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不同極端低溫環境人體5個部位皮膚的溫度測試

來源:中國安全生產科學技術 作者:劉詠馨,李晨明,魏慧琳
發布于:2021-09-27 共6656字

  摘    要: 為明確不同極端低溫環境與防護裝備下,日間清醒和夜間睡眠狀態下各部位皮膚溫度變化特征,在-16℃~-30℃極端低溫環境下,采用皮溫測量系統對實驗對象5個代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和腳趾)皮膚溫度進行測試。結果表明:日間測試胸部溫度相對最高,大腿和小腿在實驗中后期出現溫度反轉。夜間除腳趾外,各部位皮膚溫度變化差異較小,大腿溫度相對最高,小腿溫度與其他部位分離。研究結果可為低溫環境下防護服研發與保暖效果評價提供參考。

  關鍵詞:     極端低溫環境,皮膚溫度,腳趾溫度,防護裝備,

  Abstract: In order to clarify the change characteristics of skin temperature at various parts in the daytime awake and night sleep states under different extreme low-temperature environments and protective equipments, the skin temperature measurement system was used to measure the skin temperatures of five representative parts of experimental subjects, including the chest, arm, thigh, calf and toe, under the extreme low-temperature environment from-16 ℃ to-30 ℃.The results showed that in the daytime tests, the chest temperature was relatively the highest, and the thigh and calf temperatures reversed in the middle and late stages of the experiment.In the night tests, the skin temperatures change of various areas had little difference except the toe, the thigh temperature was relatively the highest, and the calf temperature was separated from other parts.The research results provide reference for the research and development of protective clothing and the evaluation of thermal insulation effect in low-temperature environment.

  Keyword: extreme low-temperature environment; skin temperature; toe temperature; protective equipment;

  0、 引言

  近年來,我國寒潮極端天氣頻發,低溫冷凍、雪災及風雹時有發生[1,2],極端低溫環境給人體健康與安全帶來巨大威脅。高山高原、水下、現代化工廠低溫車間工作人員以及野外救援人員,需要在嚴寒環境下進行作業活動,面臨嚴峻凍傷風險。生理狀況不佳導致機體各系統功能處于較低水平,極端低溫環境下,雖然核心溫度基本不會變化,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境溫度之間。皮膚是人體主要感知器官,參與溫度調節過程,反映體內至體表熱轉移狀況,是計算人體能量代謝、分析人體與環境間熱交換重要參數,也是評價人體局部凍傷程度重要指標。皮膚溫度作為舒適評價模型輸入變量,可為人體冷舒適生理模型建立提供有效數據。

  學者針對常溫與高溫環境下風速、濕度及特殊空間對皮膚溫度影響展開研究[3,4,5,6,7,8,9];文獻[10,11]研究冷卻屏蔽服、相變降溫作訓服在高溫條件下對人體皮膚溫度影響;任可等[12]分析低溫環境下,應急救援人員手部和臉部皮膚溫度變化規律;賀艷等[13]評估手指不同部位在低溫環境中溫度變化。針對低溫環境下皮膚溫度變化規律研究主要集中于局部部位,對野外極端低溫環境下人體局部皮膚溫度研究較少。

  本文在-16.0 ℃~-30 ℃野外極端低溫且無風環境下,區分日間清醒與夜間睡眠狀態,同時考慮防護裝備保暖性,通過皮溫測量系統對實驗對象5個代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和腳趾)皮膚溫度進行測試,探究野外極端低溫環境下人體代表性部位皮膚溫度變化規律。研究結果可為兼顧保暖性與輕便性防寒裝備研發提供指導。

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  1、 實驗

  1.1、 實驗對象

  實驗選取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,在寒區連續生活1 a以上,具有一定寒冷習服性。整個測試周期內,實驗對象正常飲食,不攝入酒精、咖啡,不抽煙,未服用藥物。

  1.2 、測試部位

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

  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,℃。腳趾溫度不計入皮膚平均溫度計算。皮膚溫度測量位置如圖1所示。

  圖1 皮膚溫度測量位置

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  Fig.1 Measurement positions of skin temperature

  1.3、 實驗皮溫測量系統

  使用多人無線皮溫測量系統測量皮膚溫度,精度達到±0.1 ℃。通過導熱膠貼將貼片固定于每位實驗對象待測部位,測量皮膚溫度。測試過程中,每位實驗對象均使用同一套皮溫測量系統。環境溫度通過溫度傳感器測量,均勻放置于帳篷內不同角落,測量精度±0.1 ℃。

