人体前臂组织各向异性的人体通信信道模型
2017高中同步生物第3节人体生命活动的神经调节课时1人体的通讯网神经调节的基本过程课件课件
经。观察到电位计○b 有电位波动和左后肢屈腿，电位计○a 未
出现电位波动。
(2)突触前膜释放的递质不能与突触后膜上的特异性受体结 合 突触前膜不能释放递质
[ 曲线解读 ]
( 1) a
线段：静息电位， 外正内负，K＋外流 ；
( 2)b 点： 零电位，动作电 位形成过程中， Na＋通道开放 使
Na＋内流 ；
( 3) b c
段：动作电位， 外负内正， Na＋通 道继续开放；
( 4) cd
段：静息电位恢 复，K＋通道开放使
K＋外 流；
( 5) d e
段： Na＋—K＋泵活动加强 ，排
Na＋吸
K＋，使膜内 外离
子分布 恢复到初静息水 平。
兴奋在神经元之间传递过程
6．(2016· 成都市邛崃高埂中学高二期末)如图为突触结构模式
)
树突：短而多，将兴奋传向细胞体 (4)短跑运动员 听到发令枪 声后产生起 跑的动作是非 条件反
射的结 果。(
)
突起 (5)突 触前膜释放的化 学递质一定引起 突触后的细胞
兴奋。 (
)
轴突：长而少，将兴奋由细胞体传向外围 (6)一般情况下， 突触后膜的表面积与突触前膜的相同。 (
反射与反射弧
1．缩手现象是人体的一种神经反射，当手指不小心碰到一 个很烫的物品时会产生缩手现象(现象Ⅰ)；当用手拿别人的
解析：选 A。根据题图可知，丁区域为外正内负的静息电位 状态，静息时，由于细胞膜主要对 K＋有通透性，造成 K＋外 流，使膜外阳离子浓度高于膜内，这是大多数神经细胞产生 静息电位的主要原理，A 错误；
A．丁 区发生 K＋外流和 Na＋ 大量内流 B． 甲区与丙区可能 刚恢复为静息电 位状态 C．乙 区与丁区间膜内 局部电流的方向 是从乙到丁 D．图 示神经冲动的传 导方向有可能是 从左到右或从右 到左
人体通信的研究方法
人体通信的研究方法
人体通信，也称为人体通信(HBC)，是一种利用人体作为传输媒介的通信方式。
它利用人体内部的电场进行信号传输。
在人体通信的研究中，主要有以下几种研究方法：
1. 数值人体模型：这种方法主要用于研究人体通信系统的信道特性。
通过建立精确的数值人体模型，可以模拟人体对信号的吸收、反射和传播等行为，从而精确地预测和优化通信性能。
2. 一致性几何绕射理论法（UTD）：该方法以各种类型的射线为基础，通过Maxwell方程求解电磁场的高频近似解。
它可以用来预测和解决人体通信中的绕射和衍射问题，尤其是在复杂环境中。
3. 矩量法：这是一种积分方法，用于求解等效于Maxwell方程的波矢量方程。
它可以用于精确计算任意方向辐射场在有损介电圆柱任意截面定向（极化）的高精度。
以上内容仅供参考，建议查阅专业的人体通信书籍获取更全面和准确的信息。
信道模型的概念
信道模型的概念
嘿，朋友！咱今天来聊聊信道模型这个有点神秘但其实也不难懂的东西。
你想想啊，信道就像是一条信息要走的路。
咱们发出去的消息，就像一个要出门旅行的人，而信道就是他要经过的各种道路、桥梁和隧道。
信道模型呢，其实就是对这条信息之路的描述和刻画。
它把信道的各种特性，比如信号会怎么衰减、怎么受到干扰、怎么延迟等等，都给总结起来，形成一个可以用来分析和计算的框架。
比如说，无线通信里，信号从手机传到基站，中间要穿过空气、建筑物，甚至可能被其他信号干扰。
这时候，信道模型就能告诉我们，信号大概会减弱多少，会不会变得模糊不清，能不能顺利到达基站。
这就好比你在一个大商场里找出口，信道模型就是那个给你指路的地图，告诉你哪条路比较通畅，哪条路可能有障碍。
再打个比方，信道模型就像是给信道拍了一张“全身照”，把它的高矮胖瘦、优点缺点都给展现出来了。
如果没有信道模型，那通信可就乱套啦！就像没有地图的旅行，你都不知道自己走到哪儿了，能不能到达目的地。
在实际应用中，信道模型可重要了。
工程师们靠着它来设计通信系统，让信号传得又快又准。
比如，5G 技术能这么厉害，信道模型可出了不少力呢！
所以说，信道模型虽然听起来有点高大上，但其实就是为了让我们的信息之路更顺畅，让我们能更清楚、更快速地交流。
你说，这是不是很神奇？
