高温环境下个体化双节点人体热生理模型的优化与应用

本文基于Gagge双节点模型（two-node model）提出改进的高温人体热生理模型，通过整合高温对基础代谢率（BMR）、对流系数（hc）及个体体表面积（BSA）、体温调定点的影响，显著提升核心温度（Tcr）和皮肤温度（Tsk）预测精度（误差≤0.3°C/0.6°C）。实验验证表明该模型在35°C/50%RH环境中能有效模拟轻-中度活动下的个体热应激反应，为职业热暴露风险评估提供新工具。

　　

Highlight

人体热生理系统

人体热生理系统由被动系统（passive system）和主动系统（active system）构成。被动系统负责核心-皮肤-环境的热交换，而主动系统通过调控热动力学维持体温平衡。

体温变化取决于组织储热速率，核心与皮肤温度通过分层热平衡方程计算：

dT_cr/dt · m_crc_cr = S_cr = (M ? W ? C_res ? E_res ? K ? B)A_Du

dT_sk/dt · m_skc_sk = S

气候舱实验

为模拟高温环境，搭建了尺寸8m×7m×3m的气候舱（图1a）。实验在夏季7-8月进行，室外气候波动小，确保环境稳定性。

模型验证与结果

通过对比受试者实测数据验证模型。选择核心温度（T_cr）和皮肤温度（T_sk）作为关键指标，采用均方根偏差（RMSD）和最大差值评估预测精度。

讨论

实验中，水分流失率通过受试者裸重变化推算，包含出汗和呼吸水分损失。模型改进后纳入呼吸水损失计算。分析发现高温引起的代谢升高未充分反映在预测核心温度中，可能与皮肤血流调节参数个体差异有关。

结论

基于Gagge模型改进的双节点热模型能有效预测高温环境下的体温响应，尤其优化了服装系统参数和温度调定点设置。模型验证显示对皮肤和核心温度的预测误差分别控制在0.6°C和0.3°C内，为个体化热应激评估奠定基础。