嬰兒被服熱舒適性研究進展

江 舒，李 俊,2

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051；2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

嬰兒猝死綜合征(SIDS)與由被服的隔熱過高所引發的熱應激反應有關[1]。調查顯示，94%的患兒在熱環境下被過度包裹[2]，且存在核心溫度高于38 ℃與大量出汗的情況[3]。因為嬰兒無法進行體溫的行為調節，有限的生理調節能力又尚未完善，所以合適的被服在維持嬰兒正常生理機能所需的熱平衡方面起著至關重要的作用。

早期，學者們對嬰兒被服的關注來源于對SIDS的成因分析，大都聚焦于被服類型、被覆蓋的身體部位、睡姿等因素對嬰兒熱生理反應的影響。研究[4-5]表明，頭部被覆蓋與俯臥位睡姿是導致嬰兒熱應激最主要的2個原因。為保障嬰兒長時間處于仰臥位的安全姿勢，減少頭部被覆蓋的風險，睡袋被推薦為最優的嬰兒被服，且已被證明有助于降低SIDS的發生率[5]。

隨著研究的深入，定量化研究各類被服的熱舒適性能從2個角度展開。一方面開展一系列物理實驗研究被服本身的隔熱性能。開發了模擬嬰兒體型的暖體假人以測試被服整體的隔熱能力，評估嬰兒與環境間的熱交換[6]。調查顯示，冬季使用被服的熱阻遠大于嬰兒實際所需的隔熱水平，存在過熱風險[7]。另一方面的研究針對嬰兒的生理反應展開，包括對嬰兒的皮膚溫度、代謝率、心率等生理參數進行監測。同時，由于嬰兒群體的特殊性，研究者們還關注到嬰兒看護者的判斷和行為。研究發現，盡管看護者對嬰兒的熱感覺估計在調整其被服方面起著積極作用，但目前仍普遍存在對嬰兒過度包裹導致體內蓄熱增加的情況[8]。基于這種成人與嬰兒熱感覺不平衡的現象，有研究者討論了成人與嬰兒體表散熱量的差異：因體表面積與質量比值增大，嬰兒的體表散熱量明顯大于成人，嬰兒比成人具有更差的熱耐受能力[9]。嬰兒與成人的這種熱生理特征差異使得嬰兒被服的研究具有獨立性。

為提高產品投入使用后的安全性，研究者開始建立熱阻預測模型來評估嬰兒被服的熱舒適性。大多數研究基于厚度對單層被褥的熱阻進行預測，但顯然這種方法在多層被褥組合中并不適用。直到20世紀末，被服系統的三維形態特征才被納入研究中[10-12]。近年來，隨著計算流體動力學(CFD)技術的發展，用以表征新生兒體表與恒溫箱間熱傳遞的數值模型成為新的研究手段[13-14]。然而CFD技術還未用于普通室內空間下嬰兒被服的熱舒適性研究。另外，國內對嬰兒被服的研究大都集中在多功能結構設計以滿足嬰兒體型快速變化的需求方面，尚未形成系統的熱舒適性研究。

本文從嬰兒體表至環境的熱傳遞機制出發，分析了被服熱舒適性的影響因素，總結了其測評方法，并根據研究現狀提出了未來該領域的研究方向，以豐富嬰兒被服熱舒適性研究體系，促進嬰兒熱生理舒適，保障其生命安全。

1 嬰兒與環境間通過被服的熱傳遞

由于嬰兒汗腺分泌汗水較少，蒸發散熱對熱調節的作用微弱，嬰兒主要依靠傳導、對流、輻射的顯熱熱交換維持人體熱平衡。當嬰兒由被服覆蓋時，人體與環境間產生了熱交換的中間介質，使得嬰兒體表到環境的整個傳熱過程受到影響。事實上，由體表向外環境散發的熱量需經過被服下微氣候空間、織物層與被服外表面邊界層，最后才到達環境中。僅考慮干熱損失，各層間的熱傳遞情況如圖1所示。由于躺姿下嬰兒部分身體與床墊完全接觸，一般認為床墊具有非常高的熱阻，因此其傳導熱損失常忽略不計[15]。

