MORPHEUS : Modelica-based implementation of a numerical human model involving individual human aspects

Wölki, Daniel; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Hensen, Jan (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein vollständig skalierbares, numerisches Multi-Element Modellzur Vorhersage der menschlichen Thermoregulationsantwort von Individuen unter statischen, dynamischen,homogenen und inhomogenen physikalischen Umgebungsbedingungen. Der sogenannte„Morphable Human Energy Simulator (MORPHEUS)“ basiert auf der mathematischen Strukturdes bekannten Fiala-Modells (Fiala et al., 1999, 2001) und wurde mit Modellierungsansätzen vonTanabe et al. (2002) fusioniert. Das Modell selbst ist in der akausalen, gleichungsbasierten ModellierungssprachenModelica implementiert und wurde in der kommerziell erhältlichen, grafischen Entwicklungsumgebung Dymola entwickelt.Die Arbeit beginnt mit einer umfangreichen Literaturrecherche, welche eine detaillierte übersichtüber aktuell existierende Modellierungs-/Modifikationsansätze, deren Anwendungsgebiete, sowieSchlüsselparameter, welche die menschliche Thermoregulationsantwort beeinflussen, gibt.Das implementierte numerische Menschmodell, MORPHEUS, verfolgt einen komponentenbasiertenModellierungsansatz, welcher Vorteile hinsichtlich der Wiederverwendbarkeit des Programmiercodesbietet und gleichzeitig eine einfache Modellmodifikation/-erweiterung ermöglicht, ohne dabeiumfangreiche Anpassungen an der mathematischen Gleichungsstruktur des Gesamtmodells vornehmenzu müssen. Das Modell berücksichtigt Wärmeaustauschprozesse zwischen der menschlichenKörperoberfläche und der physikalischen Umgebung (gemischte Konvektion, langwellige Strahlung,Verdunstung und Diffusion von Schweiß für individuelle Körpersegmente) sowie Wärmetransportvorgängeim lebenden Gewebe (Durchblutung, metabolische Wärmeerzeugung, Wärmeleitung und-speicherung). Weiterhin werden Inhomogenitäten hinsichtlich der Verteilung des thermischen- sowiedes Verdunstungswiderstands von Bekleidung in Bezug zur menschlichen Körperoberfläche berücksichtigt.Der Einfluss der Körperhaltung auf den Strahlungswärmeaustausch zwischen Menschund Umgebung ist ebenso Bestandteil des Modells.Die menschliche Anatomie wird mit Hilfe zylindrischer und sphärischer Elemente numerisch approximiert,welche als Kombination aus sieben unterschiedlichen Gewebearten aufgebaut sind und ineiner passiven Modellkomponente (Passive System) zusammengeführt werden. Letztere berücksichtigtweiterhin trockene und feuchte Wärmeverluste des Atemtrakts. Die aktiven Thermoregulationsmechanismendes Menschen, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Körperkerntemperaturvon annährend 37 C notwendig sind, werden in einer aktiven Modellkomponente (Active System)modelliert. Diese basiert auf afferenten Fehlersignalen der Körperperipherie, welche die menschlichenThermoregulationsmechanismen Schwitzen, Zittern sowie Gefäßverengung und -erweiterungauslösen. Das numerische Gesamtsystem in seiner Grundkonfiguration (Fiala et al., 1999, 2001)wurde mit Literaturdaten verifiziert und zeigt eine hohe übereinstimmung mit den entsprechendenPublikationsergebnissen.Umfangreiche Körperzusammensetzungsdaten von männlichen und weiblichen Personen im Altervon 18 bis 35 Jahren werden vorgestellt und statistisch bewertet. Sie dienen als Grundlage für diedaraus abgeleiteten Modelle eines typisch weiblichen (TFS) und eines typisch männlichen (TMS)Probanden, welche zur Demonstration der Modellskalierbarkeit