基于神經(jīng)網(wǎng)絡的老年人體育健康促進模型研究

摘要：體育運動可以有效預防和延緩老年人的各種慢性病，促進老年心理健康，延緩衰老，減少醫(yī)療保健費用，緩解和降低老齡化引起的相關社會問題。國內(nèi)外不少專家開展了老年人體育促進健康相關方面的研究。從老年人體育健康促進相關的實證研究、老年人體育健康促進數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡在老年人體育促進健康方面的應用等方面系統(tǒng)地綜述了相關研究進展。基于人工智能，探索了老年人體育健康促進的首個神經(jīng)網(wǎng)絡模型。最后，對未來相關研究進行了展望。

關鍵詞：老年人體適能；體育促進健康；神經(jīng)網(wǎng)絡模型

基金項目：教育部人文社會科學研究項目青年基金項目，《基于神經(jīng)網(wǎng)絡的老年人體育健康促進模型研究》，編號：20YJC890027。

一、引言

國務院《關于深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革的意見》明確，應對我國老年人健康問題的關鍵在于預防。大量研究表明，體育運動能夠降低或預防多種慢性病的風險，改善老年人的健康[1]。本文研究了練習導引術八段錦對老年人健康體適能的影響，并借助人工智能方法定量地將鍛煉八段錦與老年人體適能聯(lián)系起來，構建了老年人體育健康促進模型。該模型可以擴充老年人體適能的數(shù)據(jù)影響因素范圍，方便根據(jù)該模型科學提出老年人運動處方和體育干預措施，從而科學指導老年人體育鍛煉。

二、老年人體育健康促進研究進展

圍繞體育運動對老年人體適能影響這一關鍵詞，文獻檢索和分析得知，國內(nèi)外關于老年人體育健康促進的研究方法相似，大多選擇不同區(qū)域、年齡段、性別和不同數(shù)量的老年人開展不同的體育項目，包括鍛煉內(nèi)容、鍛煉形式、鍛煉時間、鍛煉地點等[2]，再研究這些體育項目對老年人的不同健康方面的影響。所選擇的體育項目大多以太極拳、太極柔力球、八段錦、健身操等節(jié)奏較慢的為主。此外，直到2020年，國家國民體質(zhì)監(jiān)測中心才將老年人群監(jiān)測年齡上限由69歲提升到79歲，并增加了70-79歲這一年齡段人群的體質(zhì)監(jiān)測標準。針對60-79歲老年人群，采用了2分鐘原地高抬腿、握力、坐位體前屈、30秒坐站、閉眼單腳站立、選擇反應以及BMI、體脂率、肺活量等9個指標。但是，關于70歲及以上老年人的體適能數(shù)據(jù)，仍然比較缺乏[3]。

（一）太極拳

太極拳運動可以極大改善老年人的健康體適能，提高老年人的生活質(zhì)量，為老年人科學健身提供指導和參考依據(jù)。參加太極拳練習的老年女性的體適能都明顯好于不參加太極拳的對照組，特別在平衡、心肺適能、下肢肌力等指標上尤為顯著。

（二）太極柔力球

太極柔力球結合了太極拳的柔和動作與球類運動的協(xié)調(diào)性，既能改善身體平衡能力、靈活性，又能增強上肢力量，對提升老年人的整體健康水平具有積極作用。其健身負荷和運動強度可以根據(jù)個人自身情況進行適當調(diào)整，且無身體對抗，特別適合老年人長期參與。

（三）門球

門球運動也是一種非常適合老年人的體育活動。長期堅持門球訓練對老年人的身體健康有多方面的積極影響，能夠促進身體成分、呼吸功能、上肢力量、柔韌性、軀體平衡能力以及反應能力等的改善。

