高溫密閉環(huán)境下的人體熱生理研究

周畢云， 丁 立*， 辛夢怡， 席林斌， 李潭秋

（1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院， 北京 100191； 2.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； 3.中國航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094）

1 引言

載人航天飛行中舒適的艙內(nèi)環(huán)境是航天員的工作和生活的重要保證。 在航天器返回大氣層時，艙內(nèi)溫度過高、艙溫控系統(tǒng)失調(diào)或著陸在炎熱地區(qū)時，會導(dǎo)致航天員出現(xiàn)熱應(yīng)激狀態(tài)。 在高溫應(yīng)急情況下，可能導(dǎo)致航天員機能和工作能力下降；如果體溫繼續(xù)升高，甚至可能危及生命。 載人航天初期，航天飛行中曾出現(xiàn)人體高溫應(yīng)急事件。如美國水星MA-7 飛船在第1 圈軌道飛行時溫控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，船艙溫度高達40 ℃，航天員全身大量出汗；在第2 圈飛行時，航天員體溫已經(jīng)達到38.8 ℃。 因此，探究航天員的熱舒適和高溫環(huán)境下的生理特征具有重要意義。

航天失重會導(dǎo)致人體皮膚血管舒張反應(yīng)能力下降，而且自然對流消失和低風(fēng)速等飛行因素也會造成機體與周圍環(huán)境熱交換能力下降，進而擾亂人體熱平衡和熱舒適。 高溫可使人體免疫功能減退，免疫細胞在40 ℃時即可受到抑制，43 ℃時則可發(fā)生不可逆性損傷。 在熱應(yīng)激暴露過程中，體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)負荷過重導(dǎo)致體溫過高，從而引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂等一系列癥狀。于新剛等采用綜合舒適指標(biāo)（Predicted Mean Vote，PMV）和預(yù)期不滿意率（Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）指標(biāo)建立PMV?PPD 模型，開展了神舟飛船艙內(nèi)的熱舒適性評價研究。 龐誠等研究了人體最大氧攝取量與耐熱能力的關(guān)系，認為可以采用心功能適應(yīng)指數(shù)與最大氧攝取量作為測定指標(biāo)，選拔潛在耐熱能力較高的航天員，并安排某些體能訓(xùn)練來提高耐熱能力，以避免在應(yīng)急情況時發(fā)生事故。 此外，人體熱調(diào)節(jié)模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。

本文旨在研究高溫環(huán)境下人體的熱生理特征變化、熱感覺和平均皮膚溫度之間的關(guān)系以及局部熱感覺與整體熱感覺的關(guān)系。 研究結(jié)果可為航天員的熱生理防護和熱舒適性評估提供參考，為高溫下的人體熱生理仿真提供數(shù)據(jù)支撐。

2 方法

2.1 受試者

12 名男性受試者，年齡（22.9±0.9）歲，身高（172.1±2.4）cm，體重（65.9±1.9）kg。 受試者身體健康，無心理障礙。 實驗前一天保持良好睡眠。實驗前受試者被告知實驗內(nèi)容和潛在風(fēng)險，并簽署知情同意書。 本實驗通過北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院倫理委員會批準。

2.2 實驗設(shè)備及工況

實驗在北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院熱生理密閉實驗艙進行。 實驗艙尺寸為3 m×3 m×3 m，艙內(nèi)溫度控制范圍為-10 ～50 ℃，精度0.2 ℃，風(fēng)速0.1 m／s。 艙內(nèi)布置36 個PT100 電阻溫度傳感器，對艙內(nèi)環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。

采用魚躍YX306 型脈搏測試器測量受試者心率，精度±1 bpm，實驗中受試者全程佩戴。 采用Ibutton 無線溫度傳感器（Dallas 半導(dǎo)體公司，美國）測量人體的皮膚溫度和口腔溫度，精度±0.1 ℃。 采用ICS439 型號高精度稱臺（Mettler Toledo）測量受試者出汗量，精度為±1 g。

為探究高溫環(huán)境下受試者的生理特征和熱舒適性，根據(jù)航天器飛行過程中可能出現(xiàn)的正常和應(yīng)急溫度狀態(tài)設(shè)計2 種工況，如表1 所示。

表1 實驗工況Table 1 Experiment conditions

2.3 實驗流程和測試指標(biāo)

實驗開始前，記錄1 次受試者心率（Heart Rate，HR）和裸體重量，受試者填寫1 次熱感覺問卷調(diào)查。 受試者穿著服裝熱阻為1.78 clo 的防護服，該防護服為自研壓力服，其隔熱特性、結(jié)構(gòu)與航天員服裝相近。

