在本例中，我們將使用Ansys Speos和Ansys Motion模擬具有動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)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(duì)智能手環(huán)心率傳感器采集的光信號(hào)的影響。
首先了解仿真流程和關(guān)鍵結(jié)果，整個(gè)流程會(huì)分為兩個(gè)部分，Motion計(jì)算位移和手部變形，Speos計(jì)算不同位置和變形前后接收能量。仿真案例請(qǐng)?jiān)诠倬W(wǎng)原文下載。
第一步，機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的智能手環(huán)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬(本文不涉及)
首先，本案例中只分析智能帶移動(dòng)對(duì)光信號(hào)的影響。詳細(xì)的模擬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)將不包括在這個(gè)例子中。Ansys Motion是基于柔性多體動(dòng)力學(xué)的先進(jìn)工程解決方案。它可以在單個(gè)求解器內(nèi)快速準(zhǔn)確地分析剛體和柔體。在運(yùn)動(dòng)中，模擬了一個(gè)人類手臂擺動(dòng)的場(chǎng)景。在手臂運(yùn)動(dòng)的過程中，智能手環(huán)會(huì)隨之滑動(dòng)，智能手環(huán)與人類手腕之間的相對(duì)位移將被輸出到Speos。
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(duì)位移。智能手環(huán)在X、Y、Z方向上隨時(shí)間變化的位移分別保存在三個(gè)*. csv表中。利用Workbench建立了 DOE的設(shè)計(jì)。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(dòng)對(duì)接收光信號(hào)的影響。
第四步，機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)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(dòng)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(duì)反向散射信號(hào)的影響，分析和比較在接收到的信號(hào)。
第一步，機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的智能手環(huán)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬(本文不涉及)
本例中只分析智能帶移動(dòng)對(duì)光信號(hào)的影響。詳細(xì)的模擬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程將不包括在這個(gè)例子中。Ansys Motion是基于柔性多體動(dòng)力學(xué)的先進(jìn)工程解決方案。它可以在單個(gè)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(gè)人類手臂朝東方擺動(dòng)的場(chǎng)景。在手臂運(yùn)動(dòng)的過程中，智能手環(huán)會(huì)隨之滑動(dòng)。智能手環(huán)與人類手腕之間的相對(duì)位移將被輸出到Speos。為了簡(jiǎn)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(duì)位移。在“**\Ansys SmartBand 23R1\Motion_displacement”中，可以找到“disx .csv”“DispY.csv”和“disz .csv”。這三個(gè)表分別包含了X、Y、Z三個(gè)方向的智能帶位移數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化。這些數(shù)據(jù)將作為Workbench DOE的設(shè)計(jì)點(diǎn)。
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(yùn)行direct.1模擬。
3.打開Direct.1.Irradiance.xmp
4.打開測(cè)量工具，然后最大化測(cè)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(gè)生物層的光學(xué)特性都是根據(jù)Zemax知識(shí)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(jiǎn)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(cè)儀最常用的波長(zhǎng)。將光學(xué)傳感器簡(jiǎn)化為輻照度傳感器。
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：
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(yùn)動(dòng)仿真的輸出是智能手環(huán)在X、Y、Z三個(gè)方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，需要在Speos中定義相應(yīng)的參數(shù)。
1.創(chuàng)建三個(gè)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(duì)移動(dòng)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(xiàng)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(duì)位移數(shù)據(jù)。
7.單擊更新所有設(shè)計(jì)點(diǎn)按鈕，每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的仿真結(jié)果將自動(dòng)計(jì)算。
在上面的GIF中，移動(dòng)控制手柄位于亮度傳感器的軸上，這一步是不必要的，因?yàn)閺倪\(yùn)動(dòng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是相對(duì)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(dòng)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。
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?cè)谏弦徊街薪榻B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(huì)大大增加計(jì)算負(fù)荷。為了加快計(jì)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。
第五步，將變形后的組織結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Speos，啟動(dòng)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(yùn)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(hào)對(duì)比(左圖:無變形，右圖:有變形)。總通量為0.36 lm(左圖)，1.83 lm(右圖)。仿真結(jié)果符合物理現(xiàn)實(shí)，當(dāng)收緊智能帶時(shí)，其PPG傳感器有信號(hào)接收增強(qiáng)。
在Workbench中導(dǎo)出和設(shè)置運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)
在演示案例中，設(shè)計(jì)點(diǎn)是每秒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)。在智能手環(huán)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)仿真中，將人體組織和智能手環(huán)簡(jiǎn)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(huì)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(jí)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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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