劉詠梅， 肖 平,2,3， 范雅雯

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051； 3. 同濟大學 上海國際設計創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

足部作為人體的一部分，雖分布著大量的動靜脈、神經，但其位于肢體末端，距離心臟較遠，循環(huán)能力較弱，因此人體所處環(huán)境溫度一旦降低，足部溫度隨之下降最快[1]。對足部進行加熱是幫助足部保暖的有效方式，電發(fā)熱襪作為市場上一種已頗具規(guī)模的足部保暖產品，其原理是將電熱元件置于襪子內側，通過將電能轉化為熱能來提高足部溫度，電熱元件的放置區(qū)域即為發(fā)熱區(qū)域，其放置區(qū)域至關重要，直接影響著電發(fā)熱產品的使用效果[2-3]。

長期以來，電加熱服裝一直受到寒區(qū)部隊及戶外運動愛好者們的青睞，順應此趨勢，Tour Master公司開發(fā)的電加熱摩托車服、Malden Mills公司開發(fā)的鋰氫電池供熱的電加熱服[4]、The North Face公司開發(fā)的電加熱背心等相繼問世，電發(fā)熱片也大都加在腹部、后背、腰等人體熱敏感部位[5]。對于電發(fā)熱襪的發(fā)熱區(qū)域，市場上的產品均為足背前部或足底前部，但在這2處發(fā)熱是否對提高足部溫度最為有效還有待進一步討論。已有學者關注不同性別、年齡、部位皮膚溫度和血流灌注量間的關系，如宋丹丹等[6]采用激光多普勒血流測定儀測定健康成年人局部皮膚溫度及血流量發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增加，局部皮膚血流灌注量加熱后比值逐漸降低，手部和面部加熱后血流灌注量明顯高于腰部和脛前區(qū)。任萍等[7]分別選用熱電偶和紅外成像儀采集不同條件下穿著帶有加熱鞋墊的足部溫度發(fā)現(xiàn)，腳趾部位的溫度變化速度最慢，其次是足跟部位，最快是足弓部位。呂葉馨等[8]研究冷環(huán)境對足部皮膚溫感及人體生理指標的影響發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度降低，皮膚溫度下降，表面血流量減少。阮果清等[9]發(fā)現(xiàn)隨著運動時間的延長，正常青年男性足部體表溫度逐步增加并趨向一致。可見，在一定條件下可以通過控制血流量來調節(jié)足部皮膚溫度，足部皮膚的局部加熱對皮膚溫度的提高有重要影響。

為合理設計電發(fā)熱襪，需要測量足部表面溫度分布以及分析局部加熱對微循環(huán)的影響。本文采用紅外熱像儀和激光多普勒血流檢測儀探測人體足部穿著電發(fā)熱襪通電加熱前后的表面溫度與血流灌注量，通過對比分析發(fā)熱區(qū)域部位及發(fā)熱區(qū)域數(shù)量不同時對足部升溫效果的影響，以期為電發(fā)熱產品保暖效果的客觀評價提供參考。

1 實驗方案設計

1.1 區(qū)域劃分及發(fā)熱區(qū)域選擇

基于足部測量中的跖圍(經過第一和第五跖趾關節(jié)的最突出點繞量1周)、兜圍(經過前跗骨突點、第五趾骨粗隆點、腳心凹處繞量1周)以及跗圍(經過腳后跟處、舟上彎點繞量1周)3個關鍵基礎線[10]，將足部劃分為6個區(qū)域，其中足背上、跗圍線和兜圍線相距較近劃分的區(qū)域合并，因此足部最終分為5個區(qū)域：足背前部、足背后部、足底前部、足底中部和足底后部。襪子主要由襪口、襪筒、襪腳、襪跟和襪頭組成，其中襪腳包括襪面與襪底[11]。足部劃分的5個區(qū)域分別對應于襪子的5個區(qū)域，如圖1所示。具體的對應關系如表1所述。

A—足背前部；B—足背后部；C—足底前部；D—足底中部；E—足底后部。圖1 足部/襪子分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of foot/socks division

