呼吸暖体假人的设计研发及应用展望*

西安建筑科技大学 刘雅琳 范彦超 刘 硕 王 怡

奥尔堡大学 Peter V. Nielsen

清华大学 刘 荔△

0 引言

近十多年来，多次暴发的呼吸道传染病反复说明了研究人体呼出气溶胶、控制呼吸道传染病的重要性。尤其是目前仍在世界各地肆虐的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)，对全球的生产、生活、经济等造成了难以估量的损失。据统计，每年有多达400万人死于呼吸系统疾病，占全世界死亡比例的7%[1-3]。感染者在呼吸、说话、咳嗽及打喷嚏的过程中会产生大量可能携带病原体的飞沫，其蒸发后形成的飞沫核随着呼出气流被易感者吸入，引起人际之间传播[4-5]。由于飞沫或飞沫核粒径不同，被易感者吸入后深入至呼吸道内引起的健康效应不同，结合不同病原体的传播特性，利用剂量-反应研究飞沫或飞沫核在呼吸道内不同位置的暴露水平对易感者感染风险的评价具有重要意义。

人体周围的微环境对致病飞沫在人体的暴露具有重要影响[6]。由于人体表面与周围环境存在温差，导致身体加热并带动周围空气向上运动，形成包围人体的对流边界层(热羽流)，气流最大上升速度为0.25 m/s[7]。此外，人体不同呼吸活动下呼出气流速度(正常呼吸1～2 m/s[8-9]，说话3～5 m/s[10-11]，咳嗽6～22 m/s[10-13]，打喷嚏30～100 m/s[14-15])大于身体边界层内气流上升速度，进而通过改变呼吸区流场特性而改变飞沫或飞沫核的传播路径。由于小粒径飞沫核的空气跟随性较高，极易受各种微弱气流的影响。因此，研究人体吸入暴露水平，必须考虑人体代谢散热所形成的热羽流及人体呼吸气流的作用。Topp[16]、Zukowska[17]、Liu[18]、Vianello[19]等人分别利用不具备呼吸道结构的呼吸暖体假人量化预测了人体的吸入暴露，但是无法获得呼吸系统内致病部位的有效剂量。Finlay[20]、Phuong[21]等人利用体外呼吸道模型试验得到了呼吸道内流场及颗粒物沉积预测模型，但忽略了人体代谢散热对个体吸入暴露的影响。然而人体释放代谢热所形成的热羽流对人体呼吸区致病飞沫暴露影响的量化关系尚未可知。

基于上述存在问题，笔者研发了一种新型呼吸暖体假人，可模拟站姿和坐姿状态下的人体不同代谢水平及呼吸特征，复现人体热羽流和呼吸气流共同作用下的人体微环境，为人体呼吸道暴露剂量的健康效应评估、剂量-健康效应关系的确定提供有效的实验工具。

1 呼吸暖体假人研发

1.1 模拟人体散热系统设计

1.1.1 假人几何特征

已有学者通过实验和计算流体力学的方法研究人体模型的几何特征对人体微环境速度场、温度场和浓度场的影响。Brohus等人发现人体双腿对人体周围的污染物分布具有显著影响[22]；Yan等人发现与三维扫描人体模型模拟结果相比，面部特征简化程度不同的模型其呼吸区流场和污染物浓度场存在差异，且在人体热羽流影响下，该差异被放大[23]。因此为营造更加真实的人体热环境，笔者设计的呼吸暖体假人基于Bjørn关于假人外形特征[24]的相关介绍进行改造，设计而成的假人体内空间为封闭连通结构，保证内部气流循环及多种呼吸道模型的替换，其身高1.68 m，表面积1.5 m2，制作完成的暖体假人如图1所示。

图1 暖体假人实物图

1.1.2 人体代谢

代谢水平取决于人体活动状态，与人体散热量呈正比关系。人体新陈代谢的能量主要用于做功、人体与环境之间的对流和辐射换热、汗液蒸发和呼出水蒸气带走的热量。后两部分是人体热量散失的主要途径，可概括为显热散热和潜热散热，显热散热约占总新陈代谢产热量的75%，潜热散热约占总新陈代谢产热量的25%[25]。参照文献[26]给出的人员在部分活动状态下的代谢率，可得到不同活动状态下人体显热、潜热散热量，见表1。

表1 不同活动状态下人体显热、潜热散热量[26]

