成年男性各部位非顯性出汗率的比例關(guān)系

張文歡， 錢曉明， 范金土，2， 牛 麗， 師云龍

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 美國康奈爾大學(xué) 纖維科學(xué)與服裝設(shè)計系， 紐約 14850)

人體散熱主要分為對流、傳導(dǎo)、輻射、蒸發(fā)4種方式，蒸發(fā)散熱分為可感知和不可感知散熱2種方式?？筛兄嵋燥@汗的形式呈現(xiàn)，主要發(fā)生在高溫或人體活動強度較大時；不可感知散熱由非顯汗的蒸發(fā)引起并隨時都在進(jìn)行[1-4]。不同部位的汗液產(chǎn)生量與人體熱交換、服裝覆蓋率、環(huán)境及肢體運動具有較大關(guān)系，對人體熱生理學(xué)模型的建立具有重要的意義[5-7]。目前，人體非顯性出汗的測量也是醫(yī)學(xué)界較為關(guān)注的問題之一。已有研究集中在裸態(tài)人體在高強度或者高溫環(huán)境下人體總汗液產(chǎn)生量方面：Weiner[8]探究發(fā)現(xiàn)背部比腹部的出汗率更低，上胸部表現(xiàn)出最高值，而且在接近臀部部位出汗率降低，腋下也表現(xiàn)出較低值；Machado-Moreira[9]等利用通氣汗囊法針對(36 ℃：60%)裸態(tài)人體軀干部位(上背、下背、肩、胸、腹、腋下)在不同運動強度下的顯性出汗率進(jìn)行測量，與前者的結(jié)論有所不同，該實驗計算不同生理指標(biāo)的結(jié)果時分別選取10、9、3、2個樣本進(jìn)行計算；Smith等[10]研究了9名運動員在中等運動強度下各部位的總出汗率，并且Havenith等[11]針對9名男子和9名女子之間的差異進(jìn)行詳細(xì)探究；Lee等[12]對亞洲人和韓國人之間的出汗區(qū)別的探討顯示，韓國人整體的出汗率比其他亞洲人多，但是二者都是在背部出汗率最高，大腿的出汗率最少。除此之外，文獻(xiàn)[13-15]等探究了人體的頭部、手部和胳膊的局部顯性出汗率。目前為止，關(guān)于局部非顯性出汗率的詳細(xì)研究非常少，對于非顯性出汗率的研究也集中全身或個別部位的出汗率數(shù)值的探討，尤其是著裝人體局部非顯性出汗率。Reither等[16]在環(huán)境溫度為21～25 ℃和相對濕度為45%～60%情況下，對人體進(jìn)行測試的結(jié)果顯示為600～900 g。Thiele等[17]測試結(jié)果顯示在21～32 ℃，相對濕度為50%環(huán)境下人體前臂和手掌的非顯性出汗率分別為3～25 μg/(min·cm2)。李標(biāo)等[2-3]在溫度為22～25 ℃、步行速度為0、0.68、1.35 m/s的情況下，對人體手部、前臂、前胸和后背的非顯性出汗率進(jìn)行測量。但是現(xiàn)有研究并沒有對人體全身進(jìn)行詳細(xì)的劃分，對不同部位的出汗率之間的比例關(guān)系的研究缺少詳細(xì)報道。

本文研究以改進(jìn)皮膚水分蒸發(fā)測量儀為基礎(chǔ)，擬采用通氣汗囊法測量人體在低溫(環(huán)境溫度 為13 ℃、相對濕度為35%)坐、站立、低速行走(2 km/h，模擬人體走路速度)3種運動狀態(tài)下各部位非顯性出汗率，并對基于各部位與出汗最高出汗率部位(腰部)的比值關(guān)系進(jìn)行研究，為評價局部服裝熱濕舒適性以及暖體假人的設(shè)計改進(jìn)提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

圖1示出SKN-2000型皮膚水分蒸發(fā)測量儀(NISHIZAWA ELECTRIC METERS MANUFAC-TURING CO., LTD)示意圖。測量儀量程為0～4 mg/(min·m2)，精度為10%。整套服裝的總體熱阻和濕阻采用站立式出汗暖體假人“Walter”測量。

