高原低氧環(huán)境對作業(yè)礦工心肺功能的影響研究

楊三軍，耿瑞苑，劉春燕

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)體育教研部，北京 100083；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院，北京 100029

我國礦產(chǎn)資源的開發(fā)逐漸由中東部轉(zhuǎn)向西部高原，近年來我國礦石產(chǎn)出中西部高原礦區(qū)的占比逐年攀升[1]。高原礦山開發(fā)的重視程度逐年提升，從事高原礦產(chǎn)開采的從業(yè)者規(guī)模不斷發(fā)展壯大。高原礦產(chǎn)開采業(yè)的快速發(fā)展，需要與之配套的礦工安全生產(chǎn)保障作為指導(dǎo)。然而，我國目前尚未制定出針對高原礦工職業(yè)健康的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。不同于平原礦區(qū)相對舒適的自然環(huán)境，高原礦區(qū)具有低壓低氧、寒冷干燥、晝夜溫差大、太陽輻射強(qiáng)的環(huán)境劣勢，礦井地下通風(fēng)難的特點(diǎn)更是對礦工的生理健康造成嚴(yán)重威脅。心肺功能作為人體最重要的生理機(jī)能，在人體健康中具有舉足輕重的作用[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對高原低氧環(huán)境對機(jī)體心肺功能的影響展開了細(xì)致的研究。李春玲等[3]通過測評32名新兵在入藏前后心率等指標(biāo)的變化情況指出，隨著海拔的提升士兵的心率指標(biāo)也隨之提升。于伊等[4]分析指出，世居高原的健康成人的心率指標(biāo)要顯著低于平原地區(qū)。荊巖林[5]通過對比分析高原及平原地區(qū)人群的心率差異指出，雖然某些人群進(jìn)入高原后仍存在高原反應(yīng)，但心率等指標(biāo)無顯著變化。Yan[6]對比分析了高原低氧環(huán)境對人的影響，結(jié)果表明世居高原者對高原環(huán)境產(chǎn)生了適應(yīng)，而初入高原者的身體反應(yīng)較為強(qiáng)烈。

通過上述研究成果不難看出，高原低氧環(huán)境對人體的心血管指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但影響效果及程度與人進(jìn)入高原環(huán)境的時(shí)間有關(guān)，還與人的活動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。本文通過實(shí)地調(diào)研高原及平原礦工心肺功能的變化情況，分析高原低氧環(huán)境對礦工心肺功能的影響，并提出針對性改進(jìn)建議。

1 高原環(huán)境特征分析

與低海拔地區(qū)相比，高原環(huán)境在地理、氣候等方面都有較大的差異，表現(xiàn)出不一樣的環(huán)境特征，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[7]：

(1) 低壓低氧。氣壓會(huì)隨大氣髙度而變化，海拔越高，大氣壓力越小，以西藏華泰龍礦業(yè)所在地區(qū)為例，氣壓約50 kPa，氧分壓約13.07 kPa。高海拔地區(qū)的大氣層較為稀薄，隨著海拔的增加，大氣壓力越低，氧分壓也越低，即單位體積空氣內(nèi)的氧氣凈含量越低。在海拔3 000 m左右處空氣中的氧氣含量，通常只有平原地區(qū)的一半左右。

(2) 寒冷干燥，晝夜溫差大。西藏地區(qū)夏季晝夜溫差可達(dá)20 ℃左右，冬季約30 ℃。大氣熱量主要來自地面的輻射，因此在近地表，海拔越高氣溫越低，在近地表處海拔每升高100 m氣溫下降0.1 ℃；而在2 000 m以上高空，每升高100 m氣溫下降0.6 ℃。另外，高海拔地區(qū)由于大氣壓低，空氣中的水分也隨著海拔的增加而減少；由于高海拔地區(qū)空氣稀薄、干燥少云，白天太陽直射強(qiáng)而導(dǎo)致地表氣溫急劇升高，而晚上因?yàn)闆]有太陽的照射，地表氣溫又將快速下降，從而導(dǎo)致晝夜溫差大。

