韋保林，岳宏衛(wèi)，周 茜，韋雪明，徐衛(wèi)林，段吉海

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

植入式生物醫(yī)學(xué)電子的UWB無(wú)線通信可行性建模研究?

韋保林??，岳宏衛(wèi)，周 茜，韋雪明，徐衛(wèi)林，段吉海

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

為考察超寬帶（UWB）實(shí)現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備無(wú)線通信的可行性及信道傳播特性，基于男性活體CT及MRI切片圖像，構(gòu)建了一個(gè)頻率范圍在1～10.8 GHz的高分辨率三維人體電磁模型，考慮了85種不同人體組織或器官的電磁特性參數(shù)；將模型嵌入基于有限積分法（FIT）的三維電磁仿真軟件進(jìn)行電磁計(jì)算，考察電磁波在人體內(nèi)的路徑損耗及比吸收率特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該模型能較好地描繪真實(shí)人體的電磁特性，信號(hào)在人體內(nèi)的衰減隨頻率的升高及植入深度的加深而加重；在植入深度達(dá)160mm時(shí)，3.5 GHz信號(hào)的路徑損耗為75 dB；參考功率為27 dBm時(shí)，人體對(duì)3.5 GHz信號(hào)的比吸收率在安全值范圍內(nèi)；證實(shí)了采用UWB頻段內(nèi)的3.5 GHz實(shí)現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子無(wú)線通信的可行性和安全性。

可植入式設(shè)備；超寬帶；人體電磁模型；電磁輻射；有限積分法

1 引 言

隨著基于微電子的信息技術(shù)以及醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)線植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備應(yīng)用于醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)、診斷與治療過(guò)程［1－5］?，F(xiàn)行的植入式電子系統(tǒng)主要采用的無(wú)線傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為工作于402～405 MHz的植入式醫(yī)學(xué)通信服務(wù)（MICS），該頻率范圍能滿足大多場(chǎng)合下的尺寸、功率、天線特性及接收機(jī)設(shè)計(jì)的要求［3］。但是，隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備需要更小的體積、更低的功耗、更高的傳輸速率，MICS遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些應(yīng)用需求，因此人們期望開(kāi)發(fā)應(yīng)用于新一代植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的無(wú)線通信新技術(shù)［3－4］。UWB技術(shù)，特別是IR－UWB技術(shù)因具有相對(duì)簡(jiǎn)單的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)而易于獲得小體積和低功耗以及相對(duì)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，成為新一代植入式醫(yī)療設(shè)備的研究熱點(diǎn)［3－7］。

無(wú)線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)受到傳播信道、傳輸速率、調(diào)制解調(diào)方式、系統(tǒng)功耗等約束。因此，體內(nèi)植入設(shè)備與體外收發(fā)機(jī)之間的傳輸信道模型對(duì)無(wú)線植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的有效設(shè)計(jì)具有極重要的指導(dǎo)意義。但是，由于測(cè)試和仿真的復(fù)雜性，目前還沒(méi)有針對(duì)無(wú)線植入式醫(yī)學(xué)設(shè)備的UWB標(biāo)準(zhǔn)信道模型［4］。雖然國(guó)內(nèi)外有許多關(guān)于人體無(wú)線信道建模方面的文獻(xiàn)［2，8－10］，但鮮有達(dá)10.8 GHz的UWB頻帶范圍，如文獻(xiàn)［2］僅達(dá)到1～6 GHz，文獻(xiàn)［8］僅達(dá)到3.4～4.8 GHz，而文獻(xiàn)［9］僅提供了頭部的模型，文獻(xiàn)［10］的模型過(guò)于簡(jiǎn)單，且僅有3個(gè)頻點(diǎn)。為了采用數(shù)值計(jì)算仿真方法描繪人體內(nèi)外通信設(shè)備的通信鏈路，需要建立高分辨率的人體電磁模型，模型的精確程度是獲得精確計(jì)算結(jié)果的根本保證。本文基于人體活體CT及MRI切片圖像，建立了頻率范圍在1～10.8 GHz的整體三維人體電磁模型，并將模型嵌入電磁仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，考察2.5 GHz及3.5 GHz信號(hào)在人體內(nèi)的路徑損耗及比吸收率特性。

