基于个性化人体影像数据的体内通信建模方法

摘要

本发明提供一种基于个性化人体影像数据的体内通信建模方法，首先获取个性化的人体影像数据；将人体分成头部、躯体、四肢等结构体；再将每个结构体划分成多种组织结构，包括皮肤、脂肪、肌肉和骨骼等；在每幅影像图片上对各个组织的轮廓进行提取，将所有组织的所有结构体重组，获得具有多种组织结构且符合人体外观和主要内部结构的个性化人体模型，在所述人体模型内部添加信号电极，以电压或电流形式向人体注入电信号，在所述人体模型外表面添加接收电极，获取体内传感器发送的电信号；利用Maxwell方程简化成泊松方程，得到体内通信中人体信道模型的控制方程，结合相应的边界条件，建立起基于个性化人体影像数据的体内通信模型。

说明书

技术领域

本发明涉及一种人体信道建模方法，特别是一种基于个性化人体影像数据的体内通信建模方法。

背景技术

可靠且低功耗的体内通信技术将为植入式医疗传感器与外界装置提供双向通信及闭环控制，给患者提供更精确的监护和治疗效果。体内通信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状态(组织成分、外形轮廓等)的影响。构建植入式传感器体内通信的人体信道模型，将为后续研究信道容量、设计编码方式、优化调制方式等应用开发提供基础。现有的人体模型大多着眼于人体局部，将人体局部抽象成规则的几何体，对该几何体内部进行均匀的结构划分。例如：文献(高跃明，潘少恒，杜民，等.植入式医学传感器体内通信的建模与分析.仪器仪表学报.2012:33(12):2661-2666.)将人体的肢体等效为外层为肌肉层内层为空心层的双层同心圆柱体，在肌肉层内表面添加发送电极，向肌肉层注入电流信号，研究体内通信的传输机理。然而，由局部的规则的几何模型得出的人体信道特性与实际人体实验结果存在一定误差。

发明内容

为了克服现有模型的不足，本发明设计了一种基于个性化人体影像数据的体内通信建模方法。

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内通信建模方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S01：获取人体影像图集，将图集划分成头部、躯体、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人体头部、躯体、四肢、胸部和中部模型拼接重组，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：在所述人体模型内部添加信号电极，以电压或电流形式向人体注入信号，在所述人体模型外表面添加接收电极，获取体内传感器发送的电信号；步骤S06：根据人体组织的不同特性，对所述人体模型中各组织和电极设置 相应的电磁参数；步骤S07：对人体模型各组织结构和收发电极进行边界设置，包括：(1)发送电极在人体内部以电流或电压形式向组织输入电信号：当输入电流时，γ＝σ+ωε,其中，J₀为发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＝V₀，V₀表示发送电极输入人体的电压信号；(2)发送电极与内部组织接触面之间的电流和电压连续条件：J₀＝J_S，V₀＝V_S，其中，J_S和V_S表示由发送电极在组织接触面耦合出的电流和电压，S表示发送电极所在的某一组织；(3)内部组织边界间的电流和电压连续条件：J_s＝J_s-1，V_s＝V_s-1其中J_s和J_s-1表示相邻组织接触面的电流密度，V_s和V_s-1表示相邻组织接触面的电压，s表示组织层数，s＝5，4，3，2；(4)接收电极与模型表面接触部分的电流连续条件，接收电极与模型表面接触面的电流和电压连续条件：J₁＝J_r，V₁＝V_r，其中V_r表示接收电极的电压，J_r表示接收电极的电流密度；(5)模型表面与外界的电绝缘条件，

步骤S08：以泊松方程为人体信道的控制方程，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。

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。

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。

在本发明一实施例中，所述电磁参数包括电导率、相对介电常数及磁导率。

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。

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，将该方法得到的人体模型应用于植入式传感器体内通信的仿真，既能保证准确性又能简化计算。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图。

