植入式生物医学电子的UWB无线通信可行性建模研究❋

韦保林，岳宏卫，周 茜，韦雪明，徐卫林，段吉海

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

植入式生物医学电子的UWB无线通信可行性建模研究❋

韦保林❋❋，岳宏卫，周 茜，韦雪明，徐卫林，段吉海

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

为考察超宽带（UWB）实现植入式生物医学电子设备无线通信的可行性及信道传播特性，基于男性活体CT及MRI切片图像，构建了一个频率范围在1～10.8 GHz的高分辨率三维人体电磁模型，考虑了85种不同人体组织或器官的电磁特性参数；将模型嵌入基于有限积分法（FIT）的三维电磁仿真软件进行电磁计算，考察电磁波在人体内的路径损耗及比吸收率特性。实验结果表明：该模型能较好地描绘真实人体的电磁特性，信号在人体内的衰减随频率的升高及植入深度的加深而加重；在植入深度达160mm时，3.5 GHz信号的路径损耗为75 dB；参考功率为27 dBm时，人体对3.5 GHz信号的比吸收率在安全值范围内；证实了采用UWB频段内的3.5 GHz实现植入式生物医学电子无线通信的可行性和安全性。

可植入式设备；超宽带；人体电磁模型；电磁辐射；有限积分法

1 引 言

随着基于微电子的信息技术以及医学技术的发展，越来越多的无线植入式生物医学电子设备应用于医学监护、诊断与治疗过程［1－5］。现行的植入式电子系统主要采用的无线传输协议标准为工作于402～405 MHz的植入式医学通信服务（MICS），该频率范围能满足大多场合下的尺寸、功率、天线特性及接收机设计的要求［3］。但是，随着医学技术的发展，越来越多的植入式生物医学电子设备需要更小的体积、更低的功耗、更高的传输速率，MICS远远不能满足这些应用需求，因此人们期望开发应用于新一代植入式生物医学电子设备的无线通信新技术［3－4］。UWB技术，特别是IR－UWB技术因具有相对简单的收发机结构而易于获得小体积和低功耗以及相对较高的数据传输速率，成为新一代植入式医疗设备的研究热点［3－7］。

无线通信系统的结构与设计受到传播信道、传输速率、调制解调方式、系统功耗等约束。因此，体内植入设备与体外收发机之间的传输信道模型对无线植入式生物医学设备的有效设计具有极重要的指导意义。但是，由于测试和仿真的复杂性，目前还没有针对无线植入式医学设备的UWB标准信道模型［4］。虽然国内外有许多关于人体无线信道建模方面的文献［2，8－10］，但鲜有达10.8 GHz的UWB频带范围，如文献［2］仅达到1～6 GHz，文献［8］仅达到3.4～4.8 GHz，而文献［9］仅提供了头部的模型，文献［10］的模型过于简单，且仅有3个频点。为了采用数值计算仿真方法描绘人体内外通信设备的通信链路，需要建立高分辨率的人体电磁模型，模型的精确程度是获得精确计算结果的根本保证。本文基于人体活体CT及MRI切片图像，建立了频率范围在1～10.8 GHz的整体三维人体电磁模型，并将模型嵌入电磁仿真软件进行仿真计算，考察2.5 GHz及3.5 GHz信号在人体内的路径损耗及比吸收率特性。

2 人体电磁模型

2.1 建模方法

当前，对于电磁场在与人体组织或器官相互作用过程中所产生的电磁作用量的研究，一般采用实验测试或仿真计算这两种方法。实验测试方法是指直接测量实验人体或生物仿真模型内的相关电磁作用量；直接在人体上进行测量是不可行的，只能采用电磁特性和色散特性与人类组织相近的材料建立人体组织的仿真模型，通过测量仿真模型内的相关物理量而获得相应的电磁作用量［12］。然而，很难合成电磁特性和色散特性跟各种人体组织完全一致的材料，因此，实验测试法所得到的结果很粗略。仿真计算方法是采用基于数值分析的计算电磁学方法求解人体组织在电磁场中的电磁作用量，该方法的可靠性已得到验证并得到学术界的广泛认可［12］。

采用数值仿真计算方法获得电磁场在人体模型中的分布的首要条件是建立高精确度的人体电磁仿真模型。传统的人体信道特征仿真所使用的人体电磁模型通常比较粗糙，比如采用圆柱形来描绘人体躯干及四肢，采用球形代表头颅［10］；或者采用多层平面层叠结构模型，每一层代表不同厚度的组织或器官［7］，这些模型所考虑的组织结构都是规则的，而且所考虑人体组织或器官的种类比较少。由于人体外部形状不规则，内部组织器官复杂交错，不同组织的电磁特性各不相同，为了提高人体电磁模型的精确度，最大限度地考虑人体的各种组织或器官，可采用人体二维剖面图进行三维重构得到三维人体电磁模型。如文献［2］采用美国的可视人体项目（VHP）图像，文献［9］采用中国数字可视化人体图像（CVHM和CVHF）。采用VHP或者CVHM（或CVHF）图像建立人体电磁模型，需要对大约1 000张图像进行图像分割，完成图像分割后将已分割的区域用不同的颜色填充，每一种颜色代表一种不同的人体组织。由于人体内部组织器官复杂交错，对人体断层彩色照片进行图像分割需要大量的人工操作，非常费时，因此本文采用耶鲁大学提供的CT和MRI人体剖面图构建三维人体电磁模型，避免了复杂的人工图像分割操作过程。