由于本文针对干态呼吸暖体假人进行研究，故忽略人体的潜热散热量，仅考虑通过皮肤显热方式散失的热量。因此体表热负荷仅包括对流和辐射两部分，即呼吸暖体假人发热系统所需输出的功率为对流换热量和辐射换热量之和。

1.1.3 加热系统

暖体假人发热控制通常有恒皮温、恒热流、热舒适3种模式[27]。由ISO对热量控制模式的描述可知，3种控制模式适用环境不同[28]。其中，恒热流模式根据人体代谢水平确定假人的输入功率，在保证材料散热性能良好的前提下可短时间内实现人体与环境之间的热平衡，在多种气候环境下其热量调节方式最接近真实情况，因此假人的加热系统采用恒热流的控制方式设计。考虑假人内部的复杂结构、表面散热量，加热元件的功率密度、工作温度等因素，假人加热系统的加热元件选择一种柔性材料，其功率密度接近8 W/cm2，质量轻、厚度薄、发热快，在假人体内多点布置，可短时间内实现假人与环境之间的热平衡。

通过交流可调电源控制功率分配器，控制假人内部各个加热元件的发热量，同时假人体内安装无级变速风扇，加强腔体内部气流循环，保证腔体内部的热量流动。根据表1不同活动状态下计算得到体表热负荷，作为假人发热系统输出功率的依据。通过调节输出功率，可模拟不同活动状态下人体的散热特性。

1.2 呼吸模拟系统设计

呼吸是人体重要的生理过程，吸入暴露研究中，呼吸气流的影响不可忽略。描述呼吸的参数主要有分钟通气量(minute volume，MV)、呼吸频率(breathing frequency，BF)和呼气容量(tidal volume，TV)[12]，这些参数因受性别、年龄、身高、体质量、活动水平等因素的影响，个体差异较大，而针对不同对象、不同活动水平的实验研究中，具备能准确模拟不同呼吸参数、呼吸曲线的呼吸模拟装置，对于提高实验结果的准确度至关重要。

数值研究中，呼吸曲线多采用正弦或近似正弦形式[28-30]。Gupta等人通过采用呼吸流速计对志愿者呼吸状态进行测量，发现志愿者真实呼吸曲线与正弦曲线类似，虽然吸气和呼气时间并非完全一致，但是非常接近[29]。基于前人的研究，自主研发可模拟真实人体呼吸过程的呼吸装置和控制方法，模拟人体呼气和吸气过程，可输出正弦呼吸曲线，实现对呼吸频率和呼吸容量的精确调节，在确定呼吸区污染物浓度及吸入暴露水平研究中可发挥重要作用。

1.2.1 呼吸模拟装置

呼吸模拟装置运用微控制器及脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)技术，控制气泵调速及电磁阀的切换来实现人体的呼吸过程，其控制调节精度高、稳定性好、响应快。呼吸模拟装置的结构连接示意图见图2。

图2 呼吸模拟装置的结构连接示意图

基于上述思路设计而成的呼吸模拟装置实物如图3所示，其硬件核心包括微控制器、活塞式无油真空泵、电磁阀等。采用参数及状态可视化的交互方式，准确直观地调节呼吸量、呼吸频率及呼吸的启停。采用活塞式无油真空泵模拟人体的肺部提供气源，真空泵工作时依靠活塞在气缸内的往复作用使缸内容积反复变化，实现抽气和排气过程分别对应人体吸气和呼气2种状态，通过与电磁阀之间的动作配合，可同时提供2路呼吸状态相反的气流输出。单次呼气或吸气过程中，流量变化通过微控制单元(microcontroller unit，MCU)输出PWM调速信号调节无油真空泵的电动机转速来实现。该呼吸模拟装置可为2个假人提供异步呼吸。

图3 呼吸模拟装置实物图

采用TSI4000对呼吸模拟装置吸气和呼气出口的流量变化曲线进行测量，其1 min内的吸气过程流量随时间变化曲线如图4所示，对流量-时间曲线进行积分，从而量化真空泵电动机转速与流量之间的函数关系。根据该关系，调试电动机的驱动程序，满足呼吸频率及电动机转速的要求，进而达到设定工况下呼吸频率和呼吸流量的要求。

图4 吸气过程流量曲线(分钟通气量为17 L/min,呼吸频率为10次/min,测试1 min)

从图4可以看出：呼吸模拟装置的运行结果与设定值一致；对呼吸曲线获得的峰值流量进行积分，算得呼吸模拟装置的分钟通气量，与设定值相符，满足模拟人体真实呼吸的过程。最终的呼吸模拟装置可实现呼吸频率的调节范围为10～20次/min，分钟呼气量的调节范围为6～20 L/min。

