高温环境下人体年龄对热生理与行为能力的影响

谢英毫，卢业虎,2，沈海明

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215006；2.吴江万旺纺织有限公司，江苏 苏州 215226；3.中国民航大学 飞行技术学院，天津 300300)

0 引 言

高温高湿环境广泛存在于交通、矿区、军事、建筑和航空航天工程等场所。长时间在高温环境中工作，会产生不同程度的生理应激和心理负荷[1]，不仅会影响作业人员的工作效率，增加事故发生率，而且长期暴露还会引发中暑、血压升高、心率紊乱、虚脱等症状。此外，高温还会影响人体神经系统，导致人的行为控制能力下降，如反应能力、动作准确性、动作灵活性、动作协调性及空间知觉能力等都会有所减弱。

李国建在高温高湿低氧环境下研究了人体的热耐受性，分析了不同氧气体积分数下极端热环境中人体生理、心理等反应[2]。高俊勇测量了不同温度下轻度、中度和重度运动的人体各项指标，分析了矿井高温高湿环境对人体生理的影响规律[3]。NAG等在模拟环境舱中测量了人体的热耐力，得到了人体可接受的热接触极限时间，即核心温度到达38～38.2 ℃时，耐受时间为80～85 min，当核心体温达到39 ℃时，耐受时间为40～45 min[4]。郝向阳等研究了装甲车辆驾驶员在热环境下持续作业时心理、生理的变化趋势[5]。陈自强等基于有限现场实验证实了NCTB和NES测试系统的效度、信度及灵敏度俱佳，NES-C3系统可以准确、快速地测量受试者的行为能力[6]。汪光文等提出飞机座舱温、湿度环境在空调系统失效情况下不会影响机组人员工作，也不会对乘客构成持久的生理伤害，但影响飞行安全[7]。LONG等通过研究受试者核心温度达到38.0 ℃时的实际观察暴露时间，预测急性热应激暴露人群平均耐受时限，为确保在暴露时间限制方面的预测有效性，预测最不耐受者在热应激条件下安全工作时间的能力将安全暴露时间定义为38.5 ℃[8]。迄今为止大多数研究均集中在人体在高温环境下的生理和心理变化，或者不同环境对于人体行为能力的影响，发现高温环境会影响人体的行为能力，但是对于在高温环境中工作的特殊职业人员，有必要制定一个合理、可靠、安全的生理耐限，而目前缺乏对于高温环境下人体行为能力的深入研究。因此本研究将生理反应、主观评价和神经行为能力等指标相结合，探讨高温环境是否对人体行为能力产生影响，从而对特种职业人员造成安全隐患。

1 实 验

1.1 实验对象

30名男性自愿参与本实验，分别为20岁组(年龄20～29岁)、30岁组(年龄30～39岁)、40岁组(年龄40～49岁)。20岁组平均年龄(23.9±0.9)岁，身高(177±2.9) cm，体质量(67.5±4.3) kg，BMI指数(21.6±1.5) kg/m2；30岁组平均年龄(32.9±2.1)岁，身高(173.1±3.7) cm，体质量(72±6.9) kg，BMI指数(24±2.2) kg/m2；40岁组平均年龄(46.5±4.5)岁，身高(166±7.1) cm，体质量(62.5±10.2) kg，BMI指数(22.5±2.4) kg/m2。受试者身体健康，无中暑、高血压、心脏病等可能影响测试过程的病史。要求受试者实验前一天保持充足的睡眠，不摄入酒精或咖啡，并在实验前2 h内禁止进食，实验过程中不采取任何液体补充水分。

1.2 实验条件

实验在人工气候室内进行，温度(40±0.5) ℃，相对湿度40%±5%，风速(0.2±0.1) m/s，受试者在跑步机上以速度5 km/h，坡度Level 5行走。使用设备记录受试者的生理指标，实验中记录受试者的主观评价并使用NES-C3神经行为能力系统测试受试者行为能力。

1.3 实验服装

实验服装选择100%棉圆领长袖上衣与长裤，如图1所示。在人工气候室使用出汗暖体假人(美国Thermetrics LLC)测得服装的热阻为1.27 clo。

图 1 服装热阻测试Fig.1 Clothing thermal insulation test

1.4 测试指标

1.4.1 生理参数 1) 核心温度。使用HQ核心体温监测设备(HT150001，美国HQ Inc)测量核心温度(Tcore)的变化(精度0.01 ℃，采样频率30 秒/次)，实验前至少2 h需要吞服温度传感器胶囊，并静坐休息至实验开始。

