第二節 人體皮膚結構及燒傷等級
穿著熱防護服的目的就是為了防止人體皮膚受熱致傷，正確理解皮膚受熱程度及受熱對皮膚組織的破壞及其影響非常重要。
一、皮膚結構和熱屬性
對于成人來說，其皮膚占人體體重的15%，是人體最大的組織器官。皮膚的組織結構復雜，生理作用廣泛。一般而言，人體皮膚一般由三層組成，分別是表皮層（Epidermis）、真皮層（Dermis）和皮下組織（Sub-cutaneous region）。
（1）表皮層處于人體的最外層，除手、腳之外，人體其余部分的皮膚表皮層厚度在75～150μm左右。
（2）真皮層處于表皮層之下，厚度一般為1～4mm。
（3）皮下組織由脂肪構成，它下面是肌肉，其厚度變化在1.5～2.0cm范圍內，因人而異，但皮下組織的厚度差異對皮膚深度燒傷的影響是至關重要的。
圖1-10是人體皮膚的三層結構示意圖。
圖1-10 人體皮膚三層結構
人的皮膚熱屬性各異，即使是同一個人，他的身體每一部位皮膚屬性也不盡相同。必須明確的是難以用人體實驗來測定皮膚燒傷度，因此有關人體皮膚燒傷級別的判定主要靠皮膚傳熱數學模型來預測。另外人體在火災環境下受熱情況也較復雜，因此關于皮膚燒傷度預測僅作為一個模擬評價系統而不能測定防護服裝或織物在實際火災環境下的隔熱防護性能。比如說在強熱流環境下，測試人體穿著某種防護服達到二級燒傷的時間為5s，但是我們并不能因此認為該服裝在此種實際環境下能提供給人體5s的防熱時間。
皮膚的熱屬性（熱傳導率、熱擴散系數）也會隨皮膚溫度的變化而變化，且與加熱或冷卻的過程緊密相關，表1-1是對皮膚部分測試數據擬合后得到的皮膚屬性的平均值。
表1-1 皮膚組織各層的平均熱物理屬性值
二、皮膚燒傷過程
目前摒棄了采用皮膚燒傷評估系統進行表征的方法，常用實驗數據經驗關系式來預測皮膚燒傷度。實驗方法測試皮膚燒傷度是采用輻射熱照射到人體皮膚的一部分，如前肢的手掌（豬皮或鼠皮）表面進行測試，實驗測試中將皮膚涂成輻射熱學中的黑體，否則計算過程中皮膚的吸收系數低，所吸收的熱量少。
當人體皮膚表面下80μm處的基面溫度達到44℃以上時，皮膚開始被燒傷破壞，破壞程度隨溫度上升成對數關系加深，如皮膚50℃比45℃時破壞速度要快100倍之多，當達到72℃時，皮膚幾乎是瞬時破壞的，因此在皮膚溫度在44℃以上時，可認為其燒傷破壞級別或程度可以用溫度和時間的某種函數關系式表達。只要皮膚溫度達到44℃以上，這種燒傷破壞過程在受熱和冷卻階段都會發生，區別僅僅是輻射熱量密度低時，95%的燒傷破壞是在受熱階段發生；輻射熱流量密度高時，只有65%的燒傷破壞在受熱階段發生。另外皮膚燒傷破壞的程度還與受熱時間長短緊密相關。
三、皮膚燒傷分類
通常，根據皮膚組織破壞深度和組織壞死程度建立人體皮膚燒傷評估系統，該系統主要將皮膚燒傷分為四個層次。
（1）一級燒傷是皮膚表面燒傷，燒傷僅發生在表皮層。其特征是皮膚表面發紅，有疼痛感，但不會出現燒傷所呈現的水泡。通常在夏季強烈太陽光下所見的皮膚灼傷即屬于一級燒傷。
（2）二級燒傷是整個皮膚表皮層都遭到破壞，它又可分為表層二級燒傷和深度二級燒傷。表層二級燒傷不破壞真皮層，皮膚發紅、有水泡；而深度二級燒傷會破壞部分真皮層，皮膚燒傷后產生的水泡底層顯蒼白色。
（3）當皮膚達到三級燒傷時，整個真皮層都會被破壞，壞死程度會延伸到皮下組織。特征是皮膚干硬、發白，但沒有水泡產生，屬于一種不可恢復的燒傷，燒傷后的皮膚喪失知覺。
（4）四級燒傷后要求皮膚移植；五級、六級燒傷分別破壞肌肉和骨頭的構成。
四、皮膚溫度預測
SFPE指導手冊（SFPE Guide to Predicting 1st and 2nd Degree Skin Burns from Thermal Radiation）給出了四種在熱輻射環境下皮膚的溫度分布計算方法和準則，但是這四種方法應用的邊界條件都是皮膚暴露于固定的輻射能量下。
（1）第一種計算方法僅能預測皮膚開始燒傷的時間點，因為沒有考慮皮膚冷卻階段繼續受熱的影響因素。運用這種方法時，我們只要計算出距離皮膚表層下80μm處的溫度達到44℃時，就能預知皮膚此時開始燒傷。距皮膚表面為x處的溫度可用以下方程式計算：
