本发明涉及一种三维人体烧伤算法，具体地说是涉及一种考虑人体皮肤厚度分布的三维人体烧伤算法。
背景技术：
热环境对人体造成的威胁主要是皮肤烧伤，有效地预测并通过增强防护系统对降低皮肤烧伤具有重要意义。在热防护服装领域，通常会使用皮肤烧伤等级或达到烧伤所需的时间表征服装的热防护性能。在医学领域，有效预测皮肤内部传热是治疗皮肤烧伤的重要手段。由于烧伤会对人体产生破坏性影响，因此，难以通过物理实验直接对人体皮肤施加热源，探究皮肤烧伤机制。而数值模拟的方法可以为烧伤预测提供参考，目前已可以实现热暴露条件下“环境-服装-人体”系统的传热模拟。
表皮、真皮和皮下组织是人体三个主要的皮肤层，皮肤内部的传热机制复杂，包括热传导以及新陈代谢和出汗等。为了解高温环境对生物体的热机械损伤，需要准确描述皮肤内部的生物传热方程。皮肤的热物理性能、皮肤厚度、血液灌注率以及皮肤含水量等都是影响烧伤预测结果的因素，其中皮肤厚度对二级和三级烧伤的预测具有显著性影响。通常情况下，为了简化预测模型，人体各部位皮肤的热物理性能和几何结构会被假设为常数或标准值。
然而，皮肤的热物理性能会随着温度的变化而改变，且不同个体以及个体不同部位之间的皮肤厚度各不相同。同时，对人体而言，不同部位发生的烧伤对生命的威胁程度不同。现有技术中尚未考虑以上因素。因此，尽可能地对三维人体进行精确的烧伤预测，不仅有助于热防护系统的科学量化设计，对人体进行有效热防护，降低烧伤发生的概率，并且可以为烧伤的治疗提供辅助手段。
技术实现要素：
本发明的目的是：实现对三维人体烧伤的准确预测及结果可视化，为人体热防护系统的科学量化设计提供手段，减少热环境对人体的烧伤威胁。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种考虑皮肤厚度分布的三维人体烧伤算法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据目标人群，获取人体表面形态及各部位皮肤厚度数据，将目标人体划分为不同人体区域，依据人体区域将各部位皮肤厚度进行分组，得到不同组别的各层皮肤厚度数据；
(2)利用传感器或数值模拟方法，获得目标人体表面热响应数据；
(3)基于不同组别的各层皮肤厚度数据及热物性参数，将人体表面热响应数据作为输入参数，建立皮肤内部传热模型并进行计算，获得各部位皮肤内部温度场；
(4)提取关键皮肤层界面温度，计算烧伤积分，判断烧伤等级；
(5)对所有人体区域进行皮肤烧伤预测，计算烧伤等级比例，生成人体烧伤等级分布图及烧伤等级演化曲线，实现三维人体皮肤烧伤可视化。
优选地，所述步骤(1)包括：
(11)利用三维扫描及逆向工程技术获取目标人体的表面形态；
(12)对目标人体进行区域划分，获得目标人体的不同人体区域，取样密度根据所需精度确定；
(13)测量或利用通用数据确定目标人体各部位皮肤厚度，依据人体区域将目标人体各部位皮肤厚度分为不同皮肤厚度组别；
(14)确定相应皮肤厚度分组的表皮层、真皮层、皮下组织的密度、比热容、导热率、血液灌注率。
优选地，所述步骤(2)包括：
(21)在不同人体区域分别设置传感器，测量皮肤表面温度或热流密度；或通过数值模拟的方法，模拟人体所处热环境，并计算人体表面温度或热流密度；
(22)根据人体区域的中心位置，提取人体表面温度或热流密度响应数据。
优选地，所述步骤(3)包括：
(31)根据步骤(1)中皮肤厚度分组，分别建立几何网格模型；
(32)将人体区域处提取的温度或热流密度数据作为输入参数，选取相应的皮肤厚度几何网格模型，计算皮肤内部传热。
优选地，所述步骤(32)中进行网格独立性检验，确定每组皮肤厚度模型的最佳网格划分方法。
优选地，所述步骤(32)中对皮肤表面温度或热流密度进行拟合，并保证拟合的精确度。
优选地，所述步骤(4)包括：
(41)提取步骤(3)皮肤内部温度场中表皮/真皮，真皮/皮下组织界面在热暴露过程中的温度数据；
(42)将两界面温度数据作为输入参数，计算烧伤积分，判断各时刻的烧伤等级。
优选地，所述步骤(5)包括：
(51)对所有划分出的人体区域完成步骤(2)、步骤(3)及步骤(4)；
