謝英毫，盧業(yè)虎,2，沈海明

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215006；2.吳江萬旺紡織有限公司，江蘇 蘇州 215226；3.中國民航大學 飛行技術學院，天津 300300)

0 引 言

高溫高濕環(huán)境廣泛存在于交通、礦區(qū)、軍事、建筑和航空航天工程等場所。長時間在高溫環(huán)境中工作，會產生不同程度的生理應激和心理負荷[1]，不僅會影響作業(yè)人員的工作效率，增加事故發(fā)生率，而且長期暴露還會引發(fā)中暑、血壓升高、心率紊亂、虛脫等癥狀。此外，高溫還會影響人體神經系統(tǒng)，導致人的行為控制能力下降，如反應能力、動作準確性、動作靈活性、動作協(xié)調性及空間知覺能力等都會有所減弱。

李國建在高溫高濕低氧環(huán)境下研究了人體的熱耐受性，分析了不同氧氣體積分數下極端熱環(huán)境中人體生理、心理等反應[2]。高俊勇測量了不同溫度下輕度、中度和重度運動的人體各項指標，分析了礦井高溫高濕環(huán)境對人體生理的影響規(guī)律[3]。NAG等在模擬環(huán)境艙中測量了人體的熱耐力，得到了人體可接受的熱接觸極限時間，即核心溫度到達38～38.2 ℃時，耐受時間為80～85 min，當核心體溫達到39 ℃時，耐受時間為40～45 min[4]。郝向陽等研究了裝甲車輛駕駛員在熱環(huán)境下持續(xù)作業(yè)時心理、生理的變化趨勢[5]。陳自強等基于有限現(xiàn)場實驗證實了NCTB和NES測試系統(tǒng)的效度、信度及靈敏度俱佳，NES-C3系統(tǒng)可以準確、快速地測量受試者的行為能力[6]。汪光文等提出飛機座艙溫、濕度環(huán)境在空調系統(tǒng)失效情況下不會影響機組人員工作，也不會對乘客構成持久的生理傷害，但影響飛行安全[7]。LONG等通過研究受試者核心溫度達到38.0 ℃時的實際觀察暴露時間，預測急性熱應激暴露人群平均耐受時限，為確保在暴露時間限制方面的預測有效性，預測最不耐受者在熱應激條件下安全工作時間的能力將安全暴露時間定義為38.5 ℃[8]。迄今為止大多數研究均集中在人體在高溫環(huán)境下的生理和心理變化，或者不同環(huán)境對于人體行為能力的影響，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境會影響人體的行為能力，但是對于在高溫環(huán)境中工作的特殊職業(yè)人員，有必要制定一個合理、可靠、安全的生理耐限，而目前缺乏對于高溫環(huán)境下人體行為能力的深入研究。因此本研究將生理反應、主觀評價和神經行為能力等指標相結合，探討高溫環(huán)境是否對人體行為能力產生影響，從而對特種職業(yè)人員造成安全隱患。

1 實 驗

1.1 實驗對象

30名男性自愿參與本實驗，分別為20歲組(年齡20～29歲)、30歲組(年齡30～39歲)、40歲組(年齡40～49歲)。20歲組平均年齡(23.9±0.9)歲，身高(177±2.9) cm，體質量(67.5±4.3) kg，BMI指數(21.6±1.5) kg/m2；30歲組平均年齡(32.9±2.1)歲，身高(173.1±3.7) cm，體質量(72±6.9) kg，BMI指數(24±2.2) kg/m2；40歲組平均年齡(46.5±4.5)歲，身高(166±7.1) cm，體質量(62.5±10.2) kg，BMI指數(22.5±2.4) kg/m2。受試者身體健康，無中暑、高血壓、心臟病等可能影響測試過程的病史。要求受試者實驗前一天保持充足的睡眠，不攝入酒精或咖啡，并在實驗前2 h內禁止進食，實驗過程中不采取任何液體補充水分。

