野外極端低溫環(huán)境人體皮膚溫度變化研究

劉詠馨，李晨明，魏慧琳，趙友全，馬 天

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)寒潮極端天氣頻發(fā)，低溫冷凍、雪災(zāi)及風(fēng)雹時(shí)有發(fā)生[1-2]，極端低溫環(huán)境給人體健康與安全帶來(lái)巨大威脅。高山高原、水下、現(xiàn)代化工廠(chǎng)低溫車(chē)間工作人員以及野外救援人員，需要在嚴(yán)寒環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)，面臨嚴(yán)峻凍傷風(fēng)險(xiǎn)。生理狀況不佳導(dǎo)致機(jī)體各系統(tǒng)功能處于較低水平，極端低溫環(huán)境下，雖然核心溫度基本不會(huì)變化，但可造成皮膚損傷與疼痛。

皮膚溫度一般介于核心溫度與環(huán)境溫度之間。皮膚是人體主要感知器官，參與溫度調(diào)節(jié)過(guò)程，反映體內(nèi)至體表熱轉(zhuǎn)移狀況，是計(jì)算人體能量代謝、分析人體與環(huán)境間熱交換重要參數(shù)，也是評(píng)價(jià)人體局部?jī)鰝潭戎匾笜?biāo)。皮膚溫度作為舒適評(píng)價(jià)模型輸入變量，可為人體冷舒適生理模型建立提供有效數(shù)據(jù)。

學(xué)者針對(duì)常溫與高溫環(huán)境下風(fēng)速、濕度及特殊空間對(duì)皮膚溫度影響展開(kāi)研究[3-9]；文獻(xiàn)[10-11]研究冷卻屏蔽服、相變降溫作訓(xùn)服在高溫條件下對(duì)人體皮膚溫度影響；任可等[12]分析低溫環(huán)境下，應(yīng)急救援人員手部和臉部皮膚溫度變化規(guī)律；賀艷等[13]評(píng)估手指不同部位在低溫環(huán)境中溫度變化。針對(duì)低溫環(huán)境下皮膚溫度變化規(guī)律研究主要集中于局部部位，對(duì)野外極端低溫環(huán)境下人體局部皮膚溫度研究較少。

本文在-16.0 ℃～-30 ℃野外極端低溫且無(wú)風(fēng)環(huán)境下，區(qū)分日間清醒與夜間睡眠狀態(tài)，同時(shí)考慮防護(hù)裝備保暖性，通過(guò)皮溫測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象5個(gè)代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和腳趾)皮膚溫度進(jìn)行測(cè)試，探究野外極端低溫環(huán)境下人體代表性部位皮膚溫度變化規(guī)律。研究結(jié)果可為兼顧保暖性與輕便性防寒裝備研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)選取12名健康男性，年齡介于18～23歲，身高(173.6±4.2)cm，體重(55.3±3.6)kg，心肺功能正常，在寒區(qū)連續(xù)生活1 a以上，具有一定寒冷習(xí)服性。整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象正常飲食，不攝入酒精、咖啡，不抽煙，未服用藥物。

1.2 測(cè)試部位

選取人體5個(gè)代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和腳趾)，測(cè)量皮膚溫度，并根據(jù)各部位面積占比計(jì)算皮膚平均溫度Tsk，如式(1)所示：

(1)

式中：Tsk表示皮膚平均溫度，℃；T胸部、T手臂、T大腿、T小腿分別表示胸部、手臂、大腿及小腿皮膚溫度，℃。腳趾溫度不計(jì)入皮膚平均溫度計(jì)算。皮膚溫度測(cè)量位置如圖1所示。

圖1 皮膚溫度測(cè)量位置

1.3 實(shí)驗(yàn)皮溫測(cè)量系統(tǒng)

使用多人無(wú)線(xiàn)皮溫測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量皮膚溫度，精度達(dá)到±0.1 ℃。通過(guò)導(dǎo)熱膠貼將貼片固定于每位實(shí)驗(yàn)對(duì)象待測(cè)部位，測(cè)量皮膚溫度。測(cè)試過(guò)程中，每位實(shí)驗(yàn)對(duì)象均使用同一套皮溫測(cè)量系統(tǒng)。環(huán)境溫度通過(guò)溫度傳感器測(cè)量，均勻放置于帳篷內(nèi)不同角落，測(cè)量精度±0.1 ℃。

