CN110057467A - 基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统 - Google Patents

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CN110057467A CN201910349886.3A CN201910349886A CN110057467A CN 110057467 A CN110057467 A CN 110057467A CN 201910349886 A CN201910349886 A CN 201910349886A CN 110057467 A CN110057467 A CN 110057467A
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杨杰
贺艳
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    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明公开了一种基于手‑手套‑环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，包括手‑手套‑环境热平衡系统、手部热生理调节系统、手部皮肤温度输出模块。手‑手套‑环境热平衡系统是将手部按生理结构划分为大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌和手背，考虑各部位与环境之间通过对流、辐射、传导、蒸发等方式进行的热量传递过程，建立热平衡方程。手部热生理调节系统主要分析出汗、颤抖及血液流量对手的各部位换热量的影响。手部皮肤温度输出模块用于计算并实时显示各手指、手掌及手背的皮肤温度。所建立的手部皮肤温度实时预测系统，可满足手不同部位皮肤温度准确预测的需求，可用于防护手套性能测试及研发，为手部热舒适性评估提供基础数据。

Description

基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统
技术领域
本发明涉及公共安全人体防护领域，尤其涉及一种基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统。
背景技术
受比表面积大、血液流量变化大、散热量高、代谢产热量低等因素影响，手部，特别是手指，是人体最容易受寒冷环境影响的部位之一。手部皮肤温度直接影响手的灵活性、操作性能、热舒适性能。研究表明，要保持手的灵活性和舒适性不受影响，手部皮肤温度至少要维持在15℃以上，当手部皮肤温度处于6-8℃时的手的操作性能急剧降低、容易引发事故，当手部皮肤温度低于5℃时易引发冻伤。此外，手指、手掌和手背之间的皮肤温度差异很大，特别是手指的皮肤温度显著低于手掌和手背。然而，手部热生理调节规律及手-手套-环境之间的热湿交换机理仍不清楚，手部皮肤温度分布的机理也不明确，极大地影响高性能手套的研发及手部热防护。已有研究和专利尚未分析手的各部位温度分布及变化规律，更没有深入分析手套和环境温度、湿度及风速等对手的不同部位皮肤温度的影响。因此，现有关于手部温度分布的发明局限性较大，无法实时准确地评估手指、手掌及手背皮肤温度的变经规律。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统。关注手套热湿传递属性和环境条件对手部热生理反应的影响，分别建立手-手套-环境热平衡方程、手部热生理调节系统，从而达到实时预测手部皮肤温度分布的目的。该发明系统是手部热防护和高性能防护手套研发的重要前期基础，通过实时预测手指、手掌及手背皮肤温度的分布，可为手部防护及高性能防护手套提供支撑。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括手-手套-环境热平衡系统、手部热生理调节系统、手部皮肤温度输出模块；其中
手-手套-环境热平衡系统：
手-手套-环境热平衡系统主要计算手部皮肤、手套、环境之间通过对流、辐射、传导及蒸发等过程进行热量传递过程，通过热阻和湿阻分析手套对皮肤与环境之间热交换的影响，及对手部各部位换热系数的影响。
手部热生理调节系统：
手部热生理调节系统主要模拟出汗、颤抖、血管扩张及收缩过程对手部换热量的影响，通过手指、手掌、手背皮肤温度与其热中性状态下的调定点温度之差，计算热生理调节功能对热交换的影响。
手部皮肤温度输出模块：
手部皮肤温度输出模块是在手-手套-环境热平衡系统和手部热生理调节系统的基础上，实时计算各手指、手掌、手背的皮肤温度的分布及变化情况，显示不同环境温度、湿度、风速、手套热阻和湿阻、手部代谢量等条件下的皮肤温度分布。
较佳地，手-手套-环境热平衡系统的建立过程包括：
将手按生理结构划分为大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌及手背共七个部位。每个部位分为四层，即皮肤层、脂肪层、肌肉层、核心层。此外，中心血液层与七个部位的每层都进行热量交换。分别对各部位的各层建立热平衡方程如下，