(52)根据划分的各人体区域所代表的皮肤面积，计算各个时刻一级、二级、三级烧伤比例；
(53)生成烧伤等级演化曲线，生成烧伤等级分布图。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可在复杂热环境下对三维人体实现精确的烧伤预测。考虑非均匀人体皮肤分布及各皮肤层不同的热物理参数，更加接近真实人体皮肤状态。该算法只需输入皮肤表面的热响应数据，对热环境条件无限制，适用于各种复杂高温环境下的皮肤烧伤预测，通用性强。可以针对特定人群，灵活采用不同的人体区域划分方式，并建立相应的局部皮肤模型，适用范围广。算法还可以反映热暴露过程人体皮肤烧伤演化过程，良好的可视化效果有助于探索烧伤规律，有效降低烧伤程度。采用本发明提供的烧伤预测方法，可实现对不同外部环境、不同人群、不同防护装备条件下的烧伤预测，并为人体热防护装备的开发和科学量化设计提供基础。
附图说明
图1为考虑皮肤厚度分布的三维人体烧伤算法模块化流程图；
图2为皮肤厚度分布图；(a)表皮层；(b)真皮层；
图3为皮肤内部传热模型网格划分示意图；
图4为烧伤计算程序；p为频率因子；e为皮肤活化能；r为摩尔常数；t表示时间；t表示温度；ω代表皮肤烧伤积分；
图5为烧伤等级演化示意图；
图6为烧伤等级分布示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
当消防员进行抢险救灾时，需穿着消防服迅速穿越火场，消防服是降低皮肤烧伤的重要屏障，但是当环境恶劣或防护效果不足时，仍然会对消防员造成皮肤烧伤。在进行单层热防护服装的防护性评价时，闪火热暴露时间通常采用4s，热暴露的平均热流密度为84kw/m2。由于火焰的不稳定特性，人体不同部位在各时刻遭受到的热流密度各不相同。在该情况下，可以对人体局部进行精确的烧伤预测，并获得全身的烧伤分布情况。本发明可有效实现对不同热暴露环境、防护状态下三维人体皮肤的烧伤预测，并表征热防护装备的防护性能。
本发明涉及一种考虑皮肤厚度分布的三维人体烧伤算法，包括：三维人体皮肤表面区域划分模块、局部皮肤表面热学参数采集模块、局部皮肤内部传热计算模块、局部皮肤烧伤等级预测模块和三维人体皮肤烧伤可视化模块。
三维人体皮肤表面区域划分模块是三维人体烧伤算法的预处理模块。需要通过对人体各部位表皮层、真皮层等皮肤厚度的分析，确定人体划分区域个数，设置区域编号，以及各区域所代表的人体表面积。另外，确定各区域皮肤几何结构和热物性参数。
局部皮肤表面热学参数采集模块需要获得各部位皮肤表面热学参数。外部热环境会引起人体皮肤表面温度上升，而皮肤表面的热学参数是皮肤内部传热重要的输入参数。各部位皮肤表面热响应数据的采集对三维人体烧伤预测的准确度具有重要影响。在实际操作中，可以利用温度或热流传感器获得温度、热流密度随时间的变化曲线。另外，也可以通过“环境-服装-人体”系统传热模拟获得的皮肤表面温度或热流密度，作为皮肤内部传热模型的输入参数。
局部皮肤内部传热计算模块需要对皮肤厚度相近的部位建立传热模型。针对不同人体部位，皮肤的几何模型不同，需要分别进行网格划分，求解传热微分方程，从而获得皮肤内部温度场。为了获得较高的传热模型精度，需要进行皮肤网格模型的独立性检验，获得达到所需精度的网格密度。
局部皮肤烧伤等级预测模块需要对各个时刻各部位皮肤的烧伤程度进行预测。利用传热模型获得热环境下皮肤内部温度场，提取关键皮肤层界面的温度历史曲线，作为烧伤积分的输入参数，计算各时刻的烧伤积分，并判断烧伤等级。
三维人体皮肤烧伤可视化模块将人体局部的烧伤预测进行整合。根据不同编号部位所代表的区域面积，计算达到一级、二级和三级烧伤的比例。根据烧伤部位生成人体烧伤分布图。由于皮肤烧伤与热暴露的时间及暴露强度相关，当人体长期处于较高的热流环境中时，烧伤会由浅至深，直至达到不可逆转的程度，在这个过程中皮肤烧伤等级会发生变化，将不同时刻各个部位的烧伤等级数据进行可视化处理，生成人体烧伤演化曲线。
