高原低氧环境对作业矿工心肺功能的影响研究

杨三军，耿瑞苑，刘春燕

1.中国矿业大学(北京)体育教研部，北京 100083；2.北京中医药大学第三附属医院，北京 100029

我国矿产资源的开发逐渐由中东部转向西部高原，近年来我国矿石产出中西部高原矿区的占比逐年攀升[1]。高原矿山开发的重视程度逐年提升，从事高原矿产开采的从业者规模不断发展壮大。高原矿产开采业的快速发展，需要与之配套的矿工安全生产保障作为指导。然而，我国目前尚未制定出针对高原矿工职业健康的行业标准及规范。不同于平原矿区相对舒适的自然环境，高原矿区具有低压低氧、寒冷干燥、昼夜温差大、太阳辐射强的环境劣势，矿井地下通风难的特点更是对矿工的生理健康造成严重威胁。心肺功能作为人体最重要的生理机能，在人体健康中具有举足轻重的作用[2]。

国内外学者针对高原低氧环境对机体心肺功能的影响展开了细致的研究。李春玲等[3]通过测评32名新兵在入藏前后心率等指标的变化情况指出，随着海拔的提升士兵的心率指标也随之提升。于伊等[4]分析指出，世居高原的健康成人的心率指标要显著低于平原地区。荆岩林[5]通过对比分析高原及平原地区人群的心率差异指出，虽然某些人群进入高原后仍存在高原反应，但心率等指标无显著变化。Yan[6]对比分析了高原低氧环境对人的影响，结果表明世居高原者对高原环境产生了适应，而初入高原者的身体反应较为强烈。

通过上述研究成果不难看出，高原低氧环境对人体的心血管指标会产生一定的影响，但影响效果及程度与人进入高原环境的时间有关，还与人的活动状态有关。本文通过实地调研高原及平原矿工心肺功能的变化情况，分析高原低氧环境对矿工心肺功能的影响，并提出针对性改进建议。

1 高原环境特征分析

与低海拔地区相比，高原环境在地理、气候等方面都有较大的差异，表现出不一样的环境特征，主要体现在以下几个方面[7]：

(1) 低压低氧。气压会随大气髙度而变化，海拔越高，大气压力越小，以西藏华泰龙矿业所在地区为例，气压约50 kPa，氧分压约13.07 kPa。高海拔地区的大气层较为稀薄，随着海拔的增加，大气压力越低，氧分压也越低，即单位体积空气内的氧气净含量越低。在海拔3 000 m左右处空气中的氧气含量，通常只有平原地区的一半左右。

(2) 寒冷干燥，昼夜温差大。西藏地区夏季昼夜温差可达20 ℃左右，冬季约30 ℃。大气热量主要来自地面的辐射，因此在近地表，海拔越高气温越低，在近地表处海拔每升高100 m气温下降0.1 ℃；而在2 000 m以上高空，每升高100 m气温下降0.6 ℃。另外，高海拔地区由于大气压低，空气中的水分也随着海拔的增加而减少；由于高海拔地区空气稀薄、干燥少云，白天太阳直射强而导致地表气温急剧升高，而晚上因为没有太阳的照射，地表气温又将快速下降，从而导致昼夜温差大。

(3) 日照时间长，太阳辐射强。由于气候干燥，不利于云系的形成，造成天空往往晴朗无云，日照时间长。比如拉萨日照时间可达3 000 h/a以上，几乎是杭州、南昌等地的2倍。同时，高海拔地区由于空气中的尘埃和水蒸气含量相对低海拔地区大幅降低，因此空气透明度较高，对太阳辐射的遮挡作用也较弱，从而造成辐射较强。

可见，高原地区的环境相比平原地区要恶劣许多。机体为了适应高原环境，必然会做出一系列调整，这些调整在进行活动或体力劳动时表现尤为显著。高原矿工由于工作性质的原因，常常需要连续进行8 h以上的高强度劳动，且工作环境位于地下，通风困难，导致空气中氧气含量更低，对矿工的生命安全造成了更大的威胁。因此，研究分析高原低氧环境下矿工心肺功能的变化情况，进而提出针对性改进建议，具有重大的现实意义。

