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Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真

發(fā)布日期:
2024-09-27

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在本例中,我們將使用Ansys Speos和Ansys Motion模擬具有動態(tài)運動的智能帶光學(xué)心率傳感器。通過Ansys Motion模擬智能手環(huán)的位移和人體手腕組織的變形,然后將位移和變形數(shù)據(jù)導(dǎo)入Speos,最后在Ansys Speos中,用模擬智能手環(huán)位移和人體組織變形對智能手環(huán)心率傳感器采集的光信號的影響。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真


01


概述

首先了解仿真流程和關(guān)鍵結(jié)果,整個流程會分為兩個部分,Motion計算位移和手部變形,Speos計算不同位置和變形前后接收能量。仿真案例請在官網(wǎng)原文下載。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真




第一步,機械運動中的智能手環(huán)動態(tài)運動模擬(本文不涉及)


首先,本案例中只分析智能帶移動對光信號的影響。詳細(xì)的模擬內(nèi)部運動將不包括在這個例子中。Ansys Motion是基于柔性多體動力學(xué)的先進(jìn)工程解決方案。它可以在單個求解器內(nèi)快速準(zhǔn)確地分析剛體和柔體。在運動中,模擬了一個人類手臂擺動的場景。在手臂運動的過程中,智能手環(huán)會隨之滑動,智能手環(huán)與人類手腕之間的相對位移將被輸出到Speos。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真


第二步,在Speos中建立組織模型并進(jìn)行模擬


在Speos中使用光學(xué)參數(shù)構(gòu)建手腕結(jié)構(gòu)。根據(jù)以下文章如何在OpticStudio中對人體皮膚和光學(xué)心率傳感器進(jìn)行建模中描述的模型對組織進(jìn)行建模,考慮了組織的折射、吸收和散射特性。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真


第三步,Speos批處理仿真與workbench


從Motion中導(dǎo)出智能手環(huán)與人手腕的相對位移。智能手環(huán)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(shè)計。變量是智能腕帶的位移,輸出是智能腕帶傳感器接收到的輻照度,分析智能帶移動對接收光信號的影響。


第四步,機械運動中的組織變形模擬(本文未涉及)


在這一步中,將模擬智能手環(huán)推向人體手腕組織時組織的變形。本文不涉及組織變形的詳細(xì)模擬過程。Motion可以輸出變形的模型,這里Speos選擇導(dǎo)出每個變形組織層*.stl文件。


第五步,將變形后的組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Speos,啟動仿真


將變形的組織模型導(dǎo)入Speos,然后將光學(xué)特性應(yīng)用于相應(yīng)的組織層。通過該仿真,可以分析組織變形對反向散射信號的影響,分析和比較在接收到的信號。


02


仿真流程

第一步,機械運動中的智能手環(huán)動態(tài)運動模擬(本文不涉及)


本例中只分析智能帶移動對光信號的影響。詳細(xì)的模擬內(nèi)部運動過程將不包括在這個例子中。Ansys Motion是基于柔性多體動力學(xué)的先進(jìn)工程解決方案。它可以在單個求解器內(nèi)快速準(zhǔn)確地分析剛體和柔體。本例模擬了一個人類手臂朝東方擺動的場景。在手臂運動的過程中,智能手環(huán)會隨之滑動。智能手環(huán)與人類手腕之間的相對位移將被輸出到Speos。為了簡化問題,在智能手環(huán)位移仿真中,將人的手腕建模為剛體。在此步驟中忽略組織的變形。通過Motion仿真,可以導(dǎo)出智能手環(huán)的相對位移。在“**\Ansys SmartBand 23R1\Motion_displacement”中,可以找到“disx .csv”“DispY.csv”和“disz .csv”。這三個表分別包含了X、Y、Z三個方向的智能帶位移數(shù)據(jù)隨時間的變化。這些數(shù)據(jù)將作為Workbench DOE的設(shè)計點。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真


第二步,在Speos中建立組織模型并進(jìn)行模擬。


1.打開Ansys SmartBand 23R1.scdocx

2.直接運行direct.1模擬。

3.打開Direct.1.Irradiance.xmp

4.打開測量工具,然后最大化測量區(qū)域。

5.單擊文件,然后選擇導(dǎo)出模板以導(dǎo)出度量模板,Direct.1.Irradiance.xml。


在第二步Speos中使用光學(xué)參數(shù)構(gòu)建手腕結(jié)構(gòu),需要準(zhǔn)備智能手環(huán)和人體手腕模型,并在Ansys Speos中設(shè)置光學(xué)模擬。人類手腕的生物結(jié)構(gòu)和每個生物層的光學(xué)特性都是根據(jù)Zemax知識庫文章中介紹的建立的。LED光源可以建模為朗伯表面光源。為了簡化分析,將其輸出功率歸一化為1w。光譜以525納米為中心,這是心率監(jiān)測儀最常用的波長。將光學(xué)傳感器簡化為輻照度傳感器。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真



