人體出汗率分布的研究進展

張文歡， 錢曉明， 范金土,2， 師云龍， 牛 麗

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 美國康奈爾大學(xué) 人類生態(tài)學(xué)院， 紐約 14850)

人體散熱方式主要有顯熱和潛熱，其中潛熱主要是指人體表面汗液蒸發(fā)所產(chǎn)生的熱量損失。出汗主要分為顯性出汗和非顯性出汗。顯性出汗是指當(dāng)人體在高溫環(huán)境或運動強度較高時產(chǎn)生的能被人所觀察到的汗液，非顯性出汗是指人體表面隨時都在蒸發(fā)的汗液[1-3]。人體著裝狀態(tài)下由于劇烈運動或過高的環(huán)境溫度等因素導(dǎo)致皮膚表面產(chǎn)生顯性汗液時，蒸發(fā)散熱的比例顯著增加并成為熱量散失的主要方式。隨著皮膚表面汗液的增加，水分蒸發(fā)率下降，同時抑制汗腺活動，影響人體皮膚表面散熱。諶玉紅等[4]研究表明隨著環(huán)境溫度的升高，著裝人體穿著不同服裝時，皮膚表面的汗液蒸發(fā)量、溫濕度等參數(shù)發(fā)生明顯變化，人體熱應(yīng)激水平增加，表現(xiàn)出不舒適。李佳怡等[5]利用暖體假人Newton分別測量了穿著4款面料拼接服裝時，假人總出汗量和出汗率，由此評價服裝的熱濕舒適性。唐香寧等[6]對人體皮膚濕感覺的測試方法以及影響因素進行綜述，表明人體濕感覺對于評價服裝熱濕舒適性具有重要作用。

出汗率的測量與研究在生理學(xué)研究中具有舉足輕重的地位，同時由于其對人體的核心溫度以及體溫調(diào)節(jié)起到至關(guān)重要的作用，所以在人體熱調(diào)節(jié)領(lǐng)域以及服裝熱濕舒適性研究中具有巨大的影響力。隨著相關(guān)研究的深入發(fā)展，目前對人體出汗量的研究已經(jīng)延伸到醫(yī)學(xué)、功能性服裝設(shè)計、服裝熱濕舒適性評價、暖體假人設(shè)計、職業(yè)衛(wèi)生、人體出汗量模型建立等相關(guān)領(lǐng)域。特別地，人體繪圖服裝已經(jīng)逐漸成為重點推出的功能性服裝。人體局部出汗和汗液蒸發(fā)量可為各項研究提供重要的數(shù)據(jù)支持[7-8]。

目前，應(yīng)用不同測量方式以及不同測試條件得到的人體各部位顯性和非顯性出汗率結(jié)果具有較大差異，限制了其應(yīng)用。對具體差異的研究以及人體局部更為詳細的定量化比較的探討較為淺薄。本文對比分析了幾種不同的測試方法及其對結(jié)果產(chǎn)生的影響，并總結(jié)了人體局部顯性出汗率和非顯性出汗率的分布特點。

1 出汗率的常用測試方法

局部出汗率的測量方法包括濕法測定和質(zhì)量測定[9]。濕法測定可通過濕度計或者通氣汗囊法進行測定。這類測量法通過將已知溫度的干燥空氣通過泵，以恒定流速輸送進固定在皮膚表面的管道內(nèi)來完成數(shù)據(jù)測量。通風(fēng)管下皮膚表面(約1～ 20 cm)的局部出汗率由流出氣流的溫度和水蒸氣含量的變化來確定[10-11]。這種方法在某些情況下加大了實際值。比較這2種方法，通氣汗囊法具有較高的可信度，變異系數(shù)(CV值)為2%[12]，被認為是測量局部出汗率的參考技術(shù)[12-14]。

