野外極端低溫環境人體皮膚溫度變化研究

劉詠馨，李晨明，魏慧琳，趙友全，馬 天

(1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2.軍事科學院系統工程研究院 軍需工程技術研究所，北京 100010)

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[3-9]；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。

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：

(1)

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

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。

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

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

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。