一种体模型热学假人系统的制作方法

专利名称：一种体模型热学假人系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热学假人系统，系一种能够模拟人体在高/低温环境下热响应的 测试系统，能模拟人体组织热吸收、热传导、热产生、热调节、血液热对流、体表热辐射和出 汗的过程。此系统可用于医学评估、航空航天实验、火灾及高温环境工况分析、人体舒适度、 纺织品评估和环境测量方面。
背景技术：
热学假人的最早形式被称为暖体假人、出汗假人。东华大学公开的中国专利出汗 假人(申请号=00217277. 1)，中国人民解放军总后勤部军需装备研究所士兵系统研究中 心公开的一种出汗假人系统(申请号03146356. 8)，珠海格力电器股份有限公司公开的暖 体假人系统2008200500312，中国人民解放军总后勤部军需装备研究所公开的一种燃烧假 人系统200710100260均属于这种假人的范畴，其得名于对人体出汗、热传导等热行为的模 仿。国外这类假人最早由美国纳蒂克军需装备工程中心研制，随后加拿大皇家空军、美国宇 航局、日本神户大学、德国霍恩斯泰服装生理所，丹麦技术大学先后围绕这一技术进行了研 允。但是这些假人主要用于热舒适性评估，因此都格外关注并强调皮肤特性的模拟。 实际上，在人体热学假人的使用中，不仅需要反映皮肤热学特性，也需要对组织热性能和组 织间热性能有较好的模拟。组织是异质、各项异性的，为了简化和高效，一般的理论建模主 要将组织分成皮肤、脂肪、肌肉、骨骼四层具有截然不同热物性的组织。暖体假人用芯片中 的Newton模型程序计算后三层的热动力学行为，该模型能评估大尺度的环境及局部的相 互作用，但精确度不高，更无法体现医学实验和临床中关注的局部组织的冷、热破坏和全局 动态的温度响应。为突破现有思路，实现性能完善的热学假人系统，首先应提炼出关键人体热机制 的描述，提出适当的要求，对假人进行合理的设计。当前公认的关键热机制包括(一 )组织内及组织间的代谢产热及热传导；( 二)血管传热；(三)皮肤的汗液蒸发；(四)体表空气对流；(五)体表热辐射；(六)呼吸过程中对外界冷空气的加热；(七)人体主动温度控制响应。当前的暖体假人可以模拟上述的第一、三、四、五项热机制。现有暖体假人采用多种资源的人体测量数据，代表男性的平均身材模拟人体的几 何外形，以及人体模型各关节活动。其中第一项内部热传导的机制采用对人体进行分区，每分区内安置采集皮肤温度及环境温、湿度传感器，信息传送至芯片根据预先设定区域响应函数进行运算并调节输出 响应。这种假人系根据已建立的模型通过电子芯片运算实现，而不是采用体模型热材料进 行模拟，其传热的真实性对数学模型存在强烈依赖性，且生物材料本身具有的结构细节、各 向异性都无法表现出来。第三项，为了模拟发汗，系统内由蠕动泵带动管道将水流输送到皮肤表面的排汗 孔，采用高浸润织物表层将水分分配到人体模型表面。第四、五项传热机制，采用环氧碳、铜 等模仿人体组织热传导特性的材料在真实环境条件下热传导。

发明内容
本发明的目的在于突破现有对人体热响应的物理测试技术的限制，通过对人体关 键传热机制进行提炼，对假人予以合理设计，从而采用传热更加准确的仿体模拟人体热学 性能，以缩减实验手段所需的产品开发周期、削减测试成本、减少安全隐患、降低实验动物 使用量及相关实验伦理学纠纷；在医学应用中更是可以通过预实验方法大大降低冷、热疗 手术风险、提高手术康复率。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述系统包括人体热学体模型和多 分支血液循环模拟系统，所述的人体热学体模型采用分层分节的体模结构；所述的多分支 血液循环模拟系统包括动力源和内有流动液体的循环管路，所述的循环管路包括多管径动 脉系统、多管径静脉系统、控制阀和连接用的三通或多通管。本发明所述的分层分节的体模结构为1-20节，每节分为1 20层，每节各层采用 与该层对应的人体生物组织热特性相似的材料，各层各节之间具有不同的热物性参数。本发明所述的分层分节的体模结构是由头、颈、胸、腹、胳膊、手、腿和足各节组成， 每节由外到内分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层和体核层。