总之，信道模型就是通信世界里的重要指南，帮助我们在信息的海洋中航行得更稳更远！。
什么是信道模型？
什么是信道模型？信道模型是通信领域中的关键概念之一。
它描述了在无线通信系统中，信号如何通过传输介质（如大气、海水、金属导线等）进行传播的过程。
信道模型对于理解和优化无线通信系统的性能具有重要意义。
接下来，我们将从三个方面来介绍信道模型。
一、信道传播的基本原理1. 外界噪声：在信道传播过程中，会受到来自外界的干扰和噪声。
这些噪声源包括大气电离层的效应、电磁辐射以及其他无线电设备的干扰。
通过对噪声特性的研究和建模，可以帮助我们更好地理解和处理这些噪声对通信质量的影响。
2. 多径效应：无线信号在传播过程中会经历多次反射、散射和绕射等现象，导致接收端接收到多个传播路径上的信号。
这就是所谓的多径效应。
由于不同路径的信号具有不同的传播延迟和相位差，会造成信号间的相互干扰和衰减。
深入研究多径效应的特性和建立合适的数学模型，有助于优化无线通信系统的设计和性能。
3. 信号衰减：信号随着距离的增加会逐渐衰减。
衰减的原因包括自由空间路径损耗、多径传播引起的功率损耗以及其他物理因素。
准确地描述和量化信号衰减的模型，可以帮助我们预测和补偿信号强度的变化，提高通信系统的覆盖范围和性能。
二、信道模型的分类1. 统计信道模型：统计信道模型是根据实际测量数据和统计规律建立的。
根据测量数据中的信号强度、信号衰减和相位等信息，通过数学模型来描述信道的统计特性。
统计信道模型的优势在于可以对多个传播环境和场景进行研究，并得到一种适用于广泛应用的信道模型。
2. 几何信道模型：几何信道模型将信道传播过程抽象为几何空间中的点和面的运动。
通过建立几何模型，可以计算信号传播的路径损耗、多径效应和信号衰减等参数。
几何信道模型适用于研究特定区域的信道传播特性，例如城市环境或室内场景。
三、信道模型的应用1. 通信系统设计：信道模型提供了一种理论和方法，可以指导无线通信系统的设计和优化。
通过准确地建立信道模型，可以预测信号质量、容量和传输速率等关键性能指标，从而选择合适的调制技术、编码方案和传输方式。
人体的“交通网络”，你知多少？（一）
人体的“交通网络”，你知多少？（一）如今，世界作为地球村，各种人才、物资、信息在世界范围内得到了空前自由地流动，这得益于两条发达的网络，一条是实体的各种交通网络，包括铁路、公路、航路（包括水中和天上的），一条是虚拟的网络，即互联网，它每毫秒都向世界各地传输数以亿计的信息，作为复杂精密的人体是否也存在类似重要的联通身体各个系统、脏器乃至细胞的交通网络呢？图片来源于网络没错，人体也存在发达精巧的交通网络，它们是心血管系统、淋巴系统、神经系统。
心血管系统系统承担主要的物质运输功能，它相当于生活中公路、铁路、航路等实体交通干线，将身体各分工厂（各个脏器）生产的产品（包括氧气、二氧化碳、各种营养物质或代谢废物、激素）运输至需要他的地方，淋巴系统主要辅助心血管系统完成运输功能。
而神经系统则相当于互联网，主要负责信息的传递，将身体各个脏器接受到的信息迅速通过快捷通道传至总部（大脑），总部立即做出决策并发出指令（产生效应）。
今天我们主要聊聊负责物质传输的重要干线——心血管系统，淋巴系统和神经系统在后面的文章中再聊。
图片来源于网络心血管系统是顾名思义主要由心+血管构成，血管又根据结构和功能的差异分为动脉、静脉和毛细血管。
下面分别介绍一下这四者的结构。
心脏是连接动静脉的发动机，正常人的心脏约成人拳头大小，千万别小看这个“拳头”，它比打人那个拳头重要和强大的多。
心脏由心间隔分为左心和右心，左、右心又由相应的“门”（二尖瓣、三尖瓣）分为心房、心室，心房接受静脉血的汇入，心室将血通过动脉泵出。
心室与动脉的接口也存在相应的“门”（主动脉瓣、肺动脉瓣），他们同心房、心室之间的瓣膜一样都是顺流而启，逆流而闭，从而保证了血液的定向流动。
动脉是运输血液离心的管道，管壁厚、弹性好，在心室射血时被动扩张，心室舒张时，管壁弹性回缩，推动血液继续向前流动。
在推动血液向前流动的过程中，动脉越分越细，逐渐移行为毛细血管。
毛细血管是连接动静脉的通路，管径小，约6-8um,相互吻合成网，数量多，遍布全身各处，血流缓慢，是血液与组织物质交换的场所。
