При изучении теплового состояния человека в одежде большую роль играют
методы биокалориметрии, которые позволяют определить энерготраты,
теплопродукцию, тепло- и влаговыделение. Параллельно изучаются
состояние сердечно-сосудистой системы, нарушения в которой возникают
вследствие перегревания или переохлаждения организма человека и
температурного воз* действия внешней среды. Энерготраты определяют при
оценке различных конструктивных изменений в одежде. По данным [7.3],
например, при исследовании всесезонных курток с различными прибавками на
свободу облегания по линии груди наблюдается увеличение энерготрат при
выполнении дозированной физической нагрузки (подъем штанги массой 10 кг
на высоту вытянутых вверх рук с частотой 15 подъемов и опусканий в
минуту); в куртке с Пг = 5 см энерготраты составляют 133 Вт, в куртке с
Пг= 11 см они равны 118 Вт. Энергообмен организма человека производят
методами непрямой и прямой калориметрии.
Методы непрямой калориметрии. Энерготраты при использовании метода
непрямой калориметрии определяют исходя из объема поглощенного
организмом человека кислорода (Vо2) и объема
выделенного углекислого газа( Vсо2) измеренных
с помощью газообменных методик. С учетом дыхательного коэффициента Д=
Vсо2/Vo2, и в
зависимости от значения теплового эквивалента 1 л поглощенного кислорода
рассчитывают энерготраты человека. По этому же методу устанавливают
теплопродукцию человека и энергию, затрачиваемую им на выполнение
внешней работы.
Значения дыхательного коэффициента находятся в пределах 0,7—1. В
зависимости от природы окисляемой в организме пищи коэффициент Д при
окислении углеводов равен 1, белков — 0,85, жиров — 0,7 и смешанной пищи
— 0,82. Тепловой эквивалент (калорический коэффициент) 1 л поглощенного
кислорода принимают равным для углеводов 5, белков — 5,85 и жиров 4,7
Вт.
Для анализа выдыхаемого воздуха в методах непрямой калориметрии
используются приборы, работающие по принцип газоанализной и объемной
методик [7.2].
По газоанализной методике контролируют только выдыхаемый воздух. Его
объем измеряют с помощью газовых счетчиков а содержание в нем С02 и 02—
химическими или физическим газоанализаторами. Широко известен работающий
по этом принципу прибор Дугласа — Холдена. Определение содержании
кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе основан на принципе
измерения объема воздуха до и после обработок его химическими
веществами, поглощающими из него С02 и О2 Газоанализный метод Дугласа —
Холдена не требует сложной аппаратуры. Однако процесс проведения
исследований
трудоёмок. Необходимость работы со ртутью и щелочью
в качестве поглотителей СО2 и О2 требует для проведения исследован
специальных помещений. Автоматические газоанализаторы (приборы открытого
типа) более удобны. Выдыхаемый воздух в таких приборах выпускается через
газовый счетчик в атмосфер а часть воздуха направляется в газоанализатор
для определения О2 и С02.
Автоматическими газоанализаторами открытого типа являются СОТ-1, ЛГИ-1,
прибор Белау и др. Такие газоанализаторы имеют ряд недостатков:
невысокую точность прибора, невозможность проводить исследования в
разных газовых режимах дыхания, инерционность, громоздкость и т. д.
Объемная методика заключается в регистрации уменьшен объема газа в
замкнутой системе, к которой присоединен чел век. Выделяемый человеком
углекислый газ улавливается поглотителем (твердым или жидким).
Достоинство объемной
методики заключается в том, что искомые величины
определяют сразу, без промежуточных или косвенных измерений. Для этого
исследований используются приборы закрытого типа, рабочей частью которых
является спирометр — аппарат, измеряющий объемы газов.
Спирометр 1 соединен (рис. 7.1) с мундштуком 3, через который дышит
человек, забирая при вдохе воздух из спирометра
и выдыхая его обратно. На пути выдыхаемого воздуха
установлен поглотитель 4 углекислого газа. Так как кислород потребляется
человеком постоянно, а выдыхаемый углекислый газ поглощается химическими
веществами, объем воздуха в аппарате уменьшается. При выдыхании человека
спирометр реагирует на изменение объема воздуха, а посредством самописца
2 регистрируется дыхательный процесс на движущейся ленте. На спирометре
регистрируются все данные, характеризующие внешнее дыхание человека:
глубина, частота и ритм, продолжительность вдоха и выдоха, объемы
поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа.