2 研究对象与研究方法

2.1 调研对象

为了分析高原低氧环境对高原矿工心肺功能的影响，本文利用对比分析的方法分别选择高原矿区和平原矿区的矿工进行调查。其中，高原矿区的研究对象为西藏华泰龙矿业开发有限公司，该公司位于拉萨市墨竹工卡县境内，距离拉萨市区约68 km，矿区所在地海拔4 000～5 300 m，环境温度为21.1 ℃，相对湿度为41%，矿权面积为105 km2，气压约50 kPa，氧分压约13.07 kPa，属典型高原矿区；平原矿区研究对象选择河北开滦矿产有限责任公司，该公司平均海拔300～600 m，环境温度为25.8 ℃，相对湿度为63%，属典型平原矿区。调研采用随机抽样的方法，高原矿区和平原矿区分别选择42名、32名成年男性健康矿工作为本次研究的样本。考虑高原矿区人员流动性较大，且不同入藏时长的矿工对高原环境的适应程度也不同，因此选择入藏时间在3～5 a的成年男性矿工展开调研。调研结果显示，两地矿工的平均身高分别为170.83 cm和170.85 cm，体重分别为69.42 kg和70.24 kg，年龄为35.05岁和35.21岁，上述指标均不存在显著差异，因此可以认为两地研究对象的基础身体机能基本相同。

2.2 测试仪器及测试方法

2.2.1 测试仪器

心肺功能测试使用MetaMax 3B-R2仪器进行，该仪器产地为德国莱比锡。

气体代谢使用CORTEX METALYZER-Ⅲ采集数据，该仪器既能测量静态肺功能也可测量基础代谢率，其测试方法为每口气呼吸法，包含的传感器有氧传感器、二氧化碳传感器、气体流量传感器等。

2.2.2 测试方法

(1) 基础代谢率的测试：被测者经过12～18 h饮食/体力活动的次日早晨醒来后，在没有发烧、不焦虑的状态下，让被测者处于安静、舒适的房间平躺5 min之后，为被测者佩戴Polar H7心率带、CORTEX METALYZER-Ⅲ气体代谢仪、头罩和面罩，确保面罩与面部贴合严密，连接流量传感器和采样管。做好测试准备后，启动设备“开始”按钮，采集数据，数据采集时长大约30 min。30 min的数据中，选择摄氧量、二氧化碳排出量、呼吸商相对平稳的5 min计算数据的平均值，以此获得基础代谢率。

(2) 静态肺功能测试：基础代谢率测试完毕，被测者取站位，依次测量其摄氧量(Vo2)、二氧化碳排出量(Vco2)和呼吸频率。

(3) 心率变异性测试：通过First-beat Bodyguard对矿工的心率变异性指标进行测量。利用芬兰First-beat监控评估系统的Bodyguard(压力

与睡眠传感器)采集数据。先连接电极和设备，去掉电极的表面，然后将设备贴在被测者身体上，仪器的大电极贴在身体的右侧锁骨下，小电极贴在身体的左侧肋骨下，设备连接完毕后自动启动。被测者在洗澡时将其取下，当重新连接时设备将继续自动记录；为使电极片佩戴牢固，在佩戴仪器前用75%的酒精擦拭皮肤，保持皮肤清洁。

除了一些可通过仪器直接监测的基础指标外，还需要通过计算获得如下主要指标：

VO2=V(Fi-Fo)

(1)

(2)

RMR=17.5W+65

(3)

(4)

(5)

3 高原矿工与平原矿工心肺功能对比分析

3.1 通气指标对比分析

选择呼吸频率、通气量、潮气量3项指标作为通气指标，利用SPSS数理统计软件对比分析高原矿工及平原矿工通气指标的差异性(表1)。结果显示，呼吸频率及通气量两项指标高原矿工的平均值均高于平原矿工，分别高出8.0%和27.7%，且两者存在极显著差异。出现这一现象的主要原因是高原环境中空气稀薄，氧分压较低，为了满足人体需要，不得不通过提高呼吸频率和每分钟的通气量来获得足够多的氧气；而潮气量指标高原矿工与平原矿工的身体指标仅相差0.01 L，可以认为高原环境对人体潮气量的影响并不显著。

表1 高原与平原矿工通气指标对比

在高原低氧环境中，人体为了维持身体组织器官的正常功能，将通过增加肺的通气来代偿组织供氧[8]。高原空气中氧气的绝对含量较低，导致弥散进入人体肺部毛细血管血液的氧量降低，血氧饱和度和血氧分压也随之降低。当血氧饱和度降低到人体需要下限值时，将会引起各器官组织供氧不足，从而产生功能上的退化，出现头痛、胸闷、心慌、呕吐、失眠、食欲下降等缺氧症状。此外，在高原地区氧分压低的情况下劳动，人体所体验到的劳动强度更大，为了满足劳动需要会进行环境积极性调整，导致高原矿工的呼吸频率及通气量两项指标要显著高于平原矿工。