本发明所述的分层分节的体模结构采用完全填充、多孔填充或分块填充；完全填 充或分块填充采用水的体积百分含量为10% -100%的水凝胶、硅凝胶或水合物填充；多 孔填充采用用水填充的多孔组织支架材料结构，水的填充体积占多孔材料空隙总体积的 0% -100%。本发明所述的循环管路包括至少一级循环管路；每级循环管路之间具有不同的管 径、管壁厚度和长度；每级循环管路之间通过三通管、多通管或直通管连接，或通过快速原 型、一次成型、粉末加工或浇注的加工成型方法进行连接。所述的循环管路采用全封闭循环 或开放性循环管路。所述的循环管路采用与人体血管的拉伸强度、粘弹特性和传热性能相 当的单层塑胶管、加筋塑胶管、多层塑胶管或包被塑胶管，循环管路的材料为聚烯烃、聚酯、 聚乳酸、树脂和橡胶高聚物中的一种或几种材料的复合。本发明所述的多分支血液循环模拟系统的管路内流动的液体密度在800_1200kg/ m3之间，比热在3300-4200J/kg m3之间。本发明的技术特征还在于所述的体模结构的各层中分布有嵌入的加热元件，所 述的加热元件采用电阻加热网或电磁辐射网。本发明的又一技术特征还在于所述系统还包括控制系统，该控制系统包括微处 理器、传感器、产热元件和控制阀；所述传感器包括温度传感器、流速传感器和湿度传感器，所述微处理器接收温度传感器采集的温度信号、流速传感器采集的模拟血液流动的流速信 息和湿度传感器采集的湿度信号，从而调节动力源的转速、产热元件的功率和循环管路的 控制阀状态。本发明具有以下优点及突出性效果①可以多尺度的模拟人体在局部和全局热环 境中的响应，它不仅可以体现全局热环境中高精度局部组织响应，也可以表现出局部高温 时全身的热响应，具有多级响应的精度和跨度效应。在宇航和医疗的应用中，躯干内发生的 重力特性、物理化学特性是完全数字化电子芯片控制系统无法实现的。②模拟血液循环系 统可以实现热量甚至物质的输运，对热环境中机体响应过程中，经血管的热物质加载具有 模拟特性。物质和热量的相对转化以及物理体模的热效应，尤其是热载体、热吸收物质、发 热材料和热沉材料的热学性能都可以在本发明提供的热学假人的工作过程中实现。③本发 明提供传统假人所不具备的更能反映真实人体热量输运的结构。热传输机制中，贯穿人体 的血液循环系统是确保热量远程输运的重要媒介，而多分支血液循环模拟系统的循环管路 在热学假人中传导的对流热也占据极大比例。尤其重要的是，这种机制决定了人体热系统 的全局响应。④在组织的物理实现方法问题上，从材料角度来看，人体的软组织是一个含水 约75%的凝胶材料，因此可采用高分子水凝胶、硅凝胶或水合物来模拟组织的热学特性和 热加载过程中必须保证的尽可能接近的电磁特性。为了实现这种参数材料的相似配比，一 种方法是采用水凝胶、硅凝胶、水合物等高水含量有机物直接实现。另一种方法为采用多孔 的难降解材料来实现，具体的热特性可以通过孔隙率来调节，在孔隙中加水的控制系统可 以调节水量模拟热参数的变化。⑤能够全面模拟人体在热环境下局部和全局热响应的假 人体系对于热疗手术中如微波、射频、超声、激光乃至化学注射介质的热作用实验有重要意 义，对冷冻外科手术也同样有重要参考价值，临床医生可由此减少手术风险，而对科研和产 品研发人员来说则可以减少实验动物用量、缩减开发成本、缩短开发周期，至于对医疗器械 工业中在评估所研制开发的新型高/低温医疗设备的性能的临床试验时，则有助于大大降 低病人测试的风险。⑥由于假人不仅可以模拟人体热动力学行为，还可以模拟人体与能量、 力的相互作用，在航空航天等领域也有重要应用。而在传统暖体假人进行热环境、舒适度、 衣物评估的场合也由于其优异性能具有更佳的效果。


图1 (a)是体模型热学假人系统的体模结构示意图。图1 (b)是图1 (a)的A-A视图。图2是多分支循环系统结构示意图。图3 (a)是仿真几何解剖结构的人体热学模型躯干。图3(b)是仿真几何解剖结构的血液循环系统图。图4是带控制系统的体模型人体热学假人的控制系统框图。图中11-肌肉；12-体核材料；13-脂肪材料；14-皮肤材料；21-多管径动脉系 统；22-多管径静脉系统；23-单向阀；24-蠕动泵；25-变径三通。
