摘要：高溫熱輻射是冶金、陶瓷、機械熱加工等行業常見的職業危害，其對人體認知能力的影響規律，以及認知能力變化所伴隨的生理心理機制尚不明確。本文以在校大學生為試驗對象，搭建了局部高溫熱輻射試驗平臺，測試了五種熱輻射工況(100、150、200、250、300℃)下，人體生理、心理及認知能力的變化規律，分析了認知能力變化所伴隨的生理心理現象，探討了高溫熱輻射引起人體認知能力變化的生理心理機制。研究發現：短時高溫熱輻射暴露下，人體生理、心理不適隨輻射溫度的升高而加劇;認知測試速度隨輻射溫度的升高而升高;認知測試正確率先升高而后降低，拐點為200℃~250℃。

　　關鍵詞：安全人體學;高溫熱輻射;熱舒適;生理影響;認知能力;主觀影響

　　引言高溫熱輻射作業環境廣泛存在于冶金、陶瓷、機械熱加工等行業[1-3]。隨著科學技術的發展與現代工業的進步，高溫作業車間認知型作業不斷增加，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，因此研究高溫熱輻射環境對現代工人認知能力的影響是很有必要的。2001年，邢娟娟[4]最早對煤礦井下高溫作業的礦工進行了生理方面的測定研究;高溫環境對人的認知能力的試驗研究較少，2020年，ChenY等[5]首次進行試驗研究了高強度活動下環境溫度升高對人的認知能力的影響。現有的高溫熱環境研究主要關注熱環境對人的生理心理影響。

　　張超等人試驗發現[6]，在同等勞動負荷下,人員心血管負荷和主觀疲勞程度與環境溫度存在正相關性;Zheng等[7,8]通過對室內高溫下的人體生理狀況進行試驗發現溫度變化時體溫變化明顯;Macpherson[9]發現，空氣溫度、濕度等對人體熱舒適有重要影響;Mochida等[10]試驗發現，當人的皮膚溫度每變化℃時，熱感覺至少要變化個等級。關于熱環境對人認知能力的影響研究主要集中于辦公環境下的腦力勞動。

　　輻射方向醫學論文： 放射醫務人員輻射防護現狀分析

　　早在20世紀60年代，Pebler就進行了一項室內環境對認知關系影響的試驗[11]，這一試驗為之后的研究奠定了基礎;Seppenan[12]發現在2532℃的室溫下每升高℃人的效率下降2%;CiuW等[13-15]發現在不同的溫度下，不舒適的溫度導致認知能力有所下降。AbbasiAM等[16-18]探討了空氣溫度對人腦和生理反應的影響，研究發現：與22℃相比，30℃和18℃對心率和大腦執行任務的準確度影響更大;這些研究的辦公環境對與高溫熱輻射相關等車間環境差別較大，因而其無法直接應用于局部強熱輻射環境下的認知能力研究。一些研究發現高溫環境對認知能力產生負面影響。

　　試驗發現高溫下運動過后的認知能力是低于運動前的[19-21];此外在33-35℃時Macleod等[22,23]試驗發現被試者運動之后，他們的認知能力測試速度有所提高，而另一些試驗卻發現沒有影響[24];雖然這些研究涉及到了高溫環境，但對熱輻射引起的高溫環境研究尚不足，而熱輻射引起的高溫環境在機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知能力的生理心理機制研究。本文在前人的基礎上探討了高溫熱輻射暴露對人體的生理心理影響，并且通過行為認知能力測試評估了熱輻射對認知能力的影響，分析了認知能力變化對生理心理產生變化的原因機制。研究結果可為熱輻射車間工人提供工效保護依據。

　　1研究方法

　　1.1試驗布置

　　試驗于2020年12月在西安建筑科技大學的一個8m×4m的房間進行，房間內搭建了高溫熱輻射試驗平臺，具有足夠的密閉性和良好的隔熱性能，無異味。試驗過程中室內只有被試者以及記錄人員三名。試驗過程中光照和風速恒定，無其他熱源和噪音。

　　1.2試驗設備

　　試驗中不間斷測量了當前環境的各項數據(包括室內溫度、風速、WBGT、濕度)，根據ASHRAEStandard552017[25]規定，試驗中人體坐姿下環境參數測量儀器放置高度取1.1m。

　　1.3試驗樣本

　　為了減小年齡對人體熱感覺的影響，本次試驗選取10名自愿參與試驗的被試者，試驗對象為21~25歲的在校大學生(男人，女人)。被試者日常生活規律，睡眠充足，飲食習慣良好，無疾病史，參與試驗前一天沒有進行劇烈運動。試驗要求統一著長衣長褲，服裝熱阻約1.25clo(包括椅子熱阻)。

