在不同热环境下利用基于核心体温的模型设计安全的体育课程

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Designing Safe Physical Education Class using a Core Temperature-based Model with Different Thermal Environments

　　

• 一种瞬态核心温度模型被应用于体育教学场景。
• 当环境温度达到30°C时，90分钟的体育课程在生物学上变得不可行。
• 将体育课缩短至40分钟并将运动强度限制在6 MET以下，可确保安全的热负荷余量。
• 天气指标低估了运动风险，而上午8时仍是最安全的时间窗口。

**引言**

体育教育是青少年健康促进的基石，为身体体能、运动技能发展和社会互动提供了必要机会[1,2]。然而，随着全球气温持续升高以及热浪事件变得更为频繁和剧烈，户外体育课的安全性已成为一个紧迫的公共卫生问题[3]。极端高温会增加脱水、热衰竭和认知功能下降的风险，尤其是在环境热负荷与运动代谢产热同时作用时[4]。不利天气条件，包括极端高温，可能会减少青少年的中等至剧烈体力活动并增加久坐时间，从而可能损害长期健康[5]。与自愿性休闲活动不同，学校体育教育涉及结构化的强制性参与和固定的课程安排，学生和老师缺乏足够的灵活性来避开热应激条件。热浪的持续存在对人类健康具有直接和累积性的影响，全球范围内已报道了校园运动中发生的运动性热射病和热衰竭事件[6,7,8]。气候模拟表明，到2050年代热浪的持续时间可能会增加四倍，这加强了在学校环境中制定安全的户外体育活动适应性策略的紧迫性[9]。

热舒适性由ASHRAE标准55正式定义为"对热环境表示满意的心理状态，通过主观评价来评估"[10]。然而，在体力活动中，热舒适性与生理热应激相关但并非等同。核心温度（Tcore）被广泛用作内部热负荷的指标，但仅凭核心温度升高并不能确立热病的发生。38.5°C的核心温度已被用作职业热应激监测和成人耐热测试中的上限监测值，通常需结合心血管反应、症状或生理平台期缺失来综合判断[11,12,13]。与以往认为儿童具有更高风险的假设不同，较新的证据表明，10至16岁的儿童在环境温度高达40°C的运动中，其体温调节和水分补给反应可能与成人相当[14]。尽管如此，青少年可能采用与成人不同的体温调节策略，更多地依赖非蒸发性热交换，而排汗是成人最主要的散热方式[15]。这些生理差异促使针对体育课程进行评估，纳入具有代表性的青少年特征和随时间变化的代谢需求，同时认识到未来研究需要进行直接生理验证。

户外热评估方法在目的和输出方面各不相同，不应互换解读。PET和UTCI将环境因素和个人因素的综合效应表达为在定义参考条件下的等效温度，使其适用于描述户外热应激，但不适用于预测个体的瞬态核心温度轨迹[16,17,18,19]。相比之下，WBGT是一种操作性筛查指数，用于识别潜在的危险热暴露并指导工休或活动调整决策；它不是动态生理模型[20,21]。COMFA是一种全身能量平衡模型，估算代谢产热与辐射、对流和蒸发热交换之间的平衡，已被用于解释体力活动期间的户外热感觉[22,23]。涉及中等至剧烈活动的研究表明，传统COMFA在涉及高代谢率、强风、暖空气温度和快速变化的活动强度条件下，其性能可能存在差异[24]。

动态人体体温调节模型是为不同目的而开发的：模拟体内热量储存和调节反应随时间的变化。Gagge双节点模型将人体表示为核心和皮肤两个分室，是标准有效温度（SET）框架的基础[25]。Stolwijk模型引入了多段多层表示，并纳入主动体温调节控制[26]。Fiala模型随后扩展了被动和主动系统，并在稳态和瞬态暴露中得到验证，包括46至600 W m?2的运动强度范围[17,18,27,28]。最近，JOS-3提供了一个开源的83节点模型，用于预测瞬态和非均匀热环境中的生理反应[29]。这些模型在解剖分辨率、生理控制机制、输入要求、验证领域和计算负担方面各不相同。它们的发展表明，动态核心温度预测已经是一个成熟的领域。因此，剩余的空白并非缺乏体温调节模型，而是如何将已建立的瞬态公式应用于分阶段的青少年体育教学负荷，以及系统地比较课程时间安排、活动强度、持续时间和气候场景。因此，COMFA可作为热平衡和感觉基准的有用工具，但它不能直接计算瞬态核心温度，也不应被视为等同于动态体温调节模型。

表1总结了常用热舒适指数、热应激筛查方法、能量平衡方法和动态体温调节模型的功能区别、主要输出以及对体育教学相关的局限性。相比之下，标准体育课具有一种独特的结构特征：它由从低强度教学（约1.5–3 MET）到高强度竞赛（约7–9 MET）的间歇性阶段组成，在90分钟的课时内代谢需求快速波动。这种动态代谢特征与稳态行人活动和持续高强度运动有根本性不同。然而，现有的OTC指数和运动安全指南并未针对学校体育的结构化间歇性特征进行设计。

