Моделювання термофізіологічного стану людини

Микола Пирог

Факультет інформаційних технологій, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Україна

orcid.org/0000-0003-2588-6066

Ірина Гарко

Факультет інформаційних технологій, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Україна

Факультет інформатики та обчислювальної техніки, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Україна

orcid.org/0000-0003-0671-6336

Ксенія Духновська

Факультет інформаційних технологій, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Україна

orcid.org/0000-0002-4539-159X

Анотація

DOI: https://doi.org/10.17721/AIT.2021.1.04

У поданій статті представлено аналіз математичних моделей, які можуть бути використані для прогнозування термофізіологічного стану людини в різних умовах навколишнього середовища при розробленні інформаційних систем її життєзабезпечення. Базисним елементом всіх розглянутих моделей є рівняння теплового балансу. Відповідно до цього рівняння сумарна тепловіддача організму повинна дорівнювати його теплопродукції. Всі величини рівняння теплового балансу можуть бути визначені спеціальними експериментами або за допомогою аналітичних методів, розроблених на основі класичної теорії термо­динаміки. В статті розглядаються континуальні та дискретно-судинні моделі, аналізуються їх переваги та недоліки. Континуальні моделі є, по суті, спрощеним записом біотеплових рівнянь. У цих моделях впливом кровотоку кожної окремої судини нехтують, кровопостачання осереднюється за досліджуваним об’ємом. Дискретно-судинні моделі є сукупністю біотеплових рівнянь, що описують кровоток в кожній окремій судині. Дискретно-судинні моделі термофізіологічного стану людини на сьогодні мало застосовні, що пов’язано із складною і не досить дослідженою геометрією судин. Більш застосованими є континуальні моделі, для побудови яких застосовується мультикомпартментальний підхід. Як результат, у статті подається порівняльна таблиця континуальних моделей та інформаційних систем, які використовують ці моделі.

Ключові слова – термофізіологічний стан людини,  теплообмін, математичне моделювання, інформаційні системи.

Інформація про авторів

Микола Пирог. Закінчив факультет інформаційних систем і технологій Приватного вищого навчального закладу «Європейський університет». Працює асистентом на кафедрі прикладних інформаційних систем факультету інформаційних технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Наукові інтереси: інформа­тизація суспільства, електронне уряду­вання, agile-методології в програмуванні та освіті.

Ірина Гарко. Кандидат фізико-математичних наук. Закінчила фізико-математичний факультет Національного педагогічного університету імені М.П.Драгоманова. Працює на посаді доцента кафедри прикладних інформаційних систем факультету інформаційних технологій Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Наукови інтереси: теорія ймовірностей і математична статистика, фрактальний аналіз, системи числення, agile-методології в програмуванні та освіті.

Ксенія Духновська. Закінчила механіко-математичний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Працює на кафедрі прикладних інформаційних систем факультету інформаційних технологій  Київського національного університету імені Тараса Шевченка на посаді асистента. Наукові інтереси: медична кібернетика, NLP.

Література

1. Я. Гонський, Т. Максимчук, М. Калинський Біохімія людини, Тернопіль: Укрмедкнига, 2002.
2. C. W. Sheppard, “The mathematical basis of the interpretation of tracer experiments in closed steady-state systems”, Journal of Applied Physics, vol. 22, № 4, pp. 510 – 520, 1951.
3. C. H. Wyndham, A. R. Atkins A physiological scheme and mathematical model of temperature regulation in man.  Pflügers Archiv, vol. 303,  pp.  14–30, 1968.
4. И. Ермакова, «Механизмы физиологической терморегуляции у человека», автореф. дис. на соискание научной степени д-ра биол. наук, Киев, 1989.
5. H. H. Pennes, “Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting forearm”, Journal of Applied Physiology, vol. 1, № 2, pp. 93 – 122, 1948.
6. E. H. Wissler, “Pennes 1948 paper revisited”, Journal of Applied Physiology, vol. 85, № 1, pp. 35 – 41, 1998.
7. H. G. Klinger, “Heat transfer in perfused biological tissue”, General theory. Bulletin of Mathematical Biology, vol. 36, pp. 403 – 415, 1974.
8. M. M. Chen, K. R. Holmes, “Microvascular Contributions in Tissue Heat Transfer”, Ann. N. Y. Acad. Sci., vol. 335, pp. 137 – 150, 1980.
9. S. Weinbaum, L. M. Jiji, D. E. Lemons, “Theory and experiment for the effect of vascular mucrostructure on surface tissue heat transfer. Part I. Anatomical foundation and model conceptualization”, ASME Journal of Biomechanical Engineering, vol. 106, pp. 321 – 330, 1984.
10. S. Weinbaum, L. M. Jiji, “A new simplified bioheat equation for the effect of blood flow on local average tissue temperature”, ASME Journal of Biomechanical Engineering, vol. 107, pp. 131 – 139, 1985.
11. A. Bhowmik, “Conventional and newly developed bioheat transport models in vascularized tissues”, Journal of Thermal Biology, vol. 38, № 3, pp. 107 – 125, 2013.
12. А. А. Сагайдачный, “Восстановление спектра коле­баний кровотока из спектра колебаний температуры пальцев рук, дисперсия температурного сигнала в биоткани”, Регионарное кровообращение и микроциркуляция, №1, с. 76 – 82, 2013.
13. K. Kubaha, D. Fiala, J. Toftum, Human projected area factors for detailed direct and diffuse solar radiation analysis. International Journal of Biometeorology, vol.49(2), pp. 113-129, 2004.
14. І. Й. Єрмакова, Стан та перспективи розвитку інформатики в Україні, Київ: Наукова думка, 2010.
15. I.Yermakova, K.Dukchnovskaya, A.Nikolaienko, O.Troynikov, N.Nawaz, “Influence of exercise intensity on thermophysiological responses of firefighters wearing different firefighters protective clothing ensembles», 5^th ESPC and Nokobetef 10. Future of protective clothing, 2012. Pp. 75.
16. И. И. Ермакова, Ю. П. Тадеева, Н. Г. Иванушкина, “Эффект региональной электромагнитной гипертермии: результаты моделирования”, Электроника и связь. Тематический выпуск “Проблемы електроники”, № 1, c. 132 – 136, 2007.
17. И. И. Ермакова, “Динамическая модель оценки темпе­ратурного комфорта человека”, Электроника и связь. Тематический выпуск “Проблемы електроники”, № 2, С. 81 – 85, 2008.
18. А. Ю. Ніколаєнко, “Інформаційна технологія прогно­зування термофізіологічного стану людини під час фізичної активності в різних середовищах”, дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, НАН України, Київ, 2019.
19. Dukhnovska K. The boundary value problem for the heat transfer task between a human and the environment. Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології. вип. 30, стор. 29-40, 2020.