短时热辐射对人体生理与认知能力的影响研究

　　摘要：高温热辐射是冶金、陶瓷、机械热加工等行业常见的职业危害，其对人体认知能力的影响规律，以及认知能力变化所伴随的生理心理机制尚不明确。本文以在校大学生为试验对象，搭建了局部高温热辐射试验平台，测试了五种热辐射工况(100、150、200、250、300℃)下，人体生理、心理及认知能力的变化规律，分析了认知能力变化所伴随的生理心理现象，探讨了高温热辐射引起人体认知能力变化的生理心理机制。研究发现：短时高温热辐射暴露下，人体生理、心理不适随辐射温度的升高而加剧;认知测试速度随辐射温度的升高而升高;认知测试正确率先升高而后降低，拐点为200℃~250℃。

　　关键词：安全人体学;高温热辐射;热舒适;生理影响;认知能力;主观影响

　　引言高温热辐射作业环境广泛存在于冶金、陶瓷、机械热加工等行业[1-3]。随着科学技术的发展与现代工业的进步，高温作业车间认知型作业不断增加，其需要工人在工作中具备高度注意力、记忆力和分析决策能力，因此研究高温热辐射环境对现代工人认知能力的影响是很有必要的。2001年，邢娟娟[4]最早对煤矿井下高温作业的矿工进行了生理方面的测定研究;高温环境对人的认知能力的试验研究较少，2020年，ChenY等[5]首次进行试验研究了高强度活动下环境温度升高对人的认知能力的影响。现有的高温热环境研究主要关注热环境对人的生理心理影响。

　　张超等人试验发现[6]，在同等劳动负荷下,人员心血管负荷和主观疲劳程度与环境温度存在正相关性;Zheng等[7,8]通过对室内高温下的人体生理状况进行试验发现温度变化时体温变化明显;Macpherson[9]发现，空气温度、湿度等对人体热舒适有重要影响;Mochida等[10]试验发现，当人的皮肤温度每变化℃时，热感觉至少要变化个等级。关于热环境对人认知能力的影响研究主要集中于办公环境下的脑力劳动。

　　辐射方向医学论文： 放射医务人员辐射防护现状分析

　　早在20世纪60年代，Pebler就进行了一项室内环境对认知关系影响的试验[11]，这一试验为之后的研究奠定了基础;Seppenan[12]发现在2532℃的室温下每升高℃人的效率下降2%;CiuW等[13-15]发现在不同的温度下，不舒适的温度导致认知能力有所下降。AbbasiAM等[16-18]探讨了空气温度对人脑和生理反应的影响，研究发现：与22℃相比，30℃和18℃对心率和大脑执行任务的准确度影响更大;这些研究的办公环境对与高温热辐射相关等车间环境差别较大，因而其无法直接应用于局部强热辐射环境下的认知能力研究。一些研究发现高温环境对认知能力产生负面影响。

　　试验发现高温下运动过后的认知能力是低于运动前的[19-21];此外在33-35℃时Macleod等[22,23]试验发现被试者运动之后，他们的认知能力测试速度有所提高，而另一些试验却发现没有影响[24];虽然这些研究涉及到了高温环境，但对热辐射引起的高温环境研究尚不足，而热辐射引起的高温环境在机械热加工车间广泛存在，因此有必要开展热辐射影响人的认知能力的生理心理机制研究。本文在前人的基础上探讨了高温热辐射暴露对人体的生理心理影响，并且通过行为认知能力测试评估了热辐射对认知能力的影响，分析了认知能力变化对生理心理产生变化的原因机制。研究结果可为热辐射车间工人提供工效保护依据。

　　1研究方法

　　1.1试验布置

　　试验于2020年12月在西安建筑科技大学的一个8m×4m的房间进行，房间内搭建了高温热辐射试验平台，具有足够的密闭性和良好的隔热性能，无异味。试验过程中室内只有被试者以及记录人员三名。试验过程中光照和风速恒定，无其他热源和噪音。

　　1.2试验设备

　　试验中不间断测量了当前环境的各项数据(包括室内温度、风速、WBGT、湿度)，根据ASHRAEStandard552017[25]规定，试验中人体坐姿下环境参数测量仪器放置高度取1.1m。

　　1.3试验样本

　　为了减小年龄对人体热感觉的影响，本次试验选取10名自愿参与试验的被试者，试验对象为21~25岁的在校大学生(男人，女人)。被试者日常生活规律，睡眠充足，饮食习惯良好，无疾病史，参与试验前一天没有进行剧烈运动。试验要求统一着长衣长裤，服装热阻约1.25clo(包括椅子热阻)。

　　十名被试分为组，每组人，试验采用被试内设计，每位被试者都参与所有工况的试验。为消除试验顺序的影响，本次试验采用拉丁方平衡试验顺序。为消除被试者由于试验带来的的疲劳状况，每位被试者每天最多进行一次试验，每天共做试验次，分别在当天的10：00、14：00、18：00。此次试验前对所有被试者进行了多次的重复训练并且有过一次完整的试验过程，所有被试者的行为能力测试熟练度已经稳定，所以本次试验不考虑熟练度对测试速度和准确度所带来的影响[26]。

