综述：人体热生理建模进展：一个世纪发展的方法学回顾

《Computers in Biology and Medicine》：Advances in human thermophysiology modelling: Methodological review of a century of developments

这篇综述系统回顾了人体热生理模型百年发展，首次对96种全身模型进行方法论解构，建立了被动系统（几何解剖表征）、主动系统（血流/出汗控制）和个性化方案的分析框架。文章揭示了空间分辨率持续提升但生理控制逻辑发展不对称的现状，指出标准化验证框架缺失等关键瓶颈，为开发融合人工智能的下一代数字孪生模型提供了路线图。

　　

生理与生物物理基础

作为恒温动物，人类通过精密的热调节系统将核心体温维持在约37°C的狭窄范围内。这一系统如同一个复杂的反馈控制系统，通过血管运动（调节皮肤血流）、促汗（蒸发散热）和代谢（如寒颤产热）三大效应器应对从-45°C到55°C的环境温度波动以及高达14倍的基础代谢率变化。热平衡的维持遵循热力学第一定律，即机体产热（q_m）与对环境的总散热（包括显热与潜热）相等。

人体热生理建模与应用领域

数学模型将热调节系统解构为受控（被动）系统与控制（主动）系统。被动系统基于“生物热方程”描述组织内的热传递，该方程包含了热储存、组织导热和血液灌注对流换热三大项。主动系统则模拟下丘脑的反馈控制，通过比较温度感受器信号与设定点（T_set）来触发生理响应。此类模型在太空探索（宇航服设计）、交通运输（智能座舱气候控制）、建筑环境（HVAC系统优化）、医疗健康（手术中患者体温管理）等十余个领域具有不可或缺的应用价值。

模型的结构与解剖分类演进

模型的几何表征经历了从单一球体/圆柱体到高保真人形形态的演变。空间离散化策略可分为集中参数模型、一维模型、二维模型以及能模拟复杂局部热现象的三维模型。解剖表征的保真度则从简单的组织参数集总，发展到两节点（皮肤与核心）模型、多层对称表征，直至非对称的简化几何表征和真实三维解剖表征。值得注意的是，商业模型（如THESUS? FPC）常采用混合方法，即详细的外壳模型与简化的内部隔室模型结合，以平衡计算成本与精度。

主动控制系统的建模逻辑

主动系统的控制逻辑主要基于经典控制理论。代表性方法包括Stolwijk模型的比例控制，其效应器响应（如出汗率Q_evap）由核心和皮肤温度误差信号（ΔT_cr,head, ΔT_sk,av）驱动。Smith模型则引入了更复杂的非对称逻辑，例如，出汗响应由核心温度的“热兴奋”和皮肤温度的“冷抑制”共同调节。前沿的thermoSEM模型更进一步，通过模拟温/冷敏感神经元的放电率来实现神经生理学控制，替代了简单的设定点逻辑。真正的“前馈控制”（如运动开始前1.5秒内发生的出汗）机制在现有模型中仍较少被纳入。

心血管系统与血流建模

血液循环系统的建模复杂度差异显著。最低阶的“无血管模型”通过调整组织有效导热系数来隐含血液热效应。最常见的“集中血池模型”将动脉血温度（T_art）设为均一的核心温度。更先进的“空间分布血液模型”通过逆流热交换（CCX）系数计算节段特异性动脉温度。最高阶的“详细离散血管网络模型”（如AUB模型）则求解一维血流动力学方程，并模拟动静脉吻合（AVA）、冷诱导血管舒张（CIVD）等特殊机制。分析表明，模型复杂度与预测优越性并非绝对正相关，参数不确定性可能在高阶模型中导致更大误差。

个性化方案与个体变异性

为应对显著的个体间变异，个性化方案主要针对被动系统或主动系统的特定参数进行调整。输入数据包括人体测量学指标（体重BW、身高BH）、身体成分数据（体脂率Fat%、局部脂肪分布LFD）、代谢参数（实测代谢率Met_measured、最大摄氧量VO₂max）、血流动力学特性（心输出量CO_basal）和人口统计学因素（年龄、性别、 acclimatization ACC）。个性化方法可分为基于相关性的估算、基于实验数据的校准以及直接测量输入。一个关键局限是，即使使用实测的全身代谢率进行个性化，其热量在器官间的分布通常仍依赖于群体水平的系数。

研究空白与未来方向

本综述揭示了几个关键空白领域。首先，“方法学混杂”使得难以孤立评估特定子模型（如不同的血流模型）对预测准确性的贡献。其次，缺乏标准化的验证协议和共享数据库阻碍了模型间的公平比较。未来研究应致力于：1）开发模块化建模框架以进行可控比较；2）建立开放验证数据库；3）推动开放科学实践。在技术层面，重点应转向提升模型的“生理智能”，而非单纯追求解剖细节。融合物理模型与数据驱动子模型的“灰箱”建模，以及结合可穿戴传感器数据进行数据同化，是构建真正个性化、动态更新的“人体数字孪生”的可行路径。最终，这些进步将推动新一代动态热舒适指标的发展，超越PMV、SET等传统稳态指标的限制。