体温调节数学模型

体温调节数学模型是对体温调节生理反应的数量关系和动态过程规律的数学描述。
早在四十年代即已开始了用数学模型描述人体与环境间热交换过程的工作。早期的模型均为开环型式，用以反映生理功能变化尚有很大的局限性。模型结构也较简单，如把人体看作简单的圆柱体，由两层同心层，即内层的“中央核心”和外层的“皮肤外壳”所构成，这种模型与人体几何学特征相差较大。六十年代以来，具有反馈回路的闭环模型开始出现。目前采用的体温调节数学模型，就构成来说，分“头”、“躯干”、“上肢”、“手”、“下肢”和“足”共六个节段；每个节段又分“核心”、“肌肉”、“脂肪”和“皮肤”四个部分，连同联系各节段的“中央血液”，共计二十五个单元。以功能来分，有被控系统和控制系统两部份。被控系统（身体热容量）受环境冷、热或代谢的干扰，导致被控变量（体温）发生改变。这一变化又为反馈元件（温度感受器）所检测，信息经反馈回路传至控制系统的中枢（体温调节中枢），与调定点作比较，得出误差，触发中枢，使其产生控制活动，对汗腺、肌肉和血管发出指令，以修正身体的产热量和散热量，自动减少或消除误差，使体温处于正常范围。其调节原理可用下列方块图表示(图1)。

图1 体温调节系统的方块图

模型方法在生物系统研究中有多方面的作用：
❶利用模型进行分析和模拟，研究系统的数量关系和动态过程，用所得结果深入说明生物科学机制。
❷模型中设置某些假设，通过模型运算，并与生物实验结果比较，可以论证假设的正确性。
❸生物系统数学模型也是对生命现象或过程进行控制的前提和制造仿生器件的基础之一。体温调节数学模型在一些空间计划中已得到广泛应用。它在下列几个方面，正日益发挥作用：
(1) 利用模型预测身体潜热和显热散失的途径，以确定座舱环境控制系统的规模，并可按照所得出的身体热蓄积限度，规定与服装配套的冷却系统的应具备的能力。
(2) 根据代谢率和带走最大热量两者间的差值，计算身体热积速率，并由此预测人体对该温度条件的耐受限度。
(3) 根据穿着液冷服情况下代谢率及水温变化的相互关系，可以确定航天员在月球行走时，液冷服所能带走热量的最大能力，估算航天员离开登月舱在月球表面所能行走的最大距离。
(4) 在一定水温和体温条件下，液冷服冷却系统带走的热量与代谢率呈一定关系。根据背囊冷却系统遥测所得数据，利用模型有可能建立一个简单的代谢率运算程序，结合氧分压和心率变化，实时估量航天员出舱活动时的代谢水平。
(5) 以通常使用的热舒适标准作为体温调节模型的输入，并把最小、最大热蓄积值作为最大限度的输出，评价座舱内出现低压和周期性温度变化的环境，结果表明该环境的温热舒适带比通常的标准降低1.1～1.7℃，舒适温度的范围由21.1～26.7℃下降至19.4～25.6℃，这一变化已为实际飞行所证实。
(6) 由于舱压降低，使水汽快速扩散，导致环境低湿，对人体成为一个更不舒适的因素。利用模型根据汗液蒸发和呼吸性失水的预测，可作为座舱湿度控制系统规模的依据。
(7)利用热平衡技术，模型能够根据环境对人体影响预测的结果，比较各种微小气候参数不同组合的作用，确定座舱温控系统的最佳方案。
通常用生理学实验结果作依据，与由计算机根据数学模型运算得到的模拟资料进行比较，以检验模型预测的符合程度。兹举一例，以说明目前建立的模型所能达到的水平(见图2)。图中表明汗液蒸发和平均皮肤温度在48℃高温阶段预测的符合率较好，两条曲线基本重合；在再转入30℃气温下的恢复时期，预测所得的直肠温度曲线，与实测值之间有一定分离，最后比实际值低0.5℃。这一差异表明： 模型所表示的外周血管对环境温度变化的反应，尚不甚理想，在环境温度开始降低的恢复期，皮肤被冷却时外周血管未能发生快速收缩反应，以致气温降低后散热依然停留在较高水平上，结果使模拟直肠温度值下降较多，偏离了实验值。

图2 生理实验结果与由模型推导所得资料的比较(受试者着短裤，先在30℃环境中停留30分钟，然后快速转移至48℃环境中停留2小时，最后又回至30℃条件

下停留1小时。实线： 实验值： 虚线： 计算值)(引自Stolwijk等，1977)

人体是一个完整的有机体，系统之间具有相互影响，从发展角度看，体温调节数学模型如能与心血管和呼吸系统模型联合起来使用，预测航空航天过程特种环境因素影响下的人体生理反应，将会比单一系统模型所得到的结果，具有更高的符合率。