質(zhì)量測定技術(shù)主要是使用濾紙[15]，吸汗貼片法[16-19]，Parafilm-M保護套、棉手套或棉襪、乳膠手套[20]或塑料汗液收集器[21]等從皮膚表面(4～100 cm2)直接收集汗液。局部出汗率均由收集汗液系統(tǒng)的質(zhì)量變化來確定。在測量運動員的出汗率時，質(zhì)量測定技術(shù)(尤其是吸汗貼片法)比其他方法更為實用，但該方法的收集系統(tǒng)易受局部環(huán)境的影響[22-24]。另外，該方法測定時如果由透氣性較差的覆蓋物進行汗液收集時，易引起通氣不足從而增加皮膚上的水分積累，抑制汗液的產(chǎn)生[25-27]，因此，在使用該類方法進行測定時，可通過減少收集系統(tǒng)在皮膚上的停留時間(測試時間)或者使用具有高吸收能力的材料制成的貼片最大限度地降低誤差[28-29]。

前人已經(jīng)針對濕法測定和質(zhì)量測定測量得到的局部出汗率結(jié)果進行了比較。Morris等[13]研究表明，在測試開始的10～30 min內(nèi)，通氣汗囊法比吸汗貼片法(尺寸為4 cm2)的測定值高出6%～37%，但是在人體運動到50～70 min時2種方法得到的測量值幾乎相同，并且結(jié)果并不受測量部位(前臂和中背)或者吸汗貼片尺寸(4 cm2、36～42 cm2)的影響[13]。Boisvert等[14]研究顯示，在運動的前 20 min內(nèi)通氣膠囊法比Parafilm-M貼片法得到的測量結(jié)果高27%，但是在運動時間為20～60 min時幾乎沒有差異[14]。綜合比較得出，質(zhì)量測定法得到的結(jié)果更可靠，且操作方便，但僅適用于穩(wěn)定狀態(tài)(如運動20～30 min之后)[13-14]，而濕法測定能夠進行實時測量。

評估全身出汗率最簡單和最準(zhǔn)確的方法是通過測量運動前后裸體體重差[30-31]。但這種方法應(yīng)考慮非出汗因素引起的體重變化對結(jié)果的影響。計算出汗率時應(yīng)通過流體攝入量和尿量進行矯正。另外，如果運動員在訓(xùn)練期間消耗食物或排出，這些非汗水的質(zhì)量變化也應(yīng)考慮在內(nèi)，同時需要注意的是新陳代謝質(zhì)量損失和呼吸質(zhì)量損失[32-34]。出汗率的計算應(yīng)基于體重的變化，同時應(yīng)該考慮到新陳代謝和呼吸道質(zhì)量損失，特別是在持續(xù)運動幾個小時(大于2～3 h)或者在寒冷干燥的環(huán)境中[35-37]。

但是，裸體體重測量在某些場合是不適用的，因此，運動員常進行著裝稱量。然而，在衣服內(nèi)部殘留的汗液會降低測量值。Cheuvront等[37]在熱環(huán)境(干球溫度為30 ℃，露點溫度為20 ℃)或冷環(huán)境(干球溫度為14 ℃，露點溫度為7 ℃)中，風(fēng)速為2.1 m/s時，測量穿著賽跑單鞋、短褲、襪子和跑步鞋的女性以30 km/h的速度跑步(最大氧攝取量為71%)時的出汗率。當(dāng)沒有進行修正時，服裝中殘留的汗水導(dǎo)致出汗率降低8%～10%(熱環(huán)境和冷環(huán)境之間無差異)，而尿液排泄將出汗率增加了16%(熱環(huán)境)或37%(冷環(huán)境)，呼吸和代謝質(zhì)量損失相結(jié)合導(dǎo)致汗液損失增加了 9%(熱環(huán)境)或20%(冷環(huán)境)[38]。

2 人體局部出汗率分布

近年來對于皮膚水分蒸發(fā)量的研究很多，根據(jù)測試內(nèi)容可總結(jié)為顯性出汗率和非顯性出汗率研究，其中顯性出汗過程中伴隨著非顯性出汗的發(fā)生，所以顯性出汗率實際是測試過程中顯性與非顯性出汗率的總和。

