運動前后人體體表溫度變化與主觀熱感覺評定

苗 苗， 魯 虹,2， 程夢琪

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200051)

人體整個機(jī)體溫度的分布可看成雙層結(jié)構(gòu)，分為體殼和體核2部分。人體的外周組織即表層，包括皮膚、皮下組織和肌肉等，其溫度稱為表層溫度。表層溫度不穩(wěn)定，各部位間的差異較大。人體表層最外層的溫度，叫做皮膚溫度，也稱為體表溫度。人體通過對流、輻射和汗液蒸發(fā)等形式從環(huán)境中獲得或向環(huán)境散發(fā)熱量[1]。體溫正常是人進(jìn)行正常生命活動的前提，因此，人體必須維持產(chǎn)熱和散熱之間的平衡，從而保持正常體溫。體表各部位的溫度差值較大，波動幅度也相差較大，受環(huán)境、衣著、皮下脂肪厚度和局部血流量等的影響。服裝舒適感覺主要是指熱感覺，是主觀現(xiàn)象，是環(huán)境、人體、服裝多種因素的綜合，既與客觀因素有關(guān)，又受明顯的個體差異影響[2-3]。

本文挑選16位年齡在20～25歲的女性作為受試者，分別測試其穿著統(tǒng)一的緊身上衣時，在溫度為15 ℃，相對濕度為50%的環(huán)境中靜止、運動10、20、30 min后服裝的表面溫度和主觀熱感覺。通過紅外熱像儀對3位受試者上身溫度分布進(jìn)行測量，根據(jù)其溫度分布情況將上身劃分為30個區(qū)域，再通過分析其他13位受試者30個部位的溫度和主觀熱感覺平均值，以及運動30 min后各部位溫度和主觀熱感覺與靜止?fàn)顟B(tài)、運動10、20 min后的溫度和主觀熱感覺的線性相關(guān)性進(jìn)行研究。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 受試者選擇

選擇日常運動頻率相似，體型(身高為160 cm左右，體重為50 kg)相似的16位受試者(M1～M16)，其基本數(shù)據(jù)及受試情況見表1。M1～M3的 3位受試者參與預(yù)實驗，通過溫度測試根據(jù)其溫度分布情況確定區(qū)域的劃分。M4～M16為正式受試者，既參與溫度測試， 又參與主觀熱感覺測試。

表1 受試者基本情況

1.2 實驗環(huán)境

根據(jù)實驗進(jìn)行時外界的溫度和濕度，將溫度設(shè)為15 ℃，相對濕度為50%，與當(dāng)時的天氣情況相適應(yīng)。實驗在東華大學(xué)穿著評價實驗室進(jìn)行。

1.3 溫度測量儀器

目前，人體表面溫度的測量方法分為接觸式和非接觸式2種。接觸式大都采用醫(yī)用熱敏電阻溫度計、醫(yī)用電子接觸式溫度計或鼓膜溫度計。非接觸式大都采用手持式額溫計、紅外體溫監(jiān)測儀、醫(yī)用紅外熱成像儀等[4]。本文采用紅外熱像儀對人體服裝表面溫度進(jìn)行測量。

1.4 實驗步驟

受試者穿著統(tǒng)一的貼身服裝，在環(huán)境溫度為15 ℃，相對濕度為50%的實驗室中靜坐10 min，用紅外熱像儀拍攝其服裝正、背面紅外圖像。在同一環(huán)境中，先選用3位受試者分別在跑步機(jī)上以 6 km/h勻速運動10、20、30 min后，再分別用紅外熱像儀拍攝其服裝正、背面紅外圖像，根據(jù)3人的溫度分布情況將人體劃分為30個區(qū)域；隨后再對其他13個受試者進(jìn)行相同的操作，并對4種狀態(tài)下 30個區(qū)域主觀熱感覺進(jìn)行評分。

人體熱舒適在美國暖氣及通風(fēng)工程師學(xué)會(ASHRAE)標(biāo)準(zhǔn)中定義為人對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)[5]。從這個角度來看，熱舒適感覺是環(huán)境與人之間相互作用后，人的主觀評價。熱舒適主觀評價方法中用于評價人體熱舒適和熱感覺的指標(biāo)有多種：ASHRAE從1966 年開始使用熱感覺 7 級指標(biāo)；1936年 Bedford 提出了熱舒適(包含熱感覺)的 7級評價指標(biāo)[6]；另外，還有只針對熱舒適的 4級指標(biāo)，Gagge與 Hardy 等采用了這種指標(biāo)[7]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上綜合客觀實驗條件，采用 5級指標(biāo)，其等級評分表如表2所示。

