高原建筑富氧環境對短期進藏人員氧狀態的改善效果研究*

宋 聰 曹瑞軒 劉艷峰 王登甲

(1.綠色建筑全國重點實驗室,西安;2.西安建筑科技大學,西安)

0 引言

青藏高原平均海拔達4 000 m,大氣含氧量僅為平原地區的60%。低壓、低氧環境特征嚴重降低了外來人員的工作、生活質量和生命健康水平[1],成為高海拔邊陲地區資源開發、社會經濟發展面臨的嚴峻挑戰。高海拔地區的室內氧環境調節與熱環境調節一樣[2-3],是提升建筑健康宜居水平、改善和保障民生的重要方面,而探究富氧環境對外來進藏人員氧狀態的改善效果是建筑舒適氧環境精準營造的關鍵。

當人體由較低海拔地區進入高海拔地區后,機體處于低水平、不穩定的氧合狀態。頭痛、呼吸加快、疲勞乏力等癥狀是人體缺氧狀態的直接體現,是人體對氧環境進行調節干預以防止缺氧反應進一步加重、發生肺水腫等重型高原病的直接判斷依據[4]。可見,癥狀對于反映人體健康水平具有重要作用。盡管目前急性高原反應評價標準[5]考慮了人體癥狀,但主要局限于頭痛、頭暈等部分癥狀。現有研究表明,低氧環境下人體會調動全身系統及器官參與應答,涉及神經系統、呼吸系統、消化系統等多個系統[6-7],同時,機體各類生理應激代償均以相應的癥狀進行表征[8]。但現有研究大多從生理角度對人體缺氧程度進行判定,鮮少涉及人體在缺氧環境下的主觀需求。

高原建筑增氧是一種從根本上解決人體缺氧問題的直接方式。以血氧飽和度、心率等生理參數作為監測指標可客觀反映人體的生理氧狀態。研究表明,在3 700 m海拔地區,將室內環境氧氣體積分數提升至24%～25%時,血氧飽和度提升4.30%,平均心率降低20.8次/min[9]。在3 800 m海拔地區,氧氣體積分數提高3%左右后,人員睡眠過程中的周期性呼吸次數、呼吸暫停次數等睡眠指標明顯改善[10]。以腦力、體力相關測試指標觀察富氧后人體認知能力和勞動效率的變化,模擬5 000 m海拔地區低氧環境并將氧氣體積分數提高6%時,人體反應時間縮短,手眼協調能力等顯著加強[11]。5 300 m海拔地區富氧體積分數為27%～28%時,體力作業指標PWC170提高140.18 kg·m/min[12]。可見,富氧環境對人體的改善效果可通過客觀、合理的方法進行量化,以直觀掌握富氧環境對人體的影響,但現有研究主要以單一富氧工況為例開展研究,尚未通過橫向對比更為系統地反映不同氧環境對人體缺氧反應的改善能力。

綜上可見,目前高原建筑室內氧環境對人體的影響研究還應關注以下兩方面:

1) 人體多系統參與低氧應答,多種癥狀同時反映人員舒適性,高原室內氧環境評價應兼顧生理與主觀評價。

2) 高原室內增氧可有效改善缺氧狀態,基于可反映人體氧狀態的關鍵生理參數指標和癥狀指標量化富氧環境對人體的影響效應有助于科學合理地指導建筑氧環境營造。

為了掌握高原富氧環境對人體缺氧狀態的改善效果,本文通過高海拔地區實地實驗研究,對比了不同氧環境下人體主觀及客觀氧狀態差異,并以高原世居人員為對照,基于生理參數和癥狀氧感覺,以改善率指標量化了富氧環境對人體缺氧狀態的改善效果。研究結果將有助于進一步闡明高原建筑富氧環境對外來進藏人員的影響規律,為適宜的建筑氧環境營造提供參考。

1 研究方法

1.1 受試者

研究共招募48名受試者,其中24名受試者在高原的居住時間短于1個月,另外24名為青藏高原世居居民,作為對照組。受試者均為健康青年,無高原疾病及其他慢性病史,無飲酒、吸煙習慣。受試者基本信息如表1所示。

表1 受試者基本信息

1.2 實驗工況及測試儀器

實驗于西藏自治區拉薩市開展,當地海拔為3 650 m,氣壓為65.23 kPa。本文研究通過搭建富氧小室,利用制氧機進行彌散富氧。依據GB/T 35414—2017《高原地區室內空間彌散供氧(氧調)要求》,對于進藏人員,建議室內彌散富氧體積分數范圍上限大于25%[13],而根據室內防火安全要求,3 650 m海拔地區富氧體積分數上限為26.3%[14]。因此,實驗氧體積分數工況設計為21%(無富氧)、23%(低富氧)和25%(高富氧)。同時,為規避溫度、相對濕度、風速的影響,控制這些參數保持不變。各實驗工況下的實際環境參數如表2所示。