圖1 皮膚水分蒸發(fā)測量儀Fig.1 Ventilation capsule system flux compensation type perspiration meter

1.2 實驗人員與服裝

人員選擇年齡為22～25歲、身高為(174±3) cm、體重為(70±2) kg、身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為 20～24的中國成年健康男性。本文實驗首先選擇8名受試者進(jìn)行預(yù)實驗，選擇非顯性出汗率接近且較為一致的個體作為最終樣本。

本實驗選取的服裝包括規(guī)格為175/96 A的短款合體薄型羽絨服(含絨量90%)、純棉內(nèi)衣和運動褲。服裝的主要規(guī)格參數(shù)及基本性能如表1所示。

表1 服裝基本性能Tab.1 Basic performance of clothing

1.3 實驗方案

實驗?zāi)康模耗M天津初冬時節(jié)，測定著裝人體局部非顯性出汗率，探究著裝人體局部非顯性出汗率之間的關(guān)系。

實驗環(huán)境：環(huán)境溫度為13 ℃、相對濕度為35%。

實驗方法：本文實驗采用通氣汗囊法，該方法通過測定氣流流經(jīng)測量腔之前和之后的濕度，得到濕度變化來計算皮膚水分蒸發(fā)速度。

實驗過程設(shè)定：本文實驗中受試者首先在控制室內(nèi)靜坐30 min，使得人體達(dá)到穩(wěn)定統(tǒng)一的狀態(tài)，排除測量前活動帶來的干擾。測試中，靜坐20 min，站立20 min，行走20 min。行走速度的確定以安全為第一宗旨并結(jié)合人體皮膚表面不出現(xiàn)顯汗這一準(zhǔn)則進(jìn)行確立，最終確定為跑步機(jī)速度2 km/h。

1.4 誤差分析與空白實驗測定

測量之前首先對實驗儀器的精度進(jìn)行校準(zhǔn)，將空白實驗的測量值作為實驗基礎(chǔ)值。首先開機(jī)預(yù)熱約10 min，將測量腔腔口朝下放好，數(shù)十秒后，待顯示值穩(wěn)定，按開關(guān)進(jìn)行調(diào)零，確保測量腔支架無汗水和濕氣附著，與外界環(huán)境之間無氣流交換。對空白實驗中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終將測量曲線總結(jié)為 2種變化趨勢：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)。將實驗誤差情況總結(jié)為2種：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)，為后期實驗做準(zhǔn)備。

1.5 非顯性出汗率測定

采用皮膚水分蒸發(fā)測量儀，在相同測試條件下測量4名受試人員在左半個身體區(qū)域內(nèi)背、腰、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂10個部位的出汗率，為避免誤差，測量部位事先確定并進(jìn)行標(biāo)注，在人體表面固定測量腔前，先用干布或紙巾時擦干汗液測定部位的汗水和水分。固定至測定部件后，再用醫(yī)用膠帶固定，避免測定部位與測量腔間有間隙影響測量精度。測試項目選擇在每天同一時間進(jìn)行，減小人體自身變化對結(jié)果的影響。測量前每人攝入等量水分(200 mL)。

1.6 總出汗率確定

將局部出汗率進(jìn)行加權(quán)計算，得到人體整體出汗率，并對相同溫度、不同狀態(tài)和不同溫度、相同狀態(tài)的總出汗率進(jìn)行比較。其計算公式為：

