熱環(huán)境下人體局部皮膚濕敏感性的分布特征

李寧寧， 張昭華,2， 徐蘇紅, 鄭子奕， 李霄羽

1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

服裝的熱濕舒適性是服裝舒適性的重要評價(jià)指標(biāo)之一，在熱濕舒適狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)過程中，濕感覺作為人體的基本感覺是一種特殊的存在。因?yàn)槿梭w沒有特定的濕覺感受器[1]，人們似乎通過復(fù)雜的多感官整合來“學(xué)習(xí)”感知皮膚與潮濕表面接觸或產(chǎn)生汗液時(shí)所經(jīng)歷的潮濕[2-3]，是人體皮膚的溫度感受器、機(jī)械感受器共同對外界刺激做出的感覺判斷[4]。

Gagge 在1937年提出皮膚濕度[5]這一生理變量，并提出皮膚濕度為0.3是人體舒適的臨界點(diǎn)。作為一種特殊的基本感覺，國內(nèi)外對濕感覺進(jìn)行了較多的研究。先前的研究主要集中在外部刺激引起局部皮膚濕感知方面。學(xué)者們通過改變材料含水量、材料類型(薄粘膠織物、厚粘膠織物和棉墊)、材料與皮膚的接觸方式(靜態(tài)和動態(tài))[3,6-7]、局部施加不同的外界溫度和壓力[8-9]來研究皮膚對濕感覺的感知。但人是恒溫動物，在熱環(huán)境或者運(yùn)動情況下，人體可通過出汗和汗液蒸發(fā)帶走熱量，保證人體體溫在正常的范圍內(nèi)。人體主動出汗也可以引起皮膚濕潤，產(chǎn)生濕覺感知，然而少有研究調(diào)查運(yùn)動引起體溫升高的過程中，主動出汗引起的皮膚濕感覺以及人體對局部皮膚濕感覺的差異[10-12]。

本文在熱環(huán)境條件下，研究人體主動出汗時(shí)濕敏感性的局部分布特征，探討主觀濕感覺與物理皮膚濕度之間的關(guān)系，為運(yùn)動服裝、功能服裝的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)服裝

實(shí)驗(yàn)服裝的設(shè)計(jì)原則是為了盡可能減少服裝與皮膚之間的摩擦，避免衣下空氣與外界的對流交換，從而將研究重點(diǎn)放在蒸發(fā)散熱的情況下，探究局部皮膚的濕感覺分布。本文實(shí)驗(yàn)服裝采用彈性針織織物(錦綸/氨綸(86/14))，其基本性能如表1所示。臀腰部以及女性胸部隆起而產(chǎn)生的松量用省道的方法收緊；為起到良好的封閉效果，用羅紋針織織物(100% 棉)束緊袖口和腳口，緊身立領(lǐng)束緊領(lǐng)口，用拉鏈有效防止服裝內(nèi)外空氣交換且方便穿脫。服裝款式如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)面料基本性能參數(shù)

圖1 服裝款式圖

1.2 受試者

受試者為6名在校女大學(xué)生，身體健康，自愿參與實(shí)驗(yàn)，其基本信息為：年齡(23±1) 歲，身高(162±2.97) cm，體重(50.67±3.27) kg。

實(shí)驗(yàn)前向每位受試者介紹實(shí)驗(yàn)條件和流程，簽知情同意書，受試者參與實(shí)驗(yàn)時(shí)間不在其生理期內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)測試前48 h，受試者避免進(jìn)行劇烈運(yùn)動以及攝入咖啡因或酒精，以確保實(shí)驗(yàn)當(dāng)天具有良好的身體狀況。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件及測試部位

1.3.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在溫濕度可控的人工氣候艙中進(jìn)行，環(huán)境溫度為(30±1) ℃，相對濕度為(35±1)%，風(fēng)速在0.3 m/s以下。

1.3.2 測試部位

選擇10個身體部位作為溫濕度的測試部位，分別為上額、上臂、小臂、前胸、前腹、大腿、小腿、上背、下背和臀部，測試點(diǎn)的位置如圖2所示。

1—前額； 2—上臂； 3—下臂； 4—前胸； 5—前腹； 6—大腿； 7—小腿； 8—上背； 9—下背； 10—臀部。

1.4 測試指標(biāo)

1.4.1 客觀測試指標(biāo)

1.4.1.1平均皮膚溫度 皮膚溫度的采集使用DS 1922L型 iButton溫濕度傳感器(美國Maxim公司)。依據(jù)ISO 9886—2004《人類工效學(xué) 熱疲勞的生理測量評價(jià)》，在皮膚的8個位置記錄局部皮膚溫度，并根據(jù)下式計(jì)算平均皮膚溫度(Tsk):

