人体前臂组织各向异性的人体通信信道模型
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人体前臂组织各向异性的人体通信信道模型
刘益和 1，张双 1,2,3，秦雨萍 2，张绍祥 4，谭立文 4
(1. 内江师范学院计算机科学学院，四川内江 641112；2. 成都理工大学工程技术学院，四 川乐山 614000；3. 澳门大学科技学院，澳门 999078；4. 第三军医大学数字医学研究 所，重庆 400038) 摘要：人体前臂是一个近似的圆柱体结构，它由组织包裹组成，它们有的各向同性,如皮肤, 脂肪;有的各向异性.如肌肉等。它们对人体电流信号的传播与分布有着极大的影响,特别是肌 肉组织。应用麦克斯韦方程，结合人体组织特性和准静态条件下的边界条件,在柱坐标系下 建立了基于人体组织特性的信道模型。 用得到的信道模型， 结合人体组织各向特性的电参数 (肌肉)， 在 MATLAB2010a 上分别计算出具有组织特性的信道模型和不具有组织特性的信道 模型的结果。 然后与在人体右前臂测量得到的数据相比较， 发现加入组织特性的信道模型的 增益曲线与实验数据保持高度的一致性.模型的平均误差比各向同性的信道模型误差下降了 2%，最大误差也下降了 3%，进一步降低了模型的失真率。 关键词：组织特性；电流耦合型；人体通信；信道模型 中图分类号：TN918.7；TN83 文献标识码：A
( l1 , l 2 ,, ln ) 分别表示各种组织的切向与横向的介电常数，( t1 , t 2 ,, tn ) 和 ( l1 , l 2 ,, ln )
分别表示各种组织的切向与横向的电导率。
h
t 2 ,t 2 t1 , t1 t3 ,t3
r1 , t1 , t1 r2 , t 2 , t 2
Eq T L
(1)
图2
肌肉组织电导率
通过图 2 可以发现，文献[14]假设肌肉组织各向同性时的电导率与各向异性时的肌肉组 织切向电导率极其相近，且线条相对比较平滑，拐点较少。而加入了横向电导率的复合电导 率曲线，线条拐点较多，也没那么平滑，这与实验采集到的数据极其相似。单从拐点数就有
-2-
Eq ( s ) ( f ) st ( f ) sl ( f ) s 1,2,, N
别为：
(3)
式中， st ( f ) 与 sl ( f ) 分别表示在频率 f 作用下，第 s 层组织的切向与横向复合电导率，分
st ( f ) it ( f ) i rit ( f ) 0 s 1,2,, N ， i 1,2,, N sl ( f ) il ( f ) i ril ( f ) 0 s 1,2,, N ， i 1,2,, N
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真率。为此，本文建立了各向异性的人体通信信道模型。
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理由相信， 各向异性的信道模型计算结果的失真率将低于各向同性的信道模型计算结果的失
ห้องสมุดไป่ตู้
2 信道模型的建立
从前面的研究结果可知， 在电流耦合型人体通信中， 首先将人体上臂抽象成一个标准的 多层圆柱体几何结构，用两对电极分别表示发送和接收信号端，如图 3 所示。从图 3 可以得 到，按照解剖学特性，将长度为 h 的人体上臂等效成有骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的多层 同 心 圆 柱 ， (r1 , r2 ,, rn ) 分 别 表 示 各 种 组 织 在 切 面 上 的 外 圆 半 径 ， ( t1 , t 2 ,, tn ) 和
基金项目：四川省教育厅基金 (13ZA0003,14ZB0360,14ZB0363)；乐山市科技局重点资助项目(13GZD040) 作者简介：刘益和(1964—)，男，教授，主要研究方向为密码学、人体通信 通信联系人：张双，讲师，主要研究方向为数字信号处理、人体通信，zhangshuanghua1@126.com
(4) (5)
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式中， it ( f ) 与 il ( f ) 分别表示在频率 f 作用下第 i 层组织的切向与横向电导率； rit ( f ) 与
方程，可以近似地得到在柱坐标系下组织电位分布的简化方程[10]：
Eq ( s ) ( f )V 0 s 1,2,, N (2) 电流耦合型人体通信耦合模型的控制方程由拉普拉斯(Laplace)方程来表示。 式(2)右边的 零项表明作为传输介质的人体对于人体通信来说，自身是不具有信号源的，是一个无源体。 但是对于研究脑电、心电等有源体，控制方程就变为了泊松(Poisson)方程。另外，式(2)中， V表示人体前臂组织内部的电位， Eq ( s ) ( f ) 表示在频率f作用下第 s 层组织的复合型电导率， 其表示为[13]：
Intra-body communication channel model based on anisotropic tissue in human forearm
Liu Yihe1, Zhang Shuang1,2,3, Qin Yuping2, Zhang Shaoxiang4, Tan Liwen4
-1-
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模型[8-10]。但是，如此却忽略了组织特性对信道的影响。
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1 各向异性组织电特性分析
大量实验表明， 人体组织并非完全各向同性， 部分组织由于横向和切向的生长特性不同， 组织的横向和切向的电特性也相差甚大[11-14]。由骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的人体组织模 型如图 1 所示。
t 4 ,t 4
r3 , t 3 , t 3
r4 , t 4 , t 4
