醫用防護服的熱濕舒適性與人體疲勞度的關系

牛夢雨， 潘姝雯，2， 戴宏欽，2， 呂凱敏

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215021； 2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215021)

醫用防護服是非常重要的防護用品[1]，具有質量輕、穿脫方便的優點，能夠阻止各類可能攜帶病原體的分泌物、噴濺物、顆粒物等接觸人體，保護醫務人員的健康[2]。

防護性能和舒適性是防護類服裝不可或缺的2個性能[3]，由于受到生產工藝的限制，現階段醫用防護服存在透濕透氣性不佳、不具備吸濕快干能力、無法實現微環境熱量交換等問題，難以兼顧防護服對有害物質的阻隔能力[4]和穿著舒適性[5]。為了阻隔新冠病毒的傳播，醫護工作者需要穿著醫用防護服長時間進行醫務工作，透濕透氣性能差的醫用防護服使得醫護工作者感到悶熱潮濕，疲勞增加，從而導致工作效率降低，容易引起事故的發生。

近年來，國內外科研機構和學者致力于提高織物的防護性能[6-7]，主要集中在研究面料的熱濕舒適性方面，對于醫用防護服熱濕舒適性和防護服對人體疲勞度的影響研究較少。本文從熱濕舒適性及其對人體疲勞度的影響2個角度出發，對醫用防護服進行探討研究，得出防護服的熱濕性能與人體疲勞度的關系，建立人體疲勞度與心率的關系式,以期為生產具有良好熱濕舒適性的醫用防護服提供數據支持,指導醫務工作者科學地穿著醫用防護服。

1 試驗設計

熱濕舒適性是指保持人體處于合理熱濕舒適狀態的性能[8]，是人體-服裝-環境相互作用的結果，難以用單一指標進行評價[9]，常用的評價方法有主觀評價法、客觀評價法和數學模擬法等[10]。主觀評價法精準度較低[11]，客觀評價法雖然測量準確度高，但難以直觀反映人體的主觀感受[12-13]。本文通過對醫用防護服進行組合設計，模擬在常溫環境中醫護人員穿著不同熱濕舒適性的醫用防護服進行不同強度工作，采用主觀評價與客觀測量相結合的方法評價防護服的熱濕舒適性，規避主觀評價和客觀測量評價的不足，使評價結果直接、準確。同時研究了人體的疲勞感與人體熱濕舒適感、生理參數的相關性，從而得出醫用防護服的熱濕舒適性與人體疲勞度的關系。

1.1 試驗服裝

醫護人員在醫務工作中，穿著的醫用防護服種類不同，內搭服裝也不同，導致穿著同種醫用防護服，但熱濕舒適性不同，對人體的影響也不同。通過研究醫務工作者穿著的不同種類醫用防護服，設計了3套不同的服裝組合，模擬不同熱濕舒適性的醫用防護服。

醫用防護服選取杜邦Tyvek 1422A，標記為T，搭配3套內穿服裝，短袖套裝、長袖薄款套裝和長袖厚款套裝，分別標記為A～C，組合設計為TA、TB、TC，服裝組合如圖1所示。服裝參數如表1所示。設計內穿的A～C套裝時面料均選取棉，號型為(178±3)/(105±3)A。

服裝的熱濕舒適性客觀測量通常采用出汗假人法[14]和暖體假人法[15]。本文試驗采用出汗假人法，在人工氣候室中采用Newton出汗暖體假人測量，如圖2所示。根據ISO 15831：2004《服飾·生理效應·用熱的人體模型法測量熱絕緣性》和ASTM F2370—2010《使用出汗人體模型測定防護服防蒸發性的標準試驗方法》，分別測試TA、TB、TC的熱阻和濕阻，測量結果如表1所示。熱阻值從小到大依次為TA、TB、TC，TA的保溫性能最低，TB次之，TC最高；濕阻值從小到大依次為TA、TB、TC，TA的透濕性能最強，TB次之，TC最弱。

圖1 服裝組合Fig.1 Clothing combination

表1 服裝參數Tab.1 Clothing parameters

圖2 Newton出汗暖體假人Fig.2 Newton sweating manikin

1.2 試驗對象

試驗對象為10名，年齡為(23±2)歲、身高為(178±3) cm、體重為(67±7) kg、日常運動量為(2±1) h/d的健康男性。要求試驗對象具備長時間高強度運動的能力，心肺功能、呼吸系統正常，身體無運動損傷史；試驗前1～2 d內無中高強度運動，保證充足的睡眠和放松的心態。試驗對象在進行試驗前均接受培訓，熟練掌握試驗的操作步驟和主觀評價指標。

