高温密闭环境下的人体热生理研究

周毕云， 丁 立*， 辛梦怡， 席林斌， 李潭秋

（1.北京航空航天大学生物与医学工程学院， 北京 100191； 2.北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心， 北京 100191； 3.中国航天员科研训练中心， 北京 100094）

1 引言

载人航天飞行中舒适的舱内环境是航天员的工作和生活的重要保证。 在航天器返回大气层时，舱内温度过高、舱温控系统失调或着陆在炎热地区时，会导致航天员出现热应激状态。 在高温应急情况下，可能导致航天员机能和工作能力下降；如果体温继续升高，甚至可能危及生命。 载人航天初期，航天飞行中曾出现人体高温应急事件。如美国水星MA-7 飞船在第1 圈轨道飞行时温控系统出现故障，船舱温度高达40 ℃，航天员全身大量出汗；在第2 圈飞行时，航天员体温已经达到38.8 ℃。 因此，探究航天员的热舒适和高温环境下的生理特征具有重要意义。

航天失重会导致人体皮肤血管舒张反应能力下降，而且自然对流消失和低风速等飞行因素也会造成机体与周围环境热交换能力下降，进而扰乱人体热平衡和热舒适。 高温可使人体免疫功能减退，免疫细胞在40 ℃时即可受到抑制，43 ℃时则可发生不可逆性损伤。 在热应激暴露过程中，体温调节系统负荷过重导致体温过高，从而引起中枢神经系统功能紊乱等一系列症状。于新刚等采用综合舒适指标（Predicted Mean Vote，PMV）和预期不满意率（Predicted Percentage Dissatisfied，PPD）指标建立PMV⁃PPD 模型，开展了神舟飞船舱内的热舒适性评价研究。 庞诚等研究了人体最大氧摄取量与耐热能力的关系，认为可以采用心功能适应指数与最大氧摄取量作为测定指标，选拔潜在耐热能力较高的航天员，并安排某些体能训练来提高耐热能力，以避免在应急情况时发生事故。 此外，人体热调节模型已经广泛应用于航空、航天等领域。

本文旨在研究高温环境下人体的热生理特征变化、热感觉和平均皮肤温度之间的关系以及局部热感觉与整体热感觉的关系。 研究结果可为航天员的热生理防护和热舒适性评估提供参考，为高温下的人体热生理仿真提供数据支撑。

2 方法

2.1 受试者

12 名男性受试者，年龄（22.9±0.9）岁，身高（172.1±2.4）cm，体重（65.9±1.9）kg。 受试者身体健康，无心理障碍。 实验前一天保持良好睡眠。实验前受试者被告知实验内容和潜在风险，并签署知情同意书。 本实验通过北京航空航天大学生物与医学工程学院伦理委员会批准。

2.2 实验设备及工况

实验在北京航空航天大学生物与医学工程学院热生理密闭实验舱进行。 实验舱尺寸为3 m×3 m×3 m，舱内温度控制范围为-10 ～50 ℃，精度0.2 ℃，风速0.1 m／s。 舱内布置36 个PT100 电阻温度传感器，对舱内环境温度进行实时监测。

采用鱼跃YX306 型脉搏测试器测量受试者心率，精度±1 bpm，实验中受试者全程佩戴。 采用Ibutton 无线温度传感器（Dallas 半导体公司，美国）测量人体的皮肤温度和口腔温度，精度±0.1 ℃。 采用ICS439 型号高精度称台（Mettler Toledo）测量受试者出汗量，精度为±1 g。

为探究高温环境下受试者的生理特征和热舒适性，根据航天器飞行过程中可能出现的正常和应急温度状态设计2 种工况，如表1 所示。

表1 实验工况Table 1 Experiment conditions

2.3 实验流程和测试指标

实验开始前，记录1 次受试者心率（Heart Rate，HR）和裸体重量，受试者填写1 次热感觉问卷调查。 受试者穿着服装热阻为1.78 clo 的防护服，该防护服为自研压力服，其隔热特性、结构与航天员服装相近。

受试者佩戴脉搏测试器进入实验舱。 实验开始后每隔10 min 记录1 次心率和填写问卷调查。实验过程中测量受试者口腔温度和人体10 个测点的皮肤温度。 温度测点如图1 所示，温度数据连续采集。 受试者在每种工况下实验90 min，实验结束后测量人体裸重。 实验过程中随时注意受试者的状态，若受试者出现头晕、胸闷等现象，立刻终止实验。

图1 人体皮肤温度测量点Fig.1 Measuring points of human skin temperature

所有受试者在2 个工况下实验间隔1 d 以上，实验安排在每天的8：00 ～17：00 时间段内进行，每位受试者安排在一天中的相同时段实验。

采用ASHRAE 七点热感觉标度对受试者进行整体和局部主观热感觉（Thermal Sensation Vote，TSV）调查，问卷如表2 所示。

表2 ASHRAE 七点热感觉标度Table 2 ASHRAE seven⁃point thermal sensation scale

为探究整体热感觉与局部热感觉之间的关系，采用权重因子法进行多元线性回归建立模型，多元线性回归方程的表达式见式（1）：

其中，表示常数项，b表示回归系数（相关系数），x表示回归因子，表示随机误差。

对于整体热感觉与局部热感觉之间多元线性方程如式（2）所示：

其中表示整体热感觉评分，PMV表示人体不同位置的热感觉评分，∂表示人体不同部位权重系数，表示人体不同部位序号。

平均皮肤温度采用式（3）计算：

核心温度采用式（4）计算：

2.4 统计分析

采用Origin2018 统计软件，利用单因素重复测量方差分析法对心率、皮肤温度、核心温度进行统计分析，采用配对检验对不同工况下的生理指标统计分析，＜0.05 认为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 基础热生理指标变化

