劉玉萍， 盧業(yè)虎,， 王來力

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215006； 2. 浙江理工大學(xué) 浙江省服裝工程技術(shù)研究中心， 浙江 杭州 310018)

睡眠約占人一生三分之一的時(shí)間，良好的睡眠對(duì)保持人體生理和心理的健康至關(guān)重要[1]。正常成年人夜間睡眠過程中非快速眼動(dòng)期(簡(jiǎn)稱NREM)和快速眼動(dòng)期(簡(jiǎn)稱REM)交替出現(xiàn)。NREM睡眠可分為3個(gè)階段N1～N3，N3期腦電波頻率降低，睡眠程度加深，稱之為慢波睡眠(簡(jiǎn)稱SWS)或深睡眠。SWS和REM有助于人體體力、精力的恢復(fù)以及記憶的存儲(chǔ)[2-3]。

被服系統(tǒng)由寢具和睡眠時(shí)穿著的服裝2部分組成，一般包括床、床墊、枕頭、被子、睡衣等，形成一個(gè)局部的微氣候，在睡眠時(shí)阻擋人體的熱量向外傳遞，與室內(nèi)環(huán)境共同作用影響睡眠人體的熱舒適感[4-5]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱舒適的研究，主要是針對(duì)清醒的人體展開的。然而人體睡眠狀態(tài)與清醒狀態(tài)時(shí)的生理參數(shù)和傳熱方式差異很大，睡眠時(shí)人體基礎(chǔ)代謝率為40 W/m2，熱生理調(diào)節(jié)反應(yīng)隨睡眠階段變化[6]，有很大一部分身體與床墊接觸，因此，與清醒人體相關(guān)的熱舒適研究結(jié)論不能直接用于睡眠人體，需要修正。

近年來，針對(duì)睡眠人體熱舒適的研究逐漸引起了人們的關(guān)注。被服系統(tǒng)作為影響睡眠熱舒適的主要因素，研究者們也對(duì)此展開了一系列的研究。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，概括了睡眠熱舒適性的評(píng)價(jià)方法，并從“人體—被服—環(huán)境”系統(tǒng)的角度分析了影響睡眠熱舒適性的主要因素，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)這些影響因素的研究進(jìn)展，分析了目前研究中存在的缺陷和不足，提出了進(jìn)一步研究的方向。

1 評(píng)價(jià)方法

睡眠熱舒適性的常用評(píng)價(jià)方法包括實(shí)驗(yàn)研究和熱舒適模型研究，其中實(shí)驗(yàn)研究主要有客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)2類。

1.1 實(shí)驗(yàn)研究

客觀評(píng)價(jià)睡眠人體熱舒適的常用指標(biāo)有腦電、心電、皮膚溫度、核心體溫等接觸式測(cè)量指標(biāo)，以及睡姿和壓力分布等非接觸式測(cè)量指標(biāo)。主觀評(píng)價(jià)方法分問卷調(diào)查和量表評(píng)估2種。

1.1.1 客觀評(píng)價(jià)

多導(dǎo)睡眠記錄儀(PSG)能夠綜合記錄睡眠時(shí)的腦電、眼電、心電、肌電等信息?；谀X電數(shù)據(jù)，可對(duì)睡眠階段進(jìn)行劃分，當(dāng)睡眠處于熱舒適狀態(tài)時(shí)，睡眠潛伏期、每個(gè)睡眠階段的持續(xù)時(shí)間、覺醒次數(shù)和時(shí)間等定量測(cè)量指標(biāo)，只有輕微差別；當(dāng)室溫偏離熱中性溫度時(shí)，受試者的睡眠潛伏期增長(zhǎng)，SWS和REM時(shí)間縮短，覺醒的次數(shù)和時(shí)間增加[7-9]。通過對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理，可得到睡眠期間的心率變異性。Liu等[10]研究了不同熱舒適水平下的心率變異性，發(fā)現(xiàn)在熱感覺相同的情況下，不舒適狀態(tài)的心率變異性高于舒適狀態(tài)。

皮膚溫度和核心體溫會(huì)隨睡眠的階段發(fā)生變化[6]。睡眠初始階段，表皮血管選擇性擴(kuò)張使皮膚溫度上升，心臟自主神經(jīng)活動(dòng)促使核心體溫下降，遠(yuǎn)端皮膚溫度和核心體溫呈現(xiàn)出相反的節(jié)律[11]，此時(shí)手足皮膚熱量散失程度可以作為快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)的預(yù)測(cè)指標(biāo)[12]。隨著睡眠加深，皮膚溫度、核心體溫和代謝率的變化趨于平緩，在某個(gè)范圍內(nèi)上下波動(dòng)[13]。平均皮膚溫度可以作為個(gè)體熱舒適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)人體保持清醒躺在床上時(shí)，平均皮膚溫度為32.6 ℃，這也是冷不適和舒適的界限，33.7 ℃是熱不適和舒適的界限[14]。

