人体模型（共8篇）
人体模型 篇1
一、引言
电磁辐射对人体的影响涉及到通信学, 生物学, 医学, 电磁学等学科, 衍生出生物电磁学 (Bioelectromagnetics) 这一新兴学科, 这一领域需要大量对电磁场与生物体互动的研究, 以减轻RF电磁场对人体的生物效应之危害, 并且希望利用电磁场生物效应解决诸如微波热疗术等的特定的生物医学的难题。生物电磁学主要研究的命题有:生物体暴露在电磁场下产生的生理生化响应;电磁场 (波) 对生物体激化的机理与效应;生物电磁相关的剂量学;生命体的诸如电导率色散效应的电磁特性;生物电磁学的生化医疗应用;并讨论基于以上认知的生物电磁负效应的改进与制定射频辐射有关的政策限制标准。在对生物体生物效应的研究体系中, 对生物效应的定量判定主要采用剂量学, 其中专家学者普遍认可比吸收率 (Specific Absorption Rate, SAR) 作为其重要的判定参数。而SAR是计算电磁辐射在生物体内产生能量的一种方法:
其中σ为电导率, ρ为组织密度, E为电场密度, SAR (吸收比) 表示在单位体积内吸收的电磁能量。
二、人体电磁仿真模型研究现状
比利时Ghent大学研究了人体各部分在多径环境下2.45GHz的信道传播模型, 并使用一个自动校正模型计算路径损耗数值, 提取出路径损耗参数和时域信道特征。基于仿真数据, 该论文给出了一个离人体5mm高的天线经验路径衰落模型, 有助于评估在单跳和多跳网络中的能耗效率。国立澳大利亚大学采用格林函数作用于一个圆柱形的人体模型, 提出了一个简单的电磁传播信道模型, 同时考虑到了体内或体外4种可能的方式, 给出了一个分析表达式用以计算人体周围接收到的信号强度。从研究现状来看, 目前大多采用仿真的办法得出各种各样的模型, 所针对的场景主要是室内空旷环境, 缺乏系统的理论分析, 实测数据还很不充分, 没有对人体处于不同姿势比如站、坐、蹲、躺、侧卧、跑步等做相应的修正处理, 对多种场景下的路径衰落测量还未展开, 因此建立多场景下、人体不同姿势的SAR分布研究成为急迫的研究热点问题。
三、人体模型的建立及人体SAR分布的计算
1. 人体电磁仿真模型的建立
美国ROMCOM公司旗下的软件VARIPOSE可以建立多个不同姿势下的人体网格模型, 该模型包括39种不同的组织材料, 可以导入XFDTD中进行人体的整体生物电磁仿真。
采用XFDTD7.0以上版本对人体处于自由空间的人体模型分别在1-g, 10-g下计算SAR分布 (图2)
2. 采用平面波照射人体模型并计算SAR分布
本文针对的是远区场, 所以激励源设置为150mhz的均匀平面波, 从人体模型的连接边界面上对人体入射。本文利用软件XFDTD计算了在150MHz的均匀平面波下, 网格大小为5mm的人体电磁模型在坐姿以及站姿状态下的场分布和人体不同材质下的平均SAR和最大SAR。空间的网格总数为108×88×260, 极化方式为E极化, 电场强度方向平行于Z轴。
由于奔跑时所受平面波照射的面积略小于站姿, 所以从表1和表2中可以看出, 坐姿的SAR (人体吸收比) 略小于站姿的SAR, 其次, 由于姿势的改变导致了骨骼的拉升和各组织密度的变化, 特别是奔跑时腿部, 手臂以及腰部的肌肉发生变形, 对于组织的电磁参数产生了影响, 也影响了最大SAR的数值。
四、结论
本文使用XFDTD分别计算了处于奔跑和站立两种姿势的人体电磁模型的SAR分布。从结果可以看出:1) 站姿状态下人体各个组织的SAR值要高于其他姿势, 因此将站姿利用与制定电磁防护标准是可行的。2) 人体的各组织中皮肤对于电磁辐射的能量吸收最大, 然后是介电常数较大的组织, 符合SAR的计算公式。
参考文献
[1]Repacholi M H.Low-level exposure to radio frequency electromagnetic fields:health effects and research needs[J].Bioelectromagnetics, 1999, 19 (1) :1～19.
[2]M.A.StucLy.Electromagnetics in Biology and Medicine[J].Radio Science, 1995, 30 (1) :149～150.
[3]James C.Lin.Biological aspects of mobile communication fields[J].Wireless Networks, 1997, 3:439～453.
[4]James C.Lin.Specific Absorption Rates Induced in Head Tissues by Microwave Radiation from Cell Phones[J].Microwave Magazine IEEE, 2001, 2 (1) :24～25.
