电发热袜发热区域对足部表面温度的影响

刘咏梅， 肖 平,2,3， 范雅雯

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051； 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

足部作为人体的一部分，虽分布着大量的动静脉、神经，但其位于肢体末端，距离心脏较远，循环能力较弱，因此人体所处环境温度一旦降低，足部温度随之下降最快[1]。对足部进行加热是帮助足部保暖的有效方式，电发热袜作为市场上一种已颇具规模的足部保暖产品，其原理是将电热元件置于袜子内侧，通过将电能转化为热能来提高足部温度，电热元件的放置区域即为发热区域，其放置区域至关重要，直接影响着电发热产品的使用效果[2-3]。

长期以来，电加热服装一直受到寒区部队及户外运动爱好者们的青睐，顺应此趋势，Tour Master公司开发的电加热摩托车服、Malden Mills公司开发的锂氢电池供热的电加热服[4]、The North Face公司开发的电加热背心等相继问世，电发热片也大都加在腹部、后背、腰等人体热敏感部位[5]。对于电发热袜的发热区域，市场上的产品均为足背前部或足底前部，但在这2处发热是否对提高足部温度最为有效还有待进一步讨论。已有学者关注不同性别、年龄、部位皮肤温度和血流灌注量间的关系，如宋丹丹等[6]采用激光多普勒血流测定仪测定健康成年人局部皮肤温度及血流量发现，随着年龄增加，局部皮肤血流灌注量加热后比值逐渐降低，手部和面部加热后血流灌注量明显高于腰部和胫前区。任萍等[7]分别选用热电偶和红外成像仪采集不同条件下穿着带有加热鞋垫的足部温度发现，脚趾部位的温度变化速度最慢，其次是足跟部位，最快是足弓部位。吕叶馨等[8]研究冷环境对足部皮肤温感及人体生理指标的影响发现，随着环境温度降低，皮肤温度下降，表面血流量减少。阮果清等[9]发现随着运动时间的延长，正常青年男性足部体表温度逐步增加并趋向一致。可见，在一定条件下可以通过控制血流量来调节足部皮肤温度，足部皮肤的局部加热对皮肤温度的提高有重要影响。

为合理设计电发热袜，需要测量足部表面温度分布以及分析局部加热对微循环的影响。本文采用红外热像仪和激光多普勒血流检测仪探测人体足部穿着电发热袜通电加热前后的表面温度与血流灌注量，通过对比分析发热区域部位及发热区域数量不同时对足部升温效果的影响，以期为电发热产品保暖效果的客观评价提供参考。

1 实验方案设计

1.1 区域划分及发热区域选择

基于足部测量中的跖围(经过第一和第五跖趾关节的最突出点绕量1周)、兜围(经过前跗骨突点、第五趾骨粗隆点、脚心凹处绕量1周)以及跗围(经过脚后跟处、舟上弯点绕量1周)3个关键基础线[10]，将足部划分为6个区域，其中足背上、跗围线和兜围线相距较近划分的区域合并，因此足部最终分为5个区域：足背前部、足背后部、足底前部、足底中部和足底后部。袜子主要由袜口、袜筒、袜脚、袜跟和袜头组成，其中袜脚包括袜面与袜底[11]。足部划分的5个区域分别对应于袜子的5个区域，如图1所示。具体的对应关系如表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。图1 足部/袜子分区示意图Fig.1 Schematic diagram of foot/socks division

表1 足部/袜子分区说明Tab.1 Instructions of foot/socks division

根据市场上现有电发热袜产品发热区域的调研结果，将足背前部、足底前部作为本文实验研究的发热区域。此外从足部浅层结构可知，在足底中部分布着足底内侧动脉、足底外侧动脉及大量的神经深支、浅支[12]，在这个区域进行发热时，可使局部血管扩张，末梢神经兴奋，因此对发热区域进行拓展，将足底中部也作为本文研究的一个发热区域。综上，发热区域确定为：足背前部、足底前部及足底中部。

1.2 实验材料

1.2.1 袜 子

实验基础袜为从迪卡侬购买的高帮保暖袜(型号为ARTENGO RS500)，纤维成分为91%棉、8%涤纶、1%氨纶。袜子厚实保暖，足底采用长毛绒线圈，舒适度高，吸湿性好，接触皮肤使人感觉柔软而不僵硬，大小为均码。