具体实施例方式人体热学假人基本任务是对组织热性能和组织间热性能进行较好的模拟。组织是异质、各项异性的，因此将组织分节分层，可以简单而高效的抽象出几种具有截然不同热物 性的组织，各层各节之间比热、密度和热导率不完全相同。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。本发明提供的一种体模型热学假人系统包括人体热学体模型和多分支血液循环 模拟系统。人体热学体模型和多分支血液循环模拟系统，所述的人体热学体模型采用分层 分节的体模结构；所述的多分支血液循环模拟系统包括动力源和内有流动液体的循环管 路，所述的循环管路包括多管径动脉系统、多管径静脉系统、控制阀和连接用的三通或多通 管。人体体模结构的体模材料具有与各组织层热吸收和热传导特性相当的特性，可模拟组 织层在热吸收和传导，体表空气对流，体表热辐射的作用过程；而多分支血液循环模拟系统 可以实现血管传热的模拟。所述的分层分节的体模结构为1-20节，每节分为1 20层，每节各层采用与该层 对应的人体生物组织热特性相似的材料，各层各节之间具有不同的热物性参数。根据人体 模型的简化思路和基本原理可知，体模型分层的数目可以依据需求的准确度确定。要求精 度不高时，可以直接采用实体，不进行分层(或称1层体模型)。要求精度较高时，应该进一 步划分层次。所述的分层分节的体模结构是由头、颈、胸、腹、胳膊、手、腿和足各节组成，每节由 外到内分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层和体核层。如图1的人体热学体模型分为8节，分别 为头、颈、胸、腹、胳膊、手、腿和足8节；每节分为4层，由外到内分别为皮肤层，脂肪层，肌 肉层和体核层。每层采用与该层生物组织热特性相似的材料，如高分子水凝胶、硅凝胶或水 合物来模拟组织的热学特性和热加载过程中的电磁特性。分层分节的体模结构采用完全填 充、多孔填充或分块填充；完全填充或分块填充采用水的体积百分含量为10% -100%的水 凝胶、硅凝胶或水合物填充；多孔填充采用用水填充的多孔组织支架材料结构，水的填充体 积占多孔材料空隙总体积的0% -100%。在制造之前，应首先根据热容特性确定每层和每节体模的形状和尺寸，此实施例 中的主体材料选择为圆柱形和球形。充填材料具有稳定形态特征。加工时进行完全体模填 充、多孔填充或分块填充，其成型方式是整体成型或分块成型后通过机械加工组合，或根据 组织形态进行生物加工得到的组织形态和性能与人体固态解剖相似的仿体结构。完全填充或分块填充采用含水量的体积百分比为10% -100%的水凝胶、硅凝胶 或水合物填充；多孔填充采用用水填充的多孔组织支架材料结构，水的填充体积占多孔材 料空隙总体积的0% -100%。采用完全填充或分块填充时，通过变化水凝胶、硅凝胶或水合 物的含水量可调节该部分体模材料的比热、热导率。类似的，采用多孔填充时，通过调节水 的填充体积可以模拟热参数的变化，热特性也得以通过孔隙率来调节。比热高的组织宜采 用高含水比例进行填充，反之可减少水的含量。对于完全填充或分块填充，如果填充材料是 100%的水或液态及无定型材料，在操作时可利用与其他节或层的边界在封闭空间内进行 灌注。对于多孔填充，100%的填充指全部填满，比热为4200J/kg m3 ；0%的填充指空隙中 未进行填充，比热为多孔结构的比热。完全填充或分块填充的假人加工结束后热特性确定，而多孔填充的假人在加工结 束后热特性还可随着结构中的水含量变化而改变。控制系统对多孔填充的水含量进行调节 可以动态模拟组织在热响应中身体组织热性能的改变。
热传导机制中，贯穿人体的血液循环系统是确保热量远程输运的重要媒介，而多 分支血液循环模拟系统的循环管路在热学假人中传导的对流热也占据极大比例。尤其重要 的是，这种机制决定了人体热系统的全局响应。因此，假人系统中应包括如图2所示的多分 支血液循环模拟系统包括动力源和内有流动液体的循环管路。循环管路包括多管径动脉系 统、多管径静脉系统、控制阀和连接用三通或多通管。循环管路包括至少一级循环管路；每 级循环管路之间具有不同的管径、管壁厚度和长度；每级循环管路之间通过三通管、多通管 或直通管连接，或通过快速原型、一次成型、粉末加工或浇注的加工成型方法进行连接。