生命体制中的电信号传导机制
生命体制中的电信号传导机制一、引言：人体电信号与生命体制人体电信号一直是医学研究的重要课题之一。
生物体内的电信号指各种细胞之间和组织之间的电信号，这些信号通过细胞膜内的离子流动而形成，是维持和调节人体生命活动状态的重要基础。
人体的感觉、运动和内分泌系统都依赖于电信号传递，其电学特性对于医学疾病的诊断和治疗也具有重要作用。
生命体制中的电信号传导机制是人体生理学研究中的重要部分，涵盖了从电信号信号的产生到信号传递过程中所涉及的各种机制和关键因素。
下面将对人体生命体制中的电信号传导机制进行深入探讨。
二、人体电信号产生的基础人体内的电信号主要由细胞产生。
细胞的膜内有许多离子通道和泵类膜蛋白，在不同的膜电位下，离子通道和泵类膜蛋白对离子的选择性也不同。
细胞膜内外的离子浓度差会导致电常数的不均匀分布，从而形成静电场。
此时如果有干扰刺激，例如化学物质、气体、热量或压力等，就可以改变细胞的离子通道和泵类膜蛋白的状态，导致离子的移动，从而形成动态的电信号。
人体的神经系统是电信号产生和传递的主要系统之一。
神经兴奋涉及的信号转导机制主要与离子通道有关。
神经元在兴奋状态下，细胞内外的离子浓度不同，离子通道将根据其特异性地让离子通过细胞膜。
钠离子、钾离子和氯离子是神经细胞内外的主要离子组成，神经兴奋的产生和传递也与离子通道的开放和关闭有关。
三、人体电信号传导的机制人体电信号的传导涉及了许多机制。
主要包括：1、离子泵类膜蛋白的作用：细胞膜内外存在的许多离子泵类膜蛋白能够改变离子浓度的分布，造成静电场的不均匀分布，从而产生电势差，促进电信号传导。
2、分子依赖的离子通道：定量控制和调节离子通道的开放和关闭，从而影响电信号的传导速率。
3、电缆方程：描述了电信号在人体生命体制中传导的数学模型。
电信号的传导速率会受到电信号的传导距离、细胞膜电性能力、细胞间间隙的抗阻情况等因素的影响。
4、细胞膜纤毛：纤毛可以帮助离子通道进行电势感应的导电，并通过磷脂的流动来加速离子通道内离子的扩散。
人体通信 - 副本
目录摘要 (1)Abstract (2)引言 (3)1 人体通信与无线体域网 (3)1.1无线体域网简介 (3)1.2短距离无线通信技术分析对比 (3)1.3人体通信信号耦合方式 (5)2仿真系统模型建立 (7)2.1仿真环境介绍 (7)2.2功能简介 (7)2.3仿真系统模型 (8)3仿真实验与结果分析 (8)3.1电场分布 (9)3.2频率对人体通信的影响 (9)结束语 (9)参考文献 (10)人体通信摘要: 便携式消费电子产品和医疗卫生保健市场的迅速发展，推动着新兴信息技术的变革。
人体通信技术以人体作为数据传输通道，为便携式电子设备建立起无线网络，降低了监测系统的复杂度，具有新的历史意义以及广阔的应用前景。
本文首先回顾了人体通信技术在国内外的研究现状，对比了人体通信中信号的三种耦合方式，详细分析了人体通信研究使用的组织结构模型和通信信道模型。
在此基础上，本文建立了更为贴近实际的多层组织结构人体通信系统模型，从电磁场与人体相互作用的角度探讨了人体通信的信号传输机制和特性。
通过仿真实验，本文分析了人体通信信道在不同方向上的信号衰减率，获取了人体通信的最佳通信频段，并对人体通信的其他影响因素，如收发器与人体表面的间距、电极尺寸、电极间距等进行了分析，为人体通信技术的进一步发展提供指导依据。
仿真结果表明，在人体通信中，电磁波信号在人体表面的传播具有表面波的特征，沿人体表面，场强衰减缓慢，远离人体表面，场强衰减迅速；电场在平行和垂直于人体表面的方向上具有不同的衰减常数，垂直于人体表面的场强分量强于平行分量；在0～1000MHz的频率范围内，500--600MHz是最佳的人体通信频段；在收发器与人体表面相隔一定距离的情况下，同样可以实现良好的通信，信号传输主要集中在人体表面5mm的距离范围内；设计的收发器应适于接收垂直于人体表面的电场分量，考虑到随收发器和人体表面之间距离的增加，信号损耗增大，需考虑改进收发器结构以提高信号接收效率。
无线体域网(WBAN)
WBAN信道模型