受試者佩戴脈搏測試器進入實驗艙。 實驗開始后每隔10 min 記錄1 次心率和填寫問卷調(diào)查。實驗過程中測量受試者口腔溫度和人體10 個測點的皮膚溫度。 溫度測點如圖1 所示，溫度數(shù)據(jù)連續(xù)采集。 受試者在每種工況下實驗90 min，實驗結(jié)束后測量人體裸重。 實驗過程中隨時注意受試者的狀態(tài)，若受試者出現(xiàn)頭暈、胸悶等現(xiàn)象，立刻終止實驗。

圖1 人體皮膚溫度測量點Fig.1 Measuring points of human skin temperature

所有受試者在2 個工況下實驗間隔1 d 以上，實驗安排在每天的8：00 ～17：00 時間段內(nèi)進行，每位受試者安排在一天中的相同時段實驗。

采用ASHRAE 七點熱感覺標(biāo)度對受試者進行整體和局部主觀熱感覺（Thermal Sensation Vote，TSV）調(diào)查，問卷如表2 所示。

表2 ASHRAE 七點熱感覺標(biāo)度Table 2 ASHRAE seven?point thermal sensation scale

為探究整體熱感覺與局部熱感覺之間的關(guān)系，采用權(quán)重因子法進行多元線性回歸建立模型，多元線性回歸方程的表達式見式（1）：

其中，表示常數(shù)項，b表示回歸系數(shù)（相關(guān)系數(shù)），x表示回歸因子，表示隨機誤差。

對于整體熱感覺與局部熱感覺之間多元線性方程如式（2）所示：

其中表示整體熱感覺評分，PMV表示人體不同位置的熱感覺評分，?表示人體不同部位權(quán)重系數(shù)，表示人體不同部位序號。

平均皮膚溫度采用式（3）計算：

核心溫度采用式（4）計算：

2.4 統(tǒng)計分析

采用Origin2018 統(tǒng)計軟件，利用單因素重復(fù)測量方差分析法對心率、皮膚溫度、核心溫度進行統(tǒng)計分析，采用配對檢驗對不同工況下的生理指標(biāo)統(tǒng)計分析，＜0.05 認為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)熱生理指標(biāo)變化

在20 ℃環(huán)境下受試者出汗量幾乎為0，40 ℃環(huán)境下出汗量為（0.595±0.21）kg，占人體體重的0.9%。 如圖2、圖3 所示，20 ℃環(huán)境下的核心溫和心率隨時間變化無顯著性差異（＞0.05），20 ℃環(huán)境下受試者的心率基本保持穩(wěn)定，在70 ～80 bpm范圍內(nèi)上下波動，沒有大幅度升高或降低；高溫40 ℃環(huán)境下，受試者心率和核心溫度均隨時間延長顯著增大，90 min 時的核心溫度達到38.2 ℃，達到人體發(fā)燒的溫度。 不同工況之間的核心溫度和心率存在顯著性差異（＜0.05），實驗結(jié)束時40 ℃環(huán)境下的人體核心溫度比20 ℃下高0.9 ℃，其心率比20 ℃下高20 bpm。

圖2 受試者核心溫度變化Fig.2 Core temperature changes of the subjects

圖3 受試者心率變化Fig.3 The heart rate changes of the subjects

3.2 不同部位皮膚溫度與熱感覺

人體各部位皮膚溫度如圖4 所示，20 ℃環(huán)境下人體各部位皮膚溫度之間存在顯著性差異（＜0.05），其中皮膚溫度的最大值在腹部，最小值出現(xiàn)在手部，兩者相差2.86 ℃。 40 ℃環(huán)境下人體各部位皮膚溫度間無顯著差異（＞0.05），但是手部和足部的溫度仍偏低。 不同工況之間的各點皮膚溫度存在顯著性差異（＜0.05）。

圖4 受試者平均皮膚溫度變化Fig.4 Mean skin temperatures changes of the sub?jects

不同工況之間熱感覺評分如圖5 所示，可以看出，不同工況之間熱感覺評分有顯著性差異（＜0.05）。 在20 ℃環(huán)境下，人體熱感覺評分在0附近波動，處于熱舒適區(qū)。 在40 ℃環(huán)境下人體各部位之間的熱感覺評分無顯著差異（＞005），且各部位感覺幾乎都處于熱狀態(tài)。