在20 ℃环境下受试者出汗量几乎为0，40 ℃环境下出汗量为（0.595±0.21）kg，占人体体重的0.9%。 如图2、图3 所示，20 ℃环境下的核心温和心率随时间变化无显著性差异（＞0.05），20 ℃环境下受试者的心率基本保持稳定，在70 ～80 bpm范围内上下波动，没有大幅度升高或降低；高温40 ℃环境下，受试者心率和核心温度均随时间延长显著增大，90 min 时的核心温度达到38.2 ℃，达到人体发烧的温度。 不同工况之间的核心温度和心率存在显著性差异（＜0.05），实验结束时40 ℃环境下的人体核心温度比20 ℃下高0.9 ℃，其心率比20 ℃下高20 bpm。

图2 受试者核心温度变化Fig.2 Core temperature changes of the subjects

图3 受试者心率变化Fig.3 The heart rate changes of the subjects

3.2 不同部位皮肤温度与热感觉

人体各部位皮肤温度如图4 所示，20 ℃环境下人体各部位皮肤温度之间存在显著性差异（＜0.05），其中皮肤温度的最大值在腹部，最小值出现在手部，两者相差2.86 ℃。 40 ℃环境下人体各部位皮肤温度间无显著差异（＞0.05），但是手部和足部的温度仍偏低。 不同工况之间的各点皮肤温度存在显著性差异（＜0.05）。

图4 受试者平均皮肤温度变化Fig.4 Mean skin temperatures changes of the sub⁃jects

不同工况之间热感觉评分如图5 所示，可以看出，不同工况之间热感觉评分有显著性差异（＜0.05）。 在20 ℃环境下，人体热感觉评分在0附近波动，处于热舒适区。 在40 ℃环境下人体各部位之间的热感觉评分无显著差异（＞005），且各部位感觉几乎都处于热状态。

图5 受试者不同部位热感觉评分Fig.5 Thermal sensation votes for different parts of the subjects

采用线性回归分析了人体平均皮肤温度（）与整体热感觉之间的关系，其结果如图6 所示，平均皮肤温度与整体热感觉之间呈线性关系（＝0.89）。 当皮肤温度增高，人体热感觉逐渐增加，热舒适性降低。

图6 平均皮肤温度和整体热感觉Fig. 6 Fitting of skin temperature with overall thermal sensation

3.3 局部热感觉与整体热感觉的关系

通过回归分析发现局部热感觉与整体热感觉之间存在相关性，其回归方程如式（4）所示（＝0.96，＜0.05）。 多元线性回归系数雷达图如图7 所示，可以看出，上臂、胸部、背部的热感觉对整体热感觉有很大影响。

图7 整体热感觉和局部热感觉的回归系数Fig.7 Correlation coefficient between global thermal sensation and local thermal sensation

4 讨论

素芹研究表明在33 ℃的环境下工作2 ～3 h，人体的汗腺才开始启动，本文20 ℃环境下的出汗量几乎为0，主要是由于环境温度未达到人体汗腺启动温度。 在40 ℃环境下，人体汗腺和毛孔扩张，出汗量增大，属于被动出汗，容易出现脱水现象。 在20 ℃环境中，人体心率指标保持稳定状态。 当环境温度增加时，人体血管会扩张，引起心跳加快，人体热感觉增加，可能出现身体无力或伴有发虚等情况。 Faerevik 等研究了40 ℃／RH19%环境下人体的热生理特征变化，发现高温环境下受试者的核心温随时间变化增大，实验结束时核心温度达到38.4 ℃，而本文实验结束时核心温度达到38.2 ℃，主要原因可能是由于本文实验时间只是Faerevik 研究的一半。 美国水星MA-7 的座舱温度为40 ℃，遥感测量人体温度达到38.8 ℃，已经处于发热状态，产生了严重的热蓄积，其温度与本文研究结果相近。 今后在研究航天环境下的人体热生理特征变化时，还应考虑失重、气压等因素的影响。

在航天个体防护装备中，液冷服带走人体产生的热量，通风服是让人体散热均匀，不同的管长和管 径 散 热 效 果 不 同。 Yao 等研 究 了21～29 ℃之间的4 个环境温度下人体皮肤温度变化，发现脸颊、前臂、大腿、小腿、足部部位的皮肤温度有显著差异。 本文结果表明2 个工况间受试者10 个部位皮肤温度变化量存在不同，且在20 ℃和40 ℃环境下四肢温度较其他部位低。 故提示本文实验的压力服在管道布置、流量分配时应注意四肢的通风，才有助于提高人体的热舒适性。

Jin 等研究了29 ℃和32 ℃环境下的人体热生理特征，发现标准有效温度和皮肤温度之间存在线性关系。 杨振中等研究发现热感觉和皮肤温度之间存在相关性。 而本文研究发现局部热感觉、平均皮肤温度与整体热感觉存在线性关系，可以用人体的皮肤温度和局部热感觉来更准确地评估人体的热舒适性。 20 ℃环境下，受试者的整体热感觉为不冷不热状态，说明该温度是穿着防护服无通风状态下的舒适温度。

5 结论

1）40 ℃环境下90 min 时，人体核心温度达到38.2 ℃，人体处于热应激区，建议在该温度下工作无热防护时，持续时间不应该超过90 min。

2）人体皮肤温度与整体热感觉之间呈线性关系。

3）局部热感觉与整体热感觉呈多元线性相关。 对航天员的热舒适性进行评价时，建议结合皮肤温度和局部热感觉从生理和主观感觉两方面进行评估。