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Generation of Postured Voxel-based Human Models Used for Electromagnetic Applications

Gao, Jing :
Generation of Postured Voxel-based Human Models Used for Electromagnetic Applications.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Generation of Postured Voxel-based Human Models Used for Electromagnetic Applications
Language: English
Abstract:

The main contribution of this dissertation is the development of a poser program package, which can deform a voxel-based human body model named HUGO to allow the genera-tion of common postures that people often use in normal life. To illustrate the usefulness of this poser program, two electromagnetic applications are presented. As a low frequency application example in electrical engineering, the first one simulates and analyzes the step voltage due to a lightning strike in detail with the help of two postured human body models. The second one studies the influence of human’s posture on specific absorption rate (SAR) calculation as a high frequency electromagnetic application example. With the development of medical technique, computer graphics and computational elec-tromagnetics, high resolution and anatomically realistic whole-body voxel-based human models have been recently developed and widely used in computation of induced elec-tromagnetic fields and SAR in the human body. However, voxel models’ unchangeable posture strongly limits related researches when simulating a realistic scenario in which people have a lot of different postures. In this dissertation, a poser program package, which is an improved version of the well known free form deformation (FFD) technique in computer graphics, was developed to overcome this problem. The poser program can import and render the original voxel dataset, set rotation angles of different joints with a simplified human model, generate postured human models, and export the postured hu-man models as new voxel dataset files. With its help, the original voxel-based human model can be deformed smoothly, continuity of internal tissues and organs can be main-tained, and masses of different tissues and organs can be conserved at a reasonable level. In order to generate a postured human model with correctly anatomic structure, a segmen-tation approach was developed to separate arms away from the trunk. Deformation of the knee joint was dealt with separately to avoid unreasonable deformation of the femur and tibia, and to realize movement and rotation of the patella when the knee joint is bent. As a typical application of the postured human models, internal electromagnetic fields in the walking and standing human body shocked by the step voltage caused by broken power line or lightning strike were simulated. In order to get a much longer stable time step than the value specified by the Courant limit for stability, the reduced c technique was applied for the first time to these electro-quasistatic simulations, after a thorough study. At last, because human’s posture can significantly affect the way in which the hu-man body absorbs electromagnetic radiation, whole body averaged SAR and localized SAR distribution of a sitting human model were calculated and compared to that of the standing human model for various incidence angles of the electromagnetic wave and for different environmental conditions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist die Entwicklung des Computerprogramms „Poser“. Mit Hilfe dieses Programms lässt sich ein Voxel-basiertes HUGO-Modell des menschlichen Körpers verformen, um Simulationsmodelle der im Alltagsleben üblichen Körperhaltungen zu ermöglichen. Um die Nützlichkeit des Poser-Programms zu verdeutlichen, werden im Rahmen dieser Arbeit zwei elektromagnetische Anwendungsbeispiele vorgestellt. Als ein Anwendungsbeispiel im niedrigen Frequenzbereich in der Elektrotechnik wird die durch einen Blitzschlag induzierte Schrittspannung beim ersten Beispiel mit Hilfe von zwei posierten Menschmodellen ausführlich simuliert und analysiert. Das zweite Beispiel dreht sich um die Simulation im Hochfrequenzbereich. Dabei wird der Einfluss der menschlichen Körperhaltung auf die spezifische Absorptionsrate untersucht. Mit der Entwicklung der medizinischen Technik, Computergrafik und numerischen elektromagnetischen Feldberechnung, wurden voxel-basierte Menschmodelle mit feiner Auflösung und anatomisch realistischem Ganzkörper entwickelt und viel benutzt, um die induzierten elektromagnetischen Felder und die spezifische Absorptionsrate (SAR) im menschlichen Körper zu berechnen. Die unveränderbare Körperhaltung des Voxel-modells aber schränkt die anschließenden Forschungen sehr stark ein, denn zur Simulation eines realistischen Szenarios benötigt man Menschmodelle in ganz unterschiedlichen Körperhaltungen. Um das Problem zu beheben, wurde ein Poser-Programmpaket, das eine verbesserte Version des wohlbekannten Freiform-Deformation (FFD) Verfahrens in der Computergrafik ist, in dieser Dissertation entwickelt. Das Poser-Programm kann die ursprüngliche Voxel-Datei des Menschmodells importieren und rendern, die Drehwinkel von verschiedenen Gelenken mit einem vereinfachten Menschmodell einstellen, die posierten Menschmodelle erzeugen und diese Modelle in eine neue Voxel-Datei exportieren. Dadurch kann das originale Voxel-basierte Menschmodell problemlos verformt werden. Dabei bleibt die Stetigkeit der inneren Gewebe und Organe erhalten und auch die Massenerhaltung der unterschiedlichen Organe wird bis auf wenige Prozent erfüllt. Zur Erstellung der posierten Menschmodelle mit korrekter anatomischer Struktur wurde eine Segmentierungsmethode entwickelt, um die Arme vom Rumpf zu trennen. Die Verformung des Kniegelenks wurde getrennt behandelt, um einerseits die Bewegung und Rotation der Patella bei der Beugung des Gelenks zu realisieren, andererseits aber den Oberschenkelknochen und das Schienbein nicht zu verformen. Als ein typisches Anwendungsbeispiel für das posierte Menschmodell wurde die Schrittspannung, welche durch eine beschädigte Stromleitung oder einen Blitzschlag ausgelöst wird, und die induzierten elektromagnetischen Felder im gehenden und stehenden menschlichen Körper zu simulieren. Um einen Zeitschritt zu erhalten, der deutlich länger stabil ist als der Wert, der durch das Courant-Limit für Stabilität festgelegt ist, wurde das Reduced c Verfahren zum ersten Mal auf diesen elektromagnetischen Simulationen nach einer umfassenden Untersuchung angewendet. Da die menschliche Körperhaltung die Absorption elektromagnetischer Strahlung signifikant beeinflusst, wurden die gemittelten Ganzkörper SAR und die lokalen SAR-Verteilungen eines sitzenden Menschmodells ermittelt und mit der SAR und SAR-Verteilung des stehenden Menschmodells für die unterschiedlichen Einfallswinkel der elektromagnetischen Welle und die verschiedenen Umgebungsbedingungen verglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Theorie Elektromagnetischer Felder
Date Deposited: 25 Jan 2012 10:17
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28668
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Weiland, Prof. Dr.- Thomas and Munteanu, Prof. Dr.- Irina and Anderl, Prof. Dr.- Reiner
Refereed: 11 January 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2866
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