摘要：高溫?zé)彷椛涫且苯稹⑻沾伞�機(jī)械熱加工等行業(yè)常見的職業(yè)危害，其對(duì)人體認(rèn)知能力的影響規(guī)律，以及認(rèn)知能力變化所伴隨的生理心理機(jī)制尚不明確。本文以在校大學(xué)生為試驗(yàn)對(duì)象，搭建了局部高溫?zé)彷椛湓囼?yàn)平臺(tái)，測試了五種熱輻射工況(100、150、200、250、300℃)下，人體生理、心理及認(rèn)知能力的變化規(guī)律，分析了認(rèn)知能力變化所伴隨的生理心理現(xiàn)象，探討了高溫?zé)彷椛湟�起人體認(rèn)知能力變化的生理心理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：短時(shí)高溫?zé)彷椛浔┞断拢�人體生理、心理不適隨輻射溫度的升高而加劇;認(rèn)知測試速度隨輻射溫度的升高而升高;認(rèn)知測試正確率先升高而后降低，拐點(diǎn)為200℃~250℃。

　　關(guān)鍵詞：安全人體學(xué);高溫?zé)彷椛?熱舒適;生理影響;認(rèn)知能力;主觀影響

　　引言高溫?zé)彷椛渥鳂I(yè)環(huán)境廣泛存在于冶金、陶瓷、機(jī)械熱加工等行業(yè)[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，高溫作業(yè)車間認(rèn)知型作業(yè)不斷增加，其需要工人在工作中具備高度注意力、記憶力和分析決策能力，因此研究高溫?zé)彷椛洵h(huán)境對(duì)現(xiàn)代工人認(rèn)知能力的影響是很有必要的。2001年，邢娟娟[4]最早對(duì)煤礦井下高溫作業(yè)的礦工進(jìn)行了生理方面的測定研究;高溫環(huán)境對(duì)人的認(rèn)知能力的試驗(yàn)研究較少，2020年，ChenY等[5]首次進(jìn)行試驗(yàn)研究了高強(qiáng)度活動(dòng)下環(huán)境溫度升高對(duì)人的認(rèn)知能力的影響。現(xiàn)有的高溫?zé)岘h(huán)境研究主要關(guān)注熱環(huán)境對(duì)人的生理心理影響。

　　張超等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[6]，在同等勞動(dòng)負(fù)荷下,人員心血管負(fù)荷和主觀疲勞程度與環(huán)境溫度存在正相關(guān)性;Zheng等[7,8]通過對(duì)室內(nèi)高溫下的人體生理狀況進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度變化時(shí)體溫變化明顯;Macpherson[9]發(fā)現(xiàn)，空氣溫度、濕度等對(duì)人體熱舒適有重要影響;Mochida等[10]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人的皮膚溫度每變化℃時(shí)，熱感覺至少要變化個(gè)等級(jí)。關(guān)于熱環(huán)境對(duì)人認(rèn)知能力的影響研究主要集中于辦公環(huán)境下的腦力勞動(dòng)。

　　輻射方向醫(yī)學(xué)論文： 放射醫(yī)務(wù)人員輻射防護(hù)現(xiàn)狀分析

　　早在20世紀(jì)60年代，Pebler就進(jìn)行了一項(xiàng)室內(nèi)環(huán)境對(duì)認(rèn)知關(guān)系影響的試驗(yàn)[11]，這一試驗(yàn)為之后的研究奠定了基礎(chǔ);Seppenan[12]發(fā)現(xiàn)在2532℃的室溫下每升高℃人的效率下降2%;CiuW等[13-15]發(fā)現(xiàn)在不同的溫度下，不舒適的溫度導(dǎo)致認(rèn)知能力有所下降。AbbasiAM等[16-18]探討了空氣溫度對(duì)人腦和生理反應(yīng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)：與22℃相比，30℃和18℃對(duì)心率和大腦執(zhí)行任務(wù)的準(zhǔn)確度影響更大;這些研究的辦公環(huán)境對(duì)與高溫?zé)彷椛湎嚓P(guān)等車間環(huán)境差別較大，因而其無法直接應(yīng)用于局部強(qiáng)熱輻射環(huán)境下的認(rèn)知能力研究。一些研究發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境對(duì)認(rèn)知能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫下運(yùn)動(dòng)過后的認(rèn)知能力是低于運(yùn)動(dòng)前的[19-21];此外在33-35℃時(shí)Macleod等[22,23]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)被試者運(yùn)動(dòng)之后，他們的認(rèn)知能力測試速度有所提高，而另一些試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)沒有影響[24];雖然這些研究涉及到了高溫環(huán)境，但對(duì)熱輻射引起的高溫環(huán)境研究尚不足，而熱輻射引起的高溫環(huán)境在機(jī)械熱加工車間廣泛存在，因此有必要開展熱輻射影響人的認(rèn)知能力的生理心理機(jī)制研究。本文在前人的基礎(chǔ)上探討了高溫?zé)彷椛浔┞秾?duì)人體的生理心理影響，并且通過行為認(rèn)知能力測試評(píng)估了熱輻射對(duì)認(rèn)知能力的影響，分析了認(rèn)知能力變化對(duì)生理心理產(chǎn)生變化的原因機(jī)制。研究結(jié)果可為熱輻射車間工人提供工效保護(hù)依據(jù)。

