医用防护服的热湿舒适性与人体疲劳度的关系

牛梦雨， 潘姝雯，2， 戴宏钦，2， 吕凯敏

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215021； 2. 苏州大学 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215021)

医用防护服是非常重要的防护用品[1]，具有质量轻、穿脱方便的优点，能够阻止各类可能携带病原体的分泌物、喷溅物、颗粒物等接触人体，保护医务人员的健康[2]。

防护性能和舒适性是防护类服装不可或缺的2个性能[3]，由于受到生产工艺的限制，现阶段医用防护服存在透湿透气性不佳、不具备吸湿快干能力、无法实现微环境热量交换等问题，难以兼顾防护服对有害物质的阻隔能力[4]和穿着舒适性[5]。为了阻隔新冠病毒的传播，医护工作者需要穿着医用防护服长时间进行医务工作，透湿透气性能差的医用防护服使得医护工作者感到闷热潮湿，疲劳增加，从而导致工作效率降低，容易引起事故的发生。

近年来，国内外科研机构和学者致力于提高织物的防护性能[6-7]，主要集中在研究面料的热湿舒适性方面，对于医用防护服热湿舒适性和防护服对人体疲劳度的影响研究较少。本文从热湿舒适性及其对人体疲劳度的影响2个角度出发，对医用防护服进行探讨研究，得出防护服的热湿性能与人体疲劳度的关系，建立人体疲劳度与心率的关系式,以期为生产具有良好热湿舒适性的医用防护服提供数据支持,指导医务工作者科学地穿着医用防护服。

1 试验设计

热湿舒适性是指保持人体处于合理热湿舒适状态的性能[8]，是人体-服装-环境相互作用的结果，难以用单一指标进行评价[9]，常用的评价方法有主观评价法、客观评价法和数学模拟法等[10]。主观评价法精准度较低[11]，客观评价法虽然测量准确度高，但难以直观反映人体的主观感受[12-13]。本文通过对医用防护服进行组合设计，模拟在常温环境中医护人员穿着不同热湿舒适性的医用防护服进行不同强度工作，采用主观评价与客观测量相结合的方法评价防护服的热湿舒适性，规避主观评价和客观测量评价的不足，使评价结果直接、准确。同时研究了人体的疲劳感与人体热湿舒适感、生理参数的相关性，从而得出医用防护服的热湿舒适性与人体疲劳度的关系。

1.1 试验服装

医护人员在医务工作中，穿着的医用防护服种类不同，内搭服装也不同，导致穿着同种医用防护服，但热湿舒适性不同，对人体的影响也不同。通过研究医务工作者穿着的不同种类医用防护服，设计了3套不同的服装组合，模拟不同热湿舒适性的医用防护服。

医用防护服选取杜邦Tyvek 1422A，标记为T，搭配3套内穿服装，短袖套装、长袖薄款套装和长袖厚款套装，分别标记为A～C，组合设计为TA、TB、TC，服装组合如图1所示。服装参数如表1所示。设计内穿的A～C套装时面料均选取棉，号型为(178±3)/(105±3)A。

服装的热湿舒适性客观测量通常采用出汗假人法[14]和暖体假人法[15]。本文试验采用出汗假人法，在人工气候室中采用Newton出汗暖体假人测量，如图2所示。根据ISO 15831：2004《服饰·生理效应·用热的人体模型法测量热绝缘性》和ASTM F2370—2010《使用出汗人体模型测定防护服防蒸发性的标准试验方法》，分别测试TA、TB、TC的热阻和湿阻，测量结果如表1所示。热阻值从小到大依次为TA、TB、TC，TA的保温性能最低，TB次之，TC最高；湿阻值从小到大依次为TA、TB、TC，TA的透湿性能最强，TB次之，TC最弱。

图1 服装组合Fig.1 Clothing combination

表1 服装参数Tab.1 Clothing parameters

图2 Newton出汗暖体假人Fig.2 Newton sweating manikin

1.2 试验对象

试验对象为10名，年龄为(23±2)岁、身高为(178±3) cm、体重为(67±7) kg、日常运动量为(2±1) h/d的健康男性。要求试验对象具备长时间高强度运动的能力，心肺功能、呼吸系统正常，身体无运动损伤史；试验前1～2 d内无中高强度运动，保证充足的睡眠和放松的心态。试验对象在进行试验前均接受培训，熟练掌握试验的操作步骤和主观评价指标。