2.1 顯性出汗率的研究

顯性出汗率的研究結(jié)果受測試條件、測試狀態(tài)以及測試方法的影響。Cotter等[39]和Fogarty等[40]研究表明，相同狀態(tài)下人體不同部位的出汗量顯著不同，軀干部位(尤其是腰部)具有較高的出汗量，四肢表現(xiàn)出最低值。Foygarty等[40]和Taylor等[41]研究發(fā)現(xiàn)，前額、頸、腹部和前后軀干的大部分區(qū)域具有較高的出汗率，胸部、四肢具有較低的出汗率。相反地，Weiner[42]發(fā)現(xiàn)相對于前軀干，后軀干具有更低的出汗率。Machado等[43]和Smith[29]在研究中均發(fā)現(xiàn)軀干上、中、下部位的出汗量依次有所減少。Machado等[43]對人體各部位的出汗率進行定量研究發(fā)現(xiàn)：胸部為(0.32±0.07) mg/(cm2·min)，腹部為(0.35±0.05) mg/(cm2·min)，上背為(0.59±0.11) mg/(cm2·min)，下背出汗率為(0.56±0.08) mg/(cm2·min)，側(cè)面軀干出汗率為(0.38±0.09) mg/(cm2·min)，肩部出汗率為(0.51±0.13) mg/(cm2·min)，背部出汗大于腹部且大多數(shù)汗液產(chǎn)生于下背。Smith等[29]對男性運動員的運動強度分別在55%和75%最大攝氧量(VO2max)時的出汗量進行研究表明，后背中部與下部和頭部表現(xiàn)出最大的出汗值，四肢的出汗量最少；并且隨著運動強度的增加，局部與整體的出汗量都顯著增加(腳除外)。Machado等[43-44]研究表明，頭部中部到后部出汗明顯增加，頭后部出汗率最高，腳部為0.76 mg/(cm2·min)。

Smith等[20]對男性運動強度分別為55%VO2max(強度Ⅰ)、75%VO2max(強度Ⅱ)和女性60%VO2max(強度Ⅰ)、75%VO2max(強度Ⅱ)運動強度下的出汗量進行比較，研究顯示男子的出汗率分別是(364±84)、(657±119) g/(m2·h)；女子出汗率分別為(168±81)、(410±144) g/(m2·h)。在相同的運動強度下，男性的局部出汗率整體比女性高(除部分運動強度下的手和腳)。針對男性與女性之間的比較結(jié)果可知，所有的汗液分布均表現(xiàn)為：1)前軀干比后軀干的出汗率更高；2)沿著軀干，由中間向側(cè)面出汗量逐漸減少；3)下背中部的出汗量最高；4)四肢的出汗率最低。比較可知，男子強度I和女子強度Ⅱ的出汗量基本一致。

魏洋[45]利用體重差法測量了不同溫度與運動強度下人體的出汗量，結(jié)果顯示，環(huán)境溫度為20 ℃人體運動速度依次為0.9、1.78、2.68 m/s時，人體平均出汗量分別為(11.81±9.55)、(37.99±21.71)、(146.80±67.39) g/h，環(huán)境溫度為25 ℃時人體的出汗量分別為(48.57±27.89)、(118.40±48.24)、(312.36±89.82) g/h，溫度為28 ℃時結(jié)果為(119.53±72.23)、(212.68±80.35)、(418.36±150.14) g/h，由此顯示運動強度和環(huán)境溫度對人體顯性皮膚表面出汗量的測量結(jié)果均有顯著影響。

2.2 非顯性出汗率的研究

文獻[46-48]研究表明，手和腳的潛汗率最高。每個人的出汗量都呈現(xiàn)相同的模式，手腳的非顯性出汗量達到其他部位的2～4倍，但研究結(jié)果受到研究主體、實驗過程和測試方法的影響。每項測試中都需要將小通氣室探頭放置在目標(biāo)皮膚部位上收集水蒸氣，或者是通過質(zhì)量差法、濕法測定。其中汗液損失量可使用吸濕鹽(氯化鈣)、濾紙[47]或水蒸氣冷凝(干氧[49])記錄質(zhì)量變化來獲得。Ikeuchi等[46]收集了8名參與者(4名男性和4名女性)在熱中性(22.8～26.0 ℃)條件下的數(shù)據(jù)。Burch等[47]也測量了熱中性環(huán)境(23 ℃)中46名人體(32名男性和14名女性)在仰臥姿勢下的出汗量。Park等[48]在25 ℃環(huán)境條件下研究了10名女性休息狀態(tài)(俯臥和仰臥)下的出汗量。以上研究結(jié)果顯示，手和腋窩的測試值比其他測試值約高出2倍。實際上，以上研究顯示平均全身經(jīng)皮水分損失率分別是0.02、0.07和0.04 mg/(cm2·min)，相當(dāng)于25.7、75.9和43.4 g/h，假設(shè)恒定體表面積為1.8 m2，其中，只有第1個值近似于Benedict等[50]全身質(zhì)量變化中的確定值(15 g/h)。

