人体测量范文（精选8篇）
人体测量 第1篇
随着时代发展和社会进步,人体数据测量技术也在不断发展和更新。为了对人体体型特征有正确而客观的认识,除了做定性研究外,还必须把人体各部位的体型特征数字化,用精确的数据表示人体各部位的特征。
服装业传统人体测量方法的主要测量工具是软尺、角度计、测高计、测距计、可变式人体截面测量仪等,使用的工具简单,操作方便,因此在服装业中长期被采用。尽管传统的测量方法目前仍广泛使用,但存在一些不足之处:一是测量的数据有限,人体的某些特征数据难以取得,所测的一维或二维数据无法反映人体的三维特征,增加了进一步研究服装人体的难度;二是接触测量,测量时间比较长,往往使被测者感到疲劳和窘迫;三是测量的精确度与测量者有很大关系,容易给测量结果带来一定的误差;四是现有手工测量人体尺寸的方式也无法快速准确地进行大量人体的测量,不利于成衣率的提高,不利于创造服装品牌,也不利于快速准确地制定服装号型标准,从而阻碍了与国际标准接轨及我国服装行业整体科技水平的提高。
1 三维人体测量技术
三维人体自动测量作为现代图像测量技术的一个分支,它是以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像学、信息处理和计算机视觉等科学技术为一体的测量技术。
三维人体测量技术与传统的人体测量技术相比,主要特点是快速、准确、效率高等。通过快速的人体扫描和数据分析能够准确得出一系列尺寸,减少了误差,此项技术必将成为服装个性化发展的关键技术,对于传统方法无法测量的人体形态、曲线特征等也可以进行准确的测量。此外,测量结果还可通过计算机直接输送到纸样设计和自动裁剪系统,实现人体测量、纸样设计和排料裁剪的连续自动化。因此,三维人体测量技术在资料完整性与再利用性上明显优于传统的测量方式。现在三维人体测量主要是非接触式人体测量。
1.1 非接触式三维自动人体测量技术
非接触式三维人体测量技术(interactive 3D whole body scanner system)人体全身扫描技术,是通过应用光敏设备捕捉设备投射到人体表面的光(激光、白光及红外线)在人体上形成的图像,描述人体三维特征。非接触式三维自动人体测量弥补了常规的接触式人体测量的不足,使测量结果更加准确、可靠。非接触式三维自动人体测量是现代化人体测量技术的主要特征,对三维人体自动测量技术的研究,美国、英国、德国和日本等服装业发达的国家开始得较早,大致在70年代中期开始,已研制开发了一系列三维人体测量系统。目前Cyberware WB4、Vitronic、TC2、Tec Math、Telmat、Hamano以及Hamamatsu等公司的产品都适用于服装业的人体测量。下面介绍几种:
1.1.1 Cyberware WB4
Cyberware WB4人体扫描仪是世界上最早的扫描系统之一。此系统用多个激光测距仪(由激光和CCD摄像仪组成)对站立在测量箱内的被测者从多个方位进行测量。摄像机接受激光光束射向人体表面的反射光,根据受光位置、时间间隔、光轴角度,与测距仪同步移动时,可通过计算机算出人体同一高度若干点的坐标值,从而可测得人体表面的全部数据。它产生人体外表面高分辨率的数据集。这个系统有四个扫描头,分别被安装在一个刚硬的架子上,两个引擎使其上下移动,如图1是用这个系统扫描的一个示例。
Cyberware WB4扫描仪水平分辨率是5mm,与相隔2mm的垂直线交错。水平分辨率主要是由摄象机中的芯片决定的,垂直分辨率是由摄象机的速度(50HZ)和上下移动的扫描头的速度(扫描2m高的空间需用20s)决定的。
这种方法精度较高,但要求人体在几分钟内保持姿态不变就较难,虽然激光剂量小但被测者心理上仍有压力。
1.1.2 TC2
TC2是一个专门从事服装工业的教育、研究和开发的公司。他们在结构化光栅投射技术的基础上研制了人体扫描仪。该测量法通过白光分层轮廓,取得人体全身的三维数据。它利用白色光源投影正弦曲线在物体表面,当物体不规则的形状令投射的密栅影子变形,产生的图样表示物体表面的轮廓。这个系统有两个前窗口和一个后窗口。为了能充分覆盖高度,它总共有六个视窗:三个较上的视窗和三个较低的视窗。每个感应器由投影仪和一台摄相机组成,与物体形成一个垂直的三角式测量;投影仪发射二维的光栅,投射在人体的身体上;光栅式样的强度在水平方向上以正弦曲线的方式变化,在垂直的方向是无变化的。正弦曲线式样的相数在四步中转变,每步为90°角度,生成场景的四个图像,使用这些图像,就可以决定每个象素的相数。系统中使用了粗糙的和细的光栅式样,粗糙的光栅用于测量不明确的表面,而这些表面用细的光栅测量会产生不连续性。图2表明这个系统的使用过程和一个扫描的例子。
1.1.3 Tec Math
Tec Math的核心产品之一是数字化人体模型Ramsis’,它是用关节连接的人体模型,并能够与CAD模型(尤其是在汽车工业中)相连接来访问工作空间和可见性等。为了要将模型的人体测量背景最佳化,Tec Math研制了一台人体扫描仪。这个系统有两个扫描头:人体前后各一个。把激光条投射在人体上来检索人体的外形,人体的边缘并不用这种扫描方法来表现,但是输入数据充分将Ramsis模型最佳化。如图3是这个扫描仪和一个扫描的例子。由于一条制定的高速线性图象照相机,对于一个以激光为基础的系统来说扫描仪的速度是非常快的,扫描时间少于2 s。
1.1.4 Lectra
力克是法国一家致力于为服装、纺织、箱包和皮革、鞋类、家饰业和运输业内饰件等服务的软性材料行业公司。力克核心产品之一就是Body Scanner。Body Scanner是一台3D人体扫描仪,它由四根支柱组成,每根支柱包括2个CCD相机,加上一个不伤害眼睛的激光器。该装置可固定在地面上。人体从头到脚扫描一次需要的时间仅为8s。扫描时,被测者只需要以自然直立姿势站立,系统捕获人体表面形象后,通过电脑产生一个高度精确的三维画像。如图4是其一个例子。
2 三维人体测量技术在服装领域中运用的重要意义
2.1 服装号型的修改与制定
服装号型是服装行业生产设计的重要依据和参考。批量生产的服装的合体性差的关键原因在于目前所使用的号型系统不能够真确地反映目标客户人群的体型特征。三维人体测量技术可灵活准确地对不同客体人群、地域、国家的人体进行测量,获得有效数据,建立客观、精确反映人体特征的人体数据库。数据方便易查便于管理和使用(比较、分析、应用)。可以追踪、研究客体、客体群组的整体变化情况,建立“流动”的人体数据库。为服装号型的修订、更新及人体体型的细分提供理论依据。
目前世界各国已认识到建立人体数据库的重要性,并相继展开这一方面的研究。
美国、荷兰和意大利正在进行一项叫做CAESAR(美国本土和欧洲人体测量)的联合调查。法国纺织品与服装研究所花费100万欧元,对上万名不同年龄段的法国人进行调查研究,重新划定国人的服装规格;伦敦调查了10000名英国的男人、女人和孩子,发展尺码数据库,以提高服装的适合程度。
我国,广东赛博服装科研中心投入2400多万元人民币启动“中国三维热体数据库”项目。成为国内规模最大、设备最先进(TC2)、专业技术水平最高的服装研究实体。测量结果使原来的四个号型增加到七个,为未来服装生产的运作模式大规模定制与个性定制,实现企业量身定制系统(MTM)打下坚实的基础。此外,东华大学(TC2)、天津工业大学(Lectra)、西安工程科技学院(Tech Math)等院校相继建立起人体数据库的研究。
2.2 标准人台、人体模型的建立
服装用标准人台、人体模型是企业用于纸样设计、研究进行服装立体设计裁剪的重要工具之一。“暖体假人”是用于测量、评价服装的隔热、透湿等舒适指标的重要工具;标准人体模型则专门用于服装压力、宽松量的研究。设计师可以在人模上直接进行服装设计、样板的修订。Tech Math数字人体模型“Ramsis”是一个有关节的人体模型,与CAD模型(特别是汽车行业)有接口,可直接用于虚拟产品设计和人体工学研究。应用这一技术同样能建立特体模型,开展对特殊体型的服装产品的研究(驼背、肥胖、以及人体在不同状态下的皮肤的拉伸变形和服装放松量等研究)。
2.3 服装三维设计
三维服装设计建立在人体测量获得的人台或人体模型基础之上,通过再现“实人”,在“真人”上进行交互式立体设计(在人模上用线勾勒出服装的外形和结构线),配合相应软件生成二维的服装样板片。它也为原型板的建立和服装样板的系列化设计提供快捷、便利的研究方案。
2.4 实现服装业的量身定制(MTM)系统
量身定制系统利用三维人体测量仪对人体进行自动测量,通过自动计算所测数据并转化成服装尺寸,与先进的纸样设计和排料裁剪系统相结合。量身定制系统是将产品重组以及生产过程重组转化为批量生产。首先通过三维扫描系统获得的客户尺码信息,通过电子订单传输到生产的CAD系统,系统根据相应的尺码信息和客户对服装款式的要求(放松量、长度、宽度等方面的喜好信息)在样板库中找到相应的匹配的样板,最终进行系统生产的快速反应方式。按照客户具体要求量身定制,做到量体裁衣,使服装真正做到合体舒适;对于群体客户职业装或制服的制定,需要寻找与之相应的合身的尺码组合。整个操作过程,从获取数据到成衣的完成只需2~3天的时间,大大缩短了定制生产时间,提高了企业的生产速度。在此方面,国外某些公司做得已相当成熟,如英国的Baird Menswear西服公司,销售到国内、国际市场的西服有80%是通过量体定制系统完成的,且服装系列涵盖了不同款式、颜色、规格的上万种组合,相比之下我国这方面还比较薄弱。
