外部环境对手臂温度变化影响研究

王燕珍，葛见闻，上海工程技术大学服装学院

本课题拟在室内温度湿度不变的前提下，研究不同的外部环境包括穿着不同的运动测试服，不同的运动状态下，随着运动时间的变化，对于人体左右臂及手臂上的不同区域的温度变化的影响，能够在详细分析研究手臂温度变化的同时，也期望能够为今后对于手臂，无论是理论研究还是创造性实验研究都具有一定的参考价值。通过翻阅文献查找在国内外的相关研究中，相关研究主要有四个方面，包括人体热舒适综合评价，人体手臂及手部相关研究，外部环境对人体生理及热舒适影响以及红外热成像仪技术。

ASHRAE55-1992和ISO7730标准是目前世界各国用以衡量热舒适性所采用的标准，但是我国的许多学者普遍存疑，他们认为这些标准均以欧美等国家的健康青年作为研究对象，针对各国不同区域，不同种族，不同体格，不同的生活习惯等等的差异，并不一定适合所有的国家和区域。

在最近的研究中，Fanger于2002年提出了一项新的extended PMV指标，主要适用于包括发展中国家的不同国家，针对不同的气候和国家将原有的PMV指标前分别乘以相应的修正系数，其值范围在0.5至1.0。对于中国，他给出的这一系数的0.7。虽然这一指标的提出对于建筑室内环境的热舒适研究起到了不可忽视的作用，但是针对我国特殊地区的特殊环境，探究所得结果与Fanger教授的实验结果存在较大差异性，其指标的适用性还需进一步的研究探讨。

由于人体生理钟包含千万种生化反应，正因为这些反应才能够不断地透过人体表面向外界发射红外光子，在丁光宏与姚伟等人的实验中，通过研究人体手臂部几个穴位与非穴位去的红外辐射光谱特征，得出经络功能与体内外红外传输有着密切的关系，人体红外辐射具有相同的生物物理学基础，也同时研究表明人体表面除了主要的热致红外辐射外，并且存在着其他原因的红外辐射，这需要进一步的研究与实验。

红外成像仪将接收到的红外波段的热辐射能量经过转换后陈威数字信号，通过图像显示出来。在图像中，每一个点的灰度值与被测物上该点发出并到达光电转换器件的辐射能量相对应。通过相应的运算，被测物表面的每一个点的辐射温度值便可以在图像上读出。红外测温技术的理论基础是普朗克分布定律，该定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律。标定技术是红外测温领域中关键技术之一，一般先采用标准黑体源作为辐射源，使用红外热像仪测量其辐射转换的辐射温度或者输出亮度。红外成像作为目前较为新颖的研究技术正在通过不断的实践中得到完善。

结合所查找的文献，发现国内外的众多对于人体生理参数的研究中并没有过多地单独对人体手臂进行研究分析，由于手臂的生理参数变化通常没有人体其他部位显著，故而往往将研究重点集中于人体的躯干部位，并且大多数对于手臂的研究更注重创新建模。

首先本课题研究结果可以为多种方面和领域提供可参考性的数据成果。其次本课题实验通过使用目前较为新颖的红外热成像技术，总结操作过程中的经验与不足及相关的操作过程，能够为今后红外热成像技术的使用与进步提供可以作为参考的依据。能够在详细分析研究手臂温度变化的同时，也期望能够为今后对于手臂，无论是理论研究还是创造性实验研究都具有一定的参考价值。

1 实验

1.1 实验设备和仪器

本实验主要用到汇祥DP-852A电动跑步机，FLIR红外热成像仪（如图1），恒温恒湿实验室（如图2）,详细技术指标如表1所示。

图2 恒温恒湿实验室

1.2 实验测试服

本次实验测试服选用了目前运动市场上具有代表性的3款不同面料及特色的长袖紧身运动服，分别穿着3款测试服在跑步机上分别进行走（4.5 km/h）以及慢跑（7.5 km/h）测试，实验测试服的主要参数如表2所示，实验测试服实验具体信息如表3所示。

表2 实验测试服基本参数

表3 实验测试服具体信息

1.3 实验受测者基本信息

本次实验的受测者均选择了年龄在23-25岁，体重48±5 kg的10位女生，每位测试者的身体状况良好，并且手臂部位无皮损现象。

1.4 实验步骤

在恒温恒湿实验室的外部环境条件下，温度：25±2℃，相对湿度：50±5%，每位测试者提前15分钟进入实验室以适应此气候条件，每次穿着测试时间：20分钟。为了最大限度地降低外界因素导致的实验数据误差，每个测试者都是选择每天的固定时间进行实验。

