[发明专利]一种面向人体通信的有限元人体建模方法

说明书

技术领域

本发明为一种面向人体通信的有限元人体建模方法，属于人体通信技术领 域。

背景技术

人体通信技术(IBC，Intra-Body Communication)是一种以人体为信号传 输介质的通信技术。其基本思想为：将通信信号加载于人体皮肤表面并在人体 内传输。在接收端，通过高灵敏度接收器检测出经由人体传输的微弱电信号， 从而实现以人体为介质的数据通信。与目前已有的蓝牙、Zigbee等短距离无线 通信技术相比，人体通信技术具有高质量信号传输、较高的传输速率、较高的 安全性、接触式网络接入、无通信带宽问题等优势，因此在个人区域网络(PAN， Personal Area Network)、计算机网络接入、植入式人体信息监测、人体能量 传输等领域具有广泛的应用前景。

软件仿真是人体通信技术研究的重要技术手段，其主要原因包括：(1)人 体是一个复杂的电磁兼容系统，目前已有的研究尚不能完全阐述电信号在人体 内的传输机制。通过软件仿真可对电信号在人体不同组织内的传输过程进行模 拟；(2)人体通信需将不同频率、幅值的电信号通过人体介质进行传输。出于 人身安全性考虑，一般需通过软件仿真验证其可行性及安全性，再以真实人体 为对象进行相关实验。

人体通信以人体作为信号传输的介质，因而人体软件模型是人体通信软件 仿真的重要基础。人体通信对人体软件模型的主要要求包括：(1)具备与真实 人体相接近于的几何特性，可满足不同人体通信传输路径的仿真要求；(2)具 备与真实人体相类似的电磁学特性，可满足不同人体介质层的仿真要求。

目前已有的人体软件模型主要包括：面向医学研究的虚拟人体，面向人体 运动学研究的人体模型，高频强电场对人体的影响模型等。面向医学研究的虚 拟人体主要通过真实人体组织切片图像数据集建立人体三维几何模型。与临床 解剖学相结合，此类人体模型主要应用于虚拟解剖学、横断面解剖学、纵剖面 解剖学、斜剖面解剖学研究中的虚拟人体模拟。面向医学研究的虚拟人体主要 侧重于对人体组织几何特征的模拟，其并不具备真实人体的电磁学特征。另一 方面，由于它是建立在大量图像数据集的基础上，因此对硬件系统具有较高的 要求。

面向人体运动学研究的人体模型主要依据人体不同部位的质量和粘弹性， 将人体简化成弹簧-阻尼-质量力学模型，模型中的弹簧-阻尼系数依据人体肌 肉、肌腱的特性确定。此类模型主要应用于真实人体运动系统的特征和规律研 究，其同样不具备真实人体的电磁学特征。

高频强电场对人体的影响模型主要用于研究电磁场对人体的作用，主要是 对人体在强交变电场下的感应作用进行模拟。此类模型所存在的主要问题是： (1)一般仅具有单一介质层，无法模拟微弱电场信号在人体不同组织内的传输 过程；(2)对人体的几何特性尺寸做了大量的近似，导致模型相对粗糙，不能 对人体的几何特性进行全面的描述，因而难以对电信号在人体不同路径中的传 输过程进行仿真。

综上所述，目前已有的人体软件模型无法满足人体通信对于人体传输路径 及介质层的仿真要求。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决人体通信软件仿真中所需的人体的软件建模 问题，提出一种面向人体通信的有限元人体模型建模方法，能够形成具有与真 实人体相类似的几何特性及电磁特性的有限元人体软件模型，在人体通信、生 物电磁学、生物医学等具有广泛的应用前景。

本发明所提出的面向人体通信的有限元人体模型建模方法包括以下步骤：

第一步：根据人体各部位的外形特性，对人体各部位进行几何抽象：将整 个人体抽象为由头部、颈部、躯干、手臂及腿部组成的几何体；

上述各部位的抽象过程如下：

1)将人体头部抽象为圆柱和半圆球的结合体，其中，头部的上半部分为半 球体，下半部分为圆柱体，半球体与圆柱体的半径相同，半球体的底面 与圆柱体的上平面重合，圆柱体的轴线通过半球体的圆心；

2)将人体颈部抽象为圆锥体，其中，圆锥体的最大圆锥直径与头部相连， 最小圆锥直径与躯干相连；

3)将人体躯干抽象为椭圆柱体，其中，椭圆柱体的长轴为人体躯干的宽度， 短轴为人体躯干的厚度，椭圆柱体的高度为人体躯干的高度；