(3) 日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)。由于氣候干燥，不利于云系的形成，造成天空往往晴朗無云，日照時(shí)間長。比如拉薩日照時(shí)間可達(dá)3 000 h/a以上，幾乎是杭州、南昌等地的2倍。同時(shí)，高海拔地區(qū)由于空氣中的塵埃和水蒸氣含量相對低海拔地區(qū)大幅降低，因此空氣透明度較高，對太陽輻射的遮擋作用也較弱，從而造成輻射較強(qiáng)。

可見，高原地區(qū)的環(huán)境相比平原地區(qū)要惡劣許多。機(jī)體為了適應(yīng)高原環(huán)境，必然會(huì)做出一系列調(diào)整，這些調(diào)整在進(jìn)行活動(dòng)或體力勞動(dòng)時(shí)表現(xiàn)尤為顯著。高原礦工由于工作性質(zhì)的原因，常常需要連續(xù)進(jìn)行8 h以上的高強(qiáng)度勞動(dòng)，且工作環(huán)境位于地下，通風(fēng)困難，導(dǎo)致空氣中氧氣含量更低，對礦工的生命安全造成了更大的威脅。因此，研究分析高原低氧環(huán)境下礦工心肺功能的變化情況，進(jìn)而提出針對性改進(jìn)建議，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究對象與研究方法

2.1 調(diào)研對象

為了分析高原低氧環(huán)境對高原礦工心肺功能的影響，本文利用對比分析的方法分別選擇高原礦區(qū)和平原礦區(qū)的礦工進(jìn)行調(diào)查。其中，高原礦區(qū)的研究對象為西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，該公司位于拉薩市墨竹工卡縣境內(nèi)，距離拉薩市區(qū)約68 km，礦區(qū)所在地海拔4 000～5 300 m，環(huán)境溫度為21.1 ℃，相對濕度為41%，礦權(quán)面積為105 km2，氣壓約50 kPa，氧分壓約13.07 kPa，屬典型高原礦區(qū)；平原礦區(qū)研究對象選擇河北開灤礦產(chǎn)有限責(zé)任公司，該公司平均海拔300～600 m，環(huán)境溫度為25.8 ℃，相對濕度為63%，屬典型平原礦區(qū)。調(diào)研采用隨機(jī)抽樣的方法，高原礦區(qū)和平原礦區(qū)分別選擇42名、32名成年男性健康礦工作為本次研究的樣本。考慮高原礦區(qū)人員流動(dòng)性較大，且不同入藏時(shí)長的礦工對高原環(huán)境的適應(yīng)程度也不同，因此選擇入藏時(shí)間在3～5 a的成年男性礦工展開調(diào)研。調(diào)研結(jié)果顯示，兩地礦工的平均身高分別為170.83 cm和170.85 cm，體重分別為69.42 kg和70.24 kg，年齡為35.05歲和35.21歲，上述指標(biāo)均不存在顯著差異，因此可以認(rèn)為兩地研究對象的基礎(chǔ)身體機(jī)能基本相同。

2.2 測試儀器及測試方法

2.2.1 測試儀器

心肺功能測試使用MetaMax 3B-R2儀器進(jìn)行，該儀器產(chǎn)地為德國萊比錫。

氣體代謝使用CORTEX METALYZER-Ⅲ采集數(shù)據(jù)，該儀器既能測量靜態(tài)肺功能也可測量基礎(chǔ)代謝率，其測試方法為每口氣呼吸法，包含的傳感器有氧傳感器、二氧化碳傳感器、氣體流量傳感器等。

