基于多尺度建模的人体热调节特性计算机模拟

发布时间：2017-04-17 12:19

  本文关键词：基于多尺度建模的人体热调节特性计算机模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：血流和温度信息是人体健康的重要指标,随着医疗、航空航天等行业的发展,人体基础生理参数的测量、“人-机-环境”三要素下的人体热舒适性已成为重要的研究课题。本文利用有限元方法,考察了指尖皮肤温度波动与微血管运动的相关性。进一步在人手模型基础上,建立多节段人体物理模型,耦合一维血流模型、传热模型和热调节模型对人体全身的血流和热调节机制进行了模拟。主要研究内容包括以下两个方面： 1.指尖皮肤温度波动与微血管运动相关性的定量评价 基于多孔介质有限元模型建立了孔隙度随温度变化的数学关系,分析了冷水刺激对侧手皮肤温度波动与孔隙度变化的关系。结果表明随着组织孔隙度的变化,指尖皮肤温度在冷水刺激时下降,而在冷水刺激结束后逐渐回升。通过小波分析提取内皮调节频段的温度数据,发现温度波动幅值也在冷水刺激时减小,而在冷水刺激后逐步回升,这与实验数据的分析结果是一致的。这有助于利用皮肤温度信息对微血管的运动进行量化,实现对微血管健康的检测。 2.多节段人体热特性建模及不同热环境下热调节分析 利用椭圆柱构建6节段的三维人体模型,包括头部、躯干与四肢。并根据解剖结构确定不同组织、重要器官的尺寸与位置,从而构建全身六面体有限元网格模型。在耦合全身一维血流动力学模型、改进的生物传热模型基础上,加入了人体热调节的参数模型,该模型可以对皮肤血液灌注、出汗散热和寒颤产热进行量化评价。由此计算了人体在不同环境、不同着装条件下的血流、温度分布和热调节活动变化。研究结果揭示了在不同环境,特别是极端环境条件下人体热调节功能是如何维持核心温度的相对稳定。1℃寒冷环境下,相较于裸体模型,服装热阻为1c1o的着装条件可以使四肢皮肤温度升高约5℃,表明合适的衣着对维持体温,特别是皮肤温度有重要作用。 本文提出的耦合模型有助于对血流和体温调节的热调节机理的认识,该模型可以用于对安全驾驶的评估,热病病症的预测等,并能对特殊服饰的设计提供一定的技术支持。
【关键词】：多尺度人体建模 血流动力学 有限元分析 热调节 着装模型 小波分析 微循环
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.01
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景11
• 1.2 研究历史与现状11-14
• 1.2.1 生物传热方程的发展11-12
• 1.2.2 人体热调节的响应12-13
• 1.2.3 近年来人体传热研究的重要进展13-14
• 1.3 本文的研究目的和内容14-17
• 第2章 基于人手血流传热模型的微血管运动评价17-25
• 2.1 孔隙度对人手皮肤温度的影响17-19
• 2.1.1 渗透率与血液灌注率的计算17-18
• 2.1.2 孔隙度变化对人手皮肤的温度影响18-19
• 2.2 人手皮肤温度和微血管运动在内皮调节频段的波动规律19-23
• 2.2.1 包含内皮调节活动的孔隙度变化关系19-20
• 2.2.2 冷水刺激对侧手的传热计算和内皮频段的温度波动规律20-23
• 本章小结23-25
• 第3章 分段人体三维模型的建立25-37
• 3.1 人体节段划分26-27
• 3.2 横截面图像的绘制27-29
• 3.3 人体三维有限元网格生成29-35
• 3.3.1 超限插值法29-30
• 3.3.2 平面网格生成和节点属性30-32
• 3.3.3 三维网格生成和单元属性32
• 3.3.4 程序流程和输出32-35
• 本章小结35-37
• 第4章 人体血流、传热及热调节模型37-67
• 4.1 血流数学模型37-45
• 4.1.1 一维血流模型介绍37-38
• 4.1.2 控制方程38-39
• 4.1.3 边界条件设置39
• 4.1.4 参数设置39-41
• 4.1.5 数值方法41-42
• 4.1.6 计算流程和输入输出42-45
• 4.2 传热数学模型45-61
• 4.2.1 基于Pennes方程的人体传热模型45-46
• 4.2.2 无着装边界条件设定46-48
• 4.2.3 着装边界条件48-51
• 4.2.4 参数的设置51-52
• 4.2.5 控制方程的无量纲化52-54
• 4.2.6 离散和求解54-59
• 4.2.7 程序计算流程59-61
• 4.3 人体热调节模型61-64
• 4.3.1 冷热信号的产生61-62
• 4.3.2 冷热信号的处理62
• 4.3.3 效应器活动62-64
• 4.4 耦合计算及程序流程64-66
• 本章小结66-67
• 第5章 热调节下的人体血流和体温变化67-83
• 5.1 一维血流模型计算结果67-68
• 5.2 人体传热模型计算结果68-71
• 5.3 耦合计算结果71-82
• 5.3.1 不着装下人体血流传热计算72-75
• 5.3.2 着装与不着装人体模型对比75-77
• 5.3.3 环境湿度对人体体温的影响77-80
• 5.3.4 环境温度对人体体温的影响80-82
• 本章小结82-83
• 第6章 总结和展望83-85
• 6.1 总结83-84
• 6.2 创新点84
• 6.3 展望84-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-91
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 曹兆兰;陈俊;刘海樱;徐英美;周晓玉;;全身及选择性头部亚低温治疗新生儿缺氧缺血性脑病的疗效比较[J];南京医科大学学报(自然科学版);2010年03期

2 冯俊小;蒋彦军;顾静;;亚低温治疗中颅脑温度场的三维数值模拟和实验研究[J];热科学与技术;2007年01期

3 王庆伟,许世雄;心血管系统体循环输入阻抗的几种集中参数模型的比较和应用[J];医用生物力学;2003年01期

4 肖汉光;何为;刘兴华;李松浓;毕喜飞;;基于电网络模型的动脉树输入阻抗递归计算及参数分析[J];医用生物力学;2011年01期

5 乐恺;罗运晖;张欣欣;;考虑脑脊液层的局部脑冷却传热分析[J];应用基础与工程科学学报;2010年03期

  本文关键词：基于多尺度建模的人体热调节特性计算机模拟，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：313202