人體建模的案例
Ansys Zemax | 如何建模人體皮膚以及光學心率探測器
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 如何在 OpticStudio 中建模人體皮膚以及光學心率探測器
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。
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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 RecurDyn 成功案例：基于人體建模的可穿戴機器人設計與仿真
┃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 
維克弗里斯特大學基于 HyperWorks開發車輛碰撞仿真的人體模型
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 打破常規的日常測繪工具 帶你用丈量的方式感受生活
不要以為這種二逼的事情很無聊，NASA人工智能專家Ara Nefian就曾經開發過胸圍測量App，并稱其應用包含“數種高級計算機視覺捕捉方式，人體建模以及機械學習機制。”恩，測繪就是這么高大上。
一山還有一山高 測量手機扔向高空的距離
測量胸圍還算正常了，有一種二逼App專門是來測量手機扔向高空的距離的。SMTH 是一款測量你的手機扔多高的APP工具。只要你打開SMTH app，然后用力地將手機往天空一扔，接住手機的話你就可以成功地看到你的手機到底扔了多高，當然我的意思是你接住的話。同時SMTH 還會告訴你當前你扔手機的高度世界排名第幾，并且排出全球十大光(sha)榮(bi)榜
來源：http://www.chinaunsv.com/html/2015/proTech_0113/3617.html
展開 ANSYS醫療器械行業工程仿真解決方案
5.5 Ansys解決設備與人體相互作用的關鍵功能
Ansys人體模型套件提供了多個人體模型，用于模擬射頻場和植入設備附近組織之間的相互作用
Ansys人體模型套件包含一整套人體模型
人類幻影的特征包括：
男女模特
200多個組織
多重表面分辨率
多體脂肪%（男性模特）
頻率相關材料特性
6、干粉吸入劑
6.1 技術挑戰
設備設計
粉劑配量/膠囊清空
粒子解凝聚作用
顆粒通過上呼吸道
粒子在設備內壁上的沉積
6.2 仿真價值
準確性：多相流，穩態和瞬態流，顆粒-流相互作用模型，顆粒-顆粒和顆粒-壁相互作用
6.3 仿真輸出
吸入器設計對性能的影響
膠囊清空效率
粉劑解凝聚作用效率
粒子沉積模式
解決藥物顆粒去團聚建模的關鍵功能
Ansys Fluent在氣流和DEM之間提供了強大的耦合，以捕獲顆粒和顆粒壁的相互作用
也可包括其他粘附力，如范德壁、毛細管力和靜電力
顆粒接觸過程中產生的顆粒旋轉和摩擦力也可以建模
7、監管審批
7.1 技術挑戰
仿真軟件質量保證
仿真數據管理
展開 游樂設施工程仿真解決方案
3.2.01 人體建模參考標準
備注：尺寸單位 （mm）
3.2.02 人體舒適性仿真模型
? 人體按照90%百分數坐姿尺寸建立幾何（75kg）
? 考慮人體關節運動（脊椎采用三段模型、Adams-球副）
? 考慮人體關節剛度阻尼（Adams-六向力）
? 考慮人體與安全帶、座椅的接觸碰撞（Adams-接觸力）
? 人體模型：16個部件，47個自由度。
3.2.03 輸入工況
過山車單環工況：半徑10m，總長82.83m。
3.2.04 過山車輸入運動規律
? 過山車速度：Max_Velocity=56.55km/h
? 加速度：Max_Accelaration=24.674m/s^2
? 工況歷時：T=6.547s
3.2.05 人體加速度
點擊查看視頻：https://video.zhihu.com/video/1506945693818781696?player=%7B"autoplay"%3Afalse%2C"shouldShowPageFullScreenButton"%3Atrue%7D
? 人體垂向加速度：Max_A_Vertical=7.852g
? 人體側向加速度：Max_A_Lateral=0.755g
3.2.06 人體與安全帶、座椅受力
點擊查看視頻：https://video.zhihu.com/video/1506945739217932288?