1.4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)內(nèi)蒙古滿(mǎn)洲里地區(qū)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年12月，連續(xù)3 d固定時(shí)間段測(cè)量溫度，即日間14∶30-16∶30的120 min，夜間22∶39-01∶39的180 min。實(shí)驗(yàn)期間帳篷內(nèi)環(huán)境溫度為-16.0 ℃～-30 ℃。

為區(qū)別日間清醒狀態(tài)與夜間睡眠狀態(tài)下人體5個(gè)代表性部位皮膚溫度差異，日間實(shí)驗(yàn)在無(wú)風(fēng)帳篷內(nèi)靜坐狀態(tài)下完成，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一衣著保暖量為6.5 clo的配套服裝；夜間實(shí)驗(yàn)在無(wú)風(fēng)帳篷睡袋中靜臥狀態(tài)下完成，實(shí)驗(yàn)過(guò)程統(tǒng)一配套保暖裝備，包括單人帳篷、充氣睡墊、保暖睡袋，睡袋保暖量為3～9 clo。

1.5 實(shí)驗(yàn)終止條件

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)終止實(shí)驗(yàn)：

1)皮膚平均溫度低于31.5 ℃或腳趾溫度低于15 ℃。

2)實(shí)驗(yàn)對(duì)象主觀(guān)感覺(jué)寒冷，難以堅(jiān)持。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

通過(guò)SPSS 23獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析夜間實(shí)驗(yàn)最后20 min是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)，通過(guò)非參數(shù)檢驗(yàn)分析不同部位同一時(shí)刻溫度顯著性，及同一部位不同時(shí)刻溫度顯著性，置信水平為95%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 日間實(shí)驗(yàn)

12名實(shí)驗(yàn)對(duì)象在無(wú)風(fēng)帳篷內(nèi)靜坐，帳篷內(nèi)環(huán)境溫度分別為(-21.2±0.8)℃、(-17.3±0.8)℃、(-20.6±0.4)℃。日間實(shí)驗(yàn)期5個(gè)代表性部位皮膚溫度和皮膚平均溫度Tsk(不含腳趾溫度)變化如圖2所示。

由圖2可知，日間測(cè)試后期，腳趾皮膚溫度相對(duì)最低，溫度變化幅度較大，3 d平均降低14.7 ℃；實(shí)驗(yàn)初期，胸部、手臂溫度3 d平均值分別為34.0 ℃，34.2 ℃；實(shí)驗(yàn)開(kāi)始10 min內(nèi)，胸部溫度大于手臂溫度，并一直高于手臂溫度，2者溫度均高于皮膚平均溫度；3 d皮膚平均溫度范圍為31.7 ℃～33.8 ℃。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，胸部溫度相對(duì)最高。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，大腿與小腿溫度接近。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，大腿和小腿溫度3 d均值分別為33.6 ℃，33.2 ℃，大腿溫度略高于小腿，但大腿溫度進(jìn)入低溫環(huán)境后下降速度較快，實(shí)驗(yàn)前半段低于小腿溫度，后半段高于小腿溫度，小腿溫度均勻下降。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行120 min時(shí)，各部位皮膚溫度為胸部溫度>手臂溫度>大腿溫度>小腿溫度>腳趾溫度；下降幅度腳趾>小腿>大腿>手臂>胸部，從上部至下部皮膚溫度下降幅度逐漸增大。

通過(guò)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)或非參數(shù)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)除胸部與手臂、胸部與大腿、大腿與小腿外，其他兩兩部位間存在顯著差異(P<0.05)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，任意兩兩部位間均有顯著差異(P<0.05)。同一部位在實(shí)驗(yàn)初始和結(jié)束時(shí)刻除胸部外均有顯著差異(P<0.05)，說(shuō)明低溫暴露對(duì)除胸部外以4個(gè)部位皮膚溫度產(chǎn)生顯著影響。

2.2 夜間實(shí)驗(yàn)

12名實(shí)驗(yàn)對(duì)象在無(wú)風(fēng)帳篷內(nèi)睡袋中靜臥，夜間帳篷內(nèi)環(huán)境溫度分別為(-23.3±0.9)℃，(-23.2±1.0)℃，(-25.4±0.5)℃。5個(gè)代表性部位皮膚溫度和皮膚平均溫度Tsk變化如圖3所示。

