МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОВИХ РЕАКЦІЙ ЛЮДИНИ ПІД ЧАС ЗАНУРЕННЯ У ТЕПЛУ ВОДУ

І. Й.  Єрмакова; Л. Д. Монтгомері; А. Ю. Ніколаєнко; Ю. М. Бондаренко; Н. Г.  Іванушкіна

doi:10.11603/mie.1996-1960.2021.1.12190

Автор(и)

І. Й. Єрмакова Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України і МОН України
Л. Д. Монтгомері LDM Associates
А. Ю. Ніколаєнко Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України і МОН України
Ю. М. Бондаренко ДУ «Інститут урології НАМН України»
Н. Г. Іванушкіна Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

DOI:

https://doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2021.1.12190

Анотація

У статті наведено математичну модель терморегуляції людини у теплій воді і результати впливу теплої води на людину в умовах спокою та фізичного навантаження. Розглянуто діапазон занурення у воду від 35 °C до 38 °C. Модель реалізовано у вигляді зручного для користувача комп'ютерного симулятора. Модель дає прогнози на основі даних про людину, швидкості метаболізму, умов навколишнього середовища та біофізики одягу. За результатами моделювання зроблено висновок, що занурення людини в теплу воду—це стрімкий, швидкий за часом процес, що вимагає жорсткого контролю. Порівняння результатів моделювання з вимірами на добровольцях підтвердило ці дані. Показано, що динаміка нагріву людини істотно залежить від температури води та часу занурення. Під час короткочасного занурення навіть за високої температури води немає загрози перегрівання людини, однак тривалість занурення може призвести до перегрівання.

Посилання

Castellani, J., O'Brien, C. A., Tikuisis, P., Sils, I. V., Xu, X. (2007). Evaluation of two cold thermoregulatory models for prediction of core temperature during exercise in cold water. Journal of Applied Physiology, vol. 103, 2034-2041. DOI: 10.1152/japplphysiol.00499.2007.

Castellani, J. W., Tipton, M. J. (2015). Cold Stress Effects on Exposure Tolerance and Exercise Performance. Compr Physiol. 6 (1), 443-69. DOI: 10.1002/cphy. c140081.

Tipton, M. J., Collier, N., Massey, H., Corbett, J., Harper, M. (2017). Cold water immersion: kill or cure? Experimental physiology, 102 (11), 1335-1355.

Montgomery, L. D. (1974). A model of heat transfer in immersed man. Annals of Biomedical Engineering, vol. 2, no. 1, 19-46. DOI: 10.1007/BF02368084.

Montgomery, L. D., Williams, B. A. (1976). Effect of ambient temperature on the thermal profile of the human forearm, hand, and fingers. Annals of Biomedical Engineering, vol. 4, no. 3, 209-219. DOI: 10.1007/ BF02584515.

Yermakova, I., Montgomery, L. (2018). Predictive Simulation of Physiological Responses for Swimmers in Cold Water. IEEE 38th International scientific conference electronics and nanotechnology (ELNANO), 24-26 April 2018, Kyiv, Ukraine, 292297. DOI: 10.1109/ELNANO.2018.8477523.

Yermakova, I., Nikolaienko, A., Solopchuk, Y., Regan, M. (2015). Modelling of human cooling in cold water: effect of immersion level. Extreme Physiology & Medicine, no. 4 (Suppl 1), A132. DOI: 10.1186/2046-7648-4-S1-A132.

Lim, C.L. (2020). Fundamental Concepts of Human Thermoregulation and Adaptation to Heat: A Review in the Context of Global Warming. International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 17, no 21, 7795. DOI: 10.3390/ijerph17217795.

An, J., Lee, I., Yi, Y. (2019). The thermal effects of water immersion on health outcomes: an integrative review. International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 16, no. 7, 1280. DOI: 10.3390/ ijerph16071280.

Gonzalez, R. R., Cheuvront, S. N., Montain, S. J., Goodman, D. A. et al. (2009). Expanded prediction equations of human sweat loss and water needs. Journal of Applied Physiology, vol. 107, 379-388. DOI: 10.1152/japplphysiol.00089.2009.

Potter, A. W., Blanchard, L. A., Friedl, K. E. et al. (2017). Mathematical prediction of core body temperature from environment, activity, and clothing: the heat strain decision aid (HSDA). Journal of Thermal Biology, vol. 64, 78-85. DOI: 10.1016/j.jtherbio.2017.01.003.

Fiala, D., Lomas, K. J., Stohrer, M. (2001). Computer prediction of human thermoregulatory and temperature responses to a wide range of environmental conditions. International Journal of Biometeorology, vol. 45, no. 3, 143-159. DOI: 10.1007/s004840100099.

Potter, A. W., Hunt, A. P., Cadarette, B. S., Fogarty, A. et al. (2019). Heat Strain Decision Aid (HSDA) accurately predicts individual-based core body temperature rise while wearing chemical protective clothing. Computers in Biology and Medicine, vol. 107, 131-136. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2019.02.004.

Berglund, L. G., Yokota, M. (2005). Comparison of Human Respnses to Prototype and Standard Uniforms Using Three Differnet Human Simulation Models: HSDA, Scenario_J and Simulink2NM. USARIEM Technical Report T05-08. ADA438017. https://apps. dtic.mil/sti/citations/ADA438017.

Xu, X., Tikuisis, P. (2014). Thermoregulatory modeling for cold stress. Comprehensive Physiology, vol. 4, no. 3, 1057-1081. DOI: 10.1002/cphy.c130047.

Potter, A. W., Yermakova, I. I., Hunt, A. P. et al. (2021) Comparison of two mathematical models for predicted human thermal responses to hot and humid environments. Journal of Thermal Biology, vol. 97, 102902. DOI: 10.1016/j.jtherbio.2021.102902.

Potter, A., Looney, D., Xu, X., Santee, W., Srinivasan, S. (2018). Modeling Thermoregulatory Responses to Cold Environments. Autonomic Nervous System Monitoring - Heart Rate Variability. IntechOpen. DOI: 10.5772/intechopen.81238.

Looney, D. P., Long, E. T., Potter, A. W., Xu, X. et al. (2019). Divers risk accelerated fatigue and core temperature rise during fully-immersed exercise in warmer water temperature extremes. Temperature, vol. 6, no 2, 150-157. DOI: 10.1080/23328940.2019.1 599182.