賀 帥，張英華，張 歌，黃志安，高玉坤

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

供氣式呼吸防護(hù)裝備是在惡劣環(huán)境中保護(hù)人體呼吸系統(tǒng)的防護(hù)器具。其通過(guò)將呼吸系統(tǒng)與外部環(huán)境隔離，使人免受有害因素的傷害。佩戴呼吸防護(hù)裝備時(shí)，裝備與人體構(gòu)成的呼吸微環(huán)境對(duì)于佩戴者的健康與舒適至關(guān)重要，良好的呼吸微環(huán)境可以保證佩戴者的安全和舒適[1-2]。

影響裝備內(nèi)部呼吸微環(huán)境的因素主要為裝備的供氣參數(shù)和人體呼吸參數(shù)，而供氣參數(shù)的調(diào)節(jié)需要根據(jù)人體呼吸狀態(tài)進(jìn)行。呼吸參數(shù)作為人體的生理指標(biāo)，受勞動(dòng)強(qiáng)度狀態(tài)影響較大[3-4]，不同勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)使人體呼吸頻率、呼吸壓力以及呼氣成分等發(fā)生明顯變化，進(jìn)而對(duì)防護(hù)裝備內(nèi)的呼吸微環(huán)境造成影響[5-8]，因此，研究人體的呼吸參數(shù)對(duì)于保障呼吸微環(huán)境的穩(wěn)定至關(guān)重要。

據(jù)此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)，開(kāi)展多組不同勞動(dòng)強(qiáng)度下人體呼吸參數(shù)實(shí)驗(yàn)，獲得呼吸參數(shù)變化規(guī)律，為防護(hù)裝備呼吸微環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

1 勞動(dòng)強(qiáng)度的表征

勞動(dòng)強(qiáng)度是指勞動(dòng)者在勞動(dòng)過(guò)程中所消耗的體力強(qiáng)度，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，受到勞動(dòng)時(shí)間、勞動(dòng)類型、勞動(dòng)姿勢(shì)以及個(gè)體差異的影響[9]。為了在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)際工作中的不同勞動(dòng)強(qiáng)度，需要對(duì)人體實(shí)際勞動(dòng)量進(jìn)行計(jì)算，并提供實(shí)驗(yàn)室條件下可操作的統(tǒng)一指標(biāo)來(lái)表征勞動(dòng)等級(jí)。

我國(guó)現(xiàn)行的體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為GBZ/T 189.10-2007《工作場(chǎng)所物理因素測(cè)量 第10部分:體力勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)體力勞動(dòng)的分級(jí)以及勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)的計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定和闡述。其中體力勞動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算方法如式(1)所示：

I=Rt·M·S·W·10

(1)

式中:I為體力勞動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)；Rt為勞動(dòng)時(shí)間率，%；M為8 h工作日平均能量代謝率，kJ/min·m2；S為性別系數(shù)(男性取1，女性取1.3)；W為體力勞動(dòng)方式系數(shù)(搬=1，扛=0.4，推/拉=0.05)；10 為計(jì)算常數(shù)。

根據(jù)式(1)可知，體力勞動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)是關(guān)于平均能量代謝率和體力勞動(dòng)時(shí)間率的函數(shù)，其中考慮了性別差異以及勞動(dòng)形式差異，但是并未體現(xiàn)勞動(dòng)個(gè)體之間的差異，其實(shí)質(zhì)上仍然以能量代謝率來(lái)劃分勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)，且實(shí)際操作性較差，并不具備快速評(píng)判勞動(dòng)強(qiáng)度的條件。

研究表明[10-11]，心率與人體耗氧量、能量代謝率等指標(biāo)有較強(qiáng)相關(guān)性，動(dòng)態(tài)心率可以用來(lái)表征人體勞動(dòng)強(qiáng)度。以心率表征勞動(dòng)強(qiáng)度，可以不考慮具體勞動(dòng)形式，只要?jiǎng)趧?dòng)過(guò)程中，心率穩(wěn)定在某一范圍，即可認(rèn)為當(dāng)前體力勞動(dòng)達(dá)到對(duì)應(yīng)等級(jí)。為消除個(gè)體基礎(chǔ)心率差異影響，本文采用相對(duì)心率指數(shù)(Relative Heart Rate Index，RHRI)為指標(biāo)，表示不同體力勞動(dòng)等級(jí)。相對(duì)心率指數(shù)表示的是人體活動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定階段瞬時(shí)心率平均值與靜息狀態(tài)的基礎(chǔ)心率平均值之比，如式(2)所示。

