体温调节系统的仿真与建模

第四章体温调节系统的仿真与建模,主要内容,4.1体温调节系统的生理机制4.2体温控制系统的简化模型4.3体温控制系统的热交换模型及仿真4.4热分布的组分模型,4.1体温调节系统的生理机制,4.1体温调节系统的生理机制,一、体温（一）体核温度和体表温度（二）体温的正常变动二、体热平衡（一）产热（二）散热三、体温调节（一）温度感受器（二）体温调节中枢（三）体温调定点学说,一、体温,变温动物恒温动物（一）体核温度和体表温度,体核温度,体核温度指心、肺、脑、腹腔内脏等机体深部组织的平均温度，比较稳定，平均为37.5，昼夜变化幅度在0.6之内。,由于体内各器官的代谢水平不同，它们的温度略有差别。由于血液的不断循环，深部各器官的温度会经常趋于一致，因此体核血液的温度可以代表内脏器官温度的平均值。,因为体核温度及体核血液温度不易测试，临床上通常用腋窝温度、口腔温度和直肠温度来代表体温。直肠温度：36.937.9口腔温度：36.737.7腋窝温度：36.037.4,体表温度,体表温度是指人体外周组织即表层的温度，包括皮肤、皮下组织和肌肉等部位的温度。皮肤温度受环境和衣着等情况的影响，波动的幅度较大，体表各部位皮肤的温度差也大。,体表温度,较冷的环境炎热的环境,（二）体温的正常变动,恒温动物的体温是相对稳定的，但并不是一成不变的。在生理情况下，体温受昼夜、年龄、性别等因素的影响而有所变化，但变化幅度小，一般不超过1。,1.昼夜节律,在一昼夜之间，体温呈周期性波动，清晨6时最低，午后6时最高，波动幅度正常不超过1，这种昼夜的周期性波动称为昼夜节律。,2.性别,成年女子的体温平均比男子高约0.3。女子的基础体温随生理周期而发生变动，在月经期和月经后的前半期较低，排卵日最低，排卵后体温升高。,3.年龄,儿童的体温较高老年人的体温较低,4.其他,肌肉活动时代谢增强导致产热量增加，体温升高，此外情绪激动、精神紧张、进食及甲状腺激素增多等因素都会使体温升高，而在应用麻醉药及甲状腺激素减少等情况下，体温往往会下降。,4.1体温调节系统的生理机制,一、体温（一）体核温度和体表温度（二）体温的正常变动二、体热平衡（一）产热（二）散热三、体温调节（一）温度感受器（二）体温调节中枢（三）体温调定点学说,二、体热平衡,正常体温的相对稳定能够得以维持，是在体温调控机制的控制下，产热和散热过程处于动态的平衡。,（一）产热,机体热量的产生是伴随着代谢过程而产生的，因此肌肉运动、精神活动、食物的特殊动力效应、激素作用以及交感神经活动等可引起机体代谢增强的因素都能引起机体产热量增加。肝脏和骨骼肌是人体主要的产热器官。,几种组织、器官的产热量比较,人在寒冷环境中主要依靠战栗来增加产热量。除战栗产热外，机体热量的另一重要来源是褐色脂肪组织。,机体的产热活动受神经、体液等多因素的调节。体液因素：肾上腺素和去甲肾上腺素：可刺激产热，作用迅速，持续时间短；甲状腺激素：作用缓慢但持久。,神经因素：寒冷刺激可使交感神经产生兴奋，一方面使肾上腺素和去甲肾上腺素释放增多，增加产热；另一方面增加褐色脂肪组织的产热量。,（二）散热,机体热量的散失取决于以下两个因素：1.热量由体核传导到体表的速度；2.热量由皮肤散失到周围环境中的速度。,1.热量由体核向体表的转移,虽然皮肤温度可以接近环境温度，但体核温度始终是相对恒定的，皮下的隔热系统对于维持此恒定体温起着非常有效的作用。皮肤、皮下组织尤其是皮下脂肪组织是机体热的绝缘体。皮下有丰富的血管分布，皮肤血流量是决定热量由体核传导至体表的一个非常重要的因素。,2.散热,人体主要的散热部位是皮肤，当环境温度低于体表温度时，大部分体热通过皮肤以辐射、传导和对流等方式散失到周围环境中，小部分体热随呼出气、尿、粪等排泄物散失。,（1）辐射,辐射是人体以红外线的形式将热量转移给邻近物体的一种散热方式。当机体处于寒冷环境中时，大部分热量以辐射的形式散失掉。所有温度在冰点以上的物体都可以发出这种射线，只是在机体温度高于周围环境时，机体辐射的热量多于机体所接受的来自外界的辐射热量。,（1）辐射,机体辐射热量的多少主要取决于皮肤与周围环境的温度差，其次取决于皮肤的散热面积。,（2）传导,传导是温度不同的两物体表面相互接触时发生的热交换，热传导的效率取决于两物体间的温度差和物体的导热性能。坐椅、床：热的不良导体水：导热性较好,（3）对流,对流是指通过气体流动来交换热量的一种散热方式。