基于體表溫度的著封閉服裝青年群體行走時(shí)核心體溫研究

張學(xué)智，黃強(qiáng)，皇甫喜樂，鄭曉慧，周前祥

(1.防化研究院，北京 100083;2.北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191;3.北京航空航天大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191)

1 引言

由于諸如消防滅火、核生化處理等作業(yè)環(huán)境的嚴(yán)酷性，穿著封閉服裝進(jìn)行工作的人員越來越多，因此，必須關(guān)注他們作業(yè)時(shí)的生命安全問題，以避免人員傷亡，提高執(zhí)行任務(wù)的效率，因?yàn)樵诖┲忾]服裝工作時(shí)，很容易誘發(fā)超工作負(fù)荷等導(dǎo)致人身體效能下降和反應(yīng)趨緩等影響人的工作能力和生命安全的因素，若防護(hù)不當(dāng)，將會導(dǎo)致作業(yè)人員出現(xiàn)生命危險(xiǎn)的現(xiàn)象發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1980年到2008年全國發(fā)生的161起消防官兵傷亡事故案例中就有801人傷亡、225人犧牲、576人受傷的慘劇，主要原因之一就是因?yàn)樗麄兏邚?qiáng)度、超負(fù)荷的工作造成的[1]。此外，在平時(shí)的訓(xùn)練中也有可能會由于超負(fù)荷的訓(xùn)練強(qiáng)度，導(dǎo)致暈倒，呼吸困難，心臟出現(xiàn)不適等現(xiàn)象的發(fā)生[2]。同樣地，對于船舶制造業(yè)穿著封閉服裝的工作人員，他們會受到夏季高溫環(huán)境、工作高溫環(huán)境以及工作服帶來的影響，亦會讓人體產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱刺激，嚴(yán)重情況下會造成作業(yè)人員暈厥，甚至危害生命[3]；特別地，對于防化士兵，他們工作時(shí)候必須得穿著密閉的防護(hù)服，背著20kg的壓縮空氣罐，加之在執(zhí)行任務(wù)過程中會涉及到有毒有害的氣體，經(jīng)常出現(xiàn)超負(fù)荷狀態(tài)，進(jìn)而影響人的作業(yè)效能和生命安全，所以，對著密閉服裝的操作人員進(jìn)行生命體征和工作能力監(jiān)測，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

基于文獻(xiàn)分析，在監(jiān)測的技術(shù)途徑方面，通常認(rèn)為體溫、血氧飽和度、心率、血壓和呼吸率是衡量人體生命體征或能力最基本的生理參數(shù)指標(biāo)[4]，獲取上述指標(biāo)參數(shù)值就可以判定穿著密閉服裝的操作者是否處于正常生命狀態(tài)。人的體核溫度是指人體胃、大腸等部位的溫度值，通常通過測量人的直腸溫度來衡量，它作為一個重要監(jiān)測指標(biāo)，與人的體能狀態(tài)及生命安全密切相關(guān)。由于體核溫度很少受外界環(huán)境的干擾[5]，隨著作業(yè)人員從正常至疲勞，甚至出現(xiàn)生命危情時(shí)，其一般穩(wěn)定或者增加的幅度不大，所以，針對行走運(yùn)動等作業(yè)任務(wù)，可以通過研究運(yùn)動過程中體核溫度的變化就能準(zhǔn)確地反映人的工作能力變化特征或是否處于生命安全狀態(tài)[6]。當(dāng)前，人體核心溫度監(jiān)測方法[7]有核磁測溫、直腸測溫、耳蝸測溫、食道測溫、肺動脈測溫等等[4,8]。這些測溫方法雖然能較準(zhǔn)確地測出核心溫度，但是存在測量不方便、需要侵入人體內(nèi)部、無法測量人體動態(tài)溫度等缺點(diǎn)。為了能實(shí)時(shí)測量并記錄核心溫度的數(shù)值，本論文選用最新的Cor-Temp核心體溫監(jiān)測系統(tǒng)[9]，設(shè)定典型的在跑步機(jī)上相類似的運(yùn)動任務(wù)，讓志愿者穿著封閉式防護(hù)服，并吞咽下形似小膠囊的溫度傳感器以及利用常規(guī)的溫度計(jì)塞入肛門進(jìn)行兩者數(shù)據(jù)的對比，來得到人體肛溫和胃/腸處的核心溫度[10-13]，所以人體肛門內(nèi)附近的直腸溫度和胃/腸處的溫度均認(rèn)為人的體核溫度。此外，為了讓基于溫度的人體安全與工作能力監(jiān)測可靠、方便易行，有人通過利用體表溫度來推測出核心溫度的方式來進(jìn)行，例如李穎[14]在高溫高濕的環(huán)境中使用平均皮膚溫度(Tsk)估計(jì)體核溫度(Tre)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出估計(jì)方程為Tre=0.4575Tsk+20.67(R2=0.9081)。因此，為了進(jìn)行著封閉服裝操作者作業(yè)時(shí)生命體征和準(zhǔn)確監(jiān)測，本文還研究在舒適(溫度23℃、濕度45%)和高溫高濕(溫度35℃、濕度60%)條件下其生命體征的安全閾值、耐受閾值以及體表溫度與體核溫度的相關(guān)性，以期為著封閉/密閉服裝的作業(yè)人員的作業(yè)安全和工作能力監(jiān)測提供參考依據(jù)。