2 人體電磁模型

2.1 建模方法

當(dāng)前，對(duì)于電磁場(chǎng)在與人體組織或器官相互作用過(guò)程中所產(chǎn)生的電磁作用量的研究，一般采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試或仿真計(jì)算這兩種方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法是指直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)人體或生物仿真模型內(nèi)的相關(guān)電磁作用量；直接在人體上進(jìn)行測(cè)量是不可行的，只能采用電磁特性和色散特性與人類組織相近的材料建立人體組織的仿真模型，通過(guò)測(cè)量仿真模型內(nèi)的相關(guān)物理量而獲得相應(yīng)的電磁作用量［12］。然而，很難合成電磁特性和色散特性跟各種人體組織完全一致的材料，因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)試法所得到的結(jié)果很粗略。仿真計(jì)算方法是采用基于數(shù)值分析的計(jì)算電磁學(xué)方法求解人體組織在電磁場(chǎng)中的電磁作用量，該方法的可靠性已得到驗(yàn)證并得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可［12］。

采用數(shù)值仿真計(jì)算方法獲得電磁場(chǎng)在人體模型中的分布的首要條件是建立高精確度的人體電磁仿真模型。傳統(tǒng)的人體信道特征仿真所使用的人體電磁模型通常比較粗糙，比如采用圓柱形來(lái)描繪人體軀干及四肢，采用球形代表頭顱［10］；或者采用多層平面層疊結(jié)構(gòu)模型，每一層代表不同厚度的組織或器官［7］，這些模型所考慮的組織結(jié)構(gòu)都是規(guī)則的，而且所考慮人體組織或器官的種類比較少。由于人體外部形狀不規(guī)則，內(nèi)部組織器官?gòu)?fù)雜交錯(cuò)，不同組織的電磁特性各不相同，為了提高人體電磁模型的精確度，最大限度地考慮人體的各種組織或器官，可采用人體二維剖面圖進(jìn)行三維重構(gòu)得到三維人體電磁模型。如文獻(xiàn)［2］采用美國(guó)的可視人體項(xiàng)目（VHP）圖像，文獻(xiàn)［9］采用中國(guó)數(shù)字可視化人體圖像（CVHM和CVHF）。采用VHP或者CVHM（或CVHF）圖像建立人體電磁模型，需要對(duì)大約1 000張圖像進(jìn)行圖像分割，完成圖像分割后將已分割的區(qū)域用不同的顏色填充，每一種顏色代表一種不同的人體組織。由于人體內(nèi)部組織器官?gòu)?fù)雜交錯(cuò)，對(duì)人體斷層彩色照片進(jìn)行圖像分割需要大量的人工操作，非常費(fèi)時(shí)，因此本文采用耶魯大學(xué)提供的CT和MRI人體剖面圖構(gòu)建三維人體電磁模型，避免了復(fù)雜的人工圖像分割操作過(guò)程。

2.2 建模過(guò)程

圖1所示為所采用的MRI人體頭部剖面圖樣圖［11］，圖中每一種顏色代表一種不同的人體組織或器官，但不包含任何電磁仿真計(jì)算所需的生理或電磁參數(shù)；因此需要將每種組織或器官的生理或電磁參數(shù)映射到結(jié)構(gòu)模型上，這是人體電磁建模的關(guān)鍵。整個(gè)三維人體電磁模型的構(gòu)建過(guò)程如圖2所示。首先根據(jù)獲得的原始圖像進(jìn)行篩選、壓縮，同時(shí)采用顏色的灰度值作為索引，建立電磁特性索引文件；接著將圖像按照人體高度方向排列構(gòu)成人體結(jié)構(gòu)的體素模型；最后將人體體素模型與電磁特性索引文件相關(guān)聯(lián)，即可得到人體電磁模型，嵌入電磁仿真軟件進(jìn)行仿真求解。