（四）八段錦氣功

作為傳統(tǒng)的中國健身方法，近年來的研究也證實八段錦氣功對老年人的健康有著積極影響。長期練習八段錦對生活質(zhì)量、睡眠質(zhì)量、平衡、握力、軀干靈活性、收縮、舒張血壓和靜息心率等有益。但八段錦氣功對腿部力量、心肺耐力和肺功能（如：肺活量）等的影響需要進一步研究證實，特別需要考慮長期隨訪來進一步驗證其效果。發(fā)現(xiàn)長期有規(guī)律地練習八段錦氣功，身體形態(tài)、運動素質(zhì)、心血管功能、免疫機能、血脂水平、性激素水平、自由基清除能力以及心理健康水平等都得到了明顯改善。

（五）廣場舞

廣場舞作為一種既有趣又有效的鍛煉方式，也可以改善老年人的健康狀況。廣場舞鍛煉人群的肺活量指數(shù)、血壓、身體質(zhì)量指數(shù)、腰臀比、坐位體前屈（柔韌）等指標均有明顯改善。但隨著年齡增長，骨密度、血壓等指標反而變差，而廣場舞對其他指標無明顯影響。

（六）健身操

健身操是一種有氧體育活動，包括一系列有節(jié)奏的動作，可以結合不同的舞蹈元素、體操動作和音樂，適合各個年齡段的人群參與，老年人長期鍛煉可以改善其身體健康、柔韌性、力量、心肺功能等。

三、老年人體育健康促進數(shù)據(jù)庫

了解我國老年人總體的健康狀況，如：體適能、生理指標、慢性疾病、運動習慣和運動計劃等信息，進而建立我國的老年人體育健康促進數(shù)據(jù)庫，有利于更好地為科學健身提供指導和依據(jù)，助力臨床診斷和治療。自2000年起，國家體育總局開啟了一項重要的體育健康監(jiān)測項目：每五年在全國范圍內(nèi)開展一次國民體質(zhì)監(jiān)測活動，為國家科學制定群眾體育發(fā)展政策、增強國民體質(zhì)具體措施提供了重要依據(jù)。2020年，盡管面臨疫情防控的挑戰(zhàn)，第五次國民體質(zhì)監(jiān)測仍成功完成。本次監(jiān)測首次將監(jiān)測年齡上限由原來的69歲提高到79歲，順應了我國人口年齡結構的變化。此外，本次監(jiān)測首次包含了心理健康的測量，為研究體育鍛煉與心理健康的關系提供了寶貴的數(shù)據(jù)基礎。再次，本次監(jiān)測采用了現(xiàn)代化的電子數(shù)據(jù)采集方法，取代了傳統(tǒng)的人工錄入和紙質(zhì)文檔提交方式。結合互聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的邏輯篩查、自動定位以及實時上傳，這不僅提升了數(shù)據(jù)采集效率，而且通過強化質(zhì)量控制，確保了數(shù)據(jù)的真實性和客觀性，為后續(xù)的體育健身指導服務提供了更為準確和全面的信息支持。

四、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的老年人體育健康促進模型

（一）神經(jīng)網(wǎng)絡模型

作為一種模擬人腦神經(jīng)元結構的計算模型，神經(jīng)網(wǎng)絡具有較強的自適應、自學習和預測能力。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡在體育、醫(yī)學領域得到了廣泛應用，如：運動員技術分析、運動康復等。圖1給出了一個典型的前向神經(jīng)網(wǎng)絡示意圖，它包含一個輸入層、若干隱藏層、一個輸出層，每個層由若干神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元相互連接形成網(wǎng)絡，神經(jīng)元的輸入和輸出通過激活函數(shù)實現(xiàn)。神經(jīng)元、隱藏層的組合產(chǎn)生了不同的神經(jīng)網(wǎng)絡結構。神經(jīng)網(wǎng)絡原則上可以通過學習和調(diào)節(jié)參數(shù)來逼近任何未知的復雜高維函數(shù)，從而被廣泛用于預測、分類或擬合等任務。神經(jīng)網(wǎng)絡結構越復雜，神經(jīng)元數(shù)目越多，其擬合和預測速度越慢。經(jīng)驗表明，對于不太復雜的數(shù)據(jù)場景，兩個隱藏層即共四層的神經(jīng)網(wǎng)絡結構可以精準高效完成擬合和預測任務。

