防護服對消防員工效性能影響的定量研究*

劉紀坤，黃一鳴，張逸文，王興明，楊 杰

(西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

應急救援行動過程中，防護服為消防員提供隔熱、防水、阻擋有害物質等多方面保護，但防護服裝質量重、材質硬等弊端顯著增加消防員生理負荷[1-2]，降低身體移動靈活性，影響救援效率，甚至造成嚴重傷害[3]。統(tǒng)計表明，手是消防員最易受傷的部位之一，手的功能一般包括手指的運動、握力、捏力、靈巧性和穩(wěn)定性等，握力是所有手運動功能的前提[4]。因此，開展消防員工效性能評估對降低人員傷亡、提升救援效率具有重要意義。

目前，關于防護服研究局限于織物防護性能和舒適性能的測試方面，對工效性能影響特別是手部研究較少。Park等[5]研究表明改善個體防護裝備的舒適性、機動性和安全性是目前研究重點，特別是空氣呼吸器對消防員上臂的限制以及手套手指過長等問題；Park等[6]通過試驗評估發(fā)現，防護服和疲勞均能導致步長減小、步幅增寬、任務失敗率增大；Mcquerry[7]研究表明無論是男性還是女性消防員，穿著防護服移動性均會顯著降低；Lee等[8]發(fā)現降低靴子的質量可以有效減輕消防員穿著個體防護裝備行走時的熱負荷；Quesada等[9]發(fā)現12名新兵在3種不同負重條件下的感覺用力評價數據、關節(jié)運動學數據、代謝數據均有顯著性差異；張睿明等[10]開展人體上肢關節(jié)運動舒適性評價發(fā)現，表面肌電信號等客觀參數對關節(jié)的不適感表現比主觀評分更敏感?，F有研究結果僅適用于特定的環(huán)境條件、活動狀態(tài)和身體部位，尚未分析滅火防護服、半封閉防化服和全封閉防化服對人體手部工效性能的影響，無法為消防員訓練、救援提供基礎數據和科學指導。

因此，本文通過人體工效試驗，分別測量受試者在基礎服裝、滅火防護服、半封閉防化服、全封閉防化服4種不同防護條件下的握力值、疲勞度和活動受限程度的變化情況，通過對比3個參數的具體量化值，為消防員防護服優(yōu)化設計提供理論指導。

1 試驗方法

1.1 受試者

采用軟件G*Power 3.0[11]進行先驗功率分析(α=0.05，1-β=0.95，effectsize=0.5)得出樣本量為19。因此，試驗選擇20名身體健康的男性大學生為受試者，年齡(24.3±1.0)歲，身高(174.9±5.9) cm，體重(66.0±7.3) kg，愛丁堡利手調查結果均為右利手。所有受試者身體健康，無任何體態(tài)異常，參加試驗時精神狀態(tài)良好，24 h內無劇烈運動，未服用任何藥物或酒精等刺激性食物，有較強的理解能力，能夠完成試驗任務并正確表達內心的感受尺度。所有受試者均自愿參加試驗并填寫知情同意書，正式試驗前受試者已熟悉試驗流程和主觀感覺等級評價的含義。

1.2 防護服

為測試不同防護服的影響，對受試者進行4組測試。

表1 防護服類型Table 1 Type of personal protective clothing

其中滅火防護服(含頭盔、手套、靴子、腰帶)型號為勞衛(wèi)士ZFMH-LWSA；半封閉化學防護服(含手套、靴子)型號為勞衛(wèi)士FHLWS-001；全封閉化學防護服(含手套、靴子)型號為勞衛(wèi)士FHLWS-002；空氣呼吸器型號為勞衛(wèi)士KH-LWS-001，均符合《消防員滅火防護服》(GA 10—2014)[12]、《消防員化學防護服裝》(GA 770—2008)標準要求[13]。防護服如圖1所示。

圖1 防護服Fig.1 Personal protective clothing

1.3 試驗流程

試驗前，受試者更換服裝后在室內靜坐10 min 穩(wěn)定身體狀態(tài)，然后進行靜態(tài)握力測試。試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程Fig.2 Test protocol