圖1 活體人MRI切片圖像

圖2 模型的建立過(guò)程

電磁模型分辨率的高低直接影響電磁仿真計(jì)算的精度。所構(gòu)建的人體電磁模型共采用498張人體CT及MRI截面圖像，橫向方向分辨率達(dá)到1 mm，在沿人體高度方向的切片間距為：從頸部到大腿中部的切片間距1 cm，頸部到頭頂部分是每0.5 cm一張切片。模型所考慮的人體組織或器官的種類也直接影響電磁仿真計(jì)算的精度，本模型考慮了85種人體組織或器官的電磁特性。在電磁特性索引文件中，包含了這85種組織或器官的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、密度、熱容量等特征信息，它們通過(guò)圖像灰度值與體素模型相映射。幾乎所有生物的組織均為非磁性物質(zhì)，對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)與空氣相近，因此相對(duì)磁導(dǎo)率為1。生物組織的介電特性，可用源于德拜公式的4階Cole-Cole展式表示［13］：

其中，ε∞是ωτ?1時(shí)的介電常數(shù)，ε0是真空介電常數(shù)，σi為靜態(tài)離子電導(dǎo)率，σn是弛豫時(shí)間。根據(jù)以上公式，F(xiàn)CC和IFAC-CNR網(wǎng)站提供了100 GHz頻率范圍內(nèi)不同組織或器官的電磁特性參數(shù)。本模型采用了頻段在1.0～10.8 GHz內(nèi)的電磁特性參數(shù)。部分人體組織或器官在3.5 GHz頻率下的電磁特性參數(shù)如表1所示，所建立的三維人體電磁模型整體如圖3所示。

表1 3.5 GHz頻率下部分組織器官的電磁特性參數(shù)Table 1 Electrical properties of human tissue at3.5 GHz

圖3 3－D人體電磁模型

3 電磁仿真

將以上所建立的三維人體電磁模型嵌入到電磁仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到比吸收率、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度等多種電磁參量，進(jìn)而研究采用UWB頻段進(jìn)行人體植入式生物醫(yī)學(xué)電子無(wú)線通信及能量傳輸?shù)陌踩?、有效性，以及UWB在人體內(nèi)外的無(wú)線傳輸信道特性。圖4所示為在2.5 GHz下，人體內(nèi)外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流密度、能量密度的仿真計(jì)算二維結(jié)果圖。下文采用此模型考察3.5 GHz頻段信號(hào)在人體內(nèi)的路徑損耗特性及比吸收率（SAR）特性，并與2.5 GHz情況相比較。仿真過(guò)程中，采用高斯UWB平面電磁波從背部射入人體模型，并將144根電場(chǎng)和磁場(chǎng)探針以橫向10mm、縱向20mm的間隔分布于體表到人體內(nèi)160mm的不同深度，用于測(cè)量所在位置的電磁參數(shù)。

圖4 2.5 GHz頻率下人體模型內(nèi)外的電磁計(jì)算結(jié)果

3.1 路徑損耗

由于人體組織是高損耗介質(zhì)，加上UWB通信的發(fā)射功率比較低，所以路徑損耗是反應(yīng)UWB通信條件及通信鏈路質(zhì)量的重要參數(shù)。路徑損耗可通過(guò)電磁場(chǎng)的平均功率密度來(lái)估算［2］。電磁場(chǎng)的功率密度可用玻印廷矢量（S）表示，指與傳播方向垂直的單位面積所通過(guò)的電磁輻射能量。玻印廷矢量既描繪了電磁波的傳播方向又描繪了功率密度，可表示為

其中，E（V/m）和H（A/m）分別為電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度?？梢?jiàn)，在已知電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，可以通過(guò)上式計(jì)算功率密度。反之，也可以推算電場(chǎng)和磁場(chǎng)。對(duì)于沿y方向傳播的平面電磁波，其極化方向?yàn)閤或z方向，因此玻印廷矢量主要沿y方向（即Sy（t））入射到人體。根據(jù)對(duì)距離發(fā)射源不同深度處電磁場(chǎng)的平均功率密度的估算，可考察UWB信號(hào)在人體內(nèi)的路徑損耗情況［2］。圖5所示為在以體表為參考面時(shí)，從背部入射的2.5 GHz和3.5 GHz平面波在體內(nèi)的平均路徑損耗隨深度（距離）分布情況。由圖可見(jiàn)，由于人體組織的吸收作用，平均路徑損耗隨著進(jìn)入人體的深度加深而增加。