公式(1)中，i(1-7)代表手的七个部位，分别是大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌及手背；j(1-4)代表各部位的四层，分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层和皮肤层；T代表手部各部位和各层的温度；t代表暴露时间；Q代表手部各部位及各层的代谢产热量；B代表中心血液层与各部位、各层之间的对流换热量；D代表同一部位相邻层之间的传导换热量；Rad代表手部皮肤与环境的辐射换热量；Cov代表手部皮肤与环境的对流换热量；Eva代表手部与环境的蒸发换热量。
较佳地，手部热生理调节方程的建立过程包括：
热生理调节系统在维持手部温度起了重要作用，在寒冷环境通过血管收缩和颤抖对体温进行调控，在热环境中通过血管扩张和出汗进行散热调节。调定点温度是处于热中性状态时，手部各部位各层的温度值，通过设定点温度与各部位的皮肤温度之差计算热生理调节的影响，如血管扩张的计算如下，
DL＝CdlErr(1,1)+Sdl(Warms-Clds)+PdlWarm(1,1)Warms(2)
式(2)中，DL代表血管扩张；Err代表温度错误信号值，由设定点温度与手部组织温度之差计算可得；Warms和Clds分别代表手部热信号和冷信号的值，可由各部位各层的温度错误信号加权计算；Cdl、Sdl和Pdl是热生理调节系数。
较佳地，手部皮肤温度输出模块的建立过程包括：
手部皮肤温度输出模块可实时显示各手指、手掌、手背的皮肤温度的分布及变化情况，在此基础上可评估手套热防护性能，可为手部热舒适性评估、操作性评估及高性能防护手套提供理论支撑。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，与现有技术相比，本发明可将人体活动状态、手套热阻和湿阻、环境温度、相对湿度、风速作为输入参数，实时预测拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌和手背皮肤温度的变化规律。建立的基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统可实现环境条件、手套热湿传递属性、人体活动状态等因素的敏感性分析，进而获得手指、手掌及手背皮肤温度受环境条件及手套热湿传递属性的定量影响，可为高性能防护手套测试及研发提供指导，也可为手部热舒适评估、操作性评估等提供基础数据，最终达到降低手部冻伤、提升手套防护性能的同时增加其可操作性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统示意图
图2为本发明实施例提供的手部皮肤温度输出模块所得手的各部位皮肤温度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，其包括手-手套-环境热平衡系统、手部热生理调节系统、手部皮肤温度输出模块；其中
手-手套-环境热平衡系统的建立过程包括：
将手按生理结构划分为大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌及手背共七个部位。每个部位分为四层，即皮肤层、脂肪层、肌肉层、核心层。此外，中心血液层与七个部位的每层都进行热量交换。分别对各部位的各层建立热平衡方程如下，
公式(1)中，i(1-7)代表手的七个部位，分别是大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌及手背；j(1-4)代表各部位的四层，分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层和皮肤层；T代表手部各部位和各层的温度；t代表暴露时间；Q代表手部各部位及各层的代谢产热量；B代表中心血液层与各部位、各层之间的对流换热量；D代表同一部位相邻层之间的传导换热量；Rad代表手部皮肤与环境的辐射换热量；Cov代表手部皮肤与环境的对流换热量；Eva代表手部与环境的蒸发换热量。
手部热生理调节方程的建立过程包括：
热生理调节系统在维持手部温度起了重要作用，在寒冷环境通过血管收缩和颤抖对体温进行调控，在热环境中通过血管扩张和出汗进行散热调节。调定点温度是处于热中性状态时，手部各部位各层的温度值，通过设定点温度与各部位的皮肤温度之差计算热生理调节的影响，如血管扩张的计算如下，
DL＝CdlErr(1,1)+Sdl(Warms-Clds)+PdlWarm(1,1)Warms (2)
式(2)中，DL代表血管扩张；Err代表温度错误信号值，由设定点温度与手部组织温度之差计算可得；Warms和Clds分别代表手部热信号和冷信号的值，可由各部位各层的温度错误信号加权计算；Cdl、Sdl和Pdl是热生理调节系数。
手部皮肤温度输出模块的建立过程包括：
手部皮肤温度输出模块可实时显示各手指、手掌、手背的皮肤温度的分布及变化情况，在此基础上可评估手套热防护性能，可为手部热舒适性评估、操作性评估及高性能防护手套提供理论支撑。