若計算皮膚表面溫度Ts，則上式可寫成，
式中：qr——入射到皮膚表面輻射能量，kW；
λskin——皮膚的導熱系數，W/m·℃；
ρskin——皮膚的密度；
cskin——皮膚的比熱；
αskin——皮膚的熱擴散系數，αs=kρc；
erfc（β）——誤差補函數；
Ts——皮膚表面溫度，℃；
T0——皮膚表面初始溫度，℃。
erfc（β）誤差補函數與誤差函數erf（β）及誤差補函數積分ierfc（β）符合下列關系：
（2）另外三種計算方法則考慮了冷卻效應，實際上即使移除輻射源后，皮膚在冷卻過程仍有可能發生1/3以上的皮膚燒傷破壞。式（1-5）是第二種計算公式：
式中，τ是皮膚加熱階段的時間。
（3）若t＞τ，那么S（t）＝1；若t＜τ，則S（t）＝0。結合式（1-3）和式（1-4），公式（1-5）可改寫為：
（4）式（1-7）是描述冷卻階段皮膚溫度變化的第四種計算方法：
式（1-7）僅可以用來預測皮膚表面溫度，因為皮膚燒傷發生在皮膚表面下80μm，所以該式不適合用于評價皮膚燒傷級別（SFPE Guide）。以上這四種方法都假定皮膚為單層、不透明的半無限體，而忽略了皮膚出汗、血流量及皮膚的非均勻組織結構的影響。
五、皮膚燒傷度預測
預測皮膚燒傷程度的方法主要有以下幾種。
（一）亨利·奎因斯（Henriques）燒傷積分模型
目前應用最為廣泛的皮膚燒傷模型是亨利·奎因斯（Henriques）提出的一階阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程：
這是一個由皮膚活化能ΔE和頻率破壞因子P參數控制的函數方程。
式中：Ω——皮膚燒傷破壞程度的量化值，無量綱；
R——摩爾氣體常數，8.31J/mol·℃；
ΔE——皮膚的活化能，J/mol；
P——皮膚組織頻率因子，1/sec；
T——皮膚表面80μm處溫度，℃；
t——皮膚受熱時間，s。
對式（1-8）進行求積分得到：
通過計算Ω值確定皮膚被燒傷的程度：皮膚溫度T＞44℃且Ω＝0.53，皮膚一級燒傷；皮膚溫度T＞44℃且Ω≥1，皮膚二級燒傷。因為式（1-9）是一個由皮膚活化能ΔE和頻率破壞因子P控制的函數式方程，且這兩個參數值是與皮膚溫度有關，表1-2列出了不同研究者所提出的皮膚燒傷模型輸入參數值。
表1-2 皮膚燒傷積分模型輸入參數值
由于各研究模型輸入參數值之間的差異，導致預測二級燒傷時間的不同，如圖1-11、圖1-12所示。
圖1-11 不同研究模型的一級燒傷預測時間曲線
圖1-12 不同研究模型的二級燒傷預測時間曲線
（二）斯托爾（Stoll）二級燒傷準則
斯托爾（Stoll）和基安塔（Chianta）兩位研究者根據實驗所測得銅片熱流計的溫度凈升值，找出一種簡單的預測皮膚燒傷程度的方法。首先他們通過對動物皮膚進行大量實驗，測量動物皮膚二級燒傷時間所需吸收的熱流量值，列于表1-3中，繪制出的皮膚吸收熱量與二級燒傷時間關系曲線如圖1-13所示。然后參照ASTM E457-96標準轉換方法，見方程式（1-10），將不同入射能量下的人體裸露皮膚二級燒傷所需時間t2轉換成以銅片熱計溫度上升值代替，實驗二級燒傷熱時間和銅片熱流計溫度凈升值原始數據如表1-4所示，從而繪制出如圖1-14所示的Stoll and Chianta曲線。測試時，若在恒定的入射熱流量下，銅片熱流計溫度歷史曲線與Stoll曲線相交，相交點的橫坐標即為二級燒傷時間t2。
表1-3 皮膚吸收熱量與二級燒傷時間關系表
圖1-13 皮膚吸收熱量與二級燒傷時間關系曲線
圖1-14 Stoll and Chianta標準曲線
表1-4 Stoll and Chianta二級燒傷準則數據表
與亨利·奎因斯（Henriques）模型相比，Stoll方法簡便、無需大量數學計算，然而應用Stoll方法首要前提是保證入射到皮膚表面熱流量是一個恒定值，任何小的波動變化都會使Stoll準則失效。包括霍爾庫姆（Holcombe）在內的一些研究者指出恒定熱流量經過一層或多層織物試樣后會衰減，衰減后入射到人體皮膚的熱流量值波動性較大，這樣就并不符合應用Stoll準則的邊界條件，第三章中將詳細討論有關這方面的內容。