高原建筑富氧环境对短期进藏人员氧状态的改善效果研究*

宋 聪 曹瑞轩 刘艳峰 王登甲

(1.绿色建筑全国重点实验室,西安;2.西安建筑科技大学,西安)

0 引言

青藏高原平均海拔达4 000 m,大气含氧量仅为平原地区的60%。低压、低氧环境特征严重降低了外来人员的工作、生活质量和生命健康水平[1],成为高海拔边陲地区资源开发、社会经济发展面临的严峻挑战。高海拔地区的室内氧环境调节与热环境调节一样[2-3],是提升建筑健康宜居水平、改善和保障民生的重要方面,而探究富氧环境对外来进藏人员氧状态的改善效果是建筑舒适氧环境精准营造的关键。

当人体由较低海拔地区进入高海拔地区后,机体处于低水平、不稳定的氧合状态。头痛、呼吸加快、疲劳乏力等症状是人体缺氧状态的直接体现,是人体对氧环境进行调节干预以防止缺氧反应进一步加重、发生肺水肿等重型高原病的直接判断依据[4]。可见,症状对于反映人体健康水平具有重要作用。尽管目前急性高原反应评价标准[5]考虑了人体症状,但主要局限于头痛、头晕等部分症状。现有研究表明,低氧环境下人体会调动全身系统及器官参与应答,涉及神经系统、呼吸系统、消化系统等多个系统[6-7],同时,机体各类生理应激代偿均以相应的症状进行表征[8]。但现有研究大多从生理角度对人体缺氧程度进行判定,鲜少涉及人体在缺氧环境下的主观需求。

高原建筑增氧是一种从根本上解决人体缺氧问题的直接方式。以血氧饱和度、心率等生理参数作为监测指标可客观反映人体的生理氧状态。研究表明,在3 700 m海拔地区,将室内环境氧气体积分数提升至24%～25%时,血氧饱和度提升4.30%,平均心率降低20.8次/min[9]。在3 800 m海拔地区,氧气体积分数提高3%左右后,人员睡眠过程中的周期性呼吸次数、呼吸暂停次数等睡眠指标明显改善[10]。以脑力、体力相关测试指标观察富氧后人体认知能力和劳动效率的变化,模拟5 000 m海拔地区低氧环境并将氧气体积分数提高6%时,人体反应时间缩短,手眼协调能力等显著加强[11]。5 300 m海拔地区富氧体积分数为27%～28%时,体力作业指标PWC170提高140.18 kg·m/min[12]。可见,富氧环境对人体的改善效果可通过客观、合理的方法进行量化,以直观掌握富氧环境对人体的影响,但现有研究主要以单一富氧工况为例开展研究,尚未通过横向对比更为系统地反映不同氧环境对人体缺氧反应的改善能力。

综上可见,目前高原建筑室内氧环境对人体的影响研究还应关注以下两方面:

1) 人体多系统参与低氧应答,多种症状同时反映人员舒适性,高原室内氧环境评价应兼顾生理与主观评价。

2) 高原室内增氧可有效改善缺氧状态,基于可反映人体氧状态的关键生理参数指标和症状指标量化富氧环境对人体的影响效应有助于科学合理地指导建筑氧环境营造。

为了掌握高原富氧环境对人体缺氧状态的改善效果,本文通过高海拔地区实地实验研究,对比了不同氧环境下人体主观及客观氧状态差异,并以高原世居人员为对照,基于生理参数和症状氧感觉,以改善率指标量化了富氧环境对人体缺氧状态的改善效果。研究结果将有助于进一步阐明高原建筑富氧环境对外来进藏人员的影响规律,为适宜的建筑氧环境营造提供参考。

1 研究方法

1.1 受试者

研究共招募48名受试者,其中24名受试者在高原的居住时间短于1个月,另外24名为青藏高原世居居民,作为对照组。受试者均为健康青年,无高原疾病及其他慢性病史,无饮酒、吸烟习惯。受试者基本信息如表1所示。

表1 受试者基本信息

1.2 实验工况及测试仪器

实验于西藏自治区拉萨市开展,当地海拔为3 650 m,气压为65.23 kPa。本文研究通过搭建富氧小室,利用制氧机进行弥散富氧。依据GB/T 35414—2017《高原地区室内空间弥散供氧(氧调)要求》,对于进藏人员,建议室内弥散富氧体积分数范围上限大于25%[13],而根据室内防火安全要求,3 650 m海拔地区富氧体积分数上限为26.3%[14]。因此,实验氧体积分数工况设计为21%(无富氧)、23%(低富氧)和25%(高富氧)。同时,为规避温度、相对湿度、风速的影响,控制这些参数保持不变。各实验工况下的实际环境参数如表2所示。

