基于體表溫度的著封閉服裝青年群體行走時核心體溫研究

張學智，黃強，皇甫喜樂，鄭曉慧，周前祥

(1.防化研究院，北京 100083;2.北京航空航天大學 生物與醫學工程學院，北京 100191;3.北京航空航天大學 生物醫學工程高精尖創新中心，北京 100191)

1 引言

由于諸如消防滅火、核生化處理等作業環境的嚴酷性，穿著封閉服裝進行工作的人員越來越多，因此，必須關注他們作業時的生命安全問題，以避免人員傷亡，提高執行任務的效率，因為在穿著封閉服裝工作時，很容易誘發超工作負荷等導致人身體效能下降和反應趨緩等影響人的工作能力和生命安全的因素，若防護不當，將會導致作業人員出現生命危險的現象發生。據統計，在1980年到2008年全國發生的161起消防官兵傷亡事故案例中就有801人傷亡、225人犧牲、576人受傷的慘劇，主要原因之一就是因為他們高強度、超負荷的工作造成的[1]。此外，在平時的訓練中也有可能會由于超負荷的訓練強度，導致暈倒，呼吸困難，心臟出現不適等現象的發生[2]。同樣地，對于船舶制造業穿著封閉服裝的工作人員，他們會受到夏季高溫環境、工作高溫環境以及工作服帶來的影響，亦會讓人體產生強烈的熱刺激，嚴重情況下會造成作業人員暈厥，甚至危害生命[3]；特別地，對于防化士兵，他們工作時候必須得穿著密閉的防護服，背著20kg的壓縮空氣罐，加之在執行任務過程中會涉及到有毒有害的氣體，經常出現超負荷狀態，進而影響人的作業效能和生命安全，所以，對著密閉服裝的操作人員進行生命體征和工作能力監測，具有十分重要的應用價值。

基于文獻分析，在監測的技術途徑方面，通常認為體溫、血氧飽和度、心率、血壓和呼吸率是衡量人體生命體征或能力最基本的生理參數指標[4]，獲取上述指標參數值就可以判定穿著密閉服裝的操作者是否處于正常生命狀態。人的體核溫度是指人體胃、大腸等部位的溫度值，通常通過測量人的直腸溫度來衡量，它作為一個重要監測指標，與人的體能狀態及生命安全密切相關。由于體核溫度很少受外界環境的干擾[5]，隨著作業人員從正常至疲勞，甚至出現生命危情時，其一般穩定或者增加的幅度不大，所以，針對行走運動等作業任務，可以通過研究運動過程中體核溫度的變化就能準確地反映人的工作能力變化特征或是否處于生命安全狀態[6]。當前，人體核心溫度監測方法[7]有核磁測溫、直腸測溫、耳蝸測溫、食道測溫、肺動脈測溫等等[4,8]。這些測溫方法雖然能較準確地測出核心溫度，但是存在測量不方便、需要侵入人體內部、無法測量人體動態溫度等缺點。為了能實時測量并記錄核心溫度的數值，本論文選用最新的Cor-Temp核心體溫監測系統[9]，設定典型的在跑步機上相類似的運動任務，讓志愿者穿著封閉式防護服，并吞咽下形似小膠囊的溫度傳感器以及利用常規的溫度計塞入肛門進行兩者數據的對比，來得到人體肛溫和胃/腸處的核心溫度[10-13]，所以人體肛門內附近的直腸溫度和胃/腸處的溫度均認為人的體核溫度。此外，為了讓基于溫度的人體安全與工作能力監測可靠、方便易行，有人通過利用體表溫度來推測出核心溫度的方式來進行，例如李穎[14]在高溫高濕的環境中使用平均皮膚溫度(Tsk)估計體核溫度(Tre)，通過實驗數據得出估計方程為Tre=0.4575Tsk+20.67(R2=0.9081)。因此，為了進行著封閉服裝操作者作業時生命體征和準確監測，本文還研究在舒適(溫度23℃、濕度45%)和高溫高濕(溫度35℃、濕度60%)條件下其生命體征的安全閾值、耐受閾值以及體表溫度與體核溫度的相關性，以期為著封閉/密閉服裝的作業人員的作業安全和工作能力監測提供參考依據。