圖5 受試者不同部位熱感覺評分Fig.5 Thermal sensation votes for different parts of the subjects

采用線性回歸分析了人體平均皮膚溫度（）與整體熱感覺之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖6 所示，平均皮膚溫度與整體熱感覺之間呈線性關(guān)系（＝0.89）。 當(dāng)皮膚溫度增高，人體熱感覺逐漸增加，熱舒適性降低。

圖6 平均皮膚溫度和整體熱感覺Fig. 6 Fitting of skin temperature with overall thermal sensation

3.3 局部熱感覺與整體熱感覺的關(guān)系

通過回歸分析發(fā)現(xiàn)局部熱感覺與整體熱感覺之間存在相關(guān)性，其回歸方程如式（4）所示（＝0.96，＜0.05）。 多元線性回歸系數(shù)雷達圖如圖7 所示，可以看出，上臂、胸部、背部的熱感覺對整體熱感覺有很大影響。

圖7 整體熱感覺和局部熱感覺的回歸系數(shù)Fig.7 Correlation coefficient between global thermal sensation and local thermal sensation

4 討論

素芹研究表明在33 ℃的環(huán)境下工作2 ～3 h，人體的汗腺才開始啟動，本文20 ℃環(huán)境下的出汗量幾乎為0，主要是由于環(huán)境溫度未達到人體汗腺啟動溫度。 在40 ℃環(huán)境下，人體汗腺和毛孔擴張，出汗量增大，屬于被動出汗，容易出現(xiàn)脫水現(xiàn)象。 在20 ℃環(huán)境中，人體心率指標(biāo)保持穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)環(huán)境溫度增加時，人體血管會擴張，引起心跳加快，人體熱感覺增加，可能出現(xiàn)身體無力或伴有發(fā)虛等情況。 Faerevik 等研究了40 ℃／RH19%環(huán)境下人體的熱生理特征變化，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境下受試者的核心溫隨時間變化增大，實驗結(jié)束時核心溫度達到38.4 ℃，而本文實驗結(jié)束時核心溫度達到38.2 ℃，主要原因可能是由于本文實驗時間只是Faerevik 研究的一半。 美國水星MA-7 的座艙溫度為40 ℃，遙感測量人體溫度達到38.8 ℃，已經(jīng)處于發(fā)熱狀態(tài)，產(chǎn)生了嚴重的熱蓄積，其溫度與本文研究結(jié)果相近。 今后在研究航天環(huán)境下的人體熱生理特征變化時，還應(yīng)考慮失重、氣壓等因素的影響。

在航天個體防護裝備中，液冷服帶走人體產(chǎn)生的熱量，通風(fēng)服是讓人體散熱均勻，不同的管長和管 徑 散 熱 效 果 不 同。 Yao 等研 究 了21～29 ℃之間的4 個環(huán)境溫度下人體皮膚溫度變化，發(fā)現(xiàn)臉頰、前臂、大腿、小腿、足部部位的皮膚溫度有顯著差異。 本文結(jié)果表明2 個工況間受試者10 個部位皮膚溫度變化量存在不同，且在20 ℃和40 ℃環(huán)境下四肢溫度較其他部位低。 故提示本文實驗的壓力服在管道布置、流量分配時應(yīng)注意四肢的通風(fēng)，才有助于提高人體的熱舒適性。

Jin 等研究了29 ℃和32 ℃環(huán)境下的人體熱生理特征，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準有效溫度和皮膚溫度之間存在線性關(guān)系。 楊振中等研究發(fā)現(xiàn)熱感覺和皮膚溫度之間存在相關(guān)性。 而本文研究發(fā)現(xiàn)局部熱感覺、平均皮膚溫度與整體熱感覺存在線性關(guān)系，可以用人體的皮膚溫度和局部熱感覺來更準確地評估人體的熱舒適性。 20 ℃環(huán)境下，受試者的整體熱感覺為不冷不熱狀態(tài)，說明該溫度是穿著防護服無通風(fēng)狀態(tài)下的舒適溫度。

5 結(jié)論

1）40 ℃環(huán)境下90 min 時，人體核心溫度達到38.2 ℃，人體處于熱應(yīng)激區(qū)，建議在該溫度下工作無熱防護時，持續(xù)時間不應(yīng)該超過90 min。

2）人體皮膚溫度與整體熱感覺之間呈線性關(guān)系。

3）局部熱感覺與整體熱感覺呈多元線性相關(guān)。 對航天員的熱舒適性進行評價時，建議結(jié)合皮膚溫度和局部熱感覺從生理和主觀感覺兩方面進行評估。