1.3 真人穿著試驗

真人穿著試驗方案如圖3所示。根據醫務工作者工作的強度設置3檔跑步機的速度4、6、8 km/h,分別模擬低強度、中強度和高強度工作狀態，E1～E5分別代表靜坐、低強度、中強度、高強度運動和恢復階段。真人穿著試驗在人工氣候室中進行，環境溫度設置為(21±1) ℃，濕度設置為(60±1)%，10名受試者分別穿著TA、TB、TC依次進行試驗。試驗過程中實時采集人體的生理參數和主觀感覺參數，如表2所示。

圖3 試驗方案Fig.3 Test scheme

表2 試驗采集人體參數Tab.2 Human parameters collected in experiment

真人穿著試驗中，主觀評價指標選取人體的冷熱感覺、濕感覺、舒適感和疲勞感。冷熱感覺采用9級評價標尺[16]，濕感覺、舒適感采用4級評價標尺[17]，疲勞感采用Borg 15級RPE疲勞程度主觀感覺標尺，如圖4所示。試驗過程中每間隔5 min詢問試驗者的主觀感覺。

圖4 主觀評價標尺Fig.4 Subjective evaluation scale. (a) Hot and cold feeling; (b) Wet feeling; (c) Comfort feeling; (d) Fatigue feeling

2 熱生理指標

2.1 人體平均皮膚溫度

人體平均皮膚溫度(Tsk)既反映了人體冷熱的應激程度，又可判斷出人體通過服裝與環境之間進行的熱交換。測量人體的平均皮膚溫度根據ISO 9886∶2004《人類工效學·熱應變的生理學測量評價標準》，采用溫濕度傳感器測量人體8個部位的皮膚表面溫度，測試點分布如圖5所示。采用Hardy和Dubois的八點法計算。

①—右大腿前中部; ②—右臂上部; ③—左小腿后中部; ④—左臂 上部; ⑤—左手; ⑥—右肩胛; ⑦—前額; ⑧—左上胸部。 圖5 平均皮膚溫度測量點Fig.5 Measurement points of average skin temperature

試驗測量的Tsk結果如圖6所示，Tsk在E1靜坐階段呈現上升趨勢，表明穿著醫用防護服靜坐狀態下會使人體平均皮膚溫度上升。在E2、E3、E4階段開始的1～3 min內均出現Tsk下降的情況，人體出汗后，隨著汗液的蒸發，Tsk下降，表明醫用防護服可以調節人體的熱濕平衡，但調節能力有限。體溫下降到一定程度，汗液的蒸發不能平衡人體的體表溫度，Tsk持續上升，醫用防護服難以維持穩定的衣下熱濕微循環，熱濕舒適性能較差。在E5恢復階段，Tsk下降，穿著熱阻、濕阻最大的TC防護服下降最慢。

圖6 平均皮膚溫度Fig.6 Mean skin temperature

從斜率看，E3、E4階段中高強度運動下穿著TC防護服的Tsk上升最快，表明在中高運動強度下，防護服的熱濕舒適性對人體的平均皮膚溫度影響較強。熱阻越大，隔熱保溫性越強;濕阻越大,透濕性越差。高熱阻、濕阻使人體產生的熱量和汗液不能及時排出。TC的熱阻、濕阻最大，TB次之，TA最小，Tsk值呈現平行分布,穿著TA、TB、TC防護服的Tsk由大到小依次為TC、TB、TA。

2.2 新陳代謝

人體新陳代謝的強弱影響人體的出汗量，出汗量是人體熱生理的重要指標之一。人體新陳代謝采用能量代謝當量參數表示，試驗測量結果如圖7所示。

圖7 能量代謝當量Fig.7 Metabolic equivalent of energy

隨著運動強度的變化，人體能量代謝當量隨著運動強度的大小呈現階段式先上升后下降的趨勢，穿著TA、TB、TC防護服的人體能量代謝當量值在運動階段的差異性不明顯，表明常溫環境中，熱濕舒適性不同的醫用防護服對人體新陳代謝的影響較小。

2.3 心 率

心率(HR)是人體重要的生理指標之一，試驗測量的心率結果如圖8所示。

圖8 心率Fig.8 Heart rate

運動過程中，人體心率不斷上升,在E1、E2靜坐、低強度運動階段，穿著TA、TB、TC防護服的人體心率差異較小，E2階段上升斜率較小，主要是由運動影響，表明靜坐狀態和低強度運動狀態下，防護服的熱濕舒適性對心率影響較小。在E4高強度運動階段，穿著TA、TB、TC防護服的人體心率由大到小依次為TC、TB、TA,高強度運動狀態下，穿著熱阻和濕阻高的醫用防護服，心率增加越高越快，醫用防護服的熱濕舒適性對心率影響較大。