图3为仿真几何解剖结构的人体热学模型躯干和血液循环系统图。和实施例1不 同，此实施例通过与标准人体外形相似的体模组织仿真结构模拟人体的生物传热过程。应 该指出的是，“形似”是为了更好地实现功能这个首要任务——由于形体的相似，除了在热 容量的相似之外，还可以模拟整体热容环境中难以反映的局部热传导、异质接触传热。采用 真实体型结构时，各层级结构内部的热物性参数的差异可以是渐变的。人体结构数据可以 从CT，MRI，PET的检测数据获得，也可以由现有标准模型库中获得。所述的循环管路采用与人体血管的拉伸强度、粘弹特性和传热性能相当的单层塑 胶管、加筋塑胶管、多层塑胶管或包被塑胶管，循环管路的材料为聚烯烃、聚酯、聚乳酸、树 脂和橡胶高聚物中的一种或几种材料的复合。所述的多分支血液循环模拟系统的管路内流 动的液体密度在800-1200kg/m3之间，比热在3300-4200J/kg m3之间。所述的循环管路采用全封闭循环或开放性循环管路。开发式系统可模仿人体出 汗，将多分支血液循环模拟系统的管路可以将部分末梢延伸至皮肤表面，即可形成开放式 系统；也可以是完全闭合的封闭循环。符合要求的流体材料包括水、水基或油基溶液。如在实施时，采用蠕动泵作为动力源，以分布在组织间的管道为液体通路，带动模 拟血液流动的装置。蠕动泵流量为lOOml/min-lOOOOml/min，接近人体主动脉或分支主动脉 的血流量。模拟血液采用丙三醇水溶液，以求达到近似的仿真血液的压力场和速度场，能更 真实反映血液的换热特点。管道的布置采用三级分支，分支处用变径三通阀连接，并使用单 向阀来控制液体的流动方向，以防止血液倒流，每个连接阀之间的管道管径和长度参数可 根据需要确定(其中管径在lmm-20mm，直径长度则在lmm-500mm范围)。在身体组织层内层次之间可嵌入分布全身各处的加热元件如电阻加热网、电磁辐 射网模拟内部代谢产热。图4是带控制系统的体模型人体热学假人的控制系统框图。系统框图表明了体模 型中控制系统的组成。所述系统还包括控制系统，该控制系统包括微处理器、传感器、产热 元件和控制阀；所述传感器包括温度传感器、流速传感器和湿度传感器，所述微处理器接收 温度传感器采集的温度信号、流速传感器采集的模拟血液流动的流速信息和湿度传感器采 集的湿度信号，从而调节动力源的转速、产热元件的功率和循环管路的控制阀状态。例如采用流量控制技术对多分支的血液循环模拟系统进行流量调解，可精确反应 细部血管在人体热管理机制启动情况下血管的舒张和收缩情况。心输出量变化通过泵阀流 量调解进行控制，可对机体热应力的心脏负荷进行模拟。控制系统的反应经嵌入式系统处 理后，输出控制信号。这一过程的控制机制根据现有人体主动的温度调节模型设定，用户可 在操作时自行选择，同时也可自行编程实现自定义功能。控制机制可使用比例、积分、比例 积分、PID、模糊控制、神经网络控制等控制机制。受控变量可以是身体代谢产热的空间加热量、体模材料的动态热物理参数、血液循环系统的分支流量、总输出量、体表散热系数、发汗 量、也可以是上述参数的组合。此实施例中，由于引入了中央控制芯片，因此除受控变量的 调节外，还可以兼有高温报警，体液循环耗竭、心肺衰竭的报警和预测的功能。系统的控制元件和执行元件的集成可以是系统级的、也可以是每级独立的。每级 也可以带有独立的控制系统，采用单向阀、流量计、节流阀、比例阀、流量阀、安全阀调整控 制模拟血流的血液动力学和主动调控特征。控制机制可以实现人体主动温度调控系统的功 能，也可以辅助体模部分完善人体被动温度响应系统功能，也可以是两者的结合，更可以通 过系统的中央编程系统实现用户自定义功能。本发明提供的人体热学假人结构，并不限于以上所述的情形。原则上，任何通过躯 干主体、血液循环机制、调控系统的结合方式模拟人体的生物传热机制，在此基础上可实现 结构、分层形式、外观样式多样化的人体热学模型。比如，采用电磁阀节流控制技术调节多 分支血液循环模拟系统各管道中的血流流量；若术梢循环系统进一步微型化，还可采用毛 细血管在多孔主体中的渗流系统来增大末梢循环换热机制的。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述系统包括人体热学体模型和多分支血液循环模拟系统，所述的人体热学体模型采用分层分节的体模结构；所述的多分支血液循环模拟系统包括动力源和内有流动液体的循环管路，所述的循环管路包括多管径动脉系统、多管径静脉系统、控制阀和连接用的三通或多通管。
