呼吸暖體假人的設計研發及應用展望*

西安建筑科技大學 劉雅琳 范彥超 劉 碩 王 怡

奧爾堡大學 Peter V. Nielsen

清華大學 劉 荔△

0 引言

近十多年來，多次暴發的呼吸道傳染病反復說明了研究人體呼出氣溶膠、控制呼吸道傳染病的重要性。尤其是目前仍在世界各地肆虐的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)，對全球的生產、生活、經濟等造成了難以估量的損失。據統計，每年有多達400萬人死于呼吸系統疾病，占全世界死亡比例的7%[1-3]。感染者在呼吸、說話、咳嗽及打噴嚏的過程中會產生大量可能攜帶病原體的飛沫，其蒸發后形成的飛沫核隨著呼出氣流被易感者吸入，引起人際之間傳播[4-5]。由于飛沫或飛沫核粒徑不同，被易感者吸入后深入至呼吸道內引起的健康效應不同，結合不同病原體的傳播特性，利用劑量-反應研究飛沫或飛沫核在呼吸道內不同位置的暴露水平對易感者感染風險的評價具有重要意義。

人體周圍的微環境對致病飛沫在人體的暴露具有重要影響[6]。由于人體表面與周圍環境存在溫差，導致身體加熱并帶動周圍空氣向上運動，形成包圍人體的對流邊界層(熱羽流)，氣流最大上升速度為0.25 m/s[7]。此外，人體不同呼吸活動下呼出氣流速度(正常呼吸1～2 m/s[8-9]，說話3～5 m/s[10-11]，咳嗽6～22 m/s[10-13]，打噴嚏30～100 m/s[14-15])大于身體邊界層內氣流上升速度，進而通過改變呼吸區流場特性而改變飛沫或飛沫核的傳播路徑。由于小粒徑飛沫核的空氣跟隨性較高，極易受各種微弱氣流的影響。因此，研究人體吸入暴露水平，必須考慮人體代謝散熱所形成的熱羽流及人體呼吸氣流的作用。Topp[16]、Zukowska[17]、Liu[18]、Vianello[19]等人分別利用不具備呼吸道結構的呼吸暖體假人量化預測了人體的吸入暴露，但是無法獲得呼吸系統內致病部位的有效劑量。Finlay[20]、Phuong[21]等人利用體外呼吸道模型試驗得到了呼吸道內流場及顆粒物沉積預測模型，但忽略了人體代謝散熱對個體吸入暴露的影響。然而人體釋放代謝熱所形成的熱羽流對人體呼吸區致病飛沫暴露影響的量化關系尚未可知。

基于上述存在問題，筆者研發了一種新型呼吸暖體假人，可模擬站姿和坐姿狀態下的人體不同代謝水平及呼吸特征，復現人體熱羽流和呼吸氣流共同作用下的人體微環境，為人體呼吸道暴露劑量的健康效應評估、劑量-健康效應關系的確定提供有效的實驗工具。

1 呼吸暖體假人研發

1.1 模擬人體散熱系統設計

1.1.1 假人幾何特征

已有學者通過實驗和計算流體力學的方法研究人體模型的幾何特征對人體微環境速度場、溫度場和濃度場的影響。Brohus等人發現人體雙腿對人體周圍的污染物分布具有顯著影響[22]；Yan等人發現與三維掃描人體模型模擬結果相比，面部特征簡化程度不同的模型其呼吸區流場和污染物濃度場存在差異，且在人體熱羽流影響下，該差異被放大[23]。因此為營造更加真實的人體熱環境，筆者設計的呼吸暖體假人基于Bj?rn關于假人外形特征[24]的相關介紹進行改造，設計而成的假人體內空間為封閉連通結構，保證內部氣流循環及多種呼吸道模型的替換，其身高1.68 m，表面積1.5 m2，制作完成的暖體假人如圖1所示。

圖1 暖體假人實物圖

1.1.2 人體代謝

代謝水平取決于人體活動狀態，與人體散熱量呈正比關系。人體新陳代謝的能量主要用于做功、人體與環境之間的對流和輻射換熱、汗液蒸發和呼出水蒸氣帶走的熱量。后兩部分是人體熱量散失的主要途徑，可概括為顯熱散熱和潛熱散熱，顯熱散熱約占總新陳代謝產熱量的75%，潛熱散熱約占總新陳代謝產熱量的25%[25]。參照文獻[26]給出的人員在部分活動狀態下的代謝率，可得到不同活動狀態下人體顯熱、潛熱散熱量，見表1。

表1 不同活動狀態下人體顯熱、潛熱散熱量[26]

