Kezdőlap / Portfolio / Az Emberi Test Hőtani Modellezése

Az Emberi Test Hőtani Modellezése

Az Emberi Test Hőtani Modellezése

Az ST/Tetra programozói Japánban egészen messzire mentek az emberi test hőháztartásának modellezése témában és így fejlesztették ki azt a szimulációs környezetet, amelyben az emberi test hőmérsékleti viszonyait olyan összetett környezetben is előre meg tudják határozni, mint egy autó (busz, vonat, repülő) légkondicionált utastere.

A JOS, azaz Joint System Thermoregulation (magyarra „kapcsolt hőháztartás rendszer”-nek fordítanám) szoftver funkció létrejöttét az egyre hatékonyabb légkondicionálás iránti igény generálta.

A tisztán elektromos meghajtású autók már a spájzban vannak, példa a Tesla Model S, a Nissan Leaf és a többiek. Ha a sofőr azt látja, hogy a még megtehető távolság vészesen fogy és benyomja az Eco gombot, az első dolog, aminek a teljesítményét visszafogja a vezérlés, az a légkondi.

Tehát egyre nagyobb szükség van hatékony légkondicionálásra és az SC/Tetra fejlesztői Tokióban úgy gondolták, a felhasználóik szimulációs munkáját azzal tudják tovább segíteni, ha az SC/Tetrában van egy olyan modell, amely pontosan képes az autót, buszt, repülőt vagy épületet használó ember komfortjának meghatározására pusztán számítógépes szimuláció segítségével.

Ehhez nyilvánvalóan nélkülözhetetlen az emberi test hőtani működésének pontos számítógépes modellje. A szoftverhez Prof. Shin-ichi Tanabe (Waseda Egyetem, Tokió) és kutatócsoportja által kifejlesztett JOS modell szolgált alapul, amely nagyon részletesen tartalmazza az emberi test vérkeringését, figyelembe veszi a sugárzással, hővezetéssel és párolgással, azaz az izzadással leadott hő mennyiségét, sőt az erek tónusának spontán, a pulzustól független oszcillációját is, amit az orvosok artériás és vénás vasomotion-nek hívnak.

Utánaolvastam annak, hogy az ember hőháztartása miként működik és találtam pár érdekes dolgot [1]. Ha a környezeti hőmérséklet alacsonyabb, mint a bőrfelszín hőmérséklete, a test a környezetben történő hőátadással, sugárzással és esetleg izzadással adja le a hőt. Az érrendszer is besegít ilyenkor, mivel az artériák falának tónusa enyhül, ami nagyobb keresztmetszeten történő véráramlást tesz lehetővé, így csökken az áramlással szembeni ellenállás, tehát több vér jut a bőrfelszínhez közel, ahol lehűlhet. Ha a környezeti hőmérséklet nagyobb, mint a bőrfelszín hőmérséklete, csak az izzadás marad. Az öltözködés nagyon fontos tényező: a pamutból készült könnyű ruha nem gátolja az izzadást, viszont a napból érkező hősugárzás nem hatol át rajta.

Visszatérve az SC/Tetrához a felhasználónak az emberi testtel kapcsolatban öt paramétert kell megadni ahhoz, hogy a szimuláció működőképes legyen. Ezek az életkor, a nem, a testméret amelyet a testzsír arányának százalékos értékével (body fat rate) jellemeznek és az alapanyagcsere mérték (basal metabolic rate, vagy röviden BMR) amit W/m2-ben kell előírni [2]. Mivel az embereken általában van ruha is, ezért a szimulációban figyelembe veszik a testet fedő ruházat típusát, ezáltal a hőszigetelő képességét, amely természetesen befolyásolja a környezettel történő hőcsere intenzitását.