可以讲WBAN使用的传感器节点分为3种类型： 1）可植入节点：放置在人体体内的节点； 2）体表节点：放置在人体皮肤表面的节点，最多远离皮肤
表面2cm 3）外部节点：放置在人体皮肤外部节点，与人体皮肤不直
接接触的节点（最多不超过5m）。 包含人体表面和植入场景的信道模型的结构并不相同。
WMTS一般用于通过无线电技术来远程监控病人的健康。WMTS的使用给 予了病人很大的移动性，减少了医疗监护的费用。主要频带分布在420429MHz、440-449 MHz、608-614 MHz、1395-1400 MHz、1427-1429.5 MHz，这ห้องสมุดไป่ตู้频带非常适合WBAN，首先它是一个低频带，可提供大量通信带宽， 如在608-614 MHz中允许有4个1.5MHz带宽的信道；其次WMTS带宽只用于医 疗通信，这样就比ISM频带的干扰要少很多。 UWB（Ultra-Wideband）
WBAN中的关键技术
WBAN是一种新的交叉技术，和无线个人网（Wireless Personal Area Network，WPAN）、无线传感器网络（Wireless Sensor Network ， WSN）、泛在传感器网络（Ubiquitous Sensor Network，USN）、 无线短距通信技术、传感器技术等都有着密切关系、目前业界倾向于 认为WBAN是WPAN的一种延伸。它实际上就是一个低功率、小范围、 低速率和低价格的电缆替代技术。而WBAN把WPAN扩展到了部署在 人体表面和内部的各类传感器。远程医疗诊断和监护则是WSN应用 的一个非常重要的方面，和WBAN密切相关。WSN的泛在化导致了 USN(Ubiquitous Sensor Network )的出现。USN严格来讲是一种面向 应用和业务的体系结构，通过这种公共的结构可以支持各种传感器网 络和全IP的公共数据网络相互连通，实现FMC（Fixed Mobile Convergence，固定网络与移动网络融合），并基于传感器数据提供 各类业务和应用。
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Intra-body communication channel model based on anisotropic tissue in human forearm
Liu Yihe1, Zhang Shuang1,2,3, Qin Yuping2, Zhang Shaoxiang4, Tan Liwen4
Eq T L
(1)
图2
肌肉组织电导率
通过图 2 可以发现，文献[14]假设肌肉组织各向同性时的电导率与各向异性时的肌肉组 织切向电导率极其相近，且线条相对比较平滑，拐点较少。而加入了横向电导率的复合电导 率曲线，线条拐点较多，也没那么平滑，这与实验采集到的数据极其相似。单从拐点数就有
-2-
方程，可以近似地得到在柱坐标系下组织电位分布的简化方程[10]：
Eq ( s ) ( f )V 0 s 1,2,, N (2) 电流耦合型人体通信耦合模型的控制方程由拉普拉斯(Laplace)方程来表示。 式(2)右边的 零项表明作为传输介质的人体对于人体通信来说，自身是不具有信号源的，是一个无源体。 但是对于研究脑电、心电等有源体，控制方程就变为了泊松(Poisson)方程。另外，式(2)中， V表示人体前臂组织内部的电位， Eq ( s ) ( f ) 表示在频率f作用下第 s 层组织的复合型电导率， 其表示为[13]：
基金项目：四川省教育厅基金 (13ZA0003,14ZB0360,14ZB0363)；乐山市科技局重点资助项目(13GZD040) 作者简介：刘益和(1964—)，男，教授，主要研究方向为密码学、人体通信 通信联系人：张双，讲师，主要研究方向为数字信号处理、人体通信，zhangshuanghua1@
t 4 ,t 4
r3 , t 3 , t 3
r4 , t 4 , t 4
图3
各向异性的人体前臂 IBC 模型
从文献[5]和文献[9]的研究结论可以得出，在电流耦合型人体通信中，当输入电极输入 的电信号频率在 1MHz 以下时，发生在信道中的传播效应、诱导效应，以及从皮肤到空气中 的辐射效应基本可以忽略。伴随着频率的不断提高，组织的电容效应越来越明显，因此在组 织建模中必须考虑电容效应对整个系统的影响。应用准静态近似条件[9,15-17]下的 Maxwell’s