在儿童和青少年热舒适与热应激的具体领域，越来越多的文献开始关注这一研究不足的人群。一项对52项实地研究（1975–2022年）的综合综述，考察了4至14岁儿童的热舒适性，发现当前研究主要集中在成人，对儿童关注较少[31]。Vanos等人[32]进行了首次评估户外活跃儿童热舒适性的研究，证明户外人体热平衡模型可以显著预测9至13岁儿童在操场活动中的实际热感觉。最近，COMFA-Kid模型作为一种专门为青少年设计的能量平衡模型被开发出来，为评估年轻运动员的热脆弱性提供了更全面的方法[33]。尽管COMFA-Kid提供了针对年龄的能量平衡公式，但它不能生成瞬态Tcore轨迹。在本研究中，传统COMFA仅作为次要基准，用于比较现场方案下预测的热感觉投票与实际报告的热感觉投票；它未被用作体育教学安全评估的生理模型。因此，这一选择不应被解读为传统COMFA对青少年的生理效应优于COMFA-Kid的证据。对于学校环境中的青少年学生，还提出了一种基于心率来估计核心温度响应的算法，适用于在热环境中运动的运动员[34]。在学校体育背景下，几项研究考察了中学运动中的热应激风险管理，圆桌共识建议在秋季赛前训练前至少进行14天的连续热适应[35]。这些研究共同凸显了对青少年体育活动相关热风险日益增长的认识。然而，一个将环境条件与分阶段体育课程特征转化为瞬态热应激前瞻性估计、以比较替代课程设计的系统化框架仍然缺乏。

为解决这一空白，一种简化的瞬态四层体温调节模型被应用于基准青少年，结合基于场景的评估框架，用于结构化户外体育课（图1）。该框架遵循四个相关联的阶段。第一，每节课被表示为一系列教学阶段，具有阶段特异性的持续时间和代谢强度。第二，将课程序列与代表性学生特征、服装、天气条件和太阳辐射相结合，以定义每个模拟场景。第三，模型估算瞬态核心温度轨迹、达到预设筛查标准所需的时间，以及在达到该标准前的最大活动持续时间。最后，通过改变运动强度、课程持续时间、太阳辐射暴露和上课开始时间来比较替代场景。模型估算的核心温度被解释为热应激的连续指标，38.5°C被用作文献支持的筛查标准，以识别潜在高应激场景。它不被视为热病的诊断阈值。现场测量和学生热感觉投票仅用于检查模拟热条件与报告反应之间的感知一致性，并不直接验证模型估算核心温度的准确性。通过应用一致的输入、模拟程序和结果指标，该框架能够在体育教学场景之间进行结构化比较。因此，它为排课、运动强度调整和课程时间规划提供了场景层面的决策支持，而非具有普遍规定性或临床验证的安全指南。

**方法片段**

**方法部分**

本节描述了将一个已建立的简化四层体温调节模型应用于青少年户外体育课场景化评估的过程。该方法将涉及中学生队列的非侵入性现场实验设计与基于基本热力学能量平衡方程的瞬态四层体温调节模型无缝耦合。最终，这些数学公式和实证现场数据被整合到一个基于场景的

**COMFA模型**

为了检验记录的环境和活动条件是否反映在学生的热感知中，我们使用COMFA模型进行了基于现场的热感觉评估。该分析并非旨在验证模拟的核心温度轨迹，因为在现场活动中未直接测量核心温度。COMFA通过人体能量估算个体与户外环境之间的净热量和水分交换

**结果与讨论**

本节利用已建立的核心温度模型系统地评估了体育课程的热安全性和教学设计。首先，对学生热生理反应和热感觉评级对九种教学阶段（包括点名、热身、初步教学、练习、深入教学、技能培训、比赛、体能训练和放松整理）强度分配方案的敏感性进行

**结论**

本研究通过将瞬态四层体温调节模型与动态气象数据相结合，评估了青少年户外体育课的热安全窗口和教学设计。基于586个有效样本点，COMFA预测值与报告的TSV精确一致率为34.4%，相邻类别一致率为85.9%。核心结论总结如下：

1）仅依赖35°C的环境温度作为停课的统一阈值可能会

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能对本文所述工作产生影响。

**CRediT作者贡献声明**

Tai Ji：撰写——审阅与编辑、监督、资源、调查、资金获取、概念构思。Wenhui Ouyang：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据整理。Xinyi Tian：撰写——初稿、软件、方法论、调查。Lu Cao：撰写——审阅与编辑、方法论、调查。Yuzhe Zhang：撰写——审阅与编辑、软件、方法论。

Tai Ji|Wenhui Ouyang|Xinyi Tian|Lu Cao|Yuzhe Zhang