表1 足部/襪子分區(qū)說明Tab.1 Instructions of foot/socks division

根據市場上現(xiàn)有電發(fā)熱襪產品發(fā)熱區(qū)域的調研結果，將足背前部、足底前部作為本文實驗研究的發(fā)熱區(qū)域。此外從足部淺層結構可知，在足底中部分布著足底內側動脈、足底外側動脈及大量的神經深支、淺支[12]，在這個區(qū)域進行發(fā)熱時，可使局部血管擴張，末梢神經興奮，因此對發(fā)熱區(qū)域進行拓展，將足底中部也作為本文研究的一個發(fā)熱區(qū)域。綜上，發(fā)熱區(qū)域確定為：足背前部、足底前部及足底中部。

1.2 實驗材料

1.2.1 襪 子

實驗基礎襪為從迪卡儂購買的高幫保暖襪(型號為ARTENGO RS500)，纖維成分為91%棉、8%滌綸、1%氨綸。襪子厚實保暖，足底采用長毛絨線圈，舒適度高，吸濕性好，接觸皮膚使人感覺柔軟而不僵硬，大小為均碼。

在選擇的3個區(qū)域(足背前部、足底前部、足底中部)內側分別縫紉碳纖維電發(fā)熱片，得到單區(qū)域發(fā)熱的實驗襪3款，將3個區(qū)域進行兩兩組合，得到雙區(qū)域發(fā)熱的實驗襪3款，共6款，為方便說明，將6款分別編號，如表2所示。其中發(fā)熱片與前期市場調研中電發(fā)熱襪產品所用的發(fā)熱材料保持一致，選擇康馨碳纖維發(fā)熱片。根據劃分的足部區(qū)域定制該發(fā)熱片，面積為6.5 cm×7.5 cm，電壓為5 V，功率為2.5 W。材料構成為2層非織造布，中間夾著碳纖維絲，并配置有USB接口。

表2 實驗襪品及說明Tab.2 Experimental socks and instructions

1.2.2 測試設備

溫度的測量主要分為接觸式測溫與非接觸式測溫2種。紅外熱像儀測溫作為非接觸式測溫方法的一種，原理是通過接受物體表面發(fā)射的光波來分析物體表面溫度，實現(xiàn)了物體的非接觸光學測溫[13-14]，其優(yōu)點在于測溫速度快，使用方便，可同時讀取一張熱像圖中幾個區(qū)域的平均溫度，適合作為本次的測溫工具。本文使用德國optris PI450紅外測溫儀，儀器溫度測量范圍為-20～100 ℃，溫度分辨率為0.08 K。

由于皮膚溫度的變化主要與皮膚微循環(huán)血流量、交感神經興奮度以及代謝活動等有關，其中血流灌注量可反映微血管功能變化[15]，因此，本文選用英國moorVMS-LDF激光多普勒血流監(jiān)測儀(LDF)，所用探頭為PH1-V2，采用半導體激光二極管類型，波長為785 nm，采樣深度為1 mm左右，可實時監(jiān)測足部皮膚微循環(huán)血流灌注量，每秒保存4次數(shù)據。

1.3 受試者選擇

實驗對象選擇3名在校女大學生，身高為157～162 cm，體重為48～52 kg，足部關鍵數(shù)據如表3所示，實驗時受試者們身體狀況良好。

表3 受試者足部關鍵數(shù)據Tab.3 Key data of experimenter′s foot cm

1.4 實驗條件

實驗地點選擇實驗人工艙，艙內溫度調節(jié)范圍為0～45 ℃，濕度調節(jié)范圍為0～100%。溫度調至20 ℃，濕度55%，實驗當天室外溫度約為30 ℃。