展開 專業團隊代做CAE、CFD、ANSYS、Fluent、ABAQUS、ADAMS仿真代做，仿真分析代做
9、 MATLAB：于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等。
10、 ProE、 CATIA、UG、Solidworks、Geomagic、Imageware、:產品設計、三維建模、抄數、逆向、模型修復、三維轉二維、二維轉三維等。
11、ICEM、Gambit/hymermesh：網絡劃分
12、其他軟件：Icepak、Star-ccm+、Nastran、Phoenics、Deform等
專業團隊代做CAE、CFD、ANSYS、Fluent、ABAQUS、ADAMS仿真代做，仿真分析代做
9、 MATLAB：于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等。
10、 ProE、 CATIA、UG、Solidworks、Geomagic、Imageware、:產品設計、三維建模、抄數、逆向、模型修復、三維轉二維、二維轉三維等。
11、ICEM、Gambit/hymermesh：網絡劃分
12、其他軟件：Icepak、Star-ccm+、Nastran、Phoenics、Deform等
在 COMSOL 中模擬心臟起搏器
如果專業人員可以對起搏器的工作方式進行建模和仿真，就可以對設計進行虛擬測試，而不是依賴動物或人體實驗。建模和仿真也比現實世界的 體內 起搏器實驗更高效、成本更低。
在 COMSOL Multiphysics? 中模擬起搏器電極
我們這篇博客中討論的教程模型模擬的不是整個起搏器，而是起搏器的兩個電極：陰極（工作電極）和陽極（環形反電極）。
起搏器電極模型的建模域和邊界條件。
在我們的模型中，域是周圍的血液和組織，電極和電極支架是模型邊界。域中的電流由遵循麥克斯韋方程的連續性方程控制。
我們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件中的 電流 接口進行分析。您可以在模型文檔中找到有關此接口的更多信息。
結果和討論
下面的模擬結果顯示了電極上的電位分布和心臟內電流分布的流線。
電極表面的靜電勢分布和總電流密度（流線）。
可以看到，球形工作電極上的電流密度最高。電流引發心臟跳動。
通過仿真，工程師可以優化起搏器的能效并延長它的使用壽命，隨著時間的推移，患者需要更換起搏器的次數越少；工程師還可以直觀的觀察幾何形狀如何影響電流和電壓分布。通過仿真，工程師還可以進行壓力測試，以了解起搏器設計的極限并避免進行體內實驗。
雖然本文介紹的教程模型模擬的是起搏器，但這些理念也可應用于模擬涉及離子傳導的其他過程。
展開 
利用HyperWorks實現對運動撞擊情景的精確仿真建模（轉）
撞擊類假人模型可用于模擬真人，研究人員可通過對假人模型施加傷害性載荷（如用球撞擊大腿）來分析人體的反應行為。
什么是個人防護裝備？
個人防護裝備(PPE)是運動員在體育活動過程中必不可少的安全防護設備。人體的結構異常復雜，具有許多相互交織的組織結構和復雜的解剖幾何。
在研究運動撞擊情景時，采用精確的假人模型將有助于研究人員了解人體的真實反應行為。
解決方案
假人模型的研發
Tom Payne 是STI的一名博士研究員，專注于研發用于改進運動類 PPE 評估效果的新型合成虛擬假人模型。
為研發出精密的假人模型，從而能夠更準確地預測人體的反應行為，有必要對這些復雜的人體結構進行建模。在對這些結構進行建模時，大多數普通有限元(FE)前處理器或網格劃分工具所具備的網格劃分功能遠遠不能滿足需求，于是，HyperMesh 應運而生。
能否對復雜幾何進行離散求解是這類研究的關鍵挑戰所在。網格的質量是影響模型特性最重要的因素之一。鑒于精確獲得假人模型反應（尤其在驗證合成假人模型時）的重要性，能否對復雜幾何進行網格劃分是研究過程中不可或缺的一步。
有限元模型是必不可少的診斷工具，它不僅可以報告假人模型的預期行為，同時還能夠報告更復雜的合成假人模型的開發進展，從而無需再進行既昂貴又耗時的原型制作。通過有限元建模，許多無法在合成模型中詳細測量的載荷現象都可實現精確測量，從而無需人為創建應力集中點，因此可避免降低仿真度。
高效生成高質量模型
通過學習在線教程和求助曾參加 Altair 培訓課程的同事，Tom 用 HyperMesh 清理了掃描幾何，并生成一個高質量網格。
幾何編輯工具可以高效清理導入掃描幾何時產生的任何不一致之處。
展開 使用 COMSOL 軟件研究人體集總模型中的振動
為了給汽車和其他應用設計減少 WBV 的系統，工程師需要高效地分析人體的振動效果。仿真可以助工程師一臂之力。
將負面振動減到最少
