熱環境下人體局部皮膚濕敏感性的分布特征

李寧寧， 張昭華,2， 徐蘇紅, 鄭子奕， 李霄羽

1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 高性能纖維及制品教育部重點實驗室， 上海 201620)

服裝的熱濕舒適性是服裝舒適性的重要評價指標之一，在熱濕舒適狀態的實驗過程中，濕感覺作為人體的基本感覺是一種特殊的存在。因為人體沒有特定的濕覺感受器[1]，人們似乎通過復雜的多感官整合來“學習”感知皮膚與潮濕表面接觸或產生汗液時所經歷的潮濕[2-3]，是人體皮膚的溫度感受器、機械感受器共同對外界刺激做出的感覺判斷[4]。

Gagge 在1937年提出皮膚濕度[5]這一生理變量，并提出皮膚濕度為0.3是人體舒適的臨界點。作為一種特殊的基本感覺，國內外對濕感覺進行了較多的研究。先前的研究主要集中在外部刺激引起局部皮膚濕感知方面。學者們通過改變材料含水量、材料類型(薄粘膠織物、厚粘膠織物和棉墊)、材料與皮膚的接觸方式(靜態和動態)[3,6-7]、局部施加不同的外界溫度和壓力[8-9]來研究皮膚對濕感覺的感知。但人是恒溫動物，在熱環境或者運動情況下，人體可通過出汗和汗液蒸發帶走熱量，保證人體體溫在正常的范圍內。人體主動出汗也可以引起皮膚濕潤，產生濕覺感知，然而少有研究調查運動引起體溫升高的過程中，主動出汗引起的皮膚濕感覺以及人體對局部皮膚濕感覺的差異[10-12]。

本文在熱環境條件下，研究人體主動出汗時濕敏感性的局部分布特征，探討主觀濕感覺與物理皮膚濕度之間的關系，為運動服裝、功能服裝的設計提供數據參考。

1 實驗部分

1.1 實驗服裝

實驗服裝的設計原則是為了盡可能減少服裝與皮膚之間的摩擦，避免衣下空氣與外界的對流交換，從而將研究重點放在蒸發散熱的情況下，探究局部皮膚的濕感覺分布。本文實驗服裝采用彈性針織織物(錦綸/氨綸(86/14))，其基本性能如表1所示。臀腰部以及女性胸部隆起而產生的松量用省道的方法收緊；為起到良好的封閉效果，用羅紋針織織物(100% 棉)束緊袖口和腳口，緊身立領束緊領口，用拉鏈有效防止服裝內外空氣交換且方便穿脫。服裝款式如圖1所示。

表1 實驗面料基本性能參數

圖1 服裝款式圖

1.2 受試者

受試者為6名在校女大學生，身體健康，自愿參與實驗，其基本信息為：年齡(23±1) 歲，身高(162±2.97) cm，體重(50.67±3.27) kg。

實驗前向每位受試者介紹實驗條件和流程，簽知情同意書，受試者參與實驗時間不在其生理期內。在實驗測試前48 h，受試者避免進行劇烈運動以及攝入咖啡因或酒精，以確保實驗當天具有良好的身體狀況。

1.3 實驗條件及測試部位

1.3.1 實驗條件

實驗在溫濕度可控的人工氣候艙中進行，環境溫度為(30±1) ℃，相對濕度為(35±1)%，風速在0.3 m/s以下。

1.3.2 測試部位

選擇10個身體部位作為溫濕度的測試部位，分別為上額、上臂、小臂、前胸、前腹、大腿、小腿、上背、下背和臀部，測試點的位置如圖2所示。

1—前額； 2—上臂； 3—下臂； 4—前胸； 5—前腹； 6—大腿； 7—小腿； 8—上背； 9—下背； 10—臀部。

1.4 測試指標

1.4.1 客觀測試指標

1.4.1.1平均皮膚溫度 皮膚溫度的采集使用DS 1922L型 iButton溫濕度傳感器(美國Maxim公司)。依據ISO 9886—2004《人類工效學 熱疲勞的生理測量評價》，在皮膚的8個位置記錄局部皮膚溫度，并根據下式計算平均皮膚溫度(Tsk):

