人體建模
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-12
人體建模的實例教程
本文演示了如何在 Zemax OpticStudio 中對人體皮膚建模以進行生理測量，并說明了使用 ZOS-API 對基于 PPG 的心率傳感器進行的時間相關模擬。(聯系我們獲取文章附件)
簡介
PPG 器件由紅外或可見光波長范圍內的發光二極管 (LED) 和光電探測器組成。它們提供了一種簡單的光學技術來檢測組織中的血容量變化，因為血液比周圍的組織對光具有更強烈地吸收和散射效應。因此，血液的脈動將導致檢測器信號發生相反的相位變化。本文介紹如何在 OpticStudio 中模擬人體皮膚組織模型，并演示如何使用 ZOS-API 應用程序模擬 PPG 設備隨時間推移的測量信號。
基礎設計
PPG 傳感器可設計為反射或透射模式。由于光的穿透深度取決于其波長，因此綠色和黃色 LED 光線最適合在淺表血流中進行測量，并且通常以反射模式使用。另一方面，紅外和近紅外波長更適合測量深層組織血流，可用于透射模式。在次案例中，我們展示了一個反射 PPG 設備。
我們的目標是根據相關文獻中發表的數據開發一個逼真的皮膚模型。因此，我們打算應用某種波長，通常設置為對應皮膚和血液的光學參數在文獻中廣泛可見的波長，并且也接近商業設備中最常用的波長。因此，我們建模選擇了 575nm 的波長，并使用 QSMF-C160 LED (Avago Technologies) 作為光源。此 LED 的模型可以直接從 Radiant Source Model 數據庫下載，并且可以通過從 Radiant Source Model 文件生成的光線來創建光源文件。
人體皮膚建模
為了模擬人體組織介質中的光傳輸，我們創建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結構。
展開 03
人體皮膚建模
為了模擬人體組織介質中的光傳輸，我們創建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結構。由于此例的主要目標是模擬基于 PPG 的心率傳感器，其中關鍵點是測量由血液脈動引起的變化，因此我們專注于準確地建模可以觀察到這種脈動的皮膚層。因此，我們分別對不同血含量值的真皮亞層進行建模，即真皮乳頭層、毛細血管下皮層、上層血網真皮層、網狀真皮層和深部血網真皮層。另一方面，由于表皮中沒有血液含量，為了保持模型簡單我們只使用一個厚表皮層，它包含所有角質層、顆粒層、棘層和基底層。最后，與大多數已發布的皮膚模型類似，我們也用一層結構表示皮下脂肪。
上述所有皮膚層在 OpticStudio 中都建模為矩形物體，每層的厚度值基于文獻數據，通過使得側面沒有漏光的方式來確定橫截面的尺寸。通過使用上一個層作為參考對象并對上一個層的 Z 長度單元格中的 Z 位置值應用 Pickup 求解來放置后續層結構。該解決方案確保了各層結構緊貼在一起，之間沒有任何間隙。
自定義組織層結構
由于本案例研究僅依賴于文獻中發表的數據，因此我們在整個建模過程中并未進行任何新的測量。盡管模型參數基于已發布的數據，但需要注意的是，人體皮膚的光學參數在不同人群中可能存在明顯差異。因此，特定主題可能需要使用不同的參數。所以，如果您的特定應用可以獲得更準確的數據，請制定相應的組織結構模型。
詳細表示皮膚中的所有每條血管將需要添加數百個具有復雜空間排列的物體，并且會降低模型的通用性，因此這種類型的建模在文獻中并不進行考慮，所以我們也沒有應用這種建模方式。相反，我們通過計算血液和周圍組織結構的光學參數的加權平均值來考慮不同皮膚層的血液含量。
展開 本文演示了如何在 Zemax OpticStudio 中對人體皮膚建模以進行生理測量，并說明了使用 ZOS-API 對基于 PPG 的心率傳感器進行的時間相關模擬。
簡介
PPG 器件由紅外或可見光波長范圍內的發光二極管 (LED) 和光電探測器組成。它們提供了一種簡單的光學技術來檢測組織中的血容量變化，因為血液比周圍的組織對光具有更強烈地吸收和散射效應。因此，血液的脈動將導致檢測器信號發生相反的相位變化。本文介紹如何在 OpticStudio 中模擬人體皮膚組織模型，并演示如何使用 ZOS-API 應用程序模擬 PPG 設備隨時間推移的測量信號。
基礎設計
PPG 傳感器可設計為反射或透射模式。由于光的穿透深度取決于其波長，因此綠色和黃色 LED 光線最適合在淺表血流中進行測量，并且通常以反射模式使用。另一方面，紅外和近紅外波長更適合測量深層組織血流，可用于透射模式。在次案例中，我們展示了一個反射 PPG 設備。
