低溫環(huán)境下人體生理反應(yīng)及認(rèn)知反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

吳建松，康凱倩，韓兆星，楊 林，胡祝強(qiáng)

低溫環(huán)境下人體生理反應(yīng)及認(rèn)知反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

吳建松，康凱倩，韓兆星，楊 林，胡祝強(qiáng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

為了系統(tǒng)分析低溫作業(yè)環(huán)境下人體生理反應(yīng)和認(rèn)知反應(yīng)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了可測(cè)量、分析低溫環(huán)境下人體生理反應(yīng)及認(rèn)知反應(yīng)情況的實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及流程、實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施、人體生理反應(yīng)及認(rèn)知反應(yīng)測(cè)量指標(biāo)等。該實(shí)驗(yàn)利用人工環(huán)境艙模擬低溫環(huán)境工況，包括溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，同時(shí)參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)利用跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬作業(yè)強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)可有效分析了低溫環(huán)境工況（溫度、濕度、風(fēng)速）及作業(yè)強(qiáng)度等因素對(duì)人體生理反應(yīng)和認(rèn)知功能的影響，有助于深入了解低溫環(huán)境下作業(yè)人員的生理及認(rèn)知反應(yīng)特點(diǎn)，從而為減少人體冷應(yīng)激損傷提供理論依據(jù)。

生理反應(yīng)；認(rèn)知反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；低溫環(huán)境

我國(guó)地域遼闊，冬季多地面臨雨雪高寒，特別是西北和東北等高原寒冷地區(qū)，冬季作業(yè)人員常面臨低溫冰凍作業(yè)環(huán)境[1]。此外，近年來(lái)隨著雨雪冰凍災(zāi)害的增多，應(yīng)急救援人員在低溫環(huán)境下參與救援活動(dòng)時(shí)受到的冷損傷也時(shí)有發(fā)生[2-3]。低溫作業(yè)環(huán)境不僅對(duì)作業(yè)人員身體造成局部或全身性的損傷，也會(huì)對(duì)作業(yè)人員認(rèn)知能力造成重大影響，進(jìn)而降低工作效能[4]。人體在低溫環(huán)境下，其生理反應(yīng)與常溫環(huán)境下表現(xiàn)較為不同，特別是人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)和人體熱反應(yīng)特征區(qū)別較大[5-6]。對(duì)于常溫環(huán)境下（0 ℃及以上）作業(yè)人員的認(rèn)知表現(xiàn)變化規(guī)律已開(kāi)展了一些研究工作[7-8]，但是對(duì)于低溫環(huán)境（0 ℃以下）作業(yè)人員的認(rèn)知表現(xiàn)變化情況尚缺乏研究。

研究分析特定環(huán)境工況下某一物體或人體的反應(yīng)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)分析通常是一個(gè)重要的技術(shù)手段[9-10]。為了系統(tǒng)探討分析低溫作業(yè)環(huán)境下人體熱生理反應(yīng)和認(rèn)知反應(yīng)特征及變化規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了低溫作業(yè)環(huán)境下人體生理及認(rèn)知反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及流程、實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施、人體生理反應(yīng)及認(rèn)知反應(yīng)測(cè)量指標(biāo)等具體實(shí)施環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)利用人工環(huán)境艙可實(shí)現(xiàn)模擬多種低溫環(huán)境工況，包括溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[11]，利用跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬作業(yè)強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能為職業(yè)安全健康領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)教學(xué)和科技創(chuàng)新提供重要平臺(tái)支持。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

人體處于冷環(huán)境時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如外周血管收縮、代謝產(chǎn)熱量增加等生理反應(yīng)。皮膚血管收縮反應(yīng)可使人體的體表溫度降至接近周?chē)h(huán)境冷空氣的水平，減小人體表面與環(huán)境的溫度梯度，從而使輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等散熱作用降低到最低程度。當(dāng)周身血管收縮時(shí)，肢體就被動(dòng)地冷卻下來(lái)，環(huán)境的冷卻能力超過(guò)了人體的產(chǎn)熱能力，人體局部溫度會(huì)下降。當(dāng)人體核心溫度及皮膚溫度低于正常范圍時(shí)，生命健康和安全會(huì)受到較大威脅[12-13]。周身運(yùn)動(dòng)肌和感覺(jué)神經(jīng)的冷卻能引起周身系統(tǒng)的麻痹，從而引起肌肉寒顫。寒顫會(huì)引起運(yùn)動(dòng)肌控制紊亂，這種現(xiàn)象稱為“寒顫性麻痹”[5]。

