基于数字人体的电流耦合型人体通信有限元建模与分析

论文摘要

得益于电子、通信技术和生物医学工程的不断融合发展,一项新兴的数据传输技术--人体通信逐步兴起。它能够方便地对人体生理状态展开长期、连续的检测和实时的信息反馈,使得医疗保健工作不再受到时间和空间的约束。电流耦合型人体通信技术是一种将人体作为传输介质的无线通信技术,不仅具有功耗小、辐射低、安全性好、无通信宽带问题的特点,而且因其实现过程不易受到周围环境的影响,具有很好的适应性和稳定性。目前人体通信技术刚刚得到初步的应用,本文应用有限元法分析人体信道特性,为实现人体通信技术实际应用提供理论指导。本文研究内容主要包含如下几点：1、首先通过研究人体组织电磁特性分析人体通信的信道特性,然后引入容积导体理论作为人体建模理论基础,并依此推导模型的电磁控制方程和边界条件。2、通过对人体手臂数据图像进行处理和三维重构获取真实人体前手臂,并在满足要求的前提下,将真实人体前手臂等效成四层圆柱体有限元容积模型。3、依据上述模型,利用有限元方法分析人体各组织层对人体通信信号传输的影响；并对电信号主要流经的肌肉层和皮肤层展开讨论,分析二者电导率变化时信号衰减状况,重点分析肌肉各向异性电导率对信号传输的影响；然后探讨了电极各因素（电导率、收发电极面积、电极形状、电极布局等）对信号传输的影响。4、建立人体实验测试平台,验证人体实验的有效性,并通过对比肌肉电导率各向异性的仿真电压增益结果与实验结果,探讨实际人体肌肉电导率的取值范围；然后通过人体实验测试不同输入电流强度、不同收发距离、关节等对信号衰减的影响；最后通过扩展性实验分析电信号在人体不同部位及多人间传输的状况。本文分析结果表明：电流耦合型人体通信会受到几种常见外部和内部因素的影响,如绝大部分的电流信号流经肌肉层,并且肌肉含量越多电压衰减越小,肌肉各向异性电导率对人体信号传输有较大影响；关节弯曲角度越小,信号传输效果越好；电极收发间距、面积、形状和布局等也会影响信号传输质量等等。本文基于数据人体的电流耦合型人体通信有限元建模与分析,进一步丰富和完善了人体通信理论,对人体通信技术的实际应用和未来发展具有一定的意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 体域网
• 1.1.2 人体通信
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究目的和内容安排
• 第二章 人体通信系统建模理论基础
• 2.1 人体组织的电磁特性
• 2.1.1 人体组织的电性能
• 2.1.2 人体组织的频散特性
• 2.1.3 人体组织的等效阻抗
• 2.2 容积导体理论
• 2.2.1 容积导体的定义
• 2.2.2 容积导体控制方程
• 2.2.3 容积导体边界条件
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于数字人体的人体通信有限元建模
• 3.1 数字人体三维建模
• 3.1.1 数字人体概况
• 3.1.2 三维建模工具介绍
• 3.1.3 数字人体三维建模前期处理
• 3.1.4 人体前手臂三维建模
• 3.2 三维模型抽象
• 3.3 有限元数值分析
• 3.3.1 有限元法简介
• 3.3.2 有限元数值分析软件
• 3.3.3 有限元数值仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 电流耦合型人体通信有限元分析
• 4.1 不同组织在信号传输中的作用
• 4.2 肌肉电导率对信号传输的影响
• 4.2.1 肌肉电导率变化对各组织层中电流分布影响
• 4.2.2 肌肉各向异性电导率对肌肉层和皮肤层总电流密度的影响
• 4.2.3 肌肉各向异性电导率对信号衰减的影响
• 4.3 皮肤电导率对信号传输的影响
• 4.4 电极对人体通信信号传输的影响
• 4.4.1 电极等效阻抗模型
• 4.4.2 电极皮肤单元等效电路模型
• 4.4.3 电极各因素对信号传输的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 人体实验测试
• 5.1 实验平台设计
• 5.1.1 实验平台的构造
• 5.1.2 稳定信号电路的选择
• 5.2 人体实验与仿真实验的对比
• 5.2.1 不同实验个体对信号传输的差异
• 5.2.2 不同电流强度时电压衰减比较
• 5.2.3 不同距离时信号衰减的比较
• 5.2.4 肌肉电导率各向异性的仿真结果与实验结果对比
• 5.3 关节对信号传输的影响
• 5.3.1 信号在关节和上手臂传输对比
• 5.3.2 关节弯曲程度对信号传输的影响
• 5.4 扩展性实验
• 5.4.1 人体不同部位的电压衰减
• 5.4.2 多人通信实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表论文和参与项目情况