建筑材料导热性能对人体生理影响的研究.doc

建筑材料导热性能对人体生理影响的研究建筑材料导热性能对人体生理影响的研究 2011年11月18日摘要：为了解建筑材料导热性能对人体生理的影响，以三因素理论和心理生理学方法为指导，测试了人体在接触不同建材时自主神经系统和中枢神经系统的重要指标：心率变异系数、动态连续血压和脑波频率的变化，并根据材料的物性因子和受验者的主观评价进行了联合分析。结果显示：在与建筑材料的接触过程中，人体生理指标中的心电RR间期均值减小、血压上升、脑电口波受抑制、卢波增强，说明此时人体交感神经活动取得优势，副交感神经活动则暂时被抑制又随后恢复，交感一副交感神经能保持均衡性，但长期接触金属和石材会有失衡危险；建筑材料的密度和导热性是导致上述人体生理指标变化程度的决定性影响因素 关键词：建筑材料；导热性能；心理生理学；心率变异；动态连续血压；脑波频率材料研究的目的是将 材料应用于人类生活并为人服务，因此需要清楚了解建筑环境学品质及其对人体的影响近年来，建筑环境学、人机工程学、生物工程学等学科越来越引起人们的重视，这些学科探索材料作为建筑和装饰用材给予居住者心理及生理的影响，更运用一些客观的物理量因子和主观的调查量表来反映这种影响的好坏和程度，以评价材料对其所营造环境的居住性以及对人类生活舒适性的贡献这方面的研究对于建筑材料的发展具有重要意义13 1 三因素理论与心理生理学 沙赫特曾提出三因素理论，认为环境(材料)、人的心理及生理应该是一个有机的整体，它们相互影响并协调统一其基本观点是：人的情绪受环境因素、生理状况和认知加工共同影响，而生理唤醒与认知评价之间又存在着密切的联系正是在这样的整体中，环境经常会成为诱因，引起人体生理和心理的变化；同时人向环境发出调整信号，这样就构成了一个积极的反馈链节4心理生理学是研究情绪状态和身体反应关系的科学由于认知唤起引发情绪，而生理反应的唤醒是情绪发生的一部分，所以研究时一般侧重于以心理因素作为自变量，以生理指标为应变量，观察对应各种不同情绪和行为状态下的各种生理变化，如心电、脑电、血压等心理生理学最突出的优点是能准确地揭示心身之间的相互关系，深入了解环境刺激如何通过神经系统来影响机体，机体又怎样反馈给大脑而影响人的心理将三因素理论和心理生理学应用于建筑材料导热性能对人体影响的研究中，可以从材料的刺激诱因出发，分析由材料引起的人体生理变化和心理(精神)层面感知，进而探寻材料的物性因子与人体生理、心理之间的内在联系，为设计舒适、健康的居住环境提供理论依据57 2材料与方法 选择常见的建筑材料作为试材，包括木质材料(实体木材的刨光弦切面、刨花板、纤维板、胶合板等)、石材(瓷砖、大理石)、金属材料(铁、铝)、塑料(环氧树脂、聚氯乙烯)等，测量它们的密度、导热系数等热学基本指标 在环境学实验室中进行人体生理实验，同时这些受验者也是心理实验时主观评价(SD法)的受调查人员本实验的受验者为身体健康的在校学生，男6女4实验室室温控制在20，安静、舒适，无气闷感，无光、声、电磁污染环境的刺激主要来自被测材料或由其形成的环境因素与人体最息息相关的生理指标包括：(1)自主神经系统指标心电、血压、脉搏、皮肤温度等；(2)中枢神经系统指标脑波频率；(3)内分泌系统荷尔蒙和情感激素结合本实验的具体情况，将自主神经系统代表性指标定为心率变异、动态连续血压、皮肤温度；中枢神经系统代表性指标定为脑波频率心率变异：受外界条件刺激时，在自主神经系统的交感神经和副交感神经的协同控制下，人体的兴奋和抑制在动态中求得平衡，反映在心率上是心博间隔有规律的变化，这就称为心率变异心率变异指标的定量分析结果能较细致地反映人体交感神经和副交感神经的动态变化以及自主神经的平衡性m 9|动态连续血压：传统的柯氏声测量血压法对受验体的影响甚至超过了材料和环境的刺激，而且每次测试时间很长，不能反映受验者血压的动态变化而根据血压的空气动力学原理可以变换测出受验者的动态连续血压，间接反映其自主神经系统的活动变化脑波频率：脑电地形图是由电子仪器记录的脑部生物电曲线图，脑电图的波形频率即被称为脑波频率，它可以反映中枢神经系统的状态及活动情况典型的脑波频率有a，口，0波其中的a波频率为813 Hz，平均为10 Hz，a节律在闭眼静息时最为明显，在睁眼、照明、感受物象及思考时，口节律被高频、低压的p波所替代p波的频率为1425 Hz，一般波幅不超过20 tLV，卢节律与精神紧张和情绪激动有关，通常被归属于“活动”类型或去同步类型口波的频率为47 Hz，它与人的精神状态有关，在其意愿受到挫折和抑郁时，容易出现0波，并可持续2060 S之久；在精神愉快时，口波就消失本实验采用RM 