摘要:

開發(fā)了一種人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測人體熱反應(yīng)和穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)條件下相關(guān)熱感覺，將（不）舒適的可預(yù)測性從溫和、穩(wěn)態(tài)環(huán)境擴展到非溫和、瞬態(tài)條件，從低活動水平到高活動水平10 met，綜合考慮人體被動系統(tǒng)與主動系統(tǒng)的相互作用，準(zhǔn)確模擬人體熱生理機制。

背景：

FIALA人體熱生理模型：由Dr.Dusan Fiala于1999年開發(fā)。人體虛擬計算模型，基于熱生理學(xué)領(lǐng)域的最新研究成果，用于模擬人體熱反應(yīng)和熱舒適性預(yù)測。多節(jié)點動態(tài)數(shù)學(xué)模型包含兩個相互作用的溫度調(diào)熱傳導(dǎo)節(jié)系統(tǒng):被動系統(tǒng)和主動系統(tǒng)?？梢栽诳紤]血流、呼吸、蒸發(fā)、代謝反應(yīng)、出汗、顫抖、心輸出量以及人體模型與環(huán)境之間的局部熱交換等方面的情況下進行真實模擬。廣泛應(yīng)用于建筑工業(yè)、汽車工業(yè)、紡織工業(yè)、航空航天工業(yè)、氣象、醫(yī)學(xué)和軍事領(lǐng)域，支持人體性能、熱可接受性和溫度感覺、臨床和治療治療、安全極限等方向的研究。

被動系統(tǒng)：

（一）人體模型考慮了人體內(nèi)部(血液循環(huán)、新陳代謝熱生成、傳導(dǎo)和蓄積)及其表面(自由和強制表面對流、長波和短波輻射、皮膚水分蒸發(fā)、擴散和蓄積等)的人體傳熱現(xiàn)象。FIALA 模型身體被理想化為15個球形或圓柱形的身體元素:頭、臉、脖子、肩膀、手臂、手、胸、腹、腿和腳，并且每一段分為核心層、脂肪層、肌肉層、皮膚層四層，如圖1。

圖1:被動系統(tǒng)簡圖

  給出了被動系統(tǒng)的人體數(shù)據(jù)如表1和被動系統(tǒng)模型參數(shù)如表2。

表1被動系統(tǒng)的人體數(shù)據(jù)

表2 被動系統(tǒng)參數(shù)

    （二）人體內(nèi)部傳熱

1.Pennes生物熱方程

Fiala數(shù)學(xué)模型的中心理論是生物熱方程，如公式1。這個微分方程是通過傳熱和蓄熱，即新陳代謝和血液流動，平衡被動系統(tǒng)的內(nèi)部能量。

左邊第一項：為從較暖到較冷的組織區(qū)域的徑向熱傳導(dǎo)，k為組織電導(dǎo)率(W·m-1·K-1)，即表2中的導(dǎo)熱系數(shù)k; T 是組織溫度（℃），r是徑向半徑，表2外半徑r; 幾何因子，=1（極坐標(biāo)），=2（球坐標(biāo)）第二項：qm代謝速率（W/m3）代謝產(chǎn)熱，第三項：為血液與組織傳熱,血液循環(huán)的一部分為血液密度（kg/m3） ，為血液灌注率（l·s-1·m-3），為血液熱容（J·kg-1·K-1），Tbl,a動脈血液溫度（℃）。右邊第四項：微元組織內(nèi)熱量存儲，ρ組織密度（kg/m3），c組織熱容（J·kg-1·K-1）,t是時間（s）。應(yīng)用時：不同（適當(dāng)）組織層材料常數(shù)k、c、qm、不同，應(yīng)用于所有組織的節(jié)點（表2）生理變量qm和wbl的大小受活動系統(tǒng)的響應(yīng)的影響。動脈血溫度Tbl，a來自身體的實際整體熱狀態(tài)，是通過模擬人體血液循環(huán)系統(tǒng)獲得的。

2.新陳代謝熱量

3.血液循環(huán)