对于潮气量指标，由于两地矿工的基础身体机能相差无几，平静呼吸时每次吸入或呼出的气量较为接近，因此该指标在高原矿工和平原矿工之间不存在显著差异。

综上所述，高原低氧环境对矿工的通气指标产生显著影响，表现为高原矿工的通气指标显著高于平原矿工。

3.2 代谢指标对比分析

选择相对摄氧量、相对二氧化碳排出量、静息代谢率3项指标作为代谢指标进行对比分析，结果显示高原矿工与平原矿工均表现出显著差异，如图1所示。从相对摄氧量指标来看，高原矿工显著高于平原矿工，高出比例为3.8%；从相对二氧化碳排出量指标来看，高原矿工高出平原矿工1.5%；从静息代谢率指标来看，平原矿工显著高于高原矿工，高出比例高达12.4%。静息代谢率为人体每天维持正常功能和体内稳态、交感神经系统活动所消耗的能量，在每日能量总消耗中所占的比重最大，达到60%～75%。可见，平原地区矿工每天的静息代谢率要显著高于西藏矿工，所消耗的静息能量更大。

*表示P<0.05，有差异；**表示P<0.01，有显著差异；***表示P<0.001，显著差异图1 高原与平原矿工代谢指标差异性对比Fig.1 Comparison of the differences in metabolism index between plateau and plain miners

这一研究结果与目前世界范围内不同高原地区人群代谢指标变化的趋势是相同的。出现这一现象的原因较为复杂，一方面氧气分压较低的环境会导致人的呼吸频率加快，另一方面高原低氧环境尽管会促进交感神经的活化并增加各类应激激素的释放来提升身体代谢[9]，但更主要的是引起食欲抑制及减少热量消耗，导致静息代谢率显著下降。

综合上述3项代谢指标不难看出，平原矿工的代谢指标要明显优于高原矿工。代谢对于人体的身体健康具有重要作用，心肺的代谢功能不仅能加速毒素排出，还可以增强心肺功能，促进机体健康。可见，从代谢指标维度来看，高原低氧环境对矿工的心肺功能产生显著影响。

3.3 心率变异性指标对比分析

选择工作日24 h平均心率指标、时域指标及频域指标对心率变异性进行分析。心率变异性(Heart Rate Variability，HRV)指的是逐次心跳RR间期的微小差异。它是自主神经系统对心脏窦房结的调控结果，因此HRV可间接反映自主神经系统的平衡状态。对该指标展开分析，可以更全面了解高原低氧环境对矿工心肺功能的影响。

3.3.1 工作日24 h平均心率

选择平均心率及最大心率占比作为工作日24 h平均心率进行分析。2组矿工工作日24 h的平均心率值统计如图2所示。可以看出，高原矿工的24 h工作日平均心率是平原矿区的1.06倍，差异明显；高海拔地区职工在24 h中最快心率的占比高于平原地区7.03%，存在显著差异。

*表示P<0.05，有差异；**表示P<0.01，有显著差异；***表示P<0.001，显著差异图2 高原与平原矿工工作日24 h平均心率指标差异性对比Fig.2 Comparison of the difference between the average heart rate index of the miners in the plateau and the plain

3.3.2 时域指标

选择睡眠期RMSSD、觉醒期RMSSD及SDNN等3项指标作为时域指标展开分析。2组矿工工作日24 h的时域指标均值统计如图3所示。可以看出，高原矿工的SDNN值低于平原矿工22.6%，且存在极显著差异，表明高原矿工的交感神经活性明显增强，平均心率加快及最大心率占比增加；觉醒期RMSSD值在不同海拔矿区职工间无差异，但睡眠期RMSSD值高原矿工显著低于平原矿工，高出比例为29.4%。副交感神经兴奋有利于机体的修整恢复，副交感活性下降则提示机体睡眠质量和恢复状态下降。

*表示P<0.05有差异，**表示P<0.01有显著差异；***表示P<0.001显著差异图3 高原与平原矿工时域指标差异性对比Fig.3 Comparison of differences in time domain indicators between plateau and plain miners

