高溫密閉環境下的人體熱生理研究

周畢云， 丁 立*， 辛夢怡， 席林斌， 李潭秋

（1.北京航空航天大學生物與醫學工程學院， 北京 100191； 2.北京航空航天大學生物醫學工程高精尖創新中心， 北京 100191； 3.中國航天員科研訓練中心， 北京 100094）

1 引言

載人航天飛行中舒適的艙內環境是航天員的工作和生活的重要保證。 在航天器返回大氣層時，艙內溫度過高、艙溫控系統失調或著陸在炎熱地區時，會導致航天員出現熱應激狀態。 在高溫應急情況下，可能導致航天員機能和工作能力下降；如果體溫繼續升高，甚至可能危及生命。 載人航天初期，航天飛行中曾出現人體高溫應急事件。如美國水星MA-7 飛船在第1 圈軌道飛行時溫控系統出現故障，船艙溫度高達40 ℃，航天員全身大量出汗；在第2 圈飛行時，航天員體溫已經達到38.8 ℃。 因此，探究航天員的熱舒適和高溫環境下的生理特征具有重要意義。

航天失重會導致人體皮膚血管舒張反應能力下降，而且自然對流消失和低風速等飛行因素也會造成機體與周圍環境熱交換能力下降，進而擾亂人體熱平衡和熱舒適。 高溫可使人體免疫功能減退，免疫細胞在40 ℃時即可受到抑制，43 ℃時則可發生不可逆性損傷。 在熱應激暴露過程中，體溫調節系統負荷過重導致體溫過高，從而引起中樞神經系統功能紊亂等一系列癥狀。于新剛等采用綜合舒適指標（Predicted Mean Vote，PMV）和預期不滿意率（Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）指標建立PMV?PPD 模型，開展了神舟飛船艙內的熱舒適性評價研究。 龐誠等研究了人體最大氧攝取量與耐熱能力的關系，認為可以采用心功能適應指數與最大氧攝取量作為測定指標，選拔潛在耐熱能力較高的航天員，并安排某些體能訓練來提高耐熱能力，以避免在應急情況時發生事故。 此外，人體熱調節模型已經廣泛應用于航空、航天等領域。

本文旨在研究高溫環境下人體的熱生理特征變化、熱感覺和平均皮膚溫度之間的關系以及局部熱感覺與整體熱感覺的關系。 研究結果可為航天員的熱生理防護和熱舒適性評估提供參考，為高溫下的人體熱生理仿真提供數據支撐。

2 方法

2.1 受試者

12 名男性受試者，年齡（22.9±0.9）歲，身高（172.1±2.4）cm，體重（65.9±1.9）kg。 受試者身體健康，無心理障礙。 實驗前一天保持良好睡眠。實驗前受試者被告知實驗內容和潛在風險，并簽署知情同意書。 本實驗通過北京航空航天大學生物與醫學工程學院倫理委員會批準。

2.2 實驗設備及工況

實驗在北京航空航天大學生物與醫學工程學院熱生理密閉實驗艙進行。 實驗艙尺寸為3 m×3 m×3 m，艙內溫度控制范圍為-10 ～50 ℃，精度0.2 ℃，風速0.1 m／s。 艙內布置36 個PT100 電阻溫度傳感器，對艙內環境溫度進行實時監測。

采用魚躍YX306 型脈搏測試器測量受試者心率，精度±1 bpm，實驗中受試者全程佩戴。 采用Ibutton 無線溫度傳感器（Dallas 半導體公司，美國）測量人體的皮膚溫度和口腔溫度，精度±0.1 ℃。 采用ICS439 型號高精度稱臺（Mettler Toledo）測量受試者出汗量，精度為±1 g。

為探究高溫環境下受試者的生理特征和熱舒適性，根據航天器飛行過程中可能出現的正常和應急溫度狀態設計2 種工況，如表1 所示。

表1 實驗工況Table 1 Experiment conditions

2.3 實驗流程和測試指標

實驗開始前，記錄1 次受試者心率（Heart Rate，HR）和裸體重量，受試者填寫1 次熱感覺問卷調查。 受試者穿著服裝熱阻為1.78 clo 的防護服，該防護服為自研壓力服，其隔熱特性、結構與航天員服裝相近。