非接觸式測(cè)量的方式可免去接觸式儀器在睡眠中產(chǎn)生的不適感。使用圖像采集和分析技術(shù)獲得睡眠時(shí)姿勢(shì)，將記錄到的姿勢(shì)圖像進(jìn)行分類，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的睡眠舒適等級(jí)[15]。另一種常用的方法是將記錄壓力的分散式傳感器嵌入床墊，記錄睡眠時(shí)人體的壓力分布，與舒適狀態(tài)的壓力分布情況比較，判斷睡眠時(shí)的熱舒適狀況[16]。隨著智能家居的發(fā)展，睡姿和睡眠壓力分布的數(shù)據(jù)庫(kù)將不斷完善，非接觸式測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)用性會(huì)不斷提高。

1.1.2 主觀評(píng)價(jià)

開始睡眠實(shí)驗(yàn)前，一般通過問卷來測(cè)試受試者是否存在睡眠障礙，較為常用的是匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)問卷[17]，該問卷有較高的可信度[18-19]。睡眠實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)根據(jù)實(shí)際情況擬定調(diào)查問卷請(qǐng)受試者填寫，了解前一晚的睡眠情況。

為更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)前一晚的睡眠質(zhì)量，還會(huì)要求受試者填寫熱感覺評(píng)價(jià)量表和熱舒適評(píng)價(jià)量表。熱舒適評(píng)價(jià)一般使用五級(jí)評(píng)價(jià)量表：舒適(0)，略不舒服(1)，不舒服(2)，非常不舒服(3)，忍受極限(4)。熱感覺評(píng)價(jià)一般使用七級(jí)標(biāo)尺：非常冷(-3)，冷(-2)，略冷(-1)，熱中性(0)，微暖(1)，暖(2)，熱(3)。雖然進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)很方便，但受試者的舒適感易受環(huán)境、情緒或心理壓力的影響，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性存在一定偏差。此外，受試者容易因局部不適而給出不準(zhǔn)確的整體熱感覺評(píng)價(jià)。

1.2 熱舒適模型

關(guān)于人體著裝熱舒適評(píng)價(jià)的生理模型較多，但當(dāng)前應(yīng)用在被服系統(tǒng)的熱舒適評(píng)價(jià)主要分為2類：一種是在Fanger的PMV-PPD模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的熱舒適模型；另一種是在Gagge的兩節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的熱生理模型。

Lin等[4]提出了修正的PMV-PPD模型，假設(shè)人體在睡眠時(shí)保持不動(dòng)，代謝率維持在40 W/m2，皮膚處在無感排汗的理想狀態(tài)，平均皮膚溫度為34.6 ℃，并用寢具的總熱阻代替服裝的熱阻，建立了適用于睡眠環(huán)境的熱舒適方程。Song等[20]進(jìn)一步將人體分為頭部和被子覆蓋區(qū)域，建立了睡眠熱舒適的部分熱感覺與整體不滿意PTS-WPD模型，PTS提供了頭部和被覆蓋區(qū)域的局部熱感覺，WPD模型將每個(gè)單獨(dú)的局部熱感覺集中到熱環(huán)境評(píng)價(jià)的綜合性指標(biāo)中，確定了室內(nèi)熱環(huán)境與床氣候的耦合熱舒適區(qū)。

基于Gagge的兩節(jié)點(diǎn)模型，Pan等[21]提出了修正的四節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)睡眠時(shí)的皮膚層進(jìn)行了細(xì)致的劃分，分為裸露在外的皮膚、被子覆蓋的皮膚、與墊子接觸的皮膚3部分；皮膚溫度設(shè)定為34.6 ℃，核心體溫設(shè)定隨睡眠時(shí)間變化微調(diào)；睡眠中REM和NREM期交替出現(xiàn)，根據(jù)2個(gè)時(shí)期生理調(diào)節(jié)反應(yīng)的不同，將睡眠期間生理調(diào)節(jié)反應(yīng)劃分為2部分。修正的四節(jié)點(diǎn)模型能夠用來預(yù)測(cè)睡眠人體的熱生理反應(yīng)。然而，該模型并沒有對(duì)覆蓋被子的人體進(jìn)行驗(yàn)證，也沒有進(jìn)行參數(shù)化研究，模型的準(zhǔn)確性有待檢驗(yàn)。