表2 环境参数

实验过程中对受试者心率、血氧饱和度、血压进行了监测。所用环境参数测试仪器及生理参数监测仪器如表3所示。

表3 环境参数及生理参数监测仪器

1.3 问卷设计

本文研究在测试人体生理氧反应的基础上,类比人体热舒适的心理学分析方法[15],探究了受试者对氧环境的主观评价,评价指标包括氧感觉和氧偏好。氧感觉评价以受试者缺氧和过度富氧的症状表述,其中过度富氧症状是由于用氧过多而导致人体产生的一些类似于缺氧症状的不良反应,主要参考氧过多症中的表述进行评价[16]。基于高原医学相关研究结果[8],氧感觉评价的症状包括大脑状态、头部感觉、植物神经功能状态和感官状态4类。氧偏好评价表示受试者希望所处室内氧浓度的改变情况。氧偏好、氧感觉评价均采用7级标尺,如表4所示。

表4 氧偏好、氧感觉评价标尺

1.4 实验流程

研究采用随机单盲实验方式,为消除受试者因适应造成的实验工况之间的干扰,每位受试者参与的连续2个实验工况之间间隔3天。每次实验开始之前,受试者被告知禁止吸烟和食用咖啡等刺激神经和心血管系统的饮品,并通过调整着装,保持其处于热舒适状态。实验开始后,受试者在富氧室中静坐30 min以适应室内环境,之后每隔10 min填写1次主观问卷并完成生理参数测量,重复3次后结束,每个工况持续60 min。

1.5 数据分析

使用SPSS 24.0进行数据统计分析,检验数据是否符合正态分布。若符合正态分布,同类人员不同氧浓度间采用单因素方差分析,相同氧浓度不同类人员采用组间独立样本t检验。若不服从正态分布则分别使用Friedman方差分析和Mann-WhitneyU检验。当P<0.05时,认为具有统计学意义。

2 不同富氧浓度下进藏人员与高原世居人员氧反应差异

2.1 不同富氧浓度下主观评价差异

依据受试者大脑状态、头部感觉、植物神经功能状态和感官状态对其氧感觉进行评价。大脑状态包括打哈欠、嗜睡等抑制症状和思维活跃等大脑兴奋症状;头部感觉包括头晕、头痛;植物神经功能状态包括循环障碍引起的恶心、心跳加快、出冷汗等;感官状态指眼睛、四肢等感觉器官的不适症状。不同氧环境下的症状投票结果如图1所示。随着氧浓度的提高,进藏人员缺氧不适症状比例呈现下降趋势,对应每个等级症状,可发现症状表征逐渐减轻,同时平均氧感觉逐渐增大,趋近于中性水平,感官状态高富氧时平均氧感觉为-0.07,最接近中性感觉;对于世居人员,富氧在改善缺氧不适的同时,造成更大比例的过度富氧不适,低富氧和高富氧时,富氧不适比例均高于缺氧不适比例。

图1 不同氧环境下的症状投票结果

通过氧偏好投票获取受试者改变当下室内环境氧浓度的意愿,结果如图2所示。无富氧工况下,77%的进藏人员希望提高室内氧浓度,高于世居人员。低富氧工况下,希望提高的比例稍有下降,高富氧工况下继续下降。世居人员在低富氧工况下有较高比例的人希望降低氧浓度。

图2 不同氧环境下的氧偏好投票结果

2.2 不同富氧浓度下客观生理反应差异

低氧环境刺激心脏血液输出量及血流外周阻力发生变化,心脏血液输出量增多及血流外周阻力增大均会引起平均动脉压增大,因此平均动脉压是一项良好的监测指标[7,17]。图3显示了不同氧环境下平均动脉压的变化情况。氧浓度越大,平均动脉压越小,其中进藏人员最低平均动脉压为10.91 kPa。同一富氧浓度下进藏人员平均动脉压始终高于世居人员。

图3 不同氧环境下平均动脉压变化

心率可反映低氧环境下人体循环系统的变化[7]。图4显示了不同富氧浓度下心率的变化情况。无富氧时进藏人员心率最高,为93.4次/min,氧气浓度提高使得心率下降,高富氧时降低为82.7次/min。高原世居者心率始终低于进藏人员,最高为74.6次/min。

