方法研究人體系統(tǒng)信息間相互作用、相互聯(lián)系的技術系統(tǒng)。運動員數(shù)字人體就是借助數(shù)字人體技術，以運動員人體系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫，以了解運動員運動中人體系統(tǒng)信息的發(fā)生、發(fā)展過程及信息之間相互作用、相互聯(lián)系的空間化、數(shù)字化、網絡化、智能化和可視化的技術系統(tǒng)。因此，運動員數(shù)字人體是指用信息化與數(shù)字化的方法研究和構建運動員人體信息系統(tǒng)，即將運動員身體活動信息全部數(shù)字化之后由計算機網絡來管理的技術系統(tǒng)，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(xiàn)運動員人體信息由定性研究向定量表達的過渡。

2.2 數(shù)字人體技術的發(fā)展特征

2.2.1 數(shù)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(tǒng)，其復雜性限制了人體科學研究的深入，因此將人體系統(tǒng)簡單化、數(shù)字化是實現(xiàn)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(tǒng)中尤其注重人體信息與信息之間的聯(lián)系和相互作用。以數(shù)字人體為關鍵詞，在中國知網數(shù)據(jù)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(yī)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(shù)字人體相關研究的發(fā)文量出現(xiàn)遞增趨勢，并在2004年達到鼎盛時期。畢思文的《數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學》一書在2004年出版，為數(shù)字人體的發(fā)展起到了一定的推動作用。但只出現(xiàn)了對SARS疫情、中醫(yī)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(shù)字人體的研究逐漸減少，2007年的發(fā)文量出現(xiàn)低谷。在此階段數(shù)字人體逐漸被以醫(yī)學為主的專家、學者所借鑒和應用。2008—2012年發(fā)文量出現(xiàn)回升，數(shù)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(shù)字人體的理論與實踐研究。

圖1 我國數(shù)字人體科學相關研究發(fā)文量變化趨勢

圖2 數(shù)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(tǒng)信息的研究是數(shù)字人體研究的重要基礎 人體系統(tǒng)是數(shù)字人體的原型，將人體系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)轉換成可以被人解讀和利用的信息是數(shù)字人體研究的重要基礎。當前利用醫(yī)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(guī)律和能量循環(huán)等方面對人體系統(tǒng)物質和能量信息進行研究，不斷拓寬了人類對人體系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行整合，建成了整個人體的三維立體的生理結構，即數(shù)字化虛擬人。實現(xiàn)了人體信息從定性描述向定量表達的轉變，為數(shù)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(shù)字人體與不同領域科研相融合的切入點 數(shù)字人體是將人體系統(tǒng)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(lián)系規(guī)律的研究。將數(shù)字人體研究與醫(yī)學、力學、數(shù)學和信息學等學科相融合，并建立了多個數(shù)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(shù)字人體物質模型；人體幾何學、動力學和運動學信息的數(shù)字人體力學模型；動態(tài)人體數(shù)學表達的數(shù)學模型；人體信息產生、傳播、耗散及獲取與處理的數(shù)字人體信息模型；為數(shù)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(shù)字人體研究的核心 數(shù)字人體是對復雜的、開放的和動態(tài)的人體系統(tǒng)的深入研究，是要經歷數(shù)據(jù)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(shù)字人體的必經之路。現(xiàn)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(shù)進行測試的人體系統(tǒng)仿真技術和微波遙感技術等，為數(shù)字人體深入研究提供了思路和可能性。

2.3 數(shù)字人體在運動訓練監(jiān)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(fā)人體運動潛能的最主要途徑。通常人們對訓練過程的監(jiān)控主要包括身體機能、技戰(zhàn)術和心理狀態(tài)診斷與監(jiān)測等環(huán)節(jié)。而數(shù)字人體技術與不同專業(yè)領域的知識、需求相結合是武裝各科研領域的新技術，是數(shù)字化時代的新變革。數(shù)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(jiān)控的益處最大化。

2.3.1 數(shù)字人體與運動員身體機能監(jiān)控運動訓練身體機能監(jiān)控是訓練監(jiān)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(jiān)控，通過一定的評價方法對運動員的機能狀態(tài)進行評定，做出相應信息反饋的過程。但是這些指標的監(jiān)控大都不能在運動中實時監(jiān)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(shù)字人體是將人體數(shù)字化后，對人體信息進行管理的過程，我們可以通過數(shù)字人體近紅外光譜技術無創(chuàng)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(xù)訓練；還可以通過數(shù)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(shù)字人體與運動員技戰(zhàn)術監(jiān)控技戰(zhàn)術診斷與監(jiān)測是促使運動員在比賽中獲得優(yōu)勝的重要保障，且運動技戰(zhàn)術訓練是一個動態(tài)的、復雜的、個體化多因素影響的過程。數(shù)字人體以人體系統(tǒng)為原型，以人體坐標為參考系，以多體系統(tǒng)運動學研究和分析運動員的技戰(zhàn)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(fā)現(xiàn)運動員技術中的不足；也可以通過設定運動參數(shù)，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(jié)運動角度及人體加速度等人體姿態(tài)參數(shù)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(zhàn)術，通過科學預演判斷在現(xiàn)實中對陣該對手時應采用什么樣的戰(zhàn)術。

2.3.3 數(shù)字人體與運動員心理狀態(tài)監(jiān)控人類的心理活動都是人腦對客觀現(xiàn)實的反映，因此運動員的賽前心理狀態(tài)是運動員在比賽前對比賽情景和機體內環(huán)境各種綜合信息的反映，是大腦皮層和皮下神經中樞協(xié)同活動的結果，運動員心理狀態(tài)是運動員在比賽中發(fā)揮穩(wěn)定的決定性因素，尤其是在競賽時心理狀態(tài)的好壞直接影響到運動表現(xiàn)的成功與否。通過數(shù)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(tài)下神經活動的對比，診斷其賽前心理狀態(tài)的優(yōu)劣；也可根據(jù)大腦神經活動的不同特點，分析其心理狀態(tài)不佳的原因，并根據(jù)分析結果對運動員的心理狀態(tài)進行調控。

3 結 論

3.1 數(shù)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(tǒng)信息之間相互作用、相互聯(lián)系的規(guī)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(shù)字化表達。

3.2 雖有對數(shù)字人體的研究，但是大部分研究僅停留在數(shù)字人體原型、模型和新技術等的基礎理論研究層面，其在醫(yī)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(jiān)控是實踐科學訓練的基礎，是運動員在比賽中獲得優(yōu)勝的重要保障。數(shù)字人體可為運動員身體機能、運動技戰(zhàn)術和心理活動等運動訓練監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)的診斷與監(jiān)測提供新視野和新方法。

[ 1 ] 畢思文.數(shù)字人體—人體系統(tǒng)數(shù)字學總論[ J ].中國影像技術，2003（S1）：1-7.

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

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

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

[ 5 ] 盟國正，岳曉燕.科學技術發(fā)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(shù)字人體”遙測系統(tǒng)的研發(fā)（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。