2 被服系統(tǒng)熱舒適性的影響因素

圖1為當(dāng)人體睡眠處于熱舒適狀態(tài)時(shí)，人體產(chǎn)熱與散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的示意圖。由圖可知，被服系統(tǒng)(熱阻、濕阻)、人體(平均皮膚溫度、代謝率)、環(huán)境(溫度、濕度、風(fēng))均會(huì)影響睡眠人體的舒適性。

2.1 被服系統(tǒng)

被服系統(tǒng)總熱阻和總濕阻作為睡眠熱平衡方程的重要變量對(duì)睡眠熱舒適性有顯著影響。通過在低溫環(huán)境中增加被服系統(tǒng)的熱阻，高溫環(huán)境中減少被服系統(tǒng)的熱阻，有利于在較低能耗情況下實(shí)現(xiàn)熱舒適。

被服系統(tǒng)的總熱阻受被子覆蓋人體面積的百分比、被子種類及填充物質(zhì)量、睡衣、床墊類型、大氣壓力等因素共同影響[22-24]。被服系統(tǒng)總熱阻隨覆蓋面積百分比的增加而增加；填充材料的種類對(duì)寢具熱阻的影響比較有限，與面密度相比，被子的厚度對(duì)總熱阻的影響更大；長(zhǎng)袖睡衣比半袖睡衣能夠提供更多的熱阻；使用棕梆床墊的總熱阻比普通席夢(mèng)思床墊要??；氣壓會(huì)影響被服系統(tǒng)與環(huán)境間的對(duì)流換熱系數(shù)，使被服系統(tǒng)總熱阻隨大氣壓力的降低而升高。亞熱帶地區(qū)常用被服系統(tǒng)的總熱阻約為0.90～4.89 clo，具體如表1所示。

表1 亞熱帶地區(qū)常見被服系統(tǒng)熱阻Tab.1 Total insulation values for bedding systems used in subtropics

被服系統(tǒng)的存在，使人體和被服之間形成了一個(gè)被內(nèi)微氣候，微氣候作為“人體—被服—環(huán)境”系統(tǒng)中重要的一部分，對(duì)睡眠熱舒適的影響比室溫更大[25]。被內(nèi)微氣候的溫濕度高于環(huán)境[26]，熱舒適時(shí)被內(nèi)微氣候的溫度大約在30 ℃左右，濕度維持在40%～60%，測(cè)量方式和位置的不同，結(jié)果可能會(huì)存在一定差異[27-29]。在寒冷的冬季使用電熱毯從底層進(jìn)行加熱，可以提高被內(nèi)微氣候溫度[30]，在較低能耗的情況下保證睡眠的熱舒適[31]，如何能夠真正地實(shí)現(xiàn)智能控溫是此類產(chǎn)品需要解決的技術(shù)問題。

2.2 人 體

睡眠時(shí)人體對(duì)寒冷的敏感性有明顯的個(gè)體差異。男性跟女性相比，冷不適時(shí)能承受更低的溫度，熱不適時(shí)能承受更高的溫度[28]，女性更喜歡中性偏溫暖的環(huán)境，男性更喜歡中性偏涼的環(huán)境[14]，因此，當(dāng)被服系統(tǒng)提供的熱阻相同時(shí)，維持舒適睡眠所需的室內(nèi)溫度，女性一般高于男性[4]。相同溫度下，男性的睡眠質(zhì)量要好于女性，深度睡眠時(shí)間比女性長(zhǎng)[32]。

人體睡眠熱舒適性與睡眠姿勢(shì)和人體運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。當(dāng)人體感受到熱時(shí)，會(huì)自覺地伸展身體，溫度越高，身體就越伸展；當(dāng)人體感到寒冷時(shí)，人體會(huì)自動(dòng)蜷縮起來，把手臂和腿靠近身體；當(dāng)人體感覺舒適時(shí)，會(huì)仰臥在床上，伸直雙腿，把手靠近身體，稍微張開雙腳或者側(cè)躺微蜷[15]。

