Multi-sector thermophysiological head simulator for headgear research

Abstract

[EN] Predicting thermal comfort perceived during wearing protective clothing is important especially for the head as it is one of the most sensitive body parts to heat. Since helmets typically induce an additional thermal insulation that impairs the heat dissipation from the head, a special attention should be drawn to a heat strain leading to a decrease of the cognitive performance and to adverse health effects. Thermal manikins allow systematic analysis of the heat and mass transfer properties of protective clothing. However, this methodology does not provide sufficient information about the local and the whole body human physiological response in different cases of use. The prediction of the physiological state of the body is provided by a thermophysiological model. However, they are not capable of accounting for complex heat and mass exchange processes at the skin surface when the clothing is worn. Thermal devices could measure the overall effect of these processes when wearing the given actual gear and being exposed to the surrounding environment. Several attempts to couple thermal manikins with physiological models have been undertaken, however, the partial coupling of a body part manikin with a physiological model has not been addressed so far. Hence, the aim of this work was to develop a novel thermophysiological human head simulator for headgear evaluation based on the coupling of a thermal head manikin with a thermophysiological model. This method would be able to realistically reproduce the effect of clothing on the heat and mass transfer from the head's skin to the environment. A thermal head manikin with a dedicated segmentation for headgear testing was evaluated for the thermophysiological human head simulator. This head manikin showed consistent when compared to previously published data of a less segmented head manikin and the more detailed investigation of the local heat transfer at head brought additional information regarding the contribution of the local design characteristics of the headgear to the overall heat exchange. The thermal head manikin was evaluated in the most demanding scenarios according to the human physiology. It was possible to consistently define four head parts, namely, forehead, cranial, face and neck parts. When heterogeneous surface temperature distribution was applied on the head manikin, the gradients between head parts could compromise the precision of skin temperature prediction at forehead and face. The passive heating and cooling responsiveness of the head manikin did not present any limitation for simulating sudden temperature step changes. However, when the manikin heating and cooling processes were modulated by the PI control with default settings, the time needed to reach the temperature set point was larger than the time required by the human physiology. The thermophysiological model was validated for prediction of global and local skin temperatures by comparing simulations against human experimental data in a wide range of conditions. The physiological model showed a good precision in general when predicting core and mean skin temperature. A reduced precision was observed for some local skin temperatures. Finally, the thermal head manikin and the physiological model were coupled to build up the thermophysiological head simulator. The comparison of the prediction of the coupled system with human experimental data in several scenarios showed a good agreement for rectal and mean skin temperatures. However, some greater discrepancy was observed for forehead temperature in exposures in which participants were exercising in warm environments. The representation of the human sweat evaporation could be affected by a reduced evaporation efficiency and manikin sweat dynamics. The industry will benefit from this thermophysiological human head simulator, which will lead to the development of helmet designs with enhanced thermal comfort, and therefore, with higher acceptance by users

[ES] Poder predecir el confort térmico durante el uso de indumentaria de protección es muy relevante especialmente en el caso de la cabeza, ya que es una de las partes más sensibles del cuerpo al calor. Los cascos y otros elementos de protección frente a impactos incorporan un aislamiento adicional que di-ficulta la disipación de calor en la cabeza. Los maniquís térmicos permiten analizar de manera sistemática las propiedades de transferencia de calor y humedad de la indumentaria de protección. Sin embargo, esta metodología no permite inferir la respuesta fisiológica del usuario cuando utiliza la prenda. Existen modelos termofisiológicos que permiten predecir la respuesta térmica humana pero presentan algunas limitaciones cuando se representan los procesos de transferencia de calor y humedad a través de la ropa. En este caso, un maniquí térmico podría cuantificar el intercambio real de calor que se pro-duce con el ambiente térmico cuando se viste una determinada prenda. Existen experiencias en las que un maniquí de cuerpo completo ha sido acoplado con un modelo termofisiológico. Sin embargo, el acoplamiento de un maniquí que representa únicamente una parte del cuerpo con un modelo de la fisiología humana no ha sido llevado a cabo hasta ahora. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo ha sido desarrollar una nueva metodología para evaluar cascos y equipos de protección para la cabeza basándose en el acoplamiento de un maniquí térmico de cabeza con un modelo fisiológico. Un maniquí térmico de cabeza ha sido evaluado para ser acoplado con un modelo termofisiológico. Sus medidas fueron consistentes con resultados anteriormente publicados realizados con un maniquí en menos seccionado. Este nuevo maniquí introdujo información adicional sobre la contribución en particular de las distintas características de diseño del casco al intercambio de calor global. El maniquí térmico de cabeza fue evaluado en los escenarios más extremos identificados para la fisiología humana. Se pudo identificar cuatro partes en el sistema acoplado, frente, cráneo, cara y cuello. En el caso de simular una distribución heterogénea de temperatura, los gradientes generados entre las diferentes partes podrían comprometer la precisión en la predicción de la temperatura de la piel en la frente y la cara. La capacidad pasiva de calentamiento y enfriamiento del maniquí de cabeza no supuso ninguna limitación para simular los cambios súbitos de temperatura de la piel pero cuando el control PI del maniquí moduló los procesos de calentamiento y enfriamiento, el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de consigna fue mayor que el tiempo de reacción observado en la fisiología humana. Las predicciones de temperatura obtenidas con el modelo de la fisiología humana fueron validadas mediante la comparación con datos humanos experimentales. En general, el modelo mostró buena precisión para la predicción de la temperatura interna y la temperatura media de la piel. Sin embargo, la precisión observada fue menor para la predicción de algunas temperaturas locales. El maniquí térmico de cabeza y el modelo termofisiológico fueron acoplados. La comparación de las predicciones del sistema acoplado con datos humanos experimentales en diferentes escenarios mostró concordancia para la temperatura rectal y media de la piel. No obstante, se observó una mayor discrepancia en la predicción de la temperatura de la frente si se comparaba las simulaciones obtenidas con el modelo por sí solo y con el sistema acoplado en escenarios en los que los participantes realizaban actividad física ambientes cálidos. La representación de la evaporación del sudor humano en el sistema acoplado podría estar condicionada por una menor eficiencia en la evaporación y la respuesta dinámica de la sudoración del maniquí. La industria se podrá beneficiar de este sistema para avanzar en el desarrollo de nuevos productos que proporcionen