1.5 测试指标

1.5.1 客观测试

在实验过程中，客观测得的数据有：静止状态下受测者裸露的手臂表面的温度，受测者身穿不同款式的测试服在一定的运动量后，受测者手臂表面瞬时的温度，基于以上所获得的客观测试数据会使外部环境对手臂温度影响变化预测的研究更具有科学性及客观性。

受测者手臂表面温度使用红外热成像仪进行测量，在实验过程中，受测者依次身穿3款实验测试服进行行走或者慢跑运动。每隔5分钟快速脱下左右两臂的实验测试服，对受测者手臂表面温度进行测量。其中每款测试服测试的休息时间为20分钟。整个实验进行120分钟，其中运动60分钟。

为了减小可能影响实验数据的误差以及热量的损失，受测者在边运动的过程中边脱下相应手臂的测试服，通过多次实验前测试，可以保证左右臂误差时间在60秒内。

1.5.2 主观评价

在实验的整个过程中，会间隔性地，有规律地询问受测者的主观感受，主要是在实验过程中受测者在进行一定的运动量过程中的热舒适感觉。通过主观评价问卷的形式调查记录受测者的主观评价值，主观评价值主要有热舒适值。在实验过程中，每隔5分钟调查记录受测者的热舒适感，相关主观评价标尺如表4所示。

表4 受测者的热舒适主观评价等级标准

2 实验图像数据采集及预处理

2.1 实验图像及预处理

本次实验共有10人参与实验，需要导入专业的电脑，使用专业的FLIR红外热成像仪专用的RDIRs红外热成像处理软件进行图像处理。其中以部分红外热成像原始图像为例，如图3所示。

通过观察比对，将左右两臂分别分为5个部分进行温度标注（最高值，最低值，局部区域平均温度等等），局部区域部分包括：a(右臂肩点至腋下区域），b（1/2右上臂），c（右手肘部），d（1/2右前臂），e（右臂手腕处），f（左臂肩点至腋下区域），g（1/2左上臂），h（左手手肘），i（1/2左前臂），j（左臂手腕处）。处理后部分图像如图4所示。

图3 行走5 min时裸露左右手臂的红外热成像图像

图4 行走5 min时裸露左右手臂的红外热成像处理图像

2.2 实验数据采集及预处理

通过分析比对采集的数据，明确本次实验主要分析四个因素（其中A因素为运动状态，共分为两个水平；B因素为实验测试服，共分为三个水平；C因素为时间点；共分为五个水平以及D因素为手臂部位，共分为十个水平）重复三个因素（A因素实验测试服，C因素时间点以及D因素手臂部位）的设计分析。

为了数据录入分组便捷，分别为所需录入因素进行详细标注：A1（运动状态为4.5 km/h),A2（运动状态为7.5 km/h）；B1(黑色测试服），B2(红色测试服），B3(玫红色测试服）；C1（0 min），C2（5 min），C3（10 min），C4（15 min），C5（20 min）；D1(右臂肩点至腋下区域），D2(左臂肩点至腋下区域），D3(1/2右上臂），D4(1/2左上臂），D5(右手肘部），D6(左手肘部），D7(1/2右前臂），D8(1/2左前臂），D9(右臂手腕处），D10(左臂手腕处）。

同时选择将左右两臂共10个具体部位分类为左右5对相关部位与其他三项因素进行D×B×C排列组合，从而录入数据，共有10×3×5，即150种组合，最后绘制成10×150的数据表格。

3 实验数据分析

本实验数据分析主要选择方差分析，即四个因素重复三个因素的方差分析，可以归纳为重复实验的多因素方差分析，主要采用SPSS主效应分析法以及SPSS相关分析。分析数据内容主要是左右手臂温度变化相关分析，左右手臂相同部位温度变化分析以及左右手臂整体部位温度变化分析，最终结合三者进行总结讨论。

在实验过程中，通过间断性记录受测者的主观热舒适性评价，可以得到不同运动状态下，穿着不同的测试服的条件下，在实验过程中受测者们的主观热舒适评价值均值，如表5及表6所示。