針對此類型的研究很多，結(jié)果并不完全一致，分析原因并找到最佳結(jié)果是目前的首要問題。Ikeuchi等[46]、Burch等[47]從同一部位收集的數(shù)據(jù)顯示， 7個常見部位中的3個部位具有較大的變異性，說明測量方式對結(jié)果具有較大影響。Ikeuchi等[46]使用的體重差法受水汽被動積累的影響，而Burch等[47]以及Park等[48]均采用優(yōu)化蒸氣通量技術(shù)。Burch采用的方法為水分子穿過表皮的運動提供了理想的水蒸汽壓力梯度，皮膚及其邊界層比通常情況更干燥，這種方法在一定程度上夸大了水分蒸發(fā)量；但是沒有這種情況，蒸氣壓力梯度將持續(xù)下降，隨著時間的流逝阻礙水分流失，因此，Burch等[47]的數(shù)據(jù)是一種理想的臨界狀態(tài)，可視為裸露皮膚狀態(tài)數(shù)據(jù)，而Ikeuchi等[46]的測試結(jié)果可代表完全著裝狀態(tài)的水分損失，由前人的研究可總結(jié)出人體非顯性出汗量范圍在0.02～0.07 mg/(cm2·min)之間，Park等[48]的測量值在此限度范圍內(nèi)。

Machado等[51]總結(jié)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)人體(皮膚表面積為1.8 m2)每天非顯性水分蒸發(fā)量達到0.6～ 2.3 L，手部(80～160 g/h)和腳部(50～150 g/h)蒸發(fā)量最高，頭部和頸部居中(40～75 g/h)，其余部位汗液蒸發(fā)量在15～60 g/h。李標(biāo)[52]利用質(zhì)量差法對人體上半身非顯性出汗率進行測量，在環(huán)境溫度為22、25 ℃，步速為0、0.68、1.35 m/s的情況下，男女性手部、前臂、前胸、后背的出汗率結(jié)果如表1所示。

表1 男子和女子局部非顯性出汗率Tab 1 Local insensible sweat rate of males and females

3 結(jié)束語

目前針對人體在各種設(shè)定環(huán)境條件、不同姿勢以及不同運動狀態(tài)下各部位的出汗量的研究層出不窮，結(jié)果也不盡相同。因為真人實驗本身存在的誤差以及各種測試方案、測試方法的不同，直接影響了總體的測試結(jié)果，但綜合來看，除頭部外，人體顯性出汗最多的部位在后背，相比于上背，中下背的顯性出汗率更大，而且由軀干到四肢呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，四肢的出汗率最低。手和腳部的非顯性出汗率呈現(xiàn)最高值，人體的非顯性出汗率在0.02～0.07 mg/(cm2·min)之間。

現(xiàn)階段，針對非顯性出汗率的各部位具體數(shù)值依據(jù)實驗測試方法的不同以及測試條件的差異得到的結(jié)果也不同。對于人體不同運動狀態(tài)以及不同溫度下的非顯性出汗率的相關(guān)研究較為缺乏，但前景可觀，因此，利用相關(guān)研究儀器及研究方法對不同運動狀態(tài)下男性和女性人體的顯性和非顯性出汗率進行統(tǒng)一測量，并進行規(guī)律分析成為未來的一大發(fā)展趨勢，這對計算服裝的熱阻和濕阻以及暖體假人皮膚的改進具有非常重要的作用。