式中：Q為總出汗率；Qi為i部位的出汗率測量值；其中頭部不屬于服裝覆蓋范圍，不加入計算。

1.7 相對出汗率比確定

在每一種運動狀態(tài)下均以出汗率最高的部位作為基礎(chǔ)值，以最高部位出汗率與其他部位的比值表示該部位的相對出汗率水平。

2 結(jié)果與討論

2.1 設(shè)備誤差分析

2.1.1穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)誤差

圖2示出穩(wěn)定狀態(tài)誤差，各探頭并無明顯的變化趨勢，4個探頭在較長的時間內(nèi)測量值均保持穩(wěn)定，上下波動的幅度一致，呈現(xiàn)近似正弦曲線狀，對于此類情況中，模擬曲線取其中出現(xiàn)次數(shù)最多的點的平均值作為此次實驗中測量的基礎(chǔ)值。y1、y2、y3、y4分別為穩(wěn)定狀態(tài)下1、2、3、4號探頭的出汗率：

y1=-0.003 4 mg/(min·cm2)

y2=-0.009 8 mg/(min·cm2)

y3=-0.010 5 mg/(min·cm2)

y4=-0.001 9 mg/(min·cm2)

圖2 穩(wěn)定狀態(tài)誤差Fig.2 Error in steady state.(a)Probe 1; (b)Probe 2;(c)Probe 3;(d)Probe 4

2.1.2非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)誤差

第2種非穩(wěn)態(tài)情況表現(xiàn)為探頭的測量值出現(xiàn)較大幅度的變化與偏差，急速下降，如圖3所示。結(jié)果顯示，在開始階段，1和3號探頭處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但是隨著時間的推移，出汗率開始發(fā)生極大的偏差，迅速降低，對此數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到隨著時間的推移出汗率的具體變化曲線，擬合方程分別如下：

圖3 非穩(wěn)定狀態(tài)誤差圖Fig.3 Error in non-stable state.(a)Probe 1;(b)Probe 2;(c)Probe 3;(d)Probe 4

2.2 出汗率分析

2.2.1不同運動狀態(tài)的出汗率

按照數(shù)據(jù)篩選的標(biāo)準(zhǔn)，最終選擇變化均勻且較為一致的4位受試者的結(jié)果作為最終結(jié)果。在 13 ℃不同活動狀態(tài)(坐、站立、低速行走2 km/h)的局部出汗率均值結(jié)果如圖4所示。

注：1—背；2—腰；3—胸；4—腹；5—臀；6—大腿前；7—大腿后；8—小腿；9—上臂；10—下臂。圖4 不同狀態(tài)人體局部出汗率Fig.4 Local sweat rate in different states

從圖中可看出，在測量的3種狀態(tài)下，各部位的局部出汗率比隨著運動狀態(tài)的變化也有所不同，坐姿狀態(tài)結(jié)果為0.017～0.042 mg/(min·cm2)，站立狀態(tài)結(jié)果為0.017～0.048 mg/(min·cm2)，行走狀態(tài)結(jié)果為0.014～0.053 mg/(min·cm2)，這與前人的研究結(jié)果非顯性出汗率0.2～0.7 mg/(min·cm2)具有較高的一致性。在背部、胸部從坐姿到站立狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，2個部位的出汗率減少，但是其他部位都呈現(xiàn)增長趨勢。這是由于人體坐姿狀態(tài)和站立狀態(tài)的服裝的表面積發(fā)生改變，這在一定程度導(dǎo)致熱流量的變化；另外，坐姿狀態(tài)的凳子增加了部分熱阻，使得人體散熱熱流減少；行走狀態(tài)下，上半身表現(xiàn)出較高的出汗率，但是部分部位的出汗率低于站立狀態(tài)，尤其是下半身和活動的手臂，這是由于在低溫下運動過程中，四肢活動與外界產(chǎn)生較強的熱對流，蒸發(fā)帶走的熱量減少并且低溫氣流由服裝的間隙進(jìn)入微環(huán)境，增加了對流傳熱傳濕，皮膚溫度下降，出汗率也會隨之下降。

對3種狀態(tài)進(jìn)行配對t檢驗分析，結(jié)果顯示，同部位的出汗率在不同狀態(tài)下無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)，只有極個別部位(大腿前和上臂)在靜止?fàn)顟B(tài)(坐、站)下存在顯著差異。(大腿前和大腿后對比P=0.026；下臂坐姿和站立狀態(tài)對比P=0.017)，CV值在10%～36%之間，可見不同活動狀態(tài)不會對人體產(chǎn)生顯著影響。