人体模型 篇2
关键词 类比模型 初中生物 课堂教学
【分类号】G642
教材分析
《人体内废物的排出》是人教版七年级下册第四单元第五章的内容。学生在之前的学习中已经了解了消化系统、呼吸系统和循环系统的相关知识，因此本章是前四章内容的自然延续，起到一个延伸和完善的作用。在教学中首先通过学生观察与思考，了解泌尿系统的组成，接着安排学生进行资料分析，利用教师自制的肾单位模型来模拟尿的形成过程，并安排学生进行小组活动，然后用动态图呈现尿的形成和排出的过程，引导学生生成重要概念，最后利用学到的知识解决生活中的实际问题。学好《人体内废物的排出》这节内容，有利于将前面所学的知识贯穿起来，并为以后学习《人体生命活动的调节》奠定基础，所以本节内容起到了一个承上启下的作用。
学情分析
学生之前已掌握了血液循环的基础知识，为学习这章《人体内废物的排出》做好了铺垫，也具备了一定的观察与思考、分析与探究的能力。肾脏的结构和功能、尿的形成这些知识对七年级学生来讲十分抽象，学生的抽象思维能力有待提高，在学习时可以借助图片和教师引导模型构建的过程来来帮助理解。
教学目标
知识目标：
描述泌尿系统的组成；概述尿液的形成和排尿过程；描述其他排泄系统
能力目标：
通过对模型建构、图片的观察和对表格的讨论，尝试归纳尿液的形成过程；运用小组讨论交流的形式进行模型修正来说明肾小球的过滤作用和肾小管重吸收作用；运用尿液形成的知识说明透析原理，运用储尿排尿的知识解释及时排尿与经常喝水的原因。
情感、态度与价值观：
确立肾单位结构与其功能相适应的观点；通过对血液透析机的分析，认同技术是连接科学与社会的桥梁；通过对泌尿系统保健的讨论，认同养成良好的生活与卫生习惯的重要性。
教学重点 ：肾单位的结构； 尿的形成和排出过程
教学难点 ：尿的形成过程
教法学法：
教法：采用实物模型展示、类比模型建构、自主学习、合作探究的教法，充分发挥学生的主体作用和调动学生的学习积极性；教师适当给予一些提示和补充，从而激发学生的自信心和思考全面性。
学法：采取自主学习、合作探究的学法，尝试弄清楚尿液形成过程，从而达到学生动脑去思考、分析、记忆的目的。
教学过程
情境导入
问题驱动：细胞在分解有机物，释放能量的时候，它会产生些废物，你知道有哪些吗？这些物质通过什么样的途径排出体外呢？（复习旧知，了解学生原有的认知）人体内产生的一些尿素依赖于排尿排出体外，在这个过程中还排出了部分的水和无机盐，那么尿液是如何形成的？接着出示H同学尿液化验报告单，引导学生比较H同学与正常人尿液化驗结果：H同学怎么啦？（学生比较，启发思考，激活学生的求知欲，引入新课--人体内废物的排出）。
泌尿系统的组成
教师分发解剖好的新鲜的猪肾和相关教具，指导学生观察分析，学生根据观察到的现象和泌尿系统结构图分析归纳完成相关问题。①泌尿系统主要是由哪些器官组成的？②注意观察肾动脉和肾静脉以及肾的颜色，根据你所学的知识，想像一下肾脏里血管的分布状况是怎样的？血液是怎样进出肾脏的？③你认为尿液的形成与血液循环有没有关系？（培养学生自主学习、合作学习的意识和能力。实物和直观的图片加深了学生的印象）
尿的形成
第一步 学生在识图基础上通过自学明确肾单位结构（肾的结构和功能基本单位是什么？肾单位包括哪几部分？肾小球实质是什么“球”？肾小球两边与什么血管相连？他们的管径有什么不同？流经的血液的量可能有什么不同？）通过实物模型的展示，教师及时指导点播使知识更加形象化。
第二步 多媒体展示资料：健康人肾动脉中的血浆、肾小囊中的液体和尿液进行比较的数据。指导学生分析数据，回答：尿液和血浆的成分发生了什么变化？你认为排尿主要排出哪些物质？在肾小囊中出现葡萄糖而在尿液中并没有，这说明肾小管有什么作用？得出结论。通过小资料的分析，理解滤过和重吸收两个过程。培养分析、合作学习的能力。
第三步 教师引导学生构建肾单位结构模型，用生活中的素材来制做模型并拍摄微视频进行展示（小红豆表示红细胞、薏米表示蛋白质、绿豆表示葡萄糖、FeCl3溶液表示尿素、芝麻表示无机盐，用红蓝的大吸管表示动静脉、乳胶管表示肾小管、塑料瓶表示肾小囊、注满红色墨水的小软管表示毛细血管，用塑料瓶里的折叠的小软管来解释肾小球的功能；用盘绕的乳胶管来代替肾小管，用烧杯来衡量原尿和尿液的量，依此说明肾小管的功能），小组讨论完成：①举例说明什么是过滤和重吸收？②在过滤形成原尿过程中，血浆中哪些成分不能被过滤到肾小囊中去？③在重吸收过程哪些成分被重吸收了送回血液中？④肾脏是人体“过滤器”，肾脏如何将尿素、多余的水和无机盐等废物从血液中分离出来的？老师对学生讨论中存在的问题及时点拨
第四步 播放尿液的形成过程动画，学生体会到尿液形成过程是动态的、连续不断的。
尿的排出 【自主学习】阅读P75 第2-3段，以及P77“血液透析”和肾脏移植。回答尿是如何排出的？排尿对维持正常生理功能有何意义？水对人体是非常重要的，而排尿时会失去大量的水，那么为什么人体在缺水的情况下还要排出尿？
排泄途径【自主学习】阅读P72第1段和P75-76完成，什么是排泄？人体会产生哪些废物？这些废物通过哪些途径排出体外的？排便属于排泄吗？
课堂小结：
【学以致用】 H怎么了？糖尿病患者尿中出现了葡萄糖，可能哪里发生了病变？怎样维持泌尿系统的健康？通过反馈，提高运用所学知识解决实际问题的能力。
教学评价与反思
本节课在教法的设计上，体现了“面向全体学生”的理念，以引导学生主动探究为主要教学手段。在学法上让学生通过观察讨论、模型制做、与同伴的合作交流来理解“尿的形成过程”，即通过感性认识和理性分析最终对知识形成完整的构建。教师在此过程中起组织者和引导者的作用，体现学习过程中学生的主体地位。在活动设计中充分利用实物、图解，模型建构、多媒体动画相结合的方式，引导学生形成结构与功能相统一的观点，提高了学生的观察能力、动手能力、分析能力和逻辑思维能力，在讨论交流中的语言表达能力也得到提高。
参考文献
[1] 赵萍萍、刘恩山 .中学生物学中的类比模型及其构建.[J]中学生物教学2015年第6期4-7
人体骨骼三维模型重建技术的研究 篇3
