朱宏亮，韓兆星，余松林，胡祝強，王慧泉△

(1.天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院，天津 300100；2.中國礦業(yè)大學 資源與安全工程學院，北京 100083； 3.天津計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津 300192)

1 引 言

低溫作業(yè)在我國眾多領域均有涉及，國家標準GB/T14440-1993《低溫作業(yè)分級》規(guī)定，作業(yè)人員在生產(chǎn)勞動過程中，其工作地點平均氣溫等于或低于5℃的作業(yè)即為低溫作業(yè),按工作地點的溫度和低溫作業(yè)時間率，可將低溫作業(yè)分為四級，級別越高環(huán)境越惡劣[1-3]。盡管在低溫作業(yè)環(huán)境下有足夠保暖的衣服，但作業(yè)人員身體仍有裸露部分，受冷后均會對人體產(chǎn)生局部性或全身性冷感，且長時間在低溫下暴露會影響腦功能，使注意力不集中，對心血管系統(tǒng)也有所影響[1]。因此，本研究通過模擬低溫作業(yè)人員在低溫環(huán)境下的心電來進行分析，旨在為低溫作業(yè)人員提供安全保障，及時預警，提高作業(yè)效率。

2 實驗研究

2.1 實驗環(huán)境及實驗對象

本實驗選用多因素復合環(huán)境實驗艙作為實驗環(huán)境，該艙溫度控制在-50℃～60℃，相對濕度控制在10%～90%，最大風速可達30 m/s。另外，根據(jù)全國主要城市低溫分布數(shù)據(jù)(見表1)，將實驗環(huán)境定在-10℃。

為了更好模擬應急救援人員，本實驗樣本選取3名身體健康、無凍傷史的男性志愿者，年齡23～25周歲，身高(173.2±3.5)cm，體重(65.7±8.5)kg。平時體育訓練水平一般，無心血管疾病，無心率異常。實驗前不劇烈運動，不飲酒，不喝咖啡，未服用對心血管系統(tǒng)有影響的藥物。

表1 全國主要城市綜合溫度Table 1 Comprehensive temperature of major cities in China

注：中央氣象臺1951～1980年氣象資料統(tǒng)計。

2.2 實驗方法

使用采樣率為256 Hz的EQ02 life monitor背帶式心電設備同時采集3名受試者心電信息。首先由工程師將艙內(nèi)的溫度設定在-10℃，待3名受試者佩戴好設備，穿好衣服，戴好帽子，但是不帶手套，常溫檢測10 min心電。然后3名受試者從常溫下進入-10℃模擬艙，每10 min測試一次心電，記錄并保存數(shù)據(jù)。40 min后出艙開始緩和20 min，緩和期間對3名受試者每10 min檢測一次心電，緩和后再對受試者進行10 min心電檢測，查看恢復情況。實驗后對進艙前、低溫下和緩和期間的心電進行時域、頻域和非線性分析。

2.3 分析方法

2.3.1 時域分析 HRV時域分析為心臟和心血管生理狀況的評估和預測起到重要作用。本研究采用的時域分析指標為：平均正常RR間期的標準差(SDNN)、相鄰RR間期差的均方根(RMSSD)、相差大于50 ms的相鄰RR間期占RR間期總數(shù)的百分比(PNN50)[4]。

2.3.2 頻域分析 頻域分析即功率譜分析。相對于時域分析，心率變異性的頻域分析是從頻譜分析的角度對心率變異性變化的規(guī)律進行更深層次分析，常見的信號功率譜密度分析方法有經(jīng)典功率譜分析和現(xiàn)代參數(shù)建模法[5]。經(jīng)典功率譜分析法的數(shù)據(jù)量小，譜分辨率低，能量會發(fā)生泄露的現(xiàn)象，而AR模型法可以提高譜分辨率。因此針對本研究數(shù)據(jù)，采用AR模型法進行頻域分析。頻域分析指標為：低頻成分(LF，0.04～0.15 Hz)、高頻成分(HF，0.15～0.4 Hz)、總功率(TP，0.003～0.4 Hz)[6-7]。

2.3.3 非線性分析 本研究采用非線性指標Poincare散點圖作為非線性分析方法。Poincare散點圖是常用的心率變異性非線性分析研究，又稱Lorenz散點圖，是具有混沌特性的多維“空間結(jié)構”截面圖。因此，用Poincare散點圖來表征相關生理特性，可以反映心臟跳動的瞬時變化，也可以反映出外界環(huán)境對心臟的影響。

2.4 統(tǒng)計學方法

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

3.1 心率變異性時域分析

表2 時域結(jié)果統(tǒng)計表Table 2 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

3名受試者時域結(jié)果見表2，SDNN、RMSSD、pNN50隨著時間變化，存在顯著性差異。進艙前SDNN、RMSSD和pNN50的值相對低溫下1～10 min的值發(fā)生變化。在-10℃低溫條件下，前30 min的SDNN、RMSSD和pNN50逐漸減小，在30～40 min時，SDNN、RMSSD、pNN50(P<0.05)值最大，SDNN(P<0.05)、RMSSD、pNN50緩和時10～20 min值最大。緩和后SDNN、RMSSD和pNN50的值減小，值接近進艙前，時域指標變化見圖1。

圖1時域指標變化

Fig.1Change of time domain indicators

3.2 頻域分析

3名受試者頻域結(jié)果見表3，在進艙前和低溫1～10 min下的TP、HF和LF發(fā)生變化，其值均減小且無顯著性差異。TP、HF和LF在低溫下30～40 min的值最大，其中HF(P<0.05)有顯著差異，出艙緩和1～10 min的TP、HF和LF減小，在10～20 min達到最大，且TP(P<0.5)有顯著性差異。緩和后1～10 min的TP、HF和LF減小，值接近進艙前，頻域指標變化見圖2。

表3 頻域結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Time domain result table

注：*P<0.05，**P<0.01。

圖2 頻域指標變化Fig.2 Change of frequency domain indicators

3.3 非線性分析

健康人的Poincare散點圖呈現(xiàn)彗星狀，在患有心血管疾病的人群中Poincare散點圖會呈現(xiàn)扇形，短棒狀和復雜形。3名受試者在進艙前、低溫下、緩和間期和緩和后得到的散點圖基本為彗星狀，其中一名受試者在進艙前、低溫下、緩和間期和緩和后的散點圖見圖3。

圖3 散點圖Fig.3 Scatter plot

4 分析與討論

本研究通過對時域和頻域的分析發(fā)現(xiàn)，從常溫進入-10℃的低溫環(huán)境，時域中SDNN、RMSSD和pNN50，頻域中TP、HF、LF的值均先減小再升高，在30～40 min后的值達到最大，緩和20 min后均恢復正常。通過SDNN值的變化說明在低溫下30 min后，自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能大幅度提高。緩和20 min后，自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能大致恢復。pNN50和RMSSD的值的變化說明低溫30 min后，副交感神經(jīng)活性增強,20 min后恢復到正常水平。HF和LF在進艙前和低溫中的值發(fā)生變化，說明迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)活性發(fā)生變化，在30 min后迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)活性大幅度提高，緩和20 min后，恢復到正常水平。通過對散點圖的分析，得知在低溫下40 min并不會引發(fā)心血管等疾病。

本研究雖然未發(fā)現(xiàn)頻域指標在低溫40 min內(nèi)有顯著性差異，但發(fā)現(xiàn)反應的趨勢與時域結(jié)果基本一致。此外本研究發(fā)現(xiàn)低溫對交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)影響程度不同，這種差異的具體原因和機制還有待進一步研究。