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自吸過濾式呼吸防護用品對人體的影響

呼吸防護用品是消除或減少空氣中有害物質對作業人員呼吸系統產生危害的個體防護裝備,它在保護作業人員免受環境中有毒、有害物質沾染和傷害的同時,成為一種外在的負荷,會對佩戴者產生一系列的影響。


按照作用原理,呼吸防護用品可分為過濾式和隔離式兩類。過濾式呼吸護具通過過濾介質將污染的空氣過濾后供給佩戴者呼吸,而隔離式呼吸護具將佩戴者的呼吸道與污染環境隔離,通過導管或加用空氣壓縮機將未被污染的新鮮空氣送入面罩。過濾式呼吸護具又可分為自吸式和送風式兩種,自吸式呼吸護具依靠佩戴者自身的呼吸功能進行氣體交換。送風式則采用電動風機將空氣送到面罩內。

目前,在我國國民經濟生產中,作業場所主要使用的是自吸過濾式呼吸護具,本文針對自吸過濾式呼吸防護用品,分析其對人體可能產生的影響。

自吸過濾式呼吸防護用品會增加佩戴者的呼吸阻力,并與人體面部構成內部空間,導致呼吸區二氧化碳儲留,呼吸防護用品覆蓋于面部,阻礙人體散熱而產生熱負荷。

歐美制定相關標準對呼吸防護用品的死腔、呼吸阻力、視野等都作了具體的規定,我國參考國外標準也制定了相關標準。但是,我國還十分缺乏自吸過濾式呼吸防護用品對人體影響的研究資料,與之相關的中國人群的基礎數據也十分匱乏。因此,有必要對因使用自吸過濾式呼吸防護用品所導致的人體呼吸系統、心血管系統、體溫調節系統等生理機能以及心理和作業能力等方面的改變開展系統研究,以為我國自吸過濾式呼吸防護用品的設計、研制、生產與評價提供參考。

2.自吸過濾式呼吸防護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用品直接作用于人體的口鼻區,面罩與人體面部構成了內部幾何空間,即:死腔。死腔相當于人體呼吸生理死腔的延伸,會導致呼吸區二氧化碳儲留。一般來說,全面罩型面具較半面罩型面具的死腔大,更容易產生二氧化碳儲留。呼吸區二氧化碳濃度升高,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,機體會出現下列反應:

(1)動脈血中二氧化碳含量增加,刺激中樞化學感受器以及外周化學感受器。動脈血二氧化碳分壓升高0.266kPa,可刺激中樞化學感受器,升高1.330 kPa,可刺激外周化學感受器。沖動經竇神經和迷走神經傳入延髓,反射性地調節呼吸器官,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,會出現呼吸動動加深加快等呼吸代償反應;吸入氣中二氧化碳含量達5%持續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6%持續6~8分鐘,心率改變,吸入氣中二氧化碳含量達7.5%持續15分鐘,則出現呼吸困難、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到10%,則會出現意識喪失乃至死亡。

美國職業安全衛生管理局(OSHA)規定的二氧化碳允許暴露限值(PEL)以及美國國家工業衛生和健康學者協會(ACGIH)規定的二氧化碳閾限值(TLV)都為0.5%.我國GB2626-2006《呼吸防護用品—自吸過濾式防顆粒物呼吸器》標準規定:吸入氣中二氧化碳體積百分含量應不大于1%.

2.2攝氧量減少

由于自吸過濾式呼吸防護用品在大氣環境與佩戴者之間形成一道屏障,妨礙了佩戴者從外周環境吸入氣體,呼吸阻力增加,佩戴者感覺呼吸困難,攝氧量減少,由此會引起機體生理機能的變化:

(1)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的代謝過程,但是,由于呼吸阻力增加,面罩會增加呼吸負擔,代償不充分則無氧代謝水平升高,運動時間縮短。

(2)急性缺氧會引起心、腦器官找代償性反應,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。

(3)嚴重缺氧對人體免疫系統的影響很大,從整體水平來看,缺氧會顯著地抑制免疫功能,導致機體的易感染性增加。英國學者Turner等人研究發現,低氧可以抑制化學因子誘導的單核-巨噬細胞遷移,促進腫瘤壞死因子N-a(TNF-a)、前列腺素E2(PGE2)的分泌,從而抑制巨噬細胞表面組織相溶性抗原2(MHC II)類抗原的表達,導致巨噬細胞的抗原呈遞功能下降。美國學者Schroedl等人認為低氧可使體內低氧誘導因子—1(HIF-1)表達增加,HIF-1通過與瘦素(leptin)基因啟動子附近—116區結合激活啟動子,使leptin因子轉錄增加。Leptin通過作用于呼吸調節中樞,加強肺的通氣功能,防止呼吸抑制,有利于人對低氧的適應,但機體一旦適應低氧環境后,低氧應激反應解除,體內瘦素水平不同缺氧程度下無明顯變化。

OSHA(美國職業安全衛生管理局)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用品中,帶有呼氣閥的簡易防塵口罩的呼吸阻力較??;而防毒面具除了面罩的阻力,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。

在安靜狀態下,長期使用自吸過濾式呼吸防護用品,缺氧效應并不明顯。但在環境溫度較高或/和人體運動強度較大時,使用自吸過濾式呼吸防護用品的缺氧效應則變得突出起來。因此,在高溫環境和大體力負荷時,應盡量使用呼吸阻力小的呼吸防護用品,或者縮短自吸過濾式呼吸防護用品的佩戴時間,以減少缺氧效應對人體的影響。

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濾料、導氣管、吸氣閥門等部位所產生的阻力,呼氣阻力是由佩戴者呼氣時流經內外呼氣閥門等部件所產生的。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用品之后,呼吸阻力顯著增加,同時,呼吸防護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,應盡量降低呼吸護具的呼吸阻力。