在20世纪80年代以来, 以计算机技术为核心的数字化技术飞速发展, 相应的促进了医学影像工程技术和逆向工程技术的发展, 也为逆向工程技术应用于医学领域奠定了技术基础。90年代以后, 逆向工程技术的医学应用逐步发展, 得到了人们的普遍关注并获得了越来越广泛的应用。
逆向工程技术 (Reverse Engineering, 简称RE) 是指将实物转换为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称[1]。在本文中狭义的将其定义为从相关模型的数字信息的获取、数字信息的处理到CAD模型形成这一过程中涉及的技术过程。
1 软件介绍
Mimics是Materialise公司开发的交互式医学图像控制系统的简称, 是对医学CT和MRI图像进行三维重建的专业软件。该软件能输入各种扫描的数据 (CT、MRI) , 建立3D模型进行编辑, 然后输出通用的CAD (计算机辅助设计) 、FEA (有限元分析) , RP (快速成型) 格式, 是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[2];Geomagic是美国Raindrop公司的推出的逆向工程软件, 是成熟的逆向工程软件之一。利用Geomagic可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格, 并可自动转换为NURBS曲面。Imageware是著名的逆向工程软件, 广泛应用于汽车、航空、航天、家具、模具及通用的机械行业。UG是功能强大的三维设计软件, 是当前世界上最先进的、紧密集成的、面向制造行业的CAD/CAE/CAM高端软件。
2 人体骨骼模型重建方案
在逆向工程中, 实体的三维模型重建是整个过程中最关键、最复杂的环节。在实际应用中, 通常根据不同的数据来源和应用目的, 选用不同的方法, 本文尝试提出以下两种方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。
2.1 基于CT/MRI图像的三维模型重构
2.1.1 重构方案
该方案是以感兴趣的人体骨骼的CT/MRI图像为数据源的模型重建方案。技术路线如图1所示, 首先对人体骨骼进行CT/核磁扫描, 获取用于三维模型重建的CT/MRI图像并以DICOM格式存储, 然后输入到Mimics软件中。为了确保图像质量, 先要对图像进行预处理, 然后进行图像分割和边缘的提取与处理, 将软组织与骨骼组织进行分离, 得到所需组织区域。再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层。最后通过Calculate 3D工具由mask计算所需组织的三维模型。为了得到较好的模型效果, 需要对所建好的模型进行后期处理, 如光顺 (Smoothing) 、重新网格划分 (Remesh) 等。重构的三维模型, 可以以STL格式输出文件, 然后将文件输入快速成型机, 采用不同的快速成型材料及不同的快速成型方法[3], 得到用于不同目的的快速成形原型件。
因为STL格式是以三角面片来表示模型的, 不是传统意义上的CAD模型, 不能对模型进行任意的修改。在将重构的组织模型用于假体设计及有限元分析等方面时, 可以将得到的组织模型以图形数据文件交换的一种标准格式, IGES格式, 将模型输出, 得到模型的点云数据。然后利用逆向工程原理, 进行三维重构, 得到所需组织的CAD模型。
2.1.2 重建案例
使用CT扫描机, 采集了人体头部CT数据, 如图2a) 所示。得到DIMCOM格式的颅骨扫描后的数据, 运用Mimics软件读入计算机中, 得到包括软组织和骨组织在内的各具灰度特性的不同区域。在Mimics中进行颅骨重建主要通过数据预处理-区域分割-边缘提取与处理-区域增长这样的过程最终得到颅骨骨骼区域, 最后将选定区域生成STL模型。
CT图像是灰度图像, 每一点的灰度值反映了该处的密度[4]。骨骼的CT值因人而异, 一般范围为300-1500。通过人工干预, 选择合适的分割阈值, 将骨骼和软组织进行分割, 如图2b) , 然后进行边缘提取及处理, 对不需要的区域进行删除。对于已经确定某一个层面的骨骼区域, 通过区域生长功能可以方便的扩展到其他剩余层。最终提取出骨骼部分区域。通过区域生长完成的三维轮廓由于影像的误差和分割的误差, 通常仍旧会包含一些不需要的结构部位, 必须通过编辑处理手段把它们删除。然后可经过反复验证达到完善。在确认无误的情况下, 该三维模型可以以STL文件格式输出, 生成STL模型, 如同2c) 所示。导入到快速成型设备中, 用以制作快速成型件;或在输出模块中以IGES文件或DXF文件格式导出, 用以进一步的计算机辅助设计或有限元分析, 为从力学角度进一步研究做前期准备工作。
2.2 基于人体骨骼标本、模型的三维模型重构
2.2.1 重构方案
在实际研究中, 有些人体组织不适于通过CT/MRI扫描得到, 但现实有组织标本或模型, 这时可以利用逆向工程的数字化仪器, 对标本或模型进行扫描, 得到点云数据, 然后利用点云数据进行逆向重构。
重构时可以有两种方法选择:一是将IGES格式的点云数据导入Geomagic软件中, 利用该软件的相应功能来完成从点云数据到多边型模型和网格模型的构造, 最后自动转换为NURBS曲面模型。生成曲面模型后, 仍然以IGES格式将模型导出, 然后导入UG软件, 通过曲面缝合、加厚等功能生成实体模型。
另一种方法是将点云数据导入Imageware中, 通过点云构造必要的特征曲线或曲面, 然后导入UG中, 通过线构造面的相关命令进行曲面建模, 再利用构造实体的命令完成实体建模, 最后得到实体的CAD模型。
在这两种方法之中, 选择哪一种方法可视要构造模型的特点及使用者对软件的掌握程度来做选择。这一方案完成的实体模型, 可以以IGES格式输出后, 输入Ansys中进行有限元分析, 也可为利用ADAMS动力学软件进行运动与力学分析, 还可在此模型的基础上进行假体设计, 当然也可以将模型输出成STL格式, 进行快速成型制作, 还可以利用其他加工方法 (如数控加工) 进行实物模型的制作。
2.2.2 重建案例[5]
针对人体组织标本、模型的三维模型重构方案, 以人体的下颌第一磨牙模型作为模拟对象, 对其进行三维模型重建研究。