圖1 嬰兒體表至環境的干熱傳遞機制Fig.1 Heat transfer mechanism between infant and environment

受紡織材料懸垂性、填充料均勻性、折疊方式等因素的影響，微氣候與織物層厚度并非均勻分布。在實際使用中，嬰兒正上方的被褥層間形成較小的空氣層，而身體兩側形成較大的空氣層，前者在整個橫截面面積中的占比較小，側臥時約為18%，俯仰臥時約為36%；同一條被子在身體上方的厚度通常小于位于身體兩側的厚度[10]。微氣候中不僅存在因溫度差產生的傳導與輻射熱傳遞，層間厚度較大處因空氣分子運動產生對流傳熱，而厚度較小處則發生熱傳導現象。熱量進一步向外傳遞，通過織物層的干熱由織物熱阻與其內外表面溫差決定。附著在織物外表面的邊界層的輻射與對流傳熱受環境因素的影響。由于嬰兒睡眠環境大都為室內，認為風速小于0.3 m/s，發生自然對流換熱。

由此可見，人體、織物層、外環境及其共同形成的微氣候與邊界層的性質特征均會對“嬰兒-被服-環境”系統內的復雜傳熱產生影響。

2 嬰兒被服熱舒適性影響因素

嬰兒被服的熱舒適性受多因素影響，主要包括被服因素、人體因素與環境因素3個方面。

2.1 被服因素

2.1.1 隔熱性能

被服的隔熱性能是影響嬰兒熱舒適最主要的因素，過多包裹是造成嬰兒熱應激的原因之一[16]。羽絨被因其過高隔熱而被認為不適合用作嬰兒床上用品[17]。

被服系統可分為上下層2部分，上層包括單層或多層被子組合，下層主要由床墊、枕頭等構成。早期在討論單層被服的隔熱性能時，常使用厚度預測，即認為厚度越大，隔熱性能越好。然而，多層被子組合的熱阻顯示出與厚度的非線性關系[11]，尤其當厚度較大時，熱阻的增加率顯著減小[18]。

對于下層，研究發現，使用柔軟的床墊會減少嬰兒的熱損失[19]。這是因為柔軟的床墊增加了嬰兒與其接觸的面積，但通過床墊的熱傳導忽略不計，人體有效散熱面積減小。而對于一些特殊的床墊，如熱阻趨于零的網狀Purflo?床墊[20]，難以起到減少人體熱損失的作用，反而會使嬰兒產生冷應力。

2.1.2 覆蓋程度

有研究[21]討論了不同覆蓋率對被褥系統熱阻的影響，Mccullough等[15]針對不同的被褥覆蓋情況提出了8種較常見的覆蓋率。結果發現：覆蓋率較低時，不同被褥組合的熱阻差異不明顯；而當覆蓋率超過60%時，被褥系統總熱阻的增長速率逐漸增大。

成人能夠靈活地根據冷熱感覺調整被服的覆蓋程度，從而達到調節自身與環境之間熱量交換的目的。然而，嬰兒缺乏這種主動調節的行為能力。目前，在嬰兒被服的研究中，尚未定量地研究被服覆蓋率的影響，僅對身體的局部覆蓋有一些定性的描述。大部分研究的關注點集中在頭部覆蓋對嬰兒熱生理的影響方面。嬰兒頭部表面積占比較大，其熱損失約占整體的40%[22]。研究表明，佩戴童帽降低了嬰兒暖體假人頭部熱損失的18.9%，而嚴重的面部覆蓋可能導致嬰兒腦過熱的情況[23]。因此，即使是在環境溫度較低的情況下，也應讓頭部完全暴露，通過增加其他部位的熱保護來維持熱平衡。

