摘 要
為探究電發熱襪發熱區域不同時對足部整體及各個區域升温保暖的影響，結合足部的生理特徵和襪子的結構特徵進行了區域劃分，選擇了足背前部、足底前部及足底中部3個區域為發熱區域，並設計了單區域和雙區域發熱的6款電發熱襪，用紅外熱像儀和激光多普勒血流檢測儀分別探測足部在穿著不同款式電發熱襪時各區域表面温度變化和微血管血流量的變化，量化對比足部升温效果。實驗結果表明:電發熱襪的款式雖有所差異，但均具有一定的保暖效果；發熱片對應的足部區域升温最為明顯，其次是鄰近區域；相比之下足背單區域加熱對足血管微循環的影響較小，雙區域中足底加熱組合比足背與足底加熱組合較好。
足部作為人體的一部分，雖分布著大量的動靜脈、神經，但其位於肢體末端，距離心臟較遠俺，循環能力較弱，因此人體所處環境温度一旦降低，足部温度隨之下降最快[1]。對足部進行加熱是幫助足部保暖的有效方式，電發熱襪作為市場上一種已頗具規模的足部保暖產品，其原理是將電熱元件置於襪子内側，通過將電能轉化為熱能來提高足部温度，電熱元件的放置區域即為發熱區域，其放置區域至關重要，直接影響著電發熱產品的使用效果[2-3] 。
長期以來，電加熱服裝一直受到寒區部隊及戶外運動愛好者們的青睞，顺應此趨勢，Tour Master公司開發的電加熱摩托車服、Malden Mills公司開發的鋰氫電池供熱的電加熱服[4]、The North Face公司開發的電加熱背心等相繼問世，電發熱片也大都加在腹部、後背、腰等人體熱敏感部位[5]。對於電發熱襪的發熱區域，市場上的產品均為足背前部或足底前部，但在這2處發熱是否對提高足部温度最為有效還有待進一步討論。已有學者分別將不同性別、年齡、部位皮膚温度和血流灌注量間的關係，如宋丹丹等[6]採用激光多普勒血流測定儀測定健康成年人局部皮膚温度及血流量發現，隨著年齡增加，局部皮膚血流灌注量加熱後比值逐漸降低，手部和面部加熱後血流灌注量明顯高於腰部和脛前區。 任萍等[7]分別選用電熱偶和紅外成像儀採集不同條件下穿著帶有加熱鞋墊的足部温度發現，腳趾部位的温度變化速度最慢，其次是足跟部位，最快是足弓部 位。吕葉馨等[8]研究冷環境對足部皮膚温感及人體生理指標的影響發現，隨著環境温度降低，皮膚温度下降，表面血流量減少。阮果清等[9]發現隨著運動時間的延長，正常青年男性足部體表温度逐步增加並趨向一致。可見，在一定條件下可以通過控制血流量來調節足部皮膚温度，足部皮膚的局部加熱對皮膚温度的提高有重要影響。
為合理設計電發熱襪，需要測量足部表面温度分布以及分析局部加熱對微循環的影響。本文採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熱襪通電加熱前後的表面温度與血流灌注量，通過對比分析發熱區域部位及發熱區域數量不同時對足部升温效果的影響，以期為電發熱產品保暖效果的客觀評價提供參考。
- 實驗方案設計
1.1 區域劃分及發熱區域選擇
基於足部測量中的跖圍(經過第一和第五跖趾關節的最突出點繞量1周)、兜圍(經過前跗骨突點、第五趾骨粗隆點、脚心凹處繞量1周)以及跗圍(經過腳後跟處、舟上彎點繞量1周)3個關鍵基礎線[10]，將足部劃分為6個區域，其中足背上、跗圍線和兜圍線相距較近劃分的區域合併，因此足部最終分為5個區域:足背前部、足背後部、足底前部、足底中部和足底後部。襪子主要由襪口、襪筒、襪脚、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個區域分別對應於襪子的5個區域，如圖1所示。具體的對應關係如表1所述。
根據市場上現有電發熱襪產品發熱區域的調查研究結果，將足背前部、足底前部作為本文實驗研究的發熱區域。此外從足部淺層結構可知，在足底中部分布著足底内側動脈、足底外側動脈及大量的神經深支、淺支[12]，在這個區域進行發熱時，可使局部血管擴張，末梢神經興奮，因此對發熱區域進行拓展，將足底中部也作為本文研究的一個發熱區域。綜上，發熱區域確定為:足背前部、足底前部及足底中部。
- 實驗材料