使用ATOS光学扫描系统将磨牙的模型进行扫描, 获得原始点云数据。通过ATOS扫描软件对点云进行去除噪声点、对齐、三角化、补洞、光顺等数据预处理, 然后以IGES格式导入Geomagic软件中。在Geomagic中, 先对点云进行进一步优化处理:如去除杂点、光顺、优化点云的横向点距、纵向点距等。然后通过wrap命令得到三角片表示的磨牙, 如图4a) 所示。同时进入Polgon阶段, 进行基于三角片的曲面模型处理, 通过对三角片的自相交、重叠、法向错误等问题进行处理后获得比较规整的曲面模型, 然后进入成形阶段 (Shape Phase) , 在对曲面分析的基础上进行曲面片的合理划分, 对划分好的曲面片进行网格构造 (Construct Grid) , 在网格的基础上拟合成NURBS曲面 (Fit Surfaces) , 如图4b) 所示。在Geomagic中得到NURBS曲面模型后, 将文件以IGES格式导出, 然后导入UG中, 通过曲面缝合, 得到三维实体, 如图4c) 所示。可以对其各部位进行更进一步的分析研究, 为进行牙体的生物力学研究和修复体优化设计提供生物力学基础, 以提供临床治疗与实验研究的理论依据和参考。
3 结束语
根据不同的数据来源和应用目的, 本文尝试提出了两种不同方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。完整地回顾了重构的整个过程:从CT/MRI图像到STL模型, 从点云数据的预处理到三维实体模型的生成。但是在不同的实际情况下, 要求不同, 需要实现的细节也不同, 因此应根据实际情况的不同要求, 采用合适的处理方法。
摘要：针对三维模型重建技术对医学研究及临床应用的重要性及必要性, 根据不同的数据来源和应用目的介绍了人体骨骼模型三维重建的不同方法与途径, 并以颅骨和磨牙模型为实例, 详细介绍了三维重建过程, 最后用相应的重建结果证明了方法的可行性与正确性。
关键词：骨骼,逆向工程,三维重建,医学影像
参考文献
[1]金涛, 童水光.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[2]罗东礼, 等.医学图像三维重建中的关键算法[J].计算机工程与应用, 2005, 19:219-221.
[3]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[4]姜海波.基于CT图像的人体股骨逆向工程研究[J].机械设计与制造, 2007 (1) :130-131.
人体模型 篇4
关键词：无线体域网,路径损耗,信道模型,MATLAB
引言
Zimmerman提出的人类通信相比, 与射频无线通信[2], 人类的通信在人体传感器网络中的应用有很大的优势, 首先, 它是以“人”为中心, 建立了一个网络和通信范围有限的每个人, 使每个网络属于每个人, 网络安全和通信的稳定性, 以及低功耗使得系统可以在较长的时间内工作。
在本文中, WBAN信道特性进行了研究, 并影响体内和体外的通道的主要因素进行了分析。本文分析了人体信道的路径损耗模型的传输特性, 并进行了不同频率下的路径损耗模型的仿真分析。
一、信道模型统计特性
基在无线通信系统中, 尤其是在WBAN信道的, 且与位置和位置有关, 而下降的速度取决于人体的速度。对数正态分布的概率密度函数和累积分布函数的分布是:
其中, μd B和σd B是对数正态分布是两个重要的参数, 分别为平均值和标准值, 并可以通过最大似然无偏估计计算:
通过对数正态分布的分析, 为下一章WBAN信道统计建模提供理论依据。
二、多人体信道模型
电磁波在人体内的传播特性是非常复杂的。电磁波被人体吸收, 这是由于有损的介电特性和人体的异质性, 这使得传输信号大大衰减。由于人体和频率的介电性能, 在不同的工作频段, 如UWB, MICS和HBC, 其信道特性是不一样的。因此, 人体区域的信道建模, 需要对不同的信道类型和不同的频率条件, 将电磁波在人体区域内的不同的通信特性考虑进去。
不同于传统的无线通信, WBAN信道路径损耗是由接收天线的距离和通信频率的确定。从对人体本身, 分析4.1部分的形状、结构和周围环境和传播环境的运动也会影响WBAN信道。一般来说, 信道的路径损耗会随着距离的增加, 增加的频率;其次, 由于人体的运动, 导致在无线体域网的拓扑不规则变化, 人体和周围环境也会发生变化, 所以在通信距离和频率的确定, 路径损耗由瞬时值与平均路径损耗值的波动, 这种现象可以被称为阴影衰落, 并在人体静态和运动必须考虑其影响。路径损耗模型是用来定义的功率衰减的相对值, 根据经验类型的幂函数衰减规律, 以适应, 如下:
考虑到阴影的影响周围的身体和身体的运动[4]。路径损耗公式为:
PL0为参考距离为d0时的路径损耗。为阴影效应对损耗造成的影响, n是多径效应引起的路径损耗指数, d0是参考距离, 这里d0=50mm, 根据查询数据, 得到了不同接收位置的路径损耗公式参数[5]。
三、仿真结果
本节对路径损耗模型在不同频率, 不同接收机位置, 不同发射机位置进行仿真, 路径算好公式采用包含阴影衰落的3-1, 主要针对B信道, 即体内到体表信道进行仿真, 仿真分为四类:4GHz (暂时忽略高频率对人体伤害) 下B信道接收机位置为Rx1, B信道接收机位置为Rx2, 400MHz下B信道发射机位置在人体深层组织, B信道发射机位置在人体浅层组织。
MATLAB下仿真, 并得出不同情况下的路径损耗图如下:
四、结论
本文通过MATLAB对人体信道的体内到体表部分信道进行仿真, 验证了UWB频段和MICS频段的信道特性, 结果表明:
在MICS频段下, 体内到体表信道, 由于人体组织的不同几乎不会影响路径损耗, 在UWB频段下路径损耗要比MICS频段下大, 并且, 只有UWB频率情况下人体组织对路径损耗也会产生一定的影响, 因此选择合适的频率和合适的接收机位置会大大提高人体通信的效率。
参考文献
[1]谢俐, 电力线载波数字通信技术研究与实践[D], 重庆, 重庆大学, 2009.4.