受試者佩戴脈搏測試器進入實驗艙。 實驗開始后每隔10 min 記錄1 次心率和填寫問卷調查。實驗過程中測量受試者口腔溫度和人體10 個測點的皮膚溫度。 溫度測點如圖1 所示，溫度數據連續采集。 受試者在每種工況下實驗90 min，實驗結束后測量人體裸重。 實驗過程中隨時注意受試者的狀態，若受試者出現頭暈、胸悶等現象，立刻終止實驗。

圖1 人體皮膚溫度測量點Fig.1 Measuring points of human skin temperature

所有受試者在2 個工況下實驗間隔1 d 以上，實驗安排在每天的8：00 ～17：00 時間段內進行，每位受試者安排在一天中的相同時段實驗。

采用ASHRAE 七點熱感覺標度對受試者進行整體和局部主觀熱感覺（Thermal Sensation Vote，TSV）調查，問卷如表2 所示。

表2 ASHRAE 七點熱感覺標度Table 2 ASHRAE seven?point thermal sensation scale

為探究整體熱感覺與局部熱感覺之間的關系，采用權重因子法進行多元線性回歸建立模型，多元線性回歸方程的表達式見式（1）：

其中，表示常數項，b表示回歸系數（相關系數），x表示回歸因子，表示隨機誤差。

對于整體熱感覺與局部熱感覺之間多元線性方程如式（2）所示：

其中表示整體熱感覺評分，PMV表示人體不同位置的熱感覺評分，?表示人體不同部位權重系數，表示人體不同部位序號。

平均皮膚溫度采用式（3）計算：

核心溫度采用式（4）計算：

2.4 統計分析

采用Origin2018 統計軟件，利用單因素重復測量方差分析法對心率、皮膚溫度、核心溫度進行統計分析，采用配對檢驗對不同工況下的生理指標統計分析，＜0.05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

3.1 基礎熱生理指標變化

在20 ℃環境下受試者出汗量幾乎為0，40 ℃環境下出汗量為（0.595±0.21）kg，占人體體重的0.9%。 如圖2、圖3 所示，20 ℃環境下的核心溫和心率隨時間變化無顯著性差異（＞0.05），20 ℃環境下受試者的心率基本保持穩定，在70 ～80 bpm范圍內上下波動，沒有大幅度升高或降低；高溫40 ℃環境下，受試者心率和核心溫度均隨時間延長顯著增大，90 min 時的核心溫度達到38.2 ℃，達到人體發燒的溫度。 不同工況之間的核心溫度和心率存在顯著性差異（＜0.05），實驗結束時40 ℃環境下的人體核心溫度比20 ℃下高0.9 ℃，其心率比20 ℃下高20 bpm。

圖2 受試者核心溫度變化Fig.2 Core temperature changes of the subjects

圖3 受試者心率變化Fig.3 The heart rate changes of the subjects

3.2 不同部位皮膚溫度與熱感覺

人體各部位皮膚溫度如圖4 所示，20 ℃環境下人體各部位皮膚溫度之間存在顯著性差異（＜0.05），其中皮膚溫度的最大值在腹部，最小值出現在手部，兩者相差2.86 ℃。 40 ℃環境下人體各部位皮膚溫度間無顯著差異（＞0.05），但是手部和足部的溫度仍偏低。 不同工況之間的各點皮膚溫度存在顯著性差異（＜0.05）。

圖4 受試者平均皮膚溫度變化Fig.4 Mean skin temperatures changes of the sub?jects

不同工況之間熱感覺評分如圖5 所示，可以看出，不同工況之間熱感覺評分有顯著性差異（＜0.05）。 在20 ℃環境下，人體熱感覺評分在0附近波動，處于熱舒適區。 在40 ℃環境下人體各部位之間的熱感覺評分無顯著差異（＞005），且各部位感覺幾乎都處于熱狀態。

