防护服对消防员工效性能影响的定量研究*

刘纪坤，黄一鸣，张逸文，王兴明，杨 杰

(西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

应急救援行动过程中，防护服为消防员提供隔热、防水、阻挡有害物质等多方面保护，但防护服装质量重、材质硬等弊端显著增加消防员生理负荷[1-2]，降低身体移动灵活性，影响救援效率，甚至造成严重伤害[3]。统计表明，手是消防员最易受伤的部位之一，手的功能一般包括手指的运动、握力、捏力、灵巧性和稳定性等，握力是所有手运动功能的前提[4]。因此，开展消防员工效性能评估对降低人员伤亡、提升救援效率具有重要意义。

目前，关于防护服研究局限于织物防护性能和舒适性能的测试方面，对工效性能影响特别是手部研究较少。Park等[5]研究表明改善个体防护装备的舒适性、机动性和安全性是目前研究重点，特别是空气呼吸器对消防员上臂的限制以及手套手指过长等问题；Park等[6]通过试验评估发现，防护服和疲劳均能导致步长减小、步幅增宽、任务失败率增大；Mcquerry[7]研究表明无论是男性还是女性消防员，穿着防护服移动性均会显著降低；Lee等[8]发现降低靴子的质量可以有效减轻消防员穿着个体防护装备行走时的热负荷；Quesada等[9]发现12名新兵在3种不同负重条件下的感觉用力评价数据、关节运动学数据、代谢数据均有显著性差异；张睿明等[10]开展人体上肢关节运动舒适性评价发现，表面肌电信号等客观参数对关节的不适感表现比主观评分更敏感。现有研究结果仅适用于特定的环境条件、活动状态和身体部位，尚未分析灭火防护服、半封闭防化服和全封闭防化服对人体手部工效性能的影响，无法为消防员训练、救援提供基础数据和科学指导。

因此，本文通过人体工效试验，分别测量受试者在基础服装、灭火防护服、半封闭防化服、全封闭防化服4种不同防护条件下的握力值、疲劳度和活动受限程度的变化情况，通过对比3个参数的具体量化值，为消防员防护服优化设计提供理论指导。

1 试验方法

1.1 受试者

采用软件G*Power 3.0[11]进行先验功率分析(α=0.05，1-β=0.95，effectsize=0.5)得出样本量为19。因此，试验选择20名身体健康的男性大学生为受试者，年龄(24.3±1.0)岁，身高(174.9±5.9) cm，体重(66.0±7.3) kg，爱丁堡利手调查结果均为右利手。所有受试者身体健康，无任何体态异常，参加试验时精神状态良好，24 h内无剧烈运动，未服用任何药物或酒精等刺激性食物，有较强的理解能力，能够完成试验任务并正确表达内心的感受尺度。所有受试者均自愿参加试验并填写知情同意书，正式试验前受试者已熟悉试验流程和主观感觉等级评价的含义。

1.2 防护服

为测试不同防护服的影响，对受试者进行4组测试。

表1 防护服类型Table 1 Type of personal protective clothing

其中灭火防护服(含头盔、手套、靴子、腰带)型号为劳卫士ZFMH-LWSA；半封闭化学防护服(含手套、靴子)型号为劳卫士FHLWS-001；全封闭化学防护服(含手套、靴子)型号为劳卫士FHLWS-002；空气呼吸器型号为劳卫士KH-LWS-001，均符合《消防员灭火防护服》(GA 10—2014)[12]、《消防员化学防护服装》(GA 770—2008)标准要求[13]。防护服如图1所示。

图1 防护服Fig.1 Personal protective clothing

1.3 试验流程

试验前，受试者更换服装后在室内静坐10 min 稳定身体状态，然后进行静态握力测试。试验流程如图2所示。

图2 试验流程Fig.2 Test protocol

握力测试采用《中国国民体质测定标准手册》推荐体位[14]：受试者采取站姿，两脚并立，两臂伸直下垂，测量时握力计不能接触身体和衣服，用力时不能屈臂、弯腰或蹬足。测试采用先左手后右手的顺序，为减轻肌肉短暂性疲劳对试验结果的影响，在左手握力测试完毕后间隔2 min再进行右手握力测试。握力计为香山EH101电子握力计，最大测量力度90.0 kg，最小精度0.1 kg。