表2 環境參數

實驗過程中對受試者心率、血氧飽和度、血壓進行了監測。所用環境參數測試儀器及生理參數監測儀器如表3所示。

表3 環境參數及生理參數監測儀器

1.3 問卷設計

本文研究在測試人體生理氧反應的基礎上,類比人體熱舒適的心理學分析方法[15],探究了受試者對氧環境的主觀評價,評價指標包括氧感覺和氧偏好。氧感覺評價以受試者缺氧和過度富氧的癥狀表述,其中過度富氧癥狀是由于用氧過多而導致人體產生的一些類似于缺氧癥狀的不良反應,主要參考氧過多癥中的表述進行評價[16]。基于高原醫學相關研究結果[8],氧感覺評價的癥狀包括大腦狀態、頭部感覺、植物神經功能狀態和感官狀態4類。氧偏好評價表示受試者希望所處室內氧濃度的改變情況。氧偏好、氧感覺評價均采用7級標尺,如表4所示。

表4 氧偏好、氧感覺評價標尺

1.4 實驗流程

研究采用隨機單盲實驗方式,為消除受試者因適應造成的實驗工況之間的干擾,每位受試者參與的連續2個實驗工況之間間隔3天。每次實驗開始之前,受試者被告知禁止吸煙和食用咖啡等刺激神經和心血管系統的飲品,并通過調整著裝,保持其處于熱舒適狀態。實驗開始后,受試者在富氧室中靜坐30 min以適應室內環境,之后每隔10 min填寫1次主觀問卷并完成生理參數測量,重復3次后結束,每個工況持續60 min。

1.5 數據分析

使用SPSS 24.0進行數據統計分析,檢驗數據是否符合正態分布。若符合正態分布,同類人員不同氧濃度間采用單因素方差分析,相同氧濃度不同類人員采用組間獨立樣本t檢驗。若不服從正態分布則分別使用Friedman方差分析和Mann-WhitneyU檢驗。當P<0.05時,認為具有統計學意義。

2 不同富氧濃度下進藏人員與高原世居人員氧反應差異

2.1 不同富氧濃度下主觀評價差異

依據受試者大腦狀態、頭部感覺、植物神經功能狀態和感官狀態對其氧感覺進行評價。大腦狀態包括打哈欠、嗜睡等抑制癥狀和思維活躍等大腦興奮癥狀;頭部感覺包括頭暈、頭痛;植物神經功能狀態包括循環障礙引起的惡心、心跳加快、出冷汗等;感官狀態指眼睛、四肢等感覺器官的不適癥狀。不同氧環境下的癥狀投票結果如圖1所示。隨著氧濃度的提高,進藏人員缺氧不適癥狀比例呈現下降趨勢,對應每個等級癥狀,可發現癥狀表征逐漸減輕,同時平均氧感覺逐漸增大,趨近于中性水平,感官狀態高富氧時平均氧感覺為-0.07,最接近中性感覺;對于世居人員,富氧在改善缺氧不適的同時,造成更大比例的過度富氧不適,低富氧和高富氧時,富氧不適比例均高于缺氧不適比例。

圖1 不同氧環境下的癥狀投票結果

通過氧偏好投票獲取受試者改變當下室內環境氧濃度的意愿,結果如圖2所示。無富氧工況下,77%的進藏人員希望提高室內氧濃度,高于世居人員。低富氧工況下,希望提高的比例稍有下降,高富氧工況下繼續下降。世居人員在低富氧工況下有較高比例的人希望降低氧濃度。

圖2 不同氧環境下的氧偏好投票結果

2.2 不同富氧濃度下客觀生理反應差異

低氧環境刺激心臟血液輸出量及血流外周阻力發生變化,心臟血液輸出量增多及血流外周阻力增大均會引起平均動脈壓增大,因此平均動脈壓是一項良好的監測指標[7,17]。圖3顯示了不同氧環境下平均動脈壓的變化情況。氧濃度越大,平均動脈壓越小,其中進藏人員最低平均動脈壓為10.91 kPa。同一富氧濃度下進藏人員平均動脈壓始終高于世居人員。

圖3 不同氧環境下平均動脈壓變化

心率可反映低氧環境下人體循環系統的變化[7]。圖4顯示了不同富氧濃度下心率的變化情況。無富氧時進藏人員心率最高,為93.4次/min,氧氣濃度提高使得心率下降,高富氧時降低為82.7次/min。高原世居者心率始終低于進藏人員,最高為74.6次/min。

