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在不同温度环境中光源照明对人体体温的调节作用

更新时间:2020-07-28 08:22点击:

     摘要:研究人在不同环境温度下,光源照度和色温对人体体核温度、皮肤平均温度和皮肤血流量的影响,探索光源照明对.人体体温调节的作用.对8名受试者在人工气候室不同环境温度(18, 30° C)、光源照度(300,1 0001x)和色温(3 000,6 000K)下的体核温度、平均皮肤温度和皮肤血流量进行了60min的测量和记录.结果表明:无论在高温还是低温条件下,当人体暴露于低色温光源下时人的体核温度较高色温光源下时高;在较低的环境温度下,平均皮肤温度和皮肤血流量在冷色温光源下的值高于低色温光源下的值;在较高温度下,平均皮肤血流量和皮肤温度在低色温光源下的值高于冷色温光源下的值.因此,在环境温度发生变化时,光源照明对人体的热调节起着一定的作用,在环境高温下以运用高色温光源为宜,反之亦然.这提示人们在不同的环境温度下对于光源照度和色温的选择是一个值得重视的问题,除视觉需要外,选择时还应考虑人体生理功能的平衡和舒适感.
 
    关键词:环境温度;光源照度;光源色温;体核温度;平均皮肤温度;皮肤血流
 
在日常生活中人们常常会感到光源的照度与色温的升高或者下降,可以使人感到温暖或凉意,而且人体的内部温度也会受到照明光源的影响.
 
  例如,健康人体的生理活动多呈24h的昼夜节律,而照明光线在调节人体昼夜生理节律方面起着最为重要的作用.
 
  人体在昼夜的生理变化中体温的波动就是一个光源作用的重要体现.
 
  在白天,光源照度和色温升高时,人的体温升高;而在夜间,当人体处于暗光或无光环 境 进 入 睡 眠 时,体 温 就 会 下 降.Yasukouchi等就光源色温对人体的觉醒水平、自主神经功能、体温调节以及睡眠结构的生理作用进行了论述.结果表明,光源色温对人体的体温调节有明显的作用.Sato等的研究证明,当环境温度为26°C,相对湿度为60%,受试者在晚上分别暴露于5 000lx的亮光和100lx的暗光下时,与亮光相比,因为在暗光下人体褪黑激素的分泌较多,人体体核温度发生了有意义的下降.关于光源色温对体温调节的一系列研究表明,在冷色温和暖色温之间人的热感觉相差约为1~1.5°C.Yujiri指出:光源色温可能和人的“冷-热”感觉有密切的关系.Nakamura等的实验发现,当人暴露于与人体的体温调节密切相关的环境大气温度低于冬天的温度时,受试者喜欢低色温的暖光源;而当环境温度升高时,受试者就喜欢高色温的冷光源;并将3个不同空间的环境温度分别设定为10、23和30°C,受试者分别喜欢选择色温3.5×103,5×103和7×103K的光源,这说明:光源照明在一定的程度上参与人的体温调节.目前尚未见有不同环境温度下光源照明对人体温调节影响的研究报道.
 
  本文的研究目的是观察人体分别暴露于日常生活和工作中经常遇到的相差12°C的环境温度、30°C的轻度热和18°C的中度冷时,光源照明对人体体温调节的作用,为不同温度下适宜照明光源的选择提供生理学的依据.
 
  1 实验对象和方法
  
  1.1 受试对象
  8名男性大学生和研究生作为自愿者参加了本研究,平均年龄(28±1.3)岁,平均身高(170±2.5)cm,平均体重(67±7.0)kg.
 
  受试者在整个实验过程中着短袖体恤、短裤、短袜和软鞋,在实验过程中禁用酒精、咖啡类饮料,不能从事重体力活动.
 
  实验前都向受试者讲述了本研究的技术路线、操作方法和可能的风险,签署了相关协议并向伦理委员会备案.
 
  1.2 实验条件
  本项研究在人工气候室内进行.由2种气温、2种照度和2种色温组合而成8种实验条件,如表1所示.光 源 照 度 和 色 温 用 色 度 计 (MINOLTA,CL10)调控.【表1】
 1.3 测试项目及方法
  皮肤温度和体核温度的测试使用高灵敏度的热敏 电 阻 温 度 计 (3M,Micropore,Technoca ST-23S).测试人体表面前额(A)、肩部(E)、上肢(F)、手背(G)、胸部(H)、腹部(J)及下肢(K)等7个点的皮肤温度,按照Hardy-Dubois的公式算出平均皮肤温度(tsk):tsk=0.07tA+0.35tE+0.14tF+0.05tG+0.19tH+0.13tJ+0.07tK(1)皮肤血流量使用激光多普勒流量计(ALF 21Advance,Japan)测定,测定位置在上肢.
 