Спирометры позволяют проводить .газовый анализ воздуха при содержании в
нем не более 21 % кислорода. При исследовании некоторых видов
специальной одежды вдыхаемый воздух может содержать до 30—70% кислорода.
В связи с этим анализ воздуха выполняют на газоанализаторах, позволяющих
определять высокие концентрации кислорода. Для газового анализа
вдыхаемого и выдыхаемого воздуха широко применяется метод газовой
хроматографии, основанный на физическом разделении сложных смесей [7.4].
С помощью газохроматографов производится разделение газовых смесей,
качественный и количественный анализ отдельных компонентов.
Рис. 7.2. Схема газохроматографа
Основные части газохроматографа (рис.
7,2)—разделительная колонка с определенным наполнителем и детектор,
который фиксирует входящие в него компоненты газовой смеси. Газоноситель
(азот, аргон, водород и др.) из баллона 1 поступает через редакционный
вентиль 2 в осушитель 3 для удаления из него влаги. Необходимый расход
газа-носителя устанавливается по ротаметру 4. Далее газ-носитель
проходит приспособление 5 для ввода исследуемой газовой пробы, откуда
введенная проба воздуха потоком газа вносится в хроматографическую
разделительную колонку 6. Разделенные компоненты из колонки поступают в
детектор 7, величина сигнала которого определяется химическими
свойствами и количеством исследуемого газа. Хроматограмма разделения
газовой смеси записывается на ленте самописца 8.
Метод газовой хроматографии прост, позволяет повысить точность
исследований и сократить время анализа газовой смеси (продолжительность
анализа пробы не превышает 5 мин).
Для определения энерготрат может быть использовано эмпирическое
уравнение, устанавливающее зависимость энерготрат от объема легочной
вентиляции:
Qэ.т=0,2331V,
где V — объем легочной вентиляции, приведенный к нормальному давления
при температуре воздуха 0°С, дм3/ч.
Функцию внешнего дыхания определяют на приборе «Спиро 2-25». Работа
прибора основана на принципе объемных измерений вдыхаемого и выдыхаемого
воздуха, причем вдох производится из одного объема, а выдох —в другой.
Для определений минутного объема дыхания (МОД) или минутной вентиляции
легких (МВЛ) включают счетчик. Разность показаний счетчика в момент
вдоха и выдоха, деленная на время исследования в шунтах, показывает
минутный объем дыхания или минутную вентиляцию легких. ;
Для изучения теплового состояния человека в некоторых видах специальной
одежды (средствах индивидуальной защиты), когда следует учитывать
физические особенности теплообмен человека, целесообразно применять
метод прямой калориметрий Метод прямой калориметрии позволяет
непосредственно измерять теплопродукцию и тепловыделения человека. Для
более глубокого и всестороннего изучения процессов теплообмена человека
в средствах индивидуальной защиты возможно одновременное применение
непрямой и прямой калориметрии.
Методы прямой биокалориметрии. Биокалориметры, используемые в
методах прямой биокалориметрии, различаются по конструкции и типу
теплопередачи. Биокалориметры бывают проточные и статичные. К проточным
биокалориметрам относятся носимые, изотермические и косвенные, к
статичным — абиатические, компенсационные, градиентные и динамические. В
проточных биокалориметрах (изотермических устройствах) за счет высокой
теплопроводности внешних оболочек тепло, выделяемо биологическим
объектом, отводится из калориметрической камеры. В качестве
теплоприемников применяют лед или воду, текущую по трубам теплообменника
(рис. 7.3). Принцип работ проточных биокалориметров заключается в
следующем: лед или вода воспринимают тепло, выделяемое в калориметре,
количество которого при постоянном расходе пропорционально изменению
температуры жидкости.
В зависимости от вида циркуляционной системы различают лроточные
биокалориметры открытого и закрытого типов. В биокалориметрах первого
типа производится одноразовое использование жидкости. Преимуществом
таких биокалориметров является простота конструкции и высокая точность
измерения расхода жидкости. В биокалориметрах второго закрытого типа
циркуляция жидкости, которая обеспечивается насосом, требует применения
расходомеров и систем поддержания или регулирования расхода
теплоносителя. Калориметрические измерения в протонных биокалориметрах
просты, но имеется ряд трудностей: систематические погрешности измерения
зависят от точности измерения большого числа параметров (удельной
теплоемкости, плотности, расхода и изменения температуры жидкости).
