心电监测服与人体有限元分析模型的建立

2019-10-22孙新建邓咏梅

纺织高校基础科学学报 2019年3期

孙新建,邓咏梅

(西安工程大学服装与艺术设计学院,陕西西安 710048)

0 引言

传统服装压力的测量[1]是将压力接收单元插入人体和服装接触点。这种方法只允许在多个点进行测量,服装压力分布[2]的预测精度不高,无法根据服装压力舒适性[3-6]实现高精度服装的设计。从20世纪90年代后半期开始,就有研究将服装模型应用到人体模型(实体)精准计算服装压的压力分布,所有这些研究都使用了有限元建模计算方法。 Niwaya H 等[7]通过有限元方法构建模型,将较大尺寸的衣服模型应用于人体模型计算与人体模型接触区域的衣服压力,但是不涉及与人体模型紧密接触的衣服压力计算。 Zhang[8],Yeung 等[9]通过有限元方法建模,通过模拟人体和服装间的动态接触,得到女性在以恒定速度慢步时的动态服装压力分布。Li等[10]提供一个三维生物力学模型,模拟女性在以恒速向前行走时,人体和胸罩之间的动态相互作用,包括胸罩的变形、压力、应力分布及人体胸部的应力分布。Sonoko Ishimaru等[11]提出一种用计算机模拟编织的针织衣服模型，并将其与人体模型紧密接触，计算相互接触时服装压力。以上所有计算都是建立在高效精准的模型基础上。本文应用逆向工程技术得到心电监测服曲面和人体曲面模型, 并分别进行曲面处理、有限元网格划分,从而得到曲面符合光滑精度要求的心电监测服网格模型和人体网格模型。

1 监测服和人体模型数字化模拟

心电监测服与人体压力仿真模型的建立，在前期模型处理过程中属于逆向工程[12]的范畴。实物原型的三维数字化信息(点云数据)的采集直接影响到后期数字模型曲面质量、精度、成型效率及后续的有限元仿真分析。文中提出的基于逆向工程的心电监测服和人体模型数字化建模方法流程见图1。

设计的五导联[13]心电监测服[14]款式如图2(a)所示。款式图中红色部位的RA,LA,V2,RL,LL为纺织电极,黑色线为导线,5根导线汇聚于电极扣处。在穿着五导联心电监测服的标准男性人模上(见图2(b)),无规则地贴标记点,标记点的距离在3～5 cm之间。然后使用Creamform形创公司下的HandySCAN 3D 手持式三维扫描仪对模型整体扫描,并以OBJ的格式保存模型的点云数据。

图 1 心电监测服和人体模型建模流程Fig.1 The process of ECG monitoring clothing and human body model modeling

(a) 款式图 (b) 实物图图 2 心电监测服Fig.2 ECG monitoring clothing

1.1 监测服和人体模型的提取

把扫描后的点云数据分别导入Geomagic studio软件后,首先呈现的是多边形对象,模型的修补必须在多边形阶段完成。为提高模型运算效率,用多边形阶段修补命令中的裁剪工具裁掉穿着衣服模型的下半部分。在用平面进行裁剪时(在对象上叠加一个平面并移除该平面一侧的所有三角形,或在交点创建一个人工边界)一定要选择3个点的对齐平面法。即在衣服下摆边缘选择3个点,3个点的位置连线以能构成钝角三角形为最佳,这样可以使平面裁剪得更加精准。在同样的位置以同样的裁剪方法得到未穿心电监测服的人台。

通过多边形阶段的套索工具把人台裁剪掉并提取出独立的心电监测服,然后经过多边形阶段的最佳拟合对齐，使心电监测服和人体模型的相同部分重合,并使心电监测服与人体模型的坐标系对齐,以便在之后的建模和有限元分析中,使之始终保持已经装配好的位置。