2.2 建模过程

图1所示为所采用的MRI人体头部剖面图样图［11］，图中每一种颜色代表一种不同的人体组织或器官，但不包含任何电磁仿真计算所需的生理或电磁参数；因此需要将每种组织或器官的生理或电磁参数映射到结构模型上，这是人体电磁建模的关键。整个三维人体电磁模型的构建过程如图2所示。首先根据获得的原始图像进行筛选、压缩，同时采用颜色的灰度值作为索引，建立电磁特性索引文件；接着将图像按照人体高度方向排列构成人体结构的体素模型；最后将人体体素模型与电磁特性索引文件相关联，即可得到人体电磁模型，嵌入电磁仿真软件进行仿真求解。

图1 活体人MRI切片图像

图2 模型的建立过程

电磁模型分辨率的高低直接影响电磁仿真计算的精度。所构建的人体电磁模型共采用498张人体CT及MRI截面图像，横向方向分辨率达到1 mm，在沿人体高度方向的切片间距为：从颈部到大腿中部的切片间距1 cm，颈部到头顶部分是每0.5 cm一张切片。模型所考虑的人体组织或器官的种类也直接影响电磁仿真计算的精度，本模型考虑了85种人体组织或器官的电磁特性。在电磁特性索引文件中，包含了这85种组织或器官的介电常数、电导率、密度、热容量等特征信息，它们通过图像灰度值与体素模型相映射。几乎所有生物的组织均为非磁性物质，对外加磁场的响应与空气相近，因此相对磁导率为1。生物组织的介电特性，可用源于德拜公式的4阶Cole-Cole展式表示［13］：

其中，ε∞是ωτ≫1时的介电常数，ε0是真空介电常数，σi为静态离子电导率，σn是弛豫时间。根据以上公式，FCC和IFAC-CNR网站提供了100 GHz频率范围内不同组织或器官的电磁特性参数。本模型采用了频段在1.0～10.8 GHz内的电磁特性参数。部分人体组织或器官在3.5 GHz频率下的电磁特性参数如表1所示，所建立的三维人体电磁模型整体如图3所示。

表1 3.5 GHz频率下部分组织器官的电磁特性参数Table 1 Electrical properties of human tissue at3.5 GHz

图3 3－D人体电磁模型

3 电磁仿真

将以上所建立的三维人体电磁模型嵌入到电磁仿真软件进行仿真计算，可得到比吸收率、电场强度、磁场强度、电流密度等多种电磁参量，进而研究采用UWB频段进行人体植入式生物医学电子无线通信及能量传输的安全性、有效性，以及UWB在人体内外的无线传输信道特性。图4所示为在2.5 GHz下，人体内外的电场、磁场、电流密度、能量密度的仿真计算二维结果图。下文采用此模型考察3.5 GHz频段信号在人体内的路径损耗特性及比吸收率（SAR）特性，并与2.5 GHz情况相比较。仿真过程中，采用高斯UWB平面电磁波从背部射入人体模型，并将144根电场和磁场探针以横向10mm、纵向20mm的间隔分布于体表到人体内160mm的不同深度，用于测量所在位置的电磁参数。

图4 2.5 GHz频率下人体模型内外的电磁计算结果

3.1 路径损耗

由于人体组织是高损耗介质，加上UWB通信的发射功率比较低，所以路径损耗是反应UWB通信条件及通信链路质量的重要参数。路径损耗可通过电磁场的平均功率密度来估算［2］。电磁场的功率密度可用玻印廷矢量（S）表示，指与传播方向垂直的单位面积所通过的电磁辐射能量。玻印廷矢量既描绘了电磁波的传播方向又描绘了功率密度，可表示为

其中，E（V/m）和H（A/m）分别为电场强度和磁场强度。可见，在已知电场或磁场强度的情况下，可以通过上式计算功率密度。反之，也可以推算电场和磁场。对于沿y方向传播的平面电磁波，其极化方向为x或z方向，因此玻印廷矢量主要沿y方向（即Sy（t））入射到人体。根据对距离发射源不同深度处电磁场的平均功率密度的估算，可考察UWB信号在人体内的路径损耗情况［2］。图5所示为在以体表为参考面时，从背部入射的2.5 GHz和3.5 GHz平面波在体内的平均路径损耗随深度（距离）分布情况。由图可见，由于人体组织的吸收作用，平均路径损耗随着进入人体的深度加深而增加。