1.2 實驗條件

實驗在人工氣候室內進行，溫度(40±0.5) ℃，相對濕度40%±5%，風速(0.2±0.1) m/s，受試者在跑步機上以速度5 km/h，坡度Level 5行走。使用設備記錄受試者的生理指標，實驗中記錄受試者的主觀評價并使用NES-C3神經行為能力系統(tǒng)測試受試者行為能力。

1.3 實驗服裝

實驗服裝選擇100%棉圓領長袖上衣與長褲，如圖1所示。在人工氣候室使用出汗暖體假人(美國Thermetrics LLC)測得服裝的熱阻為1.27 clo。

圖 1 服裝熱阻測試Fig.1 Clothing thermal insulation test

1.4 測試指標

1.4.1 生理參數 1) 核心溫度。使用HQ核心體溫監(jiān)測設備(HT150001，美國HQ Inc)測量核心溫度(Tcore)的變化(精度0.01 ℃，采樣頻率30 秒/次)，實驗前至少2 h需要吞服溫度傳感器膠囊，并靜坐休息至實驗開始。

2) 皮膚溫度。使用皮膚溫傳感器(MSR 145，瑞士MSR)分別測量前胸、上臂、大腿、小腿的皮膚溫度，采用四點法計算平均皮膚溫度MST。

3) 汗液蒸發(fā)量。實驗前使用質量秤(ICS639，德國METTLER TOLEDO)測量受試者裸體質量(含內褲)記為W1，測量實驗穿著服裝與毛巾的質量為G1，實驗結束后，用毛巾擦干體表殘余汗液，再次測量裸體質量(含內褲)記為W2，稱量服裝與毛巾的質量G2。則出汗量為

L1=W1-W2

汗液蒸發(fā)量為

L2=L1-(G2-G1)

4) 心率、血氧飽和度及新陳代謝率。心率使用心率帶(美國Polar H10)采集，采樣頻率30 秒/次；血氧飽和度使用無線血氧監(jiān)測系統(tǒng)(荷蘭Artinis)記錄，采樣頻率30 秒/次；新陳代謝率使用Cortex心肺功能儀(德國MetaMax3B)測試，采樣頻率5 秒/次。

1.4.2 主觀感覺評價 主觀感覺評價主要包括熱感覺、熱舒適性、皮膚濕度和疲勞程度。熱感覺在對稱7點標尺的基礎上增加了兩極為9點主觀評價標尺，熱舒適性采用4點單向標尺，皮膚濕度采用4點主觀評價標尺，疲勞程度采用borg主觀疲勞感知評估[9]。在實驗開始前、實驗中、實驗結束時分別記錄受試者主觀感覺。

1.4.3 行為能力 采用神經行為能力評測系統(tǒng)(NES-C3，中國海志達信息科技有限公司)，通過心算、視覺保留、注意力調轉、選擇反應時4個項目來評價人體的行為能力水平。

1.5 實驗步驟

實驗流程如圖2所示，正式開始前需要在室溫環(huán)境中預先達到熱中性狀態(tài)，采用NES-C3測評系統(tǒng)對受試者進行神經行為能力測評(約10 min)，測量受試者體質量，替換實驗服裝，佩戴測量儀器，隨后進入預設好的氣候室，受試者在跑步機上以坡度Level 5、速度5 km/h行走，15 min后測試新陳代謝率，待核心溫度達到38 ℃后，記錄受試者的主觀感覺，使用NES-C3對受試者進行神經行為能力測評。再次行走使核心溫度維持在38～38.5 ℃下20 min后，記錄受試者主觀感受并測試受試者行為能力。使用毛巾擦干身上殘余汗液，立即稱量裸體質量(含內褲)，實驗結束。

圖 2 實驗流程圖Fig.2 Testing trial

1.6 數據分析

所得數據均以平均值±標準差的形式記錄，使用IBM SPSS statistics 21軟件對數據進行統(tǒng)計分析，顯著性水平為0.05，使用單因素方差分析不同年齡段之間核心溫度、皮膚溫度、心率、血氧飽和度、行為能力是否具有顯著性差異，使用Wilcoxon符號秩和檢驗分析受試者主觀評價不同年齡段之間的差異性。核心溫度、皮膚溫度和心率20歲組與30歲組的顯著性差異用α表示，30歲組與40歲組的顯著性差異用β表示，20歲組與40歲組的顯著性差異用θ表示。