　　1研究方法

　　1.1試驗(yàn)布置

　　試驗(yàn)于2020年12月在西安建筑科技大學(xué)的一個(gè)8m×4m的房間進(jìn)行，房間內(nèi)搭建了高溫?zé)彷椛湓囼?yàn)平臺(tái)，具有足夠的密閉性和良好的隔熱性能，無異味。試驗(yàn)過程中室內(nèi)只有被試者以及記錄人員三名。試驗(yàn)過程中光照和風(fēng)速恒定，無其他熱源和噪音。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)備

　　試驗(yàn)中不間斷測量了當(dāng)前環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)(包括室內(nèi)溫度、風(fēng)速、WBGT、濕度)，根據(jù)ASHRAEStandard552017[25]規(guī)定，試驗(yàn)中人體坐姿下環(huán)境參數(shù)測量儀器放置高度取1.1m。

　　1.3試驗(yàn)樣本

　　為了減小年齡對(duì)人體熱感覺的影響，本次試驗(yàn)選取10名自愿參與試驗(yàn)的被試者，試驗(yàn)對(duì)象為21~25歲的在校大學(xué)生(男人，女人)。被試者日常生活規(guī)律，睡眠充足，飲食習(xí)慣良好，無疾病史，參與試驗(yàn)前一天沒有進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)要求統(tǒng)一著長衣長褲，服裝熱阻約1.25clo(包括椅子熱阻)。

　　十名被試分為組，每組人，試驗(yàn)采用被試內(nèi)設(shè)計(jì)，每位被試者都參與所有工況的試驗(yàn)。為消除試驗(yàn)順序的影響，本次試驗(yàn)采用拉丁方平衡試驗(yàn)順序。為消除被試者由于試驗(yàn)帶來的的疲勞狀況，每位被試者每天最多進(jìn)行一次試驗(yàn)，每天共做試驗(yàn)次，分別在當(dāng)天的10：00、14：00、18：00。此次試驗(yàn)前對(duì)所有被試者進(jìn)行了多次的重復(fù)訓(xùn)練并且有過一次完整的試驗(yàn)過程，所有被試者的行為能力測試熟練度已經(jīng)穩(wěn)定，所以本次試驗(yàn)不考慮熟練度對(duì)測試速度和準(zhǔn)確度所帶來的影響[26]。

　　1.4試驗(yàn)過程

　　試驗(yàn)采用一塊曲面高溫輻射電容器控制輻射溫度，設(shè)定熱源距離80cm。試驗(yàn)開始時(shí)首先打開熱源以保證試驗(yàn)熱環(huán)境，同時(shí)被試者在休息室等候;20min后測試被試者各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)：體溫、脈搏、心率、血氧飽和度、血壓;隨后進(jìn)入熱輻射試驗(yàn)平臺(tái)靜坐20min適應(yīng)當(dāng)前熱環(huán)境;之后要求被試者在20min內(nèi)完成認(rèn)知行為能力測試，題目完成后再次測試被試者的生理狀況(測試內(nèi)容同上)，最后填寫主觀調(diào)查問卷。試驗(yàn)全程用時(shí)約75min。