表2 主觀熱感覺等級評分表Tab.2 Score of subjective thermal sensation degree

2 人體溫度分布區(qū)域的劃分

就人體溫度分布區(qū)域劃分而言：Uenatsu[8]測量了90位健康人的熱像圖，將人體分為40個部位；彭見曙等[9]將人體分為頭、臂、前身、后身和腿5個解剖學(xué)部位,測量其體表平均溫度,但測溫點較少；爐慶洪等[10]對人體體表溫度測量及分布特征的研究較為全面，將人體分為21個區(qū)域。幾位學(xué)者對人體區(qū)域的劃分主要從生理解剖學(xué)角度出發(fā)，本文從服裝與人體溫度角度出發(fā)，將人體上身分為30個區(qū)域，通過對每個區(qū)域的溫度變化情況進(jìn)行分析，為人體與服裝的熱舒適性提供一定的研究基礎(chǔ)，使服裝各部位的熱舒適性更加貼合人體相應(yīng)部位的熱舒適性。

實驗用的紅外熱像儀可根據(jù)不同溫度顯示出不同的色彩，因此，通過匯總分析了3位受試者運動前后人體表面紅外熱像圖，將人體按照色彩顯示(即中心溫度高低情況)以及人體對稱特點分為30個區(qū)域：其中區(qū)域1、2位于人體胸部；區(qū)域3、4位于人體乳房；區(qū)域5、6、7、9位于人體脅肋處；區(qū)域8位于人體腹部，區(qū)域10、11、12、13、14、15、25、26、27、28、29、30位于人體上肢處，其中區(qū)域10、13、25、28位于上肢上臂處，區(qū)域11、14、26、29位于上肢肘部，區(qū)域12、15、27、30位于上肢手腕處，區(qū)域16、17位于肩胛骨處，區(qū)域18、19、20位于人體脊椎處；區(qū)域21、23位于人體背部，區(qū)域22、24位于人體腰部。人體溫度區(qū)域分布如圖1所示。

圖1 人體溫度區(qū)域分布圖Fig.1 Regional distribution map of human body temperature.(a) Front side; (b) Back side

3 實際溫度與主觀熱感覺分析

3.1 實際溫度和主觀熱感覺相關(guān)性分析

3.1.1實際溫度相關(guān)性分析

圖2示出運動前后人體各區(qū)域?qū)嶋H溫度分布?？芍?dāng)人體處于溫度為15 ℃，相對濕度為50%的環(huán)境中保持靜止?fàn)顟B(tài)時，人體溫度較低，運動10、20、30 min后溫度逐漸升高。

圖2 運動前后人體各區(qū)域?qū)嶋H溫度分布Fig.2 Distribution of actual temperature of each part of human body before and after exercise

對人體靜止?fàn)顟B(tài)各部位溫度(X1)、運動10 min后各部位溫度(X2)、運動20 min后各部位溫度(X3)與運動30 min后溫度(Y)用Origin6.0進(jìn)行線性擬合分析，可知：X1與Y的顯著性p值小于 0.000 1，二者具有相關(guān)性，其線性擬合方程為：

Y=8.111+0.678X1

對二者進(jìn)行T檢驗-雙總體檢驗可知，t=-14.821 58,p=4.571 79×10-15,二者的均值具有顯著性差異，即運動30 min后各部位溫度相較于靜止?fàn)顟B(tài)各部位客觀溫度變化較為明顯。

X2與Y的p值小于0.000 1，二者具有相關(guān)性，其線性擬合方程為：

Y=4.661+0.799X2

對二者進(jìn)行T檢驗-雙總體檢驗可知，t=-5.201 78,p=1.447 68×10-5,二者的均值具有顯著性差異，即運動30 min后各部位溫度相較于 10 min后各部位溫度變化較為明顯。

X3與Y的p值小于0.000 1，二者具有相關(guān)性，且呈正相關(guān)，二者的線性擬合方程為：

Y=2.878 73+0.878 01X3

對二者進(jìn)行T檢驗-雙總體檢驗可知，t= -4.044 72,p=3.542 72×10-4,二者的均值具有顯著性差異，即運動30 min后各部位溫度相較于運動 20 min后各部位溫度變化較為明顯。

總結(jié)可知，因變量Y與自變量X1、X2、X3均具有相關(guān)性，對Y與自變量X1、X2、X3進(jìn)行多元線性回歸分析可知，Y與X1、X2、X3之間的關(guān)系式為：

Y=4.443+0.252X1+0.306X2+0.266X3

3.1.2主觀熱感覺相關(guān)性分析

圖3示出運動前后各部位主觀熱感覺分布曲線?？芍?，當(dāng)人體處于溫度為15 ℃，相對濕度為50%的環(huán)境中保持靜態(tài)時，人體主觀熱感覺為冷，運動10、20、30 min后主觀熱感覺逐漸升高，且運動 10 min后主觀熱感覺升高較為明顯，運動20、30 min后主觀熱感覺升高幅度較小。

