CN101582097B - 一种面向人体通信的有限元人体建模方法 - Google Patents
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Abstract
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。该方法包括：(1)根据人体各部位的外形特性，对人体各部位进行几何抽象；(2)定义人体各部位的内部几何结构；(3)设置人体各部位介质层的电磁特性参数；(4)连接人体各部位，形成完整的有限元人体模型。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可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，对于人体通信技术的研究及应用具有重要意义。
Description
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；
4)将人体手臂抽象为由圆柱和圆锥的结合体，其中，将人体手臂分为上臂和下臂两部分，上臂抽象为圆柱体，下臂抽象为圆锥体；其中，最大圆锥直径所在平面与构成上臂的圆柱体底面重合，最大圆锥直径与构成上臂的圆柱体的直径相同，最小圆锥直径与人体手腕的直径相同；
5)将人体腿部抽象为由圆柱和圆锥的结合体，其中，将人体腿部分为大腿和小腿两部分，大腿抽象为圆柱体，小腿抽象为圆锥体，其最大圆锥直径所在平面与圆柱体的底面重合，且两者的直径相同，圆锥体的最小圆锥直径与人体脚腕的直径相同；
第二步：定义人体各部位的内部几何结构：
1)将头部划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和大脑5个介质层，其上半部分半球体以球心为中心，下半部分圆柱体以圆柱体的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；
2)将颈部划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓5个介质层，以圆锥体的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；
3)将躯干划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和内脏5个介质层，其中，躯干的骨骼由肋骨层、脊椎骨和盆骨构成；皮肤、脂肪、肌肉、肋骨和内脏5个介质层以椭圆柱的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布，肋骨层的高度占整个躯干内骨骼高度的1/2；盆骨位于躯干的底部，脊椎骨为细长圆柱体，其轴线平行于构成躯干的椭圆柱轴线，且其上端面圆的圆心与肋骨层上端面椭圆的短轴顶点重合，下端面圆与盆骨下端面重合；
4)将手臂划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓5个介质层，以圆柱体上臂和圆锥体下臂的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；
5)将腿部划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓5个介质层，以圆柱体大腿和圆锥体小腿的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布。
第三步：设置人体各部位介质层的电磁特性参数：依据生物电磁学、生物医学的参数，设置人体各部位介质层的电导率、磁导率、介电常数；
第四步：连接人体各部位，形成完整的有限元人体模型：将已建立的人体头部、颈部、躯干、手臂及腿部有限元模型连接起来，形成面向人体通信的完整有限元人体模型；
上述的连接方法如下：
1)在连接处设置球形关节骨，连接两个人体部位的骨骼层；
2)延长两个人体部位除骨骼层以外的介质层，使两者出现重叠部分；
3)对重叠部分进行布尔运算，形成无重叠的连接模型。
本发明的有益效果：
1、本发明所建立的人体通信模型具备与真实人体相接近于的几何特性，满足不同人体通信传输路径的仿真要求。
2、本发明所建立的人体通信模型具备与真实人体相类似的电磁学特性，满足不同人体介质层的仿真要求。
3、本发明可基于常规的有限元仿真软件实现，且对硬件系统要求相对较低，具有较强的可实现性。
附图说明
图1是依据本发明所提出的方法建立的面向人体通信的人体软件模型。
其中：1-头部，2-颈部，3-躯干，4-手臂，5-腿部，头部为圆柱和半圆球的结合体，躯干为椭圆柱体，四肢为由圆柱和圆锥的结合体。
图2是依据本发明所提出的方法建立的人体软件模型的头部内部结构框图。其中：1-头部皮肤层，2-头部脂肪层，3-头部肌肉层，4-头部骨骼层，5-大脑。
图3是依据本发明所提出的方法建立的人体软件模型的颈部内部结构框图。其中：1-颈部皮肤层，2-颈部脂肪层，3-颈部肌肉层，4-颈部骨骼层，5-颈部骨髓层，6-颈部与头部相连的关节骨，7-颈部与躯干相连的关节骨。
图4是依据本发明所提出的方法建立的人体软件模型的躯干内部结构框图(局部)。其中：1-躯干皮肤层，2-躯干脂肪层，3-躯干肌肉层，4-躯干骨骼层，5-躯干内脏层，6-躯干与手臂相连的关节骨。