  1.4 实验程序
  受试者进入人工气候室内温度25°C、相对湿度50%的预备间,休息15min.之后进入光源实验室,其室 内 环 境 温 度25°C,相 对 湿 度50%,色 温2 700K,照度E=100lx,安静休息30min.然后按照表1所示条件进行实验,测定各项生理指标.每2次实验之间最少相隔3d.
 
  1.5 统计处理对实验数据进行反复测定分散分析,组间比较采用配对t检验,P<0.05为差异有统计学意义,P<0.01为差异有显着统计学意义.
 
  2 实验结果
  
  2.1 体核温度
  实验结果表明,环境温度及光源色温对直肠温度变化的作用有统计学意义.随着环境温度由30°C下降至18°C时,在3 000K的暖色温光源下直肠温度比6 000K的冷色温下为高,在E=300,1 000lx时的显着性分别为P<0.01和P<0.05,如图1所示.【图1】
在环境温度18°C下,当光源色温为3 000或者6 000K时,300和1 000lx的照度都未引起直肠温度的差异性变化.这说明在环境温度下降时,影响人体体温调节的因素主要是光源的色温,而不是其照度.当人体在30°C下暴露,直肠温度逐渐升高.但无论是在300lx或是1 000lx的照度条件下,2种光源色温均未引起体温变化的差异.
 
  2.2 皮肤温度
  平均皮肤温度的测定结果表明,当环境温度下降至18°C时,平均皮肤温度也逐渐下降.在300lx时,3 000K色温下的平均皮肤温度比6 000K色温下明显为低(P<0.01),如图2所示.【图2】
 而随着在30°C条件下暴露时间的延长,与6 000K色温相比,在3 000K色温 下 皮 肤 温 度 的 升 高 最 为 显 着 (P<0.01),如图3所示.【图3】
2.3 皮肤血流量
  皮肤血流量的测定结果表明,在30°C时,皮肤血流量逐渐升高,但在不同光源色温条件下其变化是不同的;1 000lx、3 000K条件下皮肤血流量增加至0.265mL/(g·min),最为显着;而在300lx和6 000K条件下皮肤血流量为0.212mL/(g·min),增加幅度最小.两者间有明显的统计学差异(P<0.01).
 
  但值得指出的是,当色温为3 000K时,1 000lx照度条件的皮肤血流量高于300lx照度条件的(P<0.05);在18°C时,人体的皮肤血流量逐渐降低.与6 000K条件相比,在3 000K条件下皮肤血流量的下降更为显着(P<0.01),如图4所示.【图4】
 3 讨论
  
  人类的生活和工作都是在不同气温、不同光源照明下进行的,而这两种因素对人体的体温调节都有一定的影响.
 
  因此,研究不同气温条件下,不同光源照度和色温对人体体温调节的影响,分析环境气温及人造光源协同作用的机制有重要的理论意义和实用价值,可以提示人们在不同环境温度下选择适宜的照明光源.在研究人体的体温调节时最常用的指标是体核温度、不同部位的皮肤表面温度和皮肤血流等与热调节相关的指标.本文的实验结果表明:在环境温度升高或下降时,上述3项指标都会发生相应的变化,而且在这些变化中,光源的照度和色温也起着一定的作用.
 
  人体暴露于低温环境时,由于冷的直接作用或者由于冷而启动体温调节的生理机能,冷可以直接或反射性地引起皮肤血管的收缩、血流阻力加大、皮肤血流量下降、交感神经兴奋以及一系列产热反应的动员,这均构成了热调节的变化.文献[3]中的研究结果表明,如果在“昼白光”(高色温)或“暖白光”(低色温)的照明作用下人体就可能发生热感觉的变化,则在冬天选用暖光源(低色温),而在夏天选用冷光源(高色温),可使电能的消耗节省5% ~18%;同时,6 000 K高色温光源与3 000K的低色温光源间的热效应相差1~1.5°C.本文的实验表明:当室温由30°C下降至18°C时,在3 000K的色温光源作用下,平均皮肤温度、手和下肢皮肤温度的下降均比6 000K色温光源时显着;皮肤血流量的下降在3 000K色温光源下比6 000K色温光源时显着;直肠温度的下降则在3 000K色温光源时比6 000K色温光源时小.
 
  人体体温的维持是通过热的产生和丧失来控制平衡的.当人暴露于冷的环境时,体热的丧失可被皮肤血管的收缩、阻力的加大和皮肤血流量的减少来制约.此时,如果体温不能维持在正常范围,人体的产热量就增加.
 
  一般认为,在环境温度为26°C时机体的代谢率最低;在环境温度为28°C以下时,安静的人体一般不会出汗.温度由26°C下降至18°C时,人体的代谢率要增加2倍方可维持体热的平衡.
 