Tsk=T前額×0.07+T上胸×0.175+T肩胛骨×0.175+T上臂×0.07+T下臂×0.07+T手背×0.05+

T大腿×0.19+T小腿×0.2

(1)

式中：T前額、T上胸、T肩胛骨、T上臂、T下臂、T手背、T大腿、T小腿分別為前額、上胸、肩胛骨、上臂、下臂、手背、大腿、小腿部位的皮膚溫度，℃。

1.4.1.2皮膚濕度 根據Gagge提出的皮膚濕度定義，局部皮膚濕度計算公式為：

(2)

(3)

Dsk=0.01×RHi×Dss

(4)

(5)

式中：W局部為局部皮膚濕度；Psk為皮膚表面的蒸發潛熱，W/m2；Pmax為完全濕潤的皮膚的最大蒸發潛熱，W/m2；Dsk為皮膚表面的水蒸氣壓，Pa；De為環境的水蒸氣壓，Pa；Dss為皮膚表面的飽和蒸汽壓，Pa；RH為環境相對濕度，%；RHi為局部皮膚i的相對濕度，%；Ta為環境溫度，℃；Ti為局部皮膚i的溫度，℃。平均皮膚濕度(W)計算方法與平均皮膚溫度計算方法相同，采用八點法進行計算。

1.4.1.3出汗量、汗液蒸發量及蒸發效率 采用PBK 989型電子重量計(瑞士MERTTLER TOLEDO公司)，稱量實驗前、后的裸體體重，以及飲用水、毛巾和服裝的質量。出汗量(G1)根據下式進行計算：

G1=m1-m1′+m2-m2′

(6)

式中：m1、m1′為實驗前、后受試者的半裸體(僅穿著緊身內衣褲)體重，kg；m2、m2′為實驗前、后飲用水的質量，kg。

汗液蒸發量(G2)的計算公式為

G2=G1-(m3′-m3)-(m4′-m4)

(7)

式中：m3、m3′為實驗前、后毛巾和服裝的質量，kg；m4、m4′為實驗前、后襪子和鞋子的質量，kg。

汗液蒸發效率(η)的計算公式為

(8)

1.4.2 主觀測試指標

實驗過程中，受試者需要對局部濕感覺進行主觀評價，采用的主觀評價標尺及標尺中數值含義描述如表2所示。

表2 局部濕感覺標尺含義

1.5 濕敏感度的評價指標

采用2種指標確定濕敏感度，具體如下：1)按照局部濕感覺出現的先后時間進行定義，若某一局部區域，在某一時刻有超過50%的受試者感受到了濕，記錄此時的時間(min)，表征局部濕敏感性，濕感覺出現的時間越早，表明該部位對濕越敏感；2)按照局部感到濕的評價頻數進行定義，在整個實驗過程中，以某一身體部位被評價為濕的總頻數(即感受到濕的次數)，表征局部身體部位對濕感覺的敏感性，即頻數越大局部濕敏感性越強。

1.6 實驗流程

實驗流程具體分為4個階段。

1)準備階段：受試者穿著自己的單層衣服在人工氣候艙平衡40 min后，脫去外衣，使用3M透氣醫用膠帶將iButton溫濕度傳感器貼在對應的10個身體部位(見圖2)以及手背處，佩戴心率帶；測量并記錄受試者的半裸體體重、鞋襪、衣服和毛巾，以及實驗前飲用水的質量。

2)靜坐階段(0～10 min)：受試者穿著實驗服裝靜坐平衡10 min，期間每5 min使用IRT 6520耳溫槍(德國博朗公司)測量受試者的耳道溫度，每5 min進行主觀感覺評分。

