迈向低碳建筑：受自然界启发的内部结构用于轻质混凝土构件的隔热效果，这些构件采用3D打印模板进行浇筑

《Energy and Buildings》：Towards low-carbon construction: Nature-inspired internal patterns for thermal insulation in lightweight concrete component cast using 3D-printed formwork

婴儿体温调节模型及环境因素影响研究。

　　

作者：朱江 | 李兰 | 李军

上海交通大学设计学院建筑系，中国上海200240

摘要

婴儿容易受到温度波动的影响，因此需要了解他们的体温调节反应，以降低低体温、热应激和婴儿猝死综合症（SIDS）等风险。本研究开发了一个计算体温调节模型，用于预测在不同环境温度（18–28°C）和覆盖条件（被子厚度：0.5–4.0厘米；覆盖方式：宽松型-C1和紧密型-C2）下较大婴儿的体温分布。使用先进的3D建模技术构建了真实的身体几何模型，结合了婴儿特定的解剖和生理特征。模型同时模拟了组织和器官之间的被动热传递以及主动的体温调节反应。该模型在中性温度（23°C）、低温骤变（15–25–15°C）和高温骤变（25–35–25°C）条件下的实验数据和皮肤温度进行了验证，预测精度很高，均方根误差（RMSD）低于1.4°C。模拟结果显示，环境温度和被子厚度与体温之间存在强烈的线性关系：环境温度每升高1°C，平均皮肤温度升高约0.1–0.2°C；被子厚度每增加1厘米，皮肤温度升高0.1–0.3°C。值得注意的是，紧密型覆盖（C2）显著提高了四肢温度，并减少了四肢与躯干的温差。为了减少由于皮肤温度不均匀造成的局部寒冷不适，建议在婴儿保暖时使用更紧密的覆盖物。这些发现为生理分析提供了一个无风险的工具，建立了环境参数、覆盖物参数与体温之间的定量关系，有助于制定基于证据的婴儿保暖策略。

引言

频繁的极端天气和气候事件对人类健康和舒适度构成了日益严重的挑战[1]。高温通常会导致中暑、睡眠障碍和生产力下降等健康问题，而长期暴露在寒冷环境中则可能导致低体温、呼吸道感染和免疫功能受损。在所有人群中，婴儿由于体温调节系统未发育完全以及适应环境变化的能力有限，因此特别脆弱。他们相对较高的表面积与质量比使得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。尽管对婴儿的保暖至关重要，但目前对他们在环境条件下的生理反应了解仍然有限。照顾者在调整婴儿的衣物或床上用品时往往依赖直觉或误解，尤其是在冬季，这可能导致过度包裹，从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了解婴儿与热环境之间相互作用的重要性，以便指导适当的环境控制和覆盖物的合理使用。

多项生理学研究调查了婴儿体温状态与环境条件之间的关系。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性能[3]、[4]、[5]。然而，伦理限制使得实验方案仅限于在温和的温度条件下进行短期暴露，因此研究结果仅适用于有限的情况。婴儿形状的热模型及其数字形式（CFD模拟）可以在没有伦理问题的情况下解决复杂热环境（如保温箱、卧室）中的热量和质量传递问题[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没有包括体温调节反馈机制，无法像真实婴儿那样对外部环境作出反应，因此仅适用于在固定条件下的比较评估。

为了解决这一不足，人们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（例如圆柱形或球形部分）或解剖学上精确的形状来表示人体，并依赖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，其中体温信号驱动诸如血管扩张、血管收缩、代谢产热、出汗和发抖等调节反应。Stolwijk和Hardy在20世纪70年代提出了一个基础模型，将身体划分为六个区域，每个区域包含多个层次（核心、肌肉、脂肪、皮肤）[10]。此后，体温调节模型不断发展，纳入了更多的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（如MRI、CT）的进步，现代模型提供了更高的解剖学逼真度和更准确的预测能力[13]。

到目前为止，大多数体温调节模型都是为成人设计的，无法用于预测婴儿的体温反应，因为他们的生理和解剖结构存在差异。例如，婴儿的表面积与质量比是成人的3到4倍，皮肤层更薄，皮下脂肪更厚，单位面积的热量损失率也显著更高。在早产儿中，出生后的头几周内，出汗和发抖等体温调节机制通常不存在[14]。

只有少数模型是专门为婴儿设计的。Ying等人[14]提出了一个基于Gagge两节点模型和Stolwijk多节点模型的模型，该模型排除了出汗和发抖现象，以反映新生儿的生理特点。Pereira等人[15]建立了一个更详细的新生儿多节点模型，将棕色脂肪组织作为代谢热的主要来源。Silva等人[16]使用有限元方法从MRI扫描数据中开发了一个三维模型。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，对较大婴儿（例如6–12个月大的婴儿）的关注较少。这种忽视是重要的，因为较大婴儿的体型和体温调节能力与新生儿有显著差异。随着婴儿的成长，他们的解剖比例会发生变化，生理机制也开始类似于成人。这些发育转变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。使用有限元方法开发了一个代表较大婴儿的三维多段体温调节模型。通过将模拟的皮肤温度和核心温度与文献中报告的实验数据进行比较来验证模型。为了进一步探索环境和覆盖因素的交互效应，进行了五种环境温度（18–28°C）、五种被子厚度（0.5–4.0厘米）和两种覆盖方式（宽松型和紧密型）下的模拟。这项工作为系统的、可重复的生理分析提供了一个可靠的工具，而不会使婴儿面临风险。这些发现有望为设计适合婴儿的环境和保暖策略提供依据，从而改善他们的健康、安全和舒适度。

几何模型

几何模型

人体模型是根据一个婴儿热模型的表面扫描数据创建的（Thermetrics，美国华盛顿州），该模型模拟了一个9个月大的婴儿，身高为73厘米，表面积为0.43平方米。模型被划分为七个身体部分，即头部、胸部、腹部、左臂和右臂以及左腿和右腿。每个部分由同心层的解剖结构组成，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在颈动脉、二头肌、腹部、下背部、大腿后部和鼓膜（核心）处的模拟温度和测量温度。模拟数据是在10分钟暴露期结束时提取的，这与实验方案一致。比较结果显示，在热中性条件下，模型预测值与实验值之间有很好的一致性，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，婴儿研究面临伦理挑战[15]。在非中性或瞬态条件下持续监测体温反应的情况很少见，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、基于风险的保护措施、家长的知情同意以及遵守国家法规[34]。在本研究中，我们尝试使用已发表的数据进行模型验证；然而，数据收集

局限性

本研究存在几个局限性，需要加以说明：

(1)

主动体温调节机制的建立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，因此使用报告的器官和组织厚度以及分层建模方法构建了模型几何结构。这些因素可能会影响预测体温反应的准确性

结论

本研究开发了一个多段体温调节模型，用于预测较大婴儿在瞬态环境条件下的体温反应。系统地分析了环境温度和覆盖配置对婴儿皮肤温度分布的影响。

验证结果表明，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°C以内。

作者贡献声明

朱江：撰写——初稿、验证、方法学、正式分析。李兰：监督、方法学。李军：撰写——审稿与编辑、资源获取、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

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基金（项目编号：21130750100）的财政支持。