2.2.2 測試方法

(1) 基礎(chǔ)代謝率的測試：被測者經(jīng)過12～18 h飲食/體力活動(dòng)的次日早晨醒來后，在沒有發(fā)燒、不焦慮的狀態(tài)下，讓被測者處于安靜、舒適的房間平躺5 min之后，為被測者佩戴Polar H7心率帶、CORTEX METALYZER-Ⅲ氣體代謝儀、頭罩和面罩，確保面罩與面部貼合嚴(yán)密，連接流量傳感器和采樣管。做好測試準(zhǔn)備后，啟動(dòng)設(shè)備“開始”按鈕，采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)長大約30 min。30 min的數(shù)據(jù)中，選擇攝氧量、二氧化碳排出量、呼吸商相對平穩(wěn)的5 min計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值，以此獲得基礎(chǔ)代謝率。

(2) 靜態(tài)肺功能測試：基礎(chǔ)代謝率測試完畢，被測者取站位，依次測量其攝氧量(Vo2)、二氧化碳排出量(Vco2)和呼吸頻率。

(3) 心率變異性測試：通過First-beat Bodyguard對礦工的心率變異性指標(biāo)進(jìn)行測量。利用芬蘭First-beat監(jiān)控評估系統(tǒng)的Bodyguard(壓力

與睡眠傳感器)采集數(shù)據(jù)。先連接電極和設(shè)備，去掉電極的表面，然后將設(shè)備貼在被測者身體上，儀器的大電極貼在身體的右側(cè)鎖骨下，小電極貼在身體的左側(cè)肋骨下，設(shè)備連接完畢后自動(dòng)啟動(dòng)。被測者在洗澡時(shí)將其取下，當(dāng)重新連接時(shí)設(shè)備將繼續(xù)自動(dòng)記錄；為使電極片佩戴牢固，在佩戴儀器前用75%的酒精擦拭皮膚，保持皮膚清潔。

除了一些可通過儀器直接監(jiān)測的基礎(chǔ)指標(biāo)外，還需要通過計(jì)算獲得如下主要指標(biāo)：

VO2=V(Fi-Fo)

(1)

(2)

RMR=17.5W+65

(3)

(4)

(5)

3 高原礦工與平原礦工心肺功能對比分析

3.1 通氣指標(biāo)對比分析

選擇呼吸頻率、通氣量、潮氣量3項(xiàng)指標(biāo)作為通氣指標(biāo)，利用SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件對比分析高原礦工及平原礦工通氣指標(biāo)的差異性(表1)。結(jié)果顯示，呼吸頻率及通氣量兩項(xiàng)指標(biāo)高原礦工的平均值均高于平原礦工，分別高出8.0%和27.7%，且兩者存在極顯著差異。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是高原環(huán)境中空氣稀薄，氧分壓較低，為了滿足人體需要，不得不通過提高呼吸頻率和每分鐘的通氣量來獲得足夠多的氧氣；而潮氣量指標(biāo)高原礦工與平原礦工的身體指標(biāo)僅相差0.01 L，可以認(rèn)為高原環(huán)境對人體潮氣量的影響并不顯著。

表1 高原與平原礦工通氣指標(biāo)對比

在高原低氧環(huán)境中，人體為了維持身體組織器官的正常功能，將通過增加肺的通氣來代償組織供氧[8]。高原空氣中氧氣的絕對含量較低，導(dǎo)致彌散進(jìn)入人體肺部毛細(xì)血管血液的氧量降低，血氧飽和度和血氧分壓也隨之降低。當(dāng)血氧飽和度降低到人體需要下限值時(shí)，將會(huì)引起各器官組織供氧不足，從而產(chǎn)生功能上的退化，出現(xiàn)頭痛、胸悶、心慌、嘔吐、失眠、食欲下降等缺氧癥狀。此外，在高原地區(qū)氧分壓低的情況下勞動(dòng)，人體所體驗(yàn)到的勞動(dòng)強(qiáng)度更大，為了滿足勞動(dòng)需要會(huì)進(jìn)行環(huán)境積極性調(diào)整，導(dǎo)致高原礦工的呼吸頻率及通氣量兩項(xiàng)指標(biāo)要顯著高于平原礦工。