1.2 模型点云数据的处理

在Geomagic studio软件中把多边形阶段装配好的模型分别转化为点云数据,然后经过点云阶段的非连结项，去除体外孤点、减少噪音、曲率采样，最后得到点云阶段模型的心电监测服和装配好的模型，如图3(a),(b)所示。为了得到一个完全对称的人体模型,用对称截面在人体模型的矢状面处剪裁人体模型,得到位于一侧的半个人体模型,并镜像得到完全对称的人体模型点云数据,如图3(c)所示。

(a) 心电监测服 (b) 模型装配 (c) 对称的人体点云点云模型点云图 3 点云阶段的模型Fig.3 Model of point cloud stage

2 监测服和人体模型的建立

2.1 多边形阶段模型修复

经过点云处理的监测服和人体模型在Geomagic studio软件中分别转换为多边形,再由软件中的网格医生处理,在类型中选择自动修复。然后依次经过封装小面体、曲率填充、删除钉状物(选择平滑级别)、松弛(把参数中的曲率优先调到最大值)等功能键处理,得到多面体阶段模型，如图4所示。

(a) 监测服多 (b) 监测服和人 (c) 人体模型边形体模型装配图 4 多边形阶段的模型Fig.4 Model of polygon stage

2.2 精确曲面阶段模型的处理

精确曲面是一组四边曲面片的集合体。首先根据模型表面的曲率生成轮廓线,并对轮廓线进行编辑,通过划分轮廓线将模型整个表面划分为多个独立的曲面区域。对各个区域铺设曲面片,使模型成为一个由较小的四边形曲面片组成的集合体。然后将每个四边形曲面片经格栅处理为指定分辨率的网格结构,将每个曲面片拟合成NURBS曲面[15],并进行曲面合并,得到最终的精确曲面。相邻曲面之间是满足全局G1连续的。精确曲面阶段的目的在于通过相切、连续的曲面片有效地表达模型形状,进而获得规则的、合适形状的曲面。本文根据模型以二次曲面为主的特征,选择手动曲面化中的探测轮廓线方法。

2.2.1 构造人体特征线通过Geomagic studio对提取的特征数据进行全局优化及拟合质量检测,可得到高精度特征截面曲线[16]。特征截面提取最关键步骤为特征数据数学模型的建立与求解。假定:

(1) 用Si(i=1,2,…,n)表示特征截面数据中各段数据所对应的目标曲线,点Qik表示第i段数据段中的第k个测量数据点(k=1,2,…,m), 测量数据点Qik到目标曲线Si的距离为d(Qik,Si);

(2)n段曲线的s维向量表示为X={x1,x2,…,xs},向量X集合了n段曲线的所有参数;

(3)n段曲线之间满足约束集Cj(X)=0,j=1,2,…,l。约束优化模型为

先用拉格朗日乘数法将该优化模型转化成无约束优化问题,再用非线性最小二乘算法中的列文伯格-马奈尔特法求解。特征截面曲线提取过程,如图5所示。

(a) 特征线截面 (b) 截面预处理 (c) 截面特征线选取数据提取结果图 5 截面曲线特征提取Fig.5 Feature extraction of section curve

2.2.2 分隔符的划分及轮廓线的提取基于上述提取特征线的模型,在Geomagic studio中点击精确曲面功能。根据心电监测服穿着到人体模型上的5个电极位置,选择工具栏中曲线功能命令键中的从截面创建功能键,分别在胸上围所在水平面曲线、胸围线、腰围线、矢状切面横截曲线和额状切面横截曲线处建立特征线,如图6(a)所示。

在Geomagic studio中经过探测轮廓线、计算分隔符、编辑合并区域功能键的依次处理生成新的分隔符。按照上述步骤以人体模型胸上围所在水平面曲线、胸围线、腰围线、矢状切面横截曲线和额状切面横截曲线为准选择直线，分别绘制分隔符,如图6(b)所示。然后依据绘制的分隔符模型抽取轮廓线,并进行编辑、细分或延伸,最终以网格线的形式保存在人体模型中,使得特征曲线信息在有限元分析计算中保存完整。

