1.引言
呼吸防護(hù)用品是消除或減少空氣中有害物質(zhì)對作業(yè)人員呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害的個體防護(hù)裝備,它在保護(hù)作業(yè)人員免受環(huán)境中有毒、有害物質(zhì)沾染和傷害的同時,成為一種外在的負(fù)荷,會對佩戴者產(chǎn)生一系列的影響。
按照作用原理,呼吸防護(hù)用品可分為過濾式和隔離式兩類。過濾式呼吸護(hù)具通過過濾介質(zhì)將污染的空氣過濾后供給佩戴者呼吸,而隔離式呼吸護(hù)具將佩戴者的呼吸道與污染環(huán)境隔離,通過導(dǎo)管或加用空氣壓縮機(jī)將未被污染的新鮮空氣送入面罩。過濾式呼吸護(hù)具又可分為自吸式和送風(fēng)式兩種,自吸式呼吸護(hù)具依靠佩戴者自身的呼吸功能進(jìn)行氣體交換。送風(fēng)式則采用電動風(fēng)機(jī)將空氣送到面罩內(nèi)。
目前,在我國國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中,作業(yè)場所主要使用的是自吸過濾式呼吸護(hù)具,本文針對自吸過濾式呼吸防護(hù)用品,分析其對人體可能產(chǎn)生的影響。
自吸過濾式呼吸防護(hù)用品會增加佩戴者的呼吸阻力,并與人體面部構(gòu)成內(nèi)部空間,導(dǎo)致呼吸區(qū)二氧化碳儲留,呼吸防護(hù)用品覆蓋于面部,阻礙人體散熱而產(chǎn)生熱負(fù)荷。
歐美制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對呼吸防護(hù)用品的死腔、呼吸阻力、視野等都作了具體的規(guī)定,我國參考國外標(biāo)準(zhǔn)也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是,我國還十分缺乏自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體影響的研究資料,與之相關(guān)的中國人群的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也十分匱乏。因此,有必要對因使用自吸過濾式呼吸防護(hù)用品所導(dǎo)致的人體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)等生理機(jī)能以及心理和作業(yè)能力等方面的改變開展系統(tǒng)研究,以為我國自吸過濾式呼吸防護(hù)用品的設(shè)計、研制、生產(chǎn)與評價提供參考。
2.自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體生理功能的影響
2.1二氧化碳儲留
自吸過濾式呼吸防護(hù)用品直接作用于人體的口鼻區(qū),面罩與人體面部構(gòu)成了內(nèi)部幾何空間,即:死腔。死腔相當(dāng)于人體呼吸生理死腔的延伸,會導(dǎo)致呼吸區(qū)二氧化碳儲留。一般來說,全面罩型面具較半面罩型面具的死腔大,更容易產(chǎn)生二氧化碳儲留。呼吸區(qū)二氧化碳濃度升高,吸入氣中的二氧化碳分壓增加,肺泡氣以及動脈血中的二氧化碳分壓也隨之升高,機(jī)體會出現(xiàn)下列反應(yīng):
?。?)動脈血中二氧化碳含量增加,刺激中樞化學(xué)感受器以及外周化學(xué)感受器。動脈血二氧化碳分壓升高0.266kPa,可刺激中樞化學(xué)感受器,升高1.330 kPa,可刺激外周化學(xué)感受器。沖動經(jīng)竇神經(jīng)和迷走神經(jīng)傳入延髓,反射性地調(diào)節(jié)呼吸器官,使呼吸加深加快,肺通氣量增加。吸入氣中二氧化碳含量較長時間保持在3%左右,會出現(xiàn)呼吸動動加深加快等呼吸代償反應(yīng);吸入氣中二氧化碳含量達(dá)5%持續(xù)30分種 ,血管阻力降低,腎血流量增加;吸入氣中二氧化碳含量達(dá)6%持續(xù)6~8分鐘,心率改變,吸入氣中二氧化碳含量達(dá)7.5%持續(xù)15分鐘,則出現(xiàn)呼吸困難、頭痛、乏力、視覺色差、眩暈、出汗、失去知覺、興奮、神智不清等癥狀;若呼入氣中二氧化碳含量達(dá)到10%,則會出現(xiàn)意識喪失乃至死亡。
美國職業(yè)安全衛(wèi)生管理局(OSHA)規(guī)定的二氧化碳允許暴露限值(PEL)以及美國國家工業(yè)衛(wèi)生和健康學(xué)者協(xié)會(ACGIH)規(guī)定的二氧化碳閾限值(TLV)都為0.5%.我國GB2626-2006《呼吸防護(hù)用品—自吸過濾式防顆粒物呼吸器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:吸入氣中二氧化碳體積百分含量應(yīng)不大于1%.