2.5 时装产品虚拟展示、虚拟试衣、虚拟时装表演
在电脑中虚拟人体或模型,陈列系列服装款式及与之配套的饰品,客户可根据自己的喜好挑选服装样式、颜色及饰品并进行组合搭配。
根据扫描数据模拟出“真”人,将服装穿着在其身上,从而展示着装状态,同时能模拟不同材质面料的性能(悬垂效果等),以往的设计软件实现虚拟的购物试穿过程,减少购物时间。应用模型动画模拟时装发布会进行时装表演,减少了表演费用。时装发布会的网络传输,使得更多的人能够观赏,对于传播时尚信息也有非常重要的作用。
2.6 提高服装业的自动化水平
与传统测量方法相比,三维人体自动测量技术在速度上明显优于传统测量方法,并且数据重复性好,可以随时更新或修改输出结果,还能产生数字化格式的结果,在服装工业领域。这个数字化格式的结果可以导入相关的服装CAD软件,根据数据自动分析并搜寻最适合体型的板型,利用网络传送到生产流水线进行缝制,从而实现大规模定制化服装的加工生产,最大限度地满足消费者的需求。
2.7 加快服装企业的数字化进程
随着网络和信息技术的发展,服装工业数字化是各国服装业发展的方向。基于服装工业数字化发展的趋势,符合要求的人体扫描仪将会受到服装企业的欢迎,加速了服装企业的数字化进程。通过服装数字化技术,人体尺寸自动测量技术正迅速进入服装设计与加工领域,成为提高服装产品市场竞争力的潜在动力。
3 人体测量技术的发展趋势
随着2l世纪的计算机技术和网络技术的迅速发展,人体测量技术的发展将呈现智能化、网络化和兼容性趋势。智能化,包括扫描过程的智能化、人机界面的智能化、数据采集与分类的智能化等;网络化,测量技术、商业模式的网络化,是今后人体测量技术的必然趋势,设计过程、制造过程和流通过程的一体化,将使人体测量在网络经济时代发生重大的变革;兼容性,由于更多的服装公司增加外部购买的尝试,使用权数据的兼容性变得相对重要,当前服装CAD系统有能力执行复杂时装的纸样变化,因此许多系统需要有把它们的测量数据与主要的CAD系统共享和交换的能力,并允许从3D扫描数据自动析取尺寸,进一步提高人体测量的可靠性、准确性和完整性。不断开发人体测量技术的相关用途,降低成本,将成为人体测量技术发展的必然趋势。满足了以上条件才能提高我国服装制造业的自动化水平,提高产品的质量和产品的生产效率,创造服装品牌,增强企业的市场竞争力。
参考文献
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人体下颌骨的测量对年龄的推断 第2篇
【关键词】 下颌角 年龄 差异
【中图分类号】R783.5 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2015）02-0061-02
项目基金：长沙医学院大学生创新性实验计划项目长医教【2014】10号
下颌角在生长发育过程中，受种族、性别、年龄等多种因素的影响而有所不同。目前，在国内曹文强[1] 、丁细藩[2]等研究均得出下颌角在年龄、性别之间具有一定的差异性的结论。然而现在国内外多以颅骨缝愈合度、牙齿咬合面磨损度、颅骨壁面的情况和颅盖骨等各种测量数据的比较来进行年龄的推断，但关于下颌角角度与年龄关系的研究相对较少。下颌角与年龄关系的研究在人类医学、法医学和考古学中将会越来越受到重视。因此本研究主要侧重探讨年龄方面的因素，通过先判断性别再测量下颌角角度推测其年龄，具有实际的探究价值。
1 对象与方法
1.1 对象：医学院人体解剖教研室颅骨标本。
1.2 方法：参照<人体测量手册>[3]下颌骨与下颌角的测量方法，下颌角为两侧下颌支后缘与下颌体之间所成的角。将下颌骨基底缘置于测下颌骨器水平固定板上，下颌支后缘紧贴动板。读出量角器上两板间角度即为下颌角（多次测量，取平均值）。对医学院解剖实验室提供的正常头颅骨样本进行测量。颅骨颅缝的变化与年龄的关系参照莫世泰[4]《中国人颅骨缝的变化与年龄的关系》中方法观察颅外板冠状缝、矢状缝、人字缝愈合形态。愈合度分级0度 完全未愈合，1度 开始愈合，2度 愈合一般，3度 大部分愈合，4度 完全愈合。
①.为保证本实验的准确性，首先通过对标本下颌骨进行性别的鉴定，鉴别法方根据[5]中下颌骨的性别特征：男性下颌角〈120°，女性下颌角〉125°进行区分。
②.再通过对下颌角的测量推断标本年龄范围。
③.同时为验证其准确性，观察同一完整颅骨颅缝的变化与年龄的关系。
④.将人类年龄段划分为：青少年组（6-14岁 ）青年组（18-30岁 ）中青年组（31-55岁）中老年组（56-75岁）进行分类。
1.3 统计学处理：所有数据均通过SPSS13.0统计软件进行分析。
2 结论
本研究项目采用科学的统计学方法对测量数据进行分析，测得数据如下。
2.1 通过下颌角角度数值测量与颅缝观察法相结合的方法统计（见表1）
据表1 统计21列完整颅骨标本男女性别人数与其百分比及其男女下颌角进行统计学分析并计算各年龄组颅骨标本人数及下颌角。结果：男性13/21， 百分比61.9% ，下颌角（116.86±3.44）°。 女性 8/21，百分比38.1%，下颌角（128.79±3.53）°。青少年组（5/21，下颌角（130.96±2.43）°）， 青年组（1/21，下颌角122.50°） ，中青年组（12/21，下颌角（116.39±3.13）°）， 中老年组（3/21，下颌角（125.17±0.64）°）。
3 讨论
3.1 通过对完整颅骨下颌角测量，统计分析得出人体下颌角在不同年龄阶段具有一定的角度差异，青少年期（6-14岁）下颌角（130.96±2.43）°，青年期（18-30岁）下颌角122.50°，中青年期（31-55岁）下颌角（116.39±3.13）°，中老年期（56-75岁）下颌角（125.17±0.64）°，得出不同年龄段下颌角变化值在116.39°～130.96°之间。其中除了中老年期外，其余各期下颌角角度呈逐渐递减趋势。然而丁细藩[2]等研究显示6-14岁下颌角（132.1±0.98）°，18-30岁下颌角（123.3±0.76）°，31-55岁（121.8±0.96）°，56-75岁下颌角（124.2±1.09）°，对比显示两者数据及表现趋势都十分接近。分析其原因，随着年龄增长，下颌支与下颌体逐渐增长增宽，下颌角逐渐减小，而成年后下颌骨的增长达到一定比列时，下颌角变化将趋于稳定，然而直到中老年后，随牙齿脱落与牙槽骨吸收，下颌角呈增大趋势。
3.2 柏蕙英[6]选取了华北地区有确切年龄的男性下颌角通过进行测量研究，得出各年龄段下颌角角度范围为106.5°-146.5°。之后丁细藩[2]等在柏惠英研究基础上通过对华南地区有确切年龄及性别记载的男性颅骨下颌角进行测量结果得出不同年龄段下颌角角度变化值在109.00°-146.50°之间。将上述柏蕙英、丁细藩所做研究结果与本实验所得出下颌角变化范围（116.40°-131.00°）比较，得出两者存在一定差异性。分析其可能性，柏蕙英等人当时研究均在80-90年代完成，所取研究对象年更为限久远，当时生活条件艰苦，食物以粗糙杂粮为主，咀嚼肌发达。然而下颌角的发育与咀嚼肌发达程度具有相关性[2]，现如今本实验取用研究对象均年限不长，生活条件好，食物更为精细，咀嚼肌对下颌角作用相对较小。故所测角度范围相对小于柏蕙英等人所测的研究结果。
3.3莫世泰等 [4]研究指出颅骨外板矢状缝 、冠状缝 和人字缝开始愈合年龄分别为20-24岁和25-29岁。20-29岁颅外板冠状缝呈1度愈合占47%以上，30-39岁颅外板2-4度愈合有矢状缝和人字缝，40-49岁颅外板冠状缝、人字缝、矢状缝都基本上呈4度愈合。然而通过我们对颅外板观察显示在15岁以前的冠状缝、矢状缝、人字缝基本上呈0度愈合，到了15-30岁时呈1-2度愈合，31-50岁时呈2-3度愈合，55岁以上基本全部愈合呈4度。因此本研究颅缝观察结果与莫世泰等颅缝变化与年龄研究结论大体是相接近的，所以通过人体下颌角测量与颅缝观察相结合方法推断年龄与性别的方法是切实可行的。
3.4 本实验所测下颌角性别差异表现为男性下颌角（116.86±3.44）°，女性下颌角（128.79±3.53）°与杨楠[7]在其研究中提到男女性下颌角角度存在差异，其中女性下颌角比男性大2～5°的结论相似。
3.5 研究中对21具完整未知年龄性别的实验室颅骨进行统计分析得出所测得标本中男性颅骨13具，女性颅骨8具，其中在6-14岁年龄段的有5具，18-30岁年龄段有1具，31-55岁年龄段有12具，56-75岁年龄段有3具，本研究从而增补了本校实验室标本未知年龄性别标注的空缺。
参考文献
[1] 曹文强，丁士海，刘文君.下颌骨弧及角度的测量[J].解剖学杂志，1999，22（1）：79～81.