6280C型多道生理仪记录受验者的心电、脑电信号，心电取标导联，脑电取左右额、颞、顶、枕八导联采用Portapres连续血压监测仪记录受验者血压的变化利用Raytek红外非接触测温仪监测受验者在接触各种材料时的皮肤温度变化受验者在安静5 min后开始实验，先记录静息状态下的指标作为参考值，再依次记录实验时的生理信号，每阶段记录时间不短于300S试验期间避免各种因素如兴奋谈话、深呼吸、激烈动作、吸烟等的影响试验后，利用专用分析软件“RM 6280C生理信号采集处理系统33”，“HRV analysis software”，“BeatScope”和“BPV”分析所得数据 3结果与分析31 材料热学物理量及冷暖感评价得分各种材料的热学基本物理量与接触温冷感的关系见表1由表1可知，当材料密度和导热系数增大时，与材料接触的皮肤降温幅度增大，接触冷暖感的评分则逐渐减小，所以材料的密度、导热系数、热流量密度等物性因子是造成人体肤觉刺激、生理变化和心理“冷”感差异的主要因素 32接触过程中的皮肤温度变化 与材料接触过程中的皮肤温度变化如图1所示由图1可见，手接触材料后，接触部位的皮肤表面温度立刻迅速下降，降幅最大值出现在接触15 S左右，而后又逐渐回暖，在60 S时皮肤温度会基本稳定；在60300 S期间，皮肤温度略有上升，但幅度很小说明人体在接触材料的开头30 S内热量损失最快，这时人会感觉材料最凉，随后这种冰凉感会慢慢减弱，到60 S时就不明显了，继续下去的时间内感觉会基本相同穿过皮肤材料界面间的热流速度随时间而变化的规律也证明了这一点，起初的热流速度非常大，以后则呈指数规律下降 33心率变异指标分析心率变异的指标及其分析遵循“欧洲心血管病学会和北美起搏电生理学会专家委员会”及“中华心血管病杂志编委会心率变异性对策专题组”的提议，以时域和频域分析法进行讨论n 0| 331时域分析时域分析是对所采集的按顺序排列的RR峰间隔的时，、弭间数据进行统计学分析，包括：mHR(心率均值)、mRR(RR营间期均值)、SDNN(RR标准差)、RMSSD(相邻RR间期差l 31值的均方根)、PNN50(相邻RR间期差值50 mS的百分i 30比)、TINN(全部RR间期直方图的底边宽度)、HRVI(心率窃： 变异指数，为RR间期总数除以比例最大的RR间期)其，中：SDNN，RMSSD，HRVI是反映心率变异性的敏感指标，o 60 恐。“07。240 300可用于揭示交感神经和副交感神经的活动水平，以及自主神图1接触过程中的皮肤温度变化经张力失衡的危险性 Fig1 Changes of skin temperature表2是受验者接触不同材料时其心率变异时域指标分during test析结果由表2可见，与正常休息时相对照，受验者接触各种建筑材料时，都有mRR缩小、SDNN减小、mHR加快的趋势；而RMSSD，PNN50，HRVI则呈降低趋势，显示人体接触各种材料时，因皮肤材料界面间的温差而导致热传递与热转移，此时为补偿所丧失的热量，保持人体内环境的稳态，交感神经活动开始增强，副交感神经活动水平略微降低，自主神经状态向“兴奋”改变，但尚未失去均衡性各种材料中，受验者接触木材时的心率变异幅度较小，而接触石材、金属的心率变异幅度略大 332频域分析心电信号经频域分析后可以得到心率功率谱图，其横坐标为频率(Hz)，纵坐标为功率谱密度(ms2Hz)心率功率谱密度曲线被划分为3个频段，其中的极低频(VLF)频率范围为0003 3004 Hz，它反映昼夜变化规律，受交感神经和副交感神经双重影响，与肾素一血管紧张素系统、体温调节有关；低频段(LF)的频率范围为004o15 Hz，它反映交感神经张力的低频平均功率，受交感神经和副交感神经双重影响，与血压压力反射有关；高频段(HF)的频率范围为015040Hz，它反映的是副交感神经张力的高频平均功率，与呼吸频率相关低频和高频功率谱的比值(LFHF)可表明交感神经和副交感神经的活动均衡性表3是受验者接触不同材料时其心率变异频域指标分析结果由表3可知，与正常休息时相对照，接触各类材料时受验者的总功率TP、极低频功率VLF和低频功率LF均有增加，LFHF，(VLF+LF)HF亦增加，而高频功率HF却有所降低，反映出因与材料的热交换而使人体内环境做出了相应调整，其交感神经表现为活动优势，副交感神经表现为拮抗交感神经，综合表现为自主神经系统的活动性增强，因而受验者的能量代谢增加，同时精神紧张度增加此外，频域指标还验证了人体在接触各种材料时其生命现象的一些变化，如VLF的变化可以验证受验者体位温度的下降；从LF的增加可以验证受验者精神趋于紧张、血压向高位变化；从HF的降低可以验证受验者呼吸节奏加快、逐渐偏离静息状态等 