　　人體所受熱應(yīng)力與熱源距離密切相關(guān)，為最大限度模擬熱加工車間近距離作業(yè)工種，根據(jù)《中國成年人人體尺寸(GB1000088)》和《工作空間人體尺寸(1354792)》中95%百分位成年男性的上肢全長，將最小測試距離設(shè)置為80cm。為驗(yàn)證被試者在短時(shí)的高溫?zé)彷椛湎碌恼J(rèn)知能力，結(jié)合日常人的行為方式，對(duì)每一部分行為進(jìn)行時(shí)間測試，最終確定感知測試約2min，記憶、思維、警覺各5min，總計(jì)約20min[27]為本次認(rèn)知測試時(shí)間。試驗(yàn)前告知被試者若無法接受當(dāng)前熱環(huán)境時(shí)允許隨時(shí)終止試驗(yàn)，本次試驗(yàn)過程中無人員終止試驗(yàn)。

　　1.5主觀測量

　　試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)被試者的熱感覺、環(huán)境接受度、工作效率和神經(jīng)行為癥狀等進(jìn)行主觀問卷調(diào)查。ASHRAE協(xié)會(huì)[25]提出用級(jí)的熱感覺尺度評(píng)價(jià)人體主觀熱感覺，由于本次試驗(yàn)是研究高溫?zé)彷椛鋵?duì)人的影響，遠(yuǎn)大于辦公環(huán)境熱舒適區(qū)，所以對(duì)熱感覺投票基于ASHARE的分制延伸到了11分制;采用NASATLX(NationalAeronauticsandSpaceAdministrationTaskLoadIndex)主觀評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)被試者工作效率及腦力負(fù)荷。NASA主觀評(píng)價(jià)法是目前國內(nèi)外研究報(bào)道較多的心理負(fù)荷主觀評(píng)價(jià)量表，多用于人體工效學(xué)領(lǐng)域的研究[28]，每項(xiàng)測試分值為6等級(jí)，每級(jí)20分，共計(jì)100分，0分表示程度最低，100為最高[29]。環(huán)境接受度為級(jí)評(píng)分制，調(diào)查被試者是否能接受當(dāng)前環(huán)境。

　　1.6認(rèn)知測試

　　試驗(yàn)中進(jìn)行了神經(jīng)行為能力測試，用來評(píng)估室內(nèi)熱輻射環(huán)境對(duì)人的影響，測試內(nèi)容包括感知、記憶、思維、警覺等，本文選取了數(shù)個(gè)具有代表性的項(xiàng)目進(jìn)行測試[30]。

　　1.7數(shù)據(jù)處理方法

　　試驗(yàn)采用客觀測量和主觀問卷相結(jié)合的方法展開研究。使用SPSS26.0對(duì)被試者的客觀生理數(shù)據(jù)和主觀評(píng)價(jià)問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用圖和直方圖結(jié)合檢驗(yàn)了數(shù)據(jù)的正態(tài)分布;采用方差分析和配對(duì)檢驗(yàn)對(duì)各變量之間進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為P=0.05(雙尾)，確定數(shù)據(jù)都正確有效并展開試驗(yàn)結(jié)果分析。

　　2試驗(yàn)結(jié)果

　　2.1熱環(huán)境物理參數(shù)

　　列出了不同工況下熱環(huán)境參數(shù)。為模擬真實(shí)車間環(huán)境，試驗(yàn)過程主要通過熱輻射板控制輻射溫度，無額外加濕裝置，試驗(yàn)中風(fēng)速均小于0.01m/s。試驗(yàn)過程中，環(huán)境的光照情況統(tǒng)一。

　　2.2生理反應(yīng)

　　由于輻射溫度升高所致的高溫環(huán)境影響被試者的一系列生理狀態(tài)，體溫升高所帶來的出汗量增加、血壓升高等導(dǎo)致的心率加快都對(duì)認(rèn)知測試產(chǎn)生影響。試驗(yàn)后的體溫均高于試驗(yàn)前，100℃時(shí)試驗(yàn)后體溫均值高于試驗(yàn)前0.1℃，150、200、250℃時(shí)試驗(yàn)后體溫均值高于試驗(yàn)前0.4℃，300℃時(shí)試驗(yàn)后體溫均值則高于試驗(yàn)前0.3℃。心率在100℃時(shí)，試驗(yàn)前的心率比試驗(yàn)后心率高2.6次/min，在150、200、250、300℃下，試驗(yàn)后心率明顯高于試驗(yàn)前，分別為2.9次/min、5.7次/min、次/min、1.4次/min。