图2为三维重构骨骼层示意图。

图3为三维重构肌肉层示意图。

图4为三维重构脂肪层示意图。

图5为腿部模型重构示意图。

图6为腿部模型重构步骤流程图。

图7为其他人体结构重构示意图。

图8为起连接作用的胸部和中部模型结构示意图。

图9为重构好的人体模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

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S01：获取人体影像图集，将图集划分成头部、躯体、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人体头部、躯体、四肢、胸部和中部模型拼接重组，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；步骤S05：在所述人体模型内部添加信号电极，以电压或电流形式向人体注入信号，在所述人体模型外表面添加接收电极，获取体内传感器发送的电信号；步骤S06：根据人体组织的不同特性，对所述人体模型中各组织和电极设置相应的电磁参数；步骤S07：对人体模型各组织结构和收发电极进行边界设置，包括：(1)发送电极在人体内部以电流或电压形式向组织输入电信号：当输入电流时，γ＝σ+ωε，其中，J₀为发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＝V₀，V₀表示发送电极输入人体的电压信号；(2)发 送电极与内部组织接触面之间的电流和电压连续条件：J₀＝J_S，V₀＝V_S，其中，J_S和V_S表示由发送电极在组织接触面耦合出的电流和电压，S表示发送电极所在的某一组织；(3)内部组织边界间的电流和电压连续条件：J_s＝J_s-1，V_s＝V_s-1其中J_s和J_s-1表示相邻组织接触面的电流密度，V_s和V_s-1表示相邻组织接触面的电压，s表示组织层数，s＝5，4，3，2；(4)接收电极与模型表面接触部分的电流连续条件，接收电极与模型表面接触面的电流和电压连续条件：J₁＝J_r，V₁＝V_r，其中V_r表示接收电极的电压，J_r表示接收电极的电流密度；(5)模型表面与外界的电绝缘条件，步骤S08：以泊松方程为人体信道的控制方程，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。

由于在体内人体通信过程中，对信号传输效果影响最大的是组织的电导率，而在常见的人体组织中仅有骨骼、肌肉、脂肪在人体通信频率范围内才算得上良导体。又考虑组织本身的尺寸对信号的传输存在不可忽略的影响。综上考虑，本模型将人体四肢和胸部及中部组织结构分为皮肤、脂肪、肌肉和骨骼四层，将躯体组织结构分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和内脏五层，而将头分为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼和大脑五层。

步骤S03组织重构还包括以下步骤：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。其中所述电磁参数包括电导率、相对介电常数及磁导率。

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，即σ为一个3×3的矩阵。

在本发明具体实施例中，以人体腿部模型为例。首先获取个性化的人体影像数据，根据人体影像图对人体结构由内向外提取结构体第一层组织的轮廓，并进行重构。首先提取骨骼轮廓，将骨骼轮廓进行三维重构，并将重构好的模型填充形成实体即为骨骼层，具体参见图2。再提取肌肉层轮廓，并将其重构填充得到 肌肉层实体，参见图3，而后将肌肉层实体与骨骼层进行布尔运算得到肌肉层，参见图4。并以此类推得到，直到得到最外层轮廓，即皮肤层。腿部的模型重构好参见图5。详细流程图参见图6。最后，以相似的方法重构人体其他部位的结构体，如图7。同时，重构起连接作用的胸部和中部模型，如图8。将构建好的符合人体几何结构的人体头部、躯体、四肢、胸部和中部模型拼接重组，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，如图9。在人体模型一小腿内部添加信号电极，以电压或电流形式向人体注入信号。在人体另一小腿外表面添加接收电极，从体表获取体内传感器发送的电信号。例如植入式电刺激器的电信号传输。对人体模型中各组织和电极设置相应的电磁参数，包括电导率、相对介电常数、磁导率。由于人体模型内部总电荷密度为零，同时，较低频率下人体组织满足准静态场近似条件，将Maxwell方程简化成泊松方程，得到体内通信中人体信道模型的控制方程。进而对各组织和收发电极进行边界设置，包括：(1)发送电极在人体内部以电流或电压形式向组织输入电信号；(2)发送电极与内部组织间的电流连续条件；(3)内部组织边界间的电流连续条件；(4)接收电极与模型表面接触部分的电流连续条件；(5)模型表面与外界的电绝缘条件；最终，以泊松方程为人体信道的控制方程，结合相应的边界条件，采用电磁场解析法、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。

将本发明提供的个性化人体模型将个性化人体模型导入相应软件中进行电磁场有限元或有限差分计算和研究，为人体通信信道特性的研究提供了可视化平台，对植入式体内通信设备的研制具有重要意义。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。