(2)

對(duì)已有研究數(shù)據(jù)[12]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得出以相對(duì)心率指數(shù)為指標(biāo)的勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)劃分表，結(jié)果如表1所示。

表1 RHRI與勞動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between RHRI and labor intensity levels

根據(jù)式(2)，在已知被試者基礎(chǔ)心率平均值的情況下，瞬時(shí)心率平均值的計(jì)算公式為：

(3)

結(jié)合表2中的勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)與RHRI的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到被試者在某一勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)下的活動(dòng)心率范圍，以此便可表征被試者勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)。圖1為不同基礎(chǔ)心率下，瞬時(shí)心率平均值在各勞動(dòng)強(qiáng)度下的取值范圍。

圖1 不同基礎(chǔ)心率下各勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)瞬時(shí)心率平均值范圍Fig.1 Range of average values for instantaneous heart rate corresponding to each labor intensity under different baseline heart rates

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取10名健康成年男性在校研究生為被試者，平均年齡，身高，體重以及體重指數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)分別為24.4±1.5 yrs，173.8±2.5 cm, 65.8±1.5 kg, 21.8±0.46 kg·m-2。所有被試者身體健康，無(wú)不良嗜好，日常作息規(guī)律，參加實(shí)驗(yàn)前身體狀態(tài)良好。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要采集的數(shù)據(jù)為絕對(duì)心率值、呼吸壓力值以及呼出氣體樣品。采用自主構(gòu)建的心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以氣體樣品袋收集不同勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)下被試者的呼出氣樣品。圖2是心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)各部件連接佩戴示意圖以及參數(shù)信息采集系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯圖。

圖2 心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)各部件連接佩戴示意以及參數(shù)信息采集系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯Fig.2 Schematic diagram for connecting and wearing of each component in acquisition system of heart rate and respiratory parameters and operation logic of parameter information acquisition system

如圖2(a)所示，心率及呼吸參數(shù)采集系統(tǒng)包括光學(xué)心率傳感器、呼吸壓力傳感器、信號(hào)傳輸線路、信號(hào)處理微控制器、數(shù)據(jù)采集器，輔助部分包括呼吸面具以及呼吸管路等。呼吸面具佩戴于被試者頭部并覆蓋口鼻部分，呼吸壓力傳感器和信號(hào)處理微控制器分別設(shè)置在呼吸面具內(nèi)部及外部，光學(xué)心率傳感器佩戴于被試者指尖和耳垂部位，各傳感器，信號(hào)處理微控制器以及數(shù)據(jù)采集器通過(guò)信號(hào)傳輸線路連接，呼吸管路用于采集呼氣樣本。

圖2(b)為系統(tǒng)運(yùn)行邏輯圖，被試者的呼吸數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器組進(jìn)行采集并以數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的形式傳輸至微控制器，微控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行初步處理，通過(guò)串口通訊方式傳送至計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)端對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，存儲(chǔ)，計(jì)算和分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，測(cè)量記錄基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算該被試者不同勞動(dòng)強(qiáng)度下的瞬時(shí)心率均值范圍，佩戴數(shù)據(jù)采集裝備。

2)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，被試者進(jìn)行體力活動(dòng)，活動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)心率值，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)時(shí)開(kāi)始記錄呼吸壓力，呼吸頻率數(shù)據(jù)，期間每隔1 min采集呼氣樣本，共采集5組，最后保存數(shù)據(jù)。

3)停止實(shí)驗(yàn)，并準(zhǔn)備下一組。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 呼吸強(qiáng)度及頻率變化分析