[2]席亚明, 基于OFDM的电力线通信系统的标准研究及性能分析对比[D], 重庆, 重庆大学, 2012.4.
[3]吕英杰, 国内低压电力线载波通信应用现状分析[J], 电网与清洁能源, 2010年, 第4期:P33-36.
人体模型 篇5
据上海市纺织科技 发展中心 介绍 , 这就是3D量体技术。该中心将与玛采信息科技公司签约合作, 让这种技术和虚拟试衣技术得到推广应用, 为市民提供更便捷的“私人定制”。
大规模定制服装成为可能
斯坦福大学工商管理硕士蔡健玲是海归创业者, 她调研发现, 新技术的发展已使大规模的服装定制成为可能。比如, 服装工厂原先使用的刀片, 一刀要切60匹布, 而如今最先进的激光刀片, 一刀只切一匹布也不会亏本。因此从生产环节看, 新技术的发展已使大规模的服装定制成为可能。
在量体试衣环节, 如何为大规模的私人定制创造条件? 蔡健玲的创业团队在以色列科学家和谷歌工程师联合开发技术基础上, 设计了一款名为“coolivy”的软件。它能对3D深度相机采集的人体数据进行整理, 算出人体各个特征点的精确数据。在去年底举行的“创业浦东”全球创新创业大赛上, 蔡健玲创办的玛采信息科技公司获得“新锐奖”, 并得到了企业免费落户张江的待遇。
相机扫一圈数据全采集
用3D相机量体不仅方便, 而且更精确。扫描完成后, 整个人体就出现在电脑软件里。用鼠标操控, 可以将人体360度上下、左右旋转, 人体每一部分的特征点数据都能在后台读出, 作为服装厂版师的裁衣依据。为了避免侵犯隐私, 软件上的人体脸部都做了虚化处理。“传统的手工量体数据会有误差, 而实现人体数字化采集后, 就能避免这个问题。”上海市纺织科技发展中心法人助理张微说。
目前这套设备还在试用阶段。据悉, 在即将开张的外滩半岛酒店生活馆内 , 也将用3D相机为顾客定制服装。
用人体模型网上虚拟试衣
玛采公司还开发了一款虚拟试衣软件, 它能将服装图片三维化, 并“穿”在人体模型上。有了这种技术, 虚拟服装穿到人体模型上后, 会显得很有质感, 并带有纹理和皱褶, 让用户有一种自己在镜前试衣的真实感。用户点击“热力图”展示, 则可以看到虚拟服装上的红色、蓝色色块, 分别表示绷紧和宽松的地方。
人体模型 篇6
山东建筑大学重点实验室———机器人研究所研发的中医按摩机器人是国家重点研究课题，属于国家“863”计划项目。该项目该中医按摩机器人由按摩升降平台、机械臂、按摩手三部分组成，其硬件模块主要有人体穴位检测及定位模块、能够实现中医按摩手法的按摩机构、多姿态按摩调节平台、按摩机器人本体机构、多模态人机交互控制模块、安全保障模块、通信模块等。中医按摩机器人课题针对老年人退行性疾病和慢性疾病对中医按摩和保健康复设备的临床需求，在中医按摩方面，开展了机器人辅助中医按摩技术的研究。
1 神经网络
人体穴位分布的解决方法可以分为统计技术、专家系统法和神经网络法等3种。统计技术中所使用的模型是针对大量人体穴位分布做出一种适合与大部分人群穴位分布的标准模型，但由于人体高矮胖瘦的不同导致穴位的分布差异比较大，标准模型的准确度会很小。专家系统法利用了中医有经验的专家经验知识，可以比较精确的找到人体穴位的分布。但是，把专家知识和经验等准确地转化为一系列规则是非常不容易的。
神经网络是一种模拟人脑思维方式的数学模型，它是在现代生物学研究人脑组织成果的基础上提出来的。它从微观结构和功能上对人脑进行抽象和简化，是模拟人类智能的一条重要途径，反映了人脑功能的若干基本特征，如并行信息处理、学习、联想、模式分类、记忆等。
神经网络学习算法是神经网络智能特性的重要标志，神经网络通过学习算法，实现了自适应、自组织和自学习的能力。本文利用神经网络中的自学习功能，采用测量的大量穴位坐标数据对其进行训练，以便得到穴位分布规则。
2 BP网络
1986年，Rumelhart等提出了误差反向传播神经网络，简称BP网络，该网络是一种单向传播的多层前向网络。误差反向传播的学习算法简称BP算法，其基本思想是梯度下降法。它采用梯度搜索技术，以期待使用网络的实际输出值与期望的误差的均方值为最小。
BP网络具有以下特点:
(1)BP网络是一种多层网络，包括输入层、隐含层和输出层;
(2)层与层之间采用全互连方式，同一层神经元之间不连接;
(3)权值通过δ学习算法进行调节;
(4)神经元激发函数为S函数;
(5)学习算法由正向传播和反向传播组成;
(6)层与层的连接是单向的，信息的传播是双向的。
BP网络逼近的结构如图2所示，图中k为网络的迭代步骤，u(k)和y(k)为逼近器的输入。BP为网络逼近器，y(k)为被控对象实际输出，yn(k)为BP的输出。将系统输出y(k)及输入u(k)的值作为逼近器BP的输入，将系统输出与网络输出的误差作为逼近器的调整信号。
用于逼近的BP网络如图3所示。
BP算法的学习过程由正向传播和反向传播组成。在正向传播过程中，输入信息从输入层经隐层逐层处理，并传向输出层，每层神经元(节点)的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层不能得到期望的输出，则转至反向传播，将误差信号(理想输出与实际输出之差)按联接通路反向计算，由梯度下降法调整各层神经元的权值，使误差信号减小。
3 MATLAB仿真
在基于神经网络的人体穴位分布模型设计中，运用MATLAB中的神经网络工具箱，调用其相关函数，对其进行编程设计。对现实中用三维坐标仪实际测得的数据进行训练，然后进行相应的测试。首先在获得穴位数据后对其进行归一化处理，将数据处理为[0,1]之间的数据。归一化方法有很多形式，这里采用如下公式:
中医按摩机器人在穴位的寻找中主要是在确定平面内的坐标，在Z方向上的运动依靠传感器来确定位置，所以关于Z坐标，在本文中不再考虑。在数据分析中，我们选用了身高(单位:cm)、体重(单位:千克)、大椎(X、Y方向坐标。注:穴位下同)、肩井、肺俞的相应的参数作为训练的输入参数;将大肠俞、腰阳关作为目标参数进行训练。
其相应的训练和测试程序如下:
得到误差性能曲线如图4所示。
从曲线看出，训练经3000次仍未达到要求目标误差，说明采用训练函数traingd进行训练网络精度比较差。这种情况下，将训练函数修改为动量及自适应梯度递减训练函数traingdx，并且训练次数改为5000再次进行训练时，效果是比较明显的，误差曲线如图5所示。
与实际测得坐标相比，比较接近，可见其仿真效果是不错的。
4 结论
随着我国老龄化程度的加剧，对我国养老服务业的需求也逐渐加大。将中医按摩这种古老而有效的治疗方法和机器人智能技术有效结合在一起，是养老服务业的创新，是传统与先进科技融合的最好体现。
山东建筑大学机器人研究所与山东康泰实业有限公司合作研发的中医按摩机器人已经在山东省中医院进行了200例的临床试验，试验周期达3个月，得到了中医院按摩专家和医疗患者的高度评价。
本文提出的基于BP网络的人体穴位分布模型将人体穴位的大致分布用数学建模的方法提出，已经被应用在该机器人项目中，对机器人操作者的穴位寻找、定位和按摩操作具有很大的参考价值。
参考文献
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飞行员数字化三维人体模型研究 篇7
近年来, 人体运动模型研究以其综合性强、应用范围广而受到较多关注。1996年, 美国宾西法尼亚大学开发成功JACK人体建模系统, 该模型包括逼真的人体行为动作、贴近真实人体的人体数据缩放等功能, 广泛应用于人体工效分析。2000年DIVISION公司在其三维设计软件CATIA中, 提供了和设计环境完全集成的人体工程模型, 不但能够建立三维数字化人体模型, 还可以快速为人体运动建模和分析。我国虚拟环境下人机工程研究起步较晚, 但也取得了较丰富的成果。北京航空航天大学研究了飞行员操作域的计算机辅助判定方法, 提出了一种飞行员手臂的运动模型, 利用其判定飞行员操作域。北京航空航天大学采用多摄像机跟踪固定在人体的标记点的光学测量法, 将空间坐标转换城关节角度, 驱动三维人体模型进行操作仿真, 也取得了较好效果。
直升机工程研究中, 将人-机-环境系统工程的思想、理论以及工程应用成果, 用现代计算机仿真技术综合集成起来, 使之成为一种可用于直升机工程问题定量分析、设计及评价的现代技术, 能够起到提高直升机工程中人机工程问题的设计效率, 及时发现并纠正错误、缩短设计周期、降低研制费用和实验成本等作用。
本文就直升机仿真系统中, 建立标准数字化三维飞行员人体模型子系统做些探讨。数字化三维飞行员人体模型由计算机生成空间内表示人的几何特性和行为特性, 用于虚拟现实场景中的人体模型是可参数化的三位立体模型, 具有真实感, 并能够进行运动学仿真或动力学仿真。在直升机仿真系统中建立数字化三维飞行员人体模型可以应用在直升机设计的人机工效评定中, 对直升机产品形态的人机参数计算、选择及评定可以起到辅助决策的作用, 也可以结合飞行数据应用到飞行员在训练模拟器上模拟飞行的成绩评判中。
1 人体机械简化
将人体看作为一个具有复杂自由度的机械系统, 整个人体的自由度数为244, 仅腿部和臂部就各有30个自由度。为了降低计算量和保证实时性, 在虚拟模型中必须将人体机械进行简化, 而在简化骨骼形状、关节接触面过程中, 必须保证节段间相互作用的正确性。采用将人体节段简化为多刚体系统的方法对人体机械进行简化, 将人体肌肉等按照力学特性处理为刚体间作用力和力矩。采用这种方法建立的人体模型, 具有参数化建模的优点, 既便于计算机图形表示, 也便于具有较好精度的运动学计算。依照多刚体简化方法可将人体划分为15个节段:头、上躯干、下躯干、左上臂、左前臂、左手、右上臂、右前臂、右手、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿、右足。在直升机仿真系统中, 由于飞行员坐姿基本固定, 可以将其人体模型中上躯干和下躯干之间的自由度简化为0, 合并上躯干和下躯干视作为一刚体。由于手部自由度较多, 可将各个手指的自由度简化为0, 仅保留手腕关节的自由度。简化后的人体机械模型共有26个自由度。图1为简化后的飞行员人体节段模型。
建立人体几何模型和运动学模型时, 对于多自由度的关节, 为了保证关节自由度, 可以将其转化为多个单自由度的关节, 各个单自由度关节之间以虚连杆相连, 两个连续关节点之间存在一个旋转矩阵, 定义两个节点坐标系之间的转换关系。图2为多自由度关节转化为单自由度关节的示意图。图中各个节点附近的数字表示该关节点的自由度数。以其中B关节点为例, B关节点自由度数为3, 具有x、y、z三个正交旋转轴。将其转化成3个连续单自由度关节点B1、B2、B3, 其中B1关节轴为原关节点x轴, 其中B2关节轴为原关节点y轴, 其中B3关节轴为原关节点z轴。B1、B2、B3之间连杆L1和L2为无长度、无质量的虚连杆。
2 基于NURBS方法的人体几何模型