　　1.4试验过程

　　试验采用一块曲面高温辐射电容器控制辐射温度，设定热源距离80cm。试验开始时首先打开热源以保证试验热环境，同时被试者在休息室等候;20min后测试被试者各项生理数据：体温、脉搏、心率、血氧饱和度、血压;随后进入热辐射试验平台静坐20min适应当前热环境;之后要求被试者在20min内完成认知行为能力测试，题目完成后再次测试被试者的生理状况(测试内容同上)，最后填写主观调查问卷。试验全程用时约75min。

　　人体所受热应力与热源距离密切相关，为最大限度模拟热加工车间近距离作业工种，根据《中国成年人人体尺寸(GB1000088)》和《工作空间人体尺寸(1354792)》中95%百分位成年男性的上肢全长，将最小测试距离设置为80cm。为验证被试者在短时的高温热辐射下的认知能力，结合日常人的行为方式，对每一部分行为进行时间测试，最终确定感知测试约2min，记忆、思维、警觉各5min，总计约20min[27]为本次认知测试时间。试验前告知被试者若无法接受当前热环境时允许随时终止试验，本次试验过程中无人员终止试验。

　　1.5主观测量

　　试验结束后对被试者的热感觉、环境接受度、工作效率和神经行为症状等进行主观问卷调查。ASHRAE协会[25]提出用级的热感觉尺度评价人体主观热感觉，由于本次试验是研究高温热辐射对人的影响，远大于办公环境热舒适区，所以对热感觉投票基于ASHARE的分制延伸到了11分制;采用NASATLX(NationalAeronauticsandSpaceAdministrationTaskLoadIndex)主观评价法评价被试者工作效率及脑力负荷。NASA主观评价法是目前国内外研究报道较多的心理负荷主观评价量表，多用于人体工效学领域的研究[28]，每项测试分值为6等级，每级20分，共计100分，0分表示程度最低，100为最高[29]。环境接受度为级评分制，调查被试者是否能接受当前环境。

　　1.6认知测试

　　试验中进行了神经行为能力测试，用来评估室内热辐射环境对人的影响，测试内容包括感知、记忆、思维、警觉等，本文选取了数个具有代表性的项目进行测试[30]。

　　1.7数据处理方法

　　试验采用客观测量和主观问卷相结合的方法展开研究。使用SPSS26.0对被试者的客观生理数据和主观评价问卷进行统计分析。利用图和直方图结合检验了数据的正态分布;采用方差分析和配对检验对各变量之间进行了显著性检验，显著性水平设定为P=0.05(双尾)，确定数据都正确有效并展开试验结果分析。

　　2试验结果

　　2.1热环境物理参数

　　列出了不同工况下热环境参数。为模拟真实车间环境，试验过程主要通过热辐射板控制辐射温度，无额外加湿装置，试验中风速均小于0.01m/s。试验过程中，环境的光照情况统一。

　　2.2生理反应

　　由于辐射温度升高所致的高温环境影响被试者的一系列生理状态，体温升高所带来的出汗量增加、血压升高等导致的心率加快都对认知测试产生影响。试验后的体温均高于试验前，100℃时试验后体温均值高于试验前0.1℃，150、200、250℃时试验后体温均值高于试验前0.4℃，300℃时试验后体温均值则高于试验前0.3℃。心率在100℃时，试验前的心率比试验后心率高2.6次/min，在150、200、250、300℃下，试验后心率明显高于试验前，分别为2.9次/min、5.7次/min、次/min、1.4次/min。

　　本文对在不同辐射温度下的环境接受度、工作意愿和工作满意度分别进行了投票调查，从中可看出100、150、200℃时都只有10%的被试者无法接受当前环境，250℃时有50%的被试者拒绝接受当前环境，300℃时有90%的被试者拒绝当前环境;其中100、150、200℃时都只有10%的被试者觉得自己工作意愿较低，分别有60%、80%的被试者认为在250、300℃时工作意愿很低;从中可看出150℃时只有20%被试者对工作不满意，200和250℃有50%被试者不满意当前工作完成度，300℃有70%被试者不满意当前工作，其中有10%的被试难以接受当前的工作完成度。

　　3.讨论

　　本次试验发现随着辐射温度的上升，被试者的部分生理状态出现规律性的变化：随着辐射温度的不断升高，被试者的体温有明显的升高，同时问卷报告称伴随有热不舒适、疲劳等症状，原因可能是人体处于较高的环境温度时，体温调节中枢使得人体加快新陈代谢，加速散热，排汗量上升;同时试验所处环境湿度较低，也使人体能够更快散热，所以250℃后试验前后体温差值变小。有文献指出环境温度升高导致人体血压下降[33]，本次试验中250℃以上血压值波动则考虑是由于环境温度过高，被试进行行为能力测试时精神状态处于高度紧张导致血压升高，加之试验中大量出汗所致的轻微脱水使人处于应激状态，这也可能会导致血压升高。

