低温环境下人体生理反应及认知反应实验设计

吴建松，康凯倩，韩兆星，杨 林，胡祝强

低温环境下人体生理反应及认知反应实验设计

吴建松，康凯倩，韩兆星，杨 林，胡祝强

（中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

为了系统分析低温作业环境下人体生理反应和认知反应的变化规律，设计了可测量、分析低温环境下人体生理反应及认知反应情况的实验方案，包括实验内容及流程、实验设备设施、人体生理反应及认知反应测量指标等。该实验利用人工环境舱模拟低温环境工况，包括温度、湿度、风速等环境参数，同时参考国际标准利用跑步机运动模拟作业强度。该实验可有效分析了低温环境工况（温度、湿度、风速）及作业强度等因素对人体生理反应和认知功能的影响，有助于深入了解低温环境下作业人员的生理及认知反应特点，从而为减少人体冷应激损伤提供理论依据。

生理反应；认知反应；实验设计；低温环境

我国地域辽阔，冬季多地面临雨雪高寒，特别是西北和东北等高原寒冷地区，冬季作业人员常面临低温冰冻作业环境[1]。此外，近年来随着雨雪冰冻灾害的增多，应急救援人员在低温环境下参与救援活动时受到的冷损伤也时有发生[2-3]。低温作业环境不仅对作业人员身体造成局部或全身性的损伤，也会对作业人员认知能力造成重大影响，进而降低工作效能[4]。人体在低温环境下，其生理反应与常温环境下表现较为不同，特别是人体热调节系统和人体热反应特征区别较大[5-6]。对于常温环境下（0 ℃及以上）作业人员的认知表现变化规律已开展了一些研究工作[7-8]，但是对于低温环境（0 ℃以下）作业人员的认知表现变化情况尚缺乏研究。

研究分析特定环境工况下某一物体或人体的反应规律，实验分析通常是一个重要的技术手段[9-10]。为了系统探讨分析低温作业环境下人体热生理反应和认知反应特征及变化规律，本文设计了低温作业环境下人体生理及认知反应的实验方案，包括实验内容及流程、实验设备设施、人体生理反应及认知反应测量指标等具体实施环节。该实验利用人工环境舱可实现模拟多种低温环境工况，包括温度、湿度、风速等环境参数，参考国际标准[11]，利用跑步机运动模拟作业强度。该实验平台能为职业安全健康领域实验教学和科技创新提供重要平台支持。

1 实验方案设计

1.1 实验原理

人体处于冷环境时，会出现如外周血管收缩、代谢产热量增加等生理反应。皮肤血管收缩反应可使人体的体表温度降至接近周围环境冷空气的水平，减小人体表面与环境的温度梯度，从而使辐射、传导和对流等散热作用降低到最低程度。当周身血管收缩时，肢体就被动地冷却下来，环境的冷却能力超过了人体的产热能力，人体局部温度会下降。当人体核心温度及皮肤温度低于正常范围时，生命健康和安全会受到较大威胁[12-13]。周身运动肌和感觉神经的冷却能引起周身系统的麻痹，从而引起肌肉寒颤。寒颤会引起运动肌控制紊乱，这种现象称为“寒颤性麻痹”[5]。

此外，低温对人体的认知功能有较大影响。人体处于低温环境时，注意力会被分散，即注意力会集中于感觉寒冷上，而不能有效完成所提供的认知任务。低温还会导致人的反应时间增长、记忆力降低及眼手协调能力减弱等。体温降低会影响体力工作效能，如手部皮肤温度降到15.5 ℃时，皮肤血管收缩，组织温度明显下降，导致肌力水平降低，操作功能开始受到影响；降到10~12 ℃时手部感觉麻痛，触觉明显减弱；当手部皮肤温度低于8 ℃时，触觉敏感性急剧下降；当温度下降到4 ℃时，手基本失去触觉[14]。冷环境对人体脑力劳动也有较大影响，低温会使作业人员注意力下降、反应时间延长、作业失误率增加，降低需要集中注意力的复杂脑力劳动的工作效能。

1.2 实验设备设施

1.2.1 低温环境模拟

本文设计的低温作业环境下人体生理及认知反应的实验平台，采用人工环境舱构建低温环境工况，人工环境舱尺寸为8.5 m×3.2 m×3.2 m（长×宽×高），该环境舱能够模拟多种低温环境工况，且由控制系统实现温度、湿度、风速等环境参数的调节。环境舱由实验舱和缓冲舱组成，其中实验舱可实现环境温度–30~+40 ℃和相对湿度20%~90%之间的连续调控，缓冲舱是为受试者实验前提供的休息准备场所。

1.2.2 作业强度模拟

本文低温作业环境下人体生理及认知反应实验设计参考国际标准ISO 8996，利用跑步机模拟作业强度。根据ISO 8996，跑步机设定不同的速度可以模拟轻度（0 km/h）、中度（3.5 km/h）和重度（5.5 km/h）体力劳动[11]。该实验平台使用的跑步机型号为Walkingpad A1，见图1。