圖3 運動前后人體各部位實際主觀熱感覺分布圖Fig.3 Distribution of actual subjective thermal sensation of each part of human body before and after exercise

通過對人體靜止?fàn)顟B(tài)各部位主觀熱感覺(S1)、運動10 min后各部位主觀熱感覺(S2)、運動20 min后各部位主觀熱感覺(S3)與運動30 min后主觀熱感覺數(shù)值(R)用Origin6.0進(jìn)行相關(guān)性分析可知：S1與R的p值為0.763 86，二者不具有相關(guān)性；對S1與R進(jìn)行T檢驗-雙總體檢驗可知，t=-34.337 53,p=3.079 23×10-40,二者的均值具有顯著性差異，即運動 30 min后各部位主觀熱感覺相較于靜止?fàn)顟B(tài)各部位主觀熱感覺變化較為明顯；S2與R的p值為 0.002 77，二者具有相關(guān)性，其線性擬合方程為:

R=0.897+0.448S2

對S2與R進(jìn)行T檢驗-雙總體檢驗可知，t=-6.150 48,p=1.054 92×10-6,二者的均值具有顯著性差異，即運動30 min后各部位主觀熱感覺相較于運動10 min后各部位主觀熱感覺變化較為明顯。S3與R的p值為0.005 28，二者不具有相關(guān)性，對S3和R進(jìn)行T檢驗-雙總體檢驗可知，t=1.101 82,p=0.275 09,二者的均值不具有顯著性差異，即運動30 min后各部位主觀熱感覺相較于運動20 min后各部位主觀熱感覺變化不明顯。

由上述分析可知，運動30 min后的數(shù)值僅與運動10 min后各部位主觀熱感覺數(shù)值具有線性相關(guān)性；運動30 min后的主觀人體感覺相較于靜止?fàn)顟B(tài)、運動10 min后的數(shù)值均有顯著性變化，但是相較于運動20 min后主觀熱感覺數(shù)值沒有顯著性變化，也就是在運動20 min后，各部位主觀熱感覺相對于運動30 min沒有發(fā)生顯著性變化。

3.2 實際溫度和主觀熱感覺分布分析

3.2.1實際溫度分布分析

根據(jù)4種狀態(tài)下服裝表面溫度分布情況，本文用8種灰色梯度的顏色來進(jìn)一步直觀的描述。 圖4～7 分別為靜止?fàn)顟B(tài)、運動10、20、30 min后人體客觀溫度分布圖。

圖4 靜止?fàn)顟B(tài)人體溫度分布Fig.4 Distribution of temperature of human body on stationary state. (a) Front side; (b) Back side

圖5 運動10 min后人體溫度分布Fig.5 Distribution of temperature of human bady after 10 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

由圖4可知：人體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，整個上身從上至下溫度呈遞減模式，其中肩胛骨處、胸部溫度較高；正面溫度相比于背面，溫度較低的區(qū)域較多，正面溫度較低的區(qū)域呈等腰梯形，其中腹部最低；背面低溫區(qū)域呈等腰三角形，脊椎底部溫度最低。

圖6 運動20 min后人體溫度分布Fig.6 Distribution of temperature of human body after 20 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

圖7 運動30 min后人體溫度分布Fig.7 Distribution of temperature of human body after 30 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

由圖5可知，運動10 min后，整體溫度相對于靜止時有所上升，整個上身溫度從上至下仍呈逐漸遞減模式，正面低溫區(qū)域比背面多，且呈等腰梯形分布，其中胸部和肩胛骨處溫度較高，脅肋處、后腰處、手腕處溫度最低。背面軀干部分溫度升高幅度比正面大，升溫幅度較大區(qū)域呈等腰三角形，其中區(qū)域18升溫幅度最大，手臂和手腕處溫度變化幅度較小。

由圖6可知：運動20 min后人體客觀溫度繼續(xù)上升，其中正面的胸部和肩胛骨處溫度較高，此時正面區(qū)域的溫度呈不對稱形式；與運動10 min后溫度變化幅度相比有所降低，其中手腕處、脊椎底部溫度升溫幅度較大，正面胸部、腹部后背肩胛骨、脊椎上中部溫度幾乎沒有變化，背面溫度變化較小區(qū)域呈倒等腰梯形形狀。

由圖7可知：運動30 min后整體溫度雖較比靜止?fàn)顟B(tài)高，但升溫幅度相比于運動10、20 min后有所降低，溫度逐漸趨于穩(wěn)定；肩胛骨處的溫度相比于運動10、20 min后有所下。脊椎底部的溫度相比于運動20 min后亦有所下降；正背面手臂處、腹部、脅肋處溫度有所上升。

