面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法技术

本发明专利技术属于计算机应用技术领域，具体涉及一种面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法

【技术实现步骤摘要】
面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法


[0001]本专利技术属于计算机应用
，具体涉及一种面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法
。

技术介绍

[0002]植入医疗器械是治疗心脑血管疾病和骨科疾病最有效的手段之一，
ICD
等植入式医疗设备能够通过无线通信模块完成体内外设备的数据传输以摆脱传统有线方式实现远程医疗，使生命体处于自然无拘束状态，提升患者的医疗体验
。
然而受限于植入式设备体积微小
、
电池不可更换
、
运行环境复杂等特性，其无线通信模块的供能
、
硬件尺寸设计和抗干扰能力一直是研究热点和业界突破的难点
。
为了突破新型植入式智慧医疗设备的实现技术，需研究多源干扰下的无线传输机理，基于空间场域理论对射频
、
蓝牙
、WIFI
等无线信号的混叠
、
衰减等复杂电磁现象进行建模分析，刻画植入式医疗设备运行环境的无线信道时变性及电磁波传播特点，通过仿真描绘植入式设备人体跨介质通信的特点，探索复杂电磁干扰下的跨介质无线信道传输模型，探究复杂电磁干扰环境对低功耗设备的传输影响
。
[0003]目前无线信道建模方法可以分为统计性建模方法
、
确定性建模方法以及半确定性建模方法
。
统计性建模方法依赖大量的实际测量数据得到无线信道相关参数的统计特性，进而得到无线传输的经验公式
。
>确定性建模方法依赖传播环境的具体信息，根据电磁波传播理论或光学射线理论建立无线信道模型，常用的确定性建模方法包括射线跟踪法和时域有限差分法
。
半确定性建模方法将上述两种方法结合使用，常用的半确定性建模方法包括随机几何建模方法和相关矩阵法
。
[0004]然而对于人体介质参与的无线信道建模过程，采用真实实验获得测量数据进而构建传播公式的方法是不可行的，因此需要采用确定性信道建模方法
。
而确定性信道建模方法对环境描述精度要求较高，环境描述越精确，确定性模型越接近实际传播情况
。
因此需要考虑构建包括皮肤
、
肌肉
、
骨骼
、
器官等在内的精细人体介质模型
。
在建立体内至体外信道传输模型后，探索射频
、
蓝牙
、WIFI
等无线信号对植入式医疗设备信号传输的影响，通过计算由植入式医疗设备
、
体外接收设备
、
其他邻频无线通信设备构成的无线通信系统的信干噪比，指导植入式智能医疗设备进行功率自调节
。
对类似问题，
Lin
等人探索了
2.5
～
6.0GHz
信号的体内植入式信道特性分析及建模；
Shi
等人探索了
10
～
50MHz
体内至体表信道特性分析与建模；
Li
等人探索了多种频率下人体无线局域网的路径损耗模型
。
然而，上述研究主要集中在人体介质中的无线信号传播问题，未将体内至体表及体表至体外两条信道进行综合考虑，探究其信道传播模型
。
并且，上述工作均未考虑多源干扰环境对低功耗设备的传输影响，缺少该项重要评估将对低功耗植入式智慧医疗设备功率自调节模块实现
、
保证数据有效传输方面产生负面影响
。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，针对新型植入式智慧医疗设备在多源干扰环境下实现
低功耗可靠传输问题，本专利技术设计一种面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法，以辅助低功耗新型植入式智慧医疗设备的设计生产
。
首先，明确
2.4GHz
下皮肤
、
肌肉
、
骨骼及各器官的介电常数，采用人体体素模型，精确构建植入式医疗设备跨介质传输环境
。
其次，通过仿真实验获得不同通信距离下的实验数据，对提出的路径损耗模型进行参数拟合
。
最后，在新型植入式医疗设备无线通信系统中，计算多源干扰情况下的信干噪比，将其作为植入式医疗设备功率自调节的参考指标
。
本专利技术提出植入式医疗设备在
2.4GHz
信号的体内至体外通信链路的路径损耗模型，并且利用该路径损耗模型分析了多源干扰下植入式医疗设备无线通信系统的信干噪比，对新型低功耗植入式医疗设备功率自调节模块实现
、
天线设计等工作具有指导意义
。
[0006]本专利技术大致分为两部分：
[0007](1)