1.3 真人穿着试验

真人穿着试验方案如图3所示。根据医务工作者工作的强度设置3档跑步机的速度4、6、8 km/h,分别模拟低强度、中强度和高强度工作状态，E1～E5分别代表静坐、低强度、中强度、高强度运动和恢复阶段。真人穿着试验在人工气候室中进行，环境温度设置为(21±1) ℃，湿度设置为(60±1)%，10名受试者分别穿着TA、TB、TC依次进行试验。试验过程中实时采集人体的生理参数和主观感觉参数，如表2所示。

图3 试验方案Fig.3 Test scheme

表2 试验采集人体参数Tab.2 Human parameters collected in experiment

真人穿着试验中，主观评价指标选取人体的冷热感觉、湿感觉、舒适感和疲劳感。冷热感觉采用9级评价标尺[16]，湿感觉、舒适感采用4级评价标尺[17]，疲劳感采用Borg 15级RPE疲劳程度主观感觉标尺，如图4所示。试验过程中每间隔5 min询问试验者的主观感觉。

图4 主观评价标尺Fig.4 Subjective evaluation scale. (a) Hot and cold feeling; (b) Wet feeling; (c) Comfort feeling; (d) Fatigue feeling

2 热生理指标

2.1 人体平均皮肤温度

人体平均皮肤温度(Tsk)既反映了人体冷热的应激程度，又可判断出人体通过服装与环境之间进行的热交换。测量人体的平均皮肤温度根据ISO 9886∶2004《人类工效学·热应变的生理学测量评价标准》，采用温湿度传感器测量人体8个部位的皮肤表面温度，测试点分布如图5所示。采用Hardy和Dubois的八点法计算。

①—右大腿前中部; ②—右臂上部; ③—左小腿后中部; ④—左臂 上部; ⑤—左手; ⑥—右肩胛; ⑦—前额; ⑧—左上胸部。 图5 平均皮肤温度测量点Fig.5 Measurement points of average skin temperature

试验测量的Tsk结果如图6所示，Tsk在E1静坐阶段呈现上升趋势，表明穿着医用防护服静坐状态下会使人体平均皮肤温度上升。在E2、E3、E4阶段开始的1～3 min内均出现Tsk下降的情况，人体出汗后，随着汗液的蒸发，Tsk下降，表明医用防护服可以调节人体的热湿平衡，但调节能力有限。体温下降到一定程度，汗液的蒸发不能平衡人体的体表温度，Tsk持续上升，医用防护服难以维持稳定的衣下热湿微循环，热湿舒适性能较差。在E5恢复阶段，Tsk下降，穿着热阻、湿阻最大的TC防护服下降最慢。

图6 平均皮肤温度Fig.6 Mean skin temperature

从斜率看，E3、E4阶段中高强度运动下穿着TC防护服的Tsk上升最快，表明在中高运动强度下，防护服的热湿舒适性对人体的平均皮肤温度影响较强。热阻越大，隔热保温性越强;湿阻越大,透湿性越差。高热阻、湿阻使人体产生的热量和汗液不能及时排出。TC的热阻、湿阻最大，TB次之，TA最小，Tsk值呈现平行分布,穿着TA、TB、TC防护服的Tsk由大到小依次为TC、TB、TA。

2.2 新陈代谢

人体新陈代谢的强弱影响人体的出汗量，出汗量是人体热生理的重要指标之一。人体新陈代谢采用能量代谢当量参数表示，试验测量结果如图7所示。

图7 能量代谢当量Fig.7 Metabolic equivalent of energy

随着运动强度的变化，人体能量代谢当量随着运动强度的大小呈现阶段式先上升后下降的趋势，穿着TA、TB、TC防护服的人体能量代谢当量值在运动阶段的差异性不明显，表明常温环境中，热湿舒适性不同的医用防护服对人体新陈代谢的影响较小。

2.3 心 率

心率(HR)是人体重要的生理指标之一，试验测量的心率结果如图8所示。

图8 心率Fig.8 Heart rate

运动过程中，人体心率不断上升,在E1、E2静坐、低强度运动阶段，穿着TA、TB、TC防护服的人体心率差异较小，E2阶段上升斜率较小，主要是由运动影响，表明静坐状态和低强度运动状态下，防护服的热湿舒适性对心率影响较小。在E4高强度运动阶段，穿着TA、TB、TC防护服的人体心率由大到小依次为TC、TB、TA,高强度运动状态下，穿着热阻和湿阻高的医用防护服，心率增加越高越快，医用防护服的热湿舒适性对心率影响较大。