圖4 不同氧環境下心率變化

通過血氧飽和度可得到血液中血紅蛋白與氧分子的結合能力,反映了人體低氧環境下的生理適應改變[18]。圖5顯示了室內不同富氧濃度下血氧飽和度的變化情況。無富氧工況下,相對世居人員血氧飽和度,進藏人員血氧飽和度分布更為離散,分布在75%～95%范圍內,個體差異性顯著。在富氧環境下,該參數離散程度明顯減小,個體差異性被削弱,進藏人員血氧飽和度主要集中在90%左右,低于世居人員的92%。與低富氧工況相比,高富氧工況下進藏人員血氧飽和度均值更接近世居人員,但分布較為離散。

圖5 不同氧環境下血氧飽和度變化

3 富氧環境對人體氧狀態的改善效果

3.1 富氧環境對人體主觀氧狀態的改善效果

本文研究中,將富氧環境對人體主觀氧狀態的影響以氧感覺改善率的形式進行量化。不同氧環境下的氧感覺、氧偏好結果表明,無論進藏人員還是世居人員,氧中性水平為心理期待的最佳水平,當氧感覺偏離中性時,受試者總希望通過提高或降低氧濃度使得氧感覺趨近于中性。因此,以氧感覺偏離中性的程度量化主觀改善率,反映了環境氧濃度對人體向最佳狀態改進的改善作用。計算方法見式(1)。

(1)

式中Iz為主觀改善率;ΔO為對應氧環境下氧感覺值與氧中性值之差;下標f表示富氧,w表示無富氧。

根據式(1)可得到平均氧感覺與氧感覺改善率的關系,結果如圖6所示。由圖6可知:當-|Ow|≤Of<0(其中Ow為無富氧工況下的平均氧感覺,Of為富氧工況下的平均氧感覺)時,缺氧癥狀得到改善,富氧濃度越高,氧感覺越接近中性水平,改善率越大;當0≤Of<|Ow|時,出現過度富氧癥狀,富氧濃度越高,氧感覺偏離中性水平的程度越大,因此改善率降低;當Of≥|Ow|時,富氧導致的不適癥狀較無富氧工況下的缺氧癥狀更為嚴重,繼續富氧會加重不適感并增大氧感覺偏離中性水平的程度,起負改善的作用,此時定義為氧感覺負改善率。富氧濃度提高,氧感覺值增大,負改善率增大。

圖6 平均氧感覺與氧感覺改善率的關系

進藏人員及高原世居人員不同富氧環境下的氧感覺改善率如圖7所示。低富氧工況下,進藏人員大腦狀態、頭部感覺、植物神經功能狀態、感官狀態的氧感覺改善率分別為28.57%、20.46%、42.86%、44.44%,高富氧工況下改善率提高,分別為56.04%、64.29%、59.18%和84.13%。對于世居人員,富氧環境較易引起過度富氧癥狀進而降低改善率,甚至增大負改善率。高富氧工況下世居人員大腦狀態、感官狀態負改善率分別為152.94%、26.47%,表明24.97%的富氧體積分數使得世居人員產生較無富氧工況下更為嚴重的不適癥狀。可見,高富氧環境對進藏人員氧狀態的改善更為有利。

圖7 富氧環境對人體主觀氧狀態的改善率

3.2 富氧環境對人體客觀氧狀態的改善效果

基于平均動脈壓、心率和血氧飽和度關鍵生理參數量化富氧環境對人體的客觀影響效應。高原低氧使血氧飽和度降低,引起交感神經興奮,從而影響心血管系統功能,導致心率增快、血壓上升[19]。可見,對比平原不缺氧狀態,高原血氧飽和度更低,平均動脈壓和心率更高。本文研究中,隨著氧濃度的升高,血氧飽和度穩定上升,平均動脈壓和心率降低,逐漸趨近于平原不缺氧水平,高富氧工況時達到最佳水平。因此,以無富氧工況為基準,量化客觀氧狀態改善率,反映了富氧對偏離缺氧狀態向不缺氧狀態改進的改善作用。計算方法見式(2)。

(2)

式中Ik為客觀改善率;P為對應氧環境下的血氧飽和度、心率和平均動脈壓;下標f表示富氧,w表示無富氧。

客觀氧狀態改善效果如圖8所示。低富氧工況下,進藏人員的平均動脈壓、心率、血氧飽和度改善率分別為4.04%、0.87%、0.79%。富氧濃度越高,改善效果越明顯,相對低富氧工況,高富氧工況下平均動脈壓、心率、血氧飽和度改善率分別提高2.90%、10.59%、0.83%。對于高原世居人員,低富氧、高富氧之間改善率變化量在0.06%～2.11%范圍內,小于進藏人員改善率變化量。高富氧對進藏人員的改善效果明顯優于高原世居人員。