握力測試采用《中國國民體質測定標準手冊》推薦體位[14]：受試者采取站姿，兩腳并立，兩臂伸直下垂，測量時握力計不能接觸身體和衣服，用力時不能屈臂、彎腰或蹬足。測試采用先左手后右手的順序，為減輕肌肉短暫性疲勞對試驗結果的影響，在左手握力測試完畢后間隔2 min再進行右手握力測試。握力計為香山EH101電子握力計，最大測量力度90.0 kg，最小精度0.1 kg。

每進行1次左右手握力測試，受試者對測試過程中疲勞度和活動受限程度的主觀感受進行1次評價打分，記錄最大握力值和主觀評價分值。研究采用Borg量表[15]進行疲勞度評價，從6開始(7極其輕松，9很輕松，11輕松，13有點吃力，15吃力，17很吃力，19極其吃力，20精疲力竭)。本文活動受限程度評價采用5點單極量表(即從0開始，0沒有限制、1輕微限制、2限制、3非常限制、4極度限制)。同時，為減輕服裝順序效應對試驗的影響，采用拉丁方設計方法確定每位受試者的服裝順序。

1.4 統(tǒng)計方法

采用方差分析進行不同防護服工況下的握力值、疲勞度值、活動受限程度值組間均值差異性分析，采用t檢驗進行左/右手握力值均值差異性分析，p值表示差異的顯著性(p>0.05為無差異，*p<0.05為顯著性差異，**p<0.001為高度的顯著性差異)；通過接受者操作特征曲線[16](ROC曲線)分析不同防護服與基礎服裝間握力臨界關系。采用皮爾遜相關性分析檢驗握力和主觀評價的相關程度與顯著性；擬合握力與疲勞度、握力與活動受限程度的線性函數。本文采用IBM SPSS Statistics 23進行統(tǒng)計。

2 結果與討論

2.1 最大握力值

20名受試者在4種防護服工況下的握力分析結果如圖3所示。經檢驗，試驗的左手握力值、右手握力值、疲勞度值、活動受限程度值均服從正態(tài)分布，可以進行方差分析。

圖3 手部握力值Fig.3 Hand grip strength

由圖3可知，除半封閉防化服和全封閉防化服組間差異無統(tǒng)計學意義外，各套裝備之間在左手握力、右手握力均有顯著性差異(p<0.05)；其中，基礎服裝和滅火防護服之間的左手握力、右手握力均有高度的顯著性差異(p<0.001)；防護服握力均值比對照組低5.0～15.5 kg(p<0.05)，滅火防護服測的握力相對最小(左31.1 kg，右34.6 kg)。

一方面握力可能受防護手套厚度的影響，滅火防護服手套因為多層織物結構，導致厚度大于防化服手套，所以滅火防護服測得握力更低，半封閉防化服和全封閉防化服手套厚度大致相同，所以握力均值差異僅1.4%～2.3%；另一方面握力可能受防護手套面料的影響，防化服手套相對滅火防護服手套擁有更大的摩擦力且更為柔軟。相關研究表明，由于手套尺寸不完全貼合，造成消防員在戴手套時會使用更大的力氣去執(zhí)行手部動作。試驗過程中發(fā)現，由于防護服和受試者皮膚間的空氣層較大，受試者個體差異性會對結果造成影響。

獨立樣本t檢驗結果表明，左右手間握力具有顯著性差異(t=-2.344，p=0.020)，其中滅火防護服左右手握力差異相對最大(3.5 kg，p<0.05)。同一服裝條件下，左手(非利手)較右手(利手)受到的影響更大。值得注意的是，半封閉防化服左手握力大于(0.6 kg)全封閉防化服，右手握力小于(-1.0 kg)全封閉防化服，說明在相似防護服條件下利手握力值波動更大。

對照組與防護服左右手握力均值對比ROC曲線如圖4所示。由圖4可知，檢驗發(fā)現3套防護服ROC曲線的線下面積均大于0.75，具有較好的檢驗效果，說明握力值可作為檢驗防護服判斷標準之一。

圖4 對照組與防護服左右手握力均值對比的ROC曲線Fig.4 ROC curve chart comparing the left and right hand grip strength of control group and protective clothing