圖3 夜間實(shí)驗(yàn)5個(gè)代表性部位皮膚溫度及皮膚平均溫度變化

由圖3可知，夜間實(shí)驗(yàn)胸部、手臂、大腿和小腿皮膚溫度均呈快速上升-緩慢下降-基本趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。腳趾溫度呈無(wú)規(guī)律波浪式變化，3 d平均變化幅度小于6.1 ℃；夜間小腿溫度與其他部位分離，且明顯低于胸部、手臂和大腿溫度，說(shuō)明夜間靜臥期間，小腿和腳趾對(duì)低溫環(huán)境較為敏感。夜間皮膚平均溫度范圍為33.3 ℃～35.1 ℃，大于日間皮膚平均溫度。

夜間實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，胸部溫度相對(duì)最高，隨時(shí)間增長(zhǎng)，大腿溫度高于胸部且一直大于胸部溫度，僅在第1 d后期，出現(xiàn)短暫溫度反轉(zhuǎn)，可認(rèn)為夜間大腿溫度相對(duì)最高。

夜間實(shí)驗(yàn)后期，除腳趾外各部位溫度變化幅度非常小。通過(guò)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第160,180 min時(shí)，除腳趾外各部位溫度無(wú)顯著差異(P>0.05)，認(rèn)為除腳趾外各部位溫度趨于穩(wěn)定。調(diào)定點(diǎn)理論認(rèn)為在體溫調(diào)節(jié)中樞內(nèi)有1個(gè)調(diào)定點(diǎn)，體溫調(diào)節(jié)機(jī)制圍繞調(diào)定點(diǎn)調(diào)控體溫。本文以夜間最后20 min溫度均值作為各部位調(diào)定點(diǎn)溫度，與高溫下各部位皮膚層調(diào)定點(diǎn)溫度進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 夜間各部位皮膚調(diào)定點(diǎn)溫度

由表1可知，除手臂外，胸部、大腿和小腿溫度與高溫下皮膚層調(diào)定點(diǎn)溫度均有顯著差異(P<0.05)，表明高、低溫環(huán)境下皮膚層調(diào)定點(diǎn)溫度除手臂外有明顯不同，低溫調(diào)定點(diǎn)溫度偏高，尤其體現(xiàn)在胸部和大腿溫度。

通過(guò)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)或非參數(shù)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)除胸部與大腿外其他兩兩部位間均有顯著差異(P<0.05)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻除小腿與腳趾、手臂與大腿外其他兩兩部位間均有顯著差異(P<0.05)。夜間同一部位在初始和結(jié)束時(shí)刻，除腳趾外均有顯著差異(P<0.05)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

裸露在低溫環(huán)境中的面部皮膚、黏膜上的冷覺(jué)感受器受冷空氣刺激，引起體溫神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)，體液調(diào)節(jié)通過(guò)分泌甲狀腺激素提高機(jī)體細(xì)胞氧化速率，增加機(jī)體基礎(chǔ)代謝率。神經(jīng)調(diào)節(jié)通過(guò)體溫調(diào)節(jié)中樞下丘腦發(fā)揮分級(jí)調(diào)控作用，使腎上腺素水平增加，骨骼肌戰(zhàn)栗，立毛肌和毛細(xì)血管收縮。此外，人體內(nèi)白色和棕色脂肪組織含量及轉(zhuǎn)化率也會(huì)影響產(chǎn)熱能力[14]。

3.1 日間實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)進(jìn)入低溫環(huán)境后，人體迅速調(diào)動(dòng)主動(dòng)調(diào)控機(jī)制，積極產(chǎn)熱，因此實(shí)驗(yàn)初期皮膚溫度出現(xiàn)短暫上升。靜止條件下，肝臟是主要產(chǎn)熱器官，位于胸部和手臂附近，因此胸部溫度變化幅度相對(duì)較小，手臂次之。

2)當(dāng)人體在低溫下靜坐時(shí)，血管收縮，血液循環(huán)速率減慢，傳遞到四肢熱量減少，隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)，皮膚溫度下降。離心臟越遠(yuǎn)，溫度下降越明顯。腳趾由于距離心臟最遠(yuǎn)，血液供氧能力差，且缺乏較厚脂肪層保暖，溫度下降尤為明顯，可根據(jù)低溫下腳趾溫度變化規(guī)律調(diào)整工作時(shí)長(zhǎng)，為最佳工作時(shí)長(zhǎng)和排班策略提供數(shù)據(jù)支持。