  1.4、 實驗環境

  實驗地點位于中國內蒙古滿洲里地區,實驗時間為2019年12月,連續3 d固定時間段測量溫度,即日間14∶30-16∶30的120 min, 夜間22∶39-01∶39的180 min。實驗期間帳篷內環境溫度為-16.0 ℃~-30 ℃。

  為區別日間清醒狀態與夜間睡眠狀態下人體5個代表性部位皮膚溫度差異,日間實驗在無風帳篷內靜坐狀態下完成,實驗統一衣著保暖量為6.5 clo的配套服裝;夜間實驗在無風帳篷睡袋中靜臥狀態下完成,實驗過程統一配套保暖裝備,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、 實驗終止條件

  根據經驗,當出現下列情況之一時終止實驗:

  1)皮膚平均溫度低于31.5 ℃或腳趾溫度低于15 ℃。

  2)實驗對象主觀感覺寒冷,難以堅持。

  1.6、 數據分析方法

  通過SPSS 23獨立樣本T檢驗分析夜間實驗最后20 min是否達到穩態,通過非參數檢驗分析不同部位同一時刻溫度顯著性,及同一部位不同時刻溫度顯著性,置信水平為95%。

  2、 實驗結果

  2.1、 日間實驗

  12名實驗對象在無風帳篷內靜坐,帳篷內環境溫度分別為(-21.2±0.8) ℃、(-17.3±0.8) ℃、(-20.6±0.4) ℃。日間實驗期5個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。

  圖2 日間實驗5個代表性部位皮膚溫度及皮膚平均溫度變化

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  Fig.2 Changes in skin temperatures and average skin temperatures at 5 representative parts in daytime experiments

  由圖2可知,日間測試后期,腳趾皮膚溫度相對最低,溫度變化幅度較大,3 d平均降低14.7 ℃;實驗初期,胸部、手臂溫度3 d平均值分別為34.0 ℃,34.2 ℃;實驗開始10 min內,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 ℃。當實驗結束時,胸部溫度相對最高。

  實驗過程中,大腿與小腿溫度接近。實驗開始時,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,但大腿溫度進入低溫環境后下降速度較快,實驗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。

  當實驗進行120 min時,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。

  通過獨立樣本T檢驗或非參數檢驗發現,實驗開始時除胸部與手臂、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);實驗結束時,任意兩兩部位間均有顯著差異(P<0.05)。同一部位在實驗初始和結束時刻除胸部外均有顯著差異(P<0.05),說明低溫暴露對除胸部外以4個部位皮膚溫度產生顯著影響。

  2.2、 夜間實驗

  12名實驗對象在無風帳篷內睡袋中靜臥,夜間帳篷內環境溫度分別為(-23.3±0.9) ℃,(-23.2±1.0) ℃,(-25.4±0.5) ℃。5個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 夜間實驗5個代表性部位皮膚溫度及皮膚平均溫度變化

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  Fig.3 Changes in skin temperatures and average skin temperatures at 5 representative parts in night experiments

  由圖3可知,夜間實驗胸部、手臂、大腿和小腿皮膚溫度均呈快速上升-緩慢下降-基本趨于穩定的變化趨勢。腳趾溫度呈無規律波浪式變化,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,說明夜間靜臥期間,小腿和腳趾對低溫環境較為敏感。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。

  夜間實驗開始時,胸部溫度相對最高,隨時間增長,大腿溫度高于胸部且一直大于胸部溫度,僅在第1 d后期,出現短暫溫度反轉,可認為夜間大腿溫度相對最高。

  夜間實驗后期,除腳趾外各部位溫度變化幅度非常小。通過獨立樣本T檢驗,當實驗進行第160,180 min時,除腳趾外各部位溫度無顯著差異(P>0.05),認為除腳趾外各部位溫度趨于穩定。調定點理論認為在體溫調節中樞內有1個調定點,體溫調節機制圍繞調定點調控體溫。本文以夜間最后20 min溫度均值作為各部位調定點溫度,與高溫下各部位皮膚層調定點溫度進行對比,見表1。

  表1 夜間各部位皮膚調定點溫度

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  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定點溫度均有顯著差異(P<0.05),表明高、低溫環境下皮膚層調定點溫度除手臂外有明顯不同,低溫調定點溫度偏高,尤其體現在胸部和大腿溫度。