對于潮氣量指標(biāo)，由于兩地礦工的基礎(chǔ)身體機(jī)能相差無幾，平靜呼吸時(shí)每次吸入或呼出的氣量較為接近，因此該指標(biāo)在高原礦工和平原礦工之間不存在顯著差異。

綜上所述，高原低氧環(huán)境對礦工的通氣指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響，表現(xiàn)為高原礦工的通氣指標(biāo)顯著高于平原礦工。

3.2 代謝指標(biāo)對比分析

選擇相對攝氧量、相對二氧化碳排出量、靜息代謝率3項(xiàng)指標(biāo)作為代謝指標(biāo)進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示高原礦工與平原礦工均表現(xiàn)出顯著差異，如圖1所示。從相對攝氧量指標(biāo)來看，高原礦工顯著高于平原礦工，高出比例為3.8%；從相對二氧化碳排出量指標(biāo)來看，高原礦工高出平原礦工1.5%；從靜息代謝率指標(biāo)來看，平原礦工顯著高于高原礦工，高出比例高達(dá)12.4%。靜息代謝率為人體每天維持正常功能和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、交感神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)所消耗的能量，在每日能量總消耗中所占的比重最大，達(dá)到60%～75%?？梢姡皆貐^(qū)礦工每天的靜息代謝率要顯著高于西藏礦工，所消耗的靜息能量更大。

*表示P<0.05，有差異；**表示P<0.01，有顯著差異；***表示P<0.001，顯著差異圖1 高原與平原礦工代謝指標(biāo)差異性對比Fig.1 Comparison of the differences in metabolism index between plateau and plain miners

這一研究結(jié)果與目前世界范圍內(nèi)不同高原地區(qū)人群代謝指標(biāo)變化的趨勢是相同的。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因較為復(fù)雜，一方面氧氣分壓較低的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致人的呼吸頻率加快，另一方面高原低氧環(huán)境盡管會(huì)促進(jìn)交感神經(jīng)的活化并增加各類應(yīng)激激素的釋放來提升身體代謝[9]，但更主要的是引起食欲抑制及減少熱量消耗，導(dǎo)致靜息代謝率顯著下降。

綜合上述3項(xiàng)代謝指標(biāo)不難看出，平原礦工的代謝指標(biāo)要明顯優(yōu)于高原礦工。代謝對于人體的身體健康具有重要作用，心肺的代謝功能不僅能加速毒素排出，還可以增強(qiáng)心肺功能，促進(jìn)機(jī)體健康?？梢?，從代謝指標(biāo)維度來看，高原低氧環(huán)境對礦工的心肺功能產(chǎn)生顯著影響。

3.3 心率變異性指標(biāo)對比分析

選擇工作日24 h平均心率指標(biāo)、時(shí)域指標(biāo)及頻域指標(biāo)對心率變異性進(jìn)行分析。心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)指的是逐次心跳RR間期的微小差異。它是自主神經(jīng)系統(tǒng)對心臟竇房結(jié)的調(diào)控結(jié)果，因此HRV可間接反映自主神經(jīng)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。對該指標(biāo)展開分析，可以更全面了解高原低氧環(huán)境對礦工心肺功能的影響。

3.3.1 工作日24 h平均心率

選擇平均心率及最大心率占比作為工作日24 h平均心率進(jìn)行分析。2組礦工工作日24 h的平均心率值統(tǒng)計(jì)如圖2所示?？梢钥闯觯咴V工的24 h工作日平均心率是平原礦區(qū)的1.06倍，差異明顯；高海拔地區(qū)職工在24 h中最快心率的占比高于平原地區(qū)7.03%，存在顯著差異。

