《Building and Environment》：Toward Interoperable Indoor Thermal Physiology Research in the Built Environment: An Interpretive Framework for Physiological Measurement and Metadata Architecture
编辑推荐：
为提升室内热生理学研究的互操作性，本研究提出一种解释性框架，用于规范建筑环境中的生理测量及其元数据架构。当前，室内热舒适研究主要依赖预测性热感觉模型，虽然生理测量日益融入其中，但缺乏统一的记录与互操作基础设施。研究基于对295项室内热生理学实验的元数据分析，揭
为提升室内热生理学研究的互操作性，本研究提出一种解释性框架，用于规范建筑环境中的生理测量及其元数据架构。当前，室内热舒适研究主要依赖预测性热感觉模型，虽然生理测量日益融入其中，但缺乏统一的记录与互操作基础设施。研究基于对295项室内热生理学实验的元数据分析，揭示了机制层、测量层、描述层、整合层、可重复性层及跨域层等多层面的碎片化问题。为此，研究人员构建了一套集成解剖学、技术、情境与分析维度的框架，并引入分层元数据结构以支持跨实验数据集的可解释性与互操作性。此外，研究还建立了一个版本控制的开源存储库，旨在提供机器可读的文档化工作流程，促进社区驱动的持续更新与引用稳定性。该框架并不强制统一实验方法，而是通过结构化情境化记录，使异质性数据集在保留方法论多样性的同时实现累积性整合与比较分析。
**室内热生理学研究背景、问题与研究动机**
室内热舒适研究长期以预测性热感觉模型为主导，早期源于Fanger对热交换的稳态分析，并经过国际标准与大规模实证验证形成了以预测平均投票（PMV）和预测不满意百分比（PPD）为核心的评价体系。人体热平衡模型（如Gagge两节点模型）虽更明确地表征了体温调节过程，却仍属模型估算。直接生理测量记录个体实现的具体反应，如核心温度、皮肤温度、心血管调节或出汗，但两种方法互补而不可互换。近年来，可穿戴传感技术使在久坐建筑 occupant 群体中记录这些反应成为可行，室内环境研究开始越来越多地将生理测量纳入既有环境与主观评估体系。然而，这些生理测量缺少与环境和主观问卷相匹配的文档基础设施，不同学科来源的信号并未继承各自源学科的方法学约定，导致变量名称相似而生理学意义不等价的数据集大量存在。已有证据表明，报告不完整和记录不一致造成研究综合困难，例如ASHRAR全球热舒适数据库II未能整合生理时间序列数据，部分原因正是缺乏文档基础设施；超过400项热暴露实验室研究的元分析亦因加热方式、测量方法和参与者特征的高度异质而无法得出剂量反应关系。因此，本研究的核心问题是解决室内热生理学数据互操作性缺失的结构性问题，而非方法论多样性本身。
**研究内容与主要结论**
研究人员提出了一套解释性框架，通过结构化记录生理信号的机制原理、测量原理、解剖部位、跨方法一致性、生物调节因子与数据处理方式六个维度，并辅以术语对齐、解剖参考分类法和分层元数据架构（实验级、参与者级、会话级、传感器与设备级）来实现异质数据集的互操作。框架基于对273篇出版物（含295项实验）的元数据分析，覆盖206个元数据字段和14个类别。分析显示，生理变量的“名义完整性”高于“解释完整性”：测量名称常被报告，但时间情境、参与者调节因子、协议控制、分析转换和数据可访问性等解释所需信息严重不足。例如，每日会话起止时间仅有29%报告，传感器品牌和型号分别只占84%和80%，经皮水分流失等调节因子报告极少。研究人员还发现热舒适投票（TCV）存在86种不同的量表长度和标签组合，而热感觉投票（TSV）中83%使用ASHRAE七点或九点扩展量表，具备可调和性。研究进一步通过四个来自研究人员所在研究组SenseLab的回顾性案例验证了框架的适用性。结论表明，生理测量的互操作性并非取决于方法统一，而在于对解释性假设和实施决策的结构化文档化，从而确定何时测量可比较、何时需要分层或校正、何时必须保持分析上的区分。
**关键方法学技术**
本研究采用以下主要方法：一是系统文献检索与元数据分析，研究人员从Web of Science、Scopus、PubMed和ScienceDirect数据库系统搜集2013至2024年间已发表的273篇英文同行评审出版物，包含295项室内热生理学实验，依据预定义纳入排除标准筛选（排除室外、模拟、运动、睡眠、临床、VR/AR及局部暴露研究），提取206个元数据字段；二是跨域综合综述，整合超过500篇来自热生理学、心理生理学、运动科学、时间生物学、临床监测及室内环境研究的文献，以权威元分析、系统评价和国际标准为优先；三是框架比较与案例应用，将提出的分层元数据架构与BIDS、ISA-Tab、MIAME、Open mHealth/IEEE 1752.1及ISO/IEC 17025五项既有文档化先例进行系统比对，并通过SenseLab四个真实实验案例进行回顾性映射。
