第二节 人体皮肤结构及烧伤等级

穿着热防护服的目的就是为了防止人体皮肤受热致伤，正确理解皮肤受热程度及受热对皮肤组织的破坏及其影响非常重要。

一、皮肤结构和热属性

对于成人来说，其皮肤占人体体重的15%，是人体最大的组织器官。皮肤的组织结构复杂，生理作用广泛。一般而言，人体皮肤一般由三层组成，分别是表皮层（Epidermis）、真皮层（Dermis）和皮下组织（Sub-cutaneous region）。

（1）表皮层处于人体的最外层，除手、脚之外，人体其余部分的皮肤表皮层厚度在75～150μm左右。

（2）真皮层处于表皮层之下，厚度一般为1～4mm。

（3）皮下组织由脂肪构成，它下面是肌肉，其厚度变化在1.5～2.0cm范围内，因人而异，但皮下组织的厚度差异对皮肤深度烧伤的影响是至关重要的。

图1-10是人体皮肤的三层结构示意图。

图1-10 人体皮肤三层结构

人的皮肤热属性各异，即使是同一个人，他的身体每一部位皮肤属性也不尽相同。必须明确的是难以用人体实验来测定皮肤烧伤度，因此有关人体皮肤烧伤级别的判定主要靠皮肤传热数学模型来预测。另外人体在火灾环境下受热情况也较复杂，因此关于皮肤烧伤度预测仅作为一个模拟评价系统而不能测定防护服装或织物在实际火灾环境下的隔热防护性能。比如说在强热流环境下，测试人体穿着某种防护服达到二级烧伤的时间为5s，但是我们并不能因此认为该服装在此种实际环境下能提供给人体5s的防热时间。

皮肤的热属性（热传导率、热扩散系数）也会随皮肤温度的变化而变化，且与加热或冷却的过程紧密相关，表1-1是对皮肤部分测试数据拟合后得到的皮肤属性的平均值。

表1-1 皮肤组织各层的平均热物理属性值

二、皮肤烧伤过程

目前摒弃了采用皮肤烧伤评估系统进行表征的方法，常用实验数据经验关系式来预测皮肤烧伤度。实验方法测试皮肤烧伤度是采用辐射热照射到人体皮肤的一部分，如前肢的手掌（猪皮或鼠皮）表面进行测试，实验测试中将皮肤涂成辐射热学中的黑体，否则计算过程中皮肤的吸收系数低，所吸收的热量少。

当人体皮肤表面下80μm处的基面温度达到44℃以上时，皮肤开始被烧伤破坏，破坏程度随温度上升成对数关系加深，如皮肤50℃比45℃时破坏速度要快100倍之多，当达到72℃时，皮肤几乎是瞬时破坏的，因此在皮肤温度在44℃以上时，可认为其烧伤破坏级别或程度可以用温度和时间的某种函数关系式表达。只要皮肤温度达到44℃以上，这种烧伤破坏过程在受热和冷却阶段都会发生，区别仅仅是辐射热量密度低时，95%的烧伤破坏是在受热阶段发生；辐射热流量密度高时，只有65%的烧伤破坏在受热阶段发生。另外皮肤烧伤破坏的程度还与受热时间长短紧密相关。

三、皮肤烧伤分类

通常，根据皮肤组织破坏深度和组织坏死程度建立人体皮肤烧伤评估系统，该系统主要将皮肤烧伤分为四个层次。

（1）一级烧伤是皮肤表面烧伤，烧伤仅发生在表皮层。其特征是皮肤表面发红，有疼痛感，但不会出现烧伤所呈现的水泡。通常在夏季强烈太阳光下所见的皮肤灼伤即属于一级烧伤。

（2）二级烧伤是整个皮肤表皮层都遭到破坏，它又可分为表层二级烧伤和深度二级烧伤。表层二级烧伤不破坏真皮层，皮肤发红、有水泡；而深度二级烧伤会破坏部分真皮层，皮肤烧伤后产生的水泡底层显苍白色。

（3）当皮肤达到三级烧伤时，整个真皮层都会被破坏，坏死程度会延伸到皮下组织。特征是皮肤干硬、发白，但没有水泡产生，属于一种不可恢复的烧伤，烧伤后的皮肤丧失知觉。

（4）四级烧伤后要求皮肤移植；五级、六级烧伤分别破坏肌肉和骨头的构成。

四、皮肤温度预测

SFPE指导手册（SFPE Guide to Predicting 1^st and 2^nd Degree Skin Burns from Thermal Radiation）给出了四种在热辐射环境下皮肤的温度分布计算方法和准则，但是这四种方法应用的边界条件都是皮肤暴露于固定的辐射能量下。