2.4 汗液蒸發量

穿著TA、TB、TC防護服的人體汗液蒸發量分別為(316±57)、(262±51)、(289±52) g。TA、TB、TC防護服的熱阻和濕阻不同，試驗過程中的出汗量有差異，阻止水蒸氣透過的能力也有差異，所以穿著3種防護服的人體汗液蒸發量存在差異。熱阻越大，同等運動強度下出汗量越高。濕阻越大，透濕性能越差。TA套裝的熱阻、濕阻最小，所以汗液的蒸發量最高；TC套裝熱阻最大，出汗量最大，但由于TB和TC防護服的濕阻差異較小，因此穿著TC防護服的人體汗液蒸發量大于穿著TB防護服的汗液蒸發量。

3 主觀評價

3.1 冷熱感覺、濕感覺、舒適感主觀參數

試驗者的主觀冷熱感覺、濕感覺和舒適感的評價值如圖9～11所示。在E1階段，人體開始出現不舒適感，表明穿著醫用防護服均會引起人體的不適感；穿著TA防護服人體處于熱平衡狀態，穿著TB、TC防護服人體開始出現熱感、未出汗，這是因為TB、TC防護服熱阻值較大，隔熱保暖性強。在E2、E3階段，熱感增加，人體開始出汗，其中TC熱感、不舒適感最強，TB次之，TA最弱。在E4階段，運動強度較大，人體出汗量增大，人體的濕感急劇增強，熱阻和濕阻值最大的TC防護服的熱感、濕感和不舒適感均最強。這說明當人體處于較高強度的運動狀態下，防護服熱阻和濕阻越大，人體的熱感、濕感和不舒適感越強，反之則弱。在E5慢走恢復階段，TA熱感、濕感下降最快，TA熱阻和濕阻最小，比TB、TC更快將汗液和熱量排出。

圖9 冷熱感覺主觀評價值Fig.9 Subjective evaluation value of hot and cold feeling

圖10 濕感覺主觀評價值Fig.10 Subjective evaluation value of wet feeling

圖11 舒適感主觀評價值Fig.11 Subjective evaluation value of comfort feeling

3.2 人體疲勞感主觀參數

試驗者的主觀疲勞感覺的評價值如圖12所示，從整體趨勢看，人體的疲勞感呈現先上升后下降的趨勢，與人體的熱生理參數——心率、平均皮膚溫度變化趨勢一致。穿著TA、TB、TC防護服的人體疲勞感變化范圍分別為7.4～13.8、7.3～14.2、7.7～15。隨著運動強度的增大，人體的疲勞感加深，在試驗的不同階段，穿著不同服裝的疲勞感參數具有差異，疲勞感隨著熱阻和濕阻的增加、運動量的增加而增大，表明不同熱濕性能的防護服對人體的主觀疲勞感有影響。

圖12 疲勞感主觀評價值Fig.12 Subjective evaluation value of fatigue feeling

不同人的疲勞感知程度不同，主觀疲勞感的平均值只能反映人體的平均疲勞狀態，不能夠完全反映不同人體的疲勞狀態。為了分析不同熱濕舒適性能的防護服與人體疲勞度的關系，依據圖4疲勞程度主觀感覺標尺，將人體疲勞感進行分級：6～7代表非常輕松，8～9代表很輕松，10～11代表輕松，12～13代表有點費力，14～15代表費力，16～17代表很費力，18～20代表非常費力。圖13示出E1～E5階段試驗者不同疲勞等級的人數占比。如穿著TA防護服在靜坐階段選擇6～7疲勞等級的有5人，占總人數(10人)的50%，則疲勞等級6～7的人數占比為50%。

圖13 不同階段人體主觀疲勞等級人數占比Fig.13 Proportion of people with subjective fatigue level in different stages

在E1靜坐階段，穿著TA、TB、TC防護服的人體主觀疲勞50%以上分布在6～7非常輕松等級，穿著不同防護服的疲勞度差異不大。

在E2低強度運動階段，6～7非常輕松等級占比下降，穿著TB防護服的10～11輕松等級占比大于TA，穿著TC防護服出現10%的12～13有點費力等級，表明在低強度運動階段，服裝的熱阻和濕阻越大，人體越容易產生疲勞。