*表示P<0.05，有差異；**表示P<0.01，有顯著差異；***表示P<0.001，顯著差異圖2 高原與平原礦工工作日24 h平均心率指標(biāo)差異性對比Fig.2 Comparison of the difference between the average heart rate index of the miners in the plateau and the plain

3.3.2 時(shí)域指標(biāo)

選擇睡眠期RMSSD、覺醒期RMSSD及SDNN等3項(xiàng)指標(biāo)作為時(shí)域指標(biāo)展開分析。2組礦工工作日24 h的時(shí)域指標(biāo)均值統(tǒng)計(jì)如圖3所示?？梢钥闯?，高原礦工的SDNN值低于平原礦工22.6%，且存在極顯著差異，表明高原礦工的交感神經(jīng)活性明顯增強(qiáng)，平均心率加快及最大心率占比增加；覺醒期RMSSD值在不同海拔礦區(qū)職工間無差異，但睡眠期RMSSD值高原礦工顯著低于平原礦工，高出比例為29.4%。副交感神經(jīng)興奮有利于機(jī)體的修整恢復(fù)，副交感活性下降則提示機(jī)體睡眠質(zhì)量和恢復(fù)狀態(tài)下降。

*表示P<0.05有差異，**表示P<0.01有顯著差異；***表示P<0.001顯著差異圖3 高原與平原礦工時(shí)域指標(biāo)差異性對比Fig.3 Comparison of differences in time domain indicators between plateau and plain miners

3.3.3 頻域指標(biāo)

選擇低頻功率均值(LF)、高頻功率均值(HF)及LF/HF 3項(xiàng)指標(biāo)作為頻域指標(biāo)展開分析，2組礦工工作日24 h的頻域指標(biāo)均值統(tǒng)計(jì)如圖4所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，平原礦工的HF高于高原礦區(qū)職工38.8%，存在顯著差異，并且低于正常參考范圍；LF指標(biāo)及LF/HF 2項(xiàng)指標(biāo)中，高原礦工與平原礦工未出現(xiàn)顯著差異。

*表示P<0.05，有差異；**表示P<0.01，有顯著差異；***表示P<0.001，顯著差異圖4 高原與平原礦工頻域指標(biāo)差異性對比Fig.4 Comparison of the difference of frequency domain indicators between plateau and plain miners

研究成果表明，高原礦工和平原礦工的心率變異性指標(biāo)存在差異。其中，高原礦工的工作日24 h平均心率指標(biāo)要顯著高于平原礦工；從時(shí)域指標(biāo)來看，高原礦工的SDNN值及睡眠期RMSSD值顯著低于平原礦工，而覺醒期RMSSD值在不同海拔礦區(qū)職工間無差異；從頻域指標(biāo)來看，西藏高原礦工的HF高頻功率值顯著低于平原礦區(qū)職工，并且低于正常參考范圍。

綜合上述3項(xiàng)指標(biāo)來看，高原低氧環(huán)境下礦工的心率變異性指標(biāo)發(fā)生了顯著變化，從醫(yī)學(xué)角度分析，其變化趨勢顯示高原礦工的身體指標(biāo)出現(xiàn)下滑，可以認(rèn)為高原低氧環(huán)境對礦工的健康造成了一定負(fù)面影響。

4 改善高原地區(qū)礦工心肺功能的對策及建議

高原地區(qū)低壓低氧的特殊地理氣候環(huán)境會(huì)對人的心肺功能產(chǎn)生一定的影響。加上礦井地下通風(fēng)難的特點(diǎn)，會(huì)使高原環(huán)境對礦工生理健康的威脅程度進(jìn)一步加深[12]。為了保護(hù)高原礦工的身體健康、促進(jìn)安全生產(chǎn)，根據(jù)本文研究結(jié)果、結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)研究文獻(xiàn)和相關(guān)理論，提出改善高原地區(qū)礦工心肺功能的對策和建議。