2.4 汗液蒸发量

穿着TA、TB、TC防护服的人体汗液蒸发量分别为(316±57)、(262±51)、(289±52) g。TA、TB、TC防护服的热阻和湿阻不同，试验过程中的出汗量有差异，阻止水蒸气透过的能力也有差异，所以穿着3种防护服的人体汗液蒸发量存在差异。热阻越大，同等运动强度下出汗量越高。湿阻越大，透湿性能越差。TA套装的热阻、湿阻最小，所以汗液的蒸发量最高；TC套装热阻最大，出汗量最大，但由于TB和TC防护服的湿阻差异较小，因此穿着TC防护服的人体汗液蒸发量大于穿着TB防护服的汗液蒸发量。

3 主观评价

3.1 冷热感觉、湿感觉、舒适感主观参数

试验者的主观冷热感觉、湿感觉和舒适感的评价值如图9～11所示。在E1阶段，人体开始出现不舒适感，表明穿着医用防护服均会引起人体的不适感；穿着TA防护服人体处于热平衡状态，穿着TB、TC防护服人体开始出现热感、未出汗，这是因为TB、TC防护服热阻值较大，隔热保暖性强。在E2、E3阶段，热感增加，人体开始出汗，其中TC热感、不舒适感最强，TB次之，TA最弱。在E4阶段，运动强度较大，人体出汗量增大，人体的湿感急剧增强，热阻和湿阻值最大的TC防护服的热感、湿感和不舒适感均最强。这说明当人体处于较高强度的运动状态下，防护服热阻和湿阻越大，人体的热感、湿感和不舒适感越强，反之则弱。在E5慢走恢复阶段，TA热感、湿感下降最快，TA热阻和湿阻最小，比TB、TC更快将汗液和热量排出。

图9 冷热感觉主观评价值Fig.9 Subjective evaluation value of hot and cold feeling

图10 湿感觉主观评价值Fig.10 Subjective evaluation value of wet feeling

图11 舒适感主观评价值Fig.11 Subjective evaluation value of comfort feeling

3.2 人体疲劳感主观参数

试验者的主观疲劳感觉的评价值如图12所示，从整体趋势看，人体的疲劳感呈现先上升后下降的趋势，与人体的热生理参数——心率、平均皮肤温度变化趋势一致。穿着TA、TB、TC防护服的人体疲劳感变化范围分别为7.4～13.8、7.3～14.2、7.7～15。随着运动强度的增大，人体的疲劳感加深，在试验的不同阶段，穿着不同服装的疲劳感参数具有差异，疲劳感随着热阻和湿阻的增加、运动量的增加而增大，表明不同热湿性能的防护服对人体的主观疲劳感有影响。

图12 疲劳感主观评价值Fig.12 Subjective evaluation value of fatigue feeling

不同人的疲劳感知程度不同，主观疲劳感的平均值只能反映人体的平均疲劳状态，不能够完全反映不同人体的疲劳状态。为了分析不同热湿舒适性能的防护服与人体疲劳度的关系，依据图4疲劳程度主观感觉标尺，将人体疲劳感进行分级：6～7代表非常轻松，8～9代表很轻松，10～11代表轻松，12～13代表有点费力，14～15代表费力，16～17代表很费力，18～20代表非常费力。图13示出E1～E5阶段试验者不同疲劳等级的人数占比。如穿着TA防护服在静坐阶段选择6～7疲劳等级的有5人，占总人数(10人)的50%，则疲劳等级6～7的人数占比为50%。

图13 不同阶段人体主观疲劳等级人数占比Fig.13 Proportion of people with subjective fatigue level in different stages

在E1静坐阶段，穿着TA、TB、TC防护服的人体主观疲劳50%以上分布在6～7非常轻松等级，穿着不同防护服的疲劳度差异不大。

在E2低强度运动阶段，6～7非常轻松等级占比下降，穿着TB防护服的10～11轻松等级占比大于TA，穿着TC防护服出现10%的12～13有点费力等级，表明在低强度运动阶段，服装的热阻和湿阻越大，人体越容易产生疲劳。