2 結果與討論

2.1 生理參數

3組受試者核心溫度變化趨勢相同，因個體的差異性受試者核心溫度升高到38 ℃的時間不同，組別之間的核心體溫并無顯著性差異。20、30和40歲組核心溫度上升到38 ℃的時間分別為(32.4±4.3) min、(39.8±6.6) min和(30.8±5) min，3組核心溫度達38 ℃時的對比圖如圖3所示。統(tǒng)計分析表明20、40歲組核心溫度上升到38 ℃的時間顯著小于30歲組(p<0.01)。核心溫度達38 ℃后，40歲組的核心溫度在0～20 min顯著高于20、30歲組(p<0.05)，在24～40 min，20、40歲組顯著高于30歲組(p<0.05)；最終的核心溫度增高量沒有顯著性差異(p=0.2)。

(a) 達到38 ℃前

(b) 38 ℃至實驗結束圖 3 核心溫度變化對比Fig.3 Comparison of core temperature

在人體核心溫度達到38 ℃后進行20 min左右的運動過程中，核心溫度、平均皮膚溫度和心率等生理指標比實驗開始階段40 min的運動有了更大的提升。20、40歲組核心體溫達到38 ℃的時間顯著低于30歲組(p<0.05)。研究表明，年齡、性別、健康狀況、藥物、有氧健身、酒精和吸煙習慣等都會影響個體對熱應激的反應。在這些個人特征中，年齡和健康狀況是最重要的耐熱性預測因子[10]。在運動停止時，20、30歲組核心溫度下降程度高于40歲組，表現(xiàn)出較好的散熱能力，體現(xiàn)了年齡對個體耐熱性的影響。而健康狀態(tài)是可以通過鍛煉加強的，30、40歲組每周鍛煉次數、時間均大于20歲組。這可能提高了30、40歲組的耐熱性。這也可以在SAWKA的研究中得到驗證，一些有氧健身的個體，如果能夠適應高溫下的運動，可能會減少身體儲熱，提高運動表現(xiàn)[11]。

2.2 皮膚溫度

皮膚溫度變化如圖4所示，3組受試者在行走階段1的前12 min內平均皮膚溫度分別升高了(2.3±0.5) ℃、(2.5±0.4) ℃和(2.6±0.4) ℃，組別之間無顯著差異(p=0.94)，隨后均保持相對平穩(wěn)的變化，但組別間呈顯著性差異(p<0.05)；在行走階段2平均皮膚溫度繼續(xù)上升，實驗結束時平均皮膚溫度分別升高了(3.1±0.7) ℃、(3.3±0.9) ℃和(3.4±0.5) ℃，差異并不明顯(p=0.543)。統(tǒng)計分析表明核心溫度達38 ℃后，除5～14 min外40歲組顯著高于30歲組，14～36 min時20歲組顯著高于30歲組(p<0.05)，20歲組與40歲組在0～10 min和10～13 min有顯著性差異。

(a) 達到38 ℃前

(b) 38 ℃至實驗結束圖 4 皮膚溫度變化對比Fig.4 Comparison of skin temperature

皮膚溫度在行走階段1前10 min大幅度上升，3組受試者沒有顯著性差異，在行走階段1運動約12 min后，皮膚溫度因為出汗蒸發(fā)散熱而呈下降或平穩(wěn)趨勢，持續(xù)到運動結束。在測試階段2，因為停止運動減少了蒸發(fā)散熱量，皮膚溫度再次上升。在之后行走階段2的前5 min，皮膚溫度大幅下降，下降幅度30歲組>20歲組>40歲組，這也與各組的出汗量與汗液蒸發(fā)量吻合。據研究，雖然核心溫度和皮膚溫度對人體的熱舒適有很大影響，但皮膚濕潤也是影響人體熱行為的重要因素[12]。也有研究表明中年男子在高溫下運動時出汗的時間比年輕男子晚，且出汗較少[13]，這和本文有所吻合，40歲組出汗量顯著低于20、30歲組，皮膚濕度主觀評價40歲組顯著低于20、30歲組，40歲組熱舒適性程度明顯高于20、30歲組，由此證明皮膚濕潤對人體熱舒適性有所影響。