2.2.2總出汗率

為進(jìn)一步評價運動狀態(tài)與環(huán)境溫度對人體出汗率的影響，將局部值按照面積公式進(jìn)行加權(quán)求平均，得到總出汗率，如表2所示。

表2 不同狀態(tài)人體總出汗率Tab.2 Total sweat rate in different states

從表2可以看出，隨著人體運動狀態(tài)的變化，人體的總出汗率逐漸增加，站立狀態(tài)要比坐姿的總出汗率高出6.99%，行走狀態(tài)要比坐姿高出8.56%。但在3種狀態(tài)下相對出汗率的P>0.05，CV值為4.33%<5%，說明3種低變化的活動狀態(tài)的總出汗率無顯著差異。結(jié)合局部結(jié)果說明，人體個別部位非顯性出汗率受到活動狀態(tài)的影響，但是在合理活動范圍之內(nèi)，著裝舒適人體皮膚表面的總非顯性出汗率是一個相對穩(wěn)定的結(jié)果。

2.2.3相對出汗率比關(guān)系

人體在3種運動狀態(tài)下的相對出汗率比均值如圖5所示。

圖5 不同狀態(tài)相對出汗率比Fig.5 Ratio of local sweating rate in different states

由圖5可知，在相同的狀態(tài)下，各部位比值之間呈現(xiàn)相對一致的變化規(guī)律，但是每種狀態(tài)間具有一定差異。對3種狀態(tài)下的出汗率比均值按照背坐—背站、背坐—背走、背站—背走、……、下臂站—下臂走的規(guī)律進(jìn)行配對t檢驗結(jié)果如圖6所示，局部部位(腹部、臀部、大腿前、小腿、上臂、下臂)在3種活動狀態(tài)下沒有明顯差異(P>0.05)，但其他部位在3種狀態(tài)下與背部的比值之間具有顯著差異(P<0.05)，說明運動狀態(tài)對相對出汗率比產(chǎn)生顯著影響。為進(jìn)一步分析3種狀態(tài)之間的出汗比，分別將3種狀態(tài)進(jìn)行歸納得到：坐姿狀態(tài)下背、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂與腰部的比值分別是0.88、0.91、0.79、0.61、0.56、0.80、0.30、0.58、0.60；站立狀態(tài)下背、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂與腰部的比值分別是0.61、0.59、0.75、0.68、0.68、0.62、0.34、0.59、0.82；行走狀態(tài)下背、胸、腹、臀、大腿前、大腿后、小腿、上臂、下臂與腰部的比值分別是0.74、0.74、0.63、0.58、0.59、0.53、0.26、0.61、0.58。

圖6 不同狀態(tài)配對t檢驗的P值Fig.6 P value of paired t test in different states

3 結(jié) 論

1)目前皮膚蒸發(fā)測量儀精度較低，針對此特點模擬2種不同測試差異性分別建立模型，改進(jìn)測量誤差，提高測量精度。

2)坐姿狀態(tài)下的人體各部位的局部非顯性出汗率在0.017～0.042 mg/(min·cm2)，站立狀態(tài)的出汗率為0.017～0.048 mg/(min·cm2)，行走狀態(tài)的出汗率為0.014～0.053 mg/(min·cm2)。比較3種狀態(tài)下相同部位的非顯性出汗率，雖然有所變化，但是從3種狀態(tài)下的配對t檢驗結(jié)果來看，運動狀態(tài)對局部非顯性出汗率沒有顯著影響。

3)從3種狀態(tài)對總出汗率的結(jié)果來看，隨著運動狀態(tài)的變化，出汗率越來越大，但是配對t檢驗結(jié)果顯示三者之間沒有顯著差異，說明人體在一定溫度下著合適的服裝非顯性出汗率為相對固定的值。

4)從3種狀態(tài)對出汗率比的配對t檢驗結(jié)果來看，3種狀態(tài)之間具有顯著差異。

后續(xù)研究中將會對不同測試條件下著舒適服裝的人體的非顯性出汗率情況進(jìn)行有效的聚類分析，將各運動狀態(tài)與測試環(huán)境之間的具體比例進(jìn)行研究與評價，進(jìn)一步為暖體假人的皮膚設(shè)計作出指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏洋. 人體出汗量的測定研究[J]. 中國個體防護(hù)裝備, 2011(3): 40-43.