人體在進(jìn)行不同強(qiáng)度的體力活動(dòng)時(shí)，身體各項(xiàng)生理參數(shù)都發(fā)生較大變化，心率、呼吸頻率和強(qiáng)度都明顯增加。圖3所顯示的為被試者在不同勞動(dòng)強(qiáng)下所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)心率變化曲線以及呼吸相對(duì)壓力變化曲線，壓力變化的幅度可反映呼吸強(qiáng)度大小，波形的密集度反映呼吸頻率的變化，呼吸相對(duì)壓力正值代表呼氣過(guò)程，而負(fù)值代表吸氣過(guò)程。

圖3 瞬時(shí)心率及呼吸相對(duì)壓力曲線Fig.3 Curves of instantaneous heart rate and relative respiratory pressure

圖3顯示，在靜息狀態(tài)下，被試者心率較為平穩(wěn)，變化及波動(dòng)不明顯，基本處于穩(wěn)定水平，在數(shù)據(jù)采集的60 s內(nèi)，瞬時(shí)心率平均值保持在70 BPM左右，處于正常水平，對(duì)應(yīng)的呼吸曲線，波形整體較為穩(wěn)定，呼吸頻率為14.5次/min，最大相對(duì)吸氣壓力為-90 Pa，最大相對(duì)呼氣壓力為+55 Pa，具體各勞動(dòng)強(qiáng)度下的心率及呼吸參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同勞動(dòng)強(qiáng)度下的心率及呼吸參數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Data of heart rate and respiratory parameters under different labor intensities

注：表中壓力為相對(duì)值，正負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)呼氣和吸氣過(guò)程。

分析表2數(shù)據(jù)可知，隨著勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，平均心率、最大呼氣吸氣壓力以及呼吸頻率都呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。1級(jí)和2級(jí)勞動(dòng)強(qiáng)度下的平均心率有所增長(zhǎng)但不明顯，所對(duì)應(yīng)的呼吸強(qiáng)度增加較為明顯，最大呼吸相對(duì)壓力分別達(dá)到了+77/-107 Pa和+117/-140 Pa，為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的1.4/1.18倍和2.13/1.56倍；在3級(jí)勞動(dòng)強(qiáng)度下，平均心率達(dá)到127 BPM，身體處于重度負(fù)荷，此狀態(tài)下的呼吸頻率及呼吸強(qiáng)度也都處于較高水平，相比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，呼吸壓力分別達(dá)到3.64倍和2倍，呼吸頻率為1.38倍，身體需氧量和代謝水平提高明顯。

樣本熵是一種評(píng)價(jià)時(shí)間序列復(fù)雜度的指標(biāo)，可用來(lái)描述復(fù)雜系統(tǒng)的不規(guī)則性，越是不規(guī)則的時(shí)間序列對(duì)應(yīng)的樣本熵越大，反之越小，常用于觀測(cè)得到的生理信號(hào)時(shí)間序列的非線性檢測(cè)與分析[13-16]。

通過(guò)編程對(duì)4個(gè)狀態(tài)下的心率信號(hào)以及呼吸信號(hào)樣本熵進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步分析呼吸和心率信號(hào)的規(guī)律性，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同勞動(dòng)強(qiáng)度下的心率及呼吸信號(hào)的樣本熵Table 3 Sample entropy of heart rate and respiratory signals under different labor intensities

分析表3可知，心率信號(hào)的樣本熵值在靜息狀態(tài)最低，為0.002 7，說(shuō)明心率穩(wěn)定，波動(dòng)不明顯，在1級(jí)和2級(jí)狀態(tài)時(shí)，心率樣本熵出現(xiàn)2級(jí)較1級(jí)更低的現(xiàn)象，但總體較為平穩(wěn)，在3級(jí)勞動(dòng)狀態(tài)時(shí)，心率樣本熵為0.465 1，表明該狀態(tài)下被試者心率波動(dòng)較大，運(yùn)行并不平穩(wěn)。

對(duì)于圖3中的呼吸壓力-時(shí)間曲線，結(jié)果的規(guī)律性較為明顯，隨著勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，呼吸壓力曲線的樣本熵呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，呼吸模式趨于穩(wěn)定，呼吸變異的可能性降低。原因是隨著勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，身體對(duì)O2的需求量以及CO2等廢氣的排出成為首要需求，保障呼吸活動(dòng)的穩(wěn)定性，以維持身體在較高負(fù)荷條件的持續(xù)運(yùn)行。