2) 皮肤温度。使用皮肤温传感器(MSR 145，瑞士MSR)分别测量前胸、上臂、大腿、小腿的皮肤温度，采用四点法计算平均皮肤温度MST。

3) 汗液蒸发量。实验前使用质量秤(ICS639，德国METTLER TOLEDO)测量受试者裸体质量(含内裤)记为W1，测量实验穿着服装与毛巾的质量为G1，实验结束后，用毛巾擦干体表残余汗液，再次测量裸体质量(含内裤)记为W2，称量服装与毛巾的质量G2。则出汗量为

L1=W1-W2

汗液蒸发量为

L2=L1-(G2-G1)

4) 心率、血氧饱和度及新陈代谢率。心率使用心率带(美国Polar H10)采集，采样频率30 秒/次；血氧饱和度使用无线血氧监测系统(荷兰Artinis)记录，采样频率30 秒/次；新陈代谢率使用Cortex心肺功能仪(德国MetaMax3B)测试，采样频率5 秒/次。

1.4.2 主观感觉评价 主观感觉评价主要包括热感觉、热舒适性、皮肤湿度和疲劳程度。热感觉在对称7点标尺的基础上增加了两极为9点主观评价标尺，热舒适性采用4点单向标尺，皮肤湿度采用4点主观评价标尺，疲劳程度采用borg主观疲劳感知评估[9]。在实验开始前、实验中、实验结束时分别记录受试者主观感觉。

1.4.3 行为能力 采用神经行为能力评测系统(NES-C3，中国海志达信息科技有限公司)，通过心算、视觉保留、注意力调转、选择反应时4个项目来评价人体的行为能力水平。

1.5 实验步骤

实验流程如图2所示，正式开始前需要在室温环境中预先达到热中性状态，采用NES-C3测评系统对受试者进行神经行为能力测评(约10 min)，测量受试者体质量，替换实验服装，佩戴测量仪器，随后进入预设好的气候室，受试者在跑步机上以坡度Level 5、速度5 km/h行走，15 min后测试新陈代谢率，待核心温度达到38 ℃后，记录受试者的主观感觉，使用NES-C3对受试者进行神经行为能力测评。再次行走使核心温度维持在38～38.5 ℃下20 min后，记录受试者主观感受并测试受试者行为能力。使用毛巾擦干身上残余汗液，立即称量裸体质量(含内裤)，实验结束。

图 2 实验流程图Fig.2 Testing trial

1.6 数据分析

所得数据均以平均值±标准差的形式记录，使用IBM SPSS statistics 21软件对数据进行统计分析，显著性水平为0.05，使用单因素方差分析不同年龄段之间核心温度、皮肤温度、心率、血氧饱和度、行为能力是否具有显著性差异，使用Wilcoxon符号秩和检验分析受试者主观评价不同年龄段之间的差异性。核心温度、皮肤温度和心率20岁组与30岁组的显著性差异用α表示，30岁组与40岁组的显著性差异用β表示，20岁组与40岁组的显著性差异用θ表示。

2 结果与讨论

2.1 生理参数

3组受试者核心温度变化趋势相同，因个体的差异性受试者核心温度升高到38 ℃的时间不同，组别之间的核心体温并无显著性差异。20、30和40岁组核心温度上升到38 ℃的时间分别为(32.4±4.3) min、(39.8±6.6) min和(30.8±5) min，3组核心温度达38 ℃时的对比图如图3所示。统计分析表明20、40岁组核心温度上升到38 ℃的时间显著小于30岁组(p<0.01)。核心温度达38 ℃后，40岁组的核心温度在0～20 min显著高于20、30岁组(p<0.05)，在24～40 min，20、40岁组显著高于30岁组(p<0.05)；最终的核心温度增高量没有显著性差异(p=0.2)。

(a) 达到38 ℃前

(b) 38 ℃至实验结束图 3 核心温度变化对比Fig.3 Comparison of core temperature

在人体核心温度达到38 ℃后进行20 min左右的运动过程中，核心温度、平均皮肤温度和心率等生理指标比实验开始阶段40 min的运动有了更大的提升。20、40岁组核心体温达到38 ℃的时间显著低于30岁组(p<0.05)。研究表明，年龄、性别、健康状况、药物、有氧健身、酒精和吸烟习惯等都会影响个体对热应激的反应。在这些个人特征中，年龄和健康状况是最重要的耐热性预测因子[10]。在运动停止时，20、30岁组核心温度下降程度高于40岁组，表现出较好的散热能力，体现了年龄对个体耐热性的影响。而健康状态是可以通过锻炼加强的，30、40岁组每周锻炼次数、时间均大于20岁组。这可能提高了30、40岁组的耐热性。这也可以在SAWKA的研究中得到验证，一些有氧健身的个体，如果能够适应高温下的运动，可能会减少身体储热，提高运动表现[11]。