　　十名被試分為組，每組人，試驗采用被試內設計，每位被試者都參與所有工況的試驗。為消除試驗順序的影響，本次試驗采用拉丁方平衡試驗順序。為消除被試者由于試驗帶來的的疲勞狀況，每位被試者每天最多進行一次試驗，每天共做試驗次，分別在當天的10：00、14：00、18：00。此次試驗前對所有被試者進行了多次的重復訓練并且有過一次完整的試驗過程，所有被試者的行為能力測試熟練度已經穩定，所以本次試驗不考慮熟練度對測試速度和準確度所帶來的影響[26]。

　　1.4試驗過程

　　試驗采用一塊曲面高溫輻射電容器控制輻射溫度，設定熱源距離80cm。試驗開始時首先打開熱源以保證試驗熱環境，同時被試者在休息室等候;20min后測試被試者各項生理數據：體溫、脈搏、心率、血氧飽和度、血壓;隨后進入熱輻射試驗平臺靜坐20min適應當前熱環境;之后要求被試者在20min內完成認知行為能力測試，題目完成后再次測試被試者的生理狀況(測試內容同上)，最后填寫主觀調查問卷。試驗全程用時約75min。

　　人體所受熱應力與熱源距離密切相關，為最大限度模擬熱加工車間近距離作業工種，根據《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，將最小測試距離設置為80cm。為驗證被試者在短時的高溫熱輻射下的認知能力，結合日常人的行為方式，對每一部分行為進行時間測試，最終確定感知測試約2min，記憶、思維、警覺各5min，總計約20min[27]為本次認知測試時間。試驗前告知被試者若無法接受當前熱環境時允許隨時終止試驗，本次試驗過程中無人員終止試驗。

　　1.5主觀測量

　　試驗結束后對被試者的熱感覺、環境接受度、工作效率和神經行為癥狀等進行主觀問卷調查。ASHRAE協會[25]提出用級的熱感覺尺度評價人體主觀熱感覺，由于本次試驗是研究高溫熱輻射對人的影響，遠大于辦公環境熱舒適區，所以對熱感覺投票基于ASHARE的分制延伸到了11分制;采用NASATLX(NationalAeronauticsandSpaceAdministrationTaskLoadIndex)主觀評價法評價被試者工作效率及腦力負荷。NASA主觀評價法是目前國內外研究報道較多的心理負荷主觀評價量表，多用于人體工效學領域的研究[28]，每項測試分值為6等級，每級20分，共計100分，0分表示程度最低，100為最高[29]。環境接受度為級評分制，調查被試者是否能接受當前環境。

　　1.6認知測試

　　試驗中進行了神經行為能力測試，用來評估室內熱輻射環境對人的影響，測試內容包括感知、記憶、思維、警覺等，本文選取了數個具有代表性的項目進行測試[30]。

　　1.7數據處理方法

　　試驗采用客觀測量和主觀問卷相結合的方法展開研究。使用SPSS26.0對被試者的客觀生理數據和主觀評價問卷進行統計分析。利用圖和直方圖結合檢驗了數據的正態分布;采用方差分析和配對檢驗對各變量之間進行了顯著性檢驗，顯著性水平設定為P=0.05(雙尾)，確定數據都正確有效并展開試驗結果分析。

　　2試驗結果

　　2.1熱環境物理參數

　　列出了不同工況下熱環境參數。為模擬真實車間環境，試驗過程主要通過熱輻射板控制輻射溫度，無額外加濕裝置，試驗中風速均小于0.01m/s。試驗過程中，環境的光照情況統一。

　　2.2生理反應

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

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

　　3.討論

　　本次試驗發現隨著輻射溫度的上升，被試者的部分生理狀態出現規律性的變化：隨著輻射溫度的不斷升高，被試者的體溫有明顯的升高，同時問卷報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境溫度時，體溫調節中樞使得人體加快新陳代謝，加速散熱，排汗量上升;同時試驗所處環境濕度較低，也使人體能夠更快散熱，所以250℃后試驗前后體溫差值變小。有文獻指出環境溫度升高導致人體血壓下降[33]，本次試驗中250℃以上血壓值波動則考慮是由于環境溫度過高，被試進行行為能力測試時精神狀態處于高度緊張導致血壓升高，加之試驗中大量出汗所致的輕微脫水使人處于應激狀態，這也可能會導致血壓升高。

