基于个性化人体影像数据的体表人体通信建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人体信道的建模方法，特别是一种基于个性化人体影像数据的体 表人体通信建模方法。
【背景技术】
[0002] 体表人体通信是体域网在医疗检测、运动监护、消费电子、士兵监测等短距离无线 通信领域应用核心技术之一。体表人体信道模型的建立为后续研宄信道容量、设计编码方 式、优化调制方式等应用开发提供基础。由于人体通信技术将人体组织作为电信号传输媒 质。通信质量的好坏在一定程度上受到人体组织成分和外形轮廓的影响。
[0003] 现有的体表人体信道模型大多将人体抽象成规则的几何体，对几何体内部进行均 匀的结构划分。然而人体是一个复杂的非规则几何体，基于规则人体几何模型得出的信道 特性与实际人体实验结果存在一定误差。专利（申请号200910081416. X)提出了一种面向 人体通信的有限元人体建模方法，将人体各部位根据外形特性进行几何抽象，定义人体各 部位的内部几何结构，设置人体各部位介质层的电磁特性参数，连接人体各部位形成完整 的有限元人体模型；专利（申请号201410281066. 2)提出一种基于非均匀介质的人体通信 信道建模方法和系统，将人体按结构分成多个结构模型并将模型抽象成规则几何体，对模 型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度，并计算模型的等效电学参数。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术人体模型的不足，本发明设计了一种基于个性化人体影像数据 的体表人体通信建模方法。通过在本发明提供的个性化人体模型导入相应软件中进行数值 计算或有限元仿真的研宄，为人体通信信道特性的研宄提供了可视化平台，为穿戴式人体 通信设备的研制提供可靠基础。
[0005] 本发明采用以下技术方案实现：基于个性化人体影像数据的体表人体通信建模方 法，其特征在于：包括以下步骤：步骤SOl :获取人体影像图集，将图集划分成人体划分为 头、躯干、四肢、胸部和中部五种结构体；步骤S02 :依据不同结构体的特点，对每幅影像图 片中的主要组织进行轮廓划分；步骤S03 :将结构体的组织结构进行重组得到对应的结构 体模型；步骤S04 :将构建好的符合人体几何结构的各部分结构体模型拼接重组，使用人 体胸部和中部模型进行人体拼接，获得具有多种组织结构且符合人体外观轮廓和主要内 部结构的个性化人体模型；步骤S05 :在所述人体模型表面添加信号电极，以电压或电流形 式向人体注入电信号，在所述人体模型表面其他位置添加接收电极，获取体表传感器发送 的电信号；步骤S06 :根据人体组织的不同特性，对人体模型中各组织和电极设置相应的电 磁参数；步骤S07 :对各个组织和电极进行边界设置，包括：（1)发送电极在体表以电流或电 压形式向人体内部组织输入电信号：当输入电流时，r = ^+^，，其中，Jtl为发 or 送电极输入人体的电流密度，σ为电导率，ω为角频率，ε为介电常数；当输入电压时，V =Vtl, Vtl表示发送电极输入人体的电压信号；（2)内部组织边界间的电流和电压连续条件： Js= J Vs= V ^其中J 3和J ^表示相邻组织接触面的电流密度，V 3和V s_i表示相邻组织 接触面的电压，s表示组织层数，s = 5,4, 3, 2 ; (3)接收电极与模型表面接触面的电流和电 压连续条件：J1= J P V1= V y其中V1?表示接收电极的电压，表示接收电极的电流密度； dv (4)模型表面与外界的电绝缘条件：；κ τ = O ;步骤S08 :以拉普拉斯方程为人体信道的 or 控制方程，结合S07的边界条件，采用电磁场的解析法、半解析法或数值求解方法，获得电 信号由发送端传输至接收端的传输方程，计算出路径损耗、相位偏移，估计信道容量、传输 速率、误码率，获得人体信道模型。
[0006] 在本发明一实施例中，所述步骤S02包括以下具体步骤：四肢和胸部及中部的组 织结构划分为皮肤、脂肪、肌肉及骨骼；躯体的组织结构划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼及内 脏；头部的组织结构划分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼及大脑。
[0007] 在本发明一实施例中，步骤S03还包括以下步骤：步骤S031 :对所述组织结构进行 重构；步骤S032 :对所述组织结构进行填充；步骤S033 :对所述组织结构进行布尔运算，得 到组织结构的重组模型。
[0008] 在本发明一实施例中，所述电磁参数包括电导率和相对介电常数。
[0009] 在本发明一实施例中，步骤S06中，根据肌肉纤维的排列特性，肌肉层具有各向异 性电导率，g卩σ为一个3X3的矩阵。
[0010] 本方法根据人体的几何结构重建出符合人体几何结构的个性化人体模型。该模型 相对于抽象成规则几何体的人体模型，准确性高；该建模方法使用人体胸部和中部模型进 行人体拼接，衔接性好；该建模方法将人体各部位划分为四层或五层组织体，忽略了细小组 织的影响，简化了计算并保证了准确性。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的步骤流程图。
[0012] 图2为三维重构骨骼层示意图。
[0013] 图3为三维重构肌肉层示意图。
[0014] 图4为三维重构脂肪层示意图。
[0015] 图5为腿部模型重构示意图。
[0016] 图6为腿部模型重构步骤流程图。
[0017] 图7为其他人体结构重构示意图。
[0018] 图8为起连接作用的胸部和中部模型结构示意图。
[0019] 图9为重构好的人体模型示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0021] 本发明提供一种基于个性化人体影像数据的体表人体通信建模方法，具体流程图 参见图1。该方法包括以下步骤：步骤SOl :获取人体影像图集，将图集划分成人体划分为 头、躯干、四肢、胸部和中部五种结构体；步骤S02 :依据不同结构体的特点，对每幅影像图 片中的主要组织进行轮廓划分；步骤S03 :将结构体的组织结构进行重组得到对应的结构 体模型；步骤S04 :将构建好的符合人体几何结构的各部分结构体模型拼接重组，获得具有 多种组织结构且符合人体外观轮廓和主要内部结构的个性化人体模型，使用人体胸部和中 部模型进行人体拼接，衔接性好；步骤S05 :在所述人体模型表面添加信号电极，以电压或 电流形式向人体注入电信号，在所述人体模型表面其他位置添加接收电极，获取体表传感 器发送的电信号；步骤S06 :根据人体组织的不同特性，对人体模型中各组织和电极设置相 应的电磁参数；步骤S07 :对各个组织和电极进行边界设置，包括：（1)发送电极在体表以电 dv 流或电压形式向人体内部组织输入电信号：当输入电流时，= 其中，Jo为发送电 or 极输入人体的电流密度，γ = σ + ω ε，σ为电导率，ω为角频率，ε为介电常数；当输入 电压时，V = Vtl, Vtl表示发送电极输入人体的电压信号；(2)内部组织边界间的电流和电压 连续条件：JS= J η，Vs= V ^其中J 3和J ^表示相邻组织接触面的电流密度，V 3和V ^表 示相邻组织接触面的电压，s表示组织层数，s = 5,4, 3, 2 ; (3)接收电极与模型表面接触面 的电流和电压连续条件J1= JpV1= Vp其中t表示接收电极的电压，^^表示接收电极的 电流密度；(4)模型表面与外界的电绝缘条件：y ^ = O ;步骤S08 :以拉普拉斯方程为 dr 人体信道的控制方程，结合S07的边界条件