2.3 環(huán) 境

2.3.1 溫 度

溫度是影響睡眠的重要因素，睡眠時(shí)的熱中性溫度一般高于清醒時(shí)[9]。熱中性溫度也隨季節(jié)發(fā)生變化，通常冬季更低[33]。關(guān)于溫度對(duì)睡眠熱舒適的影響研究，主要分為3類：低溫環(huán)境、高溫環(huán)境、變溫環(huán)境。當(dāng)被服系統(tǒng)總熱阻較低時(shí)，如受試者僅穿著簡(jiǎn)單的內(nèi)衣且不覆蓋被子的情況下，低溫環(huán)境和高溫環(huán)境都會(huì)使受試者覺醒的頻率和時(shí)間增加，SWS期時(shí)長(zhǎng)縮短，睡眠主觀感受變差[34]。

現(xiàn)實(shí)生活中，人們休息時(shí)一般會(huì)選擇穿著睡衣和蓋被子，即使環(huán)境溫度變化幅度很大，被內(nèi)微氣候仍能夠保持相對(duì)穩(wěn)定[35]。受試者在低溫環(huán)境下進(jìn)行睡眠實(shí)驗(yàn)，睡眠潛伏期、睡眠效率指數(shù)和睡眠持續(xù)時(shí)間與舒適睡眠時(shí)沒有明顯差別，考慮到低溫環(huán)境可能會(huì)影響心臟的自主神經(jīng)反應(yīng)，臥室中的環(huán)境溫度應(yīng)高于10 ℃[36]。睡眠初期涼爽舒適的環(huán)境會(huì)使睡眠潛伏期增長(zhǎng)，推遲睡眠的開始，為了快速入睡，臥室的空氣溫度在睡眠初期也不宜過低[37]。高溫環(huán)境下被服系統(tǒng)熱阻能夠調(diào)節(jié)的范圍有限，睡眠期間人體會(huì)出現(xiàn)生理調(diào)節(jié)反應(yīng)導(dǎo)致覺醒，室溫高于熱舒適溫度時(shí)會(huì)明顯干擾睡眠[38]。

通常來說，在8 h的睡眠過程中，室內(nèi)溫度可能會(huì)發(fā)生一定的變化。通過在睡眠期間進(jìn)行變溫實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，舒適溫度附近較大范圍(6 ℃)的波動(dòng)會(huì)對(duì)睡眠產(chǎn)生不利影響。高溫環(huán)境主要影響SWS期為主的睡眠前期，而低溫環(huán)境主要影響REM期為主的睡眠后期，REM期對(duì)外界溫度的變化比NREM期更為敏感[39-40]。而室溫在熱中性溫度附近小幅度(2 ℃)循環(huán)波動(dòng)或者升溫對(duì)睡眠無明顯影響[41]，小幅度降溫在一定程度上可以提高睡眠質(zhì)量[42]。

2.3.2 濕 度

室溫接近熱中性溫度時(shí)，濕度對(duì)睡眠的影響較小。高溫環(huán)境下，高濕會(huì)降低人體蒸發(fā)散熱，進(jìn)一步加深高溫對(duì)睡眠的不利影響[43]。在睡眠前期進(jìn)行濕熱暴露比后期暴露對(duì)睡眠的不利影響更嚴(yán)重。濕熱暴露抑制了睡眠前期的SWS，使覺醒增加，身體降溫效應(yīng)延遲，而在睡眠后一段時(shí)間進(jìn)行濕熱暴露時(shí)沒有發(fā)生這一現(xiàn)象[39]。

2.3.3 風(fēng)

風(fēng)在睡眠和日常生活中都是增加熱量散失的有效手段。在高溫高濕的環(huán)境中，在床尾放置風(fēng)扇，可以減輕熱負(fù)荷，降低睡眠中的覺醒，但是并沒有改善高溫高濕帶來的不適感[44]。Li等人建立了床側(cè)送風(fēng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位于人體呼吸區(qū)的床側(cè)送風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，即使送風(fēng)溫度稍高于室內(nèi)溫度且人體面部無風(fēng)感，受試者仍會(huì)感覺涼爽且出現(xiàn)平均皮膚溫度下降的情況[45]。關(guān)于通風(fēng)引起的室內(nèi)空氣質(zhì)量變化是否會(huì)對(duì)睡眠產(chǎn)生影響尚不明確[46]。

3 研究不足和展望

盡管關(guān)于睡眠熱舒適已經(jīng)展開了一部分研究，但很多睡眠熱舒適的理論都是在清醒狀態(tài)人體熱舒適研究的成果上推導(dǎo)而來的，如何將目前假人測(cè)試和人體測(cè)試取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)理論結(jié)合起來，構(gòu)建普遍適用的“人體—被服—環(huán)境”系統(tǒng)的睡眠熱舒適模型，還需要進(jìn)一步的探索，其未來的發(fā)展趨勢(shì)可以從以下幾個(gè)方面考慮。