（1）第一种计算方法仅能预测皮肤开始烧伤的时间点，因为没有考虑皮肤冷却阶段继续受热的影响因素。运用这种方法时，我们只要计算出距离皮肤表层下80μm处的温度达到44℃时，就能预知皮肤此时开始烧伤。距皮肤表面为x处的温度可用以下方程式计算：

若计算皮肤表面温度T_s，则上式可写成，

式中：q_r——入射到皮肤表面辐射能量，kW；

λ_skin——皮肤的导热系数，W/m·℃；

ρ_skin——皮肤的密度；

c_skin——皮肤的比热；

α_skin——皮肤的热扩散系数，α_s=kρc；

erfc（β）——误差补函数；

T_s——皮肤表面温度，℃；

T₀——皮肤表面初始温度，℃。

erfc（β）误差补函数与误差函数erf（β）及误差补函数积分ierfc（β）符合下列关系：

（2）另外三种计算方法则考虑了冷却效应，实际上即使移除辐射源后，皮肤在冷却过程仍有可能发生1/3以上的皮肤烧伤破坏。式（1-5）是第二种计算公式：

式中，τ是皮肤加热阶段的时间。

（3）若t＞τ，那么S（t）＝1；若t＜τ，则S（t）＝0。结合式（1-3）和式（1-4），公式（1-5）可改写为：

（4）式（1-7）是描述冷却阶段皮肤温度变化的第四种计算方法：

式（1-7）仅可以用来预测皮肤表面温度，因为皮肤烧伤发生在皮肤表面下80μm，所以该式不适合用于评价皮肤烧伤级别（SFPE Guide）。以上这四种方法都假定皮肤为单层、不透明的半无限体，而忽略了皮肤出汗、血流量及皮肤的非均匀组织结构的影响。

五、皮肤烧伤度预测

预测皮肤烧伤程度的方法主要有以下几种。

（一）亨利·奎因斯（Henriques）烧伤积分模型

目前应用最为广泛的皮肤烧伤模型是亨利·奎因斯（Henriques）提出的一阶阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程：

这是一个由皮肤活化能ΔE和频率破坏因子P参数控制的函数方程。

式中：Ω——皮肤烧伤破坏程度的量化值，无量纲；

R——摩尔气体常数，8.31J/mol·℃；

ΔE——皮肤的活化能，J/mol；

P——皮肤组织频率因子，1/sec；

T——皮肤表面80μm处温度，℃；

t——皮肤受热时间，s。

对式（1-8）进行求积分得到：

通过计算Ω值确定皮肤被烧伤的程度：皮肤温度T＞44℃且Ω＝0.53，皮肤一级烧伤；皮肤温度T＞44℃且Ω≥1，皮肤二级烧伤。因为式（1-9）是一个由皮肤活化能ΔE和频率破坏因子P控制的函数式方程，且这两个参数值是与皮肤温度有关，表1-2列出了不同研究者所提出的皮肤烧伤模型输入参数值。

表1-2 皮肤烧伤积分模型输入参数值

由于各研究模型输入参数值之间的差异，导致预测二级烧伤时间的不同，如图1-11、图1-12所示。

图1-11 不同研究模型的一级烧伤预测时间曲线

图1-12 不同研究模型的二级烧伤预测时间曲线

（二）斯托尔（Stoll）二级烧伤准则

斯托尔（Stoll）和基安塔（Chianta）两位研究者根据实验所测得铜片热流计的温度净升值，找出一种简单的预测皮肤烧伤程度的方法。首先他们通过对动物皮肤进行大量实验，测量动物皮肤二级烧伤时间所需吸收的热流量值，列于表1-3中，绘制出的皮肤吸收热量与二级烧伤时间关系曲线如图1-13所示。然后参照ASTM E457-96标准转换方法，见方程式（1-10），将不同入射能量下的人体裸露皮肤二级烧伤所需时间t₂转换成以铜片热计温度上升值代替，实验二级烧伤热时间和铜片热流计温度净升值原始数据如表1-4所示，从而绘制出如图1-14所示的Stoll and Chianta曲线。测试时，若在恒定的入射热流量下，铜片热流计温度历史曲线与Stoll曲线相交，相交点的横坐标即为二级烧伤时间t₂。

表1-3 皮肤吸收热量与二级烧伤时间关系表

图1-13 皮肤吸收热量与二级烧伤时间关系曲线

图1-14 Stoll and Chianta标准曲线

表1-4 Stoll and Chianta二级烧伤准则数据表

与亨利·奎因斯（Henriques）模型相比，Stoll方法简便、无需大量数学计算，然而应用Stoll方法首要前提是保证入射到皮肤表面热流量是一个恒定值，任何小的波动变化都会使Stoll准则失效。包括霍尔库姆（Holcombe）在内的一些研究者指出恒定热流量经过一层或多层织物试样后会衰减，衰减后入射到人体皮肤的热流量值波动性较大，这样就并不符合应用Stoll准则的边界条件，第三章中将详细讨论有关这方面的内容。