根据人体外形特征和各曲面片间关系可将人体表面划分为多个曲面片进行拟合。曲面拟合的方法很多, 如Coons曲面法、双三次Hermite插值法、双三次Bezier法以及双三次B样条曲面法。考虑到双三次B样条曲面光滑性较好, 而且曲面片之间连接比较容易, 选用双三次B样条曲面表示人体曲面片。双三次B样条曲面方程为:undefined
式中Vij (i=0, 1, ..., m+2;j=0, 1, ..., n+2) 为控制顶点, 由Vij组成的空间网格即B样条曲面的特征网格。Ni 4 (u) , Nj 4 (v) 为三次B样条基函数。由于双三次B样条曲面的控制顶点不一定在人体曲面上, 因此给定人体表面上某一局部呈四边形分布的型值点 (人体测量数据) 需要经过B样条曲面反算求得控制顶点以及参数, u0≤u1≤…≤um, v0≤v1≤…≤vn。节点矢量可由积累弧长参数法确定, 由此可以用双三次B样条曲面表示出人体每一曲面片。
由于本模型不必要对飞行员头面部细特征以及手指、脚趾等身体结构末端部位建立模型。根据我国国家军用标准《中国男性飞行员人体尺寸》 (GJB 4856-2003) , 可以获得适用于本模型的完整的飞行员人体各部位尺寸值 (型值点) , 由此可以建立飞行员标准人体尺寸数据库。在建立人体数据库时, 也可以根据具体某些飞行员个体尺寸建立飞行员个体数据文件。
目前, 诸如Multigen、Transom Jack、H_anim、Solidworks、CATIA等三维造型和仿真软件均可以利用已建立的飞行员人体测量数据库采用NURBS方法建立起参数化飞行员人体三维模型。
3 人体运动学模型
飞行员人体模型的各个节段可看作为一个多刚体系统, 采用矩阵法作为数学描述以表示躯体节段的运动、旋转以及空间姿态, 采用正向运动学或者逆向运动学方法建立运动方程和求解虚拟人体位置姿态和末端速度。
飞行员驾驶直升机的过程中, 一旦飞行员某一部位 (一般为上肢、下肢和头部) 运动姿态以某一姿态变换后, 它在基坐标系中的位置能够通过左乘一对应矢量p的平移变换来确定。
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[某姿态变换]
飞行员人体末端节段 (如手、脚部) 的运动速度ξ是一个六维向量, 它包括人体末端节段参考点相对于基坐标系的线速度v和角速度ω。ξ和描述飞行员人体各个关节自由度的N维向量undefined有如下关系:
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其中J为6×N阶人体雅可比矩阵, 反映关节微转动与的关系, 即
undefined
此矩阵是一个时变的线性变换矩阵, 在任意时刻q具有定值时, J为一个线性变换阵, q在新时刻发生改变时, J也因q的变化而改变。
4 结 论
目前, 飞行员数字化三维人体模型研究仍然处在起步阶段。为保证高实时性, 其运动模型在工程应用中要求仿真计算机配置较高, 但实际使用时仍有可能产生丢帧现象。在采用工程建模软件CATIA人体数据建模时, 发现GJB 4856-2003没有对某些国际通用项目进行测量, 而一些项目的测量基准与国际上流行的测量基准不同。虽然现有测量和统计数据足够建立简化的飞行员人体模型, 但完善的飞行员数字化三维人体模型还应包括人体动力学模型和生理特征模型, 这是今后研究中的重点内容之一, 更为完善的测量和统计数据将为这项工作的顺利进行提供可靠保证。
参考文献
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人体模型 篇8
关键词：逆向工程,人体盆底组织,三维重建
0引言
逆向工程技术 (Reverse Engineering, 简称RE) 是指将实物转换为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称。在本文中狭义地将其定义为从相关模型数字信息的获取、数字信息的处理到CAD模型形成这一过程中涉及的技术过程。目前逆向工程的医学应用主要有以下几个方面:①设计和制作种植体:医生可利用医学三维模型来设计制作种植体, 而不是仅依靠标准的解剖学几何数据, 这极大地减少了种植体出错的空间, 并能达到更好的手术效果;②手术辅助:外科手术规划及复杂外科手术教学往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功, 由于有了解剖模型, 医生可以有效地与病人沟通, 此外, 医生在手术之前也可利用模型进行手术规划, 这在很多复杂手术中显得非常重要, 同时利用三维模型进行手术演练教学也正成为一个重要的发展方向;③生物力学研究:用人体生理结构的三维模型进行生物力学分析研究也是当前的一个方向, 目的是建立人体的运动力学模型, 这对人体仿生、生理功能分析、运动功能修复等都有深远的意义。
Mimics是Materialise公司开发的交互式医学图像控制系统的简称, 是对医学CT和MRI图像进行三维重建的专业软件。该软件能输入各种扫描的数据 (CT、MRI) , 建立3D模型进行编辑, 然后输出通用的CAD (计算机辅助设计) 、FEA (有限元分析) 、RP (快速成型) 格式, 是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件。
1女性盆底组织的三维模型重建