是人体首先通过传导将热量传递给同皮肤接触的空气，然后由于空气流动而将热量带走。对流散热量的多少，受风速的影响，风速大，散热量多，风速小则散热量少。,辐射、传导和对流散失的热量取决于皮肤与环境之间的温度差，而皮肤温度受皮肤血流量的控制。机体的体温调节机构正是通过交感神经控制皮肤血管的口径从而调节皮肤的血流量。,以上几种散热方式对体温的调节是在皮肤温度高于环境温度的前提下实现的，当环境温度高于或接近皮肤温度时，皮肤不仅不能散热，反而以辐射和传导的方式从周围环境中获得热量。此时蒸发散热便成了唯一有效的散热方式。,（4）蒸发散热,蒸发散热是机体通过水分的蒸发来散失热量的一种方式。皮肤每蒸发1g水可带走大约0.6kcal的热量。体表面积、皮肤温度、气温、空气流动不感蒸发发汗,不感蒸发,机体每刻都有一定量的水分通过皮肤及口腔、呼吸道蒸发掉而不为人们所觉察，这种水分蒸发叫不感蒸发。在活动或运动状态下，不感蒸发可以增加；婴幼儿不感蒸发的速率比成人高。,发汗,发汗是汗腺主动分泌汗液的过程，因为是可以感觉到的，又称可感蒸发。汗液蒸发可以有效地带走热量。当汗腺分泌活动增强以后，发汗量的多少取决于环境湿度，环境湿度大，汗液不易蒸发。,在环境温度为21时人体几种散热方式散热量的比较,4.1体温调节系统的生理机制,一、体温（一）体核温度和体表温度（二）体温的正常变动二、体热平衡（一）产热（二）散热三、体温调节（一）温度感受器（二）体温调节中枢（三）体温调定点学说,三、体温调节,自主性体温调节行为性体温调节：机体在感受到内外环境温度变化时，通过改变姿势和行为，以维持体温恒定的一种方式。,增减皮肤血流量,汗腺分泌,肌肉寒颤,激素分泌,（一）温度感受器,外周温度感受器中枢温度感受器,1.外周温度感受器,存在于人体皮肤、粘膜和内脏中，是对温度敏感的神经末梢，包括冷觉感受器和温觉感受器。皮肤中冷觉感受器的数目远远高于热觉感受器，大约是其10倍之多，因此外周感受器主要是对冷感觉敏感。,2.中枢温度感受器,主要分布于脊髓、延髓、脑干以及下丘脑内，是对温度变化敏感的神经元。其中当局部组织温度升高时冲动发放频率增加的神经元称为热敏神经元，而当局部组织温度降低时冲动发放频率增加的神经元称为冷敏神经元。,（二）体温调节中枢,多种恒温动物脑的分段切除实验表明，只要保持下丘脑及其以下的神经结构完整，动物即使在行为方面有些欠缺，但仍具有维持体温相对恒定的能力。如进一步破坏下丘脑，则动物不再能维持体温的恒定，这说明体温调节的中枢位于下丘脑。,当外界环境温度变化时，温度信息的传入：皮肤温度感受器的刺激，将温度变化的信息沿躯体传入神经经脊髓到达下丘脑的体温调节中枢；通过血液引起机体深部组织温度改变，直接作用于下丘脑前部；脊髓和下丘脑以外的中枢温度感受器将温度信息传送给下丘脑前部。,下丘脑前部和中枢其他部位对信息进行整合，发出传出指令:通过交感神经系统调节皮肤血管舒缩反应和汗腺分泌；通过躯体神经改变骨骼肌的活动如战栗等；通过甲状腺激素、肾上腺素、去甲肾上腺素等分泌活动的改变调节机体的代谢率。通过上述复杂的调节过程，使机体温度在外界环境改变时仍能维持相对稳定。,（三）体温调定点学说,体温的调节类似恒温器的调节，它的调定点乃预先定在某一数值（如37.5）。如果体温偏离此调定数值，则由反馈系统的调整使体温维持恒定。还认为体温调定点的水平是可变的。体核温度是相对稳定的，即使机体的产热和散热率发生较大幅度的波动，体核温度也能维持在37左右。,4.2体温控制系统的简化模型,为了表征和研究体温控制系统的特性和规律，建立的一个高度简化黑箱模型。这一黑箱模型是以负反馈为基本特征的闭环控制系统，其基本框图如下。,当下丘脑温度偏离调定温度时，所导致的调温反应与这两个温度之差成正比，其比例系数为k。即存在：R0为当Ty=Ts时的基础体温调节活动；k为对应于调温反应的比例常数。该式所表示的体温控制规律亦称之为控制系统定律。在式中，R和Ty为系统的因变量和自变量，而R0、k和Ts则为系统常数，是表征系统特征量。,那么，当系统处于不同状态的时候，这些特征量是否也随之改变呢？例如，当进行剧烈运动和睡眠时，人体的调定温度是否一样？此时的调温比例系数是否改变？