　　高溫下心率除100℃以外均為試驗后心率高于試驗前。考慮在高溫下人體為了加快散熱，毛細血管擴張、血液循環加快等會導致心率加快;同時血液循環加快所致的血壓降低也會使心率加快。這些生理反映也可能與認知行為能力測試的速度有關：高溫下體溫和排汗量上升、血壓降低等均會引起交感神經興奮的癥狀，進一步出現心率加快、頭暈等生理狀況，這一狀況也使得在短時間內人的循環系統機能亢進，大腦活躍，加快認知測試任務的完成速度。

　　行為能力測試的時間隨體溫的升高而下降，心率大于100次/min時隨心率的升高有較微小的上升趨勢。與之前的研究結論：高溫下認知能力速度增加可能與體溫的增加有關[34]相比，本文熱輻射試驗發現完成認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行活動時可能會增加大腦中與激勵有關的荷爾蒙水平，如去甲腎上腺素和多巴胺神經遞質，最終導致認知能力速度的增加，同時隨著體溫和心率的上升，被試者急于離開當前環境，也會導致認知速度的上升;醫學中定義心率超過100次/min為心率過快，本文試驗中由心率過快帶來的心悸和活動耐量下降等[35]使被試者進行認知測試時感到力不從心，從而降低了認知測試速度。

　　被試的出錯次數與生理變化有關，行為能力的出錯次數隨心率的升高而升高，隨體溫的升高而下降，現有的文獻研究也證明：認知能力的準確性與溫度或心率升高有關[36,37]。也有文獻表明，體溫升高引起副交感神經張力下降，而副交感神經張力的下降與前額葉神經功能[38]的損害有關，后者又與記憶、判斷、分析、思維、操作[39]等一系列認知功能有關，其功能紊亂會導致機體的一系列癥狀，包括頭疼、頭暈、心慌，這些反應也會影響被試者的認知能力。

　　本次高溫熱輻射試驗發現，被試者的感知和思維能力在250℃以內達到最佳狀態;警覺性在00℃以內達到最佳狀態;記憶力在300℃達到最佳狀態。上述結論可推知，在被試者進行短時的200℃30℃以內高溫熱輻射暴露中，他們的認知能力是有一個積極的反饋結果。

　　為了調查熱感覺是否影響認知能力，本文進一步分析了熱感覺投票與認知能力之間的關系，隨著熱感覺投票值的增加，出錯次數呈現先下降后緩慢上升的趨勢，測試用時呈現下降的趨勢。當熱感覺投票為稍熱時(TSV=)，出錯率最低，當熱感覺投票為極不舒適時(TSV=)，所用時間最短。過熱的溫度使被試者心情煩躁、呼吸困難，此時直接表現為認知能力下降，建議熱輻射環境中進行認知作業時保持環境為稍熱，過冷或過熱的環境均會影響認知能力的準確性[32]。

　　本文研究鍛造、鑄造、熱處理等熱加工過程產生的熱輻射對人的影響，采用高溫輻射板進行環境控制，不同于已有高溫熱環境試驗研究的環境控制方法，更接近于工業熱加工車間作業環境。其次，本文在進行正式試驗之前，對所有被試者進行了數次的行為能力測試練習，并且有過一次的完整試驗過程訓練，該過程能夠減小被試者測試熟練度對試驗結果的誤差影響，保證了試驗結果的可靠性。

　　4.結論

　　本文通過高溫輻射板來模擬實際熱加工車間作業環境，分析了短時高溫熱輻射暴露下，人體生理反應、心理感受以及認知能力的變化規律，探討了認知能力變化的生理心理機制。試驗結論如下：

　　(1)短時高溫熱輻射暴露會增加人的中樞神經系統的興奮性，使機體體溫調節功能減弱，試驗中可明顯見到試驗后體溫上升、心率加快、高壓降低等生理狀況;同時頭暈、疲勞、出汗等不舒適狀態隨輻射溫度的升高而加劇。

　　(2)短時高溫熱輻射暴露后，人體通過生理調節和心理調適來主觀提升認知能力。試驗中被試者的認知測試速度隨輻射溫度的升高而升高;認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℃時產生較好的反饋。200~250℃是短時高溫熱輻射的人體認知耐受極限。

　　本文中試驗的對象為在校大學生，后續將針對熱加工車間工人開展進一步的熱輻射暴露試驗研究;基于本文中的冬季試驗條件下，將開展夏季工況試驗，在此基礎上增加被試者數量進行分析;同時課題組未來也規劃做其他熱源距離的試驗研究，以分析不同熱源距離對人認知能力影響的研究。另外，未來的試驗中會擴大被試者的年齡范圍和教育水平，并且進行長時高溫熱輻射暴露試驗，對熱輻射影響人的認知能力的生理心理機制進行更深入的研究。

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　　作者：翟穎妮1,2，耿丹2，黃艷秋1，3，孟曉靜1,4