此外，低溫對(duì)人體的認(rèn)知功能有較大影響。人體處于低溫環(huán)境時(shí)，注意力會(huì)被分散，即注意力會(huì)集中于感覺(jué)寒冷上，而不能有效完成所提供的認(rèn)知任務(wù)。低溫還會(huì)導(dǎo)致人的反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)、記憶力降低及眼手協(xié)調(diào)能力減弱等。體溫降低會(huì)影響體力工作效能，如手部皮膚溫度降到15.5 ℃時(shí)，皮膚血管收縮，組織溫度明顯下降，導(dǎo)致肌力水平降低，操作功能開(kāi)始受到影響；降到10~12 ℃時(shí)手部感覺(jué)麻痛，觸覺(jué)明顯減弱；當(dāng)手部皮膚溫度低于8 ℃時(shí)，觸覺(jué)敏感性急劇下降；當(dāng)溫度下降到4 ℃時(shí)，手基本失去觸覺(jué)[14]。冷環(huán)境對(duì)人體腦力勞動(dòng)也有較大影響，低溫會(huì)使作業(yè)人員注意力下降、反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)、作業(yè)失誤率增加，降低需要集中注意力的復(fù)雜腦力勞動(dòng)的工作效能。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施

1.2.1 低溫環(huán)境模擬

本文設(shè)計(jì)的低溫作業(yè)環(huán)境下人體生理及認(rèn)知反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用人工環(huán)境艙構(gòu)建低溫環(huán)境工況，人工環(huán)境艙尺寸為8.5 m×3.2 m×3.2 m（長(zhǎng)×寬×高），該環(huán)境艙能夠模擬多種低溫環(huán)境工況，且由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。環(huán)境艙由實(shí)驗(yàn)艙和緩沖艙組成，其中實(shí)驗(yàn)艙可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度–30~+40 ℃和相對(duì)濕度20%~90%之間的連續(xù)調(diào)控，緩沖艙是為受試者實(shí)驗(yàn)前提供的休息準(zhǔn)備場(chǎng)所。

1.2.2 作業(yè)強(qiáng)度模擬

本文低溫作業(yè)環(huán)境下人體生理及認(rèn)知反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8996，利用跑步機(jī)模擬作業(yè)強(qiáng)度。根據(jù)ISO 8996，跑步機(jī)設(shè)定不同的速度可以模擬輕度（0 km/h）、中度（3.5 km/h）和重度（5.5 km/h）體力勞動(dòng)[11]。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的跑步機(jī)型號(hào)為Walkingpad A1，見(jiàn)圖1。

圖1 跑步機(jī)

1.2.3 人體生理反應(yīng)參數(shù)測(cè)量

對(duì)于低溫環(huán)境工況下作業(yè)人員的生理反應(yīng)參數(shù)變化情況，采用國(guó)際上比較常用的集成生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（英國(guó)，EQ02 LifeMonitor）進(jìn)行測(cè)量記錄，見(jiàn)圖2。該生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括SEM模塊、M Dock、藍(lán)牙適配器（Bluetooth Dongle）、傳感器背帶、血氧飽和度探頭、核心體溫膠囊、皮膚溫度貼片、皮電反應(yīng)（GSR）傳感器、外部電池包，以及Equivital Manager和eqView Professional軟件。該生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)血氧、心率、呼吸頻率、人體核心溫度、皮膚溫度、體位和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等生理參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸（無(wú)線或USB有線），內(nèi)置8 GB存儲(chǔ)卡，可連續(xù)記錄40天的人體生理參數(shù)，每套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量6個(gè)受試人員。

圖2 EQ02生理集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2.4 人體認(rèn)知反應(yīng)測(cè)量

低溫環(huán)境下人體的認(rèn)知反應(yīng)特征，采用世界衛(wèi)生組織推薦的神經(jīng)行為核心功能測(cè)試組合（Neurobehavioral Core Test Battery，簡(jiǎn)稱NCTB）進(jìn)行測(cè)量分析。低溫環(huán)境下人的認(rèn)知功能測(cè)試共包含7項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容：情緒狀態(tài)量表（POMS）、簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)間、數(shù)字跨度、手敏捷度、數(shù)字譯碼、視覺(jué)保留和目標(biāo)追蹤，部分測(cè)量?jī)x器和測(cè)試如圖3所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

該實(shí)驗(yàn)要求受試人員身體健康、無(wú)不良疾病，且在低溫及低氧環(huán)境中無(wú)過(guò)敏及哮喘反應(yīng)，無(wú)凍傷史。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

（1）在人工環(huán)境艙實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前5 d對(duì)受試人員進(jìn)行NCTB測(cè)試，在常溫中性環(huán)境下（20 ℃左右）進(jìn)行，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，作為對(duì)照組；

（2）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前6 h，受試人員服下EQ02的人體核心體溫膠囊，用于監(jiān)測(cè)低溫環(huán)境下人體核心體溫變化情況；

（3）受試人員穿戴好低溫防護(hù)服及生理測(cè)量設(shè)備后靜坐于緩沖艙（0~20 ℃之間）內(nèi)1 h，以減小環(huán)境對(duì)人體實(shí)驗(yàn)的影響；

（4）進(jìn)入低溫環(huán)境艙（0 ℃以下），在低溫環(huán)境艙靜坐暴露15 min，期間無(wú)休息，EQ02LifeMonitor集成生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每15 s自動(dòng)記錄一次人體生理反應(yīng)數(shù)據(jù)；