2.4熱負荷

自吸過濾式呼吸防護用品使呼吸功的消耗增加,佩戴者的能量代謝由此增強,同時,由于呼吸防護用品的覆蓋,妨礙了人體表面向環境的對流散熱、蒸發散熱以及輻射散熱,機體散熱量減少,皮膚溫度升高,加拿大學者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用品后,人體的產熱量增加、散熱量減少,依據人體的熱平衡公式:

▽q=qm±qc±qr±qe-w

其中,▽q-機體熱含量的變化,qm-代謝產熱量,qc-傳導散熱量,qr-輻射散熱量,qe-蒸發散熱量,W-人體對外作功

由此可以推算,佩戴自吸過濾式呼吸防護用品后,人體熱平衡破壞,體內出現熱量蓄積,尤其是在熱環境或體力強度較大的情況下。此時,人體皮膚等淺表血管擴張、血流量增加。汗腺大量分泌汗液,汗液蒸發帶走熱量,汗液的排出增加會使機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感受器,感受信號分別由頸動脈竇神經和迷走神經傳入延髓弧束核,使延髓內呼吸神經元和心血管活動神經元的活動發生改變,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用品死腔的影響。另外自吸過濾式呼吸防護用品使佩戴者的熱負荷增加,人體體溫升高,刺激交感神經興奮,腎上腺髓質分泌腎上腺素增加、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應激

自吸過濾式呼吸防護用品對機體的內外環境進行刺激,會使佩戴者出現非特異性全身摻應。由于交感一腎上腺髓質系統興奮,兒茶酚胺分泌增多;下丘腦分泌的腎上腺皮質激素釋放(RCH)和垂體前葉分泌的促腎上膽小的馬皮質激素(ACTH)增加,促使糖皮質激素的分泌。應激時,由于交感神經興奮,兒茶酚胺或糖皮質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,產生一系列的生理反應。

3.自吸過濾式呼吸防護用品對佩戴者心理的影響

佩戴自吸過濾式呼吸防護用品后,由于呼吸阻力增加,人體感到呼吸困難,產生不適感;自吸過濾式呼吸防護用品使人體的熱負荷增加,體溫升高,出現熱不適。這些都會引起佩戴者情緒焦慮,而不愿意佩戴。

在低強度體力活動的過程中,進行選擇反應(CHO)、串行加法/減法(ADD)、邏輯推理(LOG)、連續反應(SER)等認知測試,以及形容詞(如:憤怒、沮喪、恐懼、興奮、疲勞等)表達的主觀感覺問卷調查都顯示:自吸過濾式呼吸防護用品對人體的認知以及情緒都沒有產生影響,反應時間、反應準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用品的警醒作用,注意力提高引起。自吸過濾式呼吸防護用品還明顯影響操作以及精確定位作業的穩定性,對腦力活動產生明顯的影響.

減少呼吸防護用品對人體心理產生的不良影響,提高呼吸防護用品的可接受性,首先,應避免壓夾鼻面部等產生局部壓迫,增加其舒適性能。同時,應減小呼吸防護用品對人體的生理影響,如:減少呼吸防護用品的死腔,降低二氧化碳的儲留;減小呼吸防護用品的呼吸阻力,降低呼吸功能消耗等。

4. 自吸過濾式呼吸防護用品對佩戴者作業的影響

研究表明:在佩戴了自吸過濾式呼吸防護用品之后,作業人員的作業持續時間明顯縮短、作業速度減慢,完成的工作量減少,人體的作業耐受能力降低。自吸過濾式呼吸防護用品對人體作業的影響有以下幾方面的原因:

a) 自吸過濾式呼吸防護用品面罩的外形結構占據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境中,自吸過濾式呼吸防護用品引起的熱不適會加重人體的負荷,也會降低人體的作業能力。最大輸出功率為不佩戴呼吸防護用品時的18%~34%。

c) 吸入氣中二氧化碳濃度增加也會對佩戴者的作業產生影響。二氧化央濃度高會產生不適感和不安,焦慮會影響操作;二氧化碳還具有局部擴血管效應,其它運動肌肉由于分流而血液供應減少。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、運動協調以及記憶、理解、判斷、思維等智能產生影響。氧濃度16%(標準狀態STP下)會導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%(標準狀態下STP下)以下,則出現異常疲勞、情緒低落、判斷力減退;氧濃度下降到10%(標準狀態STP下),會產生惡心、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用品佩戴者的作業能力,需要從外形尺寸上,減小呼吸防護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用品對機體呼吸系統、心血管系統、體溫調節系統等的影響。

5. 小結

自吸過濾式呼吸防護用品所致的二氧化碳儲留、缺氧以及熱負荷等生理效應之間,以及代償作用彼此影響、相互作用。有些效應相互協同,如:血中二氧化碳濃度升高、缺氧以及熱負荷都會使人的通氣量增加、心率加快;有些效應相互拮抗,如:熱負荷增加,人體外周血管擴張,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,機體的代償作用會減輕自吸過濾式呼吸防護用品引起的初始效應:如:二氧化碳儲留和缺氧使機體的通氣量加大、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??梢?,佩戴自吸過濾式呼吸防護用品的生理效應十分復雜。已有報道的研究結果也多莫衷一是,這為進一步的研究帶來了困難。盡管自吸過濾式呼吸防護用品對人體的影響作用不劇烈,不會立即出現生理反應,但是,職業危害作業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用品,自吸過濾式呼吸防護用品對人體的影響是長期的。因此,有必要系統研究自吸過濾式呼吸防護用品對人體的生理、心理效應,以及對作業能力的影響,以使自吸過濾式呼吸防護用品更適合佩戴。


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