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真率。为此，本文建立了各向异性的人体通信信道模型。
理由相信， 各向异性的信道模型计算结果的失真率将低于各向同性的信道模型计算结果的失
2 信道模型的建立
从前面的研究结果可知， 在电流耦合型人体通信中， 首先将人体上臂抽象成一个标准的 多层圆柱体几何结构，用两对电极分别表示发送和接收信号端，如图 3 所示。从图 3 可以得 到，按照解剖学特性，将长度为 h 的人体上臂等效成有骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的多层 同 心 圆 柱 ， (r1 , r2 ,, rn ) 分 别 表 示 各 种 组 织 在 切 面 上 的 外 圆 半 径 ， ( t1 , t 2 ,, tn ) 和
Eq ( s ) ( f ) st ( f ) sl ( f ) s 1,2,, N
别为：
(3)
式中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ st ( f ) 与 sl ( f ) 分别表示在频率 f 作用下，第 s 层组织的切向与横向复合电导率，分
st ( f ) it ( f ) i rit ( f ) 0 s 1,2,, N ， i 1,2,, N sl ( f ) il ( f ) i ril ( f ) 0 s 1,2,, N ， i 1,2,, N
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人体前臂组织各向异性的人体通信信道模型
刘益和 1，张双 1,2,3，秦雨萍 2，张绍祥 4，谭立文 4
(1. 内江师范学院计算机科学学院，四川内江 641112；2. 成都理工大学工程技术学院，四 川乐山 614000；3. 澳门大学科技学院，澳门 999078；4. 第三军医大学数字医学研究 所，重庆 400038) 摘要：人体前臂是一个近似的圆柱体结构，它由组织包裹组成，它们有的各向同性,如皮肤, 脂肪;有的各向异性.如肌肉等。它们对人体电流信号的传播与分布有着极大的影响,特别是肌 肉组织。应用麦克斯韦方程，结合人体组织特性和准静态条件下的边界条件,在柱坐标系下 建立了基于人体组织特性的信道模型。 用得到的信道模型， 结合人体组织各向特性的电参数 (肌肉)， 在 MATLAB2010a 上分别计算出具有组织特性的信道模型和不具有组织特性的信道 模型的结果。 然后与在人体右前臂测量得到的数据相比较， 发现加入组织特性的信道模型的 增益曲线与实验数据保持高度的一致性.模型的平均误差比各向同性的信道模型误差下降了 2%，最大误差也下降了 3%，进一步降低了模型的失真率。 关键词：组织特性；电流耦合型；人体通信；信道模型 中图分类号：TN918.7；TN83 文献标识码：A
(1. College of Computer Science, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641000, China; 2. The Engineering &Technical College, Chengdu University of Technology, Leshan, Sichuan 614000, China; 3. Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macau SAR 999078, China; 4. Digital Medical Research Institute, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China) Abstract: Human forearm approximates to a cylindrical structure; it is formed through encapsulating layers of human tissues. Some of them are isotropic, such as skin and fat, while the others like muscle are anisotropic. They have great effects on transmission and distribution of the current signal in human body, especially muscular tissue. Combining human tissues’ characteristics and boundary conditions under the quasi-static condition, the channel model based on human tissues’ characteristics is built in the cylindrical coordinate system by means of Maxwell equation. In combination with electric parameters of human anisotropic tissues (muscle), the obtained channel model is used to derive the channel model with human tissue’s characteristics and the one without human tissue’s characteristics respectively in MATLAB2010a. Afterwards, these results are compared with the data obtained from measurement on human right forearm. The comparison shows that the gain curve of the channel model with human tissue’s characteristics is highly consistent with experimental data. Compared with the isotropic channel model, the average error of the model is reduced by 2%, and its maximum error is also decreased by 3%; that is, the distortion rate has been further lowered. Keywords: tissue’s characteristics; galvanic coupling type; intra-body communication; channel model 人体通信技术[1,2]是现代医疗监护技术[3]的一个重要的通信方式， 由于其以人体组织作为 通信介质，在系统组建的过程中可避免复杂的导线连接和对人体组织的创伤，因此，人体通 信技术将成为未来医疗监护的一个重要组成部分[4]。电流耦合型人体通信技术是发送器在人 体耦合出交变电流的信息载体，信号以电流的形式差分流入人体组织[5]。为了解释信号在人 体组织的分布情况，一般来说，从简化模型的角度来看，可以将人体组织(骨骼、肌肉、脂 肪、皮肤)视为一个各项同性的容积导体[6,7]，并结合容积导体理论和麦克斯韦方程建立信道
-1-
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模型[8-10]。但是，如此却忽略了组织特性对信道的影响。
1 各向异性组织电特性分析
大量实验表明， 人体组织并非完全各向同性， 部分组织由于横向和切向的生长特性不同， 组织的横向和切向的电特性也相差甚大[11-14]。由骨骼、肌肉、脂肪、皮肤构成的人体组织模 型如图 1 所示。