（5）利用跑步機(jī)設(shè)定不同速度，受試人員進(jìn)行輕度勞動(dòng)、中度勞動(dòng)或重度勞動(dòng)，每勞動(dòng)5 min休息 1 min，勞動(dòng)與休息時(shí)間比例為5:1，此過(guò)程共35 min；

（6）整個(gè)勞動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，對(duì)受試人員進(jìn)行NCTB測(cè)試，并記錄各分項(xiàng)測(cè)驗(yàn)的得分；

（7）受試人員進(jìn)入緩沖艙靜坐30 min；

（8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所有記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

圖3 NCTB部分測(cè)試

2 實(shí)驗(yàn)示例

本實(shí)驗(yàn)示例設(shè)定低溫環(huán)境艙溫度–10 ℃、風(fēng)速2 m/s、輕度勞動(dòng)強(qiáng)度（靜坐）的低溫工況，選取6名20~30周歲的青年男性作為受試人員，在人工環(huán)境艙中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4），記錄各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)下人體生理反應(yīng)參數(shù)和認(rèn)知功能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測(cè)得受試人員核心體溫、額頭等局部皮膚溫度變化情況見(jiàn)圖5。

測(cè)得受試人員認(rèn)知功能變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1—表3。

該實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

（1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查SEM模塊電量是否充足，防止實(shí)驗(yàn)期間因電量耗盡導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失；

（2）認(rèn)知功能測(cè)試的7項(xiàng)測(cè)驗(yàn)應(yīng)按順序進(jìn)行，并且每一分項(xiàng)測(cè)驗(yàn)的時(shí)間要嚴(yán)格把控；

（3）人體核心體溫膠囊需用溫水吞服，防止水溫對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良影響；

(a) 生理參數(shù)測(cè)量 (b) 認(rèn)知功能測(cè)試

圖5 低溫環(huán)境下人體核心體溫與局部皮膚溫度變化情況

表1 情緒狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)（得分）

表2 簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)、數(shù)字跨度、數(shù)字譯碼和視覺(jué)保留測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 手敏捷度測(cè)試數(shù)據(jù)和目標(biāo)追蹤測(cè)試數(shù)據(jù)（得分）

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用eqView Professional軟件實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)數(shù)據(jù)異常或消失，立即對(duì)受試者佩戴設(shè)備進(jìn)行檢查。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的低溫環(huán)境下人體生理反應(yīng)及認(rèn)知反應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能為安全工程專(zhuān)業(yè)和消防工程專(zhuān)業(yè)的安全人機(jī)工程、職業(yè)衛(wèi)生等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供支撐，豐富了教學(xué)形式和內(nèi)容，增強(qiáng)了課程教學(xué)效果。此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以為本科生和研究生開(kāi)展職業(yè)安全健康研究領(lǐng)域多種開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用人工環(huán)境艙可以實(shí)現(xiàn)多種低溫環(huán)境工況的模擬，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)借助跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)可以模擬多種作業(yè)強(qiáng)度，采用EQ02集成生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和NCTB認(rèn)知量表，可以有效分析低溫環(huán)境工況（溫度、濕度、風(fēng)速）及作業(yè)強(qiáng)度等因素對(duì)人體生理反應(yīng)和認(rèn)知功能的影響，有助于深入了解低溫環(huán)境下作業(yè)人員的生理及認(rèn)知反應(yīng)特點(diǎn)和變化規(guī)律，為人體冷損傷評(píng)估提供依據(jù)，并為低溫作業(yè)環(huán)境下安全防護(hù)裝備的防護(hù)性能評(píng)測(cè)提供技術(shù)支持。

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[4] 低溫環(huán)境暴露對(duì)認(rèn)知能力的影響[C]//中國(guó)生理學(xué)會(huì)應(yīng)用生理學(xué)委員會(huì)第九屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議暨解放軍生理學(xué)與病理生理學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)全軍學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2012: 70–70.

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Design of experiment on human physiological and cognitive responses in low temperature environment

WU Jiansong, KANG Kaiqian, HAN Zhaoxing, YANG Lin, HU Zhuqiang

(School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In order to systematically analyze the changes of human physiological and cognitive responses in low temperature environment, an experimental scheme is designed to measure and analyze such responses in the low temperature environment, which includes experimental content and process, experimental equipment and facilities, human physiological and cognitive response measurement indicators, etc. In this experiment, the artificial environment chamber is used to simulate the working conditions of the low temperature environment, which includes temperature, humidity, wind speed and other environmental parameters. At the same time, the treadmill motion is accepted to simulate the working intensity according to international standards.

physiological response; cognitive response; low temperature environment

R188

A

1002-4956(2019)07-0054-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.015

2019-02-17

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0802801）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目（J180109）

吳建松（1985—），男，河北邯鄲，博士，副教授，研究方向?yàn)榘踩茖W(xué)與工程.E-mail: jiansongwu@163.com