在E3中强度运动阶段，穿着3套防护服的主观疲劳感差异明显，穿着TB防护服的12～13有点费力等级占比小于TA，穿着TC防护服出现50%的12～13有点费力等级和10%的14～15费力等级，表明在中强度运动阶段，穿着防护服引起的人体疲劳程度从小到大依次为TB、TA、TC。TB的湿阻值接近TC，热阻值小于TC，疲劳程度明显小于TC，表明在低强度运动阶段，防护服的热阻对人体的疲劳度产生影响。

在E4高强度运动阶段，12～13有点费力等级占比从小到大依次为TC、TB、TA；14～15费力等级的占比TA小于TB和TC；16～17很费力等级占比TC小于TA和TB；穿着TC防护服，20%的试验者出现非常费力感觉，穿着TA、TB防护服均未出现这种等级。TA的热阻和湿阻最小，热湿性能最好，人体疲劳度最弱;TC的热阻和湿阻最大，热湿性能最差，人体疲劳度最强。表明在高强度运动中，防护服的热湿性能影响了人体的疲劳程度，热阻、湿阻越高即热湿性能越差，人体疲劳度越深。穿着高热阻高湿阻的防护服高强度运动10 min后，20%的人体会感到非常费力情况，不利于继续运动。对穿着TB、TC防护服产生的人体疲劳进行对比分析，TB的湿阻值接近TC，热阻值小于TC，隔热性能TB小于TC，产生的人体疲劳程度TB小于TC，表明在高强度运动中，当湿阻值相近时，防护服的热阻因素影响了人体的疲劳状态，热阻值越大，人体疲劳度越深。

在E5慢走恢复阶段，人体疲劳感的恢复程度从小到大依次为TC、TB、TA，穿着TA防护服人体的体力更容易恢复，而由于TC热阻和湿阻最大，对人体疲劳恢复的阻碍最强，因此TC的疲劳感恢复程度最低。

4 相关性分析

运用Pearson相关性分析方法，对人体热生理参数和主观感觉参数之间的相关性进行分析，相关性分析结果如表3所示。

变量间的相关程度强弱与变化方向用相关系数r表示，r取值范围为-1

表3 Pearson相关性分析Tab.3 Pearson correlation analysis

将主观人体疲劳感觉作为因变量y，与疲劳感显著相关的平均皮肤温度、心率和能量代谢当量作为自变量x1、x2、x3进行回归分析，其中能量代谢当量的Sig.=0.068>0.05被排除，得到回归方程式(1)、(2)。由于平均皮肤温度受到人体运动出汗时汗液蒸发的影响，不能准确反映人体在不同强度运动下的疲劳程度，因此采用回归模型(2)。

y=0.723x1+0.068x2-21.019

(1)

y=0.075x2+2.305

(2)

回归分析中，模型(2)的相关系数R=0.921，表明心率与疲劳感相关性显著；判定系数R2与调整后的R2分别为0.848、0.843，表明心率与疲劳感的拟合程度高；模型的F检验显著性为0.000<0.01，模型极显著，具有统计学意义。

5 结 论

本文研究了医用防护服的热湿舒适性能与人体疲劳度的关系。试验设计TA、TB、TC3套具有不同热阻湿阻的医用防护服组合，模拟常温环境下医务人员穿着不同的医用防护服进行不同强度的工作，测试人体的热生理参数和主观感觉，通过分析得出以下结论。

1)防护服的热湿舒适性从优到劣依次为TA、TB、TC。常温环境下，低强度运动中，人体生理参数和主观评价波动较小，医用防护服的热湿舒适性好坏对人体的生理参数和主观感觉影响差异不明显；随着运动强度的增加，医用防护服难以维持稳定的衣下热湿微循环，人体生理参数和主观评价波动明显，热阻湿阻越高，人体的心率、平均皮肤温度越高，主观感觉越不舒适，疲劳感越强。

2)穿着不同热湿性能的防护服在进行不同强度的运动中对人体疲劳度的影响不同。静坐状态医用防护服的热湿舒适性对人体疲劳度的影响较小；低强度运动状态穿着防护服引起的人体疲劳程度从小到大依次为TA、TB、TC；中强度运动状态穿着防护服引起的人体疲劳程度从小到大依次为TB、TA、TC；高强度运动状态穿着防护服引起的人体疲劳程度从小到大依次为TA、TB、TC；恢复状态人体疲劳度的恢复程度从小到大依次为TC、TB、TA。

3)平均皮肤温度、心率、能量代谢当量与主观疲劳感呈显著相关性，通过进行线性回归，得到人体疲劳感与心率的线性模型，人体的心率可以反映人体的疲劳程度。