  通過獨立樣本T檢驗或非參數檢驗發現,實驗開始時除胸部與大腿外其他兩兩部位間均有顯著差異(P<0.05),實驗結束時刻除小腿與腳趾、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束時刻,除腳趾外均有顯著差異(P<0.05)。

  3 、實驗結果分析與討論

  裸露在低溫環境中的面部皮膚、黏膜上的冷覺感受器受冷空氣刺激,引起體溫神經-體液調節,體液調節通過分泌甲狀腺激素提高機體細胞氧化速率,增加機體基礎代謝率。神經調節通過體溫調節中樞下丘腦發揮分級調控作用,使腎上腺素水平增加,骨骼肌戰栗,立毛肌和毛細血管收縮。此外,人體內白色和棕色脂肪組織含量及轉化率也會影響產熱能力[14]。

  3.1、 日間實驗結果分析

  1)進入低溫環境后,人體迅速調動主動調控機制,積極產熱,因此實驗初期皮膚溫度出現短暫上升。靜止條件下,肝臟是主要產熱器官,位于胸部和手臂附近,因此胸部溫度變化幅度相對較小,手臂次之。

  2)當人體在低溫下靜坐時,血管收縮,血液循環速率減慢,傳遞到四肢熱量減少,隨實驗時間增長,皮膚溫度下降。離心臟越遠,溫度下降越明顯。腳趾由于距離心臟最遠,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,可根據低溫下腳趾溫度變化規律調整工作時長,為最佳工作時長和排班策略提供數據支持。

  3)大腿表面積(散熱)較大和骨骼肌重量較大(產熱),實驗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)根據日間實驗結果可知,實驗對象上半身保暖量足夠抵御較長時間低溫,下半身服裝和靴子保暖量不足。建議改進服裝材料,選擇不透風的最外層,加厚保暖層。尤其是腳趾部位,鞋子應全方位防風,并加厚襪層,也可通過適當運動或飲用熱水等方式增加熱量。

  3.2、夜間實驗結果分析

  1)夜間由于環境溫度進一步降低,人體對寒冷刺激做出的生理調控反應較為激烈,實驗初期各部位皮膚升溫明顯。由于負反饋調節,機體適應冷刺激后,體溫調節機制減弱,因此實驗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定。

  2)隨實驗進行,皮膚溫度緩慢下降,這是由于睡眠時人體抗寒能力減弱,身體保護機制會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,地面寒氣仍會通過傳導到達人體。體溫調節學說認為,夜晚褪黑素分泌高于白天,褪黑素能夠促進睡眠,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,大腿受外界環境影響較小,相對小腿和腳趾部位更接近心臟,能夠相對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最高。夜間整體保暖量相對日間更加充足,實驗后期各部位皮膚溫度變化幅度均小于日間實驗。

  4)夜間由于燈光輻射、睡姿改變等皮膚溫度會瞬時變化。雖然處于無風帳篷內,但睡姿改變導致睡袋附近空氣流動,冷空氣通過睡袋上部呼吸口侵入,造成胸部或手臂溫度驟降。通過采取在睡眠前抖動睡袋,增加睡袋中空氣含量的方式增強保暖性,并將脫下的服裝覆蓋在腳趾位置,可進一步減小低溫環境對腳趾的影響。

  4、 結論

  1)日間靜坐實驗中,各部位皮膚溫度下降幅度從上部至下部逐漸增大;實驗結束時,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,散熱越嚴重。大腿和小腿在實驗中后期出現溫度反轉。

  2)夜間靜臥實驗中,胸部、手臂、大腿和小腿溫度均呈快速上升-緩慢下降-趨于穩定的變化趨勢。實驗結束時,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最高。

  3)無論日間還是夜間實驗,腳趾皮膚溫度均相對最低。日間實驗至120 min時,腳趾皮膚溫度平均降低14.7 ℃;夜間實驗至180 min時,腳趾皮膚溫度平均變化幅度小于6.1 ℃,需要進行重點保暖。夜間由于受外界環境影響小,皮膚平均溫度高于日間,變化幅度小于日間。

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作者單位:天津大學精密儀器與光電子工程學院 軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所
原文出處:劉詠馨,李晨明,魏慧琳,趙友全,馬天.野外極端低溫環境人體皮膚溫度變化研究[J].中國安全生產科學技術,2021,17(08):24-28.
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