[CA] Poder predir el confort tèrmic durant l'ús d'indumentària de protecció es especialment rellevant en el cas del cap, ja que és una de les parts més sensibles del cos a la calor. Els cascs incorporen un aïllament adicional que dificulta la dissipació de la calor al cap. Aquest fet és particularment dramàtic quan l'estrès tèrmic afecta negativament a la funció cognitiva i té efectes negatius sobre la salut. Els maniquins tèrmics permeten analitzar de manera sistemàtica les propietats tèrmiques de la indumentària de protecció. No obstant, aquesta metodologia no permet inferir la resposta fisiològica de l'usuari quan utilitza la indumentària. En l'actualitat existixen models matemàtics que permeten predir l'estat fisiològic del cos humà però presenten algunes limitacions quan es tracta de simular els complexos processos de transferència de calor i humitat que ocorren amb roba. En aquest cas, un maniquí tèrmic podria quantificar l'intercanvi real de calor que es produïx en l'ambient tèrmic quan es porta una determinada roba. Existixen experiències prèvies en les que un maniquí de cos complet ha sigut acoblat en un model de la fisiologia humana. No obstant, l'acoblament d'un maniquí que representa únicament una part del cos en un model de la fisiologia humana no ha sigut dut a terme fins ara. Per tant, l'objectiu d'aquest treball es desenvolupar una nova metodologia per a evaluar cascs i indumentària de protecció per al cap basada en l'acoblament d'un maniquí tèrmic de cap amb un model fisiològic. Un maniquí tèrmic de cap ha sigut valorat per a ser acoplat en un model de la fisiologia humana. Les mesures del maniquí van ser consistents amb els resultats publicats en maniquís menys seccionats. Aquest maniquí tèrmic de cap introduix informació adicional sobre la contribució particular de les dife-rents característiques del disseny dels cascs a l'intercanvi de calor global. El maniquí tèrmic de cap ha sigut valorat en els escenaris més extrems identificats per la fisiologia hu-mana. Es van poder identificar quatre parts al sistema acoblat, front, crani, cara i coll. En el cas de simular una distribució heterogènia de temperatura en la superfície del maniquí de cap, els gradients generats entre les diferents parts podria comprometre la precisió en la predicció de la temperatura de la pell en el front i la cara. La capacitat passiva de calfament i refredament del maniquí de cap no va suposar ninguna limitació per simular els canvis sobtats de temperatura de la pell observats en la fisiologia humana. No obstant, quant el control PI del maniquí modulà els processos de calfament i refredament, el temps necessari per alcançar la temperatura de consigna va ser major que el temps de reacció observat en la fisiologia humana. Les prediccions de temperatura obtingudes en el model de la fisiologia humana previst per formar part del sistema acoblat van ser validades amb dades humanes experimentals. En general, el model va mostrar una bona precisió en la predicció de la temperatura interna i la temperatura mitjana de la pell. No obstant, la precisió va ser menor en la predicció de las temperaturas locals. El maniquí tèrmic de cap i el model de la fisiologia humana van ser acoblats. La comparació de les prediccions del sistema acoblat amb dades humanes experimentals mostraren concordança en el cas de la temperatura rectal i mitjana de la pell. No obstant, s'observà una major discrepància en la predicció de la temperatura del front quant es comparaven les simulacions obtingudes en el model per sí mateix i el sistema acoblat en escenaris en els quals els participants realitzaven activitat física en am-bients càlids. La representació de l'evaporament del suor humà en el sistema acoblat podria estar con-dicionada per una menor eficiència en l'evaporament. La indústria es podra beneficiar d'aquest sistema per a avançar en el desenvolupament de nous productes que proporcione