由于本文針對干態呼吸暖體假人進行研究，故忽略人體的潛熱散熱量，僅考慮通過皮膚顯熱方式散失的熱量。因此體表熱負荷僅包括對流和輻射兩部分，即呼吸暖體假人發熱系統所需輸出的功率為對流換熱量和輻射換熱量之和。

1.1.3 加熱系統

暖體假人發熱控制通常有恒皮溫、恒熱流、熱舒適3種模式[27]。由ISO對熱量控制模式的描述可知，3種控制模式適用環境不同[28]。其中，恒熱流模式根據人體代謝水平確定假人的輸入功率，在保證材料散熱性能良好的前提下可短時間內實現人體與環境之間的熱平衡，在多種氣候環境下其熱量調節方式最接近真實情況，因此假人的加熱系統采用恒熱流的控制方式設計。考慮假人內部的復雜結構、表面散熱量，加熱元件的功率密度、工作溫度等因素，假人加熱系統的加熱元件選擇一種柔性材料，其功率密度接近8 W/cm2，質量輕、厚度薄、發熱快，在假人體內多點布置，可短時間內實現假人與環境之間的熱平衡。

通過交流可調電源控制功率分配器，控制假人內部各個加熱元件的發熱量，同時假人體內安裝無級變速風扇，加強腔體內部氣流循環，保證腔體內部的熱量流動。根據表1不同活動狀態下計算得到體表熱負荷，作為假人發熱系統輸出功率的依據。通過調節輸出功率，可模擬不同活動狀態下人體的散熱特性。

1.2 呼吸模擬系統設計

呼吸是人體重要的生理過程，吸入暴露研究中，呼吸氣流的影響不可忽略。描述呼吸的參數主要有分鐘通氣量(minute volume，MV)、呼吸頻率(breathing frequency，BF)和呼氣容量(tidal volume，TV)[12]，這些參數因受性別、年齡、身高、體質量、活動水平等因素的影響，個體差異較大，而針對不同對象、不同活動水平的實驗研究中，具備能準確模擬不同呼吸參數、呼吸曲線的呼吸模擬裝置，對于提高實驗結果的準確度至關重要。

數值研究中，呼吸曲線多采用正弦或近似正弦形式[28-30]。Gupta等人通過采用呼吸流速計對志愿者呼吸狀態進行測量，發現志愿者真實呼吸曲線與正弦曲線類似，雖然吸氣和呼氣時間并非完全一致，但是非常接近[29]。基于前人的研究，自主研發可模擬真實人體呼吸過程的呼吸裝置和控制方法，模擬人體呼氣和吸氣過程，可輸出正弦呼吸曲線，實現對呼吸頻率和呼吸容量的精確調節，在確定呼吸區污染物濃度及吸入暴露水平研究中可發揮重要作用。

1.2.1 呼吸模擬裝置

呼吸模擬裝置運用微控制器及脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)技術，控制氣泵調速及電磁閥的切換來實現人體的呼吸過程，其控制調節精度高、穩定性好、響應快。呼吸模擬裝置的結構連接示意圖見圖2。

圖2 呼吸模擬裝置的結構連接示意圖

基于上述思路設計而成的呼吸模擬裝置實物如圖3所示，其硬件核心包括微控制器、活塞式無油真空泵、電磁閥等。采用參數及狀態可視化的交互方式，準確直觀地調節呼吸量、呼吸頻率及呼吸的啟停。采用活塞式無油真空泵模擬人體的肺部提供氣源，真空泵工作時依靠活塞在氣缸內的往復作用使缸內容積反復變化，實現抽氣和排氣過程分別對應人體吸氣和呼氣2種狀態，通過與電磁閥之間的動作配合，可同時提供2路呼吸狀態相反的氣流輸出。單次呼氣或吸氣過程中，流量變化通過微控制單元(microcontroller unit，MCU)輸出PWM調速信號調節無油真空泵的電動機轉速來實現。該呼吸模擬裝置可為2個假人提供異步呼吸。

圖3 呼吸模擬裝置實物圖

采用TSI4000對呼吸模擬裝置吸氣和呼氣出口的流量變化曲線進行測量，其1 min內的吸氣過程流量隨時間變化曲線如圖4所示，對流量-時間曲線進行積分，從而量化真空泵電動機轉速與流量之間的函數關系。根據該關系，調試電動機的驅動程序，滿足呼吸頻率及電動機轉速的要求，進而達到設定工況下呼吸頻率和呼吸流量的要求。

圖4 吸氣過程流量曲線(分鐘通氣量為17 L/min,呼吸頻率為10次/min,測試1 min)

從圖4可以看出：呼吸模擬裝置的運行結果與設定值一致；對呼吸曲線獲得的峰值流量進行積分，算得呼吸模擬裝置的分鐘通氣量，與設定值相符，滿足模擬人體真實呼吸的過程。最終的呼吸模擬裝置可實現呼吸頻率的調節范圍為10～20次/min，分鐘呼氣量的調節范圍為6～20 L/min。