2.按照权利要求1所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的分层分 节的体模结构为1-20节，每节分为1 20层，每节各层采用与该层对应的人体生物组织热 特性相似的材料，各层各节之间具有不同的热物性参数。
3.按照权利要求2所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的分层分 节的体模结构是由头、颈、胸、腹、胳膊、手、腿和足各节组成，每节由外到内分别为皮肤层、 脂肪层、肌肉层和体核层。
4.按照权利要求1、2或3所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的 分层分节的体模结构采用完全填充、多孔填充或分块填充；完全填充或分块填充采用水的 体积百分含量为10% -100%的水凝胶、硅凝胶或水合物填充；多孔填充采用用水填充的多 孔组织支架材料结构，水的填充体积占多孔材料空隙总体积的0% -100%。
5.按照权利要求1所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于，所述的循环管 路包括至少一级循环管路，每级循环管路之间具有不同的管径、管壁厚度和长度；每级循环 管路之间通 过三通管、多通管或直通管连接，或通过快速原型、一次成型、粉末加工或浇注 的加工成型方法进行连接。
6.按照权利要求1或5所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的循 环管路采用全封闭循环或开放性循环管路。
7.按照权利要求6所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的循环管 路采用与人体血管的拉伸强度、粘弹特性和传热性能相当的单层塑胶管、加筋塑胶管、多层 塑胶管或包被塑胶管，循环管路的材料为聚烯烃、聚酯、聚乳酸、树脂和橡胶高聚物中的一 种或几种材料的复合。
8.按照权利要求1所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的多分支 血液循环模拟系统的管路内流动的液体密度在800-1200kg/m3之间，比热在3300-4200J/ kg m3之间。
9.按照权利要求1所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述的体模结 构的各层中分布有嵌入的加热元件，所述的加热元件采用电阻加热网或电磁辐射网。
10.按照权利要求1或2所述的一种体模型人体热学假人系统，其特征在于所述系统 还包括控制系统，该控制系统包括微处理器、传感器、产热元件和控制阀；所述传感器包括 温度传感器、流速传感器和湿度传感器，所述微处理器接收温度传感器采集的温度信号、流 速传感器采集的模拟血液流动的流速信息和湿度传感器采集的湿度信号，从而调节动力源 的转速、产热元件的功率和循环管路的控制阀状态。
全文摘要
一种体模型热学假人系统，该系统是一种能够模拟人体在高温环境下热响应的测试系统，能模拟人体热吸收、不同组织间热传导、热产生、热调节、血液热对流、体表热辐射和出汗的过程，用于医学评估、航空航天、火灾及高温环境工况分析、人体舒适度、纺织品评估和环境测量方面。系统包括人体热学体模型和多分支血液循环模拟系统，所述的人体热学体模型为分层分节的体模结构，每节各层采用与该层对应的人体生物组织热特性相似的材料，各层各节之间具有不同的热物性参数。所述的多分支血液循环模拟系统包括动力源和内有流动液体的循环管路，循环管路包括多管径动脉系统、多管径静脉系统、控制阀和连接用三通或多通管。
文档编号G09B23/28GK101859503SQ201010178088
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者刘静, 贾得巍 申请人:清华大学