摘 要： 为明确不同极端低温环境与防护装备下，日间清醒和夜间睡眠状态下各部位皮肤温度变化特征，在-16℃～-30℃极端低温环境下，采用皮温测量系统对实验对象5个代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和脚趾)皮肤温度进行测试。结果表明：日间测试胸部温度相对最高，大腿和小腿在实验中后期出现温度反转。夜间除脚趾外，各部位皮肤温度变化差异较小，大腿温度相对最高，小腿温度与其他部位分离。研究结果可为低温环境下防护服研发与保暖效果评价提供参考。
关键词: 极端低温环境,皮肤温度,脚趾温度,防护装备，
Abstract： In order to clarify the change characteristics of skin temperature at various parts in the daytime awake and night sleep states under different extreme low-temperature environments and protective equipments, the skin temperature measurement system was used to measure the skin temperatures of five representative parts of experimental subjects, including the chest, arm, thigh, calf and toe, under the extreme low-temperature environment from-16 ℃ to-30 ℃.The results showed that in the daytime tests, the chest temperature was relatively the highest, and the thigh and calf temperatures reversed in the middle and late stages of the experiment.In the night tests, the skin temperatures change of various areas had little difference except the toe, the thigh temperature was relatively the highest, and the calf temperature was separated from other parts.The research results provide reference for the research and development of protective clothing and the evaluation of thermal insulation effect in low-temperature environment.
Keyword： extreme low-temperature environment; skin temperature; toe temperature; protective equipment;
0、 引言
近年来，我国寒潮极端天气频发，低温冷冻、雪灾及风雹时有发生[1,2],极端低温环境给人体健康与安全带来巨大威胁。高山高原、水下、现代化工厂低温车间工作人员以及野外救援人员，需要在严寒环境下进行作业活动，面临严峻冻伤风险。生理状况不佳导致机体各系统功能处于较低水平，极端低温环境下，虽然核心温度基本不会变化，但可造成皮肤损伤与疼痛。
皮肤温度一般介于核心温度与环境温度之间。皮肤是人体主要感知器官，参与温度调节过程，反映体内至体表热转移状况，是计算人体能量代谢、分析人体与环境间热交换重要参数，也是评价人体局部冻伤程度重要指标。皮肤温度作为舒适评价模型输入变量，可为人体冷舒适生理模型建立提供有效数据。
学者针对常温与高温环境下风速、湿度及特殊空间对皮肤温度影响展开研究[3,4,5,6,7,8,9];文献[10,11]研究冷却屏蔽服、相变降温作训服在高温条件下对人体皮肤温度影响；任可等[12]分析低温环境下，应急救援人员手部和脸部皮肤温度变化规律；贺艳等[13]评估手指不同部位在低温环境中温度变化。针对低温环境下皮肤温度变化规律研究主要集中于局部部位，对野外极端低温环境下人体局部皮肤温度研究较少。
本文在-16.0 ℃～-30 ℃野外极端低温且无风环境下，区分日间清醒与夜间睡眠状态，同时考虑防护装备保暖性，通过皮温测量系统对实验对象5个代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和脚趾)皮肤温度进行测试，探究野外极端低温环境下人体代表性部位皮肤温度变化规律。研究结果可为兼顾保暖性与轻便性防寒装备研发提供指导。
