肌肉电导率对人体通信信号传输的影响

1、电子测量与仪器学报journal of electronic measurement and instrument第 27 卷 第 1 期2013 年 1 月vol. 27 no. 1 21 doi: 10.3724/sp.j.1187.2013.00021肌肉电导率对人体通信信号传输的影响*曾雪芝1, 2高跃明1, 2潘少恒2, 3麦炳源2, 3韦孟宇2, 3民1, 2杜(1. 福州大学物理与信息工程学院 福州 350108; 2. 福建省医疗器械和医药技术重点实验室 福州 350002;3. 澳门大学科技学院电机及电脑工程系 澳门特别行政区 999078)摘 要: 肌肉组织具有良好的电导率

2、且占据人体较大体积, 研究肌肉电导率在人体通信中的作用, 有助于掌握电流耦合信号传输特性, 提高人体建模的准确性。采用有限元法建立电流耦合信号在肢体传输的准静态场模型, 研究不同频率下肌肉电导率的 变化引起各组织层总电流密度分布的变化, 重点分析肌肉各向异性电导率对耦合电流信号传输的影响, 最后通过实验测量验证 有限元模型。结果表明, 超过 64%的电流信号流经肌肉层, 并且肌肉电导率越大流经肌肉层的电流越多; 在 1 khz1 mhz 范围 内, 肌肉各向异性电导率对人体信号传输有较大影响; 考虑肌肉电导率各向异性的模型更接近人体实验结果。关键词: 肌肉电导率; 各向异性; 人体实体中图分类

3、号: tn919文献标识码: a国家标准学科分类代码: 510.50effects of muscle conductivity on signal transmission of intra-body communicationszeng xuezhi1,2gao yueming1,2pan shaoheng2,3mai bingyuan2,3wei mengyu2,3du min1,2(1. college of physics and telecommunication engineering, fuzhou university, fuzhou 350108, china; 2. ke

4、y laboratory of medi- cal instrumentation and pharmaceutical technology of fujian province, fuzhou 350002, china; 3. department of electrical and computer engineering, faculty of science and technology, university of macau, macao sar999078, china)abstract: the muscle occupies the large volume of the

5、 human body and has good electrical conductivity. the research oneffect of muscle conductivity in intra-body communication can help for analyzing the transmission characteristics of cur- rent coupling signal, as well as improving the accuracy of model. the quasi-static model based on the finite elem

6、ent method (fem) was established and analyzed, for current coupling signal transmission through the limb. the variation of total current density distribution resulted from the muscle conductivity at different frequency was studied. then the effects of muscle anisotropic conductivity were emphaticall

7、y analyzed. finally, the fem model was verified by experimental measurements. the results showed that more than 64% of the current signal transmitted through the muscle layer. and the larger muscle conductivity, the more current propagates through the muscle. in 1 khz 1 mhz, the anisotropic conducti

8、v- ity of muscle has a great effect on signal transmission of intra-body communications. whats more , the model with mus- cle anisotropic conductivity closer to real human body.keywords: muscle conductivity; anisotropic; in vivo experiments的影响4-5。将人体通信的发送电极等效为一对外加激励源。当激励源作用于人体后, 产生耦合电流, 经 由皮肤、肌肉等组织在

9、待测点形成随空间变化的电位 分布。然而, 人体组织的介电特性具有明显的色散特性, 且同时存在着各向异性、边界条件复杂等特性6-8。其 中, 由于肌肉的导电特性良好, 在人体内占具较大 体积, 因此研究肌肉电导率对人体通信中电流分布引言1人体通信将人体组织作为信号传输介质, 可以方便的实现人体表面、内部和周围各种电子装置间 的数据传输和共享, 在体域网、计算机网络接入、植 入式信息监测等领域具有广泛的应用前景1-5。人体通信的过程很大程度受到各种组织导电性收稿日期: 2012-08received date: 2012-08*基金项目: 国家自然科学基金(51047001, 61201397)、

10、福建省自然科学基金(2011j05077)、福建省教育厅(jk2010006)、澳门科学发展基金(014/2007/a1, 063/2009/a, 024/2009/a1)资助项目在上臂的等效几何模型中, 控制方程可简化为12:及信道传输增益具有重要意义。国际上关于人体通信的建模仿真研究大多假设 各种组织层的电导率为各向同性, 并不符合肌肉纤维 纵切面与横切面导电特性存在差异的特点, 导致仿真 结果与实际测量结果存在较大差异。而实际上肌肉的 导电性质根据肌肉纤维的排列方向不同呈现较强的 各向异性 9-12。本课题组前期针对输入电流大小、皮 肤干湿状况、电极面积、收发距离、组织电容效应等 对人体