表5 主观评价热舒适值均值（4.5 km/h）

表6 主观评价热舒适值均值（7.5 km/h）

在左右臂相关性分析中，控制其他因素（运动状态，时间点，测试服）不变，左右手臂对应部位之间温度变化的相关分析从表5可以发现，五组部位在显著性（双侧）：P＜0.01，即可初步证明左右手臂各个相对应部位（如D5右臂手肘与D6左臂手肘）的温度变化都是呈显著相关的，即处于左右臂温度变化处于同一温度水平，并且保持着温度变化的一致性。但同时可以发现，左右手臂每组部位之间都存在着一定差异的相关性，那么就需要通过更深一步的数据分析来获得更详尽的分析结论。

由于左右手臂相同部位以及整体部位温度变化分析的分析过程相近，主要通过方差分析，成对比较以及均值比较进行数据分析，故而结合两者进行总结讨论。

结合左右手臂温度变化的相关性分析，左右手臂五组对应部位温度变化包括左右臂肩点至腋下区域，1/2左右上臂，左右手肘部，1/2左右前臂，左右臂手腕处以及左右手臂整体10个部位的温度变化进行方差分析，成对比较以及均值比较，从6组实验数据结果层层递进的分析得到的初步结论中，可以得出在本次实验中对手臂温度变化可能产生影响的四个因素中，有三个因素具有着不同程度的显著影响得到了证实，分别是B因素不同的实验测试服，C因素不同的时间点，D因素不同的手臂部位，而A因素不同的运动状态在本次实验中对手臂温度变化可能存在一定影响，但其影响并不是显著的，可以具体归纳总结以下几点：

（1）随着运动时间增长，温度呈现增长趋势；

（2）在控制其他因素的前提下，不同的时间点（除了5 min至10 min时间水平内）对于温度变化有着十分显著的影响；同时，在控制其他因素的前提下，左右手臂相应部位的不同对温度变化也着稍微显著的影响；

（3）在5 min至10 min的时间段间，对于温度变化没有很显著的影响；

（4）左臂部位温度一直略高于右臂部位温度；

（5）身穿不同的实验测试服也对手臂温度变化存在显著影响；

（6）当身穿不同实验测试服时，除了对于1/2左右上臂，其余四组的温度均值大小均是：B2涤纶＞B3棉质测试服＞B1锦纶测试服。而针对于1/2左右上臂，其温度均值比较大小则为：B2涤纶测试服＞B1锦纶测试服＞B3棉质测试服。

表7 左右手臂对应部位相关性分析

4 讨论

4.1 针对A因素的讨论分析

在本次实验数据分析结果中，数据表明A因素（两种不同的运动状态）并没有对手臂温度变化起到显著的影响，故需要对其作详细分析。通过具体分析不同运动状态下随着时间的变化左右手臂10个部位的温度变化，如图5，图6所示。通过观察比较两图，可以发现在不同的运动状态，对于各个部位的温度变化还是有一定影响的，只是影响差异并不是很大，具体可以得到以下结论：

图5 A1行走状态下手臂各部位温度变化

（1）在处于两种不同的运动状态下，随着时间的增长，手臂各个部位的温度均值都在增长，总体呈现上升趋势。在0 min至10 min，上升趋势较为相近，而当处于10 min至20 min时间段间，处于慢跑状态下比处于行走状态下的温度均值变化更快一些，上升的趋势更为陡峭，最终的温度均值也较高，但因其温度差异并不是特别显著，故而在之前的分析中，A因素对手臂温度变化没有起到显著影响的作用。

（2）在行走于慢跑的两种不同运动状态下，D5（右手肘部)部位与D6（左手肘部）部位的温度均值总是处于较高温度，而D9（右臂手腕处）与D10(左臂手腕处)部位的温度均值总是处于较低的温度。

（3）无论是行走还是慢跑状态，D6（左手肘部）部位的温度均值总是高于其余9个部位的。特别在慢跑的状态下，D6部位的温度均值略高于处于行走状态下的温度，其均值差在0.2℃至0.5℃，虽存在差异但其影响并不显著。

图6 A2慢跑状态下手臂各部位温度变化

（4）在慢跑状态下，D3（1/2右上臂）与D4（1/2左上臂）部位的温度均值比行走状态下该部位均值高，甚至高于D5（右手肘部），随着运动速度以及运动量的增加，受测者们通过加快摆臂来维持运动状态，是D3，D4部位温度均值上升至高于D5部位的可能原因之一；同时有另一种可能是手肘部位的温度变化与测试服手肘部位特殊的双层网状结构也有着不可分割的关联，伴随着运动过程中的前后摆臂动作，使得手肘部位受到测试服肘部特殊结果的紧紧包裹，故而相较于其他部位会有着显著的差异性。

