《Energy and Buildings》：What drives energy conservation in Zhejiang households? Quantifying economic dominance, policy, and social moderators in a TPB-KAP integrated framework
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婴儿热调节模型与三维有限元方法在环境温度及覆盖物厚度影响下的生理响应预测研究
作者：朱江、兰莉、李军
单位：上海交通大学设计学院建筑系，中国上海200240
引言
频繁的极端天气和气候事件对人类健康和热舒适度构成了日益严重的挑战[1]。高温天气常导致中暑、睡眠障碍和生产力下降等健康问题，而长时间处于寒冷环境中则可能引发体温过低、呼吸道感染和免疫功能下降。在所有人群中，婴儿由于体温调节系统尚未发育完全以及适应环境变化的能力有限，因此尤为脆弱。他们相对较高的表面积与体重比使他们更容易受到快速温度变化的影响，从而难以维持正常的体温。尽管对婴儿进行热保护至关重要，但目前对他们在不同环境条件下的生理反应了解仍然有限。看护者在为婴儿调整衣物或被褥时往往依赖直觉或错误观念，尤其是在冬季，这可能导致过度包裹，进而引发热应激甚至婴儿猝死综合症（SIDS）[2]。这些风险凸显了深入研究婴儿与热环境之间相互作用的重要性，以便为适当的环境控制和合理使用覆盖物提供依据。
多项生理学研究探讨了婴儿体温状态与环境条件之间的关系。研究人员通过侵入性或非侵入性技术测量了核心温度、皮肤温度、经皮水分流失和代谢产热等参数，以评估覆盖物或环境控制系统的效果[3][4][5]。然而，伦理限制使得实验仅能在温和的热条件下进行短期测试，因此研究结果仅适用于特定场景。婴儿体型热模型及其数字形式（如CFD模拟）可以在没有伦理问题的情况下，研究复杂热环境（如婴儿保温箱、卧室）中的热量和质量传递现象[6][7][8][9]。这些方法可以估算身体与周围环境之间的热流和热传递系数。然而，无论是物理模型还是数字模型都缺乏体温调节反馈机制，无法像真实婴儿那样对外部环境作出反应，因此仅适用于固定条件下的比较分析。
为填补这一空白，研究人员开发了体温调节模型来模拟动态的生理反应。这些模型通常使用简化的几何形状（如圆柱形或球形）或解剖学上精确的形态来表示人体，并依靠Pennes生物热方程来计算内部热传递。这些模型的核心原理是负反馈机制，即体温信号驱动血管扩张、收缩、代谢产热、出汗和颤抖等调节反应。Stolwijk和Hardy在20世纪70年代提出的基础模型将人体分为六个区域，每个区域包含多个层次（核心、肌肉、脂肪、皮肤）[10]。此后，体温调节模型逐渐加入了更多生理细节和环境因素，包括改进的血流模型、自适应设定点温度和详细的服装模型[1][11][12]。随着计算能力和医学成像技术（如MRI、CT）的进步，现代模型具有更高的解剖学准确性和预测能力[13]。
迄今为止，大多数体温调节模型都是为成人设计的，无法直接应用于预测婴儿的体温反应，因为婴儿在生理和解剖结构上与成人存在差异。例如，婴儿的表面积与体重比是成人的3到4倍，皮肤层更薄，皮下脂肪更厚，单位面积的散热率也显著更高。在早产儿中，出汗和颤抖等体温调节机制在出生后的头几周内通常还不存在[14]。
仅有少数模型是专门为婴儿设计的。Ying等人[14]基于Gagge两节点模型和Stolwijk多节点模型开发了一个模型，排除了出汗和颤抖现象以反映新生儿的生理特征。Pereira等人[15]建立了包含棕色脂肪组织作为代谢热主要来源的更详细的新生儿多节点模型。Silva等人[16]利用有限元方法基于MRI扫描数据开发了三维模型。尽管这些研究取得了进展，但它们主要关注新生儿和早产儿，对较大月龄（如6-12个月）的婴儿关注较少。这一忽视是重要的，因为较大月龄的婴儿在体型和体温调节能力上与新生儿存在显著差异。随着婴儿的成长，他们的解剖结构会发生变化，生理机制也开始向成人靠拢。这些发育变化需要特定的建模方法来反映他们的体温调节功能。
本研究旨在预测婴儿在不同热条件下的瞬态生理反应。我们使用有限元方法开发了一个代表较大月龄婴儿的三维多段体温调节模型，并通过将模拟得到的皮肤温度和核心温度与文献中的实验数据进行比较来进行模型验证。为了进一步探讨环境和覆盖物因素的交互作用，我们在五种环境温度（18-28°C）、五种被褥厚度（0.5-4.0厘米）以及两种覆盖方式（宽松和紧密覆盖）下进行了模拟。这项工作为系统、可重复的生理分析提供了可靠工具，同时避免了让婴儿面临风险。研究结果有望为设计适合婴儿的环境和热保护策略提供参考，从而提高他们的健康、安全和舒适度。
几何模型
几何模型
人体模型基于一个婴儿热模型的表面扫描数据创建（Thermetrics，美国华盛顿州），该模型模拟了一个9个月大的婴儿，身高73厘米，表面积为0.43平方米。模型分为七个部分：头部、胸部、腹部、左右手臂和左右腿部。每个部分由多个解剖层次组成，包括核心、骨骼、肌肉、脂肪和皮肤，以模拟不同深度的内部结构，如图1所示。
热中性条件
图3比较了E1和E2在热中性条件下的颈动脉、二头肌、腹部、下背部、大腿后侧和鼓膜（核心）的模拟温度与实际测量温度。模拟数据是在10分钟暴露期结束时获取的，符合实验方案。结果显示，在热中性条件下，模型预测值与实验值吻合度良好，大多数预测值都在实验标准差范围内，除了……
影响模型准确性的因素
由于婴儿的生理脆弱性，相关研究面临伦理挑战[15]。在非中性或瞬态条件下持续监测婴儿的生理反应较为罕见，因为在医疗环境之外收集健康婴儿的生理数据需要权衡风险与收益、采取基于风险的防护措施、获得家长同意并遵守国家法规[34]。在本研究中，我们尝试利用已发表的数据进行模型验证；然而，数据收集……
局限性
本研究存在以下局限性：
- (1)
模型的体温调节机制部分依赖于从成人模型推断出的生理关系或有限的婴儿数据。此外，由于缺乏公开可用的婴儿全身CT或MRI数据，模型几何结构是根据报告的器官和组织厚度通过分层建模方法构建的。这些因素可能会影响模型预测体温反应的准确性。
结论
本研究开发了一个适用于较大月龄婴儿的多段体温调节模型，用于预测他们在瞬态环境条件下的体温反应。研究系统分析了环境温度和覆盖物配置对婴儿皮肤温度分布的影响。验证结果显示，该模型在中性、寒冷和高温瞬态条件下的预测精度较高，核心温度和皮肤温度的均方根误差（RMSD）均在1.4℃以内。
作者贡献声明
朱江：撰写初稿、验证、方法学设计、数据分析。
兰莉：指导、方法学监督。
李军：撰写、审稿与编辑、资源协调、资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢中央高校基本科研业务费（项目编号：2232025G-08）和上海市科学技术委员会国际合作资金（项目编号：21130750100）的财政支持。