　　高温下心率除100℃以外均为试验后心率高于试验前。考虑在高温下人体为了加快散热，毛细血管扩张、血液循环加快等会导致心率加快;同时血液循环加快所致的血压降低也会使心率加快。这些生理反映也可能与认知行为能力测试的速度有关：高温下体温和排汗量上升、血压降低等均会引起交感神经兴奋的症状，进一步出现心率加快、头晕等生理状况，这一状况也使得在短时间内人的循环系统机能亢进，大脑活跃，加快认知测试任务的完成速度。

　　行为能力测试的时间随体温的升高而下降，心率大于100次/min时随心率的升高有较微小的上升趋势。与之前的研究结论：高温下认知能力速度增加可能与体温的增加有关[34]相比，本文热辐射试验发现完成认知能力的速度与体温的大小成反比。

　　这一原因可能是由于在高温下人体进行活动时可能会增加大脑中与激励有关的荷尔蒙水平，如去甲肾上腺素和多巴胺神经递质，最终导致认知能力速度的增加，同时随着体温和心率的上升，被试者急于离开当前环境，也会导致认知速度的上升;医学中定义心率超过100次/min为心率过快，本文试验中由心率过快带来的心悸和活动耐量下降等[35]使被试者进行认知测试时感到力不从心，从而降低了认知测试速度。

　　被试的出错次数与生理变化有关，行为能力的出错次数随心率的升高而升高，随体温的升高而下降，现有的文献研究也证明：认知能力的准确性与温度或心率升高有关[36,37]。也有文献表明，体温升高引起副交感神经张力下降，而副交感神经张力的下降与前额叶神经功能[38]的损害有关，后者又与记忆、判断、分析、思维、操作[39]等一系列认知功能有关，其功能紊乱会导致机体的一系列症状，包括头疼、头晕、心慌，这些反应也会影响被试者的认知能力。

　　本次高温热辐射试验发现，被试者的感知和思维能力在250℃以内达到最佳状态;警觉性在00℃以内达到最佳状态;记忆力在300℃达到最佳状态。上述结论可推知，在被试者进行短时的200℃30℃以内高温热辐射暴露中，他们的认知能力是有一个积极的反馈结果。

　　为了调查热感觉是否影响认知能力，本文进一步分析了热感觉投票与认知能力之间的关系，随着热感觉投票值的增加，出错次数呈现先下降后缓慢上升的趋势，测试用时呈现下降的趋势。当热感觉投票为稍热时(TSV=)，出错率最低，当热感觉投票为极不舒适时(TSV=)，所用时间最短。过热的温度使被试者心情烦躁、呼吸困难，此时直接表现为认知能力下降，建议热辐射环境中进行认知作业时保持环境为稍热，过冷或过热的环境均会影响认知能力的准确性[32]。

　　本文研究锻造、铸造、热处理等热加工过程产生的热辐射对人的影响，采用高温辐射板进行环境控制，不同于已有高温热环境试验研究的环境控制方法，更接近于工业热加工车间作业环境。其次，本文在进行正式试验之前，对所有被试者进行了数次的行为能力测试练习，并且有过一次的完整试验过程训练，该过程能够减小被试者测试熟练度对试验结果的误差影响，保证了试验结果的可靠性。

　　4.结论

　　本文通过高温辐射板来模拟实际热加工车间作业环境，分析了短时高温热辐射暴露下，人体生理反应、心理感受以及认知能力的变化规律，探讨了认知能力变化的生理心理机制。试验结论如下：

　　(1)短时高温热辐射暴露会增加人的中枢神经系统的兴奋性，使机体体温调节功能减弱，试验中可明显见到试验后体温上升、心率加快、高压降低等生理状况;同时头晕、疲劳、出汗等不舒适状态随辐射温度的升高而加剧。

　　(2)短时高温热辐射暴露后，人体通过生理调节和心理调适来主观提升认知能力。试验中被试者的认知测试速度随辐射温度的升高而升高;认知测试正确率随辐射温度先升高而后降低，感知和思维能力错误率在辐射温度超过250℃后升高，警觉性在辐射温度高于200℃后降低;记忆能力在300℃时产生较好的反馈。200~250℃是短时高温热辐射的人体认知耐受极限。

　　本文中试验的对象为在校大学生，后续将针对热加工车间工人开展进一步的热辐射暴露试验研究;基于本文中的冬季试验条件下，将开展夏季工况试验，在此基础上增加被试者数量进行分析;同时课题组未来也规划做其他热源距离的试验研究，以分析不同热源距离对人认知能力影响的研究。另外，未来的试验中会扩大被试者的年龄范围和教育水平，并且进行长时高温热辐射暴露试验，对热辐射影响人的认知能力的生理心理机制进行更深入的研究。

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　　作者：翟颖妮1,2，耿丹2，黄艳秋1，3，孟晓静1,4