[2]丁细藩，莫世泰.华南地区现代人下颌角的相关因素分析[J].人类学学报，1993
[3]邵象清.人体测量手册[M].上海辞书出版社，1985：79～83.
[4]莫世泰，张文光，雷绍伯等.中国人颅骨缝的变化与年齡关系[J].人类学学报，1989，8（2），131～135.
[5]朱泓.体质人类学[M].高等教育出版社，2004：95～96.
[6]柏惠英.中国人下颌角的年龄变化2[J].解剖学报，1979，10（1），14.
人体测量 第3篇
近年来,随着网络技术的发展及服装销售模式向网络个性化消费模式的转变,个性化的人体建模一直是人们研究的热点之一。当前获得个性化人体模型常用的方法是用三维激光扫描仪获得人体三维点云数据,再对点云数据进行处理[1,2,3,4]。这种方法建立的模型通常有比较高的精度,但建模速度慢、对场地和设备要求较高,无法满足实时要求的个性化服装展示及定制的场合。如在网上定购服装或进行虚拟试衣的环境下,应用激光扫描或其他需要复杂的处理程序的方法明显是不适合的。在网络服装销售和其他需要个性化形体展示的应用中,快速、低成本的基于特征的个性化建模方法具有很好的发展前景。该文提出一种基于人体测量学数据的方法来创建个性化三维人体模型,不仅使用简单并且具有快速便捷的优点,非常适合网络应用。
2 人体测量学在人体建模中的应用研究
人体测量学是一门关于人体测量的生物学科学,它系统的研究人体不同的面貌和身体形态。通过系统地收集人体测量数据,人们可以对不同组群的人体进行多种统计学上的研究。在基于人体测量学参数化建模方面,早期的工作见于Grosso的研究[5],Grosso用圆柱来表示身体模型。根据关节位置,模型被分成几个部分,每个部分参数化为三个主要的测量量:高度、宽度和深度。根据预先存放好的人体测量度量改变模型的参数,将产生不同的模型。1994年Azula等人提出了人体测量学数据缩放系统(Spreadsheet Anthropometry Scaling System)[6],这个系统依据人体测量统计数据生成虚拟人体模型,主要用于人机工效学的应用。用户可以在这个名为“JACK”的系统中创建适当比例的人体模型,并对模型进行控制调节。H.seo随后将类似的方法应用于人脸的生成[7]。De Carlo[8]借助变量模型技术,将人脸建模的问题看作是生成一组人体测量学数据的问题,使生成的人脸能尽可能的反映测量数据。王维等在Jack软件中建立了基于国标人体测量学数据的人体模型动态缩放子系统[9]。这些技术大多需要复杂的计算模型和模板,不适合网络应用。
3 基于人体测量学的三维人体快速建模技术研究
本方法采用的人体测量学数据来源于采用美国[TC]2公司的三维人体测量仪测得的78项人体测量项目。该方法可以根据客户输入的几个测量尺寸参数如:胸围、腰围、肩宽、等人体特征参数、快速产生满足规定尺寸条件的人体模型。产生的模型为符合VRML2.0中的H-Anim标准的人体模型[10]。建模流程如图1所示:首先用超椭圆或椭圆组合曲线仿真人体各部分横截面,根据人体测量学和人体解剖学的统计规律推测建模所需的其他参数。然后根据参数和各特征点用多个Nurbs曲面进行拟合,在对多个Nurbs曲面进行拼接后,最终得到个性化的三维人体模型。
3.1 模型分割和参数选取
根据人体不同部位的解剖学的特点,将模型分成6个部分,分别是头、躯干、上肢、下肢、手、足。其中躯干是体现人体体型特征的主要部分,包括肩部、颈部、胸部、腰部、臀部。根据人体测量学选取8个代表人体特征的参数,如表1所示。这些参数为人们日常生活中所熟识,不但易于自身测量,而且容易记忆。人体建模将应用这些测量参数通过人体测量学统计数据及人体美学的比例推算出其他建模所需要的测量参数。头和手、足由于造型结构复杂,用三角网格模型通过变形得到。
3.2 造型曲线设计
人体的水平截面有类似于超椭圆的特点,应用椭圆进行人体建模,可以到很好的效果,本文应用超椭圆仿真人体各横切面轮廓曲线,超椭圆参数方程:
超椭圆具有表达式简单、控制参数少(a,b,s),对称性强,曲率变化连续,具有较强的覆盖特性等诸多优点[11],我们应用超椭圆及超椭圆的组合完成胸围截面、腰围截面、臀围截面、及四肢截面的拟合来达到人体横截面造型的效果。举胸部为例。胸部是人体主干部位最为复杂的部分,因为前胸和后背具有二峰性,但峰值是不相等的,如图2所示,应用4个相切的椭圆A、B、C、D来仿真胸围截面。选取切点及其他特征点(如图用黑点表示),用Nurbs曲线拟合胸围如图3所示。
该模型的优点是胸围线的形状可以通过简单的参数灵活控制,如可以调整A、B、D的横轴来改变胸前乳沟的深度;调整A、B、C的横轴来改变胸背的平滑度;调整A、B的横轴来改变胸的宽度;调整A、B的纵轴来改变胸的厚度。与胸部形状相比,腰部、臀部和四肢截面形状简单。根据腰部截面和四肢截面前后弧度不同的特点,采用两个共横轴的超椭圆合并,进行仿真。图4为躯干部分三围造型曲线与成年女子躯干相应横截面轮廓对比。图5为根据躯干各造型曲线特征点用Nurbs曲面拟合的模型。
3.3 参数驱动设计
参数驱动设计目的是根据输入主要的参数,推测出其余人体建模需要的数据。参数驱动采用参数驱动树的形式,用层次的方法加以实现。根据人体测量学将建模所需要的参数分成四个层次。
第一层为输入参数,称为主动参数。第二层次为整体定位驱动。即由主动参数驱动各造型曲线在人体横截面中心的高度和位置。第三层次为局部造型驱动,即各造型曲线形状驱动。在整体定位的基础上,驱动决定各造型曲线形状的参数。如根据胸围长度、年龄、性别计算胸宽、胸厚即超椭圆的长短轴、权值等。第四层次特征点定位驱动,定位人体表面特征点,对模型进行调整。如根据如(a)、(b)、(c)分别为成年女子躯干胸围、腰围、臀围水平截面图(d)、(e)、(f)分别为对应的超椭圆拟合曲线
局部造型计算肩胛股点、髂前上棘点等位置。
张宏铭:一种基于人体测量学的三维人体快速建模方法研究与实现
以上四个层次的驱动用两类技术实现。一类为通过人体比例学、美学驱动,如高度方面的参数,一类是通过对人体测量数据库的数据的分析,应用因子分析、相关分析和回归分析进行推算。
3.3.1 基于人体解剖学比例的参数驱动
根据人体各部份之间存在固有的比例关系进行整体定位参数驱动。根据“头高说”,人体各部分水平截面位置如图6所示。按比例可以迅速推算出胸围线高、腰围线高、臀围线高、肩高、以及上臂长、前臂长、大腿长、小腿长,等参数数值。应用“黄金分割律”可以推测局部关节点的位置。如肘关节是肩峰到中指中点之分割点。通过比例关系驱动可以大大降低参数驱动模型的复杂性,提高建模速度。
3.3.2 基于人体测量数据库的参数驱动
人体各部位的尺寸变化不是独立的,而是存在着相互的联系。通过对人体测量数据库测量数据的分析,可以确立各参数间的关系和推算规则。局部造型驱动依据这些关系和规则产生其他参数。如胸部的局部造型,给定的年龄段、性别、胸围长度,通过对数据进行因子分析,相关分析和回归分析可以推算出其他决定胸部造型的参数,如胸宽、乳间距、上下胸围长度等。
举胸部局部造型驱动部分为例:实验样本为成年女子200人,年龄段为20~30岁。测量项目为采用美国[TC]2公司的三维人体测量仪测得78项人体测量项目,经过因子分析,选取X1胸围;X2胸宽;X3上胸围;X4下胸围;X7乳间距为同一参数组。对各参数进行相关分析,选取显著性α=0.05(可信度为95%),相关系数如表2。
从表2中可看出,5个项目间的相关性都很强,相关系数都超过0.5。表3为应用一元回归分析由胸围推测胸部其他参数的回归方程:
我们可以应用一元或多元回归的方法得到更多的推算表达式,前提是人体测量数据库包含的人体测量记录必须足够大。
4 三维人体快速建模方法实现
我们用VC++6.0 OPENGL在window XP系统上实现了一个三维人体模型快速定制系统,测量数据为采用美国[TC]2公司的三维人体测量仪测得78项人体测量项目(不包括体重)。数据库为sqlserver2000。如图7所示,根据用户输入的参数值(如表4)创建的三维人体模型。系统运行结果表明,该建模方法具有速度快、数据量小、控制灵活等特点。
5 结论及展望
基于人体测量学的建模方法可以实现快速创建个性化的人体模型,具有以下优点:1)数据量小、算法,简单适合Internet应用。建模前期准备工作主要是人体测量数据的分析,为一次性工作。2)模型控制性强,大小符合输入参数量的描述,并且形体美观的效果,适合于形体展示。3)模型可以较准确地提供骨骼关节位置(H-Anim标准)和特征点,有效支持运动模拟和虚拟试衣的碰撞检测。4)参数驱动机制灵活,通过增加输入参数项目可以得到更为精确的人体模型。
下一步的研究将在对测量数据的分析基础上,定位特征点,根据人体表面特征点对人体进行更精细的刻画,如胸窝、锁骨等,让模型更准确地反映不同体型、种族、地域的特点。随着我国人体测量尺寸数据库的不断丰富,基于人体测量学的建模方法的应用将会越来越广泛,具有对网上服装展示及其他形体展现的发展具有重要的意义。
参考文献
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路桥过渡段人体舒适性测量方法研究 第4篇
1加速度传感器的安装应用
1.1量测原理加速度传感器是利用石英晶体等一些物质的压电效应, 当加速度计受到振动时, 压电元件上所承受的质量块的力也随之变化, 因此又称压电式加速度计。当被测物体的振动频率远远低于该加速度计的固有频率时, 则加速度与力成正比。
1.2安装应用在安装应用过程中, 将加速度传感器安装在指定测试位置, 从而接收到车辆经过路桥过渡段时此处所产生的加速度信号, 经过电荷放大器将该信号转变为电压信号, 再通过采集卡进行A/D转换, 最后通过PC中的软件存储该数据。由于加速度传感器对振动具有很高的灵敏性, 因此本文在测试中, 将加速度传感器的磁铁底座固定在一块专门供测试用的铁板上, 避免其由于车辆振动发生移动而脱离测试位置, 然后用300W的逆变器与电瓶相连接, 把12V直流电转换为220V交流电, 另一端与电荷放大器连接。一个电荷放大器可与两个加速度传感器连接, 本次测试中一个传感器放置在前排座椅, 另一个放置在测试车的底盘, 电脑与电荷放大器连接, 在终端输出数据。
1.3信号转换在测试过程中, 电脑终端所输出的是时域信号形式的数据 (如图1) 。加速度传感器在安装使用前要在室内进行定标标注, 将时域信号转换成加速度随时间变化的曲线。定标标注是在激振器上利用球振法, 输入不同频率的信号, 得到加速度为1g时测定系统输出的信号大小, 最后得出该测定系统的加速度标定曲线。
在MATLAB中编写程序, 对该数据进行计算和图形可视化, 得到车辆经过路桥过渡段时竖向振动的加速度最大值和加权加速度均方根值, 并画出a (t) -t曲线图 (如图2) 。
2人体舒适性评价方法
本文在测试中, 考虑到车辆通过路桥过渡段时所产生振动是“瞬时性”的, 因此, 要计算出车辆以不同速度经过路桥过渡段时人体“瞬间内”的加权加速度均方根值, 然后结合ISO 2631-1-1997中加权加速度均方根值与行驶舒适性的关系, 从而判断出人体通过路桥过渡段时的舒适程度。
由于乘客在乘车过程中是坐在座椅上的, 所以本文根据加速度传感器所测得的车辆通过路桥过渡段处座椅处的加权加速度均方根值与ISO 2631-1:1997中的人体舒适性对应, 从而可以测得乘客通过路桥过渡段时的舒适性。
3结论
3.1利用加速度传感器测得车辆通过路桥过渡段时振动的时域信号, 通过MATLAB软件处理, 得到振动时的最大加速度值和加权加速度均方根值。
3.2车辆经过路桥过渡段时, 将车座椅由于振动而产生的竖向加速度的加权加速度均方根值与ISO 2631-1:1997相比较, 判定了乘客通过路桥过渡段时的舒适性。
摘要：本文介绍了加速度传感器的测量原理, 通过在车内安装加速度传感器测得车辆通过路桥过渡段时由于振动而产生的竖向加速度, 对数据通过matlab软件处理, 得出车辆通过路桥过渡段时的加速度最大值和加权加速度均方根值, 从而作为判断乘客通过路桥过渡段时的舒适性依据。
关键词：路桥过渡段,人体舒适性,加速度传感器
参考文献
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人体测量 第5篇
人们早已意识到,人体的皮肤电阻有着重要的生理意义,并对此进行了相应的研究[1]。1879年,Vigouroux首先发现皮肤电现象。1890年,Tarchanoff发现机体在视、听、痛等感觉刺激及情绪激动时,皮肤两点之间电阻降低,他将这种现象称为皮肤电反射。人们对皮肤电现象原理的认识尚不够深入。目前的研究表明,人体皮肤表面电阻发生变化的外周机制与汗腺活动有明显关系。汗液中存在大量的电解质,当汗腺活动有一定改变时,皮肤的导电性就会有明显的改变,而汗腺活动主要受到交感神经的调节[2]。
如今皮肤电阻和情绪的密切关系已经得到了很好的证实。对于情绪这一难以监测的心理活动,利用皮肤电阻进行测定成为了最有效的方法。利用测量皮肤电阻的方法可以实现对情绪的分析和研究,再结合其他生理参数的测量,如心率、体温、瞳孔大小、面部表情识别等可以进一步提高准确性,以及实现测谎[24]。
呼吸状态是生理监测中的另一个重要参数,如何对其进行非接触、动态的监测,在睡眠疾病诊断、临床监护、心血管系统的反馈调节等各个研究领域都有其重要的研究价值。医学上对呼吸进行监测一直是一个难点。目前呼吸监测方法可分为侵入性监测与无创监测。侵入性监测条件要求高且操作不方便。无创监测中常用的有压力传感、温度传感、胸部阻抗测量、心电信息获取等方法[5,6]。这些方法有操作复杂、易受其他因素干扰、可能会给病人带来不适等缺点。间接的无创呼吸监测方法,如多普勒雷达测呼吸[7]和ECG提取呼吸信号[8],都需要先用特定的传感器监测其它参数,而且在测量精度上还难以满足要求。
本文设计了一个新颖的皮肤电阻测量系统,研究人体皮肤电阻与呼吸、情绪的关系。特别是探讨了通过测量皮肤电阻来实现对呼吸状态的监测,这为病人的呼吸状态监测提供了新的思路。实验证明,当人呼吸变得急促,交感神经系统促使皮肤竖毛肌收缩,汗腺的汗液分泌量增大,皮肤电阻值下降,通过测量电路可以比较容易地检测出这种变化。
目前人们对皮肤电阻的研究主要停留在与情绪变化的关系的讨论上,皮肤电阻的其他生理意义尚缺乏有意义的探究,也缺少相关的实验研究。皮肤电阻与心率、脑电等生理信号相比,它的应用还远不够成熟。
1皮肤电阻测量系统设计
皮肤电阻阻值较大,一般在2 kΩ～50 kΩ之间,而由情绪、呼吸变化引起的皮肤电阻变化幅度很小,必须对其进行较大幅度的放大。基于这种阻值大、变化小的特点,宜使用灵敏的电桥进行测量,将阻值变换信号变换为电压变化信号,然后再进行放大处理。
1.1系统框图
皮肤电阻测量系统分为测量检测、信号放大处理与数据结果显示几个部分,测量系统总体的设计框图如图1所示。