2 對象與方法

2.1 對象

本試驗選取了16名某部士兵作為志愿者，年齡19-25歲，身高175.4±2.9cm，體重68.5±8.1kg，身體健康，無高血壓、心臟病史，無熱疾病史；參與試驗的時間段內未感冒、發燒或其他不適癥狀，未服用任何藥物；右利手，裸眼視力或矯正視力在1.0以上；所有被試均未參加過類似實驗，實驗前保證充足睡眠；實驗前禁止飲酒、喝茶或咖啡等刺激性食物；志愿者在試驗前需熟知試驗目的與試驗流程，按照試驗要求，做好準備工作。所有志愿者均自愿參加試驗，并填寫知情同意書。

2.2 試驗設備

試驗中所用到的主要試驗設備和材料如表1和圖1所示。

表1 主要實驗設備參數及用途

圖1 部分實驗設備圖

2.3 試驗環境

志愿者穿著封閉的防護服，根據設定步入式環境模擬試驗艙內的舒適和高溫高濕環境，因此，每名志愿者需要完成2次試驗，具體如表2所示。

表2 試驗環境條件表

2.4 志愿者體溫測試

根據ISO 9886-2004[15]，本試驗測量人體表面皮膚溫度時選擇4點法，如圖2所示，為頸部、肩部、手部、腿部等4個位置。在志愿者布好體表溫度的測點，穿著防護服后的試驗場景如圖3所示。對于肛溫和體表溫度測試，在試驗中每隔5分鐘記錄各個部位的溫度值。

對于Cor-temp膠囊傳感器，按照要求，讓志愿者在實驗前兩個小時口服，實驗的開始時應該已進入到了胃/直腸部位，可以獲得較準確的人體核心溫度。

圖2 體表溫度測點位置

圖3 志愿者穿著防護服后測量場景

2.5 試驗步驟

為了保證志愿者的人身安全，本試驗由5名受訓專職試驗研究人員進行測試并全過程陪護，試驗室配備熱誘導疾病急救藥物及制氧機，試驗流程圖如圖4所示。

圖4 試驗步驟

3 結果

3.1 體核溫度與體表皮膚溫度相關性分析

如前所述，對每名志愿者而言，使用皮膚溫度傳感器測量表面皮膚四個點的溫度，根據ISO 9886-2004標準，各人的體表溫度的計算公式如下所示。表3、表4分別某兩名志愿者的溫度測試結果。

T平均=T頸部×0.28+T肩部×0.28+T手部×0.16+T腿部×0.28

(1)

表3 環境條件1下某志愿者的體表溫度測試結果(溫度23℃，溫度45%，著防護服)

表4 環境條件2某志愿者的溫度測試結果(35℃，60%防護服)

使用SPSS對表面皮膚溫度的平均溫度和核心溫度作曲線回歸，發現在狀態1(23℃，45%防護服)和狀態2(35℃，60%防護服)的表面皮膚溫度的平均溫度和核心溫度之間存在很強的相關性，經檢驗，顯著性小于0.01，具有顯著性差異，VIF=0，不存在共線性的情況下，環境條件1的三次曲線的R2=0.944，環境條件2的二次曲線的R2=0.971，以平均皮膚溫度為自變量X，核心溫度為因變量Y，得出它們的關系曲線為：

環境條件1(23℃，45%防護服)：

Y=0.03X3-10.13X+271.601

環境條件2(35℃，60%防護服)：

式中，Y—體核溫度；

X—體表溫度綜合值(式1計算結果)。

3.2 體核溫度與各部位溫度擬合

使用SPSS對體核溫度和頸部溫度、肩部溫度、左手溫度以及腿部溫度四點溫度進行擬合，環境條件1和環境條件2的擬合的結果表5所示。

表5 兩種體核溫度與各部位溫度擬合

從上表可以得出，在環境條件1和環境條件2中體核溫度與左手溫度的擬合程度是最高的，在顯著性差異值為0.000有顯著性差異。同時，擬合后調整的R2的值分別為0.923和0.95，可以根據左手溫度來推測核心溫度的值，方便測量，可以用一個點的溫度對核心溫度進行推測。