- 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%PET、1%彈性纖維。襪子厚實保暖，足底採用長毛絨線圈，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個區域(足背前部、足底前部、足底中部)内側分別縫紉碳纖維電發熱片，得到單區域發熱的實驗襪3款，將3個區域進行兩兩組合，得到雙區域發熱的實驗襪3款，共6款，為方便說明，將6款分別編號，如表2所示。其中發熱片與前期市場調查研究中電發熱襪產品所用的發熱材料保持一致，選擇康馨碳纖維發熱片。根據劃分的足部區域定制該發熱片，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，並配置有USB接口。
1.2.2 測試設備
温度的測量主要分為接觸式測温與非接觸式測温2種。紅外熱像儀測温作為非接觸式測温方法的一種，原理是通過接受物體表面發射的光波來分析物體表面 溫度，實現了物體的非接觸光學測温[13-14]，其優點在於測温速度快，使用方便，可同時讀取一張熱像圖中幾個區域的平均温度，適合作為本次的測温工具。本文使用德國optris PI450紅外測温儀，儀器温度測量範圍為-20~100℃，温度分辨率為0. 08 K。
由於皮膚温度的變化主要與皮膚微循環血流量、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應微血管功能變化[15]，因此，本文選用英國 moorVMS – LDF激光多普勒血流監測儀(LDF)，所用探頭為PH1-V2，採用半導體激光二極管類型，波長為785 nm，採樣深度為1 mm左右，可實時監測足部皮膚微循環血流灌注量，每秒保存4次數據。
- 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，足部關鍵數據如表 3所示，實驗時受試者們身體狀況良好。
- 實驗條件
實驗地點選擇實驗人工艙，艙内温度調節範圍為0~45℃，濕度調節範圍為0 ~ 100%。温度調至20℃，濕度55%，實驗當天室外温度約為30℃。
1. 5 實驗方法
受試者依次進入人工艙，靜候30 min，之後分別穿著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，在未通電狀態下穿著10 min，用紅外熱像儀紀錄下此刻的足部各區域温度，作為足部温度的參照組；然後在通電加熱狀態下穿著10 min，再次記錄下對應的足部各區域温度，作為足部温度的實驗組；之後再脱下實驗襪，足部自然裸露降温10 min，此組實驗完畢；然後再開始下一組實驗。以此來剔除因艙内温度較低產生的足部温度下降及因前1組實驗加熱對足部温度產生的影響。使用紅外熱像儀獲取足部温度時，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個區域的平均温度，如圖2所示。考慮足部温度的獲取若採用脱掉襪子拍攝赤足狀態的方法，環境温度對足部温度變化造成的誤差影響會更大，故獲取足部温度時統一用紅外熱像儀探測足部在著襪狀態時襪子的表面温度，以此指代對應的足部區域温度。
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側(P1)、第五跖骨足面側(P2)、足弓内側(P3)和足舟骨足面側(P4)這4個區域，將LDF探頭以專用雙面膠分別固定在這4個區域的皮膚上，測量静息狀態下足部基礎血流灌注量均值F0，然後記錄加温後血流灌注量均值F，單位為 PU。將血流灌注量加熱前後比值(F/F0 )作為評估皮膚微血管反應性的指標。
- 實驗結果與分析
2. 1 電發熱襪對足部整體温度的影響
6款實驗襪通電加熱前後的足部各區域温度為3位受試者測試數據的平均值，結果如表4所示。通電加熱後，足部對應的温度值整體呈上升趨勢。分別對6 款實驗襪的參照組數據和實驗組數據進行配對樣本T檢驗，結果如表5所示， 其中∗∗∗、∗∗和∗分别表示1%、5%和10%的顯著水平。
將檢驗水準α取0.1，從雙側概率p值來看，6款電發熱襪均小於0.1，說明加熱前後足部温度均有顯著性差異，即6款實驗襪均可不同程度地使足部温度上升，可以認為6款實驗襪均有一定的保暖效果。