3)運動階段(10～50 min)：受試者在跑臺上以5 km/h的步行速度運動40 min，每隔5 min增加跑步機的坡度2%，直到達到14%的坡度。期間每5 min采用耳溫槍測量耳道溫度，受試者按照圖2所示的身體部位劃分，逐一評價各部位是否感覺到了濕；若感覺到了濕，則進一步使用表2的濕感覺標尺，給出具體的濕感覺強度評分。實驗過程中，受試者可根據需要飲用礦泉水。

4)后整理階段：實驗結束后迅速脫下實驗服裝(內衣除外)，裝入密封袋并讓受試者用毛巾擦干身上多余汗液，稱量受試者的半裸體體重、鞋襪、服裝和毛巾以及剩余飲用水的質量。

1.7 數據分析方法

在本文實驗中，自變量為身體部位(10個部位)和時間(10個時間段，間隔5 min)，因變量為平均皮膚溫度、局部皮膚濕度、局部濕感覺。使用SPSS 25.0軟件進行統計分析，所有主觀評價數據均經過歸一化處理[13]，采用Shapiro-Wilk Test(W檢驗)進行數據的正態性檢驗；使用頻數來分析局部濕感覺的敏感性分布；采用Kendall(肯德爾)相關性和一元回歸分析來評估主觀濕感覺與客觀濕度測量的關系；顯著性水平設定為P<0.05，數據用(平均值±標準差)表示。

2 結果與分析

2.1 客觀生理數據

2.1.1 平均皮膚溫度

實驗過程中平均皮膚溫度變化如圖3所示。可以看出，平均皮膚溫度波動不大，最大溫差小于0.5 ℃。

圖3 平均皮膚溫度

2.1.2 平均皮膚濕度

實驗過程中平均皮膚濕度如圖4所示。可知，平均皮膚濕度隨著時間呈現先下降再上升的趨勢。平均皮膚濕度在靜坐階段(0～10 min)以及運動階段初期(10～15 min)呈現下降趨勢；15～50 min階段呈現上升趨勢，平均皮膚濕度的變化范圍為0.212～0.349。

圖4 平均皮膚濕度

2.1.3 出汗量及汗液蒸發量

表3示出6位受試者的出汗量和汗液蒸發率。結果表明，在實驗環境溫度為30 ℃時，所穿著的服裝仍具有較好的汗液蒸發效果，平均汗液蒸發效率達到94%。將受試者隨機分為2組，采用單因素方差分析(ANOVA)結果表明，受試者的總出汗量(F(1，4)=2.273，P=0.206>0.05)、汗液蒸發量(F(1，4)=0.575，P=0.490>0.05)及汗液蒸發效率(F(1，4)=2.213，P=0.211>0.05)沒有顯著性差異，說明該實驗條件下受試者之間的基礎生理指標保持一致。

表3 出汗量及汗液蒸發量

2.2 局部皮膚濕敏感性分布

以局部濕感覺出現的先后時間為評價指標，分析結果如表4所示。可以看出，測試時間達到15 min時，局部濕感覺評價頻數超過50%的身體部位為上額、前胸和下背；20 min時身體部位為上臂、前腹和上背,25 min時為小臂和臀部,30和35 min時分別為小腿和大腿。

根據表4將人體10個部位按濕敏感性出現的先后時間順序分成高、中、低3個分區，即：運動10～15 min時出現濕感覺的部位為高敏感區(上額、前胸和下背)；運動15 ～25 min時出現濕感覺的部位為中敏感區(上臂、前腹、上背、小臂和臀部)；運動大于25 min時出現濕感覺的部位為低敏感區(小腿和大腿)。

表4 各時刻受試者局部部位感覺到濕的頻數

以局部感到濕的頻數為評價指標，分析結果如圖5所示。整個實驗所有受試者共進行334次評價，其中下背的濕感覺評價次數最多，占總評價次數的14.07%；其次是前胸，占比為13.47%；大腿和小腿的評價次數相同，占比為5.69%。