2.1.3 折疊方式

不同的折疊方式使被服與微氣候形態產生顯著變化[24]。Wilson等[11]在研究影響被褥熱阻的變量時考慮了2種不同的折疊方式，分別為松散折疊與緊固折疊(見圖2)。緊固折疊使身體兩側產生較大的微氣候空間，增加了對流傳熱；被褥間空氣層厚度較小，整個被褥系統的隔熱性能較差。而松散折疊時身體兩側的微氣候空間變小，減少了對流傳熱；被褥層間靜止空氣層體積增加，整個系統的隔熱性能增加。松散折疊在低溫環境中可為嬰兒提供更多熱保護，但在高溫環境下則可能降低被褥的熱舒適性。

圖2 折疊方式Fig.2 Tucking methods.(a) Loose tucking;(b) Firm tucking

2.2 人體因素

2.2.1 睡眠代謝

即使年齡、體重、體表面積等指標相似，嬰兒睡眠代謝率(SMR)測量值仍顯示出巨大的個體差異[25]。同一種被服在不同個體上的熱舒適性也可能不同。

評估嬰兒在冬季戶外睡眠時被服隔熱效果的研究[26]中，按ISO 11079—2007《熱環境的人體工效學——使用所需服裝隔熱(IREQ)時的冷應力和局部冷卻效果的測定和說明 》計算嬰兒實際所需熱阻時，依據先前關于SMR報道[27]結果的均值，設定代謝率為50 W/m2。而在另一項類似的研究[7]中，由于嬰兒代謝高于成人，認為SMR是基礎代謝率的1.2倍，為68 W/m2。可見，目前的研究對嬰兒代謝率的估計值差距較大，這為被服熱舒適性的比較研究帶來了一定的困難。

2.2.2 體型尺寸

嬰兒體型會影響體表傳熱系數的大小。在溫度為25 ℃、相對濕度為50%的環境中，相同姿勢的嬰兒假人的體表對流傳熱系數(hc)是成人假人的1.6倍[28]，且后背、頭部與下肢部位的hc顯著大于成人假人(p<0.05)。這說明暴露在相同環境中，體型較小的嬰兒體表散熱量比成人更大，體表面積與質量比值增大是造成這種現象的原因。

理論上，若將人體簡化為圓柱，可通過瑞利數(Ra)和努塞爾數(Nu)計算hc：

式中：g為重力加速度，m/s2；β為體積膨脹系數，K-1；L為人體身高，m；Tsk和Te分別為皮膚溫度與環境溫度，℃；v為空氣運動黏度，m2/s；Pr為普朗特數；λ為空氣的熱導率，W/(m·K)。

Fukazawa等[28]通過上式估算得出嬰兒hc的理論值約為成人的1.3倍，略低于暖體假人實驗結果(1.6倍)。這是由假人體表的非均勻形態與成人假人頭部的毛發造成的。由于嬰兒在1周歲內體型變化較大且存在明顯的個體差異，在嬰兒被服熱舒適性研究中要關注體型不同帶來的影響。

2.2.3 身體姿勢

身體姿勢可通過改變體表與環境交換熱量的有效面積來影響嬰兒與環境的熱交換[29]。

Elabbassi等[30]利用嬰兒暖體假人，研究了佩戴童帽或暴露頭部時仰臥面朝上、仰臥面朝側、俯臥面朝側3種常見嬰兒睡姿下的體表熱損失差異。結果表明，佩戴童帽時，無論是仰臥還是俯臥，面朝側時熱損失均小于面朝上的熱損失。俯臥姿勢下，因無法調整頭部姿勢而難以在過熱情況出現時進行熱調節，這可能是俯臥易造成嬰兒熱應激的原因。

Nelson等[31]指出，使用較厚被服時，面部是與環境進行熱交換的重要部位，而俯臥造成的面部遮擋可能與熱應激存在聯系。無論是使用輕薄或厚重的被服，俯臥姿勢顯著抑制了前額的散熱[32]。盡管頭皮的散熱量略微增加，但對整體貢獻不大。若指定嬰兒使用最溫暖的被服組合，俯臥時的最高耐受環境溫度要比仰臥時至少低10 ℃。