sowie zur theoretischen Betrachtunggeschlechtsspezifischer Unterschiede hinsichtlich der menschlichen Thermoregulationsantwortals Folge der Körperzusammensetzung definiert wurden. Zugehörige in-vivo Messdaten wurden inmehreren experimentellen Untersuchungen erfasst und beinhalten detaillierte anatomische Informationender Extremitäten und des Rumpfs von insgesamt 289 Personen (168 Männer, 121 Frauen).Eine übersicht über aktuelle in-vivo Messtechniken zur Bestimmung der menschlichen Köperzusammensetzungwird gegeben. Sie zeigt, dass neuere Multi-Frequenz Bio-Impedanz Analyse (BIA)Geräte aufgrund ihrer Genauigkeit, Kosteneffizienz, Bedienbarkeit und Flexibilität in Bezug aufihren Einsatzort die Geräte der Wahl darstellen.Methoden zur Anpassung des passiven Modellteils von MORPHEUS an anatomische Eigenschaftenvon Individuen werden vorgestellt. Letztere umfassen die Modifikation individueller Gewebecharakteristika(z.B. metabolische Grundrate, Dichte, etc.) sowie die Skalierung geometrischer Eigenschaftenwie Radien und Längen einzelner, virtueller Körpersegmente. Erstere Methode ist für einerealistische Abbildung der menschlichen Anatomie ungeeignet, da sie reale Zusammenhänge nurunzureichend abbildet. Eine systematisierte Anpassungsprozedur wird vorgestellt, welche eine automatisierteModifikation der passiven Modellkomponente ermöglicht.Die Echtzeitfähigkeit von MORPHEUS wird anhand des sogenannten human-centered closed-loopcontrol (HCCLC) Konzepts demonstriert. In diesem Zusammenhang wird das Modell als virtuellerZweipunkt-Regler für einen thermoelektrischen Thermostaten eines Heizkörpers eigesetzt. Ziel istdabei die Regelung der Operativtemperatur eines Büroraums über eine Periode von vier aufeinanderfolgendenArbeitstagen. Das vorgestellte Experiment wurde während der Heizperiode im Dezember2016 in Aachen, Deutschland, durchgeführt. Als Sollwert für den entsprechenden Thermostatenfungiert die vorhergesagte, mittlere Hautoberflächentemperatur von MORPHEUS (Schwellwert fürthermische Neutralität 34 C). Das virtuelle Menschmodell wird hierzu sowohl in seiner StandardKonfiguration (Fiala et al., 1999) als auch mit den anatomischen Messdaten des typisch weiblichenProbanden (TFS) konfiguriert und deren Thermoregulationsantworten auf das vorherrschende Innenraumklimaparallel simuliert. Eine Unter- oder überschreitung des festgelegten Schwellwerts dersimulierten mittleren Hautoberflächentemperatur, zieht dabei eine Aktivierung bzw. Deaktivierungdes Heizkörpers nach sich. Im Vorfeld wurde dabei festgelegt, dass TFS keinen Einfluss auf denZustand des eingesetzten Thermostaten hat. Hier wurde ausschließlich der präferierte Heizkörperzustandaufgezeichnet. Das Experiment zeigt dabei die realistische Interaktion zwischen den entsprechendkonfigurierten Menschmodellen, dem Büroraum und den dazugehörigen außenklimatischenBedingungen am Gebäudestandort. Weiterhin bestehen Anzeichen für geschlechtsspezifische Unterschiedehinsichtlich der Anforderungen an ein thermisch komfortables Innenraumklima. Letztereveranschaulichen dabei die Notwenidigkeit für personalisierbare Klimatisierungssystem, die lokalam menschlichen Körper agieren und folglich eine energieeffiziente Klimatisierung von Individuenermöglichen. Ein erster Vergleich mit Literaturdaten bestätigt die hier gezeigten Ergebnisse. DieValidierung der entsprechenden Resultate mit Versuchspersonen muss deshalb das Ziel zukünftigerForschungsaktivitäten in diesem Bereich sein.

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