不同勞動強度下人體呼吸參數(shù)變化實驗研究*

賀 帥，張英華，張 歌，黃志安，高玉坤

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引言

供氣式呼吸防護裝備是在惡劣環(huán)境中保護人體呼吸系統(tǒng)的防護器具。其通過將呼吸系統(tǒng)與外部環(huán)境隔離，使人免受有害因素的傷害。佩戴呼吸防護裝備時，裝備與人體構成的呼吸微環(huán)境對于佩戴者的健康與舒適至關重要，良好的呼吸微環(huán)境可以保證佩戴者的安全和舒適[1-2]。

影響裝備內部呼吸微環(huán)境的因素主要為裝備的供氣參數(shù)和人體呼吸參數(shù)，而供氣參數(shù)的調節(jié)需要根據(jù)人體呼吸狀態(tài)進行。呼吸參數(shù)作為人體的生理指標，受勞動強度狀態(tài)影響較大[3-4]，不同勞動強度會使人體呼吸頻率、呼吸壓力以及呼氣成分等發(fā)生明顯變化，進而對防護裝備內的呼吸微環(huán)境造成影響[5-8]，因此，研究人體的呼吸參數(shù)對于保障呼吸微環(huán)境的穩(wěn)定至關重要。

據(jù)此，本文通過設計呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)，開展多組不同勞動強度下人體呼吸參數(shù)實驗，獲得呼吸參數(shù)變化規(guī)律，為防護裝備呼吸微環(huán)境參數(shù)設計及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

1 勞動強度的表征

勞動強度是指勞動者在勞動過程中所消耗的體力強度，在實際作業(yè)過程中，受到勞動時間、勞動類型、勞動姿勢以及個體差異的影響[9]。為了在實驗室條件下模擬實際工作中的不同勞動強度，需要對人體實際勞動量進行計算，并提供實驗室條件下可操作的統(tǒng)一指標來表征勞動等級。

我國現(xiàn)行的體力勞動強度分級標準為GBZ/T 189.10-2007《工作場所物理因素測量 第10部分:體力勞動強度分級》，該標準對體力勞動的分級以及勞動強度等級的計算方法進行了規(guī)定和闡述。其中體力勞動強度指數(shù)的計算方法如式(1)所示：

I=Rt·M·S·W·10

(1)

式中:I為體力勞動強度指數(shù)；Rt為勞動時間率，%；M為8 h工作日平均能量代謝率，kJ/min·m2；S為性別系數(shù)(男性取1，女性取1.3)；W為體力勞動方式系數(shù)(搬=1，扛=0.4，推/拉=0.05)；10 為計算常數(shù)。

根據(jù)式(1)可知，體力勞動強度指數(shù)是關于平均能量代謝率和體力勞動時間率的函數(shù)，其中考慮了性別差異以及勞動形式差異，但是并未體現(xiàn)勞動個體之間的差異，其實質上仍然以能量代謝率來劃分勞動強度等級，且實際操作性較差，并不具備快速評判勞動強度的條件。

研究表明[10-11]，心率與人體耗氧量、能量代謝率等指標有較強相關性，動態(tài)心率可以用來表征人體勞動強度。以心率表征勞動強度，可以不考慮具體勞動形式，只要勞動過程中，心率穩(wěn)定在某一范圍，即可認為當前體力勞動達到對應等級。為消除個體基礎心率差異影響，本文采用相對心率指數(shù)(Relative Heart Rate Index，RHRI)為指標，表示不同體力勞動等級。相對心率指數(shù)表示的是人體活動過程中穩(wěn)定階段瞬時心率平均值與靜息狀態(tài)的基礎心率平均值之比，如式(2)所示。

(2)

對已有研究數(shù)據(jù)[12]進行統(tǒng)計分析可以得出以相對心率指數(shù)為指標的勞動強度等級劃分表，結果如表1所示。

表1 RHRI與勞動強度分級對應關系Table 1 Corresponding relationship between RHRI and labor intensity levels

根據(jù)式(2)，在已知被試者基礎心率平均值的情況下，瞬時心率平均值的計算公式為：

(3)

結合表2中的勞動強度等級與RHRI的對應關系，可以得到被試者在某一勞動強度等級下的活動心率范圍，以此便可表征被試者勞動強度等級。圖1為不同基礎心率下，瞬時心率平均值在各勞動強度下的取值范圍。

圖1 不同基礎心率下各勞動強度對應瞬時心率平均值范圍Fig.1 Range of average values for instantaneous heart rate corresponding to each labor intensity under different baseline heart rates

2 實驗方法

2.1 實驗對象

選取10名健康成年男性在校研究生為被試者，平均年齡，身高，體重以及體重指數(shù)(均值±標準差)分別為24.4±1.5 yrs，173.8±2.5 cm, 65.8±1.5 kg, 21.8±0.46 kg·m-2。所有被試者身體健康，無不良嗜好，日常作息規(guī)律，參加實驗前身體狀態(tài)良好。