2.3 心率

心率變化如圖5所示，3組受試者在約35 min的行走階段1中心率穩(wěn)步上升，20歲組心率從(106±7)次/分增加到(144±8)次/分，增加了約135%；30歲組心率從(96±7)次/分增加到(141±13)次/分，增加了約147%；40歲組心率從(96±7) 次/分增加到(131±10) 次/分，增加了約136%。20歲組、30歲組和40歲組心率最高分別上升到(151±13) 次/分和(143±17) 次/分和(137±12) 次/分，約為最大心率的75%～77%(最大心率Rmax=220-年齡[14])，統(tǒng)計分析表明行走階段1除0～12 min外20歲組心率顯著大于30歲組(p<0.05)，30、40歲組在行走階段1無顯著性差異(p>0.05)；除0～16 min外20歲組顯著高于40歲組；核心溫度達到38 ℃后，除10～15 min外20、30歲組心率顯著高于40歲組，30歲組心率在10～32 min顯著高于40歲組。

(a) 達到38 ℃

(b) 38 ℃至實驗結束圖 5 心率變化對比Fig.5 Comparison of heart rate

2.4 血氧飽和度和代謝率

20、30和40歲組的平均代謝率分別為(5.39±0.24) met、(5.27±0.47) met和(4.78±2.6) met，20、30歲組顯著高于40歲組(p<0.05)。實驗期間，20、30和40歲組出汗量分別為(868±186) g、(1 018±177) g和(679±291) g，20和30歲組出汗量顯著高于40歲組(p<0.05)；蒸發(fā)量分別為(696±127) g、(754±82) g和(508±190) g，20、30歲組顯著高于40歲組(p<0.01)。如圖6所示，3組受試者靜脈血氧飽和度整體上保持穩(wěn)定，局部波動，整個實驗過程中，靜脈血氧飽和度沒有顯著性差異(p>0.05)。3組受試者動脈血氧飽和度始終維持在較高的水平，受試者在實驗過程中的行為對動脈血氧飽和度沒有明顯影響，3組受試者之間沒有顯著性差異(p>0.05)。

(a) 動脈血氧飽和率

2.5 主觀評價

實驗開始時受試者第1次主觀評價(P1)均為熱中性狀態(tài)，核心溫度38 ℃時,20、30和40歲組第2次熱感覺主觀評價(P2)分別達到2.8±0.5、2.75±0.8和2.45±0.7，在行走階段2結束時第3次熱感覺評價(P3)小幅增加，無顯著性增加(p>0.05)；3組熱舒適性評價P2分別達到-1.7±0.9、-1.55±0.8和-1.35±0.5(不舒服)，30歲組P2顯著性高于P3(p=0.006)；40歲組受試者皮膚濕度P2與P3有顯著性差異(p=0.031)；疲勞程度第2次主觀評價值達到12.4±3、12.6±2.1和11.5±2.6(有點累)，第3次達到14.5±2.8、15.4±1.9和13.1±2.6，30歲組P3顯著性高于P2(p=0.001)。

不同年齡組的3個階段主觀評價如圖7所示。

(a) 熱感覺

(b) 熱舒適性

(c) 皮膚濕度

(d) 疲勞程度圖 7 主觀評價對比Fig.7 Comparison of subjectiveassessment

由圖7可知，不同年齡段的熱感覺評價無顯著性差異(p>0.18);熱舒適性主觀評價P3無顯著性差異(p>0.25)，但30和40歲組差異較大(p=0.054);40歲組皮膚濕度主觀評價P2階段顯著低于20(p=0.012)、30(p=0.026)歲組,20、30歲組主觀評價P3顯著高于40歲組(p=0.044)，這與40歲組出汗量和蒸發(fā)量顯著低于20、30歲組相吻合；疲勞程度評價除P3階段30歲組顯著高于40歲組(p=0.048)外無顯著差異(p>0.21)。

