0.   引言

红外热成像技术（infrared thermography, IRT）是一种实时、非侵入性移动拍摄技术^[1]，可测量物体发出的红外辐射，并将其转换为数字化温度图像。1917年该技术应用于军事领域，用于开发狙击手夜视功能。随着摄像机镜头及红外探测器技术的快速发展，IRT逐步应用于工程、建筑评估及医学成像等领域，并凭借其非接触性特点，日益受到运动生理学领域学者们的关注。基于IRT的运动生理研究常聚焦于检测运动期间皮肤温度（skin temperature, T_sk）的变化，以探究机体体温调节机制。以往研究已形成IRT静态T_sk检测标准化流程，如医学成像等，但在运动过程中，基于IRT检测的动态T_sk变化规律及生理机制尚待详细阐明。因此，本研究旨在对IRT运动生理学领域相关文献进行综述，以了解不同运动类型下运动区域的T_sk变化特征、应用现状及生理机制，构建运动中基于IRT的T_sk测量标准化流程，促进IRT在运动生理学领域的应用实践。

1.   基于IRT在不同运动类型中T_sk变化特征及应用现状

文献汇总^[2-7]可知，运动生理学中基于IRT检测的T_sk常用指标有，①定量指标：平均温度（$ \bar T _{\rm{sk}}$）、最高温度（T_{sk max}）、最低温度（T_{sk min}）和温差（ΔT_sk）；②定性指标：热对称性。此外，在运动期间，人体皮肤常出现一些特殊辐射图案：穿孔体表面辐射图案（perforasome surface radiation pattern, P-Psr）、均匀表面辐射图案（homogeneous surface radiation pattern, H-Psr）及静脉表面辐射图案（venous surface radiation pattern, V-Psr）。

其中，$ \bar T _{\rm{sk}}$是最具有代表性的区域测量指标，常用于体温调控生理机制及疾病和损伤检测研究；T_{sk max}适用于疼痛点及局部炎症的恢复反馈研究；经由T_{sk max}与和T_{sk min}相减获得的ΔT_sk，常用于检测身体是否存在疾病^[2]，如机体正常温度区域出现低温状态或是低温区域出现高温，均可进行ΔT_sk测量，以此判断该部位是否存在异常。

定性指标中，热对称性常用于评估身体或关节两侧皮肤的温度差，以推测运动损伤风险^[3]。P-Psr、H-Psr及V-Psr为运动中出现的特殊辐射图案，常用以揭示机体的体温调节机制。P-Psr遍布全身，呈“雪花”或“斑点”状，出现于耐力性运动中及运动后恢复期，用以探究穿孔体血管舒缩调节下的散热途径，也可侧面反映交感神经活动状态；H-Psr出现于小肌肉群进行抗阻运动的皮肤表面，呈“均匀”或“高亮”状，显示局部区域正处于快速散热状态；V-Psr出现于大肌肉群抗阻运动的皮肤表面，呈“树形”或“条纹”状，反映了身体局部热量主要通过皮肤浅表静脉进行辐射散热。

基于IRT的运动T_sk研究汇总，将运动类型划分为恒定负荷耐力运动（跑步或自行车运动，时间超过10 min，运动负荷恒定）、递增负荷运动（跑步或自行车运动，强度逐级递增）及抗阻运动（传统力量训练，运动时间小于10 min）。

1.1   恒定负荷耐力运动

涉及恒定负荷耐力运动的IRT研究，T_sk检测区域通常包括：前额、脸部、内眼角、颈部、胸部、腹部、上臂、手背等。在运动刚开始时，运动区域的T_sk出现短暂上升，提示机体处于运动激活状态；运动至前期，机体产热和散热失衡，运动区域T_sk下降；运动至中期，机体体温调节达到新的平衡，运动区域T_sk仅在小范围内波动，随时间变化T_sk曲线变平缓；在运动结束时，运动区域会出现特殊辐射图案P_-Psr ^[7]，该现象与身体核心温度升高，血液被转移到表面并通过周围穿孔体血管舒张进行散热有关。值得注意的是，非运动区T_sk的变化与负荷强度的关系仍存争议。如进行50 W和150 W恒定负荷自行车运动20 min，50 W使胸腹部T_sk降低1.5℃~2.0℃，而150 W会使前额T_sk下降3℃~6℃^[8]；但Zontak等人^[5]在50%、70%及90% 的最大摄氧量（VO_{2 max}）强度下，通过对比自行车运动时的手背T_sk，并未发现显著差异。而关于能否通过T_sk推测核心温度变化方面，研究结果不一。Fernandes等人^[9]比较了安静状态30 min、60% VO_{2 max}强度跑步30 min及跑步后被动恢复60 min的3种状态下，IRT检测的内眼角温度与胃肠遥测丸测得的核心温度的相关性，结果显示两者相关性较差；Bourlai等人^[10]发现，在炎热的环境中，通过检测身穿野外消防服的消防员以恒定负荷奔跑时的脸部T_sk，可推算核心温度；且该学者认为通过面部的T_sk推算核心温度的方式，可用于大规模人群发热的快速筛查。但该类研究仍存在许多局限性，如未报告室温、样本量较少等，未来需进一步探讨基于IRT的体温检测方法，确定符合研究目的的最优测量区域，并通过大数据进行差值补偿。