2 對象與方法

2.1 對象

本試驗(yàn)選取了16名某部士兵作為志愿者，年齡19-25歲，身高175.4±2.9cm，體重68.5±8.1kg，身體健康，無高血壓、心臟病史，無熱疾病史；參與試驗(yàn)的時(shí)間段內(nèi)未感冒、發(fā)燒或其他不適癥狀，未服用任何藥物；右利手，裸眼視力或矯正視力在1.0以上；所有被試均未參加過類似實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前保證充足睡眠；實(shí)驗(yàn)前禁止飲酒、喝茶或咖啡等刺激性食物；志愿者在試驗(yàn)前需熟知試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)流程，按照試驗(yàn)要求，做好準(zhǔn)備工作。所有志愿者均自愿參加試驗(yàn)，并填寫知情同意書。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所用到的主要試驗(yàn)設(shè)備和材料如表1和圖1所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)及用途

圖1 部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

2.3 試驗(yàn)環(huán)境

志愿者穿著封閉的防護(hù)服，根據(jù)設(shè)定步入式環(huán)境模擬試驗(yàn)艙內(nèi)的舒適和高溫高濕環(huán)境，因此，每名志愿者需要完成2次試驗(yàn)，具體如表2所示。

表2 試驗(yàn)環(huán)境條件表

2.4 志愿者體溫測試

根據(jù)ISO 9886-2004[15]，本試驗(yàn)測量人體表面皮膚溫度時(shí)選擇4點(diǎn)法，如圖2所示，為頸部、肩部、手部、腿部等4個位置。在志愿者布好體表溫度的測點(diǎn)，穿著防護(hù)服后的試驗(yàn)場景如圖3所示。對于肛溫和體表溫度測試，在試驗(yàn)中每隔5分鐘記錄各個部位的溫度值。

對于Cor-temp膠囊傳感器，按照要求，讓志愿者在實(shí)驗(yàn)前兩個小時(shí)口服，實(shí)驗(yàn)的開始時(shí)應(yīng)該已進(jìn)入到了胃/直腸部位，可以獲得較準(zhǔn)確的人體核心溫度。

圖2 體表溫度測點(diǎn)位置

圖3 志愿者穿著防護(hù)服后測量場景

2.5 試驗(yàn)步驟

為了保證志愿者的人身安全，本試驗(yàn)由5名受訓(xùn)專職試驗(yàn)研究人員進(jìn)行測試并全過程陪護(hù)，試驗(yàn)室配備熱誘導(dǎo)疾病急救藥物及制氧機(jī)，試驗(yàn)流程圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)步驟

3 結(jié)果

3.1 體核溫度與體表皮膚溫度相關(guān)性分析

如前所述，對每名志愿者而言，使用皮膚溫度傳感器測量表面皮膚四個點(diǎn)的溫度，根據(jù)ISO 9886-2004標(biāo)準(zhǔn)，各人的體表溫度的計(jì)算公式如下所示。表3、表4分別某兩名志愿者的溫度測試結(jié)果。

T平均=T頸部×0.28+T肩部×0.28+T手部×0.16+T腿部×0.28

(1)

表3 環(huán)境條件1下某志愿者的體表溫度測試結(jié)果(溫度23℃，溫度45%，著防護(hù)服)

表4 環(huán)境條件2某志愿者的溫度測試結(jié)果(35℃，60%防護(hù)服)

使用SPSS對表面皮膚溫度的平均溫度和核心溫度作曲線回歸，發(fā)現(xiàn)在狀態(tài)1(23℃，45%防護(hù)服)和狀態(tài)2(35℃，60%防護(hù)服)的表面皮膚溫度的平均溫度和核心溫度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，經(jīng)檢驗(yàn)，顯著性小于0.01，具有顯著性差異，VIF=0，不存在共線性的情況下，環(huán)境條件1的三次曲線的R2=0.944，環(huán)境條件2的二次曲線的R2=0.971，以平均皮膚溫度為自變量X，核心溫度為因變量Y，得出它們的關(guān)系曲線為：

環(huán)境條件1(23℃，45%防護(hù)服)：

Y=0.03X3-10.13X+271.601

環(huán)境條件2(35℃，60%防護(hù)服)：

式中，Y—體核溫度；

X—體表溫度綜合值(式1計(jì)算結(jié)果)。

3.2 體核溫度與各部位溫度擬合

使用SPSS對體核溫度和頸部溫度、肩部溫度、左手溫度以及腿部溫度四點(diǎn)溫度進(jìn)行擬合，環(huán)境條件1和環(huán)境條件2的擬合的結(jié)果表5所示。

