人体头部体表温度随室内环境温度变化研究

第３　７卷，第１期　２　０　ｌ　７年１月　光谱学与光谱分析　

Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．１，ｐｐ１７２—１７６　

Ｊａｎｕａｒｙ，２０１７　

人体头部体表温度随室内环境温度变化研究　喻春雨　，解家乐　，费　彬　，张俊举。　１．南京邮电大学光电工程学院，江苏南京２１００２３　２．北京大学信息科学技术学院，北京１００８７１　３．南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京２１００９４　

摘要为研究人体头部局部特征部位的散热情况，得到局部特征部位体表温度随环境温度变化规律，选　取身体健康、体态标准的青年男女各２ｏ名为测试对象并分成男、女两组，根据红外热辐射测温原理对测试　对象头部选取５个局部特征部位进行测温、记录。控制空气湿度５０　和风速０．１５　Ｉｎ・ｓ＿。，并以２℃幅度逐　渐将环境温度从１８℃升高到３２℃。发现健康青年女性头部各特征部位体表温度略高于男性；男女受试者　头部各特征部位体表温度在一定范围内随环境温度近似正比例变化；运动对头部体表各部分温度影响较小　且存在差异。分析结果可应用于人体头部特征部位热流研究并对人体健康状况判断提供参考数据。　

关键词头部散热；红外测温；体表面积；体表温度　中图分类号：Ｖ７　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１７）０１—０１７２—０５　

引　言　为对人体健康状况进行间接分析，很多学者对人体头部　散热情况开展多种研究。人体头部内的中枢神经系统具有很　高的代谢水平，有关文献说明头部产热量占人体总产热量　１Ｏ　，休息时大脑单位质量产热量高于人体其他部位平均产　热量６倍＿】］。同时头部血管丰富、汗毛孔多而粗，因此也是　人体高散热区。有关研究指出：气温在１５℃左右时，人体热　量约１／３从头部散发；气温在零下４℃左右时，人体热量约　１／２从头部散发；而气温在零下１ｏ℃左右时，从头部散发的　人体热量会达到３／４。头部散热受人体热平衡影响，人体平　躺与直立相比，头部散热增加３ｏ　¨２］。为保证正常生理活　动，人体头部不断根据体内热量和外界环境温度调节散热水　平．在头部散热方面所进行的研究通常将头部作为一个整体　测量散热量，如：将头部罩起来与人体其他部位隔断并通过　热量计测量头部散热量ｌ３］、不同身姿头部散热量对比¨２］、新　生儿头部散热量分析ｌ＿４］、运动时头部总散热量分析＿＿５Ｊ、头部　带帽子时散热量分析ｌ６　等。实际上，人头部各个部位的温度　及散热是有细微差别的应加以区分。　由于人体头部散热和头部体表温度密切相关＿７］，而且体　表温度通常低于体核温度３７℃并易受环境温度、人体温度　及皮肤条件、皮下组织结构状况等因素影响［８３，本文将对人　体头部各部位体表温度随环境温度和人体运动状况的变化情　况进行对比研究。本文通过按照１：１人数比例选取数名身　体健康的青年男女测试者，以红外热辐射原理为理论基础，　采用红外热像仪并配备高精度红外测温仪对男女测试者头部　各部位体表温度进行测量研究Ｌｇ］，研究结果可以揭示人体头　部各部位散热随环境温度及运动的变化规律，也将为医学诊　断分析提供理论参考。　

１实验部分　１．１方法　主要通过测温研究人体运动前后头部各部位温度分布情　况，运动是通过相同慢跑完成。人体头部的红外辐射热状况　不是恒定的，导致人体头部辐射热变化的因素很多，比如生　理状况、健康状态、心理因素和外界环境等。本文研究将测　量分析正常人体头部散热情况，因此选定的测试对象为男女　青年学生各２Ｏ名，年龄为２２和２３岁，身体健康，身形匀　称，女身高在１．６　ｍ左右，男身高在１．７　ｍ左右。　为使测量数据更加精确，将高精度红外热像仪和红外测　温仪配合使用，这样有利于对比测量结果并进行校正。选用　的红外热像仪ｓＡＴ—Ｇ９６，探测器为非制冷焦平面，空间分辨　

收稿日期：２ｏ１５—０８—１５，修订日期：２ｏ１５—１２—２９　基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目（２０１３３２２３１２０００７），江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１４０８７６）和中国博士后科学基金项目　（２０１１０４９０２３４）资助　作者简介：喻春雨，女，１９７６年生，南京邮电大学光电工程学院副教授　ｅ￣ｍａｉｌ：ｙｕｃｙ＠ｎ］ｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　第１期　光潜学与光谱分析　率为６４０×４８０，工作波长为８～１４　ｍ，视场角２４。×１８。，最　小成像距离０．５　ｍ，空间分辨率０．６５　ｍｒａｄ，热灵敏度≤Ｏ．０５　℃，热辐射测量范嗣一２Ｏ～＋６００℃，精度为０．０２℃。选用　的红外测温仪ＤＴ－８８０６Ｈ的测温范围Ｏ～６Ｏ℃，精确度０．４　℃，测量距离５～１５　ｃｍ，反应时问０．５　Ｓ，发射率为０．９５，光　谱范围６～１４／ｘｍ。　为避免其他环境因素影响，测试场所为研究生自习室．　室内面积３０　ｍ　。通过空调调节室内环境温度范围１８～３２　℃，并保持室内空气湿度５Ｏ　、风速０．１５　ｍ・ｓ。红外热　像仪探测距离和红外测温仪测试距离分别为３Ｏ和５　ｃｍ，受　试行保持在同一位置同一动作进行测温，运动采用相同运动　量的慢跑。为使人体皮肤适应环境温度，降低环境温度影　３７．５　３７．０　３４．５　３４　０　响，每一受试者均需要在测试环境巾停留１０　ｍｉｎ后开始测　试。　图１为人体头部不同部位测温时采用的红外热辐射探测　方位图，分别记为（ａ）正面无眼镜、（ｂ）正面戴眼镜、（ｃ）侧面　戴眼镜和（ｄ）脑后部。实验巾选定７个测试点，分别为额头、　鼻孔、眼睛、下巴、脸颊、头皮、耳朵；测试眼睛处温度时，　均取裸眼测试结果。在１８～３２℃的环境温度范围内．环境温　度每升高２℃就对此７个测试点测温并记录一次。　１．２测试结果　最终根据测试数据分析得到的人体头部不同部位７个测　试点温度分布及对比情况如　２冈５所示。　图２为男性运动前后头部温度随环境温度变化的曲线，　