2.2攝氧量減少
由于自吸過濾式呼吸防護(hù)用品在大氣環(huán)境與佩戴者之間形成一道屏障,妨礙了佩戴者從外周環(huán)境吸入氣體,呼吸阻力增加,佩戴者感覺呼吸困難,攝氧量減少,由此會引起機(jī)體生理機(jī)能的變化:
?。?)佩戴面罩后,由于呼吸阻力增加,肺換氣不足,每分鐘通氣量和氧耗量減少,血中乳酸濃度升高。為滿足機(jī)體的氧需要,呼吸頻率減慢,吸氣時間延長,呼出氣中二氧化碳濃度升高、氧濃度降低。佩戴面罩不會改變佩戴者體內(nèi)的代謝過程,但是,由于呼吸阻力增加,面罩會增加呼吸負(fù)擔(dān),代償不充分則無氧代謝水平升高,運動時間縮短。
?。?)急性缺氧會引起心、腦器官找代償性反應(yīng),心率加快,心輸出量增加腦血管和冠狀血管舒張,腹腔臟器和皮膚小血管收縮,血液重新分配,大量血流流向心腦等重要器官。
?。?)嚴(yán)重缺氧對人體免疫系統(tǒng)的影響很大,從整體水平來看,缺氧會顯著地抑制免疫功能,導(dǎo)致機(jī)體的易感染性增加。英國學(xué)者Turner等人研究發(fā)現(xiàn),低氧可以抑制化學(xué)因子誘導(dǎo)的單核-巨噬細(xì)胞遷移,促進(jìn)腫瘤壞死因子N-a(TNF-a)、前列腺素E2(PGE2)的分泌,從而抑制巨噬細(xì)胞表面組織相溶性抗原2(MHC II)類抗原的表達(dá),導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的抗原呈遞功能下降。美國學(xué)者Schroedl等人認(rèn)為低氧可使體內(nèi)低氧誘導(dǎo)因子—1(HIF-1)表達(dá)增加,HIF-1通過與瘦素(leptin)基因啟動子附近—116區(qū)結(jié)合激活啟動子,使leptin因子轉(zhuǎn)錄增加。Leptin通過作用于呼吸調(diào)節(jié)中樞,加強(qiáng)肺的通氣功能,防止呼吸抑制,有利于人對低氧的適應(yīng),但機(jī)體一旦適應(yīng)低氧環(huán)境后,低氧應(yīng)激反應(yīng)解除,體內(nèi)瘦素水平不同缺氧程度下無明顯變化。
OSHA(美國職業(yè)安全衛(wèi)生管理局)將空氣中氧濃度低于19.5%定義為缺氧。在自吸過濾式呼吸防護(hù)用品中,帶有呼氣閥的簡易防塵口罩的呼吸阻力較?。欢蓝久婢叱嗣嬲值淖枇?,濾毒罐還存在阻力,防毒面具的呼吸阻力較大,因此,相對而言,防毒面具更容易引起缺氧。
在安靜狀態(tài)下,長期使用自吸過濾式呼吸防護(hù)用品,缺氧效應(yīng)并不明顯。但在環(huán)境溫度較高或/和人體運動強(qiáng)度較大時,使用自吸過濾式呼吸防護(hù)用品的缺氧效應(yīng)則變得突出起來。因此,在高溫環(huán)境和大體力負(fù)荷時,應(yīng)盡量使用呼吸阻力小的呼吸防護(hù)用品,或者縮短自吸過濾式呼吸防護(hù)用品的佩戴時間,以減少缺氧效應(yīng)對人體的影響。
2.3呼吸功的消耗增加
在呼吸過程中,呼吸肌為實現(xiàn)肺通氣需要克服呼吸阻力作功,稱為呼吸功。自然呼吸的動力來源于呼吸肌的收縮,在正常情況下,呼氣時,呼氣肌主動收縮,肺與腦廓受牽拉而擴(kuò)張,并儲存勢能。呼氣則依靠受牽拉組織的彈性回位、勢能釋放動完成。但在呼吸阻力增高時,呼氣肌需要主動收縮,參與作功。所消耗的呼吸功的大小取決于呼吸運動中各種阻力的總和。吸氣阻力包括佩戴者吸氣時氣流流經(jīng)濾料、導(dǎo)氣管、吸氣閥門等部位所產(chǎn)生的阻力,呼氣阻力是由佩戴者呼氣時流經(jīng)內(nèi)外呼氣閥門等部件所產(chǎn)生的。平靜呼吸時,呼吸耗能占全身總的3%,劇烈運動時,呼吸耗能可升高25倍。人體在佩戴了呼吸防護(hù)用品之后,呼吸阻力顯著增加,同時,呼吸防護(hù)用品會使佩戴者呼吸頻率加快、潮氣量增大,這也會增加人體呼吸功的消耗。帶呼氣閥的簡易防塵口罩的呼吸阻力功也相對較少。為減少佩戴者呼吸功能的消耗,應(yīng)盡量降低呼吸護(hù)具的呼吸阻力。
2.4熱負(fù)荷