本研究团队近期在基于IRT的运动测试中发现，恒定负荷耐力运动（图 1）开始时，大腿T_sk轻微升高，随后下降，至第10 min达到最低点，并保持相对稳定，无显著波动，直至运动结束；相比之下，前臂T_sk变化幅度较大，运动开始便持续下降，在第10 min时达到最低，并随着运动进行呈上升趋势。该测试不仅证实前人的研究，还发现在该运动方案下，第10 min是腿及前臂T_sk的温度调节的转折关键点。

图  1  恒定负荷运动的$ \bar T _{\rm{sk}}$变化图

注：运动为自行车的恒定负荷运动，负荷为130 W，时间为30 min，橙色点线为非运动区域（前臂）$ \bar T _{\rm{sk}}$随时间的变化，紫色点线为运动区域（腿部）$ \bar T _{\rm{sk}}$随时间的变化。

Figure  1.  $ \bar T _{\rm{sk}}$ variation diagram of constant load exercise

Note: The exercise is a constant load exercise on a bicycle, with a load of 130W and a duration of 30 minutes. The orange dotted line represents the change in $ \bar T _{\rm{sk}}$ over time in the non-exercise area (forearm), while the purple dotted line represents the change in $ \bar T _{\rm{sk}}$ over time in the exercise area (legs).

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1.2   递增负荷运动

涉及递增负荷运动的IRT研究，T_sk检测区域通常包括：头部、脸部、胸部、背部、手臂、手掌、大腿、小腿后侧及全身侧面和全身正面等。递增负荷运动类型多为下肢肌群参与，故运动区域为下肢。在递增负荷运动开始时，运动区域的T_sk出现短暂上升，随着运动强度增加，运动区域T_sk表现为持续下降，力竭时达至最低^{[6, 8]}。关于运动区域的T_sk的变化，本实验得到了与前人相同的测试结果，T_sk呈现强度递增性下降，这也提示IRT具有运动强度监控潜能，见图 2所示。有研究发现，运动区域T_sk下降程度与运动水平有关，Kapoor等人^[11]在自行车的VO_2max测试中，发现运动员小腿T_sk下降幅度较非运动员更大，且运动员T_sk与耗氧量存在显著负相关，而非运动员则无此现象。非运动区域T_sk的运动变化存在差异，Corral等人^[12]在进行step式递增负荷的跑台运动测试中，将身体划为6个主要测温区域——头部正面、侧面以及上下肢的正面、背面，并且发现运动前后，运动区（下肢）的T_sk下降，非运动区域（上肢）的T_sk上升，非头部的T_sk不变。而Hillen等人^[7]发现，在step式递增负荷的自行车运动测试开始，非运动区（前臂）T_sk下降；至运动中后期，T_sk开始逐步上升。但在本研究的测试中，非运动区域的T_sk表现为随强度递增性下降（见图 2），与前人研究出现分歧。由于实验方案及研究对象差异，递增负荷运动期间非运动区T_sk变化需结合实际情况分析。另外，Tanda等人^[8]在递增负荷跑步测试中，发现了P-Psr，并且其遍布全身，表明全身的运动激活。

图  2  递增负荷运动的$ \bar T _{\rm{sk}}$变化图

注：运动方式为自行车的斜坡式（ramp）递增运动，递增功率为25 W/min，橙色点线为非运动区域（前臂）$ \bar T _{\rm{sk}}$随时间的变化，紫色点线为运动区域（腿部）$ \bar T _{\rm{sk}}$随时间的变化。

Figure  2.  $ \bar T _{\rm{sk}}$ variation diagram of incremental load exercise

Note: the exercise mode is a ramp-type increase in power for cycling, with an incremental power of 25w/min. The orange dotted line represents the change in $ \bar T _{\rm{sk}}$ over time in the non-exercise area (forearm), and the purple dotted line represents the change in $ \bar T _{\rm{sk}}$ over time in the exercise area (leg).