2.2 皮肤温度

皮肤温度变化如图4所示，3组受试者在行走阶段1的前12 min内平均皮肤温度分别升高了(2.3±0.5) ℃、(2.5±0.4) ℃和(2.6±0.4) ℃，组别之间无显著差异(p=0.94)，随后均保持相对平稳的变化，但组别间呈显著性差异(p<0.05)；在行走阶段2平均皮肤温度继续上升，实验结束时平均皮肤温度分别升高了(3.1±0.7) ℃、(3.3±0.9) ℃和(3.4±0.5) ℃，差异并不明显(p=0.543)。统计分析表明核心温度达38 ℃后，除5～14 min外40岁组显著高于30岁组，14～36 min时20岁组显著高于30岁组(p<0.05)，20岁组与40岁组在0～10 min和10～13 min有显著性差异。

(a) 达到38 ℃前

(b) 38 ℃至实验结束图 4 皮肤温度变化对比Fig.4 Comparison of skin temperature

皮肤温度在行走阶段1前10 min大幅度上升，3组受试者没有显著性差异，在行走阶段1运动约12 min后，皮肤温度因为出汗蒸发散热而呈下降或平稳趋势，持续到运动结束。在测试阶段2，因为停止运动减少了蒸发散热量，皮肤温度再次上升。在之后行走阶段2的前5 min，皮肤温度大幅下降，下降幅度30岁组>20岁组>40岁组，这也与各组的出汗量与汗液蒸发量吻合。据研究，虽然核心温度和皮肤温度对人体的热舒适有很大影响，但皮肤湿润也是影响人体热行为的重要因素[12]。也有研究表明中年男子在高温下运动时出汗的时间比年轻男子晚，且出汗较少[13]，这和本文有所吻合，40岁组出汗量显著低于20、30岁组，皮肤湿度主观评价40岁组显著低于20、30岁组，40岁组热舒适性程度明显高于20、30岁组，由此证明皮肤湿润对人体热舒适性有所影响。

2.3 心率

心率变化如图5所示，3组受试者在约35 min的行走阶段1中心率稳步上升，20岁组心率从(106±7)次/分增加到(144±8)次/分，增加了约135%；30岁组心率从(96±7)次/分增加到(141±13)次/分，增加了约147%；40岁组心率从(96±7) 次/分增加到(131±10) 次/分，增加了约136%。20岁组、30岁组和40岁组心率最高分别上升到(151±13) 次/分和(143±17) 次/分和(137±12) 次/分，约为最大心率的75%～77%(最大心率Rmax=220-年龄[14])，统计分析表明行走阶段1除0～12 min外20岁组心率显著大于30岁组(p<0.05)，30、40岁组在行走阶段1无显著性差异(p>0.05)；除0～16 min外20岁组显著高于40岁组；核心温度达到38 ℃后，除10～15 min外20、30岁组心率显著高于40岁组，30岁组心率在10～32 min显著高于40岁组。

(a) 达到38 ℃

(b) 38 ℃至实验结束图 5 心率变化对比Fig.5 Comparison of heart rate

2.4 血氧饱和度和代谢率

20、30和40岁组的平均代谢率分别为(5.39±0.24) met、(5.27±0.47) met和(4.78±2.6) met，20、30岁组显著高于40岁组(p<0.05)。实验期间，20、30和40岁组出汗量分别为(868±186) g、(1 018±177) g和(679±291) g，20和30岁组出汗量显著高于40岁组(p<0.05)；蒸发量分别为(696±127) g、(754±82) g和(508±190) g，20、30岁组显著高于40岁组(p<0.01)。如图6所示，3组受试者静脉血氧饱和度整体上保持稳定，局部波动，整个实验过程中，静脉血氧饱和度没有显著性差异(p>0.05)。3组受试者动脉血氧饱和度始终维持在较高的水平，受试者在实验过程中的行为对动脉血氧饱和度没有明显影响，3组受试者之间没有显著性差异(p>0.05)。

(a) 动脉血氧饱和率

2.5 主观评价

实验开始时受试者第1次主观评价(P1)均为热中性状态，核心温度38 ℃时,20、30和40岁组第2次热感觉主观评价(P2)分别达到2.8±0.5、2.75±0.8和2.45±0.7，在行走阶段2结束时第3次热感觉评价(P3)小幅增加，无显著性增加(p>0.05)；3组热舒适性评价P2分别达到-1.7±0.9、-1.55±0.8和-1.35±0.5(不舒服)，30岁组P2显著性高于P3(p=0.006)；40岁组受试者皮肤湿度P2与P3有显著性差异(p=0.031)；疲劳程度第2次主观评价值达到12.4±3、12.6±2.1和11.5±2.6(有点累)，第3次达到14.5±2.8、15.4±1.9和13.1±2.6，30岁组P3显著性高于P2(p=0.001)。