11、信号传输的影响展开研究13-22, 尚未涉足肌肉 电导率对体表电流耦合信号传输特性的影响。为此, 本文采用有限元法建立局部人体准静态场模型, 首先 比较不同频率下肌肉电导率的变化引起人体各组织 层总电流密度分布的变化, 着重分析肌肉各向异性电 导率对耦合电流信号传输的影响。最终将人体实验测 量所得皮肤表面电位增益与仿真结果进行比较, 验证 和总结肌肉电导率对信道增益的影响。v sv + e = 0(1)t在研究人体组织时, e 是各向同性的, 而电导率它在柱坐标下可表示为10:0 s 是各向异性的,s r0s r0s = 0 00 s z (2)式中: s 为径向电导率, s 为轴向电导率。r

12、z上下底面边界条件设定为:v (r,q , z = 0) = v (r,q , z = h) = 0输入电极向人体注入电流激励信号,(3)zz有:(s + iwe ) v = - j(4)n式中: j 为电极输入的电流密度, n 为输入电流的法向方向。j=i / s, i 为输入电流有效值, s 为电极面积。建模与仿真在有限元分析软件 comsol multiphysics2此外, 相邻各层组织之间满足电位连续和电流密度连续的条件:3.5a(r - ,j , z ) = v (r + ,j , z )vl -1l中构建仿真模型。按照解剖学特性, 将上臂等效成由骨、肌肉、脂肪、皮肤构成的 4 层

13、同心圆柱体, 如图 1 所示。长柱体长 h = 30 cm, 半径 r1 = 0.8 cm, r2 = 3 cm, r3 = 3.15 cm, r4 = 3.25 cm。一对尺寸为 4 cm4 cm 输(5) jl 1 (r,j , z ) = jl (r ,j , z )-+-式中: l 为层数, l = 2 , 3 , 4。在仿真过程, 按上述模型, 设置边界条件及各组 织层的介电性能, 各组织层的介电常数和电导率参 照文献23, 电极处输入电流为:入电极贴附在皮肤表面, 向人体注入电流信号, 由此产生的电流耦合信号沿人体传输。红色“+”号电极 表示电流流入, 蓝色“-”号电极表示电流流出

14、。1 ma, 5 cmz 9 cm, -4/r f 4/ r44i = 其他0 , -1 ma, 5 cmz 9 cm,( - 4/r4 ) f ( + 4/r4 )(6)划分网格, 求解。对柱体模型采用四面体网格划分, 在电极周围及肌肉层对网格进行细化。模型自由 度数目为 641 534。采用几何多网格法预处理, 应用线 性求解 gmres 求解。3实验结果与讨论3.1不同肌肉电导率对各组织层总电流密度的影响 人体肌肉层在人体信号传输中扮演一个重要的 角色1,20-23, 但是, 它对人体通信影响的定量分析鲜 有报道。图 1 所示的模型下, 应用有限元法计算不同 频率以及同频率(100 kh

15、z)肌肉电导率变化时各组织层 中总电流密度分布状况, 以此推导不同肌肉电导率图 1肢体的等效几何模型fig.1 equivalent geometry model of human limb人体通信的本质是电磁场与人体之间的相互耦 合12-17。这一耦合过程可以由麦克斯韦方程组及相 应的边界条件来描述18-20。第 1 期肌肉电导率对人体通信信号传输的影响 23 对人体通信信号传输的影响。为了使比较更加客观, 在仿真过程中将各组织 层介电性能设置为各项同性, 即:肉层, 由于皮肤层的厚度不超过 0.2 cm, 可以视为电导率各向同性的薄层, 所以本文主要研究肌肉层各 向异性电导率对信号在上臂传

16、输的影响。肌纤维接受外加激励源后去极化产生的电流向 容积导体的整个空间传播。然而, 电流沿各个方向的 传播速度不同。由于电导率的差异, 电流更倾向于沿 肌纤维轴向传播10。仿真中采用各向异性参数 k 来 描述这种传播的差别。它定义为肌纤维的轴向电导 率与径向电导率之比值。s z = s r(7)在后处理中, 导出 z=20 cm 处总电流密度数据, 并对此数据进行处理统计得出频率从 1 khz 到 1 mhz 及100 khz 肌肉电导率为原始数据 1/2 倍、1 倍、2 倍时, 各 组织层中总电流密度所占比例, 结果如图 2 所示。k = s z / s rk 的取值为 1.8157。本文通