圖5 平均路徑損耗隨深度的關(guān)系曲線

由以上仿真計(jì)算結(jié)果可看出，電磁波的頻率越大，在人體內(nèi)的衰減程度越大，使其在體內(nèi)的收發(fā)隨著植入深度增加變得愈加困難。但是，在發(fā)射機(jī)最高發(fā)射功率密度限制為－41.3 dBm/MHz情況下，若帶寬為500 MHz，則可發(fā)射的最大功率為0.037mW（即－14.3 dBm）［14］，所以對(duì)于接收靈敏度在－85～－95 dBm的典型接收機(jī)而言，傳輸路徑上75 dB的路徑損耗仍是可以保證正常通信的。因此，在植入深度不大于160mm的情況下，采用UWB頻段下的3.5 GHz實(shí)現(xiàn)人體植入式電子設(shè)備的無(wú)線通信是可行的。

3.2 比吸收率（SAR）

射頻電磁場(chǎng)作用于生物體產(chǎn)生的生物效應(yīng)按其機(jī)理可分為非致熱效應(yīng)和致熱效應(yīng)兩類。非致熱效應(yīng)又稱熱外效應(yīng)，是射頻輻射與生物膜及生物分子相互作用的結(jié)果。致熱效應(yīng)是生物體吸收射頻電磁輻射能量并將其轉(zhuǎn)換為熱能，使肌體局部或整體溫度升高，當(dāng)超過(guò)體溫調(diào)節(jié)能力時(shí)，導(dǎo)致生理功能紊亂或組織結(jié)構(gòu)改變等生物學(xué)效應(yīng)。

比吸收率（SAR）是暴露于電磁場(chǎng)中的人體組織對(duì)射頻能量吸收總量的度量，定義為單位質(zhì)量的生物組織在單位時(shí)間內(nèi)吸收的電磁輻射能量［15］：

跟電場(chǎng)相聯(lián)系的SAR表達(dá)式為

其中，p、J、σ分別是功率損耗密度、電流密度、電導(dǎo)率，ρ為物體密度。由式（4）可見(jiàn)，組織的密度、電磁特性及所在位置的電場(chǎng)強(qiáng)度決定了該組織的SAR值，通過(guò)SAR值可判斷該組織暴露于某頻段電磁波中是否安全。

采用所建立的人體電磁模型，嵌入到電磁（EM）仿真軟件中對(duì)人體模型的最大SAR和平均SAR進(jìn)行仿真計(jì)算。在電磁輻射頻率為3.5 GHz、參考功率為0.5W（即27 dBm）的情況下，人體模型的10 g平均SAR分布分別如圖6所示。

圖6 3.5 GHz頻率下人體組織的比吸收率分布

對(duì)于人體暴露于時(shí)變電磁場(chǎng)中的安全性問(wèn)題，根據(jù)國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）的規(guī)則［16］，在10 MHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)，軀干和頭部的局部平均SAR應(yīng)小于2W/kg。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，3.5 GHz平面電磁波在人體組織中的SAR在安全限值之內(nèi)，因此，采用此頻段實(shí)現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的無(wú)線通信是安全的。

4 結(jié)論

人體電磁模型對(duì)接近或植入人體電子設(shè)備的無(wú)線通信研究具有重要意義。人體表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織的多樣化和復(fù)雜性，使得如何讓模型更精確地逼近真實(shí)人體成為建模的重點(diǎn)。本文采用CT及MRI切片圖像構(gòu)建了包含85種人體組織或器官、頻率范圍為1～10.8 GHz的高分辨率三維人體電磁模型，克服了以往人體電磁模型的模型簡(jiǎn)陋、組織參數(shù)少、頻率單一等缺陷。該模型可嵌入到現(xiàn)有的基于有限積分法（FIT）的電磁（EM）仿真軟件進(jìn)行電磁計(jì)算，對(duì)電磁場(chǎng)在人體不同組織或器官中產(chǎn)生的電磁作用量進(jìn)行仿真求解；可用于對(duì)不同類型人體植入式電子設(shè)備、無(wú)線體域網(wǎng)（WBAN）、個(gè)人移動(dòng)通信、無(wú)線供能系統(tǒng)等接近或植入人體設(shè)備的無(wú)線信道特性、安全性、有效性、可行性等進(jìn)行評(píng)估。3.5 GHz電磁波信號(hào)在該人體電磁模型中的路徑損耗特性及比吸收率仿真計(jì)算結(jié)果表明了采用此頻段實(shí)現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備無(wú)線通信的可能性，為信道建模提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文只是對(duì)人體的SAR及路徑損耗特性進(jìn)行了研究分析，有關(guān)功率延遲分布、延遲擴(kuò)展、信道沖激響應(yīng)等信道特性還有待于采用此模型進(jìn)行深入研究。