自吸過濾式呼吸防護(hù)用品使呼吸功的消耗增加,佩戴者的能量代謝由此增強(qiáng),同時,由于呼吸防護(hù)用品的覆蓋,妨礙了人體表面向環(huán)境的對流散熱、蒸發(fā)散熱以及輻射散熱,機(jī)體散熱量減少,皮膚溫度升高,加拿大學(xué)者Jones JG的研究顯示:佩戴面罩會使人體皮膚溫度升高5℃,嘴部皮膚溫度升高7.5℃.佩戴自吸過濾式呼吸防護(hù)用品后,人體的產(chǎn)熱量增加、散熱量減少,依據(jù)人體的熱平衡公式:
▽q=qm±qc±qr±qe-w
其中,▽q-機(jī)體熱含量的變化,qm-代謝產(chǎn)熱量,qc-傳導(dǎo)散熱量,qr-輻射散熱量,qe-蒸發(fā)散熱量,W-人體對外作功
由此可以推算,佩戴自吸過濾式呼吸防護(hù)用品后,人體熱平衡破壞,體內(nèi)出現(xiàn)熱量蓄積,尤其是在熱環(huán)境或體力強(qiáng)度較大的情況下。此時,人體皮膚等淺表血管擴(kuò)張、血流量增加。汗腺大量分泌汗液,汗液蒸發(fā)帶走熱量,汗液的排出增加會使機(jī)體的水鹽平衡受到破壞。
2.5對心血管功能的影響
缺氧和二氧化碳分壓升高刺激頸動脈體和主動脈體化學(xué)感受器,感受信號分別由頸動脈竇神經(jīng)和迷走神經(jīng)傳入延髓弧束核,使延髓內(nèi)呼吸神經(jīng)元和心血管活動神經(jīng)元的活動發(fā)生改變,同時,呼吸加深加快的間接作用,會此起人體心率加快、心輸出量增加,外周血管阻力增加,血壓升高。自吸過濾式呼吸防護(hù)用品的死腔對呼吸模式影響的心率變異性分析表明,心率變異性功率譜明顯受到自吸過濾式呼吸防護(hù)用品死腔的影響。另外自吸過濾式呼吸防護(hù)用品使佩戴者的熱負(fù)荷增加,人體體溫升高,刺激交感神經(jīng)興奮,腎上腺髓質(zhì)分泌腎上腺素增加、血流量減少。而體表皮膚血流量增加,血流重新分配,血流速度加快。
2.6應(yīng)激
自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對機(jī)體的內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行刺激,會使佩戴者出現(xiàn)非特異性全身摻應(yīng)。由于交感一腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)興奮,兒茶酚胺分泌增多;下丘腦分泌的腎上腺皮質(zhì)激素釋放(RCH)和垂體前葉分泌的促腎上膽小的馬皮質(zhì)激素(ACTH)增加,促使糖皮質(zhì)激素的分泌。應(yīng)激時,由于交感神經(jīng)興奮,兒茶酚胺或糖皮質(zhì)激素的作用會使多種激素,如:高血糖素、生長激素、醛固酮、血管升壓素等的合成增多,產(chǎn)生一系列的生理反應(yīng)。
3.自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對佩戴者心理的影響
佩戴自吸過濾式呼吸防護(hù)用品后,由于呼吸阻力增加,人體感到呼吸困難,產(chǎn)生不適感;自吸過濾式呼吸防護(hù)用品使人體的熱負(fù)荷增加,體溫升高,出現(xiàn)熱不適。這些都會引起佩戴者情緒焦慮,而不愿意佩戴。
在低強(qiáng)度體力活動的過程中,進(jìn)行選擇反應(yīng)(CHO)、串行加法/減法(ADD)、邏輯推理(LOG)、連續(xù)反應(yīng)(SER)等認(rèn)知測試,以及形容詞(如:憤怒、沮喪、恐懼、興奮、疲勞等)表達(dá)的主觀感覺問卷調(diào)查都顯示:自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體的認(rèn)知以及情緒都沒有產(chǎn)生影響,反應(yīng)時間、反應(yīng)準(zhǔn)確度也沒有明顯改變。但是,決策速度顯著加快,這可能是由自吸過濾式呼吸防護(hù)用品的警醒作用,注意力提高引起。自吸過濾式呼吸防護(hù)用品還明顯影響操作以及精確定位作業(yè)的穩(wěn)定性,對腦力活動產(chǎn)生明顯的影響.