1.2.2 呼吸道模型

人體吸入的氣溶膠污染物，引起人體呼吸系統健康效應的危害程度，取決于呼吸道內致病部位的實際暴露劑量。因此，研究者基于真實人體的呼吸道形態學數據在體外構建呼吸道模型，已成為吸入暴露研究的主流。Grgic等人通過計算機斷層掃描(computed tomography，CT)、磁共振成像(nuclear magnetic reasonance imaging，MRI)和活體直接觀察等手段，獲得真實人體呼吸道數據，建立了胸外呼吸道的幾何模型[31]。該模型基于已有文獻信息，對嘴巴開口尺寸、口腔過渡角度、咽喉部位詳細模型等參數進行合理設計，并參考了Alberta醫學院呼吸系統健康的病人(10人)CT掃描數據及對健康志愿者(5人)觀察數據，建立可代表“平均人”的胸外呼吸道模型(口-咽-喉)。采用該模型與Weibel模型前五級進行組合，并對口部做出了一定的修改，使之與假人緊密貼合，形成了新的“理想呼吸道模型”，如圖5所示。該組合呼吸道模型利用計算機三維建模后，采用3D打印技術分級打印并嵌入暖體假人體內。

圖5 理想呼吸道模型

2 呼吸暖體假人微環境研究

人體微環境指人體在不同的室內環境下，通過輻射換熱、潛熱對流換熱及顯熱對流換熱3種方式，在人體周圍形成具有一定特點的速度場、溫度場、濃度場[23]。許多研究已經證明，人體吸入的空氣約有2/3來自人體微環境區域[32]，因此若該區域空氣受到污染，則會嚴重影響人體吸入空氣的品質。

影響人體微環境的2個重要因素是體表溫度和熱流密度。因此，本文基于呼吸暖體假人開展體表溫度及熱流密度(傳熱系數)的實驗研究，與真人及文獻數據進行對比，驗證自主研發呼吸暖體假人模擬人體散熱特性的合理性；并對身體邊界層速度分布及呼吸暖體假人在不同呼吸強度下呼出氣流軌跡進行測量分析。

2.1 表面溫度和傳熱系數的分布

假人處于站立狀態、環境溫度為21 ℃、代謝率為1.2 met、對應假人散熱量為100 W時，采用K型標準化熱電偶，使用TL-1010S低溫恒溫循環水槽對熱電偶進行標定，結合Agilent 34970A數據采集儀，對假人表面8個典型位置處溫度進行測量，得到開啟假人加熱系統后180 min內的溫度變化數據，如圖6所示。

圖6 暖體假人表面局部位置溫度變化曲線

由圖6可知，開啟加熱系統后，前40 min假人表面溫度迅速升高，加熱至60 min時，假人表面溫度趨于穩定，整體溫度波動范圍較小，整體溫差小于2 ℃，各測點溫度處于29.1～31.1 ℃范圍內，稍低于真實人體在站立姿態、無衣著、處于21 ℃的環境中時的人體表面溫度(32 ℃)。這與徐春雯的研究結論一致，即當人體與假人散熱量相等時，假人身體溫度要稍低[33]。

人體與周圍環境之間的換熱量除了受溫差的影響外，傳熱系數起決定性作用。本文采用LR8432-30熱流數據采集儀對假人表面9個典型位置的表面熱流密度展開實驗測量，可獲得假人不同身體部位的熱流密度。根據測得的平均輻射溫度和體表溫度，通過ASHRAE規定的人體輻射換熱系數計算公式[34]可求得人體不同位置處的輻射換熱系數，按照各分區面積進行加權平均，可求得總的輻射換熱系數，其結果如表2所示。

表2 站姿假人9個分區和整體輻射換熱系數hr W/(m2·K)

由于人體皮膚與周圍環境之間的顯熱損失(Q)由對流熱損失(C)和輻射熱損失(R)組成，可表示為傳熱系數和對應溫差的乘積。

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

(1)

式中Q為人體與周圍環境之間的顯熱損失，W/m2；C為人體與周圍環境之間的對流熱損失，W/m2；R為人體與周圍環境之間的輻射熱損失，W/m2；hc為對流換熱系數，W/(m2·K)；tsk為人體皮膚表面溫度，℃；ta為環境空氣溫度，℃；hr為輻射換熱系數，W/(m2·K)；tr為平均輻射溫度，℃。

由于室內無其他熱源時，平均輻射溫度可近似為空氣溫度[35]，可得到：

(2)

其中

(3)