  根據(jù)pennes生物熱方程1，動脈血對流毛細血管床靜脈血大（主）靜脈被鄰近動脈重新加熱中央血池新中央血池溫度。血管床由毛細血管等（微動脈、微靜脈、毛細血管）構(gòu)成，主要作用是調(diào)節(jié)血容量。由于其分布密集,所形成的一層薄膜狀的物質(zhì)。具有負責(zé)血液與組織營養(yǎng)物質(zhì)吸收代謝和代謝廢物排泄，調(diào)節(jié)血容量，保持血壓穩(wěn)定等功能。生物熱方程1式的血液灌注項基于Fick的第一原理，假設(shè)與毛細血管床中的組織進行熱交換，并且在血液中沒有熱量存儲。然而，在全身模型中，傳統(tǒng)的血液灌注術(shù)語似乎更可取。

圖2 人體血液循環(huán)系統(tǒng)

  （三）人體與環(huán)境換熱

在體表，熱量通過與周圍空氣對流，與周圍表面輻射，通過高溫來源的輻射，以及從皮膚蒸發(fā)水分交換。熱交換的速率隨身體而變化，并受所穿服裝的影響。在模型中，為每個主體元素的每個皮膚部分建立了熱平衡，作為等式1的邊界條件。

1.衣服熱阻

2.對流

3.蒸發(fā)

主動系統(tǒng)：

       （一）主動系統(tǒng)內(nèi)容

模擬了人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即：顫栗Sh產(chǎn)熱和出汗Sw引起代謝產(chǎn)熱的變化，血管收縮Cs和血管舒張Dl控制皮膚血流的抑制和升高。

圖3 開發(fā)主動系統(tǒng)簡圖

從范圍廣泛實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，調(diào)節(jié)機制的控制輸入信號為：

圖4 主動系統(tǒng)控制圖

（二）主動系統(tǒng)控制信號回歸分析輸入入信號分析表明一組線性控制方程可以令人滿意地描述給定實驗方案的調(diào)節(jié)響應(yīng)。

9個系數(shù)在各個實驗波動很大往往不是無規(guī)律的，而是服從身體熱狀態(tài)的變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系數(shù)依賴于傳入信號時，用雙曲正切函數(shù)求系數(shù)。

線性進行回歸分析獲得了回歸系數(shù)的系數(shù)

回歸分析表明：

皮膚溫度的時間變化用于處理寒冷條件下的動態(tài)反應(yīng)；皮膚平均溫度和頭部核心下丘腦溫度以非線性方式影響調(diào)節(jié)反應(yīng)。即

結(jié)論

開發(fā)了一種預(yù)測人類熱反應(yīng)和相關(guān)熱感受的數(shù)學(xué)模型，該模型在穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)條件下得到了預(yù)測。動態(tài)模型預(yù)測體溫、調(diào)溫反應(yīng)、環(huán)境熱交換的組件以及冷應(yīng)力、冷應(yīng)力、冷、中性、溫、熱應(yīng)力條件下的整體動態(tài)熱感DTS。可以分析對人類的熱影響范圍高達10met，以及各種不對稱的環(huán)境條件和非均勻的服裝套裝。

被動系統(tǒng)模型已經(jīng)開發(fā)了一種包含重要身體元素的人體多節(jié)段模型。通過利用從文獻中獲得的人體的解剖學(xué)、熱物理和幾何數(shù)據(jù)，每個元件由不同的身體組織材料組成。人造人表示相對于體重、體脂含量、體表面積、體內(nèi)代謝的基本值、皮膚蒸發(fā)和心輸出的平均(成人、白人)人。將身體隔室進一步細分為空間扇區(qū)，以便對不對稱條件下的環(huán)境熱交換進行依賴方向的模擬。通過考慮新陳代謝發(fā)熱、血液循環(huán)和導(dǎo)熱傳遞的組合效應(yīng)，對體內(nèi)散熱進行建模。人體代謝的計算包括人類工作效率的影響作為活動水平的函數(shù)。努力對環(huán)境熱交換進行一些詳細的建模，以反映這些現(xiàn)象在實踐中的重要性和復(fù)雜性。對流熱損失是通過使用從文獻中報告的測量中獲得的局部對流系數(shù)來考慮自由和強制對流及其在人體上的變化來模擬的。輻射熱交換的模擬依賴于身體姿勢，并考慮了空間不對稱輻射場，以及太陽直接和漫射輻射的影響。皮膚蒸發(fā)模型基于局部質(zhì)量和熱量平衡，結(jié)合了水分通過皮膚擴散的影響、調(diào)節(jié)汗液的蒸發(fā)、汗液在皮膚上的積累以及服裝的蒸發(fā)阻力。開發(fā)了一種服裝模型，它提供不均勻的熱和蒸發(fā)絕緣特性，供與多段模型一起使用。通過考慮對流和潛熱損失來模擬呼吸。