Tsk=T前額×0.07+T上胸×0.175+T肩胛骨×0.175+T上臂×0.07+T下臂×0.07+T手背×0.05+

T大腿×0.19+T小腿×0.2

(1)

式中：T前額、T上胸、T肩胛骨、T上臂、T下臂、T手背、T大腿、T小腿分別為前額、上胸、肩胛骨、上臂、下臂、手背、大腿、小腿部位的皮膚溫度，℃。

1.4.1.2皮膚濕度 根據(jù)Gagge提出的皮膚濕度定義，局部皮膚濕度計(jì)算公式為：

(2)

(3)

Dsk=0.01×RHi×Dss

(4)

(5)

式中：W局部為局部皮膚濕度；Psk為皮膚表面的蒸發(fā)潛熱，W/m2；Pmax為完全濕潤的皮膚的最大蒸發(fā)潛熱，W/m2；Dsk為皮膚表面的水蒸氣壓，Pa；De為環(huán)境的水蒸氣壓，Pa；Dss為皮膚表面的飽和蒸汽壓，Pa；RH為環(huán)境相對濕度，%；RHi為局部皮膚i的相對濕度，%；Ta為環(huán)境溫度，℃；Ti為局部皮膚i的溫度，℃。平均皮膚濕度(W)計(jì)算方法與平均皮膚溫度計(jì)算方法相同，采用八點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算。

1.4.1.3出汗量、汗液蒸發(fā)量及蒸發(fā)效率 采用PBK 989型電子重量計(jì)(瑞士MERTTLER TOLEDO公司)，稱量實(shí)驗(yàn)前、后的裸體體重，以及飲用水、毛巾和服裝的質(zhì)量。出汗量(G1)根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

G1=m1-m1′+m2-m2′

(6)

式中：m1、m1′為實(shí)驗(yàn)前、后受試者的半裸體(僅穿著緊身內(nèi)衣褲)體重，kg；m2、m2′為實(shí)驗(yàn)前、后飲用水的質(zhì)量，kg。

汗液蒸發(fā)量(G2)的計(jì)算公式為

G2=G1-(m3′-m3)-(m4′-m4)

(7)

式中：m3、m3′為實(shí)驗(yàn)前、后毛巾和服裝的質(zhì)量，kg；m4、m4′為實(shí)驗(yàn)前、后襪子和鞋子的質(zhì)量，kg。

汗液蒸發(fā)效率(η)的計(jì)算公式為

(8)

1.4.2 主觀測試指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)過程中，受試者需要對局部濕感覺進(jìn)行主觀評價(jià)，采用的主觀評價(jià)標(biāo)尺及標(biāo)尺中數(shù)值含義描述如表2所示。

表2 局部濕感覺標(biāo)尺含義

1.5 濕敏感度的評價(jià)指標(biāo)

采用2種指標(biāo)確定濕敏感度，具體如下：1)按照局部濕感覺出現(xiàn)的先后時(shí)間進(jìn)行定義，若某一局部區(qū)域，在某一時(shí)刻有超過50%的受試者感受到了濕，記錄此時(shí)的時(shí)間(min)，表征局部濕敏感性，濕感覺出現(xiàn)的時(shí)間越早，表明該部位對濕越敏感；2)按照局部感到濕的評價(jià)頻數(shù)進(jìn)行定義，在整個實(shí)驗(yàn)過程中，以某一身體部位被評價(jià)為濕的總頻數(shù)(即感受到濕的次數(shù))，表征局部身體部位對濕感覺的敏感性，即頻數(shù)越大局部濕敏感性越強(qiáng)。

1.6 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程具體分為4個階段。

1)準(zhǔn)備階段：受試者穿著自己的單層衣服在人工氣候艙平衡40 min后，脫去外衣，使用3M透氣醫(yī)用膠帶將iButton溫濕度傳感器貼在對應(yīng)的10個身體部位(見圖2)以及手背處，佩戴心率帶；測量并記錄受試者的半裸體體重、鞋襪、衣服和毛巾，以及實(shí)驗(yàn)前飲用水的質(zhì)量。

2)靜坐階段(0～10 min)：受試者穿著實(shí)驗(yàn)服裝靜坐平衡10 min，期間每5 min使用IRT 6520耳溫槍(德國博朗公司)測量受試者的耳道溫度，每5 min進(jìn)行主觀感覺評分。

3)運(yùn)動階段(10～50 min)：受試者在跑臺上以5 km/h的步行速度運(yùn)動40 min，每隔5 min增加跑步機(jī)的坡度2%，直到達(dá)到14%的坡度。期間每5 min采用耳溫槍測量耳道溫度，受試者按照圖2所示的身體部位劃分，逐一評價(jià)各部位是否感覺到了濕；若感覺到了濕，則進(jìn)一步使用表2的濕感覺標(biāo)尺，給出具體的濕感覺強(qiáng)度評分。實(shí)驗(yàn)過程中，受試者可根據(jù)需要飲用礦泉水。

