不同劳动强度下人体呼吸参数变化实验研究*

贺 帅，张英华，张 歌，黄志安，高玉坤

(北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引言

供气式呼吸防护装备是在恶劣环境中保护人体呼吸系统的防护器具。其通过将呼吸系统与外部环境隔离，使人免受有害因素的伤害。佩戴呼吸防护装备时，装备与人体构成的呼吸微环境对于佩戴者的健康与舒适至关重要，良好的呼吸微环境可以保证佩戴者的安全和舒适[1-2]。

影响装备内部呼吸微环境的因素主要为装备的供气参数和人体呼吸参数，而供气参数的调节需要根据人体呼吸状态进行。呼吸参数作为人体的生理指标，受劳动强度状态影响较大[3-4]，不同劳动强度会使人体呼吸频率、呼吸压力以及呼气成分等发生明显变化，进而对防护装备内的呼吸微环境造成影响[5-8]，因此，研究人体的呼吸参数对于保障呼吸微环境的稳定至关重要。

据此，本文通过设计呼吸参数采集系统，开展多组不同劳动强度下人体呼吸参数实验，获得呼吸参数变化规律，为防护装备呼吸微环境参数设计及优化提供数据支持。

1 劳动强度的表征

劳动强度是指劳动者在劳动过程中所消耗的体力强度，在实际作业过程中，受到劳动时间、劳动类型、劳动姿势以及个体差异的影响[9]。为了在实验室条件下模拟实际工作中的不同劳动强度，需要对人体实际劳动量进行计算，并提供实验室条件下可操作的统一指标来表征劳动等级。

我国现行的体力劳动强度分级标准为GBZ/T 189.10-2007《工作场所物理因素测量 第10部分:体力劳动强度分级》，该标准对体力劳动的分级以及劳动强度等级的计算方法进行了规定和阐述。其中体力劳动强度指数的计算方法如式(1)所示：

I=Rt·M·S·W·10

(1)

式中:I为体力劳动强度指数；Rt为劳动时间率，%；M为8 h工作日平均能量代谢率，kJ/min·m2；S为性别系数(男性取1，女性取1.3)；W为体力劳动方式系数(搬=1，扛=0.4，推/拉=0.05)；10 为计算常数。

根据式(1)可知，体力劳动强度指数是关于平均能量代谢率和体力劳动时间率的函数，其中考虑了性别差异以及劳动形式差异，但是并未体现劳动个体之间的差异，其实质上仍然以能量代谢率来划分劳动强度等级，且实际操作性较差，并不具备快速评判劳动强度的条件。

研究表明[10-11]，心率与人体耗氧量、能量代谢率等指标有较强相关性，动态心率可以用来表征人体劳动强度。以心率表征劳动强度，可以不考虑具体劳动形式，只要劳动过程中，心率稳定在某一范围，即可认为当前体力劳动达到对应等级。为消除个体基础心率差异影响，本文采用相对心率指数(Relative Heart Rate Index，RHRI)为指标，表示不同体力劳动等级。相对心率指数表示的是人体活动过程中稳定阶段瞬时心率平均值与静息状态的基础心率平均值之比，如式(2)所示。

(2)

对已有研究数据[12]进行统计分析可以得出以相对心率指数为指标的劳动强度等级划分表，结果如表1所示。

表1 RHRI与劳动强度分级对应关系Table 1 Corresponding relationship between RHRI and labor intensity levels

根据式(2)，在已知被试者基础心率平均值的情况下，瞬时心率平均值的计算公式为：

(3)

结合表2中的劳动强度等级与RHRI的对应关系，可以得到被试者在某一劳动强度等级下的活动心率范围，以此便可表征被试者劳动强度等级。图1为不同基础心率下，瞬时心率平均值在各劳动强度下的取值范围。

图1 不同基础心率下各劳动强度对应瞬时心率平均值范围Fig.1 Range of average values for instantaneous heart rate corresponding to each labor intensity under different baseline heart rates

