基于流-热耦合集总参数模型人体疲劳状态血流动力学参数预测

Integrated thermofluid lumped parameter model for predicting hemodynamics parameters in human fatigue state

硕士生：丁小玲 

驾驶疲劳已经成为影响交通安全的重要因素之一。在驾驶过程中监测驾驶员的疲劳状态是行车安全最重要的保障。目前，脑电波、心率等生理信号是作为疲劳状态监测最有效的生理参数之一。但是由于此类生理信号难以收集，所以寻求一个易收集无干扰的生理信号可以更方便地监测驾驶员的疲劳状态。皮肤温度可以反映机体的唤醒水平。所以研究人体疲劳过程中皮肤温度和心血管生理参数的变化以及两者之间的影响关系，对于提高疲劳监测系统的准确度有着重要的作用。

本文通过建立一个流-热耦合集总参数模型，探究人体手部和头部皮肤温度等外周容易监测的生理信号与血压、心率等心血管系统生理参数之间的关系。考虑到人体皮肤组织的差异以及不同的血液灌注导致个体间皮肤温度的差异，采用了具有实时血液灌注和不同物理性质的多层生理组织来构建个体化的全身流-热耦合模型，其中各组织层所需的血液灌注量由集总参数心血管系统模型来提供。

为了研究人体产生疲劳时不同生理参数的变化，本文开展了两次诱导人体疲劳实验。在第一次实验中获得了人体疲劳前后头部和手部的皮肤温度，实验I结果显示在疲劳状态下头部和手部的皮肤温度均下降，并且手部的皮肤温度下降量要大于头部。利用该实验中疲劳后头部和手部两点皮肤温度反推个体化的全身流-热耦合模型中的心率以及头部和手部皮肤阻抗变化。在模拟结果中，发现疲劳后人体心率和血压均下降，头部和手部的外周皮肤阻抗均增加。这表明心率降低和外周阻抗增加共同降低了流向身体外周的血流量，导致疲劳期间皮肤温度降低。

  通过进一步的诱导疲劳实验，发现了人体血压和心率随疲劳程度呈下降的规律，验证了模型结果的正确性。同时，通过小波分析发现，在疲劳后，原始血流信号幅值，内皮、心跳和呼吸频率段内血流幅值都有下降。这表明在疲劳后，人体在这三个方面的血流调节作用减弱，进一步验证了在疲劳后心率以及皮肤血液灌注下降的结果。

  本文提出的全身流-热耦合模型阐明了人体疲劳对心血管系统的影响，为基于生理信号的疲劳监测提供了可行新方法。