FIALA人体热生理模型

摘要:

开发了一种人体体温调节系统的数学模型，预测人体热反应和稳态与瞬态条件下相关热感觉，将（不）舒适的可预测性从温和、稳态环境扩展到非温和、瞬态条件，从低活动水平到高活动水平10 met，综合考虑人体被动系统与主动系统的相互作用，准确模拟人体热生理机制。

背景：

FIALA人体热生理模型：由Dr.Dusan Fiala于1999年开发。人体虚拟计算模型，基于热生理学领域的最新研究成果，用于模拟人体热反应和热舒适性预测。多节点动态数学模型包含两个相互作用的温度调热传导节系统:被动系统和主动系统。可以在考虑血流、呼吸、蒸发、代谢反应、出汗、颤抖、心输出量以及人体模型与环境之间的局部热交换等方面的情况下进行真实模拟。广泛应用于建筑工业、汽车工业、纺织工业、航空航天工业、气象、医学和军事领域，支持人体性能、热可接受性和温度感觉、临床和治疗治疗、安全极限等方向的研究。

被动系统：

（一）人体模型考虑了人体内部(血液循环、新陈代谢热生成、传导和蓄积)及其表面(自由和强制表面对流、长波和短波辐射、皮肤水分蒸发、扩散和蓄积等)的人体传热现象。FIALA 模型身体被理想化为15个球形或圆柱形的身体元素:头、脸、脖子、肩膀、手臂、手、胸、腹、腿和脚，并且每一段分为核心层、脂肪层、肌肉层、皮肤层四层，如图1。

图1:被动系统简图

  给出了被动系统的人体数据如表1和被动系统模型参数如表2。

表1被动系统的人体数据

表2 被动系统参数

    （二）人体内部传热

1.Pennes生物热方程

Fiala数学模型的中心理论是生物热方程，如公式1。这个微分方程是通过传热和蓄热，即新陈代谢和血液流动，平衡被动系统的内部能量。

左边第一项：为从较暖到较冷的组织区域的径向热传导，k为组织电导率(W·m-1·K-1)，即表2中的导热系数k; T 是组织温度（℃），r是径向半径，表2外半径r; 几何因子，=1（极坐标），=2（球坐标）第二项：qm代谢速率（W/m3）代谢产热，第三项：为血液与组织传热,血液循环的一部分为血液密度（kg/m3） ，为血液灌注率（l·s-1·m-3），为血液热容（J·kg-1·K-1），Tbl,a动脉血液温度（℃）。右边第四项：微元组织内热量存储，ρ组织密度（kg/m3），c组织热容（J·kg-1·K-1）,t是时间（s）。应用时：不同（适当）组织层材料常数k、c、qm、不同，应用于所有组织的节点（表2）生理变量qm和wbl的大小受活动系统的响应的影响。动脉血温度Tbl，a来自身体的实际整体热状态，是通过模拟人体血液循环系统获得的。

2.新陈代谢热量

3.血液循环

  根据pennes生物热方程1，动脉血对流毛细血管床静脉血大（主）静脉被邻近动脉重新加热中央血池新中央血池温度。血管床由毛细血管等（微动脉、微静脉、毛细血管）构成，主要作用是调节血容量。由于其分布密集,所形成的一层薄膜状的物质。具有负责血液与组织营养物质吸收代谢和代谢废物排泄，调节血容量，保持血压稳定等功能。生物热方程1式的血液灌注项基于Fick的第一原理，假设与毛细血管床中的组织进行热交换，并且在血液中没有热量存储。然而，在全身模型中，传统的血液灌注术语似乎更可取。

图2 人体血液循环系统

  （三）人体与环境换热

在体表，热量通过与周围空气对流，与周围表面辐射，通过高温来源的辐射，以及从皮肤蒸发水分交换。热交换的速率随身体而变化，并受所穿服装的影响。在模型中，为每个主体元素的每个皮肤部分建立了热平衡，作为等式1的边界条件。