不同年龄组的3个阶段主观评价如图7所示。

(a) 热感觉

(b) 热舒适性

(c) 皮肤湿度

(d) 疲劳程度图 7 主观评价对比Fig.7 Comparison of subjectiveassessment

由图7可知，不同年龄段的热感觉评价无显著性差异(p>0.18);热舒适性主观评价P3无显著性差异(p>0.25)，但30和40岁组差异较大(p=0.054);40岁组皮肤湿度主观评价P2阶段显著低于20(p=0.012)、30(p=0.026)岁组,20、30岁组主观评价P3显著高于40岁组(p=0.044)，这与40岁组出汗量和蒸发量显著低于20、30岁组相吻合；疲劳程度评价除P3阶段30岁组显著高于40岁组(p=0.048)外无显著差异(p>0.21)。

据PANDOLF研究，在10天高温训练适应期间，青年男性的最终疲劳程度普遍较高(p<0.05)，其中，仅在第1天适应时，青年男性的最终热感觉较高(p<0.05)[15]。这在本文能够得到一些验证，最终疲劳程度(P3)30岁组显著高于40岁组，20岁组明显高于40岁组但无显著差异，最终热感觉(P3)无显著差异。在热暴露的第1天，与年轻人相比，中年男性最终直肠温度、皮肤温度和心率更低，最终全身总汗流量更高(p<0.05)[15]，这与本文有所出入。本文40岁组最终核心温度、皮肤温度较高，心率较低,文献[15]中2组受试者体质量、体表面积、体脂和最大有氧能力无显著差异，而本文没有要求，有作者研究称体质量、体表面积、体脂和最大有氧能力与个体在高温下的温度调节能力密切相关[16]，这可能是本文实验结果有所差异的原因。

2.6 行为能力

受试者在正式实验开始前需要熟练操作N3测试系统。分析受试者的3次操作结果之间的行为能力差异和不同年龄组之间的差异。统计分析表明，20岁组视觉保留P1与P2(p=0.006)、P3(p=0.038)有显著性差异，除视觉保留外没有显著性差异；30、40岁组心算、视觉保留、注意力调转、选择反应时没有显著性差异(p>0.2)。即受试者在所模拟的实验强度内不会影响人体的各项行为能力。各行为能力NAI值如图8所示。

(a) 心算

(b) 视觉保留

(c) 注意力调转

(d) 选择反应时图 8 行为能力对比Fig.8 Comparison of disposing capacity

统计分析表明,不同年龄组除心算P2(p=0.045)和选择反应时P1(p=0.042)有显著性差异外,其他各阶段皆无显著性差异。将各项行为能力NAI值作为因变量，年龄组作为因子,使用单因素方差分析，可得20、30和40岁年龄组心算能力P1和P3阶段无显著性差异，P2阶段20岁组显著高于30(p=0.02)、40(p=0.03)岁组；不同年龄组视觉保留能力和注意力调转能力各阶段无显著性差异(p>0.05)；选择反应时能力P1阶段20与30岁组差异显著(p=0.032)。

20岁组心算能力在核心温度达38 ℃时显著高于30、40岁组，在P1和P3阶段明显高于30、40岁组但无显著性差异，即20岁组心算能力较强于30、40岁组。心算反应了人体的逻辑、反应能力和人的操作能力，操作复杂程度比其余项目强，因此导致心算能力的差异较大，这从Bell等的研究可得以验证。Bell发现，在安全暴露时间内，需要熟练操作和判断的复杂工作可能不会像简单工作那样有效，男子在耐高温工作能力方面的个体差异是显著的[17]。20岁组3次视觉保留能力分别为1.82±0.31、2.14±0.27和2.26±0.39，在热环境的NAI值(P2、P3)显著高于第一次(P1)，30、40岁组无显著性提高，视觉保留主要反映了记忆能力，操作简单，所以可能会产生一些差异，这也可能和热应激效应有一定关系。

3 结 论

通过环境模拟舱模拟高温进行真人实验，监测受试者的生理指标，记录受试者的主观评价，利用NES-C3神经行为能力评测系统测试受试者的行为能力。得出以下结论：

1) 青年人的耐热性好于中年人，在高温环境下，散热和恢复能力更好，使自身热平衡相比于中年男性保持在较低的水平。

2) 20、30岁组的代谢率、出汗量、皮肤湿度主观评价显著高于40岁组，疲劳程度也高于40岁组，疲劳感增加可能和水分和盐分的流失有关。

3) 除视觉保留项目外，30、40岁组在不同时间的各指标皆不具有显著性差异，证明了核心体温在38.5℃以内对人体的行为能力没有影响。