　　本文對(duì)在不同輻射溫度下的環(huán)境接受度、工作意愿和工作滿意度分別進(jìn)行了投票調(diào)查，從中可看出100、150、200℃時(shí)都只有10%的被試者無法接受當(dāng)前環(huán)境，250℃時(shí)有50%的被試者拒絕接受當(dāng)前環(huán)境，300℃時(shí)有90%的被試者拒絕當(dāng)前環(huán)境;其中100、150、200℃時(shí)都只有10%的被試者覺得自己工作意愿較低，分別有60%、80%的被試者認(rèn)為在250、300℃時(shí)工作意愿很低;從中可看出150℃時(shí)只有20%被試者對(duì)工作不滿意，200和250℃有50%被試者不滿意當(dāng)前工作完成度，300℃有70%被試者不滿意當(dāng)前工作，其中有10%的被試難以接受當(dāng)前的工作完成度。

　　3.討論

　　本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著輻射溫度的上升，被試者的部分生理狀態(tài)出現(xiàn)規(guī)律性的變化：隨著輻射溫度的不斷升高，被試者的體溫有明顯的升高，同時(shí)問卷報(bào)告稱伴隨有熱不舒適、疲勞等癥狀，原因可能是人體處于較高的環(huán)境溫度時(shí)，體溫調(diào)節(jié)中樞使得人體加快新陳代謝，加速散熱，排汗量上升;同時(shí)試驗(yàn)所處環(huán)境濕度較低，也使人體能夠更快散熱，所以250℃后試驗(yàn)前后體溫差值變小。有文獻(xiàn)指出環(huán)境溫度升高導(dǎo)致人體血壓下降[33]，本次試驗(yàn)中250℃以上血壓值波動(dòng)則考慮是由于環(huán)境溫度過高，被試進(jìn)行行為能力測試時(shí)精神狀態(tài)處于高度緊張導(dǎo)致血壓升高，加之試驗(yàn)中大量出汗所致的輕微脫水使人處于應(yīng)激狀態(tài)，這也可能會(huì)導(dǎo)致血壓升高。

　　高溫下心率除100℃以外均為試驗(yàn)后心率高于試驗(yàn)前。考慮在高溫下人體為了加快散熱，毛細(xì)血管擴(kuò)張、血液循環(huán)加快等會(huì)導(dǎo)致心率加快;同時(shí)血液循環(huán)加快所致的血壓降低也會(huì)使心率加快。這些生理反映也可能與認(rèn)知行為能力測試的速度有關(guān)：高溫下體溫和排汗量上升、血壓降低等均會(huì)引起交感神經(jīng)興奮的癥狀，進(jìn)一步出現(xiàn)心率加快、頭暈等生理狀況，這一狀況也使得在短時(shí)間內(nèi)人的循環(huán)系統(tǒng)機(jī)能亢進(jìn)，大腦活躍，加快認(rèn)知測試任務(wù)的完成速度。

　　行為能力測試的時(shí)間隨體溫的升高而下降，心率大于100次/min時(shí)隨心率的升高有較微小的上升趨勢。與之前的研究結(jié)論：高溫下認(rèn)知能力速度增加可能與體溫的增加有關(guān)[34]相比，本文熱輻射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完成認(rèn)知能力的速度與體溫的大小成反比。

　　這一原因可能是由于在高溫下人體進(jìn)行活動(dòng)時(shí)可能會(huì)增加大腦中與激勵(lì)有關(guān)的荷爾蒙水平，如去甲腎上腺素和多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)，最終導(dǎo)致認(rèn)知能力速度的增加，同時(shí)隨著體溫和心率的上升，被試者急于離開當(dāng)前環(huán)境，也會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知速度的上升;醫(yī)學(xué)中定義心率超過100次/min為心率過快，本文試驗(yàn)中由心率過快帶來的心悸和活動(dòng)耐量下降等[35]使被試者進(jìn)行認(rèn)知測試時(shí)感到力不從心，從而降低了認(rèn)知測試速度。

　　被試的出錯(cuò)次數(shù)與生理變化有關(guān)，行為能力的出錯(cuò)次數(shù)隨心率的升高而升高，隨體溫的升高而下降，現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究也證明：認(rèn)知能力的準(zhǔn)確性與溫度或心率升高有關(guān)[36,37]。也有文獻(xiàn)表明，體溫升高引起副交感神經(jīng)張力下降，而副交感神經(jīng)張力的下降與前額葉神經(jīng)功能[38]的損害有關(guān)，后者又與記憶、判斷、分析、思維、操作[39]等一系列認(rèn)知功能有關(guān)，其功能紊亂會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的一系列癥狀，包括頭疼、頭暈、心慌，這些反應(yīng)也會(huì)影響被試者的認(rèn)知能力。