通過對不同運動狀態(tài)條件下人體溫度分析可知：隨著運動時間的延長，人體溫度總體呈上升趨勢，而升溫幅度逐漸減小。后背肩胛骨處、后腰中部在運動20 min后溫度開始下降。人體在4種狀態(tài)下，正面的胸腔處、上臂處溫度較高，胸部溫度較低，可能與穿著文胸時其有一定的熱阻有關(guān)；腹部、手腕處溫度較低；背面的肩胛骨處、上臂處溫度較高；脊椎底部、手腕處溫度較低。

3.2.2主觀熱感覺分布分析

根據(jù)穿著統(tǒng)一服裝時處于4種狀態(tài)下的主觀熱感覺，本文用8種灰度不同的顏色來描述分布情況。圖8～11為靜止?fàn)顟B(tài)、運動10、20、30 min后客觀溫度分布人體主觀熱感覺圖。

圖8 靜止?fàn)顟B(tài)人體主觀熱感覺分布Fig.8 Distribution of subjective thermal sensation on stationary state. (a) Front side; (b) Back side

圖9 運動10 min后主觀熱感覺分布Fig.9 Distribution of subjective thermal sensation after 10 min exercise. (a) Front side; (b) Back side

圖10 運動20 min后主觀熱感覺分布Fig.10 Distribution of subjective thermal sensation after 20 min exercise. (a) Front side; (b) Back side

圖11 運動30 min后主觀熱感覺分布Fig.11 Distribution of subjective thermal sensation after 30 min of exercise. (a) Front side; (b) Back side

由圖8可知：靜止?fàn)顟B(tài)下，整體熱感覺數(shù)值為-1.385，整體熱感覺為冷；此時胸部、右臂后背處主觀熱感覺稍高；正面脅肋處、腹部主觀熱感覺較低，正面主觀熱感覺較低區(qū)域呈等腰三角形分布；后背肩胛骨處、脊椎處主觀熱感覺較低，背面主觀熱感覺較低區(qū)域呈T字型分布。

由圖9可知：運動10 min后整體主觀熱感覺數(shù)值為1.308，整體熱感覺為熱，此時的熱感覺較靜止?fàn)顟B(tài)上升較為明顯，且熱區(qū)域分布較為集中；部位1主觀熱感覺最高，左右兩肢上臂處、右肢手腕處溫度較低；此時正面熱感覺變化較為明顯的區(qū)域為靜止?fàn)顟B(tài)熱感覺較低的三角形區(qū)域，背面熱感覺變化較為明顯的區(qū)域為靜止?fàn)顟B(tài)熱感覺較低的T字區(qū)域。

由圖10可知：運動20 min后，整體主觀熱感覺數(shù)值為1.615,整體熱感覺為熱；主觀熱感覺高的區(qū)域增多，尤其是代表最高熱感覺的區(qū)域增加數(shù)量較為明顯。人體正面的左部(區(qū)域1、4、5、7、8)熱感覺較高，右臂背面肘部熱感覺較低。

由圖11可知：運動30 min后，整體主觀熱感覺值為1.769，整體熱感覺為熱。運動30 min后整體熱感覺比前面3種狀態(tài)都高，此時只有2種填充效果，正面右部胸部、乳房處熱感覺上升幅度較大，背部肩胛骨、后腰處熱感覺變化較為明顯；背面熱感覺變化較為明顯的區(qū)域形狀呈倒L字型。但是區(qū)域7、8的熱感覺相比于運動20 min后有所降低。

通過對不同運動狀態(tài)下人體主觀熱感覺可知：隨著運動時間的延長，主觀熱感覺逐漸增加，隨后趨于穩(wěn)定，運動后總體熱感覺為熱。其中左胸部、脊椎中下處、背面左上臂處主觀熱感覺數(shù)值較高；區(qū)域5、7、8主觀熱感覺運動10 min上升幅度較為明顯，但是運動30 min后區(qū)域7、8的熱感覺相比于運動20 min后有所降低。

4 結(jié)束語

通過對人體各部位在靜止?fàn)顟B(tài)、運動10、20、30 min 后的服裝表面溫度和主觀熱感覺研究可知，隨著運動時間的延長，人體各部位溫度與主觀熱感覺整體均呈上升趨勢，但上升幅度逐漸減小。

人體在4種運動狀態(tài)下，胸腔、肩胛骨、上臂處客觀溫度較高，左胸部、脊椎中下處、背面左上臂處主觀熱感覺數(shù)值較高；胸部、腹部、脊椎底部、手腕處客觀溫度較低，右臂背面的肘部、脅肋處、腹部主觀熱感覺相對較低。胸部之所以溫度較低，可能與穿著文胸時文胸有一定的熱阻有關(guān)，因此，在設(shè)計服裝熱舒適性時可適當(dāng)加大區(qū)域16、17、1、2、11、25的降溫力度、透氣性，相反，加大8、9、19、20的保暖性。

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