采用包括皮肤
、
肌肉
、
骨骼及器官在内的精细人体仿真模型，精确表示人体的生理结构
。
利用四阶德拜模型对皮肤
、
肌肉
、
骨骼
、
心脏
、
肝脏等人体组织在
2.4GHz
频率下的介电常数和导电率进行建模
。
采用时域有限积分法对信道特性建模，探究
2.4GHz
信号的人体内至人体外无线通信链路信道特性
。
采用线性衰减规律描述体内至体表的路径损耗特性，采用对数函数衰减规律描述体表至体外的路径损耗特性，同时考虑人体不同姿势
、
不同运动状态对路径损耗值造成随机影响，采用正态分布描述体内至体外通信链路上的阴影衰落特性
。
最终通过上百组通信链路仿真数据，对提出的体内至体外路径损耗公式进行非线性参数拟合，确定其中待估参数，得到完整的
2.4GHz
信号在人体内至体外的信道统计模型
。
[0008](2)
利用建立的体内至体外无线信道路径损耗模型，建立多源干扰下的植入式医疗设备无线通信环境
。
通过设置多个相邻通信频率干扰源，设置接收设备距离人体的不同距离，模拟植入式医疗设备在复杂电磁干扰下的跨介质无线通信环境
。
建立该无线通信系统的信干噪比计算公式，探索植入式医疗设备在不同干扰情况下所需的发射功率
。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法，步骤如下：
[0011]步骤
(1)
体内至体外信道特性分析与建模
[0012]由于人体是由多种有耗组织组成的介电媒质，并且体内各类生物组织的介电特性均具有频率相关性
。
因此，在应用精确人体仿真模型进行实验前，首先分析各不同类型的组织和器官在
2.4GHz
频率下所具有的介电特性
。
利用德拜模型的四阶
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向医学植入式设备的电磁干扰下跨介质信道建模方法，其特征在于，步骤如下：步骤
(1)
体内至体外信道特性分析与建模在应用精确人体仿真模型进行实验前，首先分析各不同类型的组织和器官在
2.4GHz
频率下所具有的介电特性；利用德拜模型的四阶
Cole
‑
Cole
展开式计算人体包括皮肤
、
肌肉
、
骨骼
、
心脏的组织或器官的介电常数心脏的组织或器官的介电常数其中，
ε
∞
表示频率无穷大时的介电常数，
Δε
n
表示色散程度，
ω
表示信号源角频率，
τ
n
表示弛豫时间，
α
n
表示对德拜行为的偏离程度，
ε0表示真空介电常数；
n
代表
Cole
‑
Cole
展开式的阶数，
j
代表介电常数的虚部；
2.4GHz
信号在构建的精细人体模型中路径损耗特性更加符合线性衰减规律；因此引入参数
r1、r2构建
2.4GHz
信号的人体内至体外路径损耗模型：其中，
PL
表示路径损耗，
d
i0
表示体内至体表信道的参考距离，
d
e0
表示体表至体外信道的参考距离，
K
代表体内参考距离处至体外参考距离处的功率损失，
r1表示体内至体表信道的损耗指数，
r2表示体表至体外信道的损耗指数，
d
i
表示体内至体表信道的实测距离，
d
e
表示体表至体外信道的实测距离，表示由人体处于不同姿势
、
不同运动状态导致的阴影衰落损耗；根据公式
(1)
将人体仿真模型设置好后，利用时域有限积分算法进行信道建模仿真实验，采用偶极子天线作为体外发射信号源，发射
2.4GHz
信号，通过改变体表至体外信号源距离
、
体表至体内接收点距离获得上多组通信链路的仿真数据，利用最小二乘法拟合提出的
2.4GHz
信号的人体内至体外路径损耗模型，计算得到公式
(2)
中的
r1、r2和
K
三个参数；步骤
(2)
多源干扰下植入式医疗设备无线通信仿真根据步骤
(1)
提出的
2.4GHz
人体内至体外路径损耗模型，基于空间场域理论构建无线信道跨介质传输模型，对包括射频
、
蓝牙
、WIFI
的无线信号的混叠
、
衰减的复杂电磁现象进行建模仿真，模拟植入式医疗设备在多源干扰下的跨介质通信；通过在接收设备端计算植入式医疗设备发送信号的信干噪比来度量复杂电磁干扰下该通信系统通信质量的可靠性；其中多源干扰下植入式医疗设备在邻频干扰下的信干噪比
SINR
计算公式如下：其中，
σ2表示噪声功率，
P
s
表示经过路径损耗及阴影衰落后的接收目标的信号功率，
P
i
表示邻频干扰源信号的发射功率，
ACIR
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文清，林恺，孙国瀚，杨韬，范程辉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：