　　本次高溫?zé)彷椛湓囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，被試者的感知和思維能力在250℃以內(nèi)達(dá)到最佳狀態(tài);警覺性在00℃以內(nèi)達(dá)到最佳狀態(tài);記憶力在300℃達(dá)到最佳狀態(tài)。上述結(jié)論可推知，在被試者進(jìn)行短時(shí)的200℃30℃以內(nèi)高溫?zé)彷椛浔┞吨校�他們的認(rèn)知能力是有一個(gè)積極的反饋結(jié)果。

　　為了調(diào)查熱感覺是否影響認(rèn)知能力，本文進(jìn)一步分析了熱感覺投票與認(rèn)知能力之間的關(guān)系，隨著熱感覺投票值的增加，出錯(cuò)次數(shù)呈現(xiàn)先下降后緩慢上升的趨勢，測試用時(shí)呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)熱感覺投票為稍熱時(shí)(TSV=)，出錯(cuò)率最低，當(dāng)熱感覺投票為極不舒適時(shí)(TSV=)，所用時(shí)間最短。過熱的溫度使被試者心情煩躁、呼吸困難，此時(shí)直接表現(xiàn)為認(rèn)知能力下降，建議熱輻射環(huán)境中進(jìn)行認(rèn)知作業(yè)時(shí)保持環(huán)境為稍熱，過冷或過熱的環(huán)境均會(huì)影響認(rèn)知能力的準(zhǔn)確性[32]。

　　本文研究鍛造、鑄造、熱處理等熱加工過程產(chǎn)生的熱輻射對(duì)人的影響，采用高溫輻射板進(jìn)行環(huán)境控制，不同于已有高溫?zé)岘h(huán)境試驗(yàn)研究的環(huán)境控制方法，更接近于工業(yè)熱加工車間作業(yè)環(huán)境。其次，本文在進(jìn)行正式試驗(yàn)之前，對(duì)所有被試者進(jìn)行了數(shù)次的行為能力測試練習(xí)，并且有過一次的完整試驗(yàn)過程訓(xùn)練，該過程能夠減小被試者測試熟練度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的誤差影響，保證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

　　4.結(jié)論

　　本文通過高溫輻射板來模擬實(shí)際熱加工車間作業(yè)環(huán)境，分析了短時(shí)高溫?zé)彷椛浔┞断拢�人體生理反應(yīng)、心理感受以及認(rèn)知能力的變化規(guī)律，探討了認(rèn)知能力變化的生理心理機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)論如下：

　　(1)短時(shí)高溫?zé)彷椛浔┞稌?huì)增加人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，使機(jī)體體溫調(diào)節(jié)功能減弱，試驗(yàn)中可明顯見到試驗(yàn)后體溫上升、心率加快、高壓降低等生理狀況;同時(shí)頭暈、疲勞、出汗等不舒適狀態(tài)隨輻射溫度的升高而加劇。

　　(2)短時(shí)高溫?zé)彷椛浔┞逗螅�人體通過生理調(diào)節(jié)和心理調(diào)適來主觀提升認(rèn)知能力。試驗(yàn)中被試者的認(rèn)知測試速度隨輻射溫度的升高而升高;認(rèn)知測試正確率隨輻射溫度先升高而后降低，感知和思維能力錯(cuò)誤率在輻射溫度超過250℃后升高，警覺性在輻射溫度高于200℃后降低;記憶能力在300℃時(shí)產(chǎn)生較好的反饋。200~250℃是短時(shí)高溫?zé)彷椛涞娜梭w認(rèn)知耐受極限。

　　本文中試驗(yàn)的對(duì)象為在校大學(xué)生，后續(xù)將針對(duì)熱加工車間工人開展進(jìn)一步的熱輻射暴露試驗(yàn)研究;基于本文中的冬季試驗(yàn)條件下，將開展夏季工況試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上增加被試者數(shù)量進(jìn)行分析;同時(shí)課題組未來也規(guī)劃做其他熱源距離的試驗(yàn)研究，以分析不同熱源距離對(duì)人認(rèn)知能力影響的研究。另外，未來的試驗(yàn)中會(huì)擴(kuò)大被試者的年齡范圍和教育水平，并且進(jìn)行長時(shí)高溫?zé)彷椛浔┞对囼?yàn)，對(duì)熱輻射影響人的認(rèn)知能力的生理心理機(jī)制進(jìn)行更深入的研究。

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　　作者：翟穎妮1,2，耿丹2，黃艷秋1，3，孟曉靜1,4