（5）在两种不同的运动状态下，D9与D10部位在整个实验过程中的温度变化处于交替上下的变化关系中，甚至在5 min至10 min之间，D9部位的温度有明显的起伏，可能由于在实验过程中，实验测试服并未完全包括受测者的手腕处，故而产生一定程度的散热，导致D9部位的变化趋势有别于其他部位，但因其温度均值变化差异值并不是很大，故而在主效应分析中也未有体现。

4.2 针对C2与C3时间段间无显著的温度变化

针对结论：在5 min至10 min的时间段内没有显著的温度变化，其中一个分析可能是在该时间段间，人体产热与散热处于相对于平稳的水平。在0 min至5 min时，受测者从静止状态至运动状态，通过运动来产生热量，故而在0 min至5 min内，温度的变化是十分显著的。一定时间的运动量过后，人体动静脉吻合支开放，皮肤血流量显著增加，于是较多体热会从人体机体深部传递至体表层，从而使得人体皮肤温度升高的同时也增强了蒸发散热的作用。

故而在5 min至10 min内随着散热量的增加，产热量与散热量相近，从而使得温度变化处于相对平缓地上升趋势。在10 min至20 min内，由于运动量与运动时间的持续增加，人体会产生大量的热量，此时因人体处于较高温的环境中时间较长，会使得发汗速度因汗腺疲劳从而减慢散热，则散热量会远小于产热量，故而会使得温度显著并且较为快速地增长。

4.3 针对D3D4分析有别于其他对应实验结果

针对结论：对于1/2左右上臂的部位，身穿黑色测试服的温度均值会高于玫红色测试服的温度均值，导致这一结果的其中一种可能是由于相较于更具功能性的两款紧身运动服，玫红色棉质普通运动服在运动过程中对于左右上臂的紧身弹力度远远不及其他两款，从而在运动过程中，黑色与红色测试服对于受测者左右上臂的热量消耗也会大于玫红色测试服，从而起到运动塑性的作用。

5 总结及展望

5.1 结论

本次实验通过客观实验数据分析包括对于左右手臂不同分组以及整体各个部位的主效应分析，方差分析，相关性分析等等，并且结合受测者的主观舒适评价从而可以得出以下结论：

（1）左臂部位温度一直略高于右臂部位温度；

（2）左臂部位温度一直略高于右臂部位温度；控制其他因素不变的前提下，随着运动时间增长，手臂温度变化呈现增长趋势；

（3）在控制其他因素的前提下，不同的时间点（除了5 min至10 min时间水平内）对于温度变化有着十分显著的影响；同时，在控制其他因素的前提下，左右手臂部位的不同对温度变化也着稍微显著的影响；

（4）在5 min至10 min的时间段间，由于散热量与产热量处于相对平衡状态，所以对于温度变化没有很显著的影响。

（5）对于相同手臂条件下，手肘部位温度均值是最高的，1/2左前臂次之。

（6）控制其他因素不变的前提下，总结分组比较与整体比较，当身穿不同实验测试服时，发现棉质测试服的温度均值最高，涤纶测试服次之，而锦纶的温度均值是最低的。结合受测者的主观热舒适评价，认为穿着锦纶测试服运动最为舒适。

5.2 不足与展望

通过本次实验研究，从不同时间，不同运动状态，不同测试服，不同手臂部位四个因素对手臂温度变化影响进行预测研究。基于实验结果，建议现今规模越来越庞大的日常运动者们，挑选运动服时，可以挑选锦纶面料或者类似吸湿排汗较强的紧身运动服，才能达到通过运动来消耗热量并且一定程度可以塑形的目的。针对本次实验研究，同时存在无可避免的误差与不足：

（1）为了使用红外热成像仪在快速脱出双臂的同时，拍摄裸露手臂的图像时，无可避免地会产生散热，尽管能将时间控制在60秒内，但是微小的误差还是存在的。

（2）由于时间与人员配合的关系，对于每位受测者穿着每件测试服，只采集了一次数据，没有能够在相同的时间多次进行测试，虽然本次实验数据通过多方面分析来验证，但是希望今后能做的更完善，更严谨。