每进行1次左右手握力测试，受试者对测试过程中疲劳度和活动受限程度的主观感受进行1次评价打分，记录最大握力值和主观评价分值。研究采用Borg量表[15]进行疲劳度评价，从6开始(7极其轻松，9很轻松，11轻松，13有点吃力，15吃力，17很吃力，19极其吃力，20精疲力竭)。本文活动受限程度评价采用5点单极量表(即从0开始，0没有限制、1轻微限制、2限制、3非常限制、4极度限制)。同时，为减轻服装顺序效应对试验的影响，采用拉丁方设计方法确定每位受试者的服装顺序。

1.4 统计方法

采用方差分析进行不同防护服工况下的握力值、疲劳度值、活动受限程度值组间均值差异性分析，采用t检验进行左/右手握力值均值差异性分析，p值表示差异的显著性(p>0.05为无差异，*p<0.05为显著性差异，**p<0.001为高度的显著性差异)；通过接受者操作特征曲线[16](ROC曲线)分析不同防护服与基础服装间握力临界关系。采用皮尔逊相关性分析检验握力和主观评价的相关程度与显著性；拟合握力与疲劳度、握力与活动受限程度的线性函数。本文采用IBM SPSS Statistics 23进行统计。

2 结果与讨论

2.1 最大握力值

20名受试者在4种防护服工况下的握力分析结果如图3所示。经检验，试验的左手握力值、右手握力值、疲劳度值、活动受限程度值均服从正态分布，可以进行方差分析。

图3 手部握力值Fig.3 Hand grip strength

由图3可知，除半封闭防化服和全封闭防化服组间差异无统计学意义外，各套装备之间在左手握力、右手握力均有显著性差异(p<0.05)；其中，基础服装和灭火防护服之间的左手握力、右手握力均有高度的显著性差异(p<0.001)；防护服握力均值比对照组低5.0～15.5 kg(p<0.05)，灭火防护服测的握力相对最小(左31.1 kg，右34.6 kg)。

一方面握力可能受防护手套厚度的影响，灭火防护服手套因为多层织物结构，导致厚度大于防化服手套，所以灭火防护服测得握力更低，半封闭防化服和全封闭防化服手套厚度大致相同，所以握力均值差异仅1.4%～2.3%；另一方面握力可能受防护手套面料的影响，防化服手套相对灭火防护服手套拥有更大的摩擦力且更为柔软。相关研究表明，由于手套尺寸不完全贴合，造成消防员在戴手套时会使用更大的力气去执行手部动作。试验过程中发现，由于防护服和受试者皮肤间的空气层较大，受试者个体差异性会对结果造成影响。

独立样本t检验结果表明，左右手间握力具有显著性差异(t=-2.344，p=0.020)，其中灭火防护服左右手握力差异相对最大(3.5 kg，p<0.05)。同一服装条件下，左手(非利手)较右手(利手)受到的影响更大。值得注意的是，半封闭防化服左手握力大于(0.6 kg)全封闭防化服，右手握力小于(-1.0 kg)全封闭防化服，说明在相似防护服条件下利手握力值波动更大。

对照组与防护服左右手握力均值对比ROC曲线如图4所示。由图4可知，检验发现3套防护服ROC曲线的线下面积均大于0.75，具有较好的检验效果，说明握力值可作为检验防护服判断标准之一。

图4 对照组与防护服左右手握力均值对比的ROC曲线Fig.4 ROC curve chart comparing the left and right hand grip strength of control group and protective clothing