式(2)、(3)中h為總傳熱系數，W/(m2·K)；εp為人體表面的平均發射率；σ為黑體輻射常數，5.7×10-8W/(m2·K4)；Aeff為人體有效輻射面積與裸體表面積(DuBois)之比[35]；tcl為著裝人體外表面平均溫度，℃。

因此，對流傳熱系數hc可由總傳熱系數h減去輻射換熱系數hr獲得。假人身體9個測量部位及整體加權平均對流換熱系數見表3。

由表2和3可知，假人整體加權平均輻射換熱系數、對流換熱系數分別為4.24、3.63 W/(m2·K)，de Dear等人風洞實驗中獲得人體的平均輻射系數、對流換熱系數分別4.5、3.4 W/(m2·K)[36]，二者差異均小于6%，表明自主研發的暖體假人可以很好地模擬真實人體的散熱特性。

表3 站姿假人9個分區和整體對換熱系數hc W/(m2·K)

2.2 暖體假人微環境場速度分布

在距假人表面3、5 cm處，采用SWEMA 03+全向微風速儀測量人體站立狀態、代謝率為1.2 met時沿高度方向的速度，如圖7所示。

圖7 距人體表面3、5 cm位置沿高度方向身體邊界層速度分布

由圖7可知，胸部以下位置隨著高度的增加身體邊界層速度迅速增加，在脖頸附近存在一個速度較低的區域，速度的衰減是由于下巴所形成的物理障礙造成的。在下巴位置，向上運動的氣流被分為兩部分：一部分上升氣流沿頭部繼續向上運動；另一部分氣流受到阻礙，在脖頸處形成了一個小的渦旋，導致該區域的速度較低。在環境溫度為21 ℃的條件下，測得速度最大值出現在胸部位置，約為0.22 m/s。對比距離假人表面3 cm和5 cm處的測量結果可知，隨著距人體表面距離的增大，由于受上升氣流影響減弱，速度整體呈現減小的趨勢。

呼吸區的速度分布受多種因素的影響，由于在大多數室內環境中，呼出氣流速度大于室內空氣平均風速，因此，了解呼出氣流對呼吸微環境流場特性的影響，有助于個人暴露控制和污染物傳播的研究。為了提高對呼吸微環境氣流分布的理解，本文沿嘴巴中心線，測量2種呼吸強度下(10 L/min和14 L/min)垂直于面部的速度分布情況，測點布置如圖8所示，呼吸區速度采用SWEMA 03+全向微風速儀測量，響應時間精度為0.2 s，持續測量5 min，取置信區間為95%的平均值作為該測點的速度值。測量數據分析結果如圖9所示。

圖8 呼吸區速度測量測點布置

圖9 呼吸區等速度云圖

從云圖對比結果來看，隨著呼吸強度的增大，呼出氣流的最大速度從0.44 m/s增至0.57 m/s，且從云圖中白色線條所處位置可以看出，呼出氣流的影響范圍隨之增大，且呼出氣流的運動軌跡呈現出沿水平面向下發展的趨勢，這是由上呼吸道模型的口腔結構所致，與真實人體的呼出氣流具有相同的發展趨勢。

3 結語

根據Bj?rn[24]和Brokus等人[22]所提暖體假人形體特征，制作標準人體模型，可實現站姿和坐姿2種狀態，并通過功率控制器控制發熱膜片的發熱量以實現發熱模擬；通過內嵌包含口咽模型和Weibel 0～4級模型制作了分級人體呼吸道模型，還原了人體呼吸系統內幾何構造；采用真空泵、電磁閥及電子控制系統，完成可調節呼吸頻率和呼吸量的呼吸模擬裝置，可輸出接近真實人體呼吸特征的呼吸曲線，通過調節呼吸參數，可模擬人體不同活動狀態下的呼吸特征。新研制的呼吸暖體假人首次實現暖體假人與呼吸道模型的結合，模擬多種活動狀態下的人體代謝水平及呼吸特征，可真實地模擬人體熱羽流和呼吸氣流共同作用下的人體微環境。

本文提出的呼吸暖體假人可代替在室人員，分級測量人體吸入污染物至呼吸道局部位置的暴露劑量，有效評估污染環境中人體吸入暴露水平。呼吸系統傳染病大暴發的背景下，利用呼吸暖體假人測量醫護人員氣溶膠吸入劑量，研究醫患交叉感染機理，確定交叉感染風險，為實現醫院環境局部空間環境設計方法提供依據，科學發展呼吸暖體假人對營造健康、舒適的醫院環境具有重要意義。此外，呼吸暖體假人也可應用于工業環境中作業人員患職業呼吸道疾病的研究、服裝行業服裝熱阻的測定等研究領域中，應用前景非常廣闊。