為了解決人體傳熱的復(fù)雜數(shù)學(xué)問題，應(yīng)用了先進的混合技術(shù)，提供了與穩(wěn)定的數(shù)值行為相關(guān)的快速準(zhǔn)確的數(shù)值解。已經(jīng)開發(fā)出生物熱方程的有限差分公式，它適用于 - 稍作修改 - 身體組織圓柱體或球體中的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳輸。組織界面和皮膚表面邊界條件的制定考慮了幾何形狀對散熱的影響。使用圓柱體和球體散熱的不同解析測試了被動系統(tǒng)的數(shù)值公式。驗證是針對不同的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析解決方案進行的，并且顯示出與分析解決方案的良好一致性和數(shù)值穩(wěn)定的行為。即使對于一小時的大時間段，該模型也提供了合理的結(jié)果。在（不成比例的）大時間步長和邊界條件突然變化的情況下，模型穩(wěn)定并迅速收斂于最終溫度值。

主動系統(tǒng)模型人體體溫調(diào)節(jié)的主動系統(tǒng)模型是通過統(tǒng)計回歸方法開發(fā)的。從涵蓋 5 到 50°C 環(huán)境溫度范圍和 0.8 到 10 米運動強度的不同實驗研究中獲得的熱和體溫調(diào)節(jié)反應(yīng)的分析，導(dǎo)致了基于溫度的非線性主動系統(tǒng)模型。發(fā)現(xiàn)皮膚溫度在整個環(huán)境條件范圍內(nèi)的人體體溫調(diào)節(jié)中起著重要作用，而升高的內(nèi)部溫度是對溫暖和運動過程中的調(diào)節(jié)反應(yīng)的重要傳入信號。發(fā)現(xiàn)平均皮膚溫度的負變化率控制寒冷中調(diào)節(jié)反應(yīng)的動態(tài)。傳入信號分析表明，熱變量（例如皮膚熱通量）是進入調(diào)節(jié)中心的不適當(dāng)輸入信號。主動系統(tǒng)模型的非線性是考慮到人體在各種環(huán)境和內(nèi)部條件下的體溫調(diào)節(jié)行為的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)出汗反應(yīng) Sw 是正負皮膚溫度誤差信號以及來自頭部核心的正負誤差信號的函數(shù)?！袄洹焙汀盁帷逼つw感受器影響出汗的強度之間存在明顯差異。在寒冷的環(huán)境中，Sw 調(diào)節(jié)器似乎越來越傾向于維持身體核心溫度（在運動期間），而來自外圍的“寒冷”警告受到歧視。顫抖作用Sh被發(fā)現(xiàn)對來自“冷”皮膚受體的懲罰性信號有反應(yīng)發(fā)現(xiàn)血管收縮反應(yīng) Cs 是“冷”皮膚受體的主要功能。核心溫度對模型血管收縮的影響似乎幾乎可以忽略不計。Cs 獨立于“溫暖”皮膚受體的驅(qū)動。發(fā)現(xiàn)“熱”皮膚受體參與皮膚血流調(diào)節(jié)僅與血管舒張反應(yīng) D1 相關(guān)。然而，D1 似乎與來自任一身體部位的負溫度誤差信號無關(guān)。因此可以看出，Cs 與傳入信號之間的功能關(guān)系類似于 Sh 與這些信號之間的關(guān)系。同樣，Dl 對傳入信號的響應(yīng)類似于 Sw。這些結(jié)果被解釋為相關(guān)響應(yīng)之間的一種耦合原理，這些響應(yīng)提供了針對身體熱擾動的調(diào)節(jié)防御機制的更高效率。

文章來源：FIALA D. Dynamic simulation of human heat transfer and thermal comfort [D]. Leicester, UK: IESD, De Montfort Univ, 1998.