2.2 實驗裝置

實驗過程中主要采集的數(shù)據(jù)為絕對心率值、呼吸壓力值以及呼出氣體樣品。采用自主構建的心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，并以氣體樣品袋收集不同勞動強度等級下被試者的呼出氣樣品。圖2是心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)各部件連接佩戴示意圖以及參數(shù)信息采集系統(tǒng)的運行邏輯圖。

圖2 心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)各部件連接佩戴示意以及參數(shù)信息采集系統(tǒng)的運行邏輯Fig.2 Schematic diagram for connecting and wearing of each component in acquisition system of heart rate and respiratory parameters and operation logic of parameter information acquisition system

如圖2(a)所示，心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)包括光學心率傳感器、呼吸壓力傳感器、信號傳輸線路、信號處理微控制器、數(shù)據(jù)采集器，輔助部分包括呼吸面具以及呼吸管路等。呼吸面具佩戴于被試者頭部并覆蓋口鼻部分，呼吸壓力傳感器和信號處理微控制器分別設置在呼吸面具內部及外部，光學心率傳感器佩戴于被試者指尖和耳垂部位，各傳感器，信號處理微控制器以及數(shù)據(jù)采集器通過信號傳輸線路連接，呼吸管路用于采集呼氣樣本。

圖2(b)為系統(tǒng)運行邏輯圖，被試者的呼吸數(shù)據(jù)通過傳感器組進行采集并以數(shù)字信號和模擬信號的形式傳輸至微控制器，微控制器對采集的信號進行初步處理，通過串口通訊方式傳送至計算機，并在計算機端對接收的數(shù)據(jù)進行顯示，存儲，計算和分析。

2.3 實驗流程

1)實驗準備，測量記錄基礎數(shù)據(jù)，計算該被試者不同勞動強度下的瞬時心率均值范圍，佩戴數(shù)據(jù)采集裝備。

2)開始實驗，被試者進行體力活動，活動過程中實時監(jiān)測瞬時心率值，當達到預設狀態(tài)時開始記錄呼吸壓力，呼吸頻率數(shù)據(jù)，期間每隔1 min采集呼氣樣本，共采集5組，最后保存數(shù)據(jù)。

3)停止實驗，并準備下一組。

3 實驗結果及分析

3.1 呼吸強度及頻率變化分析

人體在進行不同強度的體力活動時，身體各項生理參數(shù)都發(fā)生較大變化，心率、呼吸頻率和強度都明顯增加。圖3所顯示的為被試者在不同勞動強下所對應的瞬時心率變化曲線以及呼吸相對壓力變化曲線，壓力變化的幅度可反映呼吸強度大小，波形的密集度反映呼吸頻率的變化，呼吸相對壓力正值代表呼氣過程，而負值代表吸氣過程。

圖3 瞬時心率及呼吸相對壓力曲線Fig.3 Curves of instantaneous heart rate and relative respiratory pressure

圖3顯示，在靜息狀態(tài)下，被試者心率較為平穩(wěn)，變化及波動不明顯，基本處于穩(wěn)定水平，在數(shù)據(jù)采集的60 s內，瞬時心率平均值保持在70 BPM左右，處于正常水平，對應的呼吸曲線，波形整體較為穩(wěn)定，呼吸頻率為14.5次/min，最大相對吸氣壓力為-90 Pa，最大相對呼氣壓力為+55 Pa，具體各勞動強度下的心率及呼吸參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同勞動強度下的心率及呼吸參數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Data of heart rate and respiratory parameters under different labor intensities

注：表中壓力為相對值，正負號分別對應呼氣和吸氣過程。

分析表2數(shù)據(jù)可知，隨著勞動強度的增加，平均心率、最大呼氣吸氣壓力以及呼吸頻率都呈現(xiàn)增長趨勢。1級和2級勞動強度下的平均心率有所增長但不明顯，所對應的呼吸強度增加較為明顯，最大呼吸相對壓力分別達到了+77/-107 Pa和+117/-140 Pa，為基礎數(shù)據(jù)的1.4/1.18倍和2.13/1.56倍；在3級勞動強度下，平均心率達到127 BPM，身體處于重度負荷，此狀態(tài)下的呼吸頻率及呼吸強度也都處于較高水平，相比基礎數(shù)據(jù)，呼吸壓力分別達到3.64倍和2倍，呼吸頻率為1.38倍，身體需氧量和代謝水平提高明顯。

樣本熵是一種評價時間序列復雜度的指標，可用來描述復雜系統(tǒng)的不規(guī)則性，越是不規(guī)則的時間序列對應的樣本熵越大，反之越小，常用于觀測得到的生理信號時間序列的非線性檢測與分析[13-16]。