将两个测量电极之间的皮肤电阻作为惠斯通电桥的一个臂接入检测电路中,通过惠斯通电桥将皮肤电阻变化信号转化为电压变化信号。皮肤电阻变化较慢,频率较低,而其它干扰信号一般频率较高,因此可以通过低通滤波电路滤除干扰信号,然后送入电压放大电路再进行放大处理。经过A/D转换把模拟信号转变为数字信号,即可进行数据的处理与显示。
1.2 测量电极与检测电路
测量电极采用医用氯化银电极。电极部分为1 cm2的氯化银电极片,用导电胶粘贴在贴纸上。使用时,将电极贴片贴在人体皮肤上,两端连接电极的不锈钢扣帽即可。这种电极非常适合与皮肤接触的电信号测量,在人体心电的测量中已得到广泛的应用。
基于皮肤电阻的特点,检测电路部分采用惠斯通电桥,设计如图2所示。
人体皮肤电阻和电位器W1、定值电阻R1、R2构成电桥的四个臂。
使用时调节W1,当满足式(1)时,电桥平衡,输出端电压为零。
当皮肤电阻发生微小变化时,电桥不再平衡,输出端有电压变化,这样就可以将阻值变换信号转变为电压变化信号。
在电桥两端,利用两个IN4148二极管构成稳定的1.2 V左右的钳制电压,以避免电源电压不稳定对测量带来的影响。利用此电桥可以灵敏检测出皮肤电阻的微小变化,同时通过调节电位器W1可以使电路适用于不同个体皮肤电阻的阻值差异。
2 测量方法
基于上述测量系统,设计了如下实验,对不同因素引起的皮肤电阻变化情况进行测量。
2.1 准备阶段
人类手掌汗液分泌较为旺盛,被认为是“精神性出汗区”,其汗腺功能与身体其它部位之体温调节出汗不同,主要对精神性活动或感觉刺激反应敏感[9]。当人们情绪变化时,交感神经活动度也发生变化,汗腺分泌活动改变,皮肤的导电性也发生变化。因此,选取手掌作为测量部位。用75%的医用酒精对测量部位进行脱脂,待皮肤表面酒精蒸发后,将一次性氯化银电极贴在测量部位,用测量夹子连接好。实验过程中要求被测者尽量不要随意活动手臂。
在开始测量之前,被测者应平静休息受试坐在靠椅上,左前臂平放于实验台上,姿势以受试者自我感觉舒适为宜,保持情绪稳定、呼吸均匀,闭眼休息5 min。实验室内尽量保持安静,试验人员不可随意走动。约5 min后读数趋于稳定,这时调节调零旋钮W1,使指针指向0刻度。
2.2 测量阶段
2.2.1 电极间距影响测试
改变两个氯化银电极之间的间距,甚至将两个电极分别接在两只手的手心处,来测量电极间距对皮肤电阻的影响。
2.2.2 呼吸测试
开始测试后,被测者做连续、急促的深呼吸, 12 s后恢复正常呼吸,约30 s后皮肤电阻恢复正常,实验停止。
2.2.3 情绪测试
情绪测试中,需要通过某种方式给被测试者带来情绪上的刺激。这里采用BDXLⅡ注意分配试验仪[2],将光刺激作为应激刺激。由于需要被测者用一只手参与实验,可将两个电极连接在被测者的一只手的手心附近,用另一只手完成实验。测试开始后,试验仪右侧的信号灯会有一盏随机亮起,要求被测者用最快速度按灭亮起的信号灯,这时会有其它灯再亮起,最终仪器将记录被测者在一定时间内按灭的次数,以此来给被测者制造紧张的情绪。
3 实验结果
3.1 人体皮肤电阻的定性检测
实验过程中发现,改变两个电极的间距,测出的电阻并没有发生较大变化,甚至将两个电极分别接在两只手的手心测出的结果和接在一只手上的差距同样不大。可以推断,电极所测量的皮肤电阻并不是测量点在表皮上形成的电阻,所测电阻主要体现在皮肤的表皮、真皮、皮下组织之间纵向存在的电阻。根据本实验结论及生理分析,可设计皮肤电阻模型如图3所示。
皮肤的表皮电阻率高,测量点A、B在表皮间的电阻R′阻值很大,对于实际所测电阻影响可以忽略;皮下组织液电阻率小,皮下的横向电阻R2阻值很小;皮肤的纵向电阻阻值R1、R3基本等于测量阻值,且因受人体状态改变而发生变化。故测量点A、B间的实际电阻基本上相当于R1、R2、R3的串联,主要体现于R1和R3上。
3.2 呼吸监测
实验选取了10名被测者,其中5名男性,5名女性。当被测者在2 s末开始做急促深呼吸时,测量值即迅速上升。被测者在12 s末停止急促深呼吸,测量值逐渐恢复到零。测试结果表明,不同个体间皮肤电阻数值差距较大,但变化趋势基本相同。
对10名被测者的测量数据进行平均,可得出的呼吸监测实验结果如图4所示。
3.3 情绪监测
实验同样选取了10名被测者,其中5名男性,5名女性。被测者在2 s末开始刺激,12 s末停止。测试结果表明,不同个体间皮肤电阻数值差距较大,但变化趋势基本相同。
对10名被测者的测量数据进行平均,可得出的情绪监测实验结果如图5所示。
4 结论
实验结果表明,人体皮肤电阻与人体的呼吸和情绪变化有着密切关系,人体的汗腺存在于皮肤的真皮层或皮下组织中。当人呼吸变得急促,或受到情绪上的刺激时,交感神经系统促使皮肤竖毛肌收缩,汗腺的汗液分泌量增大,真皮层的纵向电阻阻值降低,导致人体皮肤电阻下降。通过对皮肤电阻的测量可以实现对人体呼吸状态、情绪状态的监测。
目前对情绪和皮肤电阻的关系研究并不深入,在文献上还很难看到有关呼吸和皮肤电阻的关系的研究。作为一个易于测量、独具价值的生理参数,皮肤电阻有着广阔的研究空间和应用前景。
参考文献
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人体测量 第6篇
我们在之前开发的Burn Calc扫描系统的基础上[19],研发出皮肤慢性溃疡扫描系统。整套系统包括:图像采集设备、三维模型重建系统和可视化三维交互显示系统。其中图像采集设备采用集成了彩色摄像头、深度(红外)摄像头和红外线投影机传感器的Kinect for Windows手持式扫描设备。该设备是在原Kinect一代的基础之上升级后发布的一款三维体感摄像头。其中彩色摄像头用于拍摄视角范围内的彩色视频图像,分辨率升级为1920×1080像素;红外投影机用于主动投射近红外光谱,分辨率升级为512×424像素;深度(红外)摄像头用于分析红外光谱,创建可视范围内的人体的深度信息,分辨率升级为512×424像素。深度摄像头采用的是光编码方法,即利用连续光(近红外线)对测量空间进行编码,经感应器读取编码的光线,交由晶片运算进行解码后,产生一张具有深度的图像[19],它相对于我们之前使用的Kinect更为精确、高效。本研究以无菌薄膜勾边法为“金标准”进行对照实验,探讨并验证一种精确、敏感、简便、高效的皮肤慢性溃疡面积测量方法。
1 资料与方法
1.1 资料
选取2014年6月~12月于我院就诊的30例皮肤慢性溃疡患者进行研究,其中男性17名,女性13名,年龄46~82岁,平均(64±8.39)岁。分别采用无菌薄膜勾边法(A法)、NIH Image J方法(B法)和Burn Calc扫描方法(C法)测量皮肤溃疡创面,该试验获得我院伦理委员会批准。
患者纳入标准:(1)诊断为糖尿病足、褥疮等皮肤慢性溃疡的患者;(2)根据国家药物临床试验管理规范规定,获取知情同意并已签署知情同意书者。排除标准:(1)患有精神疾病,包括严重的癔症;(2)不具备自主能力;(3)妊娠、哺乳期或准备妊娠的妇女;(4)有中风或伴有肢体皮肤植物神经功能障碍等疾病;(5)最近3个月参加过其他临床试验;(6)据判断有可能干扰试验结果或增加患者风险的任何病史。
1.2 方法
1.2.1 无菌薄膜勾边法[20]
打开伤口外敷料后清洁、干燥伤口,将自带坐标网格的无菌薄膜(聚安酯膜和丙烯酸粘剂组成)紧贴于慢性皮肤溃疡创面表面,使整个创面被包含在薄膜的边界之内,使用记号笔沿创面边缘勾画出创面表面形状,揭下背衬,根据薄膜自带的坐标网格计算出创面面积,每个坐标网格面积为0.25 cm2,对于边界内不满一格的按照只计左侧和上方的原则计算。对于更大的创面,使用数张薄膜连接在一起,覆盖整个创面区域后分别计算每张薄膜标记区域的面积,相加后得出创面的总面积。