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1.3   抗阻运动

涉及抗阻运动的IRT研究，T_sk检测区域均为对应的运动区域。多数研究显示，抗阻运动时运动区域T_sk升高^[13-18]，且T_sk升高范围和升高速度与受试者运动水平成正相关^[17]。部分研究发现，在进行5组10次的5.9 kg和4.9 kg的前平举测试中，5.9 kg强度使肱二头肌T_sk上升更明显^[15]；但在前臂弯举及半蹲（10RM 70%和85%）两种运动强度下的抗阻训练中，肱二头肌及股四头肌的T_sk上升幅度均未发现显著差异^[19]。少量研究认为，抗阻运动期间运动区域T_sk下降。Formenti等人^[20]通过对比两种不同速度（5 s和1 s完成一次蹲或起）的无负重深蹲至力竭测试，发现与5 s深蹲相比，1 s的股四头肌T_sk下降更快。Ferreira等人^[21]对比年轻人和老年人在进行3 min，20次/min，1 kg负重的膝关节屈伸测试发现，年轻人运动区域T_sk上升，但老年人不变。此外，Hillen等^[12]在两名男性进行膝关节抗阻运动时，在股四头肌观察到P-Psr、H- Psr及V- Psr等特殊辐射图案。本实验在抗阻运动的实证研究中，也发现了H-Psr及V-Psr，但未无P-Psr，见图 3所示。抗阻运动后，运动区域T_sk变化存在延迟效应。有研究认为，抗阻运动对运动区域T_sk影响在24 h内可完全恢复^[22]，但大部分研究认为T_sk影响可持续数天^[23-24]，其恢复速率与运动方案、运动区域^[20]及训练水平^[25]等有关。Silva等人^[18]发现运动数天后，运动区域T_sk变化与压力疼痛阈值存在关联，但与延迟性肌肉酸痛、轻度或中度肌肉损伤的间接标志物如肌酸激酶（CK）无关^[26]。张函楚等^[16]对专业与非专业健美运动员进行50%、75%及100%最大重复次数为10（10RM）的抗阻训练，发现专业组的CK与运动区域T_sk变化有较高的一致性。可见，CK与T_sk的相关性可能受运动水平影响。总之，虽然T_sk变化与肌肉损伤之间是否存在关联仍存争议，但抗阻运动数天后T_sk升高可能与身体的炎症反应有关^[27]，T_sk的降低可能表明肌肉组织处于恢复过程。

图  3  抗阻运动后的红外热成像图

注：运动方案为5组高容量俯卧撑，白色箭头为V-Psr，白色椭圆形为H-Psr

Figure  3.  Infrared thermogram after resistance exercise tests

Note: the exercise program consists of 5 sets of high-capacity push-ups. The white arrow indicates V-Psr, and the white ellipse indicates H-Psr

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1.4   应用现状

IRT不仅可检测不同运动下的T_sk，也能进行生理参数的预估。梁智敏等人^[28]基于IRT获得脸部图像的灰度均值，并经小波去噪、带通滤波后进行小波包分解和重构，获得人体心率估计数据，其与心率实测值相关系数可达0.873。Jensen等人^[29]基于IRT计算肢体相对于躯干的移动距离以及躯干自身的垂直移动距离，可实现非接触式人体运动能量消耗估算。可见，IRT凭借其非接触特点以及在可见光领域中受光照变化影响较小的特性，使其具有广泛的前景。

本研究团队基于IRT围绕不同运动类型及不同运动强度开展多项测试，都获得了高清且高精度的热成像图数据（图 1~图 4）。此外，研究基于4种不同强度的自行车恒定负荷运动测试（见图 4），进一步探讨了IRT的运动强度监控潜力。图中4种强度运动后大腿及手臂的P-Psr显示，在数量和上形态存在差异。主要表现为运动后的P-Psr以及强度二运动后的P-Psr显著于其他强度运动。基于不同强度下的P-Psr的差异特征，证实IRT具备运动强度监控的潜力。

图  4  不同强度运动前后的红外热成像图

注：所有的运动测试均为自行车，Pre：运动前，Post：运动后即刻，LICT：低强度运动（70 W，50 min），MICT：中等强度运动（130 W，30 min），HIIT：高强度间歇运动（290 W，10组，1 min运动×1 min间歇），SIT：冲刺间歇运动（峰值功率为884 W，4组，30 s运动×4 min间歇）。

Figure  4.  Infrared thermal imaging before and after exercise of different intensities

Note: all the exercise tests are bicycle, Pre: before tests, Post: immediately after tests, LICT: Low intensity exercise (70 W, 50 min), MICT: moderate intensity exercise (130 W, 30 min), HIIT: high intensity intermittent exercise (290 W, 10 groups, 1min exercise × 1min interval), SIT: Sprint intermittent exercise (peak power 884 W, 4 groups, 30 s exercise × 4 min interval).