图4 不同氧环境下心率变化

通过血氧饱和度可得到血液中血红蛋白与氧分子的结合能力,反映了人体低氧环境下的生理适应改变[18]。图5显示了室内不同富氧浓度下血氧饱和度的变化情况。无富氧工况下,相对世居人员血氧饱和度,进藏人员血氧饱和度分布更为离散,分布在75%～95%范围内,个体差异性显著。在富氧环境下,该参数离散程度明显减小,个体差异性被削弱,进藏人员血氧饱和度主要集中在90%左右,低于世居人员的92%。与低富氧工况相比,高富氧工况下进藏人员血氧饱和度均值更接近世居人员,但分布较为离散。

图5 不同氧环境下血氧饱和度变化

3 富氧环境对人体氧状态的改善效果

3.1 富氧环境对人体主观氧状态的改善效果

本文研究中,将富氧环境对人体主观氧状态的影响以氧感觉改善率的形式进行量化。不同氧环境下的氧感觉、氧偏好结果表明,无论进藏人员还是世居人员,氧中性水平为心理期待的最佳水平,当氧感觉偏离中性时,受试者总希望通过提高或降低氧浓度使得氧感觉趋近于中性。因此,以氧感觉偏离中性的程度量化主观改善率,反映了环境氧浓度对人体向最佳状态改进的改善作用。计算方法见式(1)。

(1)

式中Iz为主观改善率;ΔO为对应氧环境下氧感觉值与氧中性值之差;下标f表示富氧,w表示无富氧。

根据式(1)可得到平均氧感觉与氧感觉改善率的关系,结果如图6所示。由图6可知:当-|Ow|≤Of<0(其中Ow为无富氧工况下的平均氧感觉,Of为富氧工况下的平均氧感觉)时,缺氧症状得到改善,富氧浓度越高,氧感觉越接近中性水平,改善率越大;当0≤Of<|Ow|时,出现过度富氧症状,富氧浓度越高,氧感觉偏离中性水平的程度越大,因此改善率降低;当Of≥|Ow|时,富氧导致的不适症状较无富氧工况下的缺氧症状更为严重,继续富氧会加重不适感并增大氧感觉偏离中性水平的程度,起负改善的作用,此时定义为氧感觉负改善率。富氧浓度提高,氧感觉值增大,负改善率增大。

图6 平均氧感觉与氧感觉改善率的关系

进藏人员及高原世居人员不同富氧环境下的氧感觉改善率如图7所示。低富氧工况下,进藏人员大脑状态、头部感觉、植物神经功能状态、感官状态的氧感觉改善率分别为28.57%、20.46%、42.86%、44.44%,高富氧工况下改善率提高,分别为56.04%、64.29%、59.18%和84.13%。对于世居人员,富氧环境较易引起过度富氧症状进而降低改善率,甚至增大负改善率。高富氧工况下世居人员大脑状态、感官状态负改善率分别为152.94%、26.47%,表明24.97%的富氧体积分数使得世居人员产生较无富氧工况下更为严重的不适症状。可见,高富氧环境对进藏人员氧状态的改善更为有利。

图7 富氧环境对人体主观氧状态的改善率

3.2 富氧环境对人体客观氧状态的改善效果

基于平均动脉压、心率和血氧饱和度关键生理参数量化富氧环境对人体的客观影响效应。高原低氧使血氧饱和度降低,引起交感神经兴奋,从而影响心血管系统功能,导致心率增快、血压上升[19]。可见,对比平原不缺氧状态,高原血氧饱和度更低,平均动脉压和心率更高。本文研究中,随着氧浓度的升高,血氧饱和度稳定上升,平均动脉压和心率降低,逐渐趋近于平原不缺氧水平,高富氧工况时达到最佳水平。因此,以无富氧工况为基准,量化客观氧状态改善率,反映了富氧对偏离缺氧状态向不缺氧状态改进的改善作用。计算方法见式(2)。

(2)

式中Ik为客观改善率;P为对应氧环境下的血氧饱和度、心率和平均动脉压;下标f表示富氧,w表示无富氧。

客观氧状态改善效果如图8所示。低富氧工况下,进藏人员的平均动脉压、心率、血氧饱和度改善率分别为4.04%、0.87%、0.79%。富氧浓度越高,改善效果越明显,相对低富氧工况,高富氧工况下平均动脉压、心率、血氧饱和度改善率分别提高2.90%、10.59%、0.83%。对于高原世居人员,低富氧、高富氧之间改善率变化量在0.06%～2.11%范围内,小于进藏人员改善率变化量。高富氧对进藏人员的改善效果明显优于高原世居人员。