下面將神經(jīng)網(wǎng)絡應用于建立老年人體育健康促進模型。類似的，老年人體育健康促進模型包括輸入層、隱藏層和輸出層。輸入層包括老年人的基本信息、健康狀況、體育活動偏好等。隱藏層可以凝練輸入層數(shù)據(jù)的特征，并將其進行非線性變換。本文選擇所有隱藏層的激活函數(shù)均為雙曲正切函數(shù)。隱藏層的神經(jīng)元個數(shù)和結構需要根據(jù)輸入層數(shù)據(jù)的特點進行設計。通過調(diào)整隱藏層的層數(shù)、每層神經(jīng)元的個數(shù)、激活函數(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡的結構，可以改善模型的泛化能力和預測準確性。輸出層輸出值就是老年人的健康體適能指標，即擬合的目標值。基于非線性擬合算法，神經(jīng)網(wǎng)絡通過“學習”不斷調(diào)整模型參數(shù)（即圖1中的參數(shù)w和b），直至模型預測結果與實際值之間的誤差達到極小值。這樣就得到了一個最優(yōu)的老年人體育健康促進的神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

（二）老年人體育健康促進的神經(jīng)網(wǎng)絡模型

老年人的健康水平可以通過科學的體育鍛煉得到提升，亦即，相應的老年人體適能指標也必然受體育鍛煉的影響，包括體育鍛煉項目、鍛煉強度、鍛煉頻率等。除此之外，老年人體適能還與老年人的年齡、性別、身高、體重或BMI指數(shù)，及其健康狀況如慢性病史等密切相關。因此，原則上，老年人的體適能指標以及相應的健康水平都可以由老年人的基本信息、健康狀況、體育鍛煉項目、鍛煉頻率、鍛煉強度、慢性病史等決定。

經(jīng)過篩選，本文在重慶市某區(qū)選取了符合受試條件的60-85歲老年人共計183人。老年人基本信息如年齡、性別、身高、體重或BMI指數(shù)等可以直接測量、詢問得到。本文所選擇體育鍛煉項目為導引術八段錦這一中國傳統(tǒng)導引術，鍛煉頻率為一周一次，共計鍛煉1-2月即4-8周，鍛煉強度選擇每次0.5—1小時。由于各種原因，最后僅有22名60-75歲老年人完成了1—2個月科學地鍛煉導引術八段錦。剩余的161名老年人均沒有參加導引術八段錦鍛煉，即鍛煉時間數(shù)據(jù)為0。輸入層控制可以將參加、不參加體育項目鍛煉的情況都包括進來。總之，本文的神經(jīng)網(wǎng)絡輸入層即圖1中的{ai}分別為：老年人基本信息如性別、身高、體重、年齡等；健康狀況如慢性病史等；體育活動偏好如鍛煉項目、鍛煉頻率、鍛煉強度等。如果選擇鍛煉其他體育項目，則相應地可以將鍛煉項目更改為其它描述符來表示。本文限于人力、物力等原因，僅選擇了導引術八段錦作為鍛煉項目，因此可以不用在輸入層中考慮這一變量。總之，原則上，本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡模型適用于任何體育項目類型的健康促進研究。

輸出層為老年人的健康體適能指標。本文選取容易測得的老年人體適能指標，共有6項，分別是：30秒手臂彎舉測試、30秒坐站測試、椅式坐位體前屈、2分鐘踏步測試、8英尺起立行走測試、背抓測試等。項目開始前，先測定183名老年人的各項體適能指標。在完成導引術八段錦科學訓練之后，再次測定完成定期鍛煉的22名老年人的體適能指標。類似地，搜集該22名老年人鍛煉八段錦前后的體適能數(shù)據(jù)，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行訓練，就可以得到鍛煉八段錦后的老年人體適能神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