本发明提供的算法具体包括以下步骤：根据目标人群，获取人体表面形态及各层皮肤厚度等数据，并对人体区域进行划分；利用传感器或数值模拟方法，获得目标人体表面热响应数据；基于不同区域的皮肤厚度及热物性参数，将人体表面热响应数据作为输入参数，建立皮肤内部传热模型并进行计算，获得各部位皮肤内部温度场；提取关键皮肤层界面温度，计算烧伤积分，判断烧伤等级；对所有人体区域进行皮肤烧伤预测，计算烧伤等级比例，生成人体烧伤分布图及烧伤演化曲线，实现三维人体皮肤烧伤可视化。
图1所示为考虑皮肤厚度分布的三维人体烧伤算法模块化流程图，包括三维人体皮肤表面区域划分模块、局部皮肤表面热学参数采集模块、局部皮肤内部传热计算模块、局部皮肤烧伤等级预测模块和三维人体皮肤烧伤可视化模块。具体步骤如下：
步骤1：获取人体表面形态、划分区域并确定基本参数
在本实施例中，采用测量服装热防护性能的燃烧假人作为人体模型，该假人具有典型中国男性体型特征，利用三维人体扫描技术和逆向工程技术获取人体表面形态。人体表面积为1.81m2，平均分为135个区域。人体皮肤厚度采用亚洲人体测量数据，表皮层和真皮层厚度分布如图2所示。根据各部位的皮肤厚度，将135个区域分为23组(g1-g23)，代表的人体部位包括头部、面部、耳后、颈部、胸部、腹部、背部、腹股沟、臀部、上臂前、上臂后、前臂前、前臂后、手背、手掌、大腿前、大腿侧、大腿后、小腿前、小腿侧、小腿后、脚背和脚底。确定相应组别表皮层、真皮层、皮下组织等结构的密度、比热容、导热率、血液灌注率等参数。在具体实施时，可根据预测人群的体型及实际皮肤厚度进行相应替换，另外也可以增加人体表面的取样密度。
步骤2：监测或模拟获得人体局部皮肤表面热响应数据
人体表面的热响应数据可以通过设置体表传感器或数值模拟获得。在本实施例中，以燃烧假人实验为基础，建立“环境～服装-人体”传热模型，服装覆盖人体主要区域，头部、手部、脚部采用头盔、手套、消防靴等进行相应防护。设定4s燃烧环境，平均热流密度为84kw/m2，利用cfd技术模拟石油化工行业闪火爆燃情况，获得4s燃烧过程人体表面的温度变化数据。服装覆盖的主要人体部位包括118个区域位置，提取相应中心点温度数据集，作为皮肤内部传热的输入参数。
步骤3：利用步骤2的参数对步骤1划分的区域计算内部传热
根据步骤1中划分的23组相近皮肤厚度的人体部位，建立局部皮肤几何模型。划分网格，并进行网格独立性检验，图3所示为皮肤内部传热模型网格划分示意图。定义三层皮肤模型及各层参数，模拟皮肤组织的热物理性能。对步骤2划分的118处服装覆盖区域4s热暴露中表面温度数据进行提取并拟合，保证拟合的精确度，选取相应位置对应的几何网格模型，将拟合的表面温度曲线作为内部传热模型的输入参数。皮肤的初始温度设定为307k，皮下组织基底的温度设为310k，模拟体核温度。通过有限体积法求解导热方程，并获得皮肤内部温度分布。simple算法进行压力-速度耦合，一阶隐式算法用于瞬态传热的计算，获得4s热暴露过程中的皮肤内部温度场。
步骤4：提取步骤3关键界面的温度历史曲线进行烧伤预测
图3所示为烧伤预测模型的计算程序。提取步骤3获得的4s燃烧过程中表皮/真皮、真皮/皮下组织界面的温度数据，并将两组温度历史曲线作为烧伤积分的输入参数，对各区域计算烧伤积分，并判断烧伤等级。
步骤5：对所有人体区域完成步骤2、3、4后进行皮肤烧伤可视化处理
实现人体表面所有部位烧伤预测的可视化，需要对各部位的皮肤内部传热及烧伤积分进行批量处理，在实际操作中，使用程序同时进行多个部位的并行计算，提高计算效率。在划分的人体表面区域中，每个区域代表相应的人体表面积，将4s热暴露中，同时达到一级、二级或三级烧伤的部位进行累加，并除以人体总的表面积，分别获得该时刻人体烧伤比例达到一级、二级和三级烧伤的比例，从而生成人体皮肤烧伤等级演化曲线，如图5所示。将4s闪火结束时各个部位的烧伤情况进行汇总，获得图6所示的人体烧伤等级分布图(除去头、手、脚部位)。根据烧伤等级演化图，判断在热暴露过程中，烧伤比例增加及烧伤程度加深的时刻，从而为及时采取措施，降低烧伤威胁提供科学依据。人体烧伤等级分布图可以直观地展现不同时刻人体皮肤烧伤的部位及程度，从而判断对生命威胁的程度，同时，为热防护装备的研制和优化提供参考依据。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。