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物理学 > 医学物理

arXiv:1911.09556v1 (physics)
[提交于 2019年11月21日 ]

标题: 仅加速度计算法用于确定刚体的加速度场,应用于研究轻度创伤性脑损伤的力学

标题: An accelerometer-only algorithm for determining the acceleration field of a rigid body, with application in studying the mechanics of mild Traumatic Brain Injury

Authors:Mohammad Masiur Rahaman, Wenqiang Fang, Alice Lux Fawzi, Yang Wan, Haneesh Kesari
摘要: 我们提出了一种算法,用于利用四个三轴加速度计的测量数据确定刚体的加速度场。 加速度场是生物力学问题中的一个重要量,特别是在研究轻度创伤性脑损伤(mTBI)时。 脑内的体内应变,据推测与脑损伤密切相关,通常在实验室环境之外无法直接获取。 然而,一旦知道头部的加速度场,就可以对其进行估计。 与其他技术不同,所提出的算法仅使用加速度计的数据,而不是加速度计和陀螺仪的组合数据。 因此,所提出的仅加速度计(AO)算法不涉及任何数据的数值微分,而数值微分已知会大大放大测量噪声。 对于仅关注加速度矢量大小的应用,该算法简单、计算效率高,并且不需要计算角速度或方向。 当同时关注加速度的大小和方向时,所提出的算法需要计算角速度和方向作为中间步骤。 除了有助于理解mTBI的力学机制外,AO算法可能在多个生物力学应用、无陀螺仪惯性导航单元、弹道平台制导和平台控制中得到广泛应用。
摘要: We present an algorithm for determining the acceleration field of a rigid body using measurements from four tri-axial accelerometers. The acceleration field is an important quantity in bio-mechanics problems, especially in the study of mild Traumatic Brain Injury (mTBI). The in vivo strains in the brain, which are hypothesized to closely correlate with brain injury, are generally not directly accessible outside of a laboratory setting. However, they can be estimated on knowing the head's acceleration field. In contrast to other techniques, the proposed algorithm uses data exclusively from accelerometers, rather than from a combination of accelerometers and gyroscopes. For that reason, the proposed accelerometer only (AO) algorithm does not involve any numerical differentiation of data, which is known to greatly amplify measurement noise. For applications where only the magnitude of the acceleration vector is of interest, the algorithm is straightforward, computationally efficient and does not require computation of angular velocity or orientation. When both the magnitude and direction of acceleration are of interest, the proposed algorithm involves the calculation of the angular velocity and orientation as intermediate steps. In addition to helping understand the mechanics of mTBI, the AO-algorithm may find widespread use in several bio-mechanical applications, gyroscope-free inertial navigation units, ballistic platform guidance, and platform control.
评论: 35页,7图
主题: 医学物理 (physics.med-ph) ; 经典物理 (physics.class-ph)
引用方式: arXiv:1911.09556 [physics.med-ph]
  (或者 arXiv:1911.09556v1 [physics.med-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1911.09556
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yang Wan [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2019 年 11 月 21 日 15:50:25 UTC (3,487 KB)
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