3.3.3 频域指标

选择低频功率均值(LF)、高频功率均值(HF)及LF/HF 3项指标作为频域指标展开分析，2组矿工工作日24 h的频域指标均值统计如图4所示。由统计结果可以看出，平原矿工的HF高于高原矿区职工38.8%，存在显著差异，并且低于正常参考范围；LF指标及LF/HF 2项指标中，高原矿工与平原矿工未出现显著差异。

*表示P<0.05，有差异；**表示P<0.01，有显著差异；***表示P<0.001，显著差异图4 高原与平原矿工频域指标差异性对比Fig.4 Comparison of the difference of frequency domain indicators between plateau and plain miners

研究成果表明，高原矿工和平原矿工的心率变异性指标存在差异。其中，高原矿工的工作日24 h平均心率指标要显著高于平原矿工；从时域指标来看，高原矿工的SDNN值及睡眠期RMSSD值显著低于平原矿工，而觉醒期RMSSD值在不同海拔矿区职工间无差异；从频域指标来看，西藏高原矿工的HF高频功率值显著低于平原矿区职工，并且低于正常参考范围。

综合上述3项指标来看，高原低氧环境下矿工的心率变异性指标发生了显著变化，从医学角度分析，其变化趋势显示高原矿工的身体指标出现下滑，可以认为高原低氧环境对矿工的健康造成了一定负面影响。

4 改善高原地区矿工心肺功能的对策及建议

高原地区低压低氧的特殊地理气候环境会对人的心肺功能产生一定的影响。加上矿井地下通风难的特点，会使高原环境对矿工生理健康的威胁程度进一步加深[12]。为了保护高原矿工的身体健康、促进安全生产，根据本文研究结果、结合国内外有关研究文献和相关理论，提出改善高原地区矿工心肺功能的对策和建议。

(1) 注重环境适应以及工作强度的循序渐进。基于已有研究结果可知，高原低氧环境将会对矿工的通气指标及心血管指标产生影响，加之高原地区低压低氧的气候特征，导致同等强度的劳动下高原地区矿工负荷强度更大[13]。因此，在进入高原地区前，要让矿工有一个合理的时间来适应高原的环境，在初步适应环境后再开始正式工作。另一方面，在工作安排上要遵循循序渐进的原则，即先安排一些强度较低的劳动，然后再逐渐提高劳动强度，并始终维持在矿工可以承受的范围内，同时中间安排合适的休息时间，让机体能够及时恢复。

(2) 进行科学、合理、适当的体育锻炼。借鉴体育运动训练中高原训练有关理论，采用间歇训练法、组合训练法等方式对高原地区矿工进行科学、合理、适当的运动训练。通过运动训练一方面增强其心肺功能的适应性，使矿工的机体以及心肺功能更好地适应高原的环境；另一方面增强矿工的心肺功能，为在高原的特殊环境下劳动提供更多的盈余和空间。

(3) 加强职业保护。在高原地区劳动中，需要做好防护措施，如防止紫外线、避免粉尘等。同时，在有条件的情况下配备一定的专业劳动卫生人员，为高原地区矿工提高劳动保健指导。要完善职业健康检查制度，定期组织开展健康体检，并经常性对矿工心肺功能状况进行监测，做到有问题早发现、早处置。

5 结 论

本文对比了高原、平原两地矿工在通气指标、代谢指标和心率变异性指标上的差异性，研究结果表明：

(1) 高原矿工的通气指标显著高于平原矿工。具体而言，呼吸频率及通气量两项指标中高原矿工的平均值均高于平原矿工，分别高8.0%和27.7%，且两者存在极显著差异。在潮气量指标相差不大的前提下，呼吸频率及通气量越大，其心肺功能越差。

(2) 平原矿工的新陈代谢指标要明显优于高原矿工。受呼吸频率等因素的影响，高原矿工相对摄氧量及相对二氧化碳排出量显著高于平原矿工，高出比例分别为3.8%和1.5%，但从静息代谢率指标来看，平原矿工显著高于高原矿工，高出比例高达12.4%，可见高原矿工的代谢能力显著低于平原矿工。

(3) 在24 h工作日平均心率、24 h最快心率的占比、SDNN值等指标中，高原矿工均显著高于平原矿工，高出比例分别为6.7%、7.03%、22.6%和38.8%。在睡眠期RMSSD值及HF高频功率值中高原矿工显著低于平原矿工，低出比例分别为29.4%和38.8%。而在觉醒期RMSSD值、LF Average及LF/HF三项指标中，高原矿工及平原矿工不存在显著差异。