图8 富氧环境对人体客观氧状态的改善率

进藏人员与世居人员在相同富氧环境下产生不同的改善效果源于生理调节差异。高原世居人员的生理优势较进藏人员更加明显,因其更加完善的氧气传送系统、心肺储备和摄氧能力,世居人员对氧的利用更加充分有效[20]。低富氧时,高原世居人员对环境中氧气的利用率大概率达到了高富氧水平,因此继续提高氧浓度,改善率变化并不明显,甚至主观改善率因过度富氧而出现降低的趋势。而进藏人员对氧气的利用能力差,低富氧时对氧的利用率仍然有限,环境氧浓度提高后,氧利用率提高,进而主观及客观氧状态得到明显改善。因此,高富氧对进藏人员的改善效果优于高原世居人员。

4 兼顾客观生理指标与主观评价的高原室内富氧环境氧浓度上限思考

本文研究兼顾客观生理指标和人体症状学评价,通过观察不同富氧浓度下平均氧感觉变化确定了中性氧感觉对应的富氧体积分数,结果如图9所示。当大脑状态、头部感觉、植物神经功能状态、感官状态为中性状态时,对应的富氧体积分数分别为28.20%、27.60%、27.42%、25.75%。GB/T 35414—2017《高原地区室内空间弥散供氧(氧调)要求》[13]推荐了基于生理学需求的高原富氧体积分数,海拔3 500 m地区,最高富氧体积分数推荐在24.70%以上,海拔4 000 m地区,最高富氧体积分数推荐在25.00%以上,由此可确定本文研究地区的最高富氧体积分数下限在24.70%～25.00%范围内。本文研究高富氧工况下的氧气体积分数为24.97%,与推荐富氧体积分数接近,但结果表明该体积分数可显著改善进藏人员生理氧状态,而主观氧需求难以满足,人体氧感觉普遍低于中性水平。可见,仅考虑生理学要求的富氧环境难以使人体改善效果达到最佳,需同时考虑主观感受,可在满足生理要求的基础上适当提高富氧体积分数上限。但本文研究海拔对应的高度富氧防火安全氧气体积分数上限为26.3%,这对于营造满足人体心理及生理需求的建筑物理安全设计提出了挑战。高原建筑防火安全需求是改善人体氧状态的客观约束条件之一。

图9 中性氧感觉对应的富氧体积分数

综上可知,在高原建筑氧环境调节中,为了满足高海拔地区人体在舒适层面的氧环境需求,不仅要监测人体生理状态,还应关注人体症状指标,从而消除人体对缺氧环境的不舒适体验、降低不满意水平。本文研究明确了基于人体关键生理指标及症状指标判定的建筑室内氧环境需求,可为基于个体差异和人员个性化需求的建筑氧环境设计参数提供指导。

5 结论

本文通过高原室内环境弥散富氧实验研究,探讨了不同富氧环境对短期进藏人员缺氧状态的改善效果,得到以下结论:

1) 血氧饱和度、心率、平均动脉压可作为反映高原富氧环境下人体缺氧状态的客观生理指标。环境氧浓度与进藏人员、世居人员的平均动脉压和心率呈负相关,与血氧饱和度呈正相关,且提高氧浓度可弱化血氧饱和度个体间的差异。

2) 较高富氧浓度对进藏人员客观缺氧状态具有较好改善效果。当环境氧气体积分数为24.97%时,进藏人员平均动脉压、心率、血氧饱和度改善率分别为6.94%、11.46%和1.62%,改善率显著高于世居人员。

3) 在高海拔地区,人体氧不适症状是反映其氧状态的重要指标,各类症状对氧环境的舒适需求并不同步。氧气体积分数为24.97%时,进藏人员大脑状态、头部感觉、植物神经功能状态和感官状态四类症状的氧感觉最接近中性水平,氧感觉改善率在56.04%～84.13%之间。

4) 同一环境氧浓度下,进藏人员期望提高室内氧浓度的意愿较世居人员更强烈。无富氧工况下,77%的进藏人员期望提高氧浓度,较世居人员高40%;当富氧体积分数达到24.97%时,仍有28%的进藏人员期望继续提高,而世居人员仅占6%。