4)后整理階段：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后迅速脫下實(shí)驗(yàn)服裝(內(nèi)衣除外)，裝入密封袋并讓受試者用毛巾擦干身上多余汗液，稱量受試者的半裸體體重、鞋襪、服裝和毛巾以及剩余飲用水的質(zhì)量。

1.7 數(shù)據(jù)分析方法

在本文實(shí)驗(yàn)中，自變量為身體部位(10個部位)和時(shí)間(10個時(shí)間段，間隔5 min)，因變量為平均皮膚溫度、局部皮膚濕度、局部濕感覺。使用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有主觀評價(jià)數(shù)據(jù)均經(jīng)過歸一化處理[13]，采用Shapiro-Wilk Test(W檢驗(yàn))進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)；使用頻數(shù)來分析局部濕感覺的敏感性分布；采用Kendall(肯德爾)相關(guān)性和一元回歸分析來評估主觀濕感覺與客觀濕度測量的關(guān)系；顯著性水平設(shè)定為P<0.05，數(shù)據(jù)用(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 客觀生理數(shù)據(jù)

2.1.1 平均皮膚溫度

實(shí)驗(yàn)過程中平均皮膚溫度變化如圖3所示?？梢钥闯?，平均皮膚溫度波動不大，最大溫差小于0.5 ℃。

圖3 平均皮膚溫度

2.1.2 平均皮膚濕度

實(shí)驗(yàn)過程中平均皮膚濕度如圖4所示?？芍?，平均皮膚濕度隨著時(shí)間呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。平均皮膚濕度在靜坐階段(0～10 min)以及運(yùn)動階段初期(10～15 min)呈現(xiàn)下降趨勢；15～50 min階段呈現(xiàn)上升趨勢，平均皮膚濕度的變化范圍為0.212～0.349。

圖4 平均皮膚濕度

2.1.3 出汗量及汗液蒸發(fā)量

表3示出6位受試者的出汗量和汗液蒸發(fā)率。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，所穿著的服裝仍具有較好的汗液蒸發(fā)效果，平均汗液蒸發(fā)效率達(dá)到94%。將受試者隨機(jī)分為2組，采用單因素方差分析(ANOVA)結(jié)果表明，受試者的總出汗量(F(1，4)=2.273，P=0.206>0.05)、汗液蒸發(fā)量(F(1，4)=0.575，P=0.490>0.05)及汗液蒸發(fā)效率(F(1，4)=2.213，P=0.211>0.05)沒有顯著性差異，說明該實(shí)驗(yàn)條件下受試者之間的基礎(chǔ)生理指標(biāo)保持一致。

表3 出汗量及汗液蒸發(fā)量

2.2 局部皮膚濕敏感性分布

以局部濕感覺出現(xiàn)的先后時(shí)間為評價(jià)指標(biāo)，分析結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯瑴y試時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，局部濕感覺評價(jià)頻數(shù)超過50%的身體部位為上額、前胸和下背；20 min時(shí)身體部位為上臂、前腹和上背,25 min時(shí)為小臂和臀部,30和35 min時(shí)分別為小腿和大腿。

根據(jù)表4將人體10個部位按濕敏感性出現(xiàn)的先后時(shí)間順序分成高、中、低3個分區(qū)，即：運(yùn)動10～15 min時(shí)出現(xiàn)濕感覺的部位為高敏感區(qū)(上額、前胸和下背)；運(yùn)動15 ～25 min時(shí)出現(xiàn)濕感覺的部位為中敏感區(qū)(上臂、前腹、上背、小臂和臀部)；運(yùn)動大于25 min時(shí)出現(xiàn)濕感覺的部位為低敏感區(qū)(小腿和大腿)。

表4 各時(shí)刻受試者局部部位感覺到濕的頻數(shù)

以局部感到濕的頻數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，分析結(jié)果如圖5所示。整個實(shí)驗(yàn)所有受試者共進(jìn)行334次評價(jià)，其中下背的濕感覺評價(jià)次數(shù)最多，占總評價(jià)次數(shù)的14.07%；其次是前胸，占比為13.47%；大腿和小腿的評價(jià)次數(shù)相同，占比為5.69%。