(a) 特征线提取 (b) 分隔符绘制图 6 依据提取特征线绘制分隔符Fig.6 Drawing separators based on extracted feature lines

2.2.3 曲面拟合根据自动估计模型的曲面片数,利用Geomagic studio 曲面片中的移动面板功能编辑曲面片得到规整的曲面片,如图7(a)所示。在Geomagic中划分的网格都是几何性的网格[17],网格的稀疏密度[18]要合理控制。然后经过构造格栅、模型的曲面拟合,输出精简的NURBS曲面,并以IGES格式保存输出，如图7(b)所示。

(a) 曲面片编辑 (b) 人体模型NURBS曲面图 7 拟合后的NURBS曲面Fig.7 Fitted NURBS Surface

2.3 心电监测服模型处理

2.3.1 曲面光顺处理经扫描的心电监测服模型电极处的表面有凸起。一方面会影响曲面的质量，进而影响数据导入有限元计算软件中的几何精确性。另一方面，在ABAQUS/standard建模中,需要描述监测服和人体模型的2个接触面的相对滑动,并且面面之间的有限滑移必须光滑,否则会出现收敛问题。所以要进行特征点的消除,并在后期分析中在电极处做出相应标记。将图4(a)的心电监测服经Geomagic studio中多边形阶段的特征点消除、裁剪、曲率填充后依次得到曲率光滑的监测服模型，如图8(a)所示。

心电监测服模型的建立同人体模型建立过程相似。在Geomagic studio中依次经过提取特征线、探测轮廓线、绘制分隔符、细分或延伸轮廓线、构造格栅等处理,最终拟合生成NURBS曲面,并以IGES格式保存输出，如图8(b)所示。

(a) 特征点消除 (b) 监测模型NURBS曲面图 8 心电监测服模型曲面的拟合Fig.8 Fitting of model surface of ECG monitoring clothing model

2.3.2 人体模型的实体化处理在逆向工程软件中所构建的NURBS曲面模型为壳体模型。由于有限元分析软件需要实体模型的支持,因此需要填充实体化处理。经过扫描得到的点云数据只是模型的表面形态,经过 Geomagic 处理过的人体模型，也是采用曲面表示的一个类似人体形态的“空壳”。然而人体胸腔是包裹着各样器官和液体的实体。因此,需要将用曲面表示的人体模型进行缝合,转化为实体。首先在UG 软件中导入IGES格式的人体模型,选择高级选项中的曲面自动缝合和光顺B曲面功能键,UG中的“缝合”工具可以将原本分离的曲面片缝合在一起。如这些曲面片构成一个封闭的形体,便会自动将这个形体转化为实体。

2.4 模型的网格划分

在逆向工程软件Geomagic 中构建的实体模型符合有限元分析软件的对接需求,但有限元分析的主导思想是将整体模型划分成有限个单元体,各单元之间通过节点进行连接。因此，在分析之前需要进行一些前期设置，包括模型的改进及人体模型和衣服模型的离散化处理。把模型分别导入Abaqus有限元分析软件,经过设置网格密度、控制网格划分[19]、选择单元类型,网格划分[20](如果对于前期点云,曲面阶段没处理好,后期模型划分会出现空白导致网格划分失败)等功能键依次处理,得到人体模型和监测服模型，如图9(a),(b)所示。

(a) 人体模型 (b) 监测服模型图 9 模型网格划分Fig.9 Model meshing

2.5 模型曲面结果分析

将最终得到的人体NURBS曲面和监测服NURBS曲面分别同多边形阶段的对象进行偏差分析,得到偏差分析图,如图10所示。标准偏差是反映一个数据集的离散程度,反应测量数据的可靠性。由图10(a),(b)得知，人体模型标准偏差值为0.042 mm,人体模型最大距离为±(0.607～0.256) mm, 平均值为±(0.022～0.021) mm。心电监测服模型标准偏差值为0.003 mm,心电监测服模型最大值为0.323 mm,平均值为0.003 mm。