  因此,人体在冷的环境中停留时,由于冷的直接作用,或者由于冷刺激而启动体温调节机能,从而对人体的生理功能产生明显的影响.光源对人体生物钟影响的一个重要方面就体现在其对体温的调节上,如在夜间睡眠时体温下降,而白天体温上升.Morita等的研究表明,在不同色温光源的作用下,夜间体核温度的下降和尿内褪黑激素分泌的增加能被高色温的绿光和蓝光所抑制,但不能被低色温的红色光源所抑制.这表明光源色温度在体温调节方面有一定的作用.
 
  体温受光源色温度影响而变化的机制可能由体内神经、内分泌系统的变化来调节;下丘脑前部是体温调节的重要中枢所在,许多能影响人体体温的理化因素均通过改变该区域的温度敏感神经元而发挥其效应,如褪黑激素就具有类似于散热性物质的特性,而下丘脑的体热调节中枢具有褪黑激素的受体.Reppert等的研究表明:人体尿内褪黑激素的水平和体核温度之间有相应的相关性(负相关).同时,他们还证明,在白天给人注射褪黑激素也可引起人体体核温度的下降,而且高色温光源比低色温光源的作用更为明显.Yasukouchi等的研究证明,当人在15°C的气温下暴露90min,皮肤温度的下降在3 000K时比在5 000K和7 500K时明显,但直肠温度的下降则较少.这表明在3 000K的光源条件下体热的丧失较少.本文的研究结果和这一观察一致,即暖色温可以使冷的条件下的直肠温度保持在较高的水平上,这有利于对体温的维持.可以认为,在冷的环境下光源的色温作用于下丘脑,导致体温调节中枢兴奋性的变化,进而发生直肠温度的变化和皮肤温度及皮肤血流的改变.因此,在冷的环境内,从人体对冷的耐受性和保持体温的观点来看,暖色温可以制约人体从体表散热,对冷环境的体温调节是很有利的.也就是说在冷环境内,运用3 000K的光源比6 000K的光源对冷的耐受能力高.因此,在冷的季节和冷的环境中选择3 000K的光源能减少体热的丧失,也说明光源照明在人体的体温调节中可能是一个重要的外环境因素.一般认为,周围环境的温度变化时,人体周围的空气温度可改变体表温度而刺激皮肤的冷、热感受器,以感受不同的外界环境中的温度变化.
 
  对热刺激敏感的为热感受器;对冷刺激敏感的为冷感受器.2种感受器分布在皮肤表层中,均呈点状分布,在皮肤温度感受器中冷点较多,约为热点的4~10倍,可以认为皮肤对寒冷刺激比较敏感,冷感受器的放电频率远远高于热感受器,由感受器受冷、热的感覚可以引起传入神经冲动的发放,信息传递给体温调节中枢,经过它的整合作用,再调整受控系统的活动,从而在新的基础上达到新的体热平衡,起到稳定体温的效果.当皮肤温度在30°C时是人体热感和冷感的分界线,也就是说冷感受器在皮肤温度低于30°C时开始发放冲动,人体出现冷的感觉;而热感受器在皮肤温度超过30°C时开始发放冲动,人体就感到热.
 
  人的皮肤受环境温度波动的影响,发生的温度波幅最大.但体表各部分皮肤的温度差也很大,四肢未端皮肤温度最低,随着气温的下降,手、足皮肤温度的下降最为显着,而头部皮肤温度的变化相对小些.皮肤温度取决于皮肤的血流量和血液温度.环境温度变化时,皮肤血流量主要由交感-肾上腺系统调节.交感神经兴奋使皮肤血管收缩、血流量减少,皮肤温度因而降低;反之,则皮肤血管舒张,皮肤温度升高.所以说皮肤血管的舒张、收缩是重要的体温调节形式.光源色温和照度对人热调节的通路可能存在着独立的通道.
 
  最近,Yasukouchi等将光源色温对人体非视觉生理功能作用的神经通路进行了详细的描述,认为发源于视网膜的光信号传播至皮层时有两条主要的神经通路:一条是专门负责影像形成的视觉功能,经过内膝状体(Intergeniculate Leaflets,IGL)联结视觉皮层;另一条则经过视交叉上核(Su-prachiasmatic nuclei,SCN)联结松果体,负责传送非视觉信息.Yasukouchi等还开展了光源色温对人体中枢神经作用的研究,如对生物节律(褪黑素的分泌和体温的昼夜变化),皮层的觉醒水平,自主神经张力,激素分泌和皮肤血管舒、缩功能的影响等.同时,他们还通过实验证明了光源色温和照度对人体的这些生理功能有明显的影响.
 
  综上所述,在选择照明光源方式和类别时,除考虑美观、艺术环境效果、节省电能和满足视觉工作的需求外,还应考虑如何使人的生理功能,特别是使中枢神经功能调整在最佳状态,营造一个温馨舒适的光环境,使人们能在其中轻松、愉快和高效地工作与生活.
 
  参考文献:
 
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