2.3 環境因素

2.3.1 環境溫度

環境溫度的高低直接影響嬰兒的熱舒適性。多項研究[30-32]顯示，升高環境溫度使得裸體或包裹的嬰兒暖體假人體表熱損失顯著下降。環境溫度影響了嬰兒著裝策略，在實際生活中，隨著環境溫度的降低，看護者習慣為嬰兒增加更多的熱保護。有研究[7]比較了7～12月嬰兒所需熱阻(IREQ)與實際使用服裝的熱阻，發現前者總是小于后者。尤其在冬季，嬰兒存在被過度包裹的情況，這導致在溫度較低時也可能出現熱應激的情況。

環境溫度穩定性對嬰兒睡眠時熱生理反應存在影響。有研究人員[33]分別研究了在蒙古包和現代公寓中蒙古襁褓與睡袋的熱調節作用。蒙古包內 1 d 的平均溫度主要在13～21 ℃波動，偶爾存在清晨低至零下、午后高于25 ℃的情況，而持續供暖的公寓內溫度穩定在20～22 ℃之間。結果發現，蒙古包內裹襁褓的嬰兒核心溫度明顯比使用睡袋的更高；然而在溫度穩定的公寓里這種差異變得不再明顯。

嬰兒睡眠環境的溫度設置與文化差異有關。在冬季嬰兒房內，亞洲父母更傾向于使用加熱器以創造相對溫暖、穩定的睡眠環境；而歐洲國家更偏好自然通風的環境[8]。環境溫度的穩定性是否是造成不同地區SIDS發生率差異的原因尚未證實。

2.3.2 相對濕度

相對濕度(RH)對嬰兒體表熱損失、皮膚溫度與代謝率等生理指標均有影響。相對濕度的增加可減少嬰兒體表熱損失[34]，這一結論在一項評估新生兒保溫袋的研究中被證實。在自然對流中，相對濕度從40%增加到80%，使得在33和36 ℃的環境中，嬰兒總失水量下降32%和38%。相對濕度與蒸發熱損失呈顯著的負相關關系。平均皮膚溫度隨著相對濕度的增加而顯著升高，皮溫分布更加均勻。在討論相對濕度對嬰兒熱平衡的影響時發現：當相對濕度為80%時，儲熱和體溫明顯增加；而當相對濕度為50%時，代謝率最低。較低或較高的相對濕度均會使得代謝率顯著升高[35]。

2.3.3 風 速

Belghazi等[34]證實了空氣流速對嬰兒全身和局部的蒸發傳熱系數存在顯著影響。當風速從0增加到0.2 m/s，蒸發熱損失平均增加63%。當相對濕度達80%時，風速對蒸發熱損失的影響進一步增大。相似的結論也出現在其他研究[36]中。增大的空氣流速增加了局部皮膚冷卻的不均勻性，尤其是肢體末端極易受到湍流的影響，這可能是造成新生兒熱不適的另一原因。

2.3.4 共享床

社會調查[8]顯示，與父母共享床的嬰兒所使用的被服熱阻比獨立嬰兒床上被服的熱阻更大，這意味著在較溫暖的環境中，使用共享床的嬰兒將承受更多的熱負荷。嬰兒在共享床上的位置較為復雜，亞洲實驗組有40%的嬰兒在2位成人之間睡覺，33%與1位成人睡覺，27%與父母一起睡覺但位于外側。使用共享床的成人的散熱是否對嬰兒體表熱傳遞存在影響，目前尚無更為深入的研究。

3 嬰兒被服熱舒適性測評方法

3.1 基于嬰兒生理反應的評估方法

3.1.1 接觸式測量方法

新生兒護理設備的研究一般在醫院進行，由醫護人員對嬰兒的核心溫度、皮膚溫度、心率等生理指標進行測量。20世紀80年代末，Sarman等[37]使用水銀溫度計測量嬰兒直腸上2 cm處的溫度作為核心溫度，并將電子溫度計放置于腋窩前后邊緣之間的頂點測量溫度，發現二者存在強相關關系，腋窩溫度可以替代直腸溫度。此外，腹部溫度與足部溫度也常被列入討論。