在E3中強度運動階段，穿著3套防護服的主觀疲勞感差異明顯，穿著TB防護服的12～13有點費力等級占比小于TA，穿著TC防護服出現50%的12～13有點費力等級和10%的14～15費力等級，表明在中強度運動階段，穿著防護服引起的人體疲勞程度從小到大依次為TB、TA、TC。TB的濕阻值接近TC，熱阻值小于TC，疲勞程度明顯小于TC，表明在低強度運動階段，防護服的熱阻對人體的疲勞度產生影響。

在E4高強度運動階段，12～13有點費力等級占比從小到大依次為TC、TB、TA；14～15費力等級的占比TA小于TB和TC；16～17很費力等級占比TC小于TA和TB；穿著TC防護服，20%的試驗者出現非常費力感覺，穿著TA、TB防護服均未出現這種等級。TA的熱阻和濕阻最小，熱濕性能最好，人體疲勞度最弱;TC的熱阻和濕阻最大，熱濕性能最差，人體疲勞度最強。表明在高強度運動中，防護服的熱濕性能影響了人體的疲勞程度，熱阻、濕阻越高即熱濕性能越差，人體疲勞度越深。穿著高熱阻高濕阻的防護服高強度運動10 min后，20%的人體會感到非常費力情況，不利于繼續運動。對穿著TB、TC防護服產生的人體疲勞進行對比分析，TB的濕阻值接近TC，熱阻值小于TC，隔熱性能TB小于TC，產生的人體疲勞程度TB小于TC，表明在高強度運動中，當濕阻值相近時，防護服的熱阻因素影響了人體的疲勞狀態，熱阻值越大，人體疲勞度越深。

在E5慢走恢復階段，人體疲勞感的恢復程度從小到大依次為TC、TB、TA，穿著TA防護服人體的體力更容易恢復，而由于TC熱阻和濕阻最大，對人體疲勞恢復的阻礙最強，因此TC的疲勞感恢復程度最低。

4 相關性分析

運用Pearson相關性分析方法，對人體熱生理參數和主觀感覺參數之間的相關性進行分析，相關性分析結果如表3所示。

變量間的相關程度強弱與變化方向用相關系數r表示，r取值范圍為-1

表3 Pearson相關性分析Tab.3 Pearson correlation analysis

將主觀人體疲勞感覺作為因變量y，與疲勞感顯著相關的平均皮膚溫度、心率和能量代謝當量作為自變量x1、x2、x3進行回歸分析，其中能量代謝當量的Sig.=0.068>0.05被排除，得到回歸方程式(1)、(2)。由于平均皮膚溫度受到人體運動出汗時汗液蒸發的影響，不能準確反映人體在不同強度運動下的疲勞程度，因此采用回歸模型(2)。

y=0.723x1+0.068x2-21.019

(1)

y=0.075x2+2.305

(2)

回歸分析中，模型(2)的相關系數R=0.921，表明心率與疲勞感相關性顯著；判定系數R2與調整后的R2分別為0.848、0.843，表明心率與疲勞感的擬合程度高；模型的F檢驗顯著性為0.000<0.01，模型極顯著，具有統計學意義。

5 結 論

本文研究了醫用防護服的熱濕舒適性能與人體疲勞度的關系。試驗設計TA、TB、TC3套具有不同熱阻濕阻的醫用防護服組合，模擬常溫環境下醫務人員穿著不同的醫用防護服進行不同強度的工作，測試人體的熱生理參數和主觀感覺，通過分析得出以下結論。

1)防護服的熱濕舒適性從優到劣依次為TA、TB、TC。常溫環境下，低強度運動中，人體生理參數和主觀評價波動較小，醫用防護服的熱濕舒適性好壞對人體的生理參數和主觀感覺影響差異不明顯；隨著運動強度的增加，醫用防護服難以維持穩定的衣下熱濕微循環，人體生理參數和主觀評價波動明顯，熱阻濕阻越高，人體的心率、平均皮膚溫度越高，主觀感覺越不舒適，疲勞感越強。

2)穿著不同熱濕性能的防護服在進行不同強度的運動中對人體疲勞度的影響不同。靜坐狀態醫用防護服的熱濕舒適性對人體疲勞度的影響較小；低強度運動狀態穿著防護服引起的人體疲勞程度從小到大依次為TA、TB、TC；中強度運動狀態穿著防護服引起的人體疲勞程度從小到大依次為TB、TA、TC；高強度運動狀態穿著防護服引起的人體疲勞程度從小到大依次為TA、TB、TC；恢復狀態人體疲勞度的恢復程度從小到大依次為TC、TB、TA。

3)平均皮膚溫度、心率、能量代謝當量與主觀疲勞感呈顯著相關性，通過進行線性回歸，得到人體疲勞感與心率的線性模型，人體的心率可以反映人體的疲勞程度。