基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统需要明确人本所处于的环境温度、相对湿度、风速，本实施例模拟的环境温度为-20℃和-10℃，湿度为30％，风速为0.1m/s。手套的热阻为1.12clo，人体活动的代谢产热为100W/m2。根据图1所提供的手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，输入设置的环境温度、相对湿度、风速、代谢产热量、手套热阻等参数，计算可得手的不同部位的皮肤温度，如图2所示。
当环境温度为-20℃和-10℃，湿度为30％，风速为0.1m/s，手套的热阻为1.12clo，人体活动的代谢产热为100W/m2时。经过60分钟的时间，各手指、手掌及手背的温度差异较大。环境温度为-20℃时，大拇指温度最低，而手掌的温度最高，二者之差达到6.85℃。环境温度为-10℃时，手指、手掌及手心的温度较环境温度为-20℃时明显增加，手部皮肤温度最大值和最小值仍然为手掌和大拇指，二者之差为5.96℃。此外，由手部皮肤温度实时预测系统可知，手掌和手背的皮肤温度要高于手指的皮肤温度，在各手指中大拇指的皮肤温度最低。相比于传统通过人体热生理实验测量手部皮肤温度具有耗时长、花费大、个体差异性等缺点，该发明提出的基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统可根据环境条件、手套热湿参数、人体活动状态，实时显示手的不同部位的皮肤温度变化情况。此外，可根据此发明进行敏感性分析，确定不同环境温度、相对湿度、风速、手套热阻、代谢产热量等参数对手各部位皮肤温度的影响，进而为手部热防护、手套保暖性能测试、高性能手套开发等提供指导。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，其特征在于：包括手-手套-环境热平衡系统、手部热生理调节系统、手部皮肤温度输出模块；所述手-手套-环境热平衡系统计算手部皮肤、手套、环境之间通过对流、辐射、传导及蒸发等过程进行热量传递过程，通过热阻和湿阻分析手套对皮肤与环境之间热交换的影响，及对手部各部位换热系数的影响；
所述手部热生理调节系统模拟出汗、颤抖、血管扩张及收缩过程对手部换热量的影响，通过手指、手掌、手背皮肤温度与其热中性状态下的调定点温度之差，计算热生理调节功能对热交换的影响；
所述手部皮肤温度输出模块是在手-手套-环境热平衡系统和手部热生理调节系统的基础上，实时计算各手指、手掌、手背的皮肤温度的分布及变化情况，显示不同环境温度、湿度、风速、手套热阻和湿阻、手部代谢量等条件下的皮肤温度分布。
2.如权利要求1所述的基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，其特征在于，所述手的各部位热平衡方程的建立过程包括：
将手按生理结构划分为大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌及手背共七个部位。每个部位分为四层，即皮肤层、脂肪层、肌肉层、核心层。此外，中心血液层与七个部位的每层都进行热量交换。分别对各部位的各层建立热平衡方程如下，
公式(1)中，i(1-7)代表手的七个部位，分别是大拇指、食指、中指、无名指、小指、手掌及手背；j(1-4)代表各部位的四层，分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层和皮肤层；T代表手部各部位和各层的温度；t代表暴露时间；Q代表手部各部位及各层的代谢产热量；B代表中心血液层与各部位、各层之间的对流换热量；D代表同一部位相邻层之间的传导换热量；Rad代表手部皮肤与环境的辐射换热量；Cov代表手部皮肤与环境的对流换热量；Eva代表手部与环境的蒸发换热量。
3.如权利要求2所述的基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，其特征在于，所述手部热生理调节方程建立过程包括：
热生理调节系统在维持手部温度起了重要作用，在寒冷环境通过血管收缩和颤抖对体温进行调控，在热环境中通过血管扩张和出汗进行散热调节。调定点温度是处于热中性状态时，手部各部位各层的温度值，通过设定点温度与各部位的皮肤温度之差计算热生理调节的影响，如血管扩张的计算如下，
DL＝CdlErr(1,1)+Sdl(Warms-Clds)+PdlWarm(1,1)Warms (2)
式(2)中，DL代表血管扩张；Err代表温度错误信号值，由设定点温度与手部组织温度之差计算可得；Warms和Clds分别代表手部热信号和冷信号的值，可由各部位各层的温度错误信号加权计算；Cdl、Sdl和Pdl是热生理调节系数。
4.如权利要求3所述的基于手-手套-环境系统的手部皮肤温度实时预测系统，其特征在于，所述的手部皮肤温度输出模块可实时显示各手指、手掌、手背的皮肤温度的分布及变化情况，在此基础上可评估手套热防护性能，可为手部热舒适性评估、操作性评估及高性能防护手套提供理论支撑。
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