(1) 注重環(huán)境適應(yīng)以及工作強(qiáng)度的循序漸進(jìn)?；谝延醒芯拷Y(jié)果可知，高原低氧環(huán)境將會(huì)對礦工的通氣指標(biāo)及心血管指標(biāo)產(chǎn)生影響，加之高原地區(qū)低壓低氧的氣候特征，導(dǎo)致同等強(qiáng)度的勞動(dòng)下高原地區(qū)礦工負(fù)荷強(qiáng)度更大[13]。因此，在進(jìn)入高原地區(qū)前，要讓礦工有一個(gè)合理的時(shí)間來適應(yīng)高原的環(huán)境，在初步適應(yīng)環(huán)境后再開始正式工作。另一方面，在工作安排上要遵循循序漸進(jìn)的原則，即先安排一些強(qiáng)度較低的勞動(dòng)，然后再逐漸提高勞動(dòng)強(qiáng)度，并始終維持在礦工可以承受的范圍內(nèi)，同時(shí)中間安排合適的休息時(shí)間，讓機(jī)體能夠及時(shí)恢復(fù)。

(2) 進(jìn)行科學(xué)、合理、適當(dāng)?shù)捏w育鍛煉。借鑒體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中高原訓(xùn)練有關(guān)理論，采用間歇訓(xùn)練法、組合訓(xùn)練法等方式對高原地區(qū)礦工進(jìn)行科學(xué)、合理、適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。通過運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練一方面增強(qiáng)其心肺功能的適應(yīng)性，使礦工的機(jī)體以及心肺功能更好地適應(yīng)高原的環(huán)境；另一方面增強(qiáng)礦工的心肺功能，為在高原的特殊環(huán)境下勞動(dòng)提供更多的盈余和空間。

(3) 加強(qiáng)職業(yè)保護(hù)。在高原地區(qū)勞動(dòng)中，需要做好防護(hù)措施，如防止紫外線、避免粉塵等。同時(shí)，在有條件的情況下配備一定的專業(yè)勞動(dòng)衛(wèi)生人員，為高原地區(qū)礦工提高勞動(dòng)保健指導(dǎo)。要完善職業(yè)健康檢查制度，定期組織開展健康體檢，并經(jīng)常性對礦工心肺功能狀況進(jìn)行監(jiān)測，做到有問題早發(fā)現(xiàn)、早處置。

5 結(jié) 論

本文對比了高原、平原兩地礦工在通氣指標(biāo)、代謝指標(biāo)和心率變異性指標(biāo)上的差異性，研究結(jié)果表明：

(1) 高原礦工的通氣指標(biāo)顯著高于平原礦工。具體而言，呼吸頻率及通氣量兩項(xiàng)指標(biāo)中高原礦工的平均值均高于平原礦工，分別高8.0%和27.7%，且兩者存在極顯著差異。在潮氣量指標(biāo)相差不大的前提下，呼吸頻率及通氣量越大，其心肺功能越差。

(2) 平原礦工的新陳代謝指標(biāo)要明顯優(yōu)于高原礦工。受呼吸頻率等因素的影響，高原礦工相對攝氧量及相對二氧化碳排出量顯著高于平原礦工，高出比例分別為3.8%和1.5%，但從靜息代謝率指標(biāo)來看，平原礦工顯著高于高原礦工，高出比例高達(dá)12.4%，可見高原礦工的代謝能力顯著低于平原礦工。

(3) 在24 h工作日平均心率、24 h最快心率的占比、SDNN值等指標(biāo)中，高原礦工均顯著高于平原礦工，高出比例分別為6.7%、7.03%、22.6%和38.8%。在睡眠期RMSSD值及HF高頻功率值中高原礦工顯著低于平原礦工，低出比例分別為29.4%和38.8%。而在覺醒期RMSSD值、LF Average及LF/HF三項(xiàng)指標(biāo)中，高原礦工及平原礦工不存在顯著差異。