2.2 疲劳度

握力测试过程中的疲劳度方差分析结果如图5所示。由图5可知，穿防护服的RPE均值比对照组高1.55～4.75(p<0.05)，其中灭火防护服RPE(13.55，有点吃力)相对最大，半封闭防化服(11.05，轻松)和全封闭防化服(10.35，轻松)次之，基础服装(8.80，很轻松)相对最小。Larsen等[17]研究表明穿防弹衣(19±1)的峰值RPE显著高于(p<0.01)不穿防弹衣(18±1)的RPE，差值达5.6 %。本文穿防护服和对照组RPE差值达54.0%，可能由于防护服较防弹衣质量更轻，且握力测试活动相比战术活动更轻松，整体RPE处于中等水平；另一方面原因可能是由于Larsen等采用峰值RPE对比的方法导致。说明轻中度运动受到服装的影响比重度运动更大，改进消防员防护服工效性能同样重要。

图5 疲劳度Fig.5 Ratings of perceived exertion

本文使用的防护服整体质量A，B，C，D分别为受试者平均体重的1.7%，23.0%，19.7%，20.6%，灭火防护服RPE明显大于对照组。相关研究发现，在行走任务中男兵在负荷为体重的0%和15%时RPE是相似的，而在负荷为体重的30%时，RPE明显大于0%和15%(p<0.05)。试验中半封闭防化服RPE大于(p>0.05)全封闭防化服，可能由于半封闭防化服更为紧凑的结构设计和服装尺寸让受试者感到额外疲劳。

2.3 活动受限程度

活动受限程度方差分析结果如图6所示。穿防护服的活动受限程度比对照组高0.85～1.75(p<0.05)，说明防护服对消防员活动有一定限制，灭火防护服限制(1.80，限制)相对最大，半封闭防化服(0.95，轻微限制)和全封闭防化服(0.95，轻微限制)次之，基础服装(0.05，没有限制)相对最低，各防护服活动受限程度差异显著。

图6 活动受限程度Fig.6 Restriction to movement

相比防化服，灭火防护服手套厚度、质量较大，这是导致活动受限较大的原因之一。同时，半封闭防化服和全封闭防化服对活动限制程度相同，说明服装面料和设计结构是限制活动的主要因素；防护手套与受试者皮肤间空气层较大，活动受限程度评价受个体差异性影响较大。文献[18-19]表明，防护服尺码通用性较强，但在实际工作环境中防护服装过大或过小均会影响穿着者机动性。

2.4 握力与RPE、活动受限的关系

相关性分析结果显示RPE与握力存在显著的负相关(r=-0.411,p<0.001)，RPE和左右手握力均值的线性拟合如图7(a)所示。由图7(a)可知，握力越大RPE越小。影响RPE的主要因素为服装因素和个体差异性。对同一受试者来说，不同服装条件下RPE不同，握力越大的服装RPE越低；同一种服装条件下，不同受试者间RPE不同，Savinainen等[20]发现在完成相同任务时，握力较高的受试者RPE较低，但本文未考虑个体差异性的影响，只考虑服装条件对握力的影响。研究结果显示主客观测试结果具有显著相关性，同时拟合公式根据握力值能够较好地预测RPE。

图7 RPE活动受限程度与握力值的相关性分析Fig.7 Correlation analysis of RPE,restriction to movement and grip strength

相关性分析结果显示，活动受限程度与握力值呈显著负相关(r=-0.481,p<0.001)，线性拟合如图7(b)所示。由图7(b)可知，握力均值越大的服装对人体活动限制越低，这与RPE结果一致。且活动受限程度与握力均值的相关性大于RPE，说明试验中活动受限程度是影响握力的主要因素。

3 结论

1)防护服对消防员握力存在显著影响，灭火防护服相对防化服握力更低；同时左右手握力差异显著，非利手握力受服装影响更大。

2)防护服对消防员疲劳度的影响从大到小依次为灭火防护服、半封闭防化服、全封闭防化服，且握力和疲劳度存在显著负相关。

3)较疲劳度而言，活动受限程度对消防员工效性的影响更为显著，且不同防护服对消防员活动的限制从大到小依次为灭火防护服、半封闭防化服、全封闭防化服。本文仅关注不同防护服间差异，未深入研究防护服面料材质、设计结构的影响，今后需进一步研究防护服对消防员移动性的影响。