減少呼吸防護(hù)用品對人體心理產(chǎn)生的不良影響,提高呼吸防護(hù)用品的可接受性,首先,應(yīng)避免壓夾鼻面部等產(chǎn)生局部壓迫,增加其舒適性能。同時,應(yīng)減小呼吸防護(hù)用品對人體的生理影響,如:減少呼吸防護(hù)用品的死腔,降低二氧化碳的儲留;減小呼吸防護(hù)用品的呼吸阻力,降低呼吸功能消耗等。
4. 自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對佩戴者作業(yè)的影響
研究表明:在佩戴了自吸過濾式呼吸防護(hù)用品之后,作業(yè)人員的作業(yè)持續(xù)時間明顯縮短、作業(yè)速度減慢,完成的工作量減少,人體的作業(yè)耐受能力降低。自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體作業(yè)的影響有以下幾方面的原因:
a) 自吸過濾式呼吸防護(hù)用品面罩的外形結(jié)構(gòu)占據(jù)了佩戴者的視野空間,使佩戴者的視野變窄,直接影響了佩戴者的操作。
b) 由于佩戴自吸過濾式呼吸防護(hù)用品之后,人體的通氣受到限制,最大氧耗量降低,影響了佩戴人員的極限運動能力。尤其是在運動或熱環(huán)境中,自吸過濾式呼吸防護(hù)用品引起的熱不適會加重人體的負(fù)荷,也會降低人體的作業(yè)能力。最大輸出功率為不佩戴呼吸防護(hù)用品時的18%~34%。
c) 吸入氣中二氧化碳濃度增加也會對佩戴者的作業(yè)產(chǎn)生影響。二氧化央濃度高會產(chǎn)生不適感和不安,焦慮會影響操作;二氧化碳還具有局部擴(kuò)血管效應(yīng),其它運動肌肉由于分流而血液供應(yīng)減少。運動能力降低。
d) 由于缺氧,腦等重要器官以及感覺器官的功能受到影響,從而對感知覺、運動協(xié)調(diào)以及記憶、理解、判斷、思維等智能產(chǎn)生影響。氧濃度16%(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)STP下)會導(dǎo)致心率和呼吸頻率加快、呼吸量增加,影響注意力和操作能力;氧濃度下降到14%(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下STP下)以下,則出現(xiàn)異常疲勞、情緒低落、判斷力減退;氧濃度下降到10%(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)STP下),會產(chǎn)生惡心、嘔吐、意識喪失、無法從事操作,甚至死亡。
為提高自吸過濾式呼吸防護(hù)用品佩戴者的作業(yè)能力,需要從外形尺寸上,減小呼吸防護(hù)用品對佩戴者視野的影響。并通過降低呼吸阻力、減小死腔等,減少自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對機(jī)體呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)等的影響。
5. 小結(jié)
自吸過濾式呼吸防護(hù)用品所致的二氧化碳儲留、缺氧以及熱負(fù)荷等生理效應(yīng)之間,以及代償作用彼此影響、相互作用。有些效應(yīng)相互協(xié)同,如:血中二氧化碳濃度升高、缺氧以及熱負(fù)荷都會使人的通氣量增加、心率加快;有些效應(yīng)相互拮抗,如:熱負(fù)荷增加,人體外周血管擴(kuò)張,使血壓降低,皮膚血流量增加,而急性缺氧會引起皮膚小血管收縮,有升高血壓的作用,血流流向心腦等重要器官。另外,機(jī)體的代償作用會減輕自吸過濾式呼吸防護(hù)用品引起的初始效應(yīng):如:二氧化碳儲留和缺氧使機(jī)體的通氣量加大、呼吸頻率加快,通氣量增加,二氧化碳的排出以及氧氣的攝取隨之增加,從而削弱了二氧化碳儲留和缺氧的生理效應(yīng)。可見,佩戴自吸過濾式呼吸防護(hù)用品的生理效應(yīng)十分復(fù)雜。已有報道的研究結(jié)果也多莫衷一是,這為進(jìn)一步的研究帶來了困難。盡管自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體的影響作用不劇烈,不會立即出現(xiàn)生理反應(yīng),但是,職業(yè)危害作業(yè)場所的工作人員常常需要長年累月地佩戴自吸過濾式呼吸防護(hù)用品,自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體的影響是長期的。因此,有必要系統(tǒng)研究自吸過濾式呼吸防護(hù)用品對人體的生理、心理效應(yīng),以及對作業(yè)能力的影響,以使自吸過濾式呼吸防護(hù)用品更適合佩戴。