另一項研究使用間接量熱法測定新生兒靜息耗氧量作為代謝產熱的指標[38]，使用新生兒心肺監護儀記錄心率，而心率與代謝量密切相關[39]。代謝量在嬰兒熱舒適性的生理評估中非常重要，因為較低的代謝量代表人正處于熱中性或相對舒適的狀態，代謝增加可能意味著嬰兒正在遭受冷或熱應力。

被服熱舒適性調查往往發生在年齡更大的嬰兒中。有研究[33]選取了一批受試者進行睡眠時的生理監測。由于非治療期間的嬰兒直腸溫度測量不符合倫理，使用位于肝臟上方的腹部溫度代替核心溫度。此外，研究還記錄了脛前皮膚溫度、嬰兒貼身服裝外的微氣候溫度。24 h內的溫度變化顯示，滿月嬰兒睡眠系統尚未完善，而3個月大的嬰兒基本上呈現核心溫度先下降再升高、皮膚溫度先上升再下降的正常的晝夜模式。

3.1.2 非接觸式測量方法

由于難以對健康嬰兒進行干預性的生理數據調查，使用非接觸式測量方法對被服的熱舒適性進行評估逐漸被研究者們采用。一項針對嬰兒睡袋和毯子的保溫性能研究使用紅外熱像儀記錄了嬰兒分別在睡袋和毯子下俯臥與仰臥時的體表溫度分布與平均皮溫[40]。盡管這種非接觸式的測量方式可以更好地保護嬰兒，但是人為地快速掀起覆蓋物可能因操作者熟練度不足與熱保護突然減少而存在一定誤差。2018年，Rodríguez等[41]提供了一種基于嬰兒面部自動檢測實現熱成像像素與溫度轉換的無創皮溫和呼吸探測方法。然而該方法僅將結果定性分為3類，且數據精度尚待提高。

3.2 嬰兒被服隔熱性能測試方法

因為在實驗過程中，存在嬰兒發生熱應激或冷應激的嚴重風險，難以使用真實嬰兒對被服系統的熱舒適性能進行測評。在這樣的背景下，基于平臺的熱阻測試與使用嬰兒暖體假人的熱阻測試是衡量被服熱舒適性的主要方法。隔熱性能是評估嬰兒被服熱舒適性最重要的指標之一。

3.2.1 基于平臺的織物測量方法

目前國際上尚無針對嬰兒被服熱阻測試的規定。一般認為被褥可以近似為織物進行測試。Wilson等[11]研究了嬰兒被褥厚度及空氣層厚度分布對干態熱阻的影響，搭建了一個可以測量包含空氣層的多層被褥熱阻測試裝置。該裝置由塑料同心圓墊片與加熱裝置構成，可通過墊片調節多層被褥間空氣層的厚度實現真實被褥內空氣層的分布。封閉的四周可減少被褥邊緣熱損失，從而更準確地測量被服系統的熱阻，但這一方法未獲得推廣。

3.2.2 使用嬰兒暖體假人的測評方法

平臺式的熱阻測試難以模擬被服在實際使用時的形態，而與嬰兒外形相仿的暖體假人是用于研究被服、身體姿勢等因素對人體熱傳遞影響最理想的裝置，在嬰兒被服隔熱性能的研究方面具有良好的適應性和可重復性。

早產新生兒護理是一項非常重要的工作。為維持其體溫恒定、預防低溫癥，早期出現了一些可加熱的簡單圓柱體用來預測足月新生兒的體表熱損失。后來，研究者開發了許多質量輕、尺寸小的暖體假人用于評估暖嬰設備的效率(見表1、圖3)。

表1 典型的嬰兒暖體假人Tab.1 Typical infant thermal manikin

圖3 典型的嬰兒暖體假人Fig.3 Typical baby thermal manikin.(a) Thermal manikin from Lund University (height 40 cm);(b) Thermal manikin from Lund University (height 60 cm);(c) Thermal manikin from University of Picardie Jules Verne;(d) Sweating thermal manikin from University of Picardie Jules Verne;(e) Sweating thermal manikin from Bunka Gakuen University