2.2 疲勞度

握力測試過程中的疲勞度方差分析結果如圖5所示。由圖5可知，穿防護服的RPE均值比對照組高1.55～4.75(p<0.05)，其中滅火防護服RPE(13.55，有點吃力)相對最大，半封閉防化服(11.05，輕松)和全封閉防化服(10.35，輕松)次之，基礎服裝(8.80，很輕松)相對最小。Larsen等[17]研究表明穿防彈衣(19±1)的峰值RPE顯著高于(p<0.01)不穿防彈衣(18±1)的RPE，差值達5.6 %。本文穿防護服和對照組RPE差值達54.0%，可能由于防護服較防彈衣質量更輕，且握力測試活動相比戰(zhàn)術活動更輕松，整體RPE處于中等水平；另一方面原因可能是由于Larsen等采用峰值RPE對比的方法導致。說明輕中度運動受到服裝的影響比重度運動更大，改進消防員防護服工效性能同樣重要。

圖5 疲勞度Fig.5 Ratings of perceived exertion

本文使用的防護服整體質量A，B，C，D分別為受試者平均體重的1.7%，23.0%，19.7%，20.6%，滅火防護服RPE明顯大于對照組。相關研究發(fā)現，在行走任務中男兵在負荷為體重的0%和15%時RPE是相似的，而在負荷為體重的30%時，RPE明顯大于0%和15%(p<0.05)。試驗中半封閉防化服RPE大于(p>0.05)全封閉防化服，可能由于半封閉防化服更為緊湊的結構設計和服裝尺寸讓受試者感到額外疲勞。

2.3 活動受限程度

活動受限程度方差分析結果如圖6所示。穿防護服的活動受限程度比對照組高0.85～1.75(p<0.05)，說明防護服對消防員活動有一定限制，滅火防護服限制(1.80，限制)相對最大，半封閉防化服(0.95，輕微限制)和全封閉防化服(0.95，輕微限制)次之，基礎服裝(0.05，沒有限制)相對最低，各防護服活動受限程度差異顯著。

圖6 活動受限程度Fig.6 Restriction to movement

相比防化服，滅火防護服手套厚度、質量較大，這是導致活動受限較大的原因之一。同時，半封閉防化服和全封閉防化服對活動限制程度相同，說明服裝面料和設計結構是限制活動的主要因素；防護手套與受試者皮膚間空氣層較大，活動受限程度評價受個體差異性影響較大。文獻[18-19]表明，防護服尺碼通用性較強，但在實際工作環(huán)境中防護服裝過大或過小均會影響穿著者機動性。

2.4 握力與RPE、活動受限的關系

相關性分析結果顯示RPE與握力存在顯著的負相關(r=-0.411,p<0.001)，RPE和左右手握力均值的線性擬合如圖7(a)所示。由圖7(a)可知，握力越大RPE越小。影響RPE的主要因素為服裝因素和個體差異性。對同一受試者來說，不同服裝條件下RPE不同，握力越大的服裝RPE越低；同一種服裝條件下，不同受試者間RPE不同，Savinainen等[20]發(fā)現在完成相同任務時，握力較高的受試者RPE較低，但本文未考慮個體差異性的影響，只考慮服裝條件對握力的影響。研究結果顯示主客觀測試結果具有顯著相關性，同時擬合公式根據握力值能夠較好地預測RPE。

圖7 RPE活動受限程度與握力值的相關性分析Fig.7 Correlation analysis of RPE,restriction to movement and grip strength

相關性分析結果顯示，活動受限程度與握力值呈顯著負相關(r=-0.481,p<0.001)，線性擬合如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，握力均值越大的服裝對人體活動限制越低，這與RPE結果一致。且活動受限程度與握力均值的相關性大于RPE，說明試驗中活動受限程度是影響握力的主要因素。

3 結論

1)防護服對消防員握力存在顯著影響，滅火防護服相對防化服握力更低；同時左右手握力差異顯著，非利手握力受服裝影響更大。

2)防護服對消防員疲勞度的影響從大到小依次為滅火防護服、半封閉防化服、全封閉防化服，且握力和疲勞度存在顯著負相關。

3)較疲勞度而言，活動受限程度對消防員工效性的影響更為顯著，且不同防護服對消防員活動的限制從大到小依次為滅火防護服、半封閉防化服、全封閉防化服。本文僅關注不同防護服間差異，未深入研究防護服面料材質、設計結構的影響，今后需進一步研究防護服對消防員移動性的影響。