17、过有限元仿真发现, 当 k 取值不同时, 电 流在模型中的传输状况也有很大的不同。3.2.1肌肉各向异性电导率对肌肉层及皮肤表面总 电流密度的影响在 100 khz 频率下, 有限元仿真 k 取值不同时, 肌 肉层及皮肤表面总电流密度的变化, 如图 3 所示。可以 发现肌肉层总电流密度随 k 值增大而增大, 皮肤表面 总电流密度随 k 值增大而减小。这是因为肌肉轴向与 径向电导率比值越大, 意味着跨膜电流在轴向的传播得到增强, 通过径向传达至皮肤的电流就减少了, 即 k越大, 流经肌肉层的电流越大, 皮肤表面电流越小。3.2.2不同频率下仿真增益与实验结果对比 人体信道的衰减特性可由皮肤表面发

18、送电极和接收电极之间的电位增益来体现。增益由以下公式 计算得到:(8)gain (db) = 20 log (v 收/v 发)(9)图 2频率为 1 khz、10 khz、100 khz(肌肉电导率分别为 1/2 倍、1 倍、2 倍)、1 mhz 时, z=20 cm 处各 组织层总电流密度所占比例(单位: %)fig. 2 the proportion of different layers total current densities when z=20 cm at the frequency of 1 khz, 10 khz,100 khz(muscle conductivity we

19、re half times, 1 times, 2 times), 1 mhz (unit: %)从图 2 可知, 在 1 khz1 mhz 范围内, 骨骼层和 脂肪层中流经的电流很小, 其影响可以忽略; 皮肤层 的电导率随着频率的增加而增大, 所以流经皮肤层 的电流随频率增加; 肌肉层凭借良好的导电特性和 较大的体积, 流过了绝大部分耦合电流, 是电流信号 在体内传输的主要通道。另外, 在同频率且其他组织 电导率不变时, 随着肌肉电导率增加, 皮肤层流经的 电流减少, 肌肉层流经的电流增加。3.2肌肉层各向异性电导率对电流信号传输的影响前述可知人体信号主要流经人体的皮肤层和肌选取3 名242

20、6 岁年轻健康男性志愿者, 实验部位为右上臂。电极采用理疗粘贴电极(尺寸: 4 cm4 cm)。 发送电极与接收电极中心点间距 15 cm。输入信号为1 ma 正弦恒定电流, 符合人体安全电流阈值限定11。测量发送电极与接收电极上的电位大小, 并由上式计算电位增益。将实验结果与肌肉电导率各项同性、不同 k 值各向异性的电位增益仿真结果对比, 如图 4所示。可见在相同频率、相同电极距离时, 肌肉轴向 与径向电导率比值 k 越大, 电压增益越大, 即肌肉各 向异性越明显越有利于电流信号的传输, 电位衰减 越小。而人体实验的数据主要集中在 k=25 各向异 性仿真结果之间, 与肌肉电导率各项同性仿真

21、结果 差异较大, 并随频率变化。产生这种结果的原因可能 是当频率发生变化时, 电流沿着肌肉纤维轴向和径向传输的速度发生非线性变化。即肌肉的各向 异性电导率具有随频率变化呈非线性变化的特点。tween the transmitter and receiver electrodes is 15 cm)4结论基于有限元法建立人体上臂仿真模型, 首先通过分析不同频率下肌肉电导率变化时, 人体各组织 层中总电流密度的分布状况, 推导出肌肉层是人体 通信信号传输的主要通道, 并且得出单独改变肌肉 电导率大小对信号的传输产生影响; 然后分析肌肉 层轴向与径向电导率比值不同时肌肉层和皮肤表面 总电流密度的变化

22、, 得到肌肉层各向异性电导率对 人体通信传输有一定的影响; 最后, 将肌肉层电导 率分别为各向异性, 各项同性的仿真衰减结果与人 体实验的衰减结果对比, 发现人体实验数据全部分 布在各向异性仿真的结果区域中, 与各向同性仿真 结果差异较大, 并且人体肌肉轴向与径向电导率的 比值是随频率变化的。因此, 本文认为肌肉层电导率 的影响是不可忽略的, 所建立的能够反映各向异性 的电导率模型有意义。这项研究对于人体通信技术 中样机的设计具有重要的理论指导作用。在今后的 工作中, 我们将讨论人体肌肉的各向异性电导率与 频率之间的非线性关系。(a) 肌肉层总电流密度(a) total current den

23、sity of muscle layer参考文献1zimmerman g t. personal area networks (pan):near-field intra-body communication. in media art and scienced. massachusetts: massachusetts institute of technology, 1995.wegmueller m s, oberle m, felber n, et al. galvanical coupling for data transmission through the hu- man bod

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27、随频率变化的关系(收发电极间距 15 cm)fig. 4 potential gain of skin surface ( the distance be-第 1 期肌肉电导率对人体通信信号传输的影响 25 induction method j. chinese journal of scientific in-strument, 2008, 29(9): 1878-1882.gabriely s, lau r w, gabriel c. the dielectric properties of biological tissues: iii. parametric models for th

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