高溫環(huán)境下人體年齡對熱生理與行為能力的影響

謝英毫，盧業(yè)虎,2，沈海明

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)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(xué) 飛行技術(shù)學(xué)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(chǎn)生不同程度的生理應(yīng)激和心理負(fù)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(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致人的行為控制能力下降，如反應(yīng)能力、動作準(zhǔn)確性、動作靈活性、動作協(xié)調(diào)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?jǐn)?shù)下極端熱環(huán)境中人體生理、心理等反應(yīng)[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(biāo)，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(dá)38～38.2 ℃時，耐受時間為80～85 min，當(dāng)核心體溫達(dá)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(qiáng)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(zhǔn)確、快速地測量受試者的行為能力[6]。汪光文等提出飛機(jī)座艙溫、濕度環(huán)境在空調(diào)系統(tǒng)失效情況下不會影響機(jī)組人員工作，也不會對乘客構(gòu)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(dá)到38.0 ℃時的實際觀察暴露時間，預(yù)測急性熱應(yīng)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(yù)測有效性，預(yù)測最不耐受者在熱應(yīng)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(shù)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(yīng)、主觀評價和神經(jīng)行為能力等指標(biāo)相結(jié)合，探討高溫環(huán)境是否對人體行為能力產(chǎn)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(zhì)量(67.5±4.3) kg，BMI指數(shù)(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(zhì)量(72±6.9) kg，BMI指數(shù)(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(zhì)量(62.5±10.2) kg，BMI指數(shù)(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(nèi)禁止進(jìn)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(nèi)進(jìn)行，溫度(40±0.5) ℃，相對濕度40%±5%，風(fēng)速(0.2±0.1) m/s，受試者在跑步機(jī)上以速度5 km/h，坡度Level 5行走。使用設(shè)備記錄受試者的生理指標(biāo)，實驗中記錄受試者的主觀評價并使用NES-C3神經(jīng)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(lǐng)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(biāo)

1.4.1 生理參數(shù) 1) 核心溫度。使用HQ核心體溫監(jiān)測設(shè)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(zhì)量秤(ICS639，德國METTLER TOLEDO)測量受試者裸體質(zhì)量(含內(nèi)褲)記為W1，測量實驗穿著服裝與毛巾的質(zhì)量為G1，實驗結(jié)束后，用毛巾擦干體表殘余汗液，再次測量裸體質(zhì)量(含內(nèi)褲)記為W2，稱量服裝與毛巾的質(zhì)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(biāo)尺的基礎(chǔ)上增加了兩極為9點主觀評價標(biāo)尺，熱舒適性采用4點單向標(biāo)尺，皮膚濕度采用4點主觀評價標(biāo)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(jié)束時分別記錄受試者主觀感覺。

1.4.3 行為能力 采用神經(jīng)行為能力評測系統(tǒng)(NES-C3，中國海志達(dá)信息科技有限公司)，通過心算、視覺保留、注意力調(diào)轉(zhuǎn)、選擇反應(yīng)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(yù)先達(dá)到熱中性狀態(tài)，采用NES-C3測評系統(tǒng)對受試者進(jìn)行神經(jīng)行為能力測評(約10 min)，測量受試者體質(zhì)量，替換實驗服裝，佩戴測量儀器，隨后進(jìn)入預(yù)設(shè)好的氣候室，受試者在跑步機(jī)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(dá)到38 ℃后，記錄受試者的主觀感覺，使用NES-C3對受試者進(jìn)行神經(jīng)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(zhì)量(含內(nèi)褲)，實驗結(jié)束。

圖 2 實驗流程圖Fig.2 Testing trial

1.6 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式記錄，使用IBM SPSS statistics 21軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果與討論

2.1 生理參數(shù)

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(dá)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(dá)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(dá)到38 ℃前

(b) 38 ℃至實驗結(jié)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(dá)到38 ℃后進(jìn)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(biāo)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(dá)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(xí)慣等都會影響個體對熱應(yīng)激的反應(yīng)。在這些個人特征中，年齡和健康狀況是最重要的耐熱性預(yù)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(qiáng)的，30、40歲組每周鍛煉次數(shù)、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(yīng)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(nèi)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(jié)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(dá)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(dá)到38 ℃前

(b) 38 ℃至實驗結(jié)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(jié)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(jù)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(dá)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(dá)到38 ℃

(b) 38 ℃至實驗結(jié)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(dá)到2.8±0.5、2.75±0.8和2.45±0.7，在行走階段2結(jié)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(dá)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(dá)到12.4±3、12.6±2.1和11.5±2.6(有點累)，第3次達(dá)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(jù)PANDOLF研究，在10天高溫訓(xùn)練適應(yīng)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(yīng)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(xiàn)[15]中2組受試者體質(zhì)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(zhì)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(diào)節(jié)能力密切相關(guān)[16]，這可能是本文實驗結(jié)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(jié)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(diào)轉(zhuǎn)、選擇反應(yīng)時沒有顯著性差異(p>0.2)。即受試者在所模擬的實驗強(qiáng)度內(nèi)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(diào)轉(zhuǎn)

(d) 選擇反應(yīng)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(yīng)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(diào)轉(zhuǎn)能力各階段無顯著性差異(p>0.05)；選擇反應(yīng)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(dá)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(qiáng)于30、40歲組。心算反應(yīng)了人體的邏輯、反應(yīng)能力和人的操作能力，操作復(fù)雜程度比其余項目強(qiáng)，因此導(dǎo)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(nèi)，需要熟練操作和判斷的復(fù)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(chǎn)生一些差異，這也可能和熱應(yīng)激效應(yīng)有一定關(guān)系。

3 結(jié) 論

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

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