我們的目標是根據相關文獻中發表的數據開發一個逼真的皮膚模型。因此，我們打算應用某種波長，通常設置為對應皮膚和血液的光學參數在文獻中廣泛可見的波長，并且也接近商業設備中最常用的波長。因此，我們建模選擇了 575nm 的波長，并使用 QSMF-C160 LED (Avago Technologies) 作為光源。此 LED 的模型可以直接從 Radiant Source Model 數據庫下載，并且可以通過從 Radiant Source Model 文件生成的光線來創建光源文件。
人體皮膚建模
為了模擬人體組織介質中的光傳輸，我們創建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結構。
展開 ┃仿真過程
①獲取人體運動測量數據、人體程序、創建人體模型和輸入運動數據的“Bio-motion”
②將生成的人體模型導入 RecurDyn，然后實現動力學模型
③利用襯套將人體與穿戴機器人相結合，仿真人體的動態行為
*獲取可穿戴機器人運動結果
④地面反作用力（GRF）和可穿戴機器人運動數據輸入后的動力學分析
⑤獲取可穿戴機器人執行器所需的扭矩數據和機器人關節容許角度（ROM）
⑥利用可穿戴機器人執行器的位移和速度數據構建控制聯動模型，并進行聯合仿真
圖2 人體模型的創建
┃關鍵分析技術
利用RecurDyn/Bio-motion創建人體動力學模型
人體和可穿戴機器人通過皮帶連接以及動力學建模
使用 ProcessNet進行定制應用后處理和各種人體運動測量數據
動力學模型和Simulink控制聯合仿真
┃RecurDyn工具包
RecurDyn/Professional
RecurDyn xSimulink Co-simulation (RecurDyn/Control) or CoLink
ProcessNet
┃面臨的工程問題
在驗證階段難以預測測試中的破損而帶來的時間和金錢的損失
直接佩戴樣機具有一定危險性
修改設計變量（設計、執行器容量和允許的運動角度）帶來重復過度的實驗時間和成本
需要通過各項人體模型身體外觀對穿戴機器人進行驗證
┃解決放案
使用人體模型構建動力學模型，以驗證每個關節的扭矩載荷
使用逼真的、多樣化的人體模型進行仿真
展開 行業：高校/科研，汽車
挑戰：汽車碰撞仿真中的有限元人體模型的開發
Altair 解決方案：采用HyperMesh、HyperMorph和RADIOSS進行開發及驗證
優點“計算人體模型模擬，可以使評；估更加接近于現實，從而改進；工程設計，以防止車輛碰撞時造成的潛在人體損傷。
項目介紹
維克弗里斯特大學（Wake Forest University）是一所在生物醫學科學和生 物工程領域領先的研究型大學，為學生和教師提供了個人和專業成長的優異機 會。
該大學醫學院的損傷生物力學中心（CIB）研究汽車碰撞造成的損傷，更 加深入了解損傷人體的耐受性，幫助工程師制定更加健全的安全對策。自 2006 以來， CIB 的 Joel Stitzel 和 Scott Gayzik 博士一直是全球人體建模協會 （GHBMC）的主要研究人員，GHBMC是一個國際性的協會，包括汽車制造商、 供應商、研究型大學及政府機構，旨在提高碰撞仿真中人體建模技術。
挑戰
計算模型的建立是損傷生物力學和創傷研究的一個不斷增長的組成部分。 詳細的人體模型的數學建模，可以準確模擬人體在真實情境中的碰撞損傷情況， 有助于進行設計改進，以幫助防止發生潛在的人體受傷。開發詳細人體模型的 第一步是在數學上量化基本的人體器官、骨骼及身體的四肢這些會受創傷的部 分。由此產生的醫學圖像數據必須準確地代表了一系列的汽車乘員：成人（男 性和女性）、幼兒（3-6 歲）和嬰兒。其次，人體數據必須進行離散化，以產 生精確的一系列的有限元（FE）模型，這些不同的身體系統的有限元模型，集 成為整個人體模型。最后，整個人體模型必須在汽車碰撞模擬乘員和行人的影 響條件進行驗證。
展開 
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借助FEA，工程師可以使用任何類型的物理場（熱傳遞、流體力學、結構力學等），對任何尺寸（從納米級到大型客機）、任何形狀的幾何結構（從方形塊到人體心臟）進行建模?；旧?，只要有偏微分方程，FEA就有用武之地。
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借助FEA，工程師可以使用任何類型的物理場（熱傳遞、流體力學、結構力學等），對任何尺寸（從納米級到大型客機）、任何形狀的幾何結構（從方形塊到人體心臟）進行建模?；旧希灰衅⒎址匠蹋現EA就有用武之地。
根據以下文章Ansys Zemax | 如何建模人體皮膚以及光學心率探測器進行建模中描述的模型對組織進行建模，考慮了組織的折射、吸收和散射特性。
第三步，Speos批處理仿真與workbench
從Motion中導出智能手環與人手腕的相對位移。智能手環在X、Y、Z方向上隨時間變化的位移分別保存在三個*. csv表中。利用Workbench建立了 DOE的設計。
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