基于体表温度的着封闭服装青年群体行走时核心体温研究

张学智，黄强，皇甫喜乐，郑晓慧，周前祥

(1.防化研究院，北京 100083;2.北京航空航天大学 生物与医学工程学院，北京 100191;3.北京航空航天大学 生物医学工程高精尖创新中心，北京 100191)

1 引言

由于诸如消防灭火、核生化处理等作业环境的严酷性，穿着封闭服装进行工作的人员越来越多，因此，必须关注他们作业时的生命安全问题，以避免人员伤亡，提高执行任务的效率，因为在穿着封闭服装工作时，很容易诱发超工作负荷等导致人身体效能下降和反应趋缓等影响人的工作能力和生命安全的因素，若防护不当，将会导致作业人员出现生命危险的现象发生。据统计，在1980年到2008年全国发生的161起消防官兵伤亡事故案例中就有801人伤亡、225人牺牲、576人受伤的惨剧，主要原因之一就是因为他们高强度、超负荷的工作造成的[1]。此外，在平时的训练中也有可能会由于超负荷的训练强度，导致晕倒，呼吸困难，心脏出现不适等现象的发生[2]。同样地，对于船舶制造业穿着封闭服装的工作人员，他们会受到夏季高温环境、工作高温环境以及工作服带来的影响，亦会让人体产生强烈的热刺激，严重情况下会造成作业人员晕厥，甚至危害生命[3]；特别地，对于防化士兵，他们工作时候必须得穿着密闭的防护服，背着20kg的压缩空气罐，加之在执行任务过程中会涉及到有毒有害的气体，经常出现超负荷状态，进而影响人的作业效能和生命安全，所以，对着密闭服装的操作人员进行生命体征和工作能力监测，具有十分重要的应用价值。

基于文献分析，在监测的技术途径方面，通常认为体温、血氧饱和度、心率、血压和呼吸率是衡量人体生命体征或能力最基本的生理参数指标[4]，获取上述指标参数值就可以判定穿着密闭服装的操作者是否处于正常生命状态。人的体核温度是指人体胃、大肠等部位的温度值，通常通过测量人的直肠温度来衡量，它作为一个重要监测指标，与人的体能状态及生命安全密切相关。由于体核温度很少受外界环境的干扰[5]，随着作业人员从正常至疲劳，甚至出现生命危情时，其一般稳定或者增加的幅度不大，所以，针对行走运动等作业任务，可以通过研究运动过程中体核温度的变化就能准确地反映人的工作能力变化特征或是否处于生命安全状态[6]。当前，人体核心温度监测方法[7]有核磁测温、直肠测温、耳蜗测温、食道测温、肺动脉测温等等[4,8]。这些测温方法虽然能较准确地测出核心温度，但是存在测量不方便、需要侵入人体内部、无法测量人体动态温度等缺点。为了能实时测量并记录核心温度的数值，本论文选用最新的Cor-Temp核心体温监测系统[9]，设定典型的在跑步机上相类似的运动任务，让志愿者穿着封闭式防护服，并吞咽下形似小胶囊的温度传感器以及利用常规的温度计塞入肛门进行两者数据的对比，来得到人体肛温和胃/肠处的核心温度[10-13]，所以人体肛门内附近的直肠温度和胃/肠处的温度均认为人的体核温度。此外，为了让基于温度的人体安全与工作能力监测可靠、方便易行，有人通过利用体表温度来推测出核心温度的方式来进行，例如李颖[14]在高温高湿的环境中使用平均皮肤温度(Tsk)估计体核温度(Tre)，通过实验数据得出估计方程为Tre=0.4575Tsk+20.67(R2=0.9081)。因此，为了进行着封闭服装操作者作业时生命体征和准确监测，本文还研究在舒适(温度23℃、湿度45%)和高温高湿(温度35℃、湿度60%)条件下其生命体征的安全阈值、耐受阈值以及体表温度与体核温度的相关性，以期为着封闭/密闭服装的作业人员的作业安全和工作能力监测提供参考依据。

2 对象与方法

2.1 对象

本试验选取了16名某部士兵作为志愿者，年龄19-25岁，身高175.4±2.9cm，体重68.5±8.1kg，身体健康，无高血压、心脏病史，无热疾病史；参与试验的时间段内未感冒、发烧或其他不适症状，未服用任何药物；右利手，裸眼视力或矫正视力在1.0以上；所有被试均未参加过类似实验，实验前保证充足睡眠；实验前禁止饮酒、喝茶或咖啡等刺激性食物；志愿者在试验前需熟知试验目的与试验流程，按照试验要求，做好准备工作。所有志愿者均自愿参加试验，并填写知情同意书。

2.2 试验设备

试验中所用到的主要试验设备和材料如表1和图1所示。

表1 主要实验设备参数及用途

图1 部分实验设备图

2.3 试验环境

志愿者穿着封闭的防护服，根据设定步入式环境模拟试验舱内的舒适和高温高湿环境，因此，每名志愿者需要完成2次试验，具体如表2所示。

表2 试验环境条件表

2.4 志愿者体温测试

根据ISO 9886-2004[15]，本试验测量人体表面皮肤温度时选择4点法，如图2所示，为颈部、肩部、手部、腿部等4个位置。在志愿者布好体表温度的测点，穿着防护服后的试验场景如图3所示。对于肛温和体表温度测试，在试验中每隔5分钟记录各个部位的温度值。