3.2 呼出氣主要組分變化分析

人體在不同活動(dòng)狀態(tài)下，呼出氣的主要組分也隨之變化，最明顯的就是O2的減少以及CO2的增加，二者對(duì)于人體的呼吸調(diào)節(jié)和身體各項(xiàng)機(jī)能的正常運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)在被試者進(jìn)行不同勞動(dòng)強(qiáng)度的體力活動(dòng)過(guò)程中采集被試者呼出氣樣本，運(yùn)用安捷倫GC7890B氣相色譜分析系統(tǒng)對(duì)氣樣成分進(jìn)行定量分析，得到各個(gè)勞動(dòng)強(qiáng)度下呼出氣成分變化規(guī)律，由于吸入氣中的氮?dú)庖约捌渌麣怏w均不參加人體的生理活動(dòng)，可以認(rèn)為基本保持不變。

圖4為呼出氣主要組分隨勞動(dòng)強(qiáng)度的變化情況，從圖中可以看出，隨著勞動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)的增加，呼出氣中CO2和H2O的含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而O2濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在靜息狀態(tài)下，呼出氣中的O2濃度最高，達(dá)到16.2%，對(duì)應(yīng)的CO2濃度為3.04%，H2O含量為1.71%；在勞動(dòng)等級(jí)為3級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)勞動(dòng)強(qiáng)度為重度的條件下，O2濃度下降程度明顯，最低降至11.5%，而CO2濃度則上升至5.32%，同時(shí)H2O含量也上升至4.13%。

圖4 呼出氣關(guān)鍵組分隨勞動(dòng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of key components of exhaled gas with labor intensity

以靜息狀態(tài)下呼吸氣中CO2，O2以及H2O含量為基準(zhǔn)，分析3種成分的絕對(duì)變化增量以及相對(duì)增率，結(jié)果如表4所示。

表4 CO2,O2以及H2O絕對(duì)增量與相對(duì)增率Table 4 Absolute and relative growth rates of CO2, O2 and H2O

表4數(shù)據(jù)表明，相對(duì)于靜息狀態(tài)下各氣體濃度，在勞動(dòng)強(qiáng)度增加時(shí)，CO2與H2O的絕對(duì)增量變大，H2O的絕對(duì)增量在1級(jí)與CO2增量相當(dāng)，但在2級(jí)和3級(jí)時(shí)，其增量都大于CO2增量；相反，O2濃度為負(fù)增長(zhǎng)。對(duì)比相對(duì)增率可以發(fā)現(xiàn)，CO2的相對(duì)增率在3級(jí)重度勞動(dòng)強(qiáng)度時(shí)達(dá)到了75.15%，而H2O的相對(duì)增率達(dá)到了141.97%；同樣，O2濃度下降明顯，相對(duì)增率為-29.01%。各成分變化并非線性規(guī)律，絕對(duì)增量變大的同時(shí)，增速降低，表明隨勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，呼吸機(jī)能也逐漸趨于極限。

4 結(jié)論

1)實(shí)時(shí)心率的采集具有便利性和可操作性，以相對(duì)心率表征勞動(dòng)強(qiáng)度可以消除個(gè)體差異以及勞動(dòng)形式差異，可作為實(shí)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度表征指標(biāo)。

2)不同勞動(dòng)強(qiáng)度對(duì)人體呼吸參數(shù)影響顯著，呼吸頻率和強(qiáng)度隨勞動(dòng)強(qiáng)度增加變大，最高達(dá)到基礎(chǔ)狀態(tài)的1.38倍和3.64倍，呼吸壓力樣本熵呈下降趨勢(shì)，呼吸模式趨于穩(wěn)定，在開(kāi)展供風(fēng)參數(shù)優(yōu)化研究時(shí)，呼吸壓力和頻率數(shù)據(jù)可作為特定工況的邊界條件。

3)隨勞動(dòng)強(qiáng)度增加，呼出氣中O2含量降低，而CO2與H2O含量明顯增加，各成分變化并非線性規(guī)律，絕對(duì)增量變大的同時(shí)，增速逐漸降低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為調(diào)整供風(fēng)參數(shù)驗(yàn)證呼吸微環(huán)境安全性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。