1、 实验
1.1、 实验对象
实验选取12名健康男性，年龄介于18～23岁，身高(173.6±4.2) cm, 体重(55.3±3.6) kg, 心肺功能正常，在寒区连续生活1 a以上，具有一定寒冷习服性。整个测试周期内，实验对象正常饮食，不摄入酒精、咖啡，不抽烟，未服用药物。
1.2 、测试部位
选取人体5个代表性部位(胸部、手臂、大腿、小腿和脚趾),测量皮肤温度，并根据各部位面积占比计算皮肤平均温度Tsk,如式(1)所示：
式中：Tsk表示皮肤平均温度，℃;T胸部、T手臂、T大腿、T小腿分别表示胸部、手臂、大腿及小腿皮肤温度，℃。脚趾温度不计入皮肤平均温度计算。皮肤温度测量位置如图1所示。
图1 皮肤温度测量位置
Fig.1 Measurement positions of skin temperature
1.3、 实验皮温测量系统
使用多人无线皮温测量系统测量皮肤温度，精度达到±0.1 ℃。通过导热胶贴将贴片固定于每位实验对象待测部位，测量皮肤温度。测试过程中，每位实验对象均使用同一套皮温测量系统。环境温度通过温度传感器测量，均匀放置于帐篷内不同角落，测量精度±0.1 ℃。
1.4、 实验环境
实验地点位于中国内蒙古满洲里地区，实验时间为2019年12月，连续3 d固定时间段测量温度，即日间14∶30-16∶30的120 min, 夜间22∶39-01∶39的180 min。实验期间帐篷内环境温度为-16.0 ℃～-30 ℃。
为区别日间清醒状态与夜间睡眠状态下人体5个代表性部位皮肤温度差异，日间实验在无风帐篷内静坐状态下完成，实验统一衣着保暖量为6.5 clo的配套服装；夜间实验在无风帐篷睡袋中静卧状态下完成，实验过程统一配套保暖装备，包括单人帐篷、充气睡垫、保暖睡袋，睡袋保暖量为3～9 clo。
1.5、 实验终止条件
根据经验，当出现下列情况之一时终止实验：
1)皮肤平均温度低于31.5 ℃或脚趾温度低于15 ℃。
2)实验对象主观感觉寒冷，难以坚持。
1.6、 数据分析方法
通过SPSS 23独立样本T检验分析夜间实验最后20 min是否达到稳态，通过非参数检验分析不同部位同一时刻温度显着性，及同一部位不同时刻温度显着性，置信水平为95%。
2、 实验结果
2.1、 日间实验
12名实验对象在无风帐篷内静坐，帐篷内环境温度分别为(-21.2±0.8) ℃、(-17.3±0.8) ℃、(-20.6±0.4) ℃。日间实验期5个代表性部位皮肤温度和皮肤平均温度Tsk(不含脚趾温度)变化如图2所示。
图2 日间实验5个代表性部位皮肤温度及皮肤平均温度变化
Fig.2 Changes in skin temperatures and average skin temperatures at 5 representative parts in daytime experiments
由图2可知，日间测试后期，脚趾皮肤温度相对最低，温度变化幅度较大，3 d平均降低14.7 ℃;实验初期，胸部、手臂温度3 d平均值分别为34.0 ℃,34.2 ℃;实验开始10 min内，胸部温度大于手臂温度，并一直高于手臂温度，2者温度均高于皮肤平均温度；3 d皮肤平均温度范围为31.7 ℃～33.8 ℃。当实验结束时，胸部温度相对最高。
实验过程中，大腿与小腿温度接近。实验开始时，大腿和小腿温度3 d均值分别为33.6 ℃,33.2 ℃,大腿温度略高于小腿，但大腿温度进入低温环境后下降速度较快，实验前半段低于小腿温度，后半段高于小腿温度，小腿温度均匀下降。
当实验进行120 min时，各部位皮肤温度为胸部温度>手臂温度>大腿温度>小腿温度>脚趾温度；下降幅度脚趾>小腿>大腿>手臂>胸部，从上部至下部皮肤温度下降幅度逐渐增大。
通过独立样本T检验或非参数检验发现，实验开始时除胸部与手臂、胸部与大腿、大腿与小腿外，其他两两部位间存在显着差异(P<0.05);实验结束时，任意两两部位间均有显着差异(P<0.05)。同一部位在实验初始和结束时刻除胸部外均有显着差异(P<0.05),说明低温暴露对除胸部外以4个部位皮肤温度产生显着影响。
2.2、 夜间实验
12名实验对象在无风帐篷内睡袋中静卧，夜间帐篷内环境温度分别为(-23.3±0.9) ℃,(-23.2±1.0) ℃,(-25.4±0.5) ℃。5个代表性部位皮肤温度和皮肤平均温度Tsk变化如图3所示。
图3 夜间实验5个代表性部位皮肤温度及皮肤平均温度变化
Fig.3 Changes in skin temperatures and average skin temperatures at 5 representative parts in night experiments
由图3可知，夜间实验胸部、手臂、大腿和小腿皮肤温度均呈快速上升-缓慢下降-基本趋于稳定的变化趋势。脚趾温度呈无规律波浪式变化，3 d平均变化幅度小于6.1 ℃;夜间小腿温度与其他部位分离，且明显低于胸部、手臂和大腿温度，说明夜间静卧期间，小腿和脚趾对低温环境较为敏感。夜间皮肤平均温度范围为33.3 ℃～35.1 ℃,大于日间皮肤平均温度。