,Hammel等人在1963年做了如下实验，他们为静息清醒状态的狗测定其在不同室温下的代谢率，所得结果如图所示：对于不同外界温度，其下丘脑温度和代谢率的关系基本为斜率不变的直线，而对应于不同的环境条件，这一直线与基础代谢水平的交点不同。这一实验结果说明，当外界条件变化时，体温控制的调定点也在相应改变。,对运动状态下的狗进行实验对非睡眠和睡眠状态的狗的体温进行观测,因此，对于各种不同的状态与外界环境的变化，体温控制定律中的调定温度具有不同的调定值，而其调温反应的比例系数则基本保持不变。,4.3体温控制系统的热交换模型及仿真,对于体温调节来说，体温恒定是仅对体核而言的，即身体的核心部分，包括体内深部组织和内脏，这部分的温度基本维持不变。而体表的温度变化的幅度较大，一方面是受外界环境温度的影响，另一方面也随着皮肤表面的散热状况而改变。,在这内外两层之间为肌肉和脂肪组织，这些组织既有产热的作用，又有在内外两层间传导热量的作用。为了研究热量在体内产生、传导、分布和散发的过程，将人体视为有三个不同层次的同心圆柱体。,用等效电路来表示体内外热交换模型。其中电压代表温度，电流代表热流，电导代表热导，电容代表热容量，电流源代表热源，而环境温度的作用由一个电压源来描述，记为Ta。电流源Hc代表体核的基础代谢，约占总代谢的75%，Hm代表肌肉中的基础代谢以及由运动和颤抖时所产生的热量，Hs则代表由皮肤表面蒸发到外环境的热量。,将这一模型加以简化，将中间层的作用归并到体核中去，得到一个两层模型。,中枢神经为保持体核温度的恒定进行的调节主要包括以下三个方面：汗腺分泌，用于调节蒸发散热量以及调节热源Hs；血管的舒张和收缩用于改变血流量以及调节热导Gv；代谢调节，用于改变产热量以及调节热源Hc。,体温的调节过程是由体核与体表反馈温度与原调定温度之差来激发的，而体表温度的反馈将存在一个由体表至中枢神经的传递函数G(s)。Winton等人定义这一传递函数具有下面的形式：,1970年Winton等人就采用了一种反馈控制下的热传导模型。,为了确定各个调节机制与控制变量之间的关系，Benzinger等人从实验上测定了这些函数关系，其结果如图：,综上所述，可见，体温调节系统为一个参数反馈的非线性系统，系统的方程可由下式给出：,仿真实验1,用模型考察外界环境温度突变时，皮肤温度的相应改变。假定一裸体受试者在一温和环境中（Ta=28C）体温达到平衡后，突然走进一高温(Ta=49C)或寒冷(Ta=13C)的环境中去，由上述模型仿真。,该模型预测出在炎热环境下(Ta=49C)的出汗蒸发而散失的热量约为229.9J/s，这一结果与Hardy和Stolwilk在环境温度为48C时所得的实验结果（229.9J/s）相一致。,仿真实验2,用模型考察潮湿对皮肤温度变化所起的作用。受试者还是由28C进入49C，只不过此时相对湿度RH=50%，而风速v=0，仿真结果如图所示。由图可见，在潮湿环境下，体表温度上升得较高，即使在略有下降后，又会呈上升趋势。该模型预测，在潮湿条件下和49C高温下，经过3h后，体核温度就可能上升到一个危险的境地，由模型仿真结果可预测3h后Tc=41.5C。,仿真实验3,用模型考察饮水对代谢率的影响。模拟对象在8min内饮入大量的冰，然后分别考察其在28C和22C下的代谢率变化情况。对于这两种不同环境温度，饮冰后的代谢率曲线由下图给出。,仿真实验3,由这一仿真结果可见，在温和环境，即28C，饮冰后代谢率将上升至196J/s，然后逐渐衰减到原来的水平，在凉爽环境下，即22C，饮冰后代谢率将大幅度上升至333.6J/s，然后也逐渐衰减到原始水平。,这些仿真结果和从实验中所得结果相吻合。仿真实验中还发现：当在凉爽环境下饮冰时，皮肤的温度会有瞬时性的降低，而在温和环境下饮冰时，皮肤的温度会有瞬时性的升高。这一现象亦由活体实验所证实。,仿真实验4,用模型考察运动状态下体表温度的变化情况。假定在某种运动状态下，代谢率上升至585.2J/s，同时还假定，在运动开始时，血流将由皮肤返回到运动肌肉中去，从而减少了肌肉组织的热导Gv，并且增加了对流散热的热导Ga。所得仿真结果如图所示。,采用建模仿真的方法对体温调节系统进行定量的模拟研究，不仅可以减少许多活体测试，还可以模拟一些极端条件和环境，例如宇宙飞行和低温麻醉等情况，能够运用模型对这些极端情况下的人体温度变化情况进行分析，并可以通过仿真实验预测各种可能的危险性。,4.4热分布的组分模型,热疗一直是一种广为人们所接受的物理疗