1. TáblázatAlap-anyagcsere mérték (BMR) az életkor függvényében

Kor
BMR [W/m2]
Férfi-Nő arány [%]
20-29
42.1
91
30-39
41.05
91
40-49
40.01
92
50-59
39.08
92
60-69
37.91
94
70-79
36.29
96
80-
34.77
99

2. Táblázat Példa a ruházat test szegmensenkénti hőszigetelő képességére

Szegmens
Öltöny [W/m2K]
Munkaruha [W/m2K]
Fej
0.00
0.00
Nyak
0.20
0.00
Mellkas
1.83
2.33
Hát
1.6
1.98
Bal kar
0.8
1.18

 

 

A JOS-ban az emberi testet 17 szegmensre felosztva kezeljük és mindegyik szegmensen belül megtalálható a vénás és artériás érhálózatot leíró modell, illetve a végtagok esetén ezeken felül a bőrfelszínhez közel futó vénák is azért, hogy ezen keresztül figyelembe vehessük az izzadás által leadott hőmennyiséget.

A fej a többi szegmenstől eltérően nem kettő (belső mag és bőrfelszín) összetevőből áll, hanem négyből: belső mag, izom, zsír és bőr. Ez a típusú megközelítés a fej hőtani viszonyainak egészen pontos meghatározását teszi lehetővé.

Erre azért van szükség, mert egyrészt a fejet általában nem takarja hőszigetelő anyag, másrészt a fej rengeteg hőt termel, különösen, ha használják, azaz gondolkodnak vele. A fejben lévő érhálózat rendkívül összetett annak érdekében, hogy az agyban termelődő hőt a fejbőr felszínéhez szállíthassa és ott leadja a környezetnek.

A számítási háttér tehát előállt, most kell maga a test, mint geometria. Az SC/Tetra fejlesztői négy alapvető testhelyzetet megjelenítő geometriát adnak a szoftverhez: álló, ülő (vezető), ülő (utas) és földön ülő.

Álló ember modellje
Álló ember modellje
Ülő-vezető ember modellje
Ülő-vezető ember modellje
Ülő-utas ember modellje
Ülő-utas ember modellje
A földön ülő ember modellje
Földön ülő ember modellje

Érdekes, ahogyan ezeket a modelleket létrehozták. Mivel nem akartak harmadik féltől származó licencelt, azaz fizetős geometriákat használni, a Waseda Egyetem hallgatóit kérték meg, hogy álljanak modellt a lézerszkennernek. Az így előállított pontfelhőt pedig az SC/Tetra wrapping funkciójával (erről a kiválóan működő eszközről írtam korábban a „Hogyan egyszerűsítsünk sorhatos motort” című cikkben) tovább feldolgozva készítették el a szimulációkhoz használható test-geometriákat.

Persze nem csak ezek a modellek használhatók, ekkor viszont a testen elő kell írni azokat a felület régiókat, amelyek az egyes testrészek helyzetét jelölik, azaz meg kell mutatni a szoftvernek, hogy hol a fej, nyak, mellkas, hát, kezek, lábak és a többi.

Az JOS-specifikus eredmények pedig többek között a bőrfelszín hőmérséklete és az izzadás mértéke, a bőrfelszínen kialakuló hőáram, az egyes szegmensek összetevőinek (belső mag, bőrfelszín, a fej esetén az izom és a zsír réteg is) hőmérséklete, a bőrfelszínhez közel áramló vér térfogatárama.

Buszban ülő utasok testhőmérséklete
Buszban ülő utasok testhőmérséklete
Autóban a vezető és utas testhőmérséklete
Autóban a vezető és utas testhőmérséklete

Az SC/Tetra és a JOS szimuláció kiválóan alkalmas arra, hogy méregdrága, fizikai modelleken végzett kísérleteket spóroljanak meg az autók, buszok légkondicionálását tervező mérnökök. Egy dologra azonban felhívják a figyelmet: ne akarjunk vele szaunát modellezni.

Dr. Dúl Róbert

Hivatkozások:
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoregulation

[2] SC/Tetra: Basics of CFD Analysis – Joint System Thermoregulation

Top