圖5 受試者不同部位熱感覺評分Fig.5 Thermal sensation votes for different parts of the subjects

采用線性回歸分析了人體平均皮膚溫度（）與整體熱感覺之間的關系，其結果如圖6 所示，平均皮膚溫度與整體熱感覺之間呈線性關系（＝0.89）。 當皮膚溫度增高，人體熱感覺逐漸增加，熱舒適性降低。

圖6 平均皮膚溫度和整體熱感覺Fig. 6 Fitting of skin temperature with overall thermal sensation

3.3 局部熱感覺與整體熱感覺的關系

通過回歸分析發現局部熱感覺與整體熱感覺之間存在相關性，其回歸方程如式（4）所示（＝0.96，＜0.05）。 多元線性回歸系數雷達圖如圖7 所示，可以看出，上臂、胸部、背部的熱感覺對整體熱感覺有很大影響。

圖7 整體熱感覺和局部熱感覺的回歸系數Fig.7 Correlation coefficient between global thermal sensation and local thermal sensation

4 討論

素芹研究表明在33 ℃的環境下工作2 ～3 h，人體的汗腺才開始啟動，本文20 ℃環境下的出汗量幾乎為0，主要是由于環境溫度未達到人體汗腺啟動溫度。 在40 ℃環境下，人體汗腺和毛孔擴張，出汗量增大，屬于被動出汗，容易出現脫水現象。 在20 ℃環境中，人體心率指標保持穩定狀態。 當環境溫度增加時，人體血管會擴張，引起心跳加快，人體熱感覺增加，可能出現身體無力或伴有發虛等情況。 Faerevik 等研究了40 ℃／RH19%環境下人體的熱生理特征變化，發現高溫環境下受試者的核心溫隨時間變化增大，實驗結束時核心溫度達到38.4 ℃，而本文實驗結束時核心溫度達到38.2 ℃，主要原因可能是由于本文實驗時間只是Faerevik 研究的一半。 美國水星MA-7 的座艙溫度為40 ℃，遙感測量人體溫度達到38.8 ℃，已經處于發熱狀態，產生了嚴重的熱蓄積，其溫度與本文研究結果相近。 今后在研究航天環境下的人體熱生理特征變化時，還應考慮失重、氣壓等因素的影響。

在航天個體防護裝備中，液冷服帶走人體產生的熱量，通風服是讓人體散熱均勻，不同的管長和管 徑 散 熱 效 果 不 同。 Yao 等研 究 了21～29 ℃之間的4 個環境溫度下人體皮膚溫度變化，發現臉頰、前臂、大腿、小腿、足部部位的皮膚溫度有顯著差異。 本文結果表明2 個工況間受試者10 個部位皮膚溫度變化量存在不同，且在20 ℃和40 ℃環境下四肢溫度較其他部位低。 故提示本文實驗的壓力服在管道布置、流量分配時應注意四肢的通風，才有助于提高人體的熱舒適性。

Jin 等研究了29 ℃和32 ℃環境下的人體熱生理特征，發現標準有效溫度和皮膚溫度之間存在線性關系。 楊振中等研究發現熱感覺和皮膚溫度之間存在相關性。 而本文研究發現局部熱感覺、平均皮膚溫度與整體熱感覺存在線性關系，可以用人體的皮膚溫度和局部熱感覺來更準確地評估人體的熱舒適性。 20 ℃環境下，受試者的整體熱感覺為不冷不熱狀態，說明該溫度是穿著防護服無通風狀態下的舒適溫度。

5 結論

1）40 ℃環境下90 min 時，人體核心溫度達到38.2 ℃，人體處于熱應激區，建議在該溫度下工作無熱防護時，持續時間不應該超過90 min。

2）人體皮膚溫度與整體熱感覺之間呈線性關系。

3）局部熱感覺與整體熱感覺呈多元線性相關。 對航天員的熱舒適性進行評價時，建議結合皮膚溫度和局部熱感覺從生理和主觀感覺兩方面進行評估。