3.3 與生命安全性相關的體核溫度閾值

在試驗過程中通過觀察志愿者在跑步機行走過程中的行為反應、實驗醫生與其交流身體情況等方式，通過統計分析發現，當體核溫度在38.5℃以下時，志愿者的體能處于中等偏上的狀態。而當體核溫度到達39.7℃時，所有志愿者均反應到了體能的用盡狀態，且出現輕微的身體不適感。當達到人體的生理極限的時，心率的值還沒有達到最大值，但是核心溫度已較開始時上升了2℃，說明防護服對于呼吸以及熱的影響很大，穿著防護服戴著口罩，會對人體的熱舒適感覺產生很大的影響。

4 討論

根據國際標準ISO 9886-2004(Ergonomic-Evaluation of thermal strain by physiological measurements)的要求，可以認為將直腸溫度等同于體核溫度，并給出了在熱環境中直腸溫度的安全閾值：一般情況下體核溫度可以達到38.5℃，對于熱適應人群這一限值還可以上升到39℃，在中國醫學百科全書中對體核溫度的安全閾值的規定是生理安全上限為38.5℃，耐受極限為39.4℃。本次實驗的結果比39.4℃高，為39.7℃，可能是由于穿著封閉的服裝人體的熱生理上升得很快所致。

通過對核心溫度與平均皮膚溫度進行擬合，發現在兩種環境條件下(條件1(23℃，45%防護服)和條件2(35℃，60%防護服))，人體的核心溫度與其平均皮膚溫度有極強的相關性，主要是因為狀態1，志愿者穿著防護服，在封閉的狀態下，熱量蒸發不出去，體表皮膚溫度受汗液蒸發的影響很小；在狀態2的時候，志愿者穿著防護服，人體的表面皮膚溫度與環境的溫度梯度小，且濕度增大也會阻止汗液的蒸發[16]，核心溫度是一個相對穩定的生理指標，很少會出現大幅度的變化，因此相關性很高。

Alexander P.Welles等[17]人是通過測量熱通量，體表皮膚溫度，心率的值，輸入卡爾曼濾波模型(KF)推導出體核溫度，得出的結論與實際測量的體核溫度相似，而KF模型需要大量的數據進行建模，提高模型的準確性；Alexander C.Stahn等[18]人使用的是皮膚表面溫度傳感器與熱流傳感器相結合，作用于額頭測量體核溫度，已經在空間模擬和臨床環境中進行了測試，一致性較好，但是不適用于戴面罩時的測量；Stefan Mendt等[19]人比較直腸、皮膚和熱流量的方式使用了三種方式測量體核溫度，分別是雙傳感器、皮膚表面溫度和直腸，最后得出的結論是雙傳感器的測量方法優于皮膚溫度的方法，是由于測量穿著是非封閉式的服裝，表面皮膚溫度受風寒、環境溫度以及出汗的影響相對較大。在本文里面研究的是封閉式的服裝下的體核溫度的測量方法，因此，在穿著防護服表面皮膚溫度對體核溫度的進行測量的準確性很高，是一種方便、準確的辦法。

5 結論

通過模擬不同的狀態，選取16名志愿者，進行實驗，對體核溫度和表面皮膚溫度進行測量與分析，最后得出：

(1) 環境條件1(溫度23℃，濕度45%，著防護服)和環境條件2(溫度35℃，濕度60%，著防護服)的情況下，體核溫度與平均皮膚溫度的相關性很強，得出三次曲線擬合關系，可以根據對應狀態的回歸曲線方程對體核溫度進行測量，在工程應用時，可據此根據體表溫度對體核溫度進行預測，評估人的體能狀態。

(2) 針對長時行走等典型任務，志愿者體核溫度的安全閾值為38.5℃，耐受極限為39.7℃，比標準稍大，可進一步進行研究，為標準的修訂奠定基礎。