图ｌ　头部体表温度测试示意图　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｋｉｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｈａｍａｎ　ｈｅａｄ　

ｌ８　２０　３７．５　

３７．Ｏ　

３４．５　３４　０　２２　２４　２６　２８　３０　３２　ｌ８　２Ｏ　２２　２４　２６　２８　３Ｏ　３２　

Ａｉｒ　ｔｃｍｐｅｒａｔｕｒｅＦＣ　Ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／￣Ｃ　

图２男孩头部体表温度随环境温度变化曲线　（　ｉ）：运动前；（ｂ）：运动后　Ｆｉｇ．２　Ｂｏｙ’Ｓ　ｈｅａｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　（，１］：Ｂｅｆｏｒｅ　ｅｘｅｒ（、ｉｓｅ：（ｂ）：Ａｈｅｒ　ｅｘｅｒｃｉｓｅ　１７４　光谱学与光谱分析　第３７卷　３７．５　３７．０　

∞３５．０　

３４．５　３４．０　１８　２０　２２　２４　２６　２８　３Ｏ　３２　Ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／＇Ｃ　ｌ８　２０　２２　２４　２６　２８　３０　３２　ＡｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦＣ　

图３女孩头部体表温度随环境温度变化曲线　（ａ）：运动前；（ｂ）：运动后　Ｆｉｇ．３　Ｇｉｒｌ’ｓ　ｈｅａｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　（ａ）：Ｂｅｆｏｒｅ　ｅｘｅｒｃｉｓｅ；（ｂ）：Ａｆｔｅｒ　ｅｘｅｒｃｉｓｅ　

其中图２（ａ）为运动前，图２（ｂ）为运动后。由图２可知，运动　前后各测试部位温度随环境温度变化趋势较为相似，头部体　表温度均随环境温度升高而升高；区别在于运动使各部位体　表温度略有提高；当环境温度升高到３０℃时，头部温度升　高幅度减缓甚至下降；脸颊和下巴处的温度变化较接近，眼　睛和耳朵处的温度变化较接近，鼻子和额头处温度变化较接　近；其中鼻子处温度较高。　为了将男女情况进行对比，图３给出女性头部温度随环　境温度变化曲线，其中图３（ａ）为运动前，图３（ｂ）为运动后。　与男性头部温度测试结果类似，头部温度均随环境温度升高　而升高；当头部体表温度升高到３Ｏ℃时，升高幅度逐渐缓　慢甚至出现下降；脸颊和下巴处的温度变化较接近，眼睛和　耳朵处的温度变化较接近，鼻子和额头处温度变化比较接　近；其中鼻子处温度较高，为１８￣２４℃比男性鼻子处温度高　出很多。　头皮部位温度变化范围较大，为便于分析，将男女运动　ｌ８　２０　２２　２４　２６　２８　３０　３２　Ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／￣Ｃ　图４被头发覆盖的头部体表温度图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｃｏｖｅｒｅｄｗｉｔｈ　ｈａｉｒ　前后头皮部温度变化曲线在图４中单独给出。由图４可见，　男女在头皮部分的温度变化相似，均为运动后较运动前温度　略高；头发多会影响头皮和环境之间热交换，女性通常头皮　处被头发覆盖较多。因此运动前后，男性头皮温度均高于女　性。　图２～图４给出了男女受试者头部表面温度随环境温度　变化情况。可见，头部温度随环境温度升高而升高，直到环　境温度在３Ｏ℃时头部开始出汗；女性受试者头部比男性头　部温度略高；男性头部受运动和环境温度影响变化更明显；　通常由于较易出汗脸颊和下巴部位的变化较小，汗水带走了　热量。　头部辐射包含有多种波长，但均处于红外范围内。由于　运动前后男女头部辐射波长较为类似，图５只给出男性运动　前头部峰值辐射波长随环境温度变化曲线。辐射波长与表面　温度相关，而头部不同测试部位由于表面温度不同，辐射波　长也不同。　

ｌ８　２０　２２　２４　２６　２８　３０　３２　Ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／￣Ｃ　

图５男孩头部体表在运动前的辐射波长　Ｆｉｇ．５　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｂｏｙ’Ｓ　ｈｅａｄ　ｂｅｆｏｒｅ　ｅｘｅｒｃｉｓｅ　

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