在选择的3个区域(足背前部、足底前部、足底中部)内侧分别缝纫碳纤维电发热片，得到单区域发热的实验袜3款，将3个区域进行两两组合，得到双区域发热的实验袜3款，共6款，为方便说明，将6款分别编号，如表2所示。其中发热片与前期市场调研中电发热袜产品所用的发热材料保持一致，选择康馨碳纤维发热片。根据划分的足部区域定制该发热片，面积为6.5 cm×7.5 cm，电压为5 V，功率为2.5 W。材料构成为2层非织造布，中间夹着碳纤维丝，并配置有USB接口。

表2 实验袜品及说明Tab.2 Experimental socks and instructions

1.2.2 测试设备

温度的测量主要分为接触式测温与非接触式测温2种。红外热像仪测温作为非接触式测温方法的一种，原理是通过接受物体表面发射的光波来分析物体表面温度，实现了物体的非接触光学测温[13-14]，其优点在于测温速度快，使用方便，可同时读取一张热像图中几个区域的平均温度，适合作为本次的测温工具。本文使用德国optris PI450红外测温仪，仪器温度测量范围为-20～100 ℃，温度分辨率为0.08 K。

由于皮肤温度的变化主要与皮肤微循环血流量、交感神经兴奋度以及代谢活动等有关，其中血流灌注量可反映微血管功能变化[15]，因此，本文选用英国moorVMS-LDF激光多普勒血流监测仪(LDF)，所用探头为PH1-V2，采用半导体激光二极管类型，波长为785 nm，采样深度为1 mm左右，可实时监测足部皮肤微循环血流灌注量，每秒保存4次数据。

1.3 受试者选择

实验对象选择3名在校女大学生，身高为157～162 cm，体重为48～52 kg，足部关键数据如表3所示，实验时受试者们身体状况良好。

表3 受试者足部关键数据Tab.3 Key data of experimenter′s foot cm

1.4 实验条件

实验地点选择实验人工舱，舱内温度调节范围为0～45 ℃，湿度调节范围为0～100%。温度调至20 ℃，湿度55%，实验当天室外温度约为30 ℃。

1.5 实验方法

受试者依次进入人工舱，静候30 min，之后分别穿着6款实验袜，每款实验袜为1组实验。每组实验的过程为：首先穿着实验袜，在未通电状态下穿着10 min，用红外热像仪记录下此刻的足部各区域温度，作为足部温度的参照组；然后在通电加热状态下穿着10 min，再次记录下对应的足部各区域温度，作为足部温度的实验组；之后再脱下实验袜，足部自然裸露降温10 min，此组实验完毕；然后再开始下一组实验。以此来剔除因舱内温度较低产生的足部温度下降及因前1组实验加热对足部温度产生的影响。使用红外热像仪获取足部温度时，分2次调整热像仪与足部的相对位置，使足面和足底分别对准热像仪镜头，其间距离为25 cm，依据实时红外热像图对应记录足面和足底5个区域的平均温度，如图2所示。考虑足部温度的获取若采用脱掉袜子拍摄赤足状态的方法，环境温度对足部温度变化造成的误差影响会更大，故获取足部温度时统一用红外热像仪探测足部在着袜状态时袜子的表面温度，以此指代对应的足部区域温度。

图2 足部区域红外热像图Fig.2 Infrared thermal image of foot

在血流实验中，根据文献[6-8]以及实验目的需要，主要选择了右足的大拇趾端足面侧(P1)、第五跖骨足面侧(P2)、足弓内侧(P3)和足舟骨足面侧(P4)这4个区域，将LDF探头以专用双面胶分别固定在这4个区域的皮肤上，测量静息状态下足部基础血流灌注量均值F0，然后记录加温后血流灌注量均值F，单位为PU。将血流灌注量加热前后比值(F/F0)作为评估皮肤微血管反应性的指标。

2 实验结果与分析

2.1 电发热袜对足部整体温度的影响

6款实验袜通电加热前后的足部各区域温度为3位受试者测试数据的平均值，结果如表4所示。通电加热后，足部对应的温度值整体呈上升趋势。分别对6款实验袜的参照组数据和实验组数据进行配对样本T检验，结果如表5所示，其中 ***、 **和 *分别表示1%、5%和10%的显著水平。

表4 实验袜通电加热前后足部温度Tab.4 Foot temperature before and after experiment wearing different socks ℃

表5 配对样本T检验结果Tab.5 Result of paired sample T test

将检验水准α取0.1，从双侧概率p值来看，6款电发热袜均小于0.1，说明加热前后足部温度均有显著性差异，即6款实验袜均可不同程度地使足部温度上升，可以认为，6款实验袜均有一定的保暖效果。