據PANDOLF研究，在10天高溫訓練適應期間，青年男性的最終疲勞程度普遍較高(p<0.05)，其中，僅在第1天適應時，青年男性的最終熱感覺較高(p<0.05)[15]。這在本文能夠得到一些驗證，最終疲勞程度(P3)30歲組顯著高于40歲組，20歲組明顯高于40歲組但無顯著差異，最終熱感覺(P3)無顯著差異。在熱暴露的第1天，與年輕人相比，中年男性最終直腸溫度、皮膚溫度和心率更低，最終全身總汗流量更高(p<0.05)[15]，這與本文有所出入。本文40歲組最終核心溫度、皮膚溫度較高，心率較低,文獻[15]中2組受試者體質量、體表面積、體脂和最大有氧能力無顯著差異，而本文沒有要求，有作者研究稱體質量、體表面積、體脂和最大有氧能力與個體在高溫下的溫度調節(jié)能力密切相關[16]，這可能是本文實驗結果有所差異的原因。

2.6 行為能力

受試者在正式實驗開始前需要熟練操作N3測試系統(tǒng)。分析受試者的3次操作結果之間的行為能力差異和不同年齡組之間的差異。統(tǒng)計分析表明，20歲組視覺保留P1與P2(p=0.006)、P3(p=0.038)有顯著性差異，除視覺保留外沒有顯著性差異；30、40歲組心算、視覺保留、注意力調轉、選擇反應時沒有顯著性差異(p>0.2)。即受試者在所模擬的實驗強度內不會影響人體的各項行為能力。各行為能力NAI值如圖8所示。

(a) 心算

(b) 視覺保留

(c) 注意力調轉

(d) 選擇反應時圖 8 行為能力對比Fig.8 Comparison of disposing capacity

統(tǒng)計分析表明,不同年齡組除心算P2(p=0.045)和選擇反應時P1(p=0.042)有顯著性差異外,其他各階段皆無顯著性差異。將各項行為能力NAI值作為因變量，年齡組作為因子,使用單因素方差分析，可得20、30和40歲年齡組心算能力P1和P3階段無顯著性差異，P2階段20歲組顯著高于30(p=0.02)、40(p=0.03)歲組；不同年齡組視覺保留能力和注意力調轉能力各階段無顯著性差異(p>0.05)；選擇反應時能力P1階段20與30歲組差異顯著(p=0.032)。

20歲組心算能力在核心溫度達38 ℃時顯著高于30、40歲組，在P1和P3階段明顯高于30、40歲組但無顯著性差異，即20歲組心算能力較強于30、40歲組。心算反應了人體的邏輯、反應能力和人的操作能力，操作復雜程度比其余項目強，因此導致心算能力的差異較大，這從Bell等的研究可得以驗證。Bell發(fā)現(xiàn)，在安全暴露時間內，需要熟練操作和判斷的復雜工作可能不會像簡單工作那樣有效，男子在耐高溫工作能力方面的個體差異是顯著的[17]。20歲組3次視覺保留能力分別為1.82±0.31、2.14±0.27和2.26±0.39，在熱環(huán)境的NAI值(P2、P3)顯著高于第一次(P1)，30、40歲組無顯著性提高，視覺保留主要反映了記憶能力，操作簡單，所以可能會產生一些差異，這也可能和熱應激效應有一定關系。

3 結 論

通過環(huán)境模擬艙模擬高溫進行真人實驗，監(jiān)測受試者的生理指標，記錄受試者的主觀評價，利用NES-C3神經行為能力評測系統(tǒng)測試受試者的行為能力。得出以下結論：

1) 青年人的耐熱性好于中年人，在高溫環(huán)境下，散熱和恢復能力更好，使自身熱平衡相比于中年男性保持在較低的水平。

2) 20、30歲組的代謝率、出汗量、皮膚濕度主觀評價顯著高于40歲組，疲勞程度也高于40歲組，疲勞感增加可能和水分和鹽分的流失有關。

3) 除視覺保留項目外，30、40歲組在不同時間的各指標皆不具有顯著性差異，證明了核心體溫在38.5℃以內對人體的行為能力沒有影響。