通過編程對4個狀態(tài)下的心率信號以及呼吸信號樣本熵進行計算，進一步分析呼吸和心率信號的規(guī)律性，計算結果如表3所示。

表3 不同勞動強度下的心率及呼吸信號的樣本熵Table 3 Sample entropy of heart rate and respiratory signals under different labor intensities

分析表3可知，心率信號的樣本熵值在靜息狀態(tài)最低，為0.002 7，說明心率穩(wěn)定，波動不明顯，在1級和2級狀態(tài)時，心率樣本熵出現(xiàn)2級較1級更低的現(xiàn)象，但總體較為平穩(wěn)，在3級勞動狀態(tài)時，心率樣本熵為0.465 1，表明該狀態(tài)下被試者心率波動較大，運行并不平穩(wěn)。

對于圖3中的呼吸壓力-時間曲線，結果的規(guī)律性較為明顯，隨著勞動強度的增加，呼吸壓力曲線的樣本熵呈現(xiàn)降低趨勢，呼吸模式趨于穩(wěn)定，呼吸變異的可能性降低。原因是隨著勞動強度的增加，身體對O2的需求量以及CO2等廢氣的排出成為首要需求，保障呼吸活動的穩(wěn)定性，以維持身體在較高負荷條件的持續(xù)運行。

3.2 呼出氣主要組分變化分析

人體在不同活動狀態(tài)下，呼出氣的主要組分也隨之變化，最明顯的就是O2的減少以及CO2的增加，二者對于人體的呼吸調節(jié)和身體各項機能的正常運行至關重要。通過在被試者進行不同勞動強度的體力活動過程中采集被試者呼出氣樣本，運用安捷倫GC7890B氣相色譜分析系統(tǒng)對氣樣成分進行定量分析，得到各個勞動強度下呼出氣成分變化規(guī)律，由于吸入氣中的氮氣以及其他氣體均不參加人體的生理活動，可以認為基本保持不變。

圖4為呼出氣主要組分隨勞動強度的變化情況，從圖中可以看出，隨著勞動強度等級的增加，呼出氣中CO2和H2O的含量均呈現(xiàn)上升趨勢，而O2濃度呈現(xiàn)下降趨勢；在靜息狀態(tài)下，呼出氣中的O2濃度最高，達到16.2%，對應的CO2濃度為3.04%，H2O含量為1.71%；在勞動等級為3級時，對應勞動強度為重度的條件下，O2濃度下降程度明顯，最低降至11.5%，而CO2濃度則上升至5.32%，同時H2O含量也上升至4.13%。

圖4 呼出氣關鍵組分隨勞動強度變化趨勢Fig.4 Variation trend of key components of exhaled gas with labor intensity

以靜息狀態(tài)下呼吸氣中CO2，O2以及H2O含量為基準，分析3種成分的絕對變化增量以及相對增率，結果如表4所示。

表4 CO2,O2以及H2O絕對增量與相對增率Table 4 Absolute and relative growth rates of CO2, O2 and H2O

表4數(shù)據(jù)表明，相對于靜息狀態(tài)下各氣體濃度，在勞動強度增加時，CO2與H2O的絕對增量變大，H2O的絕對增量在1級與CO2增量相當，但在2級和3級時，其增量都大于CO2增量；相反，O2濃度為負增長。對比相對增率可以發(fā)現(xiàn)，CO2的相對增率在3級重度勞動強度時達到了75.15%，而H2O的相對增率達到了141.97%；同樣，O2濃度下降明顯，相對增率為-29.01%。各成分變化并非線性規(guī)律，絕對增量變大的同時，增速降低，表明隨勞動強度的增加，呼吸機能也逐漸趨于極限。

4 結論

1)實時心率的采集具有便利性和可操作性，以相對心率表征勞動強度可以消除個體差異以及勞動形式差異，可作為實時勞動強度表征指標。

2)不同勞動強度對人體呼吸參數(shù)影響顯著，呼吸頻率和強度隨勞動強度增加變大，最高達到基礎狀態(tài)的1.38倍和3.64倍，呼吸壓力樣本熵呈下降趨勢，呼吸模式趨于穩(wěn)定，在開展供風參數(shù)優(yōu)化研究時，呼吸壓力和頻率數(shù)據(jù)可作為特定工況的邊界條件。

3)隨勞動強度增加，呼出氣中O2含量降低，而CO2與H2O含量明顯增加，各成分變化并非線性規(guī)律，絕對增量變大的同時，增速逐漸降低，實驗數(shù)據(jù)可作為調整供風參數(shù)驗證呼吸微環(huán)境安全性的基礎數(shù)據(jù)。