图3
各向异性的人体前臂 IBC 模型
从文献[5]和文献[9]的研究结论可以得出，在电流耦合型人体通信中，当输入电极输入 的电信号频率在 1MHz 以下时，发生在信道中的传播效应、诱导效应，以及从皮肤到空气中 的辐射效应基本可以忽略。伴随着频率的不断提高，组织的电容效应越来越明显，因此在组 织建模中必须考虑电容效应对整个系统的影响。应用准静态近似条件[9,15-17]下的 Maxwell’s
图1
由骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的人体组织容积导体模型
本文首先分析各向异性组织的电特性， 结合组织电特性， 利用容积导体理论和麦克斯韦 方程，在准静态模式下[15]建立具有组织特性的电流耦合型人体通信信道模型，并通过实验 来比较两个模型的合理性。 人体是由一层一层不同的组织重叠包裹而成。以人体前臂为例，从内向外有骨髓层、骨 质层、肌肉层，脂肪层，还有皮肤层。这些组织中，大部分是各向同性。唯独肌肉层横向和 纵向的电特性相差很大。在各向同性假设中，通常取肌肉切向的电特性，而忽略其横向的电 特性，如图 2 所示，电信号在肌肉层的扩散会呈现出球状模式。然而，由于横向与纵向的差 异非常大，有 2.04< L T 15.33 [14]，其中 T 和 L 分别为肌肉组织切向和横向的电导率，所 以完全忽略横向的电特性，可能会导致模型严重失真。 为此，提出了组合式复合电导率来表示各向异性的复合电导率，其表达式为：
(1. College of Computer Science, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641000, China; 2. The Engineering &Technical College, Chengdu University of Technology, Leshan, Sichuan 614000, China; 3. Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macau SAR 999078, China; 4. Digital Medical Research Institute, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China) Abstract: Human forearm approximates to a cylindrical structure; it is formed through encapsulating layers of human tissues. Some of them are isotropic, such as skin and fat, while the others like muscle are anisotropic. They have great effects on transmission and distribution of the current signal in human body, especially muscular tissue. Combining human tissues’ characteristics and boundary conditions under the quasi-static condition, the channel model based on human tissues’ characteristics is built in the cylindrical coordinate system by means of Maxwell equation. In combination with electric parameters of human anisotropic tissues (muscle), the obtained channel model is used to derive the channel model with human tissue’s characteristics and the one without human tissue’s characteristics respectively in MATLAB2010a. Afterwards, these results are compared with the data obtained from measurement on human right forearm. The comparison shows that the gain curve of the channel model with human tissue’s characteristics is highly consistent with experimental data. Compared with the isotropic channel model, the average error of the model is reduced by 2%, and its maximum error is also decreased by 3%; that is, the distortion rate has been further lowered. Keywords: tissue’s characteristics; galvanic coupling type; intra-body communication; channel model 人体通信技术[1,2]是现代医疗监护技术[3]的一个重要的通信方式， 由于其以人体组织作为 通信介质，在系统组建的过程中可避免复杂的导线连接和对人体组织的创伤，因此，人体通 信技术将成为未来医疗监护的一个重要组成部分[4]。电流耦合型人体通信技术是发送器在人 体耦合出交变电流的信息载体，信号以电流的形式差分流入人体组织[5]。为了解释信号在人 体组织的分布情况，一般来说，从简化模型的角度来看，可以将人体组织(骨骼、肌肉、脂 肪、皮肤)视为一个各项同性的容积导体[6,7]，并结合容积导体理论和麦克斯韦方程建立信道