Особые трудности представляют случайные погрешности, связанные с
неравномерностью потока жидкости, появлением пузырьков воздуха и др. Для
уменьшения этих погрешностей применяют регуляторы расхода жидкости
[7.5].
В статичных биокалориметрах предусмотрена оболочка, ограничивающая объем
рабочей камеры и одновременно регистрирующая интенсивность тепловых
процессов в калориметре. Адиабатические биокалориметры характеризуются
малой (близкой к нулю) теплопроводностью системы оболочек, отделяющих
«го рабочую камеру от окружающей среды. Биологический объект в них
термически изолирован.
Рис. 7.3. Схемы изотермических биокалориметров:
а — с теплоприемником в виде льда; б — с теплопрнемником в виде воды; 1
— объект исследования; 2 — теплоприемник; 3 — теплоизоляционная оболочка
Если теплопроводность среды, разделяющей оболочки биокалориметра
равна нулю, то тепловой поток между оболочками также становится равным
нулю. Тепло, выделяемое в калориметре , становится равным произведению
теплоемкости на разницу температур в начале и конце наблюдения .
В адиабатических биокалориметрах при исследованиях живого организма
важным является исключить теплообмен между его рабочей и внешней
оболочками (рис. 7.4). Это достигается применением различных устройств,
способных автоматически выравнивать среднеповерхностные, температуры
этих оболочек 17.6]. Адиабатические биокалориметры при исследовании
тепловыделений человека не получили широкого распространения по ряду
причин. Одна из них следующая: для точного отсчета повышения температуры
человека интервал времени после начала опыта должен быть большим, что
приводит к перегреву организма человека.
В компенсационных биокалориметрах достигается высокая чувствительность
при измерении теплопродукции живого организма. В них применяются два
одинаковых, термически симметричных калориметра (рис. 7.5). В один
калориметр помещают биологический объект, в другой — источник физической
природы, основанный, например, на эффекте Джоуля. Процесс измерения
регулируется таким образом, чтобы разность термоЭДС между рабочей и
контрольной термобатареями равнялась нулю. Преимущество применения
компенсационных биокалориметров— отсутствие в исследованиях таких
трудоемких операций, как калибровка и учет тепловых потерь вследствие
теплообмена калориметра с окружающей средой. Однако препятствиями для
использования компенсационных биокалориметров являются сложность и
высокая стоимость их изготовления, обеспечение идентичности условий
теплообмена и др. В этой связи существенным вкладом в совершенствование
биокалориметрической техники служит разработка градиентного и
динамического биокалориметров.
Рис 7.4 Схема адиабатического биокалориметра
1 — объект исследования, 2 — оболочка рабочей камеры, 3 — внешняя
оболочка; 4 — измерительное устройство
В градиентном биокалориметре внутренняя поверхность камеры покрыта
тонким равномерным слоем изолирующего материала. При этом градиент
температуры внутренней и наружной поверхности слоя пропорционален
скорости проведения тепла от любого тела, находящегося в
калориметрической камере. Переход от одного уровня теплоотдачи к другому
приводит к быстрому повышению или понижению градиента. Градиент
температуры и скорость его изменения зависят от толщины изолирующего
слоя. Среднее значение температурного градиента независимо от размера,
формы и расположения источника тепла и путей потери его организмом
(испарением, проведением, излучением). Схематичное изображение
градиентного биокалориметра приведено на рис. 7 6.
Материалы, применяемые в качестве градиентного слоя, разнообразны:
целлофан, стеклоткань, синтетическая ткань.
Чувствительными элементами датчиков теплового потока живого организма
являются дифференциальные термопары. Метод градиентной биокалориметрии
требует однородности градиентного слоя вне зависимости от геометрической
формы устройства, высокой чувствительности датчиков и малой
инерционности. Эти требования предопределяют наличие большого (от 10 до
100 тыс.) числа термопар, расположенных равномерно на стенках оболочек
биокалориметрa, что ведет к его усложнению.