2 实验方法

2.1 实验对象

选取10名健康成年男性在校研究生为被试者，平均年龄，身高，体重以及体重指数(均值±标准差)分别为24.4±1.5 yrs，173.8±2.5 cm, 65.8±1.5 kg, 21.8±0.46 kg·m-2。所有被试者身体健康，无不良嗜好，日常作息规律，参加实验前身体状态良好。

2.2 实验装置

实验过程中主要采集的数据为绝对心率值、呼吸压力值以及呼出气体样品。采用自主构建的心率及呼吸参数采集系统进行数据采集，并以气体样品袋收集不同劳动强度等级下被试者的呼出气样品。图2是心率及呼吸参数采集系统各部件连接佩戴示意图以及参数信息采集系统的运行逻辑图。

图2 心率及呼吸参数采集系统各部件连接佩戴示意以及参数信息采集系统的运行逻辑Fig.2 Schematic diagram for connecting and wearing of each component in acquisition system of heart rate and respiratory parameters and operation logic of parameter information acquisition system

如图2(a)所示，心率及呼吸参数采集系统包括光学心率传感器、呼吸压力传感器、信号传输线路、信号处理微控制器、数据采集器，辅助部分包括呼吸面具以及呼吸管路等。呼吸面具佩戴于被试者头部并覆盖口鼻部分，呼吸压力传感器和信号处理微控制器分别设置在呼吸面具内部及外部，光学心率传感器佩戴于被试者指尖和耳垂部位，各传感器，信号处理微控制器以及数据采集器通过信号传输线路连接，呼吸管路用于采集呼气样本。

图2(b)为系统运行逻辑图，被试者的呼吸数据通过传感器组进行采集并以数字信号和模拟信号的形式传输至微控制器，微控制器对采集的信号进行初步处理，通过串口通讯方式传送至计算机，并在计算机端对接收的数据进行显示，存储，计算和分析。

2.3 实验流程

1)实验准备，测量记录基础数据，计算该被试者不同劳动强度下的瞬时心率均值范围，佩戴数据采集装备。

2)开始实验，被试者进行体力活动，活动过程中实时监测瞬时心率值，当达到预设状态时开始记录呼吸压力，呼吸频率数据，期间每隔1 min采集呼气样本，共采集5组，最后保存数据。

3)停止实验，并准备下一组。

3 实验结果及分析

3.1 呼吸强度及频率变化分析

人体在进行不同强度的体力活动时，身体各项生理参数都发生较大变化，心率、呼吸频率和强度都明显增加。图3所显示的为被试者在不同劳动强下所对应的瞬时心率变化曲线以及呼吸相对压力变化曲线，压力变化的幅度可反映呼吸强度大小，波形的密集度反映呼吸频率的变化，呼吸相对压力正值代表呼气过程，而负值代表吸气过程。

图3 瞬时心率及呼吸相对压力曲线Fig.3 Curves of instantaneous heart rate and relative respiratory pressure

图3显示，在静息状态下，被试者心率较为平稳，变化及波动不明显，基本处于稳定水平，在数据采集的60 s内，瞬时心率平均值保持在70 BPM左右，处于正常水平，对应的呼吸曲线，波形整体较为稳定，呼吸频率为14.5次/min，最大相对吸气压力为-90 Pa，最大相对呼气压力为+55 Pa，具体各劳动强度下的心率及呼吸参数数据见表2。

表2 不同劳动强度下的心率及呼吸参数数据Table 2 Data of heart rate and respiratory parameters under different labor intensities

注：表中压力为相对值，正负号分别对应呼气和吸气过程。

分析表2数据可知，随着劳动强度的增加，平均心率、最大呼气吸气压力以及呼吸频率都呈现增长趋势。1级和2级劳动强度下的平均心率有所增长但不明显，所对应的呼吸强度增加较为明显，最大呼吸相对压力分别达到了+77/-107 Pa和+117/-140 Pa，为基础数据的1.4/1.18倍和2.13/1.56倍；在3级劳动强度下，平均心率达到127 BPM，身体处于重度负荷，此状态下的呼吸频率及呼吸强度也都处于较高水平，相比基础数据，呼吸压力分别达到3.64倍和2倍，呼吸频率为1.38倍，身体需氧量和代谢水平提高明显。