1992年，Sarman等[6]開發了一個模擬新生兒體型的暖體假人。這是一個較早的用來評估嬰兒體表非蒸發熱損失的暖體假人。后來，Elabbassi等[42]開發了一個尺寸更大的銅質嬰兒暖體假人，被用于研究被服、姿勢及假人尺寸等因素影響下的體表干熱損失差異。除了小尺寸的新生兒假人，模擬4個月與6個月大嬰兒的暖體假人被更多地用于研究常用的嬰兒服裝熱阻是否滿足在不同環境溫度下的熱需求[9，26]。瑞典隆德大學研發了40和60 cm共2種身高的嬰兒暖體假人，研究假人尺寸對服裝熱阻測試結果的影響[44]。結果發現，雖然總熱阻差異不大，但由于局部形狀與假人姿勢造成的體表與服裝接觸面積不同，局部熱阻表現出較為明顯的差異。

上述暖體假人只能評估體表的干熱傳遞，為衡量蒸發熱損失，后期開發了可出汗的嬰兒暖體假人。Belghazi等[34]第1次使用出汗嬰兒暖體假人研究了環境因素、是否包裹聚乙烯袋和不同姿勢對整體蒸發散熱的影響。日本文化女子大學開發了一個模擬2歲嬰兒的暖體假人[45]，這是目前為止尺寸最大的嬰兒假人。然而，該假人未設計頭部區段，無法測量包括頭部在內的整體身體傳熱。Wilson等[46]使用該假人測試了被褥的實際干態熱阻以比較建立的多層被褥熱阻預測模型與其他模型的準確性，但未有蒸發熱損失研究的報告。未來，出汗嬰兒暖體假人將促進嬰兒被服在熱濕舒適性研究的進展。

盡管暖體假人可解決嬰兒耐熱極限測量等安全問題，但無法考慮代謝產熱、睡眠行為、血管舒縮反應及皮膚和呼吸作用的蒸發冷卻等一系列體溫調節過程。成人熱調節模型與暖體假人的耦合研究已基本成熟，但由于缺少被完全驗證的嬰兒熱調節模型，嬰兒暖體假人并沒有匹配的熱生理控制模式，這為研究嬰兒被服帶來了局限。

4 結束語

嬰兒被服對維持嬰兒熱平衡起著重要作用，研究嬰兒被服的熱舒適性對其生理健康有著重要意義。人體、微氣候、織物層、邊界層的性質特征會對“嬰兒-被服-環境”系統內的復雜傳熱產生影響。被服的熱舒適性受隔熱性能、被服覆蓋程度、睡眠代謝率、睡眠姿勢、環境溫濕度等諸多因素的影響。基于平臺的織物測試方法與不同尺寸的嬰兒暖體假人是測試嬰兒被服隔熱性能的主要手段。未來，該領域的發展趨勢主要分為以下4個方面：

1)盡管已開發了可出汗的嬰兒暖體假人，但研究多集中于干態下的熱阻測試，未有研究討論被服的濕阻。對嬰兒被服傳熱傳質機制的進一步探索有助于提高其熱濕舒適性，指導產品的研發設計。

2)目前已有研究基于對湍流及熱傳遞的模擬，獲取了嬰兒所處保溫箱內的溫度場，氣流場，嬰兒表面的對流、輻射熱流密度及送入氣體的軌跡，來評估暖嬰設備的保溫效果。然而此類研究多應用于裸體新生兒。被服覆蓋下嬰兒熱傳遞的CFD模型研究亟待開展，這將減少實驗成本，為評估嬰兒被服提供更多數據支持。

3)成人熱調節模型的研究已較為成熟，具備體溫調節功能的數值假人與暖體假人熱生理控制模式推進了成人著裝系統熱舒適研究進展。由于嬰兒的生理特征與成人有很大差異，需建立準確的嬰兒熱調節模型以預測嬰兒的熱生理反應，規避嬰兒生理實驗潛在的安全隱患。

4)針對嬰兒生理反應的測評還存在精度不高與安全性不足的問題。隨著智能可穿戴技術及智能檢測技術的發展，開發高精度、無傷害的嬰兒睡眠監測裝置，可幫助及時調整被服及環境配置，提高嬰兒的睡眠舒適。

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