1.5 實驗方法

受試者依次進入人工艙，靜候30 min，之后分別穿著6款實驗襪，每款實驗襪為1組實驗。每組實驗的過程為：首先穿著實驗襪，在未通電狀態(tài)下穿著10 min，用紅外熱像儀記錄下此刻的足部各區(qū)域溫度，作為足部溫度的參照組；然后在通電加熱狀態(tài)下穿著10 min，再次記錄下對應的足部各區(qū)域溫度，作為足部溫度的實驗組；之后再脫下實驗襪，足部自然裸露降溫10 min，此組實驗完畢；然后再開始下一組實驗。以此來剔除因艙內溫度較低產生的足部溫度下降及因前1組實驗加熱對足部溫度產生的影響。使用紅外熱像儀獲取足部溫度時，分2次調整熱像儀與足部的相對位置，使足面和足底分別對準熱像儀鏡頭，其間距離為25 cm，依據實時紅外熱像圖對應記錄足面和足底5個區(qū)域的平均溫度，如圖2所示?？紤]足部溫度的獲取若采用脫掉襪子拍攝赤足狀態(tài)的方法，環(huán)境溫度對足部溫度變化造成的誤差影響會更大，故獲取足部溫度時統(tǒng)一用紅外熱像儀探測足部在著襪狀態(tài)時襪子的表面溫度，以此指代對應的足部區(qū)域溫度。

圖2 足部區(qū)域紅外熱像圖Fig.2 Infrared thermal image of foot

在血流實驗中，根據文獻[6-8]以及實驗目的需要，主要選擇了右足的大拇趾端足面?zhèn)?P1)、第五跖骨足面?zhèn)?P2)、足弓內側(P3)和足舟骨足面?zhèn)?P4)這4個區(qū)域，將LDF探頭以專用雙面膠分別固定在這4個區(qū)域的皮膚上，測量靜息狀態(tài)下足部基礎血流灌注量均值F0，然后記錄加溫后血流灌注量均值F，單位為PU。將血流灌注量加熱前后比值(F/F0)作為評估皮膚微血管反應性的指標。

2 實驗結果與分析

2.1 電發(fā)熱襪對足部整體溫度的影響

6款實驗襪通電加熱前后的足部各區(qū)域溫度為3位受試者測試數(shù)據的平均值，結果如表4所示。通電加熱后，足部對應的溫度值整體呈上升趨勢。分別對6款實驗襪的參照組數(shù)據和實驗組數(shù)據進行配對樣本T檢驗，結果如表5所示，其中 ***、 **和 *分別表示1%、5%和10%的顯著水平。

表4 實驗襪通電加熱前后足部溫度Tab.4 Foot temperature before and after experiment wearing different socks ℃

表5 配對樣本T檢驗結果Tab.5 Result of paired sample T test

將檢驗水準α取0.1，從雙側概率p值來看，6款電發(fā)熱襪均小于0.1，說明加熱前后足部溫度均有顯著性差異，即6款實驗襪均可不同程度地使足部溫度上升，可以認為，6款實驗襪均有一定的保暖效果。

2.2 電發(fā)熱襪對足部各區(qū)域溫度的影響

將實驗襪通電加熱10 min前后的足部各區(qū)域溫度作差，即：

ΔT=T實-T參

式中，ΔT為通電加熱前后的溫差值。用各區(qū)域發(fā)熱前后的溫度差值作進一步分析，結果如圖3所示。由各區(qū)域加熱前后的溫差直方圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)熱片對應的A、C、D足部區(qū)域溫度上升較多，其余區(qū)域根據款式不同，大部分呈小幅度的上升，但也有少部分區(qū)域溫度差呈現(xiàn)負值。另外，從圖中還可看到，足部不同部位對溫度的響應不同，足底后部、足背后部在不同的加熱方式下表面溫度上升較小，相對來說，足背前部、足底前部、足底中部表面溫度響應速度較快，上升溫度較大。

圖3 穿著不同實驗襪時足部各區(qū)域溫差Fig.3 Temperature difference for different foot areas and different experimental socks

2.3 電發(fā)熱襪對足部各區(qū)域血流灌注量影響

根據文獻[6]可知，皮膚溫度與局部血流量密切相關，皮膚溫度在一定程度上可反映血管的功能狀態(tài)，血流灌注量是反映微血管功能的重要指標，因此，本文選用Moor激光多普勒血流監(jiān)測儀自帶的分析軟件中移動平均濾波的方法，提取右足的大拇趾端足面?zhèn)?P1)、第五跖骨足面?zhèn)?P2)、足弓內側(P3)和足舟骨足面?zhèn)?P4)這4個區(qū)域的血流灌注量均值F0與F。通過計算得到各測試點在不同加熱方式下加熱后比值(F/F0)，結果見表6。