1.2.2 NIH Image J方法[11,21,22]
使用数码相机于固定的高度和角度对每一个慢性皮肤溃疡创面进行拍照,并使用尺子作为标记。每个照片使用NIH ImageJ软件测量3次,并使用直尺作为标尺进行分析。将数码相机采集的图片导入计算机,选出最清晰图片,应用NIH ImageJ软件,采用描记笔沿溃疡边缘勾勒溃疡面表面轮廓,得出像素平方值,同时用描记笔勾勒标尺上1 cm的直线距离,得出1 cm直线距离的像素值,再将1 cm像素值相乘,得出1 cm2的像素平方值,最后用溃疡表面轮廓的像素平方值除以1 cm2的像素平方值,得到慢性溃疡皮肤面积。
1.2.3 Burn Calc系统扫描方法[19]
(1)采集图像信息:采用Kinect for Windows手持式扫描设备,通过不同角度扫描人体创面,每秒获取1帧图片,获得的图像数据传输至电脑处理。
(2)溃疡创面三维重建:采集到的数据通过Kinect Fusion算法进行匹配定位与融合来实现三维场景重建。
(3)可视化三维交互显示系统计算面积:应用三维可视化面片绘制方法计算得到的三维模型面积。将被测创面处理为若干个基于点云库中相邻3点所形成的三角面片,对构成这个三维物体表面的所有三角面片的面积进行累加,得到该物体的表面积。操作人员通过软件平台手动选择定义“创面区域”,计算区域内所有三角网格的面积之和,即为创面面积。
1.2.4 统计分析
采用SPSS 19.0软件进行分析,3种方法所得创面面积运用随机区组方差分析进行比较,P<0.05表示差异有统计学意义。
2 结果
采用3种方法分别测量的30位患者所得创面面积柱状图,见图1。
3种方法测得创面面积统计结果,见表1。随机区组方差分析显示3种方法测得创面面积无统计学差异(F=2.57,P=0.085);独立t检验分析B法与A法创面面积差值,差值无统计学差异(t=-0.728,P=0.472);独立t检验分析C法与A法创面面积差值,差值无统计学差异(t=2.010,P=0.054)。
3 讨论
糖尿病足是糖尿病晚期并发症之一,通常伤口愈合缓慢,严重时可能导致患者截肢等。因此,对皮肤慢性溃疡面积的准确判断对于临床医护工作者来说尤为重要[2]。
无菌薄膜勾边法经济、简单,一直被认为是临床测量创面面积的金标准,但该方法主要缺点在于:(1)由于薄膜之下的边缘模糊不清,导致难以识别伤口边缘;(2)薄膜遇上湿润的伤口变硬,使薄膜与伤口不贴合;(3)薄膜与伤口直接接触,增加了伤口污染的风险,引起患者不舒适和疼痛[11,23,24,25]。
NIH Image J方法可达到与无菌薄膜勾边法相似的效果,且克服了无菌薄膜勾边法需要与创面接触从而导致不良事件产生的缺点,目前临床上较多使用NIH Image J法来评估慢性皮肤溃疡创面。但NIH Image J法要求数码相机拍摄时与慢性皮肤溃疡面保持垂直,且必须有标尺作为对照,以避免相机镜头与溃疡面距离不同所造成的差异。同时,该方法对数码相机与创面的拍照距离也有要求,如果创面之间的拍照距离不一致,可能会导致创面测量结果的误差[11],因此也不是最合适的创面测量方法。
本研究结果表明Burn Calc扫描方法与NIH Image J方法、无菌薄膜勾边法在测量创面面积方面精确度相似。相较传统二维创面测量方法,三维创面测量更能准确的反映出创面的真实信息。Burn Calc扫描系统只需要一台Kinect扫描仪和一台笔记本电脑便可以完成系统的构建,它能测量出创面的形状和表面信息,这一功能使得创面面积计算更加符合实际情况。Burn Calc扫描系统三维交互界面同时支持创面模型的测量、旋转和存储,为进一步研究提供有力支持。本系统选用的三维人体扫描设备,突破了以往的人体扫描设备安装困难、准备工作费时费力、不能移动的限制,使得批量测量创面三维数据成为可能,大大降低了工作人员的工作强度,为建立创面数据库提供了技术支持。目前研究选用的Burn Calc扫描系统还不能直接计算出慢性创面的垂直深度和体积信息,我们正在进行此类功能的研究开发。
4 结论
BurnC alc扫描系统是一套无创、快捷、便携、经济、精确的人体扫描系统,可以精确测量慢性皮肤溃疡创面的面积,是一种评估慢性皮肤溃疡创面的临床新方法。BurnC alc扫描系统的临床意义在于它可以成为一种评价慢性皮肤溃疡创面的通用方法,从而使糖尿病足或者褥疮患者得到更加精确、客观的评价。
人体测量 第7篇
关键词：MSP430,温度,脉搏,心跳,血压,无线报警
引言
伴随着我国老龄化日益严重, 人体健康指标越来越受到人们重视。及时准确、动态地测量人体健康指标, 可以有效预防心脑血管疾病, 对人生命安全起到保障作用。
在体温、心跳、脉搏、血压等健康指标中, 血压的测量最受人们重视;2013年世界卫生日的主题便是高血压。在我国高血压患者已经突破2亿, 而高血压控制率却不足10%。高血压会导致人体一系列的心脑血管疾病, 数据显示我国每年300万例心血管患者死亡中至少一半与高血压有关。因此人们应该长期、有效地监测自己的血压, 了解血压值的标准临界值, 以降低高血压给其患者所带来的伤害。
本文所设计测量仪能够同时测量体温、心跳、脉搏、血压等指标。传统仪器功能较单一, 多仅能测量单一体征参数, 同时测量人体多个指标需多仪器, 给被测者造成不便。本测量仪通过测量脉搏传导时间 (PTT) , 利用其与血压之间的线性关系, 经过数据运算处理求得血压值。采用此种方法可以实现对温度、心跳、脉搏, 血压同时测量。测量血压无需袖带加压, 在保证测量达到要求精确度的同时更加方便。
社会已经进入互联网时代, 社区网络覆盖率高, 通过网络通信可完成自动报警。本检测仪可将所检测指标与人体健康指标正常值进行实时对比, 当被测者身体指标出现较大变化, 特别是出现自身无法呼救的状况时, 检测仪上无线模块会自动将数据通过患者所在无线网络上传给相关机构进行报警。自动检测、及时报警能够提高被测者得到救治速度, 具有一定现实意义。
1 测量仪总体设计
健康指标测量仪主要由MSP430F149单片机、温度测量、心电测量、脉搏测量、上位机通信等模块组成, 系统总体框图如图1所示。
设计思路:首先系统分别通过温度测量模块、心电测量模块和脉搏测量模块将所测信号经过信号调理后传给单片机MSP430F149的A/D转换通道, 从而得到所需数据并存储[1]。单片机对各项数据通过LCD显示的同时也对人体各项指标进行设限判断;当数据出现异常时, 系统通过蜂鸣器进行报警, 经过一段时间后若被测者不按系统键盘上的取消键, 则系统自动通过无线模块将报警信号传送给相关机构, 达到及时求助的目的。另外, 系统存储数据还可以通过上位机通信模块传给上位机, 相关专业人员可以通过上位机观察数据、波形, 如图2和图3所示。
2 主要模块
2.1 体温测量模块
体温是人体重要的生理指标, 测量方式包括口腔、腋窝和直肠测量;本设计选取腋窝作为测量部位;而用负温度系数热敏电阻做为温度传感器[2], 其中热敏电阻阻值与温度关系为:
即:
进而推得:
其中R0与R分别代表温度为T0和T时热敏电阻的阻值。N为材料常数, 可以用来表示在热敏电阻阻值与温度的关系。
为保证热敏电阻的阻值变化仅受外界温度影响, 本设计选用DH905作为恒流源对热敏电阻进行电流驱动。并通过调节R1阻值使恒流源电流为100u A[3]。原理图如图4所示。