333接触过程中的HRV变化 以60 S为单位，利用HRVI考察不同时段受验者的心率变异变化情况以及自主神经活动情况可以发现，接触不同材料、在不同时段内受验者的HRVI变化程度是不同的，最终抵返的程度也不同接触木材和塑料时，受验者的HRVI下降幅度较小(310)；接触石材、金属时的降幅较大(1525)，说明此时人体的交感神经活动性要旺盛一些实验终了时，与木材接触的受验者其HRVI接近于110，说明接触木材对人体自主神经系统均衡性的影响小、副交感神经能够迅速恢复或超过正常水平状态；而与塑料、石材、金属接触的受验者其HRVI则只达到8095，说明这种情况下人体能量代谢补偿没能完全满足其能量的消耗，虽然人体能够暂时处于相对安全的状态，但长此以往是会带来不利影响或危险的 334主观调查分析为配合生理指标结果分析，对受验者同时进行主观调查调查结果为：在接触材料的头30 S内，受验者对木材、塑料有“有点凉”或“较凉”的感觉，但没有生理不适感；而对石材、金属的感觉是“很凉”、“想离开”，生理上存在轻度不适感在3060 S内，受验者对木材、塑料的感觉是“冰凉感”逐渐消失；对石材、金属的感觉是“冰凉感”降低，但依然存在在60300 S内，受验者对石材、金属的感觉是“冰凉感”减弱，但仍能觉察，对心理有影响；而接触木材的感觉是“温度适中、感到相对较安全、平和”玻璃幕墙 34动态连续血压分析血压的连续动态变化可以反映人体对外界刺激的应激和防御机制，因此对此开展研究也十分重要收缩期血压与心脏的每搏输血量密切相关，它对应于人体血压的高压，可显示交感神经系统对外界刺激的响应活动水平，相比于舒张期血压和平均压更值得关注基于前述心率变异分析的结果，对收缩期血压的分析选择接触初始至60 S这一典型时段，以揭示材料导热性能对人体血压变化的影响特点接触过程中的血压变化如图2，3所示；接触60，120 S期间的血压变动程度如表4所示从图2，3可见，无论接触哪一类材料，人体血压均显示出一定的变化接触各类材料的初始15S内，血压升幅都较大，而后呈现下降或波动的特征在1530 S期间，与木材接触的人体血压值逐渐从高点回落，并在接触终了时低于静息时的平均值(105 mmHg)接触石材和金属的人体血压值表现出较大幅度的波动，最大变动幅度分别为168和159，在接触终了时血压无法回到静息时的平均值，反映出有交感神经活动的延续作用由表4可知，与接触头30 S的血压均值相比，接触各类材料60，120 S期间的血压有明显变化如接触木材的人体其收缩期血压的最大增幅为87，一般出现在初始15 S内；接触60 S后的收缩压则平均下降08，而接触120 S后又略有下降，体现了人体副交感神经系统的代谢补偿作用接触石材的人体其收缩压最大增幅为154；接触60 S后，其血压平均升高68 mmHg，幅度为收缩压的66，舒张压的102，而接触120 S后又略有升高，表明人体副交感神经活动的代谢补偿未能平衡交感神经活动接触金属材料的人体情况与接触石材的相近，其收缩期血压最大增幅为143；接触60 S后，其血压平均升高65 mmHg，幅度为收缩压的46，舒张压的1I0，而接触120 S后其血压仍继续升高，表明此时人体交感神经活动继续保持优势，副交感神经活动难以拮抗交感神经活动，人体代谢加大，生理补偿已难以满足代谢需要，从而对人体造成了一定影响以上结果符合文献6的结论心理调查的结果是：在“舒适感”方面，金属和石材被评价为“不舒适”，而对于木材则无此评价；在“温暖感”方面，木材被评价为“适中、有温暖倾向”，金属、石材被评价为“冰冷”；在“自然感”方面，木材被评价为“自然”，而金属、石材的自然感为“差” 35脑波频率分析在60 S内，用右手接触和抚摸不同建筑材料表面时的脑接受刺激情况用大脑左顶部d波衰减的程度确定结果为：单纯接触木材时，大脑口波的衰减程度为8，而单纯接触石材、金属时，大脑a波的衰减程度分别为13和15，说明大脑在接触木材时处理外界刺激的活动较少，也就是说，木材对人体中枢神经的影响较小，可以被解释为对人良好的材料而当抚摸各种材料时，大脑a波的衰减变强，显示此时大脑偏离休息状态，如抚摸石材、金属时，大脑搜波的衰减可分别增加到16和19，抚摸木材则可达到10，说明抚摸材料时，大脑从材料处接受的情报量增多，其兴奋性会提高接触各种建筑材料时，脑电的口波均有所增加，特别是接触头20 S内，说明各种材料对人的心理、生理确实构成了一定影响接触石材、金属时，大脑的口波增加程度高，显示大脑中枢神经活动兴奋性(紧张性)增强，此时的心理调查对应为“冰凉”、“刺激”和“不喜欢”；接触木材时，大脑的口波有不同程度的增加，显