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2.   基于IRT测得T_sk变化的运动生理学机制

2.1   恒定负荷耐力运动及递增负荷运动T_sk变化及P-Psr的生理机制

运动引起的T_sk变化已证实与皮肤汗液蒸发等热因素无关，而是通过延髓喙侧和视前区的交感神经活动，促使机体释放去甲肾上腺素和神经肽-Y，激活皮肤血管平滑肌α-肾上腺素受体，导致皮肤小动脉血管收缩，血液重新分配，以满足大脑、心脏及运动肌在运动中的氧气需求^[4]。恒定负荷耐力运动与递增负荷运动的T_sk变化与交感神经有关，运动区域T_sk随强度增加而下降，反映交感神经去甲肾上腺素活动增强，引起皮下血管收缩^[30]。值得注意的是，T_sk并非随强度的增加而无限制下降，而是随时间延长，下降幅度变缓。长时间运动将提高机体代谢率，打破机体37℃热稳态，使体温上升；若运动肌内部或深层组织温度超过特定水平，如核心温度上升0.2℃~0.3℃，T_sk将升至38℃^[31]，此时胆碱能神经传递激活非肾上腺素能血管扩张系统，反射性引起神经源性血管舒张，导致皮下血管散热增强。而运动时出现的P-Psr反映了大量的血液传导至皮肤表面，增强血管对流散热；运动结束后，P-Psr增加显示了运动后交感神经张力下降，使皮下小动脉舒张，血流灌注增加。

2.2   抗阻运动中V-Psr、H-Psr及P-Psr的生理机制

V-Psr受肌肉质量及体脂率的影响，其形成基于以下3个因素：第一，随着机体代谢的升高，运动肌产热大幅增加；第二，血液从深静脉重新分配到浅静脉，运动肌的T_sk局部升高是由于浅静脉输送的血液对流散热；第三，运动肌静脉血液回流减少，增加了肌肉内部的温度，使热量优先从浅静脉通过皮肤进行辐射^[32]。H-Psr的出现需要肌肉群具有高快缩肌纤维比例和能承受大负荷的能力；同时，运动肌静脉血液回流减少，通过附近浅表血管进行散热，使热传导速度更快、温度辐射更均匀。P-Psr的出现提示了抗阻运动期间的全身激活反应，它与V-Psr相反，不受限于运动区域，还可出现于非运动区域甚至遍布全身肢体。抗阻运动后出现的轻微P-Psr^[33]，反映了神经源性反射血管舒张的激活^[31]，以及核心温度升高导致静脉血温度升高，促使非肾上腺素能血管扩张系统活动。此外，轻微的P-Psr还可能反映了肌肉在承受较大负荷的重复抗阻运动中肾上腺素和去甲肾上腺素的分泌增加。

3.   构建运动中基于IRT检测T_sk的标准化流程

综合各研究和指南可知，在运动中基于IRT的人体T_sk测量标准化流程应避免测量误差和无关因素影响，进而增加实验检测结果的可重复性与可对比性。图 5为本研究基于IRT构建的运动检测T_sk的标准化流程。

图  5  在运动中基于IRT检测T_sk的标准化流程

Figure  5.  Standardized process for IRT-based detection of T_sk in sport

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第一，标准设备。在进行人体运动的红外热成像研究时，选择合适的红外热像仪是测试前提。通常热像仪分为制冷型和非制冷型两种，制冷型相机体积较大、价格昂贵且拍摄角度受限，而非制冷型相机在价格和维护方面更为经济实惠，在运动中也更为常见。当前，市面上常见的人体运动检测热像仪有FLIR-E60、FLIR-T335及FLIR-SC640等。红外分辨率是仪器选择考虑的重要技术因素。基于IRT进行人类皮肤温度检测时，320×240像素被认为是获得准确数据的最小分辨率参数^[34]。此外，仪器是否校准将影响数据精确度。在T_sk检测前需使用黑体对仪器进行校准，若IRT检测的温度与黑体的实际温度差值较大，可在数据分析中对差值进行补偿；但如果二者差异过大，则需将相机送至制造商进行重新调校。在仪器摆放方面，IRT的镜头方位与测试距离会影响T_sk检测。镜头应垂直对准所检测区域，二者夹角不应大于60°，并调节焦距进行对焦；而镜头与检测区域的距离应保持在1~3 m之间，如果是针对单个身体部位的检测，则距离应在1~1.5 m之间，若检测的是全身，则距离应为3~4 m^[35]。最重要的是所有测试都应在相同的镜头方位与测试距离下进行。