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人体前臂组织各向异性的人体通信信道模型
刘益和 1，张双 1,2,3，秦雨萍 2，张绍祥 4，谭立文 4
(1. 内江师范学院计算机科学学院，四川内江 641112；2. 成都理工大学工程技术学院，四 川乐山 614000；3. 澳门大学科技学院，澳门 999078；4. 第三军医大学数字医学研究 所，重庆 400038) 摘要：人体前臂是一个近似的圆柱体结构，它由组织包裹组成，它们有的各向同性,如皮肤, 脂肪;有的各向异性.如肌肉等。它们对人体电流信号的传播与分布有着极大的影响,特别是肌 肉组织。应用麦克斯韦方程，结合人体组织特性和准静态条件下的边界条件,在柱坐标系下 建立了基于人体组织特性的信道模型。 用得到的信道模型， 结合人体组织各向特性的电参数 (肌肉)， 在 MATLAB2010a 上分别计算出具有组织特性的信道模型和不具有组织特性的信道 模型的结果。 然后与在人体右前臂测量得到的数据相比较， 发现加入组织特性的信道模型的 增益曲线与实验数据保持高度的一致性.模型的平均误差比各向同性的信道模型误差下降了 2%，最大误差也下降了 3%，进一步降低了模型的失真率。 关键词：组织特性；电流耦合型；人体通信；信道模型 中图分类号：TN918.7；TN83 文献标识码：A
( l1 , l 2 ,, ln ) 分别表示各种组织的切向与横向的介电常数，( t1 , t 2 ,, tn ) 和 ( l1 , l 2 ,, ln )
分别表示各种组织的切向与横向的电导率。
h
t 2 ,t 2 t1 , t1 t3 ,t3
r1 , t1 , t1 r2 , t 2 , t 2
Eq T L
(1)
图2
肌肉组织电导率
通过图 2 可以发现，文献[14]假设肌肉组织各向同性时的电导率与各向异性时的肌肉组 织切向电导率极其相近，且线条相对比较平滑，拐点较少。而加入了横向电导率的复合电导 率曲线，线条拐点较多，也没那么平滑，这与实验采集到的数据极其相似。单从拐点数就有
-2-
Eq ( s ) ( f ) st ( f ) sl ( f ) s 1,2,, N
别为：
(3)
式中， st ( f ) 与 sl ( f ) 分别表示在频率 f 作用下，第 s 层组织的切向与横向复合电导率，分
st ( f ) it ( f ) i rit ( f ) 0 s 1,2,, N ， i 1,2,, N sl ( f ) il ( f ) i ril ( f ) 0 s 1,2,, N ， i 1,2,, N
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真率。为此，本文建立了各向异性的人体通信信道模型。
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理由相信， 各向异性的信道模型计算结果的失真率将低于各向同性的信道模型计算结果的失
ห้องสมุดไป่ตู้
2 信道模型的建立
从前面的研究结果可知， 在电流耦合型人体通信中， 首先将人体上臂抽象成一个标准的 多层圆柱体几何结构，用两对电极分别表示发送和接收信号端，如图 3 所示。从图 3 可以得 到，按照解剖学特性，将长度为 h 的人体上臂等效成有骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的多层 同 心 圆 柱 ， (r1 , r2 ,, rn ) 分 别 表 示 各 种 组 织 在 切 面 上 的 外 圆 半 径 ， ( t1 , t 2 ,, tn ) 和
基金项目：四川省教育厅基金 (13ZA0003,14ZB0360,14ZB0363)；乐山市科技局重点资助项目(13GZD040) 作者简介：刘益和(1964—)，男，教授，主要研究方向为密码学、人体通信 通信联系人：张双，讲师，主要研究方向为数字信号处理、人体通信，zhangshuanghua1@126.com
(4) (5)
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式中， it ( f ) 与 il ( f ) 分别表示在频率 f 作用下第 i 层组织的切向与横向电导率； rit ( f ) 与
方程，可以近似地得到在柱坐标系下组织电位分布的简化方程[10]：
Eq ( s ) ( f )V 0 s 1,2,, N (2) 电流耦合型人体通信耦合模型的控制方程由拉普拉斯(Laplace)方程来表示。 式(2)右边的 零项表明作为传输介质的人体对于人体通信来说，自身是不具有信号源的，是一个无源体。 但是对于研究脑电、心电等有源体，控制方程就变为了泊松(Poisson)方程。另外，式(2)中， V表示人体前臂组织内部的电位， Eq ( s ) ( f ) 表示在频率f作用下第 s 层组织的复合型电导率， 其表示为[13]：
Intra-body communication channel model based on anisotropic tissue in human forearm
Liu Yihe1, Zhang Shuang1,2,3, Qin Yuping2, Zhang Shaoxiang4, Tan Liwen4
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模型[8-10]。但是，如此却忽略了组织特性对信道的影响。
http://www.paper.edu.cn
1 各向异性组织电特性分析
大量实验表明， 人体组织并非完全各向同性， 部分组织由于横向和切向的生长特性不同， 组织的横向和切向的电特性也相差甚大[11-14]。由骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的人体组织模 型如图 1 所示。
t 4 ,t 4
r3 , t 3 , t 3
r4 , t 4 , t 4
图3
各向异性的人体前臂 IBC 模型