圖5 受試者局部部位感到濕的頻率

根據圖5將人體10個部位按濕感覺評價的頻數分成高、中、低3個敏感性分區，即評分次數占比高于12%的身體區域歸為高敏感區(下背、前胸和上額),在6%～12%之間的身體區域歸為中敏感區(上臂、上背、小臂、臀部、前腹),低于6%的身體區域歸為低敏感區(大腿和小腿)。

由以上分析可見，上述2種方法均可將人體的局部濕敏感性劃分為3個分區：即高敏感區為下背、前胸和上額；中敏感區為上臂、前腹、上背、小臂和臀部；低敏感區為大腿和小腿。

2.3 主觀濕感覺強度與客觀皮膚濕度關系

采用Kendall(肯德爾)相關系數對各測試部位的主觀濕感覺評分與客觀皮膚濕度的關系進行分析。相關性系數r及顯著性水平P的結果如下：上額(r=0.972，P<0.001)、上臂(r=0.844，P<0.001)、小臂(r=0.785，P<0.001)、前胸(r=0.844，P<0.001)、前腹(r=0.823,P<0.001)、上背(r=0.860,P<0.001)、下背(r=0.807,P<0.001)、臀部(r=0.850,P<0.001) 均具有顯著的相關性，說明人體能夠對這些身體部位的皮膚濕潤程度做出較為準確的判斷；而大腿(r=0.337,P=0.156)、小腿(r=0.42,P=0.085)不具有顯著相關性，說明人體對大腿、小腿的濕潤程度判斷較不準確。

將除大腿與小腿外的其他身體部位的皮膚濕度與相應的局部濕感覺主觀評分之間構建散點圖，結果見圖6。可以發現，上額、上臂、小臂部位的數據點明顯偏離其他測試部位。上額出現明顯偏離的原因可能是測量皮膚濕度時，額頭部位沒有服裝遮蓋，而其他部位測量的是衣下濕度，使得上額濕度數據明顯高于其他身體部位。手臂的皮膚濕度較低，但主觀濕感覺較高，可能是因為腋下出汗影響了對手臂濕感覺的判斷，因此，這3個部位的數據也被剔除。

圖6 局部部位濕度與濕感覺評分間的散點圖

最后，僅對人體軀干部位的局部皮膚濕度(x)和主觀濕感覺評分(y)進行線性擬合，結果如圖7所示。可知，數據呈現較好的聚合效果，擬合方程為：y=15.189x-2.014 7，判定系數為R2=0.726 9,P<0.05。說明物理皮膚濕度對主觀濕感覺的解釋程度是有限的：一方面是由于濕度傳感器的平臺效應，在相對濕度接近飽和狀態時，傳感器無法繼續記錄出汗量；另一方面也說明除物理皮膚濕度外，還有其他因素，例如服裝的材料、服裝的寬松度、著裝時服裝對人體產生的壓力等均會影響人體對濕感覺的感知。

圖7 局部部位濕度與主觀濕感覺評分的相關性

3 結 論

本文研究在熱環境中穿著貼體連身實驗服進行跑步運動時，人體局部皮膚濕敏感性的差異與分布特征，得出如下主要結論。熱環境中可將人體全身皮膚劃分為3個濕敏感區，即高敏感區為上額、前胸、下背；中敏感區為上臂、前腹、上背、小臂、臀部；低敏感區為小腿和大腿。在運動服裝設計時，可通過在高敏感區配置吸濕快干面料，并增加服裝局部通風等方法，促進汗液蒸發干燥，緩解人體因局部皮膚高濕所帶來的不舒適感。軀干部位的主觀濕感覺與客觀皮膚濕度之間存在線性關系。

本文采用了同一種服裝材料制成實驗服裝，而服裝的設計因素，如通風性與合體性可能會引起皮膚與服裝在間歇接觸的過程中，造成人體皮膚濕敏感性局部分布的差異性。另外，在低溫環境中的濕冷作用是否會影響濕敏感性的局部分布特征，這些問題值得未來進一步深入研究。