3.1 研究的人群范圍較窄

當(dāng)前關(guān)于睡眠熱舒適的研究，受試者的年齡段集中20歲左右的年輕人，對(duì)于老年人和兒童的研究較少。不同年齡段人群具有不同的生理特征，通過調(diào)整室內(nèi)環(huán)境和被服，能夠滿足不同的熱舒適要求，提高人類的睡眠質(zhì)量。不同年齡段人群睡眠熱生理的變化及對(duì)熱環(huán)境的不同要求有待進(jìn)一步研究。當(dāng)前的研究主要集中在對(duì)單人單床進(jìn)行研究，關(guān)于家庭單床多人環(huán)境和醫(yī)院病房、火車臥鋪、學(xué)生宿舍等多床環(huán)境的研究不足。

3.2 關(guān)于被服系統(tǒng)的研究不足

當(dāng)前關(guān)于被服系統(tǒng)的研究主要集中在熱阻值上，被服系統(tǒng)種類多樣，需要深入研究不同種類、不同面密度的填充材料，不同被套種類，以及被服系統(tǒng)的濕阻對(duì)熱舒適的影響。目前關(guān)于被服系統(tǒng)的熱阻的測(cè)量都假設(shè)人體處于平躺狀態(tài)，但睡眠是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)8 h的過程，人體不可能一直保持同一姿勢(shì)，睡眠姿勢(shì)對(duì)被服系統(tǒng)熱阻的影響需要進(jìn)一步研究，需要建立更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型。

3.3 局部通風(fēng)或降溫對(duì)睡眠影響研究不足

室內(nèi)局部通風(fēng)可使人在高于熱舒適溫度的環(huán)境中保持舒適，有助于高溫高濕環(huán)境下的睡眠，但是近距離送風(fēng)是否會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不利影響尚不明確。同時(shí)，送風(fēng)會(huì)在一定程度上改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，空氣質(zhì)量可能是影響睡眠質(zhì)量的另一個(gè)重要因素，需要更多的研究來探討關(guān)于空氣質(zhì)量對(duì)睡眠的影響。睡眠期間小幅度的降溫可在一定程度上提高睡眠的舒適性，但是過低的溫度可能會(huì)影響心臟的自主神經(jīng)活動(dòng)，關(guān)于降溫的積極作用，需要結(jié)合人體睡眠熱生理，對(duì)降溫的開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、降溫幅度等進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

3.4 睡眠熱生理模型研究有待加強(qiáng)

目前利用計(jì)算機(jī)建立生理調(diào)節(jié)模型研究人體的熱生理反應(yīng)發(fā)展相對(duì)比較成熟，從兩節(jié)點(diǎn)模型到多節(jié)點(diǎn)多層模型，都被證實(shí)可有效地預(yù)測(cè)清醒人體的熱生理反應(yīng)。然而，針對(duì)睡眠人體熱生理模型的研究非常少。睡眠人體與直立著裝人體模型的主要區(qū)別在于：人體的局部傳熱不同；皮膚溫度和核心體溫的設(shè)定值不同；睡眠過程中REM和NREM交替出現(xiàn)，2個(gè)時(shí)期生理調(diào)節(jié)反應(yīng)不同。針對(duì)睡眠人體建立熱生理模型可開展參數(shù)化研究，提高研究效率，減少實(shí)驗(yàn)成本，并可預(yù)測(cè)極端環(huán)境下的人體熱生理反應(yīng)，提高睡眠舒適性。

4 結(jié)束語

睡眠人體舒適性的研究逐步引起廣泛關(guān)注，本文首先總結(jié)了當(dāng)前常用的評(píng)價(jià)睡眠熱舒適的基本方法，包括客觀評(píng)價(jià)、主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)以及熱舒適模型，其次從被服、人體、環(huán)境3個(gè)方面系統(tǒng)地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)取得的研究進(jìn)展。目前關(guān)于睡眠熱舒適研究主要集中在單個(gè)因素對(duì)睡眠的影響上，許多成果都是建立在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，沒有很好地將理論和實(shí)際結(jié)合起來，基于“人體—被服—環(huán)境”系統(tǒng)的整體研究較少，建立普遍適用的睡眠熱舒適模型勢(shì)在必行。