从文献[5]和文献[9]的研究结论可以得出，在电流耦合型人体通信中，当输入电极输入 的电信号频率在 1MHz 以下时，发生在信道中的传播效应、诱导效应，以及从皮肤到空气中 的辐射效应基本可以忽略。伴随着频率的不断提高，组织的电容效应越来越明显，因此在组 织建模中必须考虑电容效应对整个系统的影响。应用准静态近似条件[9,15-17]下的 Maxwell’s
图1
由骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的人体组织容积导体模型
本文首先分析各向异性组织的电特性， 结合组织电特性， 利用容积导体理论和麦克斯韦 方程，在准静态模式下[15]建立具有组织特性的电流耦合型人体通信信道模型，并通过实验 来比较两个模型的合理性。 人体是由一层一层不同的组织重叠包裹而成。以人体前臂为例，从内向外有骨髓层、骨 质层、肌肉层，脂肪层，还有皮肤层。这些组织中，大部分是各向同性。唯独肌肉层横向和 纵向的电特性相差很大。在各向同性假设中，通常取肌肉切向的电特性，而忽略其横向的电 特性，如图 2 所示，电信号在肌肉层的扩散会呈现出球状模式。然而，由于横向与纵向的差 异非常大，有 2.04< L T 15.33 [14]，其中 T 和 L 分别为肌肉组织切向和横向的电导率，所 以完全忽略横向的电特性，可能会导致模型严重失真。 为此，提出了组合式复合电导率来表示各向异性的复合电导率，其表达式为：
(1. College of Computer Science, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641000, China; 2. The Engineering &Technical College, Chengdu University of Technology, Leshan, Sichuan 614000, China; 3. Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macau SAR 999078, China; 4. Digital Medical Research Institute, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China) Abstract: Human forearm approximates to a cylindrical structure; it is formed through encapsulating layers of human tissues. Some of them are isotropic, such as skin and fat, while the others like muscle are anisotropic. They have great effects on transmission and distribution of the current signal in human body, especially muscular tissue. Combining human tissues’ characteristics and boundary conditions under the quasi-static condition, the channel model based on human tissues’ characteristics is built in the cylindrical coordinate system by means of Maxwell equation. In combination with electric parameters of human anisotropic tissues (muscle), the obtained channel model is used to derive the channel model with human tissue’s characteristics and the one without human tissue’s characteristics respectively in MATLAB2010a. Afterwards, these results are compared with the data obtained from measurement on human right forearm. The comparison shows that the gain curve of the channel model with human tissue’s characteristics is highly consistent with experimental data. Compared with the isotropic channel model, the average error of the model is reduced by 2%, and its maximum error is also decreased by 3%; that is, the distortion rate has been further lowered. Keywords: tissue’s characteristics; galvanic coupling type; intra-body communication; channel model 人体通信技术[1,2]是现代医疗监护技术[3]的一个重要的通信方式， 由于其以人体组织作为 通信介质，在系统组建的过程中可避免复杂的导线连接和对人体组织的创伤，因此，人体通 信技术将成为未来医疗监护的一个重要组成部分[4]。电流耦合型人体通信技术是发送器在人 体耦合出交变电流的信息载体，信号以电流的形式差分流入人体组织[5]。为了解释信号在人 体组织的分布情况，一般来说，从简化模型的角度来看，可以将人体组织(骨骼、肌肉、脂 肪、皮肤)视为一个各项同性的容积导体[6,7]，并结合容积导体理论和麦克斯韦方程建立信道