图5是依据本发明所提出的方法建立的人体软件模型的手臂内部结构框图(局部)。其中：1-手臂皮肤层，2-手臂脂肪层，3-手臂肌肉层，4-手臂骨骼层，5-手臂骨髓层，6-上臂与下臂相连的关节骨。
图6是依据本发明所提出的方法建立的人体软件模型的腿部内部结构框图(局部)。其中：1-腿部皮肤层，2-腿部脂肪层，3-腿部肌肉层，4-腿部骨骼层，5-腿部骨髓层，6-腿部与躯干相连的关节骨。
具体实施方式
本发明为一种面向人体通信的有限元人体模型建模方法。该方法的具体实施方式如下：
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。具体抽象方法包括：将人体抽象为由躯干、四肢(手臂、腿)及头部构成的几何体。其中，将躯干抽象为椭圆柱体，将四肢抽象为由圆柱和圆锥的结合体，将头部抽象为圆柱和半圆球的结合体。
第二步：定义人体各部位的内部几何结构。其中，头部由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和大脑构成，且由外及里按比例分布；躯干由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和内脏构成，并以椭圆柱体的轴线为中心线，按比例均匀分布；四肢(手臂、腿)由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓构成，并以圆柱体的轴线为中心线，按比例均匀分布。
第三步：设置人体各部位介质层的电磁特性参数。依据生物电磁学、生物医学的相关研究结果，设置人体各部位介质层(包括：皮肤，脂肪，肌肉，骨骼，骨髓，内脏和大脑等)的电导率、磁导率、介电常数等电磁特性参数。
第四步：连接人体各部位，形成完整的人体模型。具体方法为：在连接处设置球形关节骨，连接两个人体部位的骨骼层；延长两个人体部位除骨骼层以外的介质层，使两者出现重叠部分；对重叠部分进行布尔运算，形成无重叠的连接模型。
Claims (1)
1.一种面向人体通信的有限元人体模型建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
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：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；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；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；将人体手臂抽象为圆柱和圆锥的结合体，其中，将人体手臂分为上臂和下臂两部分，上臂抽象为圆柱体，下臂抽象为圆锥体；其中，最大圆锥直径所在平面与构成上臂的圆柱体底面重合，最大圆锥直径与构成上臂的圆柱体的直径相同，最小圆锥直径与人体手腕的直径相同；将人体腿部抽象为圆柱和圆锥的结合体，其中，将人体腿部分为大腿和小腿两部分，大腿抽象为圆柱体，小腿抽象为圆锥体，其最大圆锥直径所在平面与圆柱体的底面重合，且两者的直径相同，圆锥体的最小圆锥直径与人体脚腕的直径相同；
第二步：定义人体各部位的内部几何结构：将头部划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和大脑5个介质层，其上半部分半球体以球心为中心，下半部分圆柱体以圆柱体的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；将颈部划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓5个介质层，以圆锥体的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；将躯干划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和内脏5个介质层，其中，躯干的骨骼由肋骨层、脊椎骨和盆骨构成；皮肤、脂肪、肌肉、肋骨和内脏5个介质层以椭圆柱的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布，肋骨层的高度占整个躯干内骨骼高度的1/2；盆骨位于躯干的底部，脊椎骨为细长圆柱体，其轴线平行于构成躯干的椭圆柱轴线，且其上端面圆的圆心与肋骨层上端面椭圆的短轴顶点重合，下端面圆与盆骨下端面重合；将手臂划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓5个介质层，以圆柱体上臂和圆锥体下臂的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；将腿部划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和骨髓5个介质层，以圆柱体大腿和圆锥体小腿的轴线为中心线，按由外及里顺序按比例均匀分布；
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