专利名称：一种面向人体通信的有限元人体建模方法
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，最火圆 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、胁骨和内脏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，胁骨层的高 度占整个躯干内骨骼高度的l/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、介电常数的电磁特性 参数；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。
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。
权利要求
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；第二步定义人体各部位的内部几何结构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、介电常数的电磁特性参数；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。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一步中各部位的抽象 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。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二步中各部位的定义 过程为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) 将躯千划分为皮肤、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、胁骨和内脏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，胁骨层的高 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。
4、 根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于其中第四步中所述的连接方法如下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。
全文摘要
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。
文档编号G06F17/50GK101582097SQ20091008141
公开日2009年11月18日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者佴威至, 勇 宋, 光 杨, 杨佳苗, 群 郝 申请人:北京理工大学