表6 不同加熱組合下血流灌注量加熱后比值Tab.6 Ratio of posterior-anterior blood perfusion under different heating combinations

通過表6中單區(qū)域對比分析可以發(fā)現(xiàn)：足背前部A加熱時大拇趾端足面?zhèn)?P1)與足舟骨足面?zhèn)?P4)區(qū)域微血管血流灌注量都有所增加，其中區(qū)域P1加熱后比值較高，該加熱方式對足弓內側血流灌注量無明顯影響；足底前部C加熱時大拇趾端足面?zhèn)?P1)、第五跖骨足面?zhèn)?P2)、足弓內側(P3)血流灌注量加熱后比值都有明顯變大；第五跖骨足面?zhèn)?P2)、足弓內側(P3)和足舟骨足面?zhèn)?P4) 區(qū)域在足底中部D加熱后血流灌注量明顯增加，其對大拇趾端足面?zhèn)?P1)血流灌注量無明顯增加。可以發(fā)現(xiàn)，單區(qū)域局部熱刺激可引起其臨近區(qū)域的血流灌注量明顯增加，以及同一脈絡下局部血流灌注量的提升，對遠部區(qū)域的血流灌注量影響較小，相比之下，足背前部A的熱刺激對足部4個區(qū)域血流灌注量的影響較弱；結合相應溫度的變化規(guī)律，進一步驗證單區(qū)域局部的熱刺激會增加該臨近區(qū)域的皮膚溫度與血流灌注量。

另外，通過分析表6中雙區(qū)域組合下這4個部位的加熱后比值可以發(fā)現(xiàn)，加熱組合方式(6#襪子)導致足部這4個區(qū)域血流灌注量都增大，相比加熱組合方式(4#襪子、5#襪子)來說，在短時間加熱過程中，C+D區(qū)域加熱方式6#襪子對于足部局部血流灌注量增大的效果較佳。通過對比單區(qū)域與雙區(qū)域熱刺激引起的臨近局部、遠部區(qū)域的血流灌注量加熱后比值可以發(fā)現(xiàn)，在加熱時間相同的條件下，雙區(qū)域局部的熱刺激并不會比單區(qū)域局部的熱刺激顯著提高足部微循環(huán)的血流灌注量，甚至較高溫度的熱刺激引起局部微血管的收縮，導致該局部的血流灌注量減少。相比之下，相鄰局部區(qū)域的組合對局部微血管的血流灌注量影響較大，其中足底前部C與足底中部D的加熱對足部微循環(huán)的血流灌注量的影響較大。

3 結 論

本文從足局部加熱效應對皮膚微循環(huán)的影響出發(fā)，進行了足背前部、足底前部、足底中部3個區(qū)域的單區(qū)域及多區(qū)域組合發(fā)熱實驗，并使用紅外熱像儀以及激光多普勒血流檢測儀分別探測著襪加熱前后足部各區(qū)域的體表溫度和血流灌注量，再通過進一步比較分析得到以下結論：

1)6 款實驗襪雖然發(fā)熱區(qū)域及數(shù)量不同，但均能提高發(fā)熱區(qū)域以及其臨近區(qū)域的足部溫度，因此市售的電發(fā)熱襪雖款式有所差異，但均具有一定的保暖效果。

2)當電發(fā)熱襪的發(fā)熱區(qū)域不同時，發(fā)熱片可對相應的足部區(qū)域進行熱量的直接傳導，因此該區(qū)域的升溫最為明顯，其次是鄰近區(qū)域。若使用者有明確的需要提高溫度的足部區(qū)域時，如冬季最易產生冷感的足尖，可考慮將發(fā)熱片放置在此處，即與市場上的電發(fā)熱襪發(fā)熱區(qū)域一致。

3)局部皮膚加熱會提高該局部的血流灌注量以及皮膚溫度，相比之下足底局部比足背局部對皮膚微循環(huán)的影響更顯著；雙區(qū)域中足底前部與足底中部的局部組合加熱對血流灌注量的影響較大，雖然雙區(qū)域加熱比單區(qū)域加熱對足部血流灌注量的影響較大，但無法說明雙區(qū)域加熱下血流灌注增量會比單區(qū)域加熱下更大。

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