夜间实验开始时，胸部温度相对最高，随时间增长，大腿温度高于胸部且一直大于胸部温度，仅在第1 d后期，出现短暂温度反转，可认为夜间大腿温度相对最高。
夜间实验后期，除脚趾外各部位温度变化幅度非常小。通过独立样本T检验，当实验进行第160,180 min时，除脚趾外各部位温度无显着差异(P>0.05),认为除脚趾外各部位温度趋于稳定。调定点理论认为在体温调节中枢内有1个调定点，体温调节机制围绕调定点调控体温。本文以夜间最后20 min温度均值作为各部位调定点温度，与高温下各部位皮肤层调定点温度进行对比，见表1。
表1 夜间各部位皮肤调定点温度
由表1可知，除手臂外，胸部、大腿和小腿温度与高温下皮肤层调定点温度均有显着差异(P<0.05),表明高、低温环境下皮肤层调定点温度除手臂外有明显不同，低温调定点温度偏高，尤其体现在胸部和大腿温度。
通过独立样本T检验或非参数检验发现，实验开始时除胸部与大腿外其他两两部位间均有显着差异(P<0.05),实验结束时刻除小腿与脚趾、手臂与大腿外其他两两部位间均有显着差异(P<0.05)。夜间同一部位在初始和结束时刻，除脚趾外均有显着差异(P<0.05)。
3 、实验结果分析与讨论
裸露在低温环境中的面部皮肤、黏膜上的冷觉感受器受冷空气刺激，引起体温神经-体液调节，体液调节通过分泌甲状腺激素提高机体细胞氧化速率，增加机体基础代谢率。神经调节通过体温调节中枢下丘脑发挥分级调控作用，使肾上腺素水平增加，骨骼肌战栗，立毛肌和毛细血管收缩。此外，人体内白色和棕色脂肪组织含量及转化率也会影响产热能力[14]。
3.1、 日间实验结果分析
1)进入低温环境后，人体迅速调动主动调控机制，积极产热，因此实验初期皮肤温度出现短暂上升。静止条件下，肝脏是主要产热器官，位于胸部和手臂附近，因此胸部温度变化幅度相对较小，手臂次之。
2)当人体在低温下静坐时，血管收缩，血液循环速率减慢，传递到四肢热量减少，随实验时间增长，皮肤温度下降。离心脏越远，温度下降越明显。脚趾由于距离心脏最远，血液供氧能力差，且缺乏较厚脂肪层保暖，温度下降尤为明显，可根据低温下脚趾温度变化规律调整工作时长，为最佳工作时长和排班策略提供数据支持。
3)大腿表面积(散热)较大和骨骼肌重量较大(产热),实验前期大腿温度下降较快，后期下降缓慢。小腿表面积较小和骨骼肌重量较轻，温度均匀下降。
4)根据日间实验结果可知，实验对象上半身保暖量足够抵御较长时间低温，下半身服装和靴子保暖量不足。建议改进服装材料，选择不透风的最外层，加厚保暖层。尤其是脚趾部位，鞋子应全方位防风，并加厚袜层，也可通过适当运动或饮用热水等方式增加热量。
3.2、夜间实验结果分析
1)夜间由于环境温度进一步降低，人体对寒冷刺激做出的生理调控反应较为激烈，实验初期各部位皮肤升温明显。由于负反馈调节，机体适应冷刺激后，体温调节机制减弱，因此实验初期各部位皮肤温度升温较快，而后缓慢下降并逐渐趋于稳定。
2)随实验进行，皮肤温度缓慢下降，这是由于睡眠时人体抗寒能力减弱，身体保护机制会把大部分血液回流至心脏、大脑等重要器官，维持正常核心体温，使肢体末梢温度下降。在睡袋中睡眠，虽然有充气睡垫阻隔，地面寒气仍会通过传导到达人体。体温调节学说认为，夜晚褪黑素分泌高于白天，褪黑素能够促进睡眠，降低体温，有可能造成皮肤温度降低[15]。
3)大腿位于身体中部，由于睡袋密闭性良好，大腿受外界环境影响较小，相对小腿和脚趾部位更接近心脏，能够相对快速地得到氧化热量，且大腿脂肪层较厚，有较好保暖作用，因此夜间大腿温度相对最高。夜间整体保暖量相对日间更加充足，实验后期各部位皮肤温度变化幅度均小于日间实验。
4)夜间由于灯光辐射、睡姿改变等皮肤温度会瞬时变化。虽然处于无风帐篷内，但睡姿改变导致睡袋附近空气流动，冷空气通过睡袋上部呼吸口侵入，造成胸部或手臂温度骤降。通过采取在睡眠前抖动睡袋，增加睡袋中空气含量的方式增强保暖性，并将脱下的服装覆盖在脚趾位置，可进一步减小低温环境对脚趾的影响。
4、 结论
1)日间静坐实验中，各部位皮肤温度下降幅度从上部至下部逐渐增大；实验结束时，各部位皮肤温度大小为胸部>手臂>大腿>小腿>脚趾，距离心脏越远，散热越严重。大腿和小腿在实验中后期出现温度反转。
2)夜间静卧实验中，胸部、手臂、大腿和小腿温度均呈快速上升-缓慢下降-趋于稳定的变化趋势。实验结束时，各部位皮肤温度为大腿>胸部>手臂>小腿>脚趾，夜间大腿皮肤温度相对最高。
3)无论日间还是夜间实验，脚趾皮肤温度均相对最低。日间实验至120 min时，脚趾皮肤温度平均降低14.7 ℃;夜间实验至180 min时，脚趾皮肤温度平均变化幅度小于6.1 ℃,需要进行重点保暖。夜间由于受外界环境影响小，皮肤平均温度高于日间，变化幅度小于日间。
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