圖8 富氧環境對人體客觀氧狀態的改善率

進藏人員與世居人員在相同富氧環境下產生不同的改善效果源于生理調節差異。高原世居人員的生理優勢較進藏人員更加明顯,因其更加完善的氧氣傳送系統、心肺儲備和攝氧能力,世居人員對氧的利用更加充分有效[20]。低富氧時,高原世居人員對環境中氧氣的利用率大概率達到了高富氧水平,因此繼續提高氧濃度,改善率變化并不明顯,甚至主觀改善率因過度富氧而出現降低的趨勢。而進藏人員對氧氣的利用能力差,低富氧時對氧的利用率仍然有限,環境氧濃度提高后,氧利用率提高,進而主觀及客觀氧狀態得到明顯改善。因此,高富氧對進藏人員的改善效果優于高原世居人員。

4 兼顧客觀生理指標與主觀評價的高原室內富氧環境氧濃度上限思考

本文研究兼顧客觀生理指標和人體癥狀學評價,通過觀察不同富氧濃度下平均氧感覺變化確定了中性氧感覺對應的富氧體積分數,結果如圖9所示。當大腦狀態、頭部感覺、植物神經功能狀態、感官狀態為中性狀態時,對應的富氧體積分數分別為28.20%、27.60%、27.42%、25.75%。GB/T 35414—2017《高原地區室內空間彌散供氧(氧調)要求》[13]推薦了基于生理學需求的高原富氧體積分數,海拔3 500 m地區,最高富氧體積分數推薦在24.70%以上,海拔4 000 m地區,最高富氧體積分數推薦在25.00%以上,由此可確定本文研究地區的最高富氧體積分數下限在24.70%～25.00%范圍內。本文研究高富氧工況下的氧氣體積分數為24.97%,與推薦富氧體積分數接近,但結果表明該體積分數可顯著改善進藏人員生理氧狀態,而主觀氧需求難以滿足,人體氧感覺普遍低于中性水平。可見,僅考慮生理學要求的富氧環境難以使人體改善效果達到最佳,需同時考慮主觀感受,可在滿足生理要求的基礎上適當提高富氧體積分數上限。但本文研究海拔對應的高度富氧防火安全氧氣體積分數上限為26.3%,這對于營造滿足人體心理及生理需求的建筑物理安全設計提出了挑戰。高原建筑防火安全需求是改善人體氧狀態的客觀約束條件之一。

圖9 中性氧感覺對應的富氧體積分數

綜上可知,在高原建筑氧環境調節中,為了滿足高海拔地區人體在舒適層面的氧環境需求,不僅要監測人體生理狀態,還應關注人體癥狀指標,從而消除人體對缺氧環境的不舒適體驗、降低不滿意水平。本文研究明確了基于人體關鍵生理指標及癥狀指標判定的建筑室內氧環境需求,可為基于個體差異和人員個性化需求的建筑氧環境設計參數提供指導。

5 結論

本文通過高原室內環境彌散富氧實驗研究,探討了不同富氧環境對短期進藏人員缺氧狀態的改善效果,得到以下結論:

1) 血氧飽和度、心率、平均動脈壓可作為反映高原富氧環境下人體缺氧狀態的客觀生理指標。環境氧濃度與進藏人員、世居人員的平均動脈壓和心率呈負相關,與血氧飽和度呈正相關,且提高氧濃度可弱化血氧飽和度個體間的差異。

2) 較高富氧濃度對進藏人員客觀缺氧狀態具有較好改善效果。當環境氧氣體積分數為24.97%時,進藏人員平均動脈壓、心率、血氧飽和度改善率分別為6.94%、11.46%和1.62%,改善率顯著高于世居人員。

3) 在高海拔地區,人體氧不適癥狀是反映其氧狀態的重要指標,各類癥狀對氧環境的舒適需求并不同步。氧氣體積分數為24.97%時,進藏人員大腦狀態、頭部感覺、植物神經功能狀態和感官狀態四類癥狀的氧感覺最接近中性水平,氧感覺改善率在56.04%～84.13%之間。

4) 同一環境氧濃度下,進藏人員期望提高室內氧濃度的意愿較世居人員更強烈。無富氧工況下,77%的進藏人員期望提高氧濃度,較世居人員高40%;當富氧體積分數達到24.97%時,仍有28%的進藏人員期望繼續提高,而世居人員僅占6%。