2.2 电发热袜对足部各区域温度的影响

将实验袜通电加热10 min前后的足部各区域温度作差，即：

ΔT=T实-T参

式中，ΔT为通电加热前后的温差值。用各区域发热前后的温度差值作进一步分析，结果如图3所示。由各区域加热前后的温差直方图可以发现，发热片对应的A、C、D足部区域温度上升较多，其余区域根据款式不同，大部分呈小幅度的上升，但也有少部分区域温度差呈现负值。另外，从图中还可看到，足部不同部位对温度的响应不同，足底后部、足背后部在不同的加热方式下表面温度上升较小，相对来说，足背前部、足底前部、足底中部表面温度响应速度较快，上升温度较大。

图3 穿着不同实验袜时足部各区域温差Fig.3 Temperature difference for different foot areas and different experimental socks

2.3 电发热袜对足部各区域血流灌注量影响

根据文献[6]可知，皮肤温度与局部血流量密切相关，皮肤温度在一定程度上可反映血管的功能状态，血流灌注量是反映微血管功能的重要指标，因此，本文选用Moor激光多普勒血流监测仪自带的分析软件中移动平均滤波的方法，提取右足的大拇趾端足面侧(P1)、第五跖骨足面侧(P2)、足弓内侧(P3)和足舟骨足面侧(P4)这4个区域的血流灌注量均值F0与F。通过计算得到各测试点在不同加热方式下加热后比值(F/F0)，结果见表6。

表6 不同加热组合下血流灌注量加热后比值Tab.6 Ratio of posterior-anterior blood perfusion under different heating combinations

通过表6中单区域对比分析可以发现：足背前部A加热时大拇趾端足面侧(P1)与足舟骨足面侧(P4)区域微血管血流灌注量都有所增加，其中区域P1加热后比值较高，该加热方式对足弓内侧血流灌注量无明显影响；足底前部C加热时大拇趾端足面侧(P1)、第五跖骨足面侧(P2)、足弓内侧(P3)血流灌注量加热后比值都有明显变大；第五跖骨足面侧(P2)、足弓内侧(P3)和足舟骨足面侧(P4) 区域在足底中部D加热后血流灌注量明显增加，其对大拇趾端足面侧(P1)血流灌注量无明显增加。可以发现，单区域局部热刺激可引起其临近区域的血流灌注量明显增加，以及同一脉络下局部血流灌注量的提升，对远部区域的血流灌注量影响较小，相比之下，足背前部A的热刺激对足部4个区域血流灌注量的影响较弱；结合相应温度的变化规律，进一步验证单区域局部的热刺激会增加该临近区域的皮肤温度与血流灌注量。

另外，通过分析表6中双区域组合下这4个部位的加热后比值可以发现，加热组合方式(6#袜子)导致足部这4个区域血流灌注量都增大，相比加热组合方式(4#袜子、5#袜子)来说，在短时间加热过程中，C+D区域加热方式6#袜子对于足部局部血流灌注量增大的效果较佳。通过对比单区域与双区域热刺激引起的临近局部、远部区域的血流灌注量加热后比值可以发现，在加热时间相同的条件下，双区域局部的热刺激并不会比单区域局部的热刺激显著提高足部微循环的血流灌注量，甚至较高温度的热刺激引起局部微血管的收缩，导致该局部的血流灌注量减少。相比之下，相邻局部区域的组合对局部微血管的血流灌注量影响较大，其中足底前部C与足底中部D的加热对足部微循环的血流灌注量的影响较大。

3 结 论

本文从足局部加热效应对皮肤微循环的影响出发，进行了足背前部、足底前部、足底中部3个区域的单区域及多区域组合发热实验，并使用红外热像仪以及激光多普勒血流检测仪分别探测着袜加热前后足部各区域的体表温度和血流灌注量，再通过进一步比较分析得到以下结论：

1)6 款实验袜虽然发热区域及数量不同，但均能提高发热区域以及其临近区域的足部温度，因此市售的电发热袜虽款式有所差异，但均具有一定的保暖效果。

2)当电发热袜的发热区域不同时，发热片可对相应的足部区域进行热量的直接传导，因此该区域的升温最为明显，其次是邻近区域。若使用者有明确的需要提高温度的足部区域时，如冬季最易产生冷感的足尖，可考虑将发热片放置在此处，即与市场上的电发热袜发热区域一致。

3)局部皮肤加热会提高该局部的血流灌注量以及皮肤温度，相比之下足底局部比足背局部对皮肤微循环的影响更显著；双区域中足底前部与足底中部的局部组合加热对血流灌注量的影响较大，虽然双区域加热比单区域加热对足部血流灌注量的影响较大，但无法说明双区域加热下血流灌注增量会比单区域加热下更大。

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