女性人体盆底组织结构复杂, 功能强大, 对其进行医学研究及生物力学研究具有重要的意义, 盆底组织的三维图像和数据信息是其研究不可缺少的一步。但目前国内外的医学科研领域中, 这方面的相关技术资料和数据相对欠缺, 本文试图建立一个完整、准确的女性人体盆底组织三维重建模型, 为后续的生物力学分析和其它科学研究打下基础。
1.1 数据采集
本文选择一位已婚未育女性志愿者作为模拟对象, 对其盆底组织进行超薄横截面位核磁扫描, 获取用于三维模型重建的相关MRI图像。图1为获得的女性盆底组织MRI图像。
由于女性盆底组织结构复杂, 但三维重构方法类似, 本文以组成女性盆底结构的重要组织肛提肌为例, 介绍其整个三维重构过程。
1.2 图像的预处理
在数字图像的生成和处理过程中, 为确保图像质量, 首先要对图像进行预处理。图像的预处理主要是指滤波处理。在医学图像的获取过程中, 影像设备由于受各个电子器件的随机扰动, 不可避免地会带来噪声, 因此必须对图像进行滤波或者平滑, 以抑制噪声, 从而增强图像特征, 提高信噪比。但是要想把噪声全部滤除而不损失原信号的强度几乎是不可能的, 因此, 对滤波提出两点要求:①最大限度地保持信号不受损失, 不能损坏图像的轮廓及边缘等重要信息;②尽可能多地滤除噪声, 使图像清晰、视觉效果好。
1.3 边缘的提取、处理
由于盆底组织中大部分为软组织, 密度相近, 在图像上体现出的灰度值也比较接近, 各部位的阈值不好选取, 通常会出现其它组织也被选取上的情况, 因此我们选用手动的方法来对重建部位增添阈值。边缘提取和处理的步骤如下:①确定重建部位, 标记轮廓:肛提肌解剖位置贴近骨盆, 较扁, 选择相对较为清晰的冠状面进行标记, 见图2;②选定阈值:Mimics中提供了单层编辑工具 (Editing) , 用自定义阈值 (threshold) 的方法来确定所重建部位的阈值, 在上一个步骤中已经将需要重建的肌肉边界勾画出来了, 所以将其用阈值全部填充即可, 图3为阈值填充示意图;③修整图像:以上操作已将重建肌肉填充阈值, 但选定阈值范围过大, 并不是只覆盖重建区域, 因此对重建部位阈值的修整十分必要, 利用擦 (erase) 工具沿着重建区域边界擦拭, 将重建区阈值与其它多余选定的部位分开, 为区域增长操作减少不必要的麻烦。序列MRI图像中, 图像的每一层都与上一层相差不大, 因此在擦除重建区域边界阈值的过程中, 可以利用多层编辑工具直接对图像阈值进行多层复制, 之后再对复制图像单层细微修改, 可以节省不少时间。
1.4 三维模型重建
区域增长 (Region Growing) 操作可以将重建部位更加独立, 重建模型效果更好, 同时此操作可以滤除一些杂小的选定阈值, 起到除噪声的作用。点击Segmentation Menu里的Calculate 3D, 设定合适的质量参数 (Quality) 后, 点击Calculate按钮便开始计算3D, 生成3D图形, 见图4。
建好的三维模型效果不是很好, 有一些尖角和粗糙, 为了得到更好的效果, 便需要对所建好的模型进行后期处理。
(1) 剪切 (Cut) :
将建好的三维模型中明显不符合解剖结构的突出部分去除。
(2) 光顺 (Smoothing) :
刚建好的三维模型表面粗糙, 运用Mimics软件提供的光顺功能可以得到平滑表面, 使模型重建效果更佳, 图5为经过光顺处理后的肛提肌三维模型图。
(3) 重新网格划分 (Remesh) :
经过上述工作所得到的肛提肌重建模型还不能满足我们力学分析的需要, 仅仅是直观上重塑了其几何外形, 所形成的图形表面实际上是由许多三角面片构成的, 在这些三角形面片中, 并不是每一个都很优化 (等边三角形最佳) , 我们针对这些不优化的三角形 (坏三角) 需进行适当操作方能进行力学分析。首先, 查看属性, 确定所处理三维模型是一个壳 (Shell) , 没有坏三角面片;同时需要设定参数值, 检查图形质量好坏有许多标准, 其中质量参数 (Quality parameters) 用处很大, 可以评估这部分的网格质量;之后再通过缩减三角片 (Triangle reduction) 、狭长三角形过滤器 (Filter sharp triangles) 等一些去除坏三角的工具处理三维模型。图6为优化后的肛提肌三维模型。
利用类似的方法, 可以重建盆底的其它主要组织结构, 图7为闭孔内肌、肛提肌和骨盆三维重建模型。作为最终目标, 需要将这三个独立模型组合在一起, 形成完整的盆底解剖复位, 所以对三个模型进行重定位 (Reposition) 、STL配准 (STL Registration) 等处理。利用合并 (Merge) 命令将定好位且配准好的模型处理, 生成一个优化模型, 并在输出模块中以IGES文件或DXF文件格式导出, 成为有限元软件可以接收的文件格式。最终形成的盆底三维重建结构见图8。
2结束语
逆向工程在医学上的应用是一门边缘学科, 涉及到机械工程、生物材料科学和医学工程的不同领域, 其应用领域和深度也将随着各学科的发展而发展。医学上对生物材料和医学影像重构精度的要求高, 且其处理过程复杂, 对操作员的要求较高, 这些都是阻碍逆向工程在医学上应用的主要因素。但应该看到, 现在的研究还是取得了较大进展, 具有很好的应用前景。
参考文献
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