注意，在進行神經(jīng)網(wǎng)絡擬合前，所有的數(shù)據(jù)都需要預處理，包括對收集的數(shù)據(jù)進行清洗、去除異常值和缺失值等預處理操作，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性。然后再利用預處理后的數(shù)據(jù)對基于神經(jīng)網(wǎng)絡的老年人體育健康促進模型進行訓練和驗證。通過調(diào)整隱藏層層數(shù)、每層神經(jīng)元個數(shù)、結構等，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)，選取最優(yōu)模型。最后將最優(yōu)模型應用于老年體適能指標的預測和驗證，極大減少需要收集的數(shù)據(jù)。通過對比實驗組和對照組的身心健康水平，評估模型的效果。

五、結論與展望

老年人參加體育運動獲得的益處不可估量，包括預防和延緩各種慢性病，促進心理健康，延緩衰老，減少相關醫(yī)療保健費用，可以有效緩解和降低老齡化引起的相關社會問題。本文通過文獻調(diào)研，著重分析了老年人體育健康促進相關的實證研究、老年人體育健康促進數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡在老年人體育健康方面的應用等的方法和研究進展。進一步地，本文在重慶市某區(qū)篩選了183名60-85歲老年人，測得了他們的健康體適能指標。其中22名老年人在專業(yè)體育教師的帶領下，堅持完成了4-8周的導引術八段錦練習，再次測定了他們的健康體適能指標。基于神經(jīng)網(wǎng)絡，將這些寶貴數(shù)據(jù)用于構建老年人體育健康的促進模型，其中輸入層包括：老年人基本信息如年齡、性別、身高、體重等，健康狀況如慢性病史等，體育活動偏好如鍛煉項目、鍛煉頻率、鍛煉強度等。輸出層則為六項容易測得的老年人體適能指標。

鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)秀學習能力和泛化能力，相信未來人工智能相關方法會越來越多地應用于老年人體育健康促進領域，為老年人提供更加科學、個性化的體育活動方案，為重大老年疾病防控決策提供科學依據(jù)，提高相關政策制定的精確性和有效性。

為了更有效地促進人工智能在老年人體育健康促進這一領域的應用和發(fā)展，建議未來應該在以下方面開展相關研究：

老年人體育健康促進領域中的相關原始數(shù)據(jù)標準亟待統(tǒng)一。可以看到，以往相關研究大多為描述性研究，還缺乏統(tǒng)一的、標準的定量化研究。另外如何描述定量化描述老年人所選擇的體育項目，以及如何定量統(tǒng)一地評估不同研究中使用的不同體適能指標參數(shù)，也都嚴重阻礙了人工智能在老年人體育健康促進領域中的應用。

如何發(fā)展相應的儀器和測試手段，方便快速地獲得大量寬范圍的老年人體育健康數(shù)據(jù)，并建立相應的數(shù)據(jù)庫。各種各樣的智能穿戴設備如智能手表、手環(huán)、服飾或者智能織物，極大方便了運動健康數(shù)據(jù)的提取和檢測，但針對老年人的運動健康相關的專門儀器、設備以及標準，還比較缺乏。

“數(shù)字化”體育還任重道遠。為了體現(xiàn)不同體育鍛煉項目、鍛煉頻率、鍛煉強度的不同，需要設計人工智能需要的體育鍛煉項目、頻率和強度等的數(shù)字化描述符。即體育需要數(shù)字化和規(guī)范化地表示，否則無法直接與人工智能相結合使用。

參考文獻：

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[2]李文川.上海市老年人體育生活方式研究[D].博士，上海體育學院，2011.

[3]王紅雨；張林，70歲以上高齡老年人健康體適能特征及增齡變化研究[J].中國體育科技2015，51，121-126.