WEI Yang. Study on the Determination of human sweating measure[J]. China Personal Protective Equipment, 2011(3): 40-43.

[2] 李標(biāo). 人體局部非顯性出汗的測量研究[D]. 上海：東華大學(xué), 2016:1-2.

LI Biao. The study on the measurement of insensible perspiration on regional part of human body[D]. Shanghai: Donghua University, 2016:1-2.

[3] 李標(biāo), 王革輝, 陳藝娟,等不同環(huán)境溫度與活動強度下人體手部非顯性出汗率測量[J]. 浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2016(1):30-35.

LI Biao, WANG Gehui, CHEN Yijuan, et al.Measurement of non-dominant sweating rate of human hand under different ambient temperature and activity intensity[J]. Journal of Zhejiang Textile and Apparel Vocational and Technical College, 2016(1): 30-35.

[4] 魏洋.人體全身及上身局部出汗率的測定[D]. 上海：東華大學(xué), 2012:1-2.

WEI Yang. The measurement of whole body and regional upper body sweat rates. [D]. Shanghai: Donghua University, 2012:1-2.

[5] FIALA D, LOMAS K J, STOHRER M. Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental con-ditions[J]. International Journal of Biometeorology, 2001, 45(3): 143-159.

[6] HAVENITH G, RICHARDS M G, WANG X, et al. Apparent latent heat of evaporation from clothing: attenuation and "heat pipe" effects[J]. Journal of Applied Physiology, 2008, 104(1): 142-149.

[7] JACKSON A S, POLLOCK M L. Generalized equations for predicting body density of men[J]. British Journal of Nutrition, 1978, 40(3): 497-504.

[8] WEINER J S. The regional distribution of sweating[J]. The Journal of Physiology, 1945, 104(1): 32-40.

[9] MACHADO-MOREIRA C A, SMITH F M, VAN DEN Heuvel A M J, et al. Sweat secretion from the torso during passively-induced and exercise-related hyperthermia[J]. European Journal of Applied Physiology, 2008, 104(2): 265-270.

[10] SMITH C J, HAVENITH G. Body mapping of sweating patterns in male athletes in mild exercise-induced hyperthermia[J]. European Journal of Applied Physiology, 2011, 111(7): 1391-1404.

[11] HAVENITH G, FOGARTY A, BARTLETT R, et al. Male and female upper body sweat distribution during running measured with technical absorbents[J]. European Journal of Applied Physiology, 2008, 104(2):245-255.

[12] LEE J, SHIN Y. Comparison of density and output of sweat gland in tropical Africans and temperate Koreans.[J]. Auton Neurosci, 2017, 205:67-71.

[13] MACHADO-MOREIRA C A, CALDWELL J N, MEKJAVIC I B, et al. Sweat secretion from palmar and dorsal surfaces of the hands during passive and active heating.[J]. Aviation Space & Environmental Medicine, 2008, 79(11):1034-40.

[14] MACHADO-MOREIRA C A, WILMINK F, MEIJER A, et al. Local differences in sweat secretion from the head during rest and exercise in the heat[J]. European Journal of Applied Physiology, 2008, 104(2): 257-264.

[15] SMITH C J, VENTENAT V, HAVENITH G. Regional sweat rates of the arms and hands in male squash players[J]. Environmental Ergonomics XII, 2007: 285.

[16] REITHNER L, JOHANSSON H, STROUTH L. Insensible perspiration during anaesthesia and surgery[J]. Acta Anaesthesiologica Scandinavica, 1980, 24(5): 362-366.

[17] THIELE F A, VAN Senden K G. Relationship between skin temperature and the insensible perspiration of the human skin[J]. Journal of Investigative Dermatology, 1966, 47(4):307-312.

[18] QIAN X, FAN J. Interactions of the surface heat and moisture transfer from the human body under varying climatic conditions and walking speeds[J].Applied Ergonomics, 2006, 37(6):685-693.