图5 平均路径损耗随深度的关系曲线

由以上仿真计算结果可看出，电磁波的频率越大，在人体内的衰减程度越大，使其在体内的收发随着植入深度增加变得愈加困难。但是，在发射机最高发射功率密度限制为－41.3 dBm/MHz情况下，若带宽为500 MHz，则可发射的最大功率为0.037mW（即－14.3 dBm）［14］，所以对于接收灵敏度在－85～－95 dBm的典型接收机而言，传输路径上75 dB的路径损耗仍是可以保证正常通信的。因此，在植入深度不大于160mm的情况下，采用UWB频段下的3.5 GHz实现人体植入式电子设备的无线通信是可行的。

3.2 比吸收率（SAR）

射频电磁场作用于生物体产生的生物效应按其机理可分为非致热效应和致热效应两类。非致热效应又称热外效应，是射频辐射与生物膜及生物分子相互作用的结果。致热效应是生物体吸收射频电磁辐射能量并将其转换为热能，使肌体局部或整体温度升高，当超过体温调节能力时，导致生理功能紊乱或组织结构改变等生物学效应。

比吸收率（SAR）是暴露于电磁场中的人体组织对射频能量吸收总量的度量，定义为单位质量的生物组织在单位时间内吸收的电磁辐射能量［15］：

跟电场相联系的SAR表达式为

其中，p、J、σ分别是功率损耗密度、电流密度、电导率，ρ为物体密度。由式（4）可见，组织的密度、电磁特性及所在位置的电场强度决定了该组织的SAR值，通过SAR值可判断该组织暴露于某频段电磁波中是否安全。

采用所建立的人体电磁模型，嵌入到电磁（EM）仿真软件中对人体模型的最大SAR和平均SAR进行仿真计算。在电磁辐射频率为3.5 GHz、参考功率为0.5W（即27 dBm）的情况下，人体模型的10 g平均SAR分布分别如图6所示。

图6 3.5 GHz频率下人体组织的比吸收率分布

对于人体暴露于时变电磁场中的安全性问题，根据国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）的规则［16］，在10 MHz～10 GHz频率范围内，躯干和头部的局部平均SAR应小于2W/kg。根据以上计算结果，3.5 GHz平面电磁波在人体组织中的SAR在安全限值之内，因此，采用此频段实现植入式生物医学电子设备的无线通信是安全的。

4 结论

人体电磁模型对接近或植入人体电子设备的无线通信研究具有重要意义。人体表面及内部结构组织的多样化和复杂性，使得如何让模型更精确地逼近真实人体成为建模的重点。本文采用CT及MRI切片图像构建了包含85种人体组织或器官、频率范围为1～10.8 GHz的高分辨率三维人体电磁模型，克服了以往人体电磁模型的模型简陋、组织参数少、频率单一等缺陷。该模型可嵌入到现有的基于有限积分法（FIT）的电磁（EM）仿真软件进行电磁计算，对电磁场在人体不同组织或器官中产生的电磁作用量进行仿真求解；可用于对不同类型人体植入式电子设备、无线体域网（WBAN）、个人移动通信、无线供能系统等接近或植入人体设备的无线信道特性、安全性、有效性、可行性等进行评估。3.5 GHz电磁波信号在该人体电磁模型中的路径损耗特性及比吸收率仿真计算结果表明了采用此频段实现植入式生物医学电子设备无线通信的可能性，为信道建模提供了一定的实验依据。本文只是对人体的SAR及路径损耗特性进行了研究分析，有关功率延迟分布、延迟扩展、信道冲激响应等信道特性还有待于采用此模型进行深入研究。

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韦保林（1974—），男，广西武鸣人，2010年获博士学位，现为副教授，主要研究方向为集成电路设计、生物医学电子等；

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

岳宏卫（1967—），男，广西贺州人，2010年获博士学位，现为副教授，主要研究方向为计算电磁学、微波毫米波技术等；

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，广西临桂人，现为讲师，主要研究方向为电子技术；

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

韦雪明（1978—），男，广西天峨人，2012年获博士学位，现为副教授，主要研究方向为集成电路设计；

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.

徐卫林（1976—），男，湖南邵阳人，2011年获博士学位，现为副教授，主要研究方向为集成电路设计、生物医学电子等；

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，广西资源人，2010年获博士学位，现为教授，主要研究方向为集成电路设计、无线通信技术等。

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

❋❋通讯作者：guilinwxb＠163.com Corresponding author：guilinwxb＠163.com

国家自然科学基金资助项目（61166004，61264001，61161003）；桂林电子科技大学博士启动基金（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）