多尺度建模基础上人体热调节特性计算机模拟

《多尺度建模基础上人体热调节特性计算机模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、多尺度建模基础上人体热调节特性计算机模拟-->第1章绪论1.1研究背景随着科技的进步和发展，人类对其他生物、非生物有了更加深入的研究，对自身的认识和理解也在不断加强。作为自然界中最高级的生物，我们人类自身拥有极为复杂且强大的自我调节和适应能力，能够在不同的自然环境中通过自身调节功能维持生理活动的正常功能[1]。同时因为这种结构与功能的复杂性,在医学中对人体生理现象的解释通常是定性的、经验的。早期的生理学家也很难釆用非实验的方法对人体生理活动进行科学地描述以及对生理参数的量化分析。随着计算机和生物信息等技术的发展，

2、生物学与其他学科的交叉研究得到了研究人员的重视。其中数学模型可以帮助研究人员摆脱实验技术的某些限制，提供简练精确的数学描述，更好地理解生命系统的运行机理。此外数学模型可以对实验条件进行内推外延，拓展实验研究的范围。近年来，人体生理数学模型在医学、航空航天、工程设计、产品开发等方面得到了广泛的应用，为相应的生产生活问题提供了安全、经济的技术手段[3]。人体生理模型研究包括血液循环系统、热调节系统、呼吸系统、神经系统等。随着当今世界各国航天事业的发展和医疗诊断治疗的需要，人体热调节模型研究成为了生物医学工程中非常活跃

3、的研究领域。1988年，ies[13]在研究人手臂的温度分布时提出了著名的生物传热方程，这个方程不仅考虑了组织间的热传导和代谢产热对人体温度的影响，还考虑了血液灌注对组织温度的影响。该模型假设灌注血液与周围组织的热交换量正比于该组织中的血液灌注量和血液与局部组织温差的乘积。该模型为人体热生理的研究奠定了基础，将生物组织与一般材料的传热加以区分，此后在生物传热中得到广泛应用。但是Pennes方程并没有考虑大血管对组织传热的影响，且假设组织中的代谢产热、血流和血液温度都是均匀的，其合理性一直伴随着疑问。考虑到血管在组

4、织中结构机器分布的不均勾性，es方程的基础上，进一步考虑了动脉血液和静脉血液与组织的对流换热，在理论上更加精确，但在形式上增加了动脉、静脉血液的能量方程，使得计算难度和时间增加。从整体上来讲，Pennes方程对目前大部分的生物传热研究来说是比较可靠的数学模型，其形式简捷，计算难度较小，仍然沿用至今。特别是在二维、三维的人体全身传热计算中，因计算量较大，研究者大都釆用该模型。1.2.2人体热调节的响应在上世纪60年代以前的人体传热研究中，包括Pernies等的工作，并没有考虑人体热调节系统对人体传热的影响。人体本身

5、拥有强大的自我调节能力，当人体生理参数变化不大时，把人体作为被动的产热-散热对象可以得到较为满意的结果；但在处理人体生理参数因内调节而产生较大变化的问题时，无热调节模型参与的人体传热计算有较大局限性。特别是在比较极端的环境中，没有热调节功能的人体热模型是无法想象的。1961年Crosbie等人[17]假定人体自身有“标准温度”，即正常环境中平静状态下的体温。当人体实际温度与这个“标准温度”有差异的时候，人体组织的热物性参数和生理参数会发生变化，如热导率、代谢率、蒸发量等。通过这些量的变化将改变人体的体温。这正是“

6、体温调定点理论”的初步思想。他们开创了人体热调节系统数学模型的研究。由于当时人们对人体热调节机制还缺乏深入的理解和研究，Crosbie的模型还比较粗糖。1971年，Gagge[18]把人体结构看做被控系统，进行传热计算；而温度感受器组成体温控制系统，利用输出信号控制皮肤血流和出汗量。他们利用该模型，对不同环境温度、湿度、风速以及不同着装情况下人体的热舒适性进行了评价和分析，并在工程计算中得到广泛的应用。Stoles生物传热方程，将整个人手组织看作多孔介质，则血液灌注-->率ω通过合理的简化，可以与多孔介质模型中的

7、达西速度VDarcy联系起来：ωb=VDarc/Lc其中Lc为微血管特征长度。在多孔介质模型中，达西速度与介质的渗透率有关，如公式(2.2)所示：因此如何选取合适的组织渗透率，将会影响到Pennes方程中血液灌注率的取值和血流项对组织传热的作用。在这里，我们选取如下经验公式对组织渗透率进行计算：式(2.3)中为组织孔隙度。孔隙度在多孔介质中指孔隙部分与整体的体积比，组会只孔隙度则是徵血管与组织的体积比，代表了人手微血管的分布密度。在人手部分指尖微血管密度要高于其它组织，但从生理实验中很难获取准确的组织孔隙度值。根

8、据实验测得的生物组织渗透率的量级，我们把人手骨豁、指尖和其他部分的孔隙度分别设置为0.2，0.6和0.5(热舒适状态下）。根据公式(2.3)计算出的渗透率情况如表2.1所示：2.1.2孔隙度变化对人手皮肤的温度影响微血管管径会因环境因素（气温降低等）或内部因素（血管病变等）而发生变化。本小结我们改变指尖组织孔隙度，考察其对皮肤温度的变化。计算时间步长为0.8s，总的计算时