图1 跑步机

1.2.3 人体生理反应参数测量

对于低温环境工况下作业人员的生理反应参数变化情况，采用国际上比较常用的集成生理监测系统（英国，EQ02 LifeMonitor）进行测量记录，见图2。该生理参数监测系统主要包括SEM模块、M Dock、蓝牙适配器（Bluetooth Dongle）、传感器背带、血氧饱和度探头、核心体温胶囊、皮肤温度贴片、皮电反应（GSR）传感器、外部电池包，以及Equivital Manager和eqView Professional软件。该生理参数监测系统可以监测血氧、心率、呼吸频率、人体核心温度、皮肤温度、体位和运动状态等生理参数，同时进行数据的采集和传输（无线或USB有线），内置8 GB存储卡，可连续记录40天的人体生理参数，每套监测系统可实现同时测量6个受试人员。

图2 EQ02生理集成监测系统

1.2.4 人体认知反应测量

低温环境下人体的认知反应特征，采用世界卫生组织推荐的神经行为核心功能测试组合（Neurobehavioral Core Test Battery，简称NCTB）进行测量分析。低温环境下人的认知功能测试共包含7项测试内容：情绪状态量表（POMS）、简单反应时间、数字跨度、手敏捷度、数字译码、视觉保留和目标追踪，部分测量仪器和测试如图3所示。

1.3 实验内容与步骤

该实验要求受试人员身体健康、无不良疾病，且在低温及低氧环境中无过敏及哮喘反应，无冻伤史。具体实验流程如下：

（1）在人工环境舱实验开始前5 d对受试人员进行NCTB测试，在常温中性环境下（20 ℃左右）进行，记录测试数据，作为对照组；

（2）实验开始前6 h，受试人员服下EQ02的人体核心体温胶囊，用于监测低温环境下人体核心体温变化情况；

（3）受试人员穿戴好低温防护服及生理测量设备后静坐于缓冲舱（0~20 ℃之间）内1 h，以减小环境对人体实验的影响；

（4）进入低温环境舱（0 ℃以下），在低温环境舱静坐暴露15 min，期间无休息，EQ02LifeMonitor集成生理监测系统每15 s自动记录一次人体生理反应数据；

（5）利用跑步机设定不同速度，受试人员进行轻度劳动、中度劳动或重度劳动，每劳动5 min休息 1 min，劳动与休息时间比例为5:1，此过程共35 min；

（6）整个劳动过程结束后，对受试人员进行NCTB测试，并记录各分项测验的得分；

（7）受试人员进入缓冲舱静坐30 min；

（8）实验结束后对所有记录的数据进行整理和分析。

图3 NCTB部分测试

2 实验示例

本实验示例设定低温环境舱温度–10 ℃、风速2 m/s、轻度劳动强度（静坐）的低温工况，选取6名20~30周岁的青年男性作为受试人员，在人工环境舱中进行实验（见图4），记录各个实验环节下人体生理反应参数和认知功能实验数据。

测得受试人员核心体温、额头等局部皮肤温度变化情况见图5。

测得受试人员认知功能变化数据见表1—表3。

该实验注意事项：

（1）实验前应检查SEM模块电量是否充足，防止实验期间因电量耗尽导致数据缺失；

（2）认知功能测试的7项测验应按顺序进行，并且每一分项测验的时间要严格把控；

（3）人体核心体温胶囊需用温水吞服，防止水温对实验数据产生不良影响；

(a) 生理参数测量 (b) 认知功能测试

图5 低温环境下人体核心体温与局部皮肤温度变化情况

表1 情绪状态测试数据（得分）

表2 简单反应时、数字跨度、数字译码和视觉保留测试数据

表3 手敏捷度测试数据和目标追踪测试数据（得分）

（4）实验过程中利用eqView Professional软件实时观测数据，一旦发现某项数据异常或消失，立即对受试者佩戴设备进行检查。

3 结论

本文设计的低温环境下人体生理反应及认知反应实验平台能为安全工程专业和消防工程专业的安全人机工程、职业卫生等课程的实验教学提供支撑，丰富了教学形式和内容，增强了课程教学效果。此外，该实验平台还可以为本科生和研究生开展职业安全健康研究领域多种开放性实验提供基础实验平台支持。该实验设计利用人工环境舱可以实现多种低温环境工况的模拟，参考国际标准借助跑步机运动可以模拟多种作业强度，采用EQ02集成生理监测系统和NCTB认知量表，可以有效分析低温环境工况（温度、湿度、风速）及作业强度等因素对人体生理反应和认知功能的影响，有助于深入了解低温环境下作业人员的生理及认知反应特点和变化规律，为人体冷损伤评估提供依据，并为低温作业环境下安全防护装备的防护性能评测提供技术支持。

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Design of experiment on human physiological and cognitive responses in low temperature environment

WU Jiansong, KANG Kaiqian, HAN Zhaoxing, YANG Lin, HU Zhuqiang

(School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

In order to systematically analyze the changes of human physiological and cognitive responses in low temperature environment, an experimental scheme is designed to measure and analyze such responses in the low temperature environment, which includes experimental content and process, experimental equipment and facilities, human physiological and cognitive response measurement indicators, etc. In this experiment, the artificial environment chamber is used to simulate the working conditions of the low temperature environment, which includes temperature, humidity, wind speed and other environmental parameters. At the same time, the treadmill motion is accepted to simulate the working intensity according to international standards.

physiological response; cognitive response; low temperature environment

R188

A

1002-4956(2019)07-0054-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.015

2019-02-17

国家重点研发计划项目（2016YFC0802801）；中国矿业大学（北京）课程建设与教学改革项目（J180109）

吴建松（1985—），男，河北邯郸，博士，副教授，研究方向为安全科学与工程.E-mail: jiansongwu@163.com