圖5 受試者局部部位感到濕的頻率

根據(jù)圖5將人體10個部位按濕感覺評價(jià)的頻數(shù)分成高、中、低3個敏感性分區(qū)，即評分次數(shù)占比高于12%的身體區(qū)域歸為高敏感區(qū)(下背、前胸和上額),在6%～12%之間的身體區(qū)域歸為中敏感區(qū)(上臂、上背、小臂、臀部、前腹),低于6%的身體區(qū)域歸為低敏感區(qū)(大腿和小腿)。

由以上分析可見，上述2種方法均可將人體的局部濕敏感性劃分為3個分區(qū)：即高敏感區(qū)為下背、前胸和上額；中敏感區(qū)為上臂、前腹、上背、小臂和臀部；低敏感區(qū)為大腿和小腿。

2.3 主觀濕感覺強(qiáng)度與客觀皮膚濕度關(guān)系

采用Kendall(肯德爾)相關(guān)系數(shù)對各測試部位的主觀濕感覺評分與客觀皮膚濕度的關(guān)系進(jìn)行分析。相關(guān)性系數(shù)r及顯著性水平P的結(jié)果如下：上額(r=0.972，P<0.001)、上臂(r=0.844，P<0.001)、小臂(r=0.785，P<0.001)、前胸(r=0.844，P<0.001)、前腹(r=0.823,P<0.001)、上背(r=0.860,P<0.001)、下背(r=0.807,P<0.001)、臀部(r=0.850,P<0.001) 均具有顯著的相關(guān)性，說明人體能夠?qū)@些身體部位的皮膚濕潤程度做出較為準(zhǔn)確的判斷；而大腿(r=0.337,P=0.156)、小腿(r=0.42,P=0.085)不具有顯著相關(guān)性，說明人體對大腿、小腿的濕潤程度判斷較不準(zhǔn)確。

將除大腿與小腿外的其他身體部位的皮膚濕度與相應(yīng)的局部濕感覺主觀評分之間構(gòu)建散點(diǎn)圖，結(jié)果見圖6?？梢园l(fā)現(xiàn)，上額、上臂、小臂部位的數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯偏離其他測試部位。上額出現(xiàn)明顯偏離的原因可能是測量皮膚濕度時(shí)，額頭部位沒有服裝遮蓋，而其他部位測量的是衣下濕度，使得上額濕度數(shù)據(jù)明顯高于其他身體部位。手臂的皮膚濕度較低，但主觀濕感覺較高，可能是因?yàn)橐赶鲁龊褂绊懥藢κ直蹪窀杏X的判斷，因此，這3個部位的數(shù)據(jù)也被剔除。

圖6 局部部位濕度與濕感覺評分間的散點(diǎn)圖

最后，僅對人體軀干部位的局部皮膚濕度(x)和主觀濕感覺評分(y)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖7所示?？芍瑪?shù)據(jù)呈現(xiàn)較好的聚合效果，擬合方程為：y=15.189x-2.014 7，判定系數(shù)為R2=0.726 9,P<0.05。說明物理皮膚濕度對主觀濕感覺的解釋程度是有限的：一方面是由于濕度傳感器的平臺效應(yīng)，在相對濕度接近飽和狀態(tài)時(shí)，傳感器無法繼續(xù)記錄出汗量；另一方面也說明除物理皮膚濕度外，還有其他因素，例如服裝的材料、服裝的寬松度、著裝時(shí)服裝對人體產(chǎn)生的壓力等均會影響人體對濕感覺的感知。

圖7 局部部位濕度與主觀濕感覺評分的相關(guān)性

3 結(jié) 論

本文研究在熱環(huán)境中穿著貼體連身實(shí)驗(yàn)服進(jìn)行跑步運(yùn)動時(shí)，人體局部皮膚濕敏感性的差異與分布特征，得出如下主要結(jié)論。熱環(huán)境中可將人體全身皮膚劃分為3個濕敏感區(qū)，即高敏感區(qū)為上額、前胸、下背；中敏感區(qū)為上臂、前腹、上背、小臂、臀部；低敏感區(qū)為小腿和大腿。在運(yùn)動服裝設(shè)計(jì)時(shí)，可通過在高敏感區(qū)配置吸濕快干面料，并增加服裝局部通風(fēng)等方法，促進(jìn)汗液蒸發(fā)干燥，緩解人體因局部皮膚高濕所帶來的不舒適感。軀干部位的主觀濕感覺與客觀皮膚濕度之間存在線性關(guān)系。

本文采用了同一種服裝材料制成實(shí)驗(yàn)服裝，而服裝的設(shè)計(jì)因素，如通風(fēng)性與合體性可能會引起皮膚與服裝在間歇接觸的過程中，造成人體皮膚濕敏感性局部分布的差異性。另外，在低溫環(huán)境中的濕冷作用是否會影響濕敏感性的局部分布特征，這些問題值得未來進(jìn)一步深入研究。