Динамические биокалориметры (осциллографы) позволяют производить быстрые
измерения тепловых эффектов, адекватных изучаемым физиологическим
процессам [7.7]. Сущность метода измерения заключается в том, что
количество тепла, воспринимаемое оболочкой калориметра за определенный
интервал времени, и количество тепла, которое оболочка калориметра
передает во внешнюю среду, уравновешиваются количеством тепла,
выделяющимся в рабочей камере за это время.
Конструкции динамических биокалориметров снабжены системой вентиляции,
газового анализа и термостатирования рабочего объема камеры. Они
позволяют с большой точностью (до 2%) проводить биоэнергетические
эксперименты в интервале температур 4—40 °С, обладают высокой
чувствительностью и малой инерционностью. Для измерения температуры тела
биологических объектов используются термопары (от 3 до б шт.).
Прямые калориметрические измерения обеспечивают точные я надежные
результаты, дают возможность проводить физиолого- гигиенические
исследования в широком диапазоне изменения параметров окружающей среды.
Однако рассмотренные выше биокалориметры представляют собой герметичные
камеры, рабочий объем которых зависит от размеров и характера движений
исследуемого биологического объекта. Применительно к исследованиям
человека, находящегося в покое (например, в положении лежа), объем
камеры составляет 2 м3, а в случае выполнения физической нагрузки — в
несколько раз больше. Поэтому термическая инерционность таких систем
велика (значительна объемная теплоемкость системы, плохая
теплопроводность рабочих сред) и измеряется десятками минут, часами. В
результате исследования в таких калориметрических системах проводятся в
течение длительного времени. Новое поколение калориметров— это носимые
биокалориметры (НБК), обеспечивающие калориметрические исследования
человека непосредственно в ходе его жизнедеятельности. В зависимости от
среды обитания НБК подразделяются на наземные, высотные и подводные
(схема 7.1).
Вредные факторы окружающей среды (температура, химические и
радиоактивные вещества, движение) определили виды биокалориметров:
пневмокостюмы, водолазные комбинезоны, скафандры авиационные и
космические. Конструкция перечисленных биокалориметров при сохранении
эффективной защиты от вредных факторов среды обитания человека
(повышенного и пониженного барометрического давления, высоких и низких
температур, радиации, воздействия химических веществ и др.) обеспечивает
измерение показателей теплового состояния человека.
Схема 7.1 Классификация носимых биокалориметров
Все носимые биокалориметры изолирующего типа содержат герметичную
оболочку, разделяющую внутреннюю и внешнюю среды и близкую по
конструкции к антропометрическим данным человека; поверхность
гермооболочки термоградиентного слоя — измеритель теплопередачи через
эту оболочку устройства, обеспечивающие калориметрирование текучих
рабочих сред (жидкости, газа) в системах охлаждения и вентиляции
изделий; систему отбора проб для анализа газа в свободном объеме
носимого биокалориметра, а также вдыхаемого и выдыхаемого человеком
газа. По конструктивным различиям носимые биокалориметры делятся на
наземные НБК-1, высотные НБК-2 и подводные НБК-3.
В наземных носимых биокалориметрах внешняя (гермосиловая) оболочка
вследствие малых перепадов давлений между внутренней и наружной средой
выполняется в виде тонкого монослоя из специального материала. Такой
материал защищает организм человека от различных вредных (химических,
радиоактивных и др.) воздействий. При малом избыточном давлении газа в
подкостюмном пространстве у человека сохраняется хорошая подвижность.
В высотных носимых биокалориметрах (авиационных и космических)
предъявляются высокие требования к герметичности и силовым свойствам
оболочек. При больших перепадах давлений между внутренней и внешней
средой эти требования входят в противоречие с другим важным требованием
— обеспечение высокой подвижности при выполнении человеком работ в
специфических условиях обитания. Современные авиационные и космические
скафандры разнообразны. Известны конструкции мягких и жестких скафандров
[7.8].
Подводные носимые биокалориметры предназначены для исследования тепловых
эффектов в условиях воздействия высоких давлений окружающей водной среды
и низкой температуры. В настоящее время наиболее широко применяются для
эксплуатации и физиолого-гигиенических экспериментов носимые
биокалориметры НБК-1 и НБК-2.