样本熵是一种评价时间序列复杂度的指标，可用来描述复杂系统的不规则性，越是不规则的时间序列对应的样本熵越大，反之越小，常用于观测得到的生理信号时间序列的非线性检测与分析[13-16]。

通过编程对4个状态下的心率信号以及呼吸信号样本熵进行计算，进一步分析呼吸和心率信号的规律性，计算结果如表3所示。

表3 不同劳动强度下的心率及呼吸信号的样本熵Table 3 Sample entropy of heart rate and respiratory signals under different labor intensities

分析表3可知，心率信号的样本熵值在静息状态最低，为0.002 7，说明心率稳定，波动不明显，在1级和2级状态时，心率样本熵出现2级较1级更低的现象，但总体较为平稳，在3级劳动状态时，心率样本熵为0.465 1，表明该状态下被试者心率波动较大，运行并不平稳。

对于图3中的呼吸压力-时间曲线，结果的规律性较为明显，随着劳动强度的增加，呼吸压力曲线的样本熵呈现降低趋势，呼吸模式趋于稳定，呼吸变异的可能性降低。原因是随着劳动强度的增加，身体对O2的需求量以及CO2等废气的排出成为首要需求，保障呼吸活动的稳定性，以维持身体在较高负荷条件的持续运行。

3.2 呼出气主要组分变化分析

人体在不同活动状态下，呼出气的主要组分也随之变化，最明显的就是O2的减少以及CO2的增加，二者对于人体的呼吸调节和身体各项机能的正常运行至关重要。通过在被试者进行不同劳动强度的体力活动过程中采集被试者呼出气样本，运用安捷伦GC7890B气相色谱分析系统对气样成分进行定量分析，得到各个劳动强度下呼出气成分变化规律，由于吸入气中的氮气以及其他气体均不参加人体的生理活动，可以认为基本保持不变。

图4为呼出气主要组分随劳动强度的变化情况，从图中可以看出，随着劳动强度等级的增加，呼出气中CO2和H2O的含量均呈现上升趋势，而O2浓度呈现下降趋势；在静息状态下，呼出气中的O2浓度最高，达到16.2%，对应的CO2浓度为3.04%，H2O含量为1.71%；在劳动等级为3级时，对应劳动强度为重度的条件下，O2浓度下降程度明显，最低降至11.5%，而CO2浓度则上升至5.32%，同时H2O含量也上升至4.13%。

图4 呼出气关键组分随劳动强度变化趋势Fig.4 Variation trend of key components of exhaled gas with labor intensity

以静息状态下呼吸气中CO2，O2以及H2O含量为基准，分析3种成分的绝对变化增量以及相对增率，结果如表4所示。

表4 CO2,O2以及H2O绝对增量与相对增率Table 4 Absolute and relative growth rates of CO2, O2 and H2O

表4数据表明，相对于静息状态下各气体浓度，在劳动强度增加时，CO2与H2O的绝对增量变大，H2O的绝对增量在1级与CO2增量相当，但在2级和3级时，其增量都大于CO2增量；相反，O2浓度为负增长。对比相对增率可以发现，CO2的相对增率在3级重度劳动强度时达到了75.15%，而H2O的相对增率达到了141.97%；同样，O2浓度下降明显，相对增率为-29.01%。各成分变化并非线性规律，绝对增量变大的同时，增速降低，表明随劳动强度的增加，呼吸机能也逐渐趋于极限。

4 结论

1)实时心率的采集具有便利性和可操作性，以相对心率表征劳动强度可以消除个体差异以及劳动形式差异，可作为实时劳动强度表征指标。

2)不同劳动强度对人体呼吸参数影响显著，呼吸频率和强度随劳动强度增加变大，最高达到基础状态的1.38倍和3.64倍，呼吸压力样本熵呈下降趋势，呼吸模式趋于稳定，在开展供风参数优化研究时，呼吸压力和频率数据可作为特定工况的边界条件。

3)随劳动强度增加，呼出气中O2含量降低，而CO2与H2O含量明显增加，各成分变化并非线性规律，绝对增量变大的同时，增速逐渐降低，实验数据可作为调整供风参数验证呼吸微环境安全性的基础数据。