打開文件后,用戶可以看到構(gòu)建好的人體手腕和智能手環(huán)的3D模型,確定了腕部的層狀結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性質(zhì),用戶可以得到如下光學(xué)仿真結(jié)果:


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真



第三步,Speos批處理仿真與Workbench


要使用Workbench進(jìn)行批處理仿真,首先在Speos中創(chuàng)建輸入變量。如上所述,運動仿真的輸出是智能手環(huán)在X、Y、Z三個方向上的相對運動。因此,需要在Speos中定義相應(yīng)的參數(shù)。


1.創(chuàng)建三個腳本參數(shù)X、Y和z,這些參數(shù)被定義為相應(yīng)方向上的相對移動參數(shù)(如下所示)。

2.創(chuàng)建Script,右鍵單擊創(chuàng)建的組(例如Group1),并選擇edit script。然后單擊腳本窗口內(nèi)的記錄按鈕。

3.選擇Design選項卡下的Move功能。在結(jié)構(gòu)樹中選擇“Smart Watch”組件。記錄必要代碼的過程如下圖所示。

4.在完成上述步驟后,已經(jīng)可以在 Workbench中準(zhǔn)備好DOE的輸入輸出參數(shù)。

5.打開Ansys SmartBand 23R1.wbpj然后雙擊參數(shù)設(shè)置。

6.分別輸入X、Y、Z方向的相對位移數(shù)據(jù)。

7.單擊更新所有設(shè)計點按鈕,每個設(shè)計點的仿真結(jié)果將自動計算。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真

Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真



在上面的GIF中,移動控制手柄位于亮度傳感器的軸上,這一步是不必要的,因為從運動導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是相對位移而不是全局坐標(biāo),因此控制可以附加在任何首選位置。記錄完移動命令后,將X、Y、Z參數(shù)添加到目標(biāo)坐標(biāo)命令行中,這樣就可以控制智能手環(huán)的位置,如下圖所示。參數(shù)和腳本已包含在案例中。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真

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第四步,在Ansys Motion中進(jìn)行組織變形模擬


模擬組織變形的過程超出了本文的討論范圍。但是需要提到的是,在Motion中選擇的是2D模擬,而不是全3D變形模擬。正如我們在上一步中介紹的,所有包含血液的層都需要模擬以獲得令人信服的結(jié)果。但復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)會大大增加計算負(fù)荷。為了加快計算速度,只考慮XY平面上的變形。假設(shè)Z方向的變形是恒定的。在二維模擬中,智能手環(huán)被推入手腕0.92mm,可以在\deformation\2D_Result下找到變形的層模型。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真




第五步,將變形后的組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Speos,啟動仿真


將二維變形圖層導(dǎo)入Speos,在Z方向上拉二維面來重建三維結(jié)構(gòu),可以在“\deformation\deformation.scdocx”中找到重建的三維模型。

1.打開deformation.scdocx

2.運行Direct.1仿真


下圖是將智能手環(huán)推向手腕前后,傳感器接收到的信號對比(左圖:無變形,右圖:有變形)??偼繛?.36 lm(左圖),1.83 lm(右圖)。仿真結(jié)果符合物理現(xiàn)實,當(dāng)收緊智能帶時,其PPG傳感器有信號接收增強。


Ansys 智能手環(huán)心率傳感器仿真


03


模型設(shè)置參考參數(shù)

在Workbench中導(dǎo)出和設(shè)置運動數(shù)據(jù)


在演示案例中,設(shè)計點是每秒的相對運動。需要注意的是, Motion和Speos中位移方向的定義是相反的。因此,Workbench中的數(shù)據(jù)代表了Motion輸出的逆值。“Y”方向表示垂直運動。在智能手環(huán)運動的運動仿真中,將人體組織和智能手環(huán)簡化為剛體,垂直位移應(yīng)始終為正(否則意味著智能手環(huán)模型穿透)?


由于模擬精度的原因,偶爾會出現(xiàn)較小的負(fù)值,在本案例中通常小于1E-4的數(shù)量級。在實驗設(shè)計的設(shè)置過程中,這些小的負(fù)值被忽略并用零代替。


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