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韋保林（1974—），男，廣西武鳴人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)電子等；

WEIBao-lin was born in Wuming，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1974.He received the Ph.D.degree in 2010.He is now an associate professor.His research interests including IC design，biomedical electronics，etc.

Email：guilinwxb＠163.com

岳宏衛(wèi)（1967—），男，廣西賀州人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、微波毫米波技術(shù)等；

YUE Hong-wei was born in Hezhou，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1967.He received the Ph.D.degree in 2010.He is now an associate professor.His research interests including computational electro-magnetic，microwave and millimeter wave technology，etc.

周茜（1966—），女，廣西臨桂人，現(xiàn)為講師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)；

ZHOU Qian was born in Lingui，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1966.She is now a lecturer.Her research direction is electronics technology.

韋雪明（1978—），男，廣西天峨人，2012年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)；

WEIXue-mingwas born in Tian′e，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1978.He received the Ph.D.degree in 2012.He isnow an associate professor.His research direction is IC design.

徐衛(wèi)林（1976—），男，湖南邵陽(yáng)人，2011年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)電子等；

XUWei-lin was born in Shaoyang，Hunan Province，in 1976.He received the Ph.D.degree in 2011.He isnow an associate professor.His research interests including IC design，biomedical electronics，etc.

段吉海（1964—），男，廣西資源人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)、無(wú)線通信技術(shù)等。

DUAN Ji-haiwasborn in Ziyuan，GuangxiZhuang Autonomous Region，in 1964.He received the Ph.D.degree in 2010.He is now a professor.His research interests including IC design，wireless communication technologies，etc.

Research on Feasibility M odeling of Ultra-w ideband W ireless Communication for Biomedical Im plantable Electronic Devices

WEIBao-lin，YUEHong-wei，ZHOU Qian，WEIXue-ming，XUWei-lin，DUAN Ji-hai
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

To investigate the feasibility and channel propagation characterization of Ultra-wideband（UWB）wireless communication for biomedical implantable electronic devices，a high-resolution 3D electromagneticmodel of human body based on computed tomography（CT）and magnetic resonance imaging（MRI）segmented images of living human males is presented，the frequency range is 1～10.8 GHz，and the electromagnetic characters for 85 differentkind ofhuman tissuesor organs are considered.Themodel is embedded in 3D electromagnetic（EM）simulator based on finite integration technique（FIT）for electromagnetic computation to investigate the path loss and specific absorption rate（SAR）in body.Experiment result shows that themodel can well characterize the electromagnetic characters of real human body，the signal loss isaggravatingwith the higher frequency and deeper implant depth；the path loss for 3.5 GHz is 75 dB under an implant depth of160 mm and，with a reference power of27 dBm，the SAR in body for 3.5 GHz is under the safety region.These results demonstrate the feasibility and security of applying 3.5 GHz on UWB forwireless communication in biomedical implantable devices.

implantable devices；ultra-wideband（UWB）；electromagnetic model of human body；electromagnetic radioactive；finite integration technique（FIT）

TN014；R319

A

1001－893X（2013）03－0357－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.025

2012－08－24；

2012－12－13 Received date：2012－08－24；Revised date：2012－12－13

??通訊作者：guilinwxb＠163.com Corresponding author：guilinwxb＠163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61166004，61264001，61161003）；桂林電子科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金（UF10028Y，UF12001Y）

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China（No.61166004，61264001，61161003）；The Doctoral Scientific Research Foundation for Guilin University of Electronic Technology（UF10028Y，UF12001Y）