第二，标准环境。环境是实验测试的载体，也是影响人体T_sk检测最重要的因素之一。室温过高或过低都将影响人体的体温调节，为保持人体的舒适感，室温通常保持在18℃~25℃，且室温变化不应超过1℃~2℃^[36]。室内湿度会影响机体运动表现和运动时汗液蒸发率，建议相对湿度控制于40%~70%^[37]。测试空间大小会通过影响空气中的CO₂浓度，从而引起室温变化，一般而言，以12 m²的室内空间最合适，最小应不小于6~9 m²。此外，可在拍摄区域周围放置抗反射的材料，以避免其他无关红外辐射源干扰。

第三，标准个体化因素控制。受试者的年龄、性别、运动水平、损伤与否及个体生活作息均会影响T_sk数据变化。在年龄方面，随年龄增长，机体代谢率降低，血管功能和散热能力均下降，故老年人T_sk基础值较低，T_sk反应速度较慢；性别方面，与男性相比，女性出汗率低、体脂率高、散热性差，导致全身大部分区域的T_sk均较低^[38]，且受月经周期影响，使得黄体期的T_sk高于卵泡期；运动水平高的人通常有更高的血流量和更低的身体脂肪，更好的散热能力，T_sk变化更快，幅度更大；在损伤和药物治疗人群中，若机体存在炎症，则T_sk较高，若组织灌注不良或变性等情况下，则T_sk较低，且止痛药、消炎药及调节血管活性等药物对T_sk也存在干扰^[34]；此外，个体生活作息差异会使T_sk检测结果呈现高变异性，限制了受试者之间数据的比较。因此，可基于研究目的筛选受试者群体，同时受试者需要遵守测温协议，以此最大程度减少T_sk检测的干扰因素。如受试者在测温前12 h应避免吸烟，测量前4 h禁止进食，并清理过于旺盛的毛发，在测试当日需避免体育锻炼、日光浴、长时间紫外线暴露以及化妆品使用。此外，昼夜节律将影响人体核心温度、皮肤血流量及T_sk，故T_sk的检测应在一天的同一时间点进行^[39]。受试者来到测量环境时，需适应环境温度，通常需要10~20 min，若来自极端环境适应时间需延长。在适应期，受试者需补充足够的水分，避开所有可能影响T_sk的动作和接触，并在测试时尽量保持统一着装和身体姿势。运动中皮肤产生的汗液，可能会影响检测精度，但也有研究认为，运动过程中产生的汗液不足以形成水膜，不影响数据的测量^[40]。

第四，标准化分析。热成像数据分析需使用热像仪所配备的标准软件，如FLIR相机的ThermaCam Researcher Pro软件、Fluke相机的Smartview软件等。在软件中根据人体解剖形态描绘人工几何形状^[38]，以此确定测温区域范围大小，并选择适用指标进行数据分析。

4.   总结与展望

基于IRT检测运动T_sk变化有望成为运动生理监控的新手段。恒定负荷耐力运动期间，运动区域T_sk常呈现轻微上升后，下降至某温度区间后保持稳定的趋势，而递增负荷运动期间，运动区域T_sk常呈现先轻微上升后随负荷递增持续下降直至运动结束的趋势，这可能与交感神经去甲肾上腺素能神经活动引起的皮肤血管收缩有关；抗阻运动期运动区域T_sk常上升，运动后T_sk的延迟变化与肌肉炎症恢复相关。不同运动类型T_sk、P-Psr、H-Psr及V-Psr变化，对探究机体运动生理机制、强度监控、推测核心温度及热量消耗等均具有重要意义。基于IRT的标准化运动T_sk检测，需考量设备、环境、个体因素及分析方法等要素。当前，运动期间非运动区域T_sk变化仍存争议，长期运动适应下P-Psr、H-Psr和V-Psr的变化尚未深入研究。此外，急需开发一款针对IRT运动测试的分析软件，以用于动态识别检测区域并统计分析P-Psr、H-Psr和V-Psr的数量和形态，以促进IRT在运动科学中的推广应用。