1.衣服热阻

2.对流

3.蒸发

主动系统：

       （一）主动系统内容

模拟了人体体温调节系统，即：颤栗Sh产热和出汗Sw引起代谢产热的变化，血管收缩Cs和血管舒张Dl控制皮肤血流的抑制和升高。

图3 开发主动系统简图

从范围广泛实验中获得的数据进行统计分析，调节机制的控制输入信号为：

图4 主动系统控制图

（二）主动系统控制信号回归分析输入入信号分析表明一组线性控制方程可以令人满意地描述给定实验方案的调节响应。

9个系数在各个实验波动很大往往不是无规律的，而是服从身体热状态的变化，当发现系数依赖于传入信号时，用双曲正切函数求系数。

线性进行回归分析获得了回归系数的系数

回归分析表明：

皮肤温度的时间变化用于处理寒冷条件下的动态反应；皮肤平均温度和头部核心下丘脑温度以非线性方式影响调节反应。即

结论

开发了一种预测人类热反应和相关热感受的数学模型，该模型在稳定状态和瞬态条件下得到了预测。动态模型预测体温、调温反应、环境热交换的组件以及冷应力、冷应力、冷、中性、温、热应力条件下的整体动态热感DTS。可以分析对人类的热影响范围高达10met，以及各种不对称的环境条件和非均匀的服装套装。

被动系统模型已经开发了一种包含重要身体元素的人体多节段模型。通过利用从文献中获得的人体的解剖学、热物理和几何数据，每个元件由不同的身体组织材料组成。人造人表示相对于体重、体脂含量、体表面积、体内代谢的基本值、皮肤蒸发和心输出的平均(成人、白人)人。将身体隔室进一步细分为空间扇区，以便对不对称条件下的环境热交换进行依赖方向的模拟。通过考虑新陈代谢发热、血液循环和导热传递的组合效应，对体内散热进行建模。人体代谢的计算包括人类工作效率的影响作为活动水平的函数。努力对环境热交换进行一些详细的建模，以反映这些现象在实践中的重要性和复杂性。对流热损失是通过使用从文献中报告的测量中获得的局部对流系数来考虑自由和强制对流及其在人体上的变化来模拟的。辐射热交换的模拟依赖于身体姿势，并考虑了空间不对称辐射场，以及太阳直接和漫射辐射的影响。皮肤蒸发模型基于局部质量和热量平衡，结合了水分通过皮肤扩散的影响、调节汗液的蒸发、汗液在皮肤上的积累以及服装的蒸发阻力。开发了一种服装模型，它提供不均匀的热和蒸发绝缘特性，供与多段模型一起使用。通过考虑对流和潜热损失来模拟呼吸。

为了解决人体传热的复杂数学问题，应用了先进的混合技术，提供了与稳定的数值行为相关的快速准确的数值解。已经开发出生物热方程的有限差分公式，它适用于 - 稍作修改 - 身体组织圆柱体或球体中的稳态和瞬态热传输。组织界面和皮肤表面边界条件的制定考虑了几何形状对散热的影响。使用圆柱体和球体散热的不同解析测试了被动系统的数值公式。验证是针对不同的稳态和瞬态分析解决方案进行的，并且显示出与分析解决方案的良好一致性和数值稳定的行为。即使对于一小时的大时间段，该模型也提供了合理的结果。在（不成比例的）大时间步长和边界条件突然变化的情况下，模型稳定并迅速收敛于最终温度值。

主动系统模型人体体温调节的主动系统模型是通过统计回归方法开发的。从涵盖 5 到 50°C 环境温度范围和 0.8 到 10 米运动强度的不同实验研究中获得的热和体温调节反应的分析，导致了基于温度的非线性主动系统模型。发现皮肤温度在整个环境条件范围内的人体体温调节中起着重要作用，而升高的内部温度是对温暖和运动过程中的调节反应的重要传入信号。发现平均皮肤温度的负变化率控制寒冷中调节反应的动态。传入信号分析表明，热变量（例如皮肤热通量）是进入调节中心的不适当输入信号。主动系统模型的非线性是考虑到人体在各种环境和内部条件下的体温调节行为的结果。发现出汗反应 Sw 是正负皮肤温度误差信号以及来自头部核心的正负误差信号的函数。“冷”和“热”皮肤感受器影响出汗的强度之间存在明显差异。在寒冷的环境中，Sw 调节器似乎越来越倾向于维持身体核心温度（在运动期间），而来自外围的“寒冷”警告受到歧视。颤抖作用Sh被发现对来自“冷”皮肤受体的惩罚性信号有反应发现血管收缩反应 Cs 是“冷”皮肤受体的主要功能。核心温度对模型血管收缩的影响似乎几乎可以忽略不计。Cs 独立于“温暖”皮肤受体的驱动。发现“热”皮肤受体参与皮肤血流调节仅与血管舒张反应 D1 相关。然而，D1 似乎与来自任一身体部位的负温度误差信号无关。因此可以看出，Cs 与传入信号之间的功能关系类似于 Sh 与这些信号之间的关系。同样，Dl 对传入信号的响应类似于 Sw。这些结果被解释为相关响应之间的一种耦合原理，这些响应提供了针对身体热扰动的调节防御机制的更高效率。

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