表5 兩種體核溫度與各部位溫度擬合

從上表可以得出，在環(huán)境條件1和環(huán)境條件2中體核溫度與左手溫度的擬合程度是最高的，在顯著性差異值為0.000有顯著性差異。同時(shí)，擬合后調(diào)整的R2的值分別為0.923和0.95，可以根據(jù)左手溫度來推測核心溫度的值，方便測量，可以用一個點(diǎn)的溫度對核心溫度進(jìn)行推測。

3.3 與生命安全性相關(guān)的體核溫度閾值

在試驗(yàn)過程中通過觀察志愿者在跑步機(jī)行走過程中的行為反應(yīng)、實(shí)驗(yàn)醫(yī)生與其交流身體情況等方式，通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體核溫度在38.5℃以下時(shí)，志愿者的體能處于中等偏上的狀態(tài)。而當(dāng)體核溫度到達(dá)39.7℃時(shí)，所有志愿者均反應(yīng)到了體能的用盡狀態(tài)，且出現(xiàn)輕微的身體不適感。當(dāng)達(dá)到人體的生理極限的時(shí)，心率的值還沒有達(dá)到最大值，但是核心溫度已較開始時(shí)上升了2℃，說明防護(hù)服對于呼吸以及熱的影響很大，穿著防護(hù)服戴著口罩，會對人體的熱舒適感覺產(chǎn)生很大的影響。

4 討論

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9886-2004(Ergonomic-Evaluation of thermal strain by physiological measurements)的要求，可以認(rèn)為將直腸溫度等同于體核溫度，并給出了在熱環(huán)境中直腸溫度的安全閾值：一般情況下體核溫度可以達(dá)到38.5℃，對于熱適應(yīng)人群這一限值還可以上升到39℃，在中國醫(yī)學(xué)百科全書中對體核溫度的安全閾值的規(guī)定是生理安全上限為38.5℃，耐受極限為39.4℃。本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比39.4℃高，為39.7℃，可能是由于穿著封閉的服裝人體的熱生理上升得很快所致。

通過對核心溫度與平均皮膚溫度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)在兩種環(huán)境條件下(條件1(23℃，45%防護(hù)服)和條件2(35℃，60%防護(hù)服))，人體的核心溫度與其平均皮膚溫度有極強(qiáng)的相關(guān)性，主要是因?yàn)闋顟B(tài)1，志愿者穿著防護(hù)服，在封閉的狀態(tài)下，熱量蒸發(fā)不出去，體表皮膚溫度受汗液蒸發(fā)的影響很??；在狀態(tài)2的時(shí)候，志愿者穿著防護(hù)服，人體的表面皮膚溫度與環(huán)境的溫度梯度小，且濕度增大也會阻止汗液的蒸發(fā)[16]，核心溫度是一個相對穩(wěn)定的生理指標(biāo)，很少會出現(xiàn)大幅度的變化，因此相關(guān)性很高。

Alexander P.Welles等[17]人是通過測量熱通量，體表皮膚溫度，心率的值，輸入卡爾曼濾波模型(KF)推導(dǎo)出體核溫度，得出的結(jié)論與實(shí)際測量的體核溫度相似，而KF模型需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，提高模型的準(zhǔn)確性；Alexander C.Stahn等[18]人使用的是皮膚表面溫度傳感器與熱流傳感器相結(jié)合，作用于額頭測量體核溫度，已經(jīng)在空間模擬和臨床環(huán)境中進(jìn)行了測試，一致性較好，但是不適用于戴面罩時(shí)的測量；Stefan Mendt等[19]人比較直腸、皮膚和熱流量的方式使用了三種方式測量體核溫度，分別是雙傳感器、皮膚表面溫度和直腸，最后得出的結(jié)論是雙傳感器的測量方法優(yōu)于皮膚溫度的方法，是由于測量穿著是非封閉式的服裝，表面皮膚溫度受風(fēng)寒、環(huán)境溫度以及出汗的影響相對較大。在本文里面研究的是封閉式的服裝下的體核溫度的測量方法，因此，在穿著防護(hù)服表面皮膚溫度對體核溫度的進(jìn)行測量的準(zhǔn)確性很高，是一種方便、準(zhǔn)確的辦法。

5 結(jié)論

通過模擬不同的狀態(tài)，選取16名志愿者，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對體核溫度和表面皮膚溫度進(jìn)行測量與分析，最后得出：

(1) 環(huán)境條件1(溫度23℃，濕度45%，著防護(hù)服)和環(huán)境條件2(溫度35℃，濕度60%，著防護(hù)服)的情況下，體核溫度與平均皮膚溫度的相關(guān)性很強(qiáng)，得出三次曲線擬合關(guān)系，可以根據(jù)對應(yīng)狀態(tài)的回歸曲線方程對體核溫度進(jìn)行測量，在工程應(yīng)用時(shí)，可據(jù)此根據(jù)體表溫度對體核溫度進(jìn)行預(yù)測，評估人的體能狀態(tài)。

(2) 針對長時(shí)行走等典型任務(wù)，志愿者體核溫度的安全閾值為38.5℃，耐受極限為39.7℃，比標(biāo)準(zhǔn)稍大，可進(jìn)一步進(jìn)行研究，為標(biāo)準(zhǔn)的修訂奠定基礎(chǔ)。