3)大腿表面積(散熱)較大和骨骼肌重量較大(產(chǎn)熱)，實(shí)驗(yàn)前期大腿溫度下降較快，后期下降緩慢。小腿表面積較小和骨骼肌重量較輕，溫度均勻下降。

4)根據(jù)日間實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象上半身保暖量足夠抵御較長(zhǎng)時(shí)間低溫，下半身服裝和靴子保暖量不足。建議改進(jìn)服裝材料，選擇不透風(fēng)的最外層，加厚保暖層。尤其是腳趾部位，鞋子應(yīng)全方位防風(fēng)，并加厚襪層，也可通過(guò)適當(dāng)運(yùn)動(dòng)或飲用熱水等方式增加熱量。

3.2 夜間實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)夜間由于環(huán)境溫度進(jìn)一步降低，人體對(duì)寒冷刺激做出的生理調(diào)控反應(yīng)較為激烈，實(shí)驗(yàn)初期各部位皮膚升溫明顯。由于負(fù)反饋調(diào)節(jié)，機(jī)體適應(yīng)冷刺激后，體溫調(diào)節(jié)機(jī)制減弱，因此實(shí)驗(yàn)初期各部位皮膚溫度升溫較快，而后緩慢下降并逐漸趨于穩(wěn)定。

2)隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，皮膚溫度緩慢下降，這是由于睡眠時(shí)人體抗寒能力減弱，身體保護(hù)機(jī)制會(huì)把大部分血液回流至心臟、大腦等重要器官，維持正常核心體溫，使肢體末梢溫度下降。在睡袋中睡眠，雖然有充氣睡墊阻隔，地面寒氣仍會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)到達(dá)人體。體溫調(diào)節(jié)學(xué)說(shuō)認(rèn)為，夜晚褪黑素分泌高于白天，褪黑素能夠促進(jìn)睡眠，降低體溫，有可能造成皮膚溫度降低[15]。

3)大腿位于身體中部，由于睡袋密閉性良好，大腿受外界環(huán)境影響較小，相對(duì)小腿和腳趾部位更接近心臟，能夠相對(duì)快速地得到氧化熱量，且大腿脂肪層較厚，有較好保暖作用，因此夜間大腿溫度相對(duì)最高。夜間整體保暖量相對(duì)日間更加充足，實(shí)驗(yàn)后期各部位皮膚溫度變化幅度均小于日間實(shí)驗(yàn)。

4)夜間由于燈光輻射、睡姿改變等皮膚溫度會(huì)瞬時(shí)變化。雖然處于無(wú)風(fēng)帳篷內(nèi)，但睡姿改變導(dǎo)致睡袋附近空氣流動(dòng)，冷空氣通過(guò)睡袋上部呼吸口侵入，造成胸部或手臂溫度驟降。通過(guò)采取在睡眠前抖動(dòng)睡袋，增加睡袋中空氣含量的方式增強(qiáng)保暖性，并將脫下的服裝覆蓋在腳趾位置，可進(jìn)一步減小低溫環(huán)境對(duì)腳趾的影響。

4 結(jié)論

1)日間靜坐實(shí)驗(yàn)中，各部位皮膚溫度下降幅度從上部至下部逐漸增大；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各部位皮膚溫度大小為胸部>手臂>大腿>小腿>腳趾，距離心臟越遠(yuǎn)，散熱越嚴(yán)重。大腿和小腿在實(shí)驗(yàn)中后期出現(xiàn)溫度反轉(zhuǎn)。

2)夜間靜臥實(shí)驗(yàn)中，胸部、手臂、大腿和小腿溫度均呈快速上升-緩慢下降-趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各部位皮膚溫度為大腿>胸部>手臂>小腿>腳趾，夜間大腿皮膚溫度相對(duì)最高。

3)無(wú)論日間還是夜間實(shí)驗(yàn)，腳趾皮膚溫度均相對(duì)最低。日間實(shí)驗(yàn)至120 min時(shí)，腳趾皮膚溫度平均降低14.7 ℃；夜間實(shí)驗(yàn)至180 min時(shí)，腳趾皮膚溫度平均變化幅度小于6.1 ℃，需要進(jìn)行重點(diǎn)保暖。夜間由于受外界環(huán)境影響小，皮膚平均溫度高于日間，變化幅度小于日間。