对于Cor-temp胶囊传感器，按照要求，让志愿者在实验前两个小时口服，实验的开始时应该已进入到了胃/直肠部位，可以获得较准确的人体核心温度。

图2 体表温度测点位置

图3 志愿者穿着防护服后测量场景

2.5 试验步骤

为了保证志愿者的人身安全，本试验由5名受训专职试验研究人员进行测试并全过程陪护，试验室配备热诱导疾病急救药物及制氧机，试验流程图如图4所示。

图4 试验步骤

3 结果

3.1 体核温度与体表皮肤温度相关性分析

如前所述，对每名志愿者而言，使用皮肤温度传感器测量表面皮肤四个点的温度，根据ISO 9886-2004标准，各人的体表温度的计算公式如下所示。表3、表4分别某两名志愿者的温度测试结果。

T平均=T颈部×0.28+T肩部×0.28+T手部×0.16+T腿部×0.28

(1)

表3 环境条件1下某志愿者的体表温度测试结果(温度23℃，温度45%，着防护服)

表4 环境条件2某志愿者的温度测试结果(35℃，60%防护服)

使用SPSS对表面皮肤温度的平均温度和核心温度作曲线回归，发现在状态1(23℃，45%防护服)和状态2(35℃，60%防护服)的表面皮肤温度的平均温度和核心温度之间存在很强的相关性，经检验，显著性小于0.01，具有显著性差异，VIF=0，不存在共线性的情况下，环境条件1的三次曲线的R2=0.944，环境条件2的二次曲线的R2=0.971，以平均皮肤温度为自变量X，核心温度为因变量Y，得出它们的关系曲线为：

环境条件1(23℃，45%防护服)：

Y=0.03X3-10.13X+271.601

环境条件2(35℃，60%防护服)：

式中，Y—体核温度；

X—体表温度综合值(式1计算结果)。

3.2 体核温度与各部位温度拟合

使用SPSS对体核温度和颈部温度、肩部温度、左手温度以及腿部温度四点温度进行拟合，环境条件1和环境条件2的拟合的结果表5所示。

表5 两种体核温度与各部位温度拟合

从上表可以得出，在环境条件1和环境条件2中体核温度与左手温度的拟合程度是最高的，在显著性差异值为0.000有显著性差异。同时，拟合后调整的R2的值分别为0.923和0.95，可以根据左手温度来推测核心温度的值，方便测量，可以用一个点的温度对核心温度进行推测。

3.3 与生命安全性相关的体核温度阈值

在试验过程中通过观察志愿者在跑步机行走过程中的行为反应、实验医生与其交流身体情况等方式，通过统计分析发现，当体核温度在38.5℃以下时，志愿者的体能处于中等偏上的状态。而当体核温度到达39.7℃时，所有志愿者均反应到了体能的用尽状态，且出现轻微的身体不适感。当达到人体的生理极限的时，心率的值还没有达到最大值，但是核心温度已较开始时上升了2℃，说明防护服对于呼吸以及热的影响很大，穿着防护服戴着口罩，会对人体的热舒适感觉产生很大的影响。

4 讨论

根据国际标准ISO 9886-2004(Ergonomic-Evaluation of thermal strain by physiological measurements)的要求，可以认为将直肠温度等同于体核温度，并给出了在热环境中直肠温度的安全阈值：一般情况下体核温度可以达到38.5℃，对于热适应人群这一限值还可以上升到39℃，在中国医学百科全书中对体核温度的安全阈值的规定是生理安全上限为38.5℃，耐受极限为39.4℃。本次实验的结果比39.4℃高，为39.7℃，可能是由于穿着封闭的服装人体的热生理上升得很快所致。

通过对核心温度与平均皮肤温度进行拟合，发现在两种环境条件下(条件1(23℃，45%防护服)和条件2(35℃，60%防护服))，人体的核心温度与其平均皮肤温度有极强的相关性，主要是因为状态1，志愿者穿着防护服，在封闭的状态下，热量蒸发不出去，体表皮肤温度受汗液蒸发的影响很小；在状态2的时候，志愿者穿着防护服，人体的表面皮肤温度与环境的温度梯度小，且湿度增大也会阻止汗液的蒸发[16]，核心温度是一个相对稳定的生理指标，很少会出现大幅度的变化，因此相关性很高。

Alexander P.Welles等[17]人是通过测量热通量，体表皮肤温度，心率的值，输入卡尔曼滤波模型(KF)推导出体核温度，得出的结论与实际测量的体核温度相似，而KF模型需要大量的数据进行建模，提高模型的准确性；Alexander C.Stahn等[18]人使用的是皮肤表面温度传感器与热流传感器相结合，作用于额头测量体核温度，已经在空间模拟和临床环境中进行了测试，一致性较好，但是不适用于戴面罩时的测量；Stefan Mendt等[19]人比较直肠、皮肤和热流量的方式使用了三种方式测量体核温度，分别是双传感器、皮肤表面温度和直肠，最后得出的结论是双传感器的测量方法优于皮肤温度的方法，是由于测量穿着是非封闭式的服装，表面皮肤温度受风寒、环境温度以及出汗的影响相对较大。在本文里面研究的是封闭式的服装下的体核温度的测量方法，因此，在穿着防护服表面皮肤温度对体核温度的进行测量的准确性很高，是一种方便、准确的办法。

5 结论

通过模拟不同的状态，选取16名志愿者，进行实验，对体核温度和表面皮肤温度进行测量与分析，最后得出：

(1) 环境条件1(温度23℃，湿度45%，着防护服)和环境条件2(温度35℃，湿度60%，着防护服)的情况下，体核温度与平均皮肤温度的相关性很强，得出三次曲线拟合关系，可以根据对应状态的回归曲线方程对体核温度进行测量，在工程应用时，可据此根据体表温度对体核温度进行预测，评估人的体能状态。

(2) 针对长时行走等典型任务，志愿者体核温度的安全阈值为38.5℃，耐受极限为39.7℃，比标准稍大，可进一步进行研究，为标准的修订奠定基础。