- 電發熱襪對足部各區域温度的影響
將實驗襪通電加熱10 min前後的足部各區域温度作差，即:
ΔT = T實 – T參 式中, ΔT為通電加熱前後的温差值。用各區域發熱前後的温度差值作進一步分析，結果如圖3所示。由各區域加熱前後的温差直方圖可以發現，發熱片對應的A、C、D足部區域温度上升較多，其餘區域根據款式不同，大部分呈小幅度的上升，但也有少部分區域温度差呈現負值。另外，從圖中還可看到，足部不同部位對温度的響應不同，足底後部、足背後部在不同的加熱方式下表面温度上升較小，相對來說，足背前部、足底前部、足底中部表面温度響應速度較 快，上升温度較大。
2. 3 電發熱襪對足部各區域血流灌注量影響
根據文獻[6]可知，皮膚温度與局部血流量密切相關，皮膚温度在一定程度上可反映血管的功能狀態，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激光多普勒血流監測儀自帶的分析軟體中移動平均濾波的方法，提取右足的大拇趾端足面側(P1)、第五跖骨足面側(P2)、足弓内側(P3)和足舟骨足面側(P4)這4個區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後比值(F/F0)，結果見表6。
通過表6中單區域對比分析可以發現:足背前部A加熱時大拇趾端足面側(P1)與足舟骨足面側(P4)區域微血管血流灌注量都有所增加，其中區域P1加熱後比值較高，該加熱方式對足弓内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側(P1)、第五跖骨足面側(P2)、足弓内側(P3)血流灌注量加熱後比值都有明顯變大；第五跖骨足面側(P2)、足弓内側(P3)和足舟骨足面側(P4)區域在足底中部D加熱後血流灌注量明顯增加，其對大拇趾端足面側(P1)血流灌注量無明顯增加。可以發現，單區域局部熱刺激可引起其鄰近區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個區域血流灌注量的影響較弱；結合相應温度的變化規律，進一步驗證單區域局部的熱刺激會增加該鄰近區域的皮膚温度與血流灌注量。
另外，通過分析表6中雙區域組合下這4個部位的加熱後比值可以發現，加熱組合方式(6 #襪子)導致足部這4個區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區域加熱方式6 #襪子對於足部局部血流灌注量增大的效果較佳。通過對比單區域與雙區域熱刺激引起的臨近局部、遠部區域的血流灌注量加熱後比值可以發現，在加熱時間相同的條件下，雙區域局部的熱刺激並不會比單區域局部的熱刺激顯著提高足部微循環的血流灌注量，甚至較高温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的血流灌注量的影響較大。
結論
本文從足局部加熱效應對皮膚微循環的影響出發，進行了足背前部、足底前部、足底中部3個區域的單區域及多區域組合發熱實驗，並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後足部各區域的體表温度和血流灌注量，再通過進一步比較分析得到以下結論:
1)6款實驗襪雖然發熱區域及數量不同，但均能提高發熱區域以及其鄰近區域的足部温度，因此市售的電發熱襪雖款式有所差異，但均具有一定的保暖效果。 2)當電發熱襪的發熱區域不同時，發熱片可對相應的足部區域進行熱量的直接傳導，因此該區域的升温最為明顯，其次是鄰近區域。若使用者有明確的需要提高温度的足部區域時，如冬季最易產生冷感的足尖，可考慮將發熱片放置在此處，即與市場上的電發熱襪發熱區域一致。
3)局部皮膚加熱會提高該局部的血流灌注量以及皮膚温度，相比之下足底局部比足背局部對皮膚微循環的影響更顯著；雙區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，雖然雙區域加热比單區域加熱對足部血流灌注量的影響較大，但無法說明雙區域加熱下血流灌注增量會比單區域加熱下更大。