全身振動指傳遞到人體的任何振動。多年研究證明了物理治療和健身器械（比如下圖中的振動腰帶）產生的振動對健康有積極影響，但在其他領域產生的消極的副作用同時成為了更亟待解決的問題。全身振動的常見癥狀包括疲勞、背痛、暈動病，長時間振動還可能導致消化問題、視覺和平衡障礙、骨骼損傷等。當駕駛汽車或使用電動工具和重型裝備時，人們都能感覺到全身振動。
利用全身振動燃燒約 1950 脂肪的振動腰帶（也稱作“振動器”）。圖片由 Andrew Kuchling 拍攝，已獲 CC BY 2.0 授權，并通過 Flickr Creative Commons 分享。
為了更好地防范全身振動，工程師們分析了不同頻率的振動對人體的影響。模擬整個人體的反應相當耗費計算資源，一種替代方法是通過集總模型來簡化行為描述。為了模擬這樣的多體系統，工程師們可以使用“多體動力學模塊”，它是“結構力學模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產品。
人體集總建模
本文所示的集總模型是彈簧-質量-阻尼器模型，包括三個主要部分：
人體
鞋子
地面
人體、鞋子和地面的集總模型。
這三個部分都可以使用集總機械系統接口的質量、彈簧 和阻尼器 節點進行建模。
四體模型是表征人體的常用模型，它包括五個彈簧、一個阻尼器和四個質量。這些質量各自擁有自由度（DOF），分類如下：
上部剛性
上部顫動
下部剛性
下部顫動
鞋中有一個彈簧、阻尼器、質量和 DOF。為了簡單起見，可以假定鞋子和腳之間的力是彈簧變形的線性函數（而不是更符合現實的非線性函數）。
展開 利用 HyperWorks 實現對運動撞擊情景 的精確仿真建模
利用 HyperWorks 實現對運動撞擊情景 的精確仿真建模
作者：Simwe 來源：Altair
拉夫堡大學體育技術學院 (STI) 始建于 2007 年，是世界領先的，同時也 是英國最大的體育工程學科研團隊。目前，STI 已同多家全球領先的體育用品 品牌及戰略商業伙伴廣泛建立合作關系。
STI 擁有設施一流的固定實驗室，可供科研團隊完成從初始概念到最終產 品的全部過程。實驗室中設備齊全，便于科研團隊對產品系列進行設計、開發、 樣機制造、測試和優化。他們還可以自行制作定制設備，以滿足特定研究項目 的要求。
開發用于研究運動類個人防護裝備 (PPE) 的增強型假人模型是該學院主 要的研究活動之一。撞擊類假人模型可用于模擬真人，研究人員可通過對假人 模型施加傷害性載荷（如用球撞擊大腿）來分析人體的反應行為。
什么是個人防護裝備？
個人防護裝備 (PPE) 是運動員在體育活動過程中必不可少的安全防護設 備。人體的結構異常復雜，具有許多相互交織的組織結構和復雜的解剖幾何。
在研究運動撞擊情景時，采用精確的假人模型將有助于研究人員了解人體的真實反應行為。
解決方案
假人模型的研發
Tom Payne 是 STI 的一名博士研究員，專注于研發用于改進運動類 PPE 評估效果的新型合成虛擬假人模型。 為研發出精密的假人模型，從而能夠更準確地預測人體的反應行為，有必要對這些復雜的人體結構進行建模。在 對這些結構進行建模時，大多數普通有限元 (FE) 前處理器或網格劃分工具所具備的網格劃分功能遠遠不能滿足需求，于是，HyperMesh 應運而生。 能否對復雜幾何進行離散求解是這類研究的關鍵挑戰所在。
展開 利用HyperWorks實現對運動撞擊情景的精確仿真建模
為研發出精密的假人模型，從而能夠更準確地預測人體的反應行為，有必要對這些復雜的人體結構進行建模。在對這 些結構進行建模時，大多數普通有限元(FE)前處理器或網格劃分工具所具備的網格劃分功能遠遠不能滿足需求，于是，HyperMesh應運而生。
能否對復雜幾何進行離散求解是這類研究的關鍵挑戰所在。網格的質量是影響模型特性最重要的因素之一。鑒于精確 獲得假人模型反應（尤其在驗證合成假人模型時）的重要性，能否對復雜幾何進行網格劃分是研究過程中不可或缺的一步。
有限元模型是必不可少的診斷工具，它不僅可以報告假人模型的預期行為，同時還能夠報告更復雜的合成假人模型的開發進展，從而無需再進行既昂貴又耗時的原型制作。通過有限元建模，許多無法在合成模型中詳細測量的載荷現象都可實現精確測量，從而無需人為創建應力集中點，因此可避免降低仿真度。
高效生成高質量網格
通過學習在線教程和求助曾參加Altair培訓課程的同事，Tom用HyperMesh清理了掃描幾何，并生成一個高質量網格。幾何編輯工具可以高效清理導入掃描幾何時產生的任何不一致之處。這一功能非常重要，因為所有用于假人模型評估 的人體結構均為非標準形狀，因此經常會難以體現某些細節。這款軟件的診斷功能同樣也非常有助于評估網格的質量和一致性。
在研究運動撞擊情景時，有些部位必然會承受局部高應力和單元形變，而這兩者都會對幾何特征（例如，骨性突起）或撞擊位置產生作用。因此，通常要進行網格偏移。研究人員可利用HyperMesh來加強對這些特征的控制，以便更輕松地完成網格優化，從而順利實施和管控后續迭代操作。
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