1.2.2 呼吸道模型

人体吸入的气溶胶污染物，引起人体呼吸系统健康效应的危害程度，取决于呼吸道内致病部位的实际暴露剂量。因此，研究者基于真实人体的呼吸道形态学数据在体外构建呼吸道模型，已成为吸入暴露研究的主流。Grgic等人通过计算机断层扫描(computed tomography，CT)、磁共振成像(nuclear magnetic reasonance imaging，MRI)和活体直接观察等手段，获得真实人体呼吸道数据，建立了胸外呼吸道的几何模型[31]。该模型基于已有文献信息，对嘴巴开口尺寸、口腔过渡角度、咽喉部位详细模型等参数进行合理设计，并参考了Alberta医学院呼吸系统健康的病人(10人)CT扫描数据及对健康志愿者(5人)观察数据，建立可代表“平均人”的胸外呼吸道模型(口-咽-喉)。采用该模型与Weibel模型前五级进行组合，并对口部做出了一定的修改，使之与假人紧密贴合，形成了新的“理想呼吸道模型”，如图5所示。该组合呼吸道模型利用计算机三维建模后，采用3D打印技术分级打印并嵌入暖体假人体内。

图5 理想呼吸道模型

2 呼吸暖体假人微环境研究

人体微环境指人体在不同的室内环境下，通过辐射换热、潜热对流换热及显热对流换热3种方式，在人体周围形成具有一定特点的速度场、温度场、浓度场[23]。许多研究已经证明，人体吸入的空气约有2/3来自人体微环境区域[32]，因此若该区域空气受到污染，则会严重影响人体吸入空气的品质。

影响人体微环境的2个重要因素是体表温度和热流密度。因此，本文基于呼吸暖体假人开展体表温度及热流密度(传热系数)的实验研究，与真人及文献数据进行对比，验证自主研发呼吸暖体假人模拟人体散热特性的合理性；并对身体边界层速度分布及呼吸暖体假人在不同呼吸强度下呼出气流轨迹进行测量分析。

2.1 表面温度和传热系数的分布

假人处于站立状态、环境温度为21 ℃、代谢率为1.2 met、对应假人散热量为100 W时，采用K型标准化热电偶，使用TL-1010S低温恒温循环水槽对热电偶进行标定，结合Agilent 34970A数据采集仪，对假人表面8个典型位置处温度进行测量，得到开启假人加热系统后180 min内的温度变化数据，如图6所示。

图6 暖体假人表面局部位置温度变化曲线

由图6可知，开启加热系统后，前40 min假人表面温度迅速升高，加热至60 min时，假人表面温度趋于稳定，整体温度波动范围较小，整体温差小于2 ℃，各测点温度处于29.1～31.1 ℃范围内，稍低于真实人体在站立姿态、无衣着、处于21 ℃的环境中时的人体表面温度(32 ℃)。这与徐春雯的研究结论一致，即当人体与假人散热量相等时，假人身体温度要稍低[33]。

人体与周围环境之间的换热量除了受温差的影响外，传热系数起决定性作用。本文采用LR8432-30热流数据采集仪对假人表面9个典型位置的表面热流密度展开实验测量，可获得假人不同身体部位的热流密度。根据测得的平均辐射温度和体表温度，通过ASHRAE规定的人体辐射换热系数计算公式[34]可求得人体不同位置处的辐射换热系数，按照各分区面积进行加权平均，可求得总的辐射换热系数，其结果如表2所示。

表2 站姿假人9个分区和整体辐射换热系数hr W/(m2·K)

由于人体皮肤与周围环境之间的显热损失(Q)由对流热损失(C)和辐射热损失(R)组成，可表示为传热系数和对应温差的乘积。

Q=C+R=hc(tsk-ta)+hr(tsk-tr)

(1)

式中Q为人体与周围环境之间的显热损失，W/m2；C为人体与周围环境之间的对流热损失，W/m2；R为人体与周围环境之间的辐射热损失，W/m2；hc为对流换热系数，W/(m2·K)；tsk为人体皮肤表面温度，℃；ta为环境空气温度，℃；hr为辐射换热系数，W/(m2·K)；tr为平均辐射温度，℃。

由于室内无其他热源时，平均辐射温度可近似为空气温度[35]，可得到：

(2)

其中

(3)