在实际应用当中, 热敏电阻阻值与温度两者之间往往不满足线性关系, 这就需要通过最小二乘法对两者关系进行拟合校正。实验数据见表1:
温度为x, 阻值为y, 利用测得数据对温度值与电阻值两者关系进行线性拟合, 这里取二次多项式作为拟合模型[4], 设两者函数关系为:
将x, y的值带入式 (5) 求得待定系数a, b, c。
最终求得值a=0.0047, b=-0.5802, c=21.4454.二次多项式为
其拟合图像如图5所示:
2.2 脉搏和心电测量模块
脉搏传感器选用HK2000B, 其具有灵敏度高, 抗干扰性强, 过载能力大, 一致性好, 性能稳定可靠等特点[5];心电测量采用常用的平板电极, 进行相比传统测量使用电极数量少且方便的双电极心电测量[6]。
脉搏和心电测量所测得信号是较微弱的电压信号, 在测量过程中会受到噪声和工频信号的干扰, 因此将干扰信号消除或减到最小并进行放大是设计的重点。
首先, 在信号处理过程中应针对噪声所处频率和信号自身不稳定性设计特定的滤波带、50Hz工频陷波器和抑制基线漂移的电路。脉搏信号频率在0.2-45Hz之间, 因此设计的带通滤波器滤波带应为0.2-45Hz (如图6所示) ;心电信号频率在0.5-100Hz[7], 应设计相应频率的带通滤波器[8] (如图7所示) 。
传感器测得信号都是毫伏级的, 而本设计选用单片机MSP430F149所自带的A/D转换通道, 范围为0-3.3V, 因此应对两者信号采取不同程度的放大, 以使转换电压想匹配。为配合对干扰信号的消除, 脉搏和心电信号的放大都采用两极放大, 并且第一级放大器都选取具有高输入阻抗、高共模抑制比的仪表放大器AD620, 这样将更大地提高测量的精确性。
2.3 血压测量模块
高血压能够引发一系列的心血管疾病[9]。文献报道利用脉搏传导时间可以计算出人体的血压值[10], 使24小时动态血压测量更加方便。并且由于测量方式简便、仪器体积小, 便于佩戴, 被测者可以独立进行血压测量。
对于血压与脉搏传导时间的关系, 根据MoensKorteweg公式[11], 可得出
其中P代表血压值, K为传递距离, E0代表在压力为零的情况下的弹性模量, g为重力加速度, γ为代表血管特征的一个量, 为0.016到0.018 (mm Hg1) , ρ代表血液密度, a为血管壁的厚度, d为血管内径。如果忽略随着血压改变时血管内径和血管壁的微小变化, 则该式中只有P和T为变量, 对T进行求导, 得
该式又可转化为
设被测血压Pe如下式,
其中Pb为Tb时刻血压, ∆P为Pb基础上血压的改变量, 将式 (9) 代入得,
将该式写成
其中P代表人体血压, T为脉搏传导时间。由式 (12) 可得出人体血压同脉搏传导时间 (PTT) 具有线性关系, a, b作为待定系数, 可通过最小二乘法进行拟合得到[12];求收缩压时, T值可由式 (13) 求得。
Tp为脉搏波形达到最高点的时刻, TR为心电波形达到R波的时刻, 如图8所示。利用极值法确定两点的时刻[13], 即满足式 (13) , 其中数值ak所对应的时刻便是波形达到最高点的时刻。
对舒张压的求取则选择两种信号图像的最低点, 方法和上述一致。
选取3组被测者实际测量进行验证, 通过该方法所测得血压偏差值满足美国医疗仪器促进协会要求, 即平均偏差小于5mm Hg, 标准偏差小于8mm Hg, 详细结果如表2所示。
2.4 其它模块
检测仪电源模块中, 电压经芯片MAX856转换产生3.3V和5V电压;液晶采用低功耗的ST7565;由于检测仪所测数据种类多、数量大, 因此采用可串行控制的功耗低的存储芯片24C256进行数据存储并通过芯片PL2303进行USB转换以方便与上位机的通信[14]。检测仪的报警部分主要由蜂鸣器和无线模块两部分共同构成, 其中无线模块选用体积小、功耗低、通信距离长的NRF2401[15]。当被测者健康指标异常时首先由蜂鸣器发出响声作为警报, 一段时间后若CPU没有检测到按键模块中报警取消键按下, 则系统默认为被测者需要急救, 会通过无线模块向相关机构发出警报。
3软件设计
健康指标测量仪用于对人体温度、血压、脉搏等健康指标进行准确测量并及时报警, 其具体流程图如图9所示。设备进行初始化后便开始各项健康指标的采集, 伴随着实时存储和显示。当有一项或多项指标超过设定的正常范围时, 开始报警。报警分两个阶段:第一阶段为蜂鸣器报警, 通过发声提醒被测者, 使其采取相应措施, 并在30s内按下取消键结束报警;第二阶段为无线模块报警, 即30s内系统没有检测到取消键按下, 自动判定被测者自身无法报警, 系统会通过无线持续向相应机构报警。
4 小结
人体测量 第8篇
在人体生命信号非接触测量中,呼吸测量是脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra-Wideband,IR-UWB)雷达最基本的一项功能。IR-UWB雷达发射的电磁脉冲照射到人体后产生反射,人体呼吸运动会引起体表微动,导致反射回波的延时发生变化,通过检测该变化可实现呼吸测量[12,13]。由于人体体表微动位移幅度非常小,IR-UWB雷达的回波变化非常微弱;再加上需要穿透墙壁、废墟等障碍,所以基于IR-UWB雷达的非接触呼吸测量难度较大。针对这一问题,目前已开展了大量研究[14,15,16,17,18,19,20,21]。但在这些研究中,绝大多数是针对IR-UWB回波的信号处理技术,并提出了信杂噪比(Signal-to-Noise-and-Clutter Ratio,SNCR)提高、背景去除、干扰抑制、呼吸率估计等大量方法[16,17,18]。然而,IR-UWB雷达的呼吸测量性能首先取决于其硬件系统性能,目前针对这一问题的研究较少[12,15],尤其缺乏IR-UWB雷达非接触呼吸测量的关键参数研究。前期的研究表明,IR-UWB雷达的等效采样间隔与其呼吸检测性能有关[17],但尚未进行深入研究和实验验证。
本文从理论和实验两个方面系统研究了等效采样间隔这一关键参数,旨在为非接触生命信号测量中的IR-UWB雷达系统设计提供指导。首先,从理论上分析了等效采样间隔与人体体表位移的定量关系,以及等效采样间隔和周期对IR-UWB雷达的非接触呼吸测量性能的影响。然后,通过实验对理论分析结果进行了验证。在实验中,为了避免人体个体差异,采用人体体表微动模拟装置代替志愿者作为目标,并改变IR-UWB雷达的等效采样间隔和周期。最后,对不同等效采样间隔和周期采集到的实验数据进行分组,并采用统计分析对各组间呼吸测量性能的差异进行评估。
1 理论分析
IR-UWB雷达能获取目标距离信息,主要是通过探测接收到的目标回波脉冲和发射脉冲之间的延迟实现的。因此,在IR-UWB雷达的接收端可通过等效采样技术,对不同距离范围内的回波进行采样,所以接收到的IR-UWB回波信号是带有距离延迟(下文简称距离)和采样时间(下文简称时间)信息的二维信号。假设探测范围内有一个静止人体,回波信号可以表示为[13]:
其中,τ和t分别表示距离和时间,通常τ的单位是ns,而t的单位是s,而且τ×电磁波传播速度可以换算成距离;p(t)表示脉冲波形;b表示回波在传播、胸部反射等类似过程中脉冲波形衰减的比例因子;τb(t)表示人体呼吸位移所产生的脉冲延迟,当仅考虑人体的呼吸时,τb(t)可表示为:
τb(t)由两部分组成:一部分是τ0,τ0是一个常数,对应脉冲在雷达与无呼吸静止目标之间传播时的距离延迟;另一部分是(Δb/2)sin(2πfbt),表示人体呼吸引起的胸部位移而产生的动态延迟。为便于分析,人体呼吸运动被简化为一个正弦时间函数,该正弦函数的周期由呼吸位移Δb以及呼吸频率fb决定。因此r(τ,t)根据(1)、(2)整理后可得:
假设雷达接收机的灵敏度足够高,那么此时回波信号r(τ,t)得到有效接收。然后在距离τ=mδτ和时间t=n Ts的离散时刻对回波信号进行采样,其中δτ和Ts分别表示等效采样间隔和等效采样周期,则根据公式(3),上述过程可转换为:
公式(4)中r[m,n]表示IR-UWB雷达采样得到的离散数据。由于人体呼吸的影响,(Δb/2)sin(2πfbn Ts)的值在τ0附近变化,人体呼吸测量正是通过检测这种变化来实现的[13]。根据奈奎斯特采样定理,在离散IR-UWB数据中δτ应该<|(Δb/2)|sin(2πfbn Ts)||,其中|•|表示绝对值,且δτ越小,(Δb/2)|sin(2πfbn Ts)|在离散数据中就越能对应更多的距离采样点数,从而必然提高IR-UWB雷达的呼吸测量性能。由于(Δb/2)|sin(2πfbn Ts)|的最大值是Δb/2,所以δτ应满足:
另外,为了区分开r[m,n+1]和r[m,n],当给定δτ时,雷达的采样速度应该足够慢,即Ts应该大于某个数值。反之,当Ts小于该数值时,量化后的离散IR-UWB数据不能反映呼吸运动的变化。因此,减小Ts理论上不能使IR-UWB雷达的性能得到提高。本文中,我们把这个数值定义为有效采样周期(注意与等效采样周期的区别),并且用E(δτ,△b,fb)表示。那么,Ts应满足:
根据上述理论分析,进行了计算机仿真。首先,基于不同的δτ和Ts,根据公式(4)得出IR-UWB雷达的回波数据;然后,使用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)计算得到该数据的功率谱;最后,计算呼吸所在的频率点与所有频率点的功率之比,并以此作为评价IR-UWB雷达性能的定量指标。从仿真结果(图1)可以看出,功率比随着δτ(等效采样间隔)的增大而明显减小,但是当Ts(等效采样周期)变化时,功率比没有显著的变化。
注:呼吸频率0.2 Hz,位移12 mm(0.08 ns或者80 ps)。
2 实验方案
实验场景,见图2。实验在自由空间进行,目标距离雷达4 m。为了避免人体个体差异,目标采用课题组研制的人体体表微动模拟装置。该装置由信号发生器、扩音器、反射体(铜板,50 cm×20 cm)组成,信号发生器驱动扩音器,使扩音器上安装的反射体产生周期性缓慢振动来模拟人体呼吸运动时的胸部变化。在实验过程中,反射体的振动位移和频率由信号发生器输出的正弦波形电压和频率决定,该波形峰峰值为1 V、频率为0.3 Hz。
实验中使用第四军医大学研制的IR-UWB生物雷达系统,主要用于穿墙侦查或者震后救援,工作频率200~400MHz,系统原理方框图,见图3。该系统由两部分组成,一部分是雷达主机,用于实现脉冲的产生、发射、接收、采样等功能。发射和接收天线是蝶形偶极子天线,发射脉冲是重复频率为128 k Hz的双极性脉冲,接收器动态范围80 d B、灵敏度-78 d Bm,模数转换为16位。系统的另一部分是计算机,它主要实现参数设定、数据处理和结果输出等功能,与主机通过USB接口连接。
IR-UWB雷达数据回波处理流程,见图4。流程分为3步:①信噪比提高,通过对雷达数据在距离和时间上进行平均来实现[18];②背景杂波去除,采用了线性趋势减法(Linear Trend Subtraction,LTS)[16,18];③自适应增强和低通滤波,使呼吸信号得到增强。经上述处理后的数据出现了明显的呼吸变化,然后根据目标的先验距离信息获取呼吸波形,并利用FFT进行谱分析并计算功率比。在实际应用中,低通滤波后的数据同时可用于识别和定位目标。
3 数据采集和分析
数据采集时,通过改变雷达的系统参数得到不同的等效采样间隔和周期,并对不同等效采样间隔和周期采集到的实验数据进行分组。IR-UWB雷达的实验参数,见表1。雷达探测范围设置为16~36 ns,相当于实验场景中的2.4~5.4 m,从而可有效覆盖目标(4 m)。雷达的等效采样间隔和等效采样周期由采样点数和采样速度两个参数控制。例如,当采样点数设置为2048时,等效采样间隔为(36-16)/2048 ns,大约相当于10 ps;同时当采样速度为64 Hz时,等效采样周期是1/64 s。
由表1可知,实验数据分为3组,分别对应δτ=40 ps,Ts=1/64 s,δτ=10 ps,Ts=1/64 s和δτ=10 ps,Ts=1/16 s。其中第一组和第二组的Ts相同,第二组和第三组的δτ相同,通过组间对比可分别得到Ts和δτ对雷达探测性能的影响。对于每种参数组合,均需重复探测人体体表微动模拟装置10次(10个数据/组),并通过计算机采样和处理得到功率比。所有数据处理完毕后,根据独立样本t检验得出各组间功率比的差异,以此为依据评价呼吸探测的差异。在评估过程中,采用双尾t检验,以P<0.05为差异有统计学意义。
4 实验结果
为了直观地表示等效采样间隔和周期对IR-UWB雷达性能的影响,首先从每组数据中各取1个,实验结果见图5。图中左一列,即图(a)、(d)、(g)表示低通滤波之后的IR-UWB雷达数据;中间一列,即图(b)、(e)、(h)表示目标距离点上的呼吸波形;右边一列,即图(c)、(f)、(i)表示波形对应的功率谱。由图5(a)可知,当δτ=40 ps、Ts=1/64 s时,信噪比过低,呼吸变化不明显。但在图5(b)和5(c)中,当δτ从40 ps减少到10 ps时,雷达数据的信噪比得到提高,可以观察到明显的周期性呼吸变化。同时通过观察图5中的功率谱(即图5右边一列)可知,检测到的谱峰均在0.3 Hz处,与人体体表微动模拟装置的输出频率一致。另外,由于人体体表微动模拟装置的非线性特性限制,呼吸波形会在正弦信号的基础上产生轻微的扭曲变形(图5中间一列)。
数据分析结果,见图6。其中A、B和C组分别对应于参数为δτ=40 ps、Ts=1/64 s,δτ=10 ps、Ts=1/64 s和δτ=10 ps、Ts=1/16 s时的统计结果。由图6可知,B组的平均功率比比A组更高(t=-4.183,n=10,P<0.01),B组和C组的平均功率比没有显著区别(t=-0.029,n=10,P<0.977)。
5 结论
本文首次从理论和实验两个方面对IR-UWB雷达的等效采样间隔与呼吸测量性能之间的定量关系进行了研究。由理论分析可知,为实现非接触呼吸测量的目的,等效采样间隔应尽可能小,其上限是呼吸引起的胸部位移的一半,并与IR-UWB雷达呼吸测量性能存在反比的关系。同时等效采样间隔加上胸部位移及呼吸比率共同决定了另一个参数——等效采样周期的有效值。因而,单纯依靠减小雷达等效采样周期的手段,并不能提高雷达的呼吸测量性能。因此,等效采样间隔在10 ps时的呼吸测量性能比等效采样间隔在40 ps时更好;而等效采样周期分别在1/64 s和1/16 s时的呼吸测量性能没有明显的区别。
注:图中从左列到右列分别是通过IR-UWB雷达测量得到的结果数据、呼吸波形和功率谱。最上面一行是参数δτ=40 ps、Ts=1/64 s时雷达的测量结果,中间一行是参数δτ=10 ps、Ts=1/64 s时雷达的测量结果,最下面一行是参数δτ=10 ps、Ts=1/16 s时雷达的测量结果。