**研究结果**
**机制碎片化（Mechanistic fragmentation）**：研究发现，室内热生理研究中生理信号常未嵌入明确的机制框架。心率的升高在热暴露中可能反映热诱导的心血管代偿，也可能受姿势、情绪唤醒、脱水或先前活动影响；皮电活动可被解释为出汗、交感激活或认知参与。研究人员认为，缺乏对目标生物子系统的明确界定，使信号沦为一般性环境影响指标，而非特定通路的标记。
**测量碎片化（Measurement fragmentation）**：相同生理构念可通过不同传感技术测量，如核心温度可用直肠、鼓膜或吞服式遥测法；皮肤温度可用热敏电阻、红外热成像或可穿戴贴片。设备在采样频率、模数分辨率、滤波策略、校准程序、专有算法和固件上的差异导致即使相同信号也可能非等效。验证研究常见组水平良好相关但个体水平存在系统偏差。
**描述碎片化（Descriptive fragmentation）**：解剖术语使用不一致，例如小腿（calf）与胫骨（shin）混用，胸（chest）、躯干（torso）、背（back）等标签在不同学科中指代不同区域。研究人员比较了六种平均皮肤温度公式（ISO 9886、Winslow 1936、Kuwabara 2006、Lie 2011、Song 2024、Choi 1997）的解剖位点选择与加权方案，显示位点数、区域权重和描述精度差异显著，缺乏稳定的解剖参考结构。
**元数据分析报告完整性**：研究人员对295项实验的元数据分析显示，基本研究描述符、目标热条件和主要环境与生理测量存在性通常报告良好，但时间情境、参与者调节因子、协议控制、分析转换和数据可访问性报告不完整。传感器类型可恢复率95%，品牌84%，型号80%；解剖部位通常指定，但侧向性、矢状方向或表面位置不完整。每日会话起止时间仅29%报告，月份56%，季节30%，年份51%。体成分、热历史、时间类型、月经周期、避孕药使用、活动水平、睡眠时间和习惯性热偏好等调节因子报告极少。
**问卷与主观测量碎片化**：热感觉投票（TSV）测量较为标准化，83%的TSV数据集可调和（78%使用ASHRAE七点量表，15%使用九点扩展）。而热舒适投票（TCV）存在86种不同长度与标签组合，四点、五点、六点、七点量表分别占22%、23%、25%和22%，相同类别数的量表常有不同标签、端点或响应方向，导致术语“热舒适投票”在文献中并不指代一致的工具。
**数据可访问性**：仅31.5%的研究包含数据可用性声明，直接数据链接仅存在于2%的研究（6项），补充材料链接在20%的研究中出现。有限的数据访问和元数据可用性限制了再分析与累积综合。
**框架结构设计**：基于上述碎片化发现，研究人员构建了以“为什么（Why）、如何（How）、何处（Where）、跨方法一致性、生物调节因子与环境暴露背景、数据处理实践”六维生理信号文档框架，以及语义与互操作基础设施（包含符号记法表、衍生指标标准化挑战、受控词汇表和解剖参考分类法），并设计了实验级、参与者级、会话级、传感器与设备级的分层元数据架构，字段按核心（Tier 1）、推荐（Tier 2）、专业（Tier 3）三级分层。
**框架与既有标准的关系**：系统比较表明，BIDS、ISA-Tab、MIAME、Open mHealth/IEEE 1752.1和ISO/IEC 17025中没有一项单独覆盖该领域所需的实验、参与者、会话和设备级联合元数据。框架借鉴了BIDS的sidecar模式、ISA-Tab的Investigation/Study/Assay结构、ARRIVE 2.0的分级报告结构以及FAIR原则，并扩展了环境暴露文档、热生理学调节因子、按单元设备注册和校准日志等特定需求。
**案例应用验证**：研究人员将框架回溯应用于SenseLab在2021至2023年间开展的四项研究（重复热暴露适应行为实验、等PMV热条件被试内比较、随机平行组空调与自由运行办公对比、晚间光照交叉实验），表明框架能够表示不同实验设计（实验室与生活实验室、重复测量与平行分组、可穿戴与吞服式传感、问卷与认知任务、生物采样），无需要求方法一致性。
**讨论部分总结**
研究人员指出，该框架不仅影响报告结构，更支持将孤立生理观测转向累积性、可互操作的证据生成。通过系统化记录传感原理、解剖位置、预处理决策和参与者调节因子，跨实验室与跨学科的生理发现变得可比较。同时，框架补充了既有环境测量标准（如ISO 7726、ISO 7730、ISO 9886、ISO 8996、ISO 9920、ASHRAE 55、ISO 10551、ISO 28802等），而非取代它们。在期刊报告标准层面，当前政策主要关注数据访问而非数据可解释性，研究人员建议通过三类互补机制支持互操作性：要求生理测量的核心解释描述符进行结构化报告，鼓励提交机器可读元数据模式，逐步强化数据与代码可访问性预期。采纳的障碍包括时间与行政负担、数据保密性限制、文化性阻力（对再分析的担忧）以及过早或过度标准化风险。框架因此采用模块化、迭代和非处方性设计，避免僵化。
**研究结论翻译**
室内热生理学研究日益依赖生理测量来评估人体对室内环境条件的反应。本研究表明，核心挑战并非方法论多样性本身，而是对机制层、测量层、描述层、整合层、可重复性层和跨域层的不完整文档化。因此，在变量名称层面看似可比较的生理测量，在实践中可能代表非等价的构念。为解决这一问题，本研究引入了解释性框架和配套存储库基础设施，旨在不规定统一实验方法的情况下提高互操作性。对295项室内热生理学实验的实证分析表明，测量的报告通常比解释这些测量所需的情境假设更一致，这直接推动了所提出框架的结构设计。该框架寻求通过结构化情境化而非方法统一性来使异质实践变得可解释。互操作性不取决于消除多样性，而取决于记录解释性假设和实施决策，从而确定测量何时可以有意义地比较、何时需要分层或校正、以及何时应保持分析上的区分。随着生理传感技术在建筑与环境研究中的持续扩展，跨研究情境化、解释和整合生理证据的能力将日益重要。本文提出的框架和存储库旨在为实现这一更广泛目标迈出第一步：将碎片化的生理观测转化为室内环境研究中累积性、可互操作且生理学可解释的科学证据。