式(2)、(3)中h为总传热系数，W/(m2·K)；εp为人体表面的平均发射率；σ为黑体辐射常数，5.7×10-8W/(m2·K4)；Aeff为人体有效辐射面积与裸体表面积(DuBois)之比[35]；tcl为着装人体外表面平均温度，℃。

因此，对流传热系数hc可由总传热系数h减去辐射换热系数hr获得。假人身体9个测量部位及整体加权平均对流换热系数见表3。

由表2和3可知，假人整体加权平均辐射换热系数、对流换热系数分别为4.24、3.63 W/(m2·K)，de Dear等人风洞实验中获得人体的平均辐射系数、对流换热系数分别4.5、3.4 W/(m2·K)[36]，二者差异均小于6%，表明自主研发的暖体假人可以很好地模拟真实人体的散热特性。

表3 站姿假人9个分区和整体对换热系数hc W/(m2·K)

2.2 暖体假人微环境场速度分布

在距假人表面3、5 cm处，采用SWEMA 03+全向微风速仪测量人体站立状态、代谢率为1.2 met时沿高度方向的速度，如图7所示。

图7 距人体表面3、5 cm位置沿高度方向身体边界层速度分布

由图7可知，胸部以下位置随着高度的增加身体边界层速度迅速增加，在脖颈附近存在一个速度较低的区域，速度的衰减是由于下巴所形成的物理障碍造成的。在下巴位置，向上运动的气流被分为两部分：一部分上升气流沿头部继续向上运动；另一部分气流受到阻碍，在脖颈处形成了一个小的涡旋，导致该区域的速度较低。在环境温度为21 ℃的条件下，测得速度最大值出现在胸部位置，约为0.22 m/s。对比距离假人表面3 cm和5 cm处的测量结果可知，随着距人体表面距离的增大，由于受上升气流影响减弱，速度整体呈现减小的趋势。

呼吸区的速度分布受多种因素的影响，由于在大多数室内环境中，呼出气流速度大于室内空气平均风速，因此，了解呼出气流对呼吸微环境流场特性的影响，有助于个人暴露控制和污染物传播的研究。为了提高对呼吸微环境气流分布的理解，本文沿嘴巴中心线，测量2种呼吸强度下(10 L/min和14 L/min)垂直于面部的速度分布情况，测点布置如图8所示，呼吸区速度采用SWEMA 03+全向微风速仪测量，响应时间精度为0.2 s，持续测量5 min，取置信区间为95%的平均值作为该测点的速度值。测量数据分析结果如图9所示。

图8 呼吸区速度测量测点布置

图9 呼吸区等速度云图

从云图对比结果来看，随着呼吸强度的增大，呼出气流的最大速度从0.44 m/s增至0.57 m/s，且从云图中白色线条所处位置可以看出，呼出气流的影响范围随之增大，且呼出气流的运动轨迹呈现出沿水平面向下发展的趋势，这是由上呼吸道模型的口腔结构所致，与真实人体的呼出气流具有相同的发展趋势。

3 结语

根据Bjørn[24]和Brokus等人[22]所提暖体假人形体特征，制作标准人体模型，可实现站姿和坐姿2种状态，并通过功率控制器控制发热膜片的发热量以实现发热模拟；通过内嵌包含口咽模型和Weibel 0～4级模型制作了分级人体呼吸道模型，还原了人体呼吸系统内几何构造；采用真空泵、电磁阀及电子控制系统，完成可调节呼吸频率和呼吸量的呼吸模拟装置，可输出接近真实人体呼吸特征的呼吸曲线，通过调节呼吸参数，可模拟人体不同活动状态下的呼吸特征。新研制的呼吸暖体假人首次实现暖体假人与呼吸道模型的结合，模拟多种活动状态下的人体代谢水平及呼吸特征，可真实地模拟人体热羽流和呼吸气流共同作用下的人体微环境。

本文提出的呼吸暖体假人可代替在室人员，分级测量人体吸入污染物至呼吸道局部位置的暴露剂量，有效评估污染环境中人体吸入暴露水平。呼吸系统传染病大暴发的背景下，利用呼吸暖体假人测量医护人员气溶胶吸入剂量，研究医患交叉感染机理，确定交叉感染风险，为实现医院环境局部空间环境设计方法提供依据，科学发展呼吸暖体假人对营造健康、舒适的医院环境具有重要意义。此外，呼吸暖体假人也可应用于工业环境中作业人员患职业呼吸道疾病的研究、服装行业服装热阻的测定等研究领域中，应用前景非常广阔。