声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式，而超声波是一种频率高于20000Hz的声波，它的方向性能好，穿透力强，易于获得较为集中的声能，这些特性可以应用在人体中，获得意想不到的效果。

近年来，人体通信逐渐成为医疗领域的一项更加新颖的技术，这项新的技术包含了无线通信与生物电磁等方面的研究。不仅如此，信息时代的到来使得人们处在一个随时需要进行数据交换的环境。短距离无线通信网络技术为实现这种无处不在的网络连接提供方便性和可能性。目前已提出用蓝牙、红外通信 ( IrDA )、射频识别( RFID)、WiFi、 ZigBee等技术来解决个人区域网络( personal area network, PAN )通信问题, 但每项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。人体通信( human body communication, HBC)技术便应运而生。人体通信技术术是一项全新的技术, 其基本功能是使用人的身体代替通信线缆, 通信元件贴在人的身体上, 通过用手去触摸配备了同样通信元件的机器或人, 就能够迅速地传输数据。人体通信以人体为通信媒介，具有低功耗、高速率、高安全性等优点，其为人体传感器网络提供了一种理想的通信方式，而且不存在多人通信时效率降低的问题。人体通信与传统无线通信的传输媒介不同，前者通过电磁特性复杂的各种组织构成的人体信道进行信号传输，而后者通过空气传输信号。因此, 使用人体通信实现日趋庞大的人体区域网络, 将彻底颠覆传统的通信方式。研究以人体自身作为传输信道的通信系统, 是一项非常有意义、具有很大市场潜力的工作。

近些年日本 NTT 公司提出采用光电接收的人体通信系统 RedTacton，大幅度提高了接收灵敏度, 从而进一步降低了功耗。虽然已有很多基于人体传输通道的实验和可穿戴设备的研究, 但却很少有从电磁波与人体相互作用的角度研究人体通信信道以及人体通信中电场的传输机制。Katsuyuki Fuji等人曾研究了基于人体通信可穿戴装备的电场分布, 但其研究只采用简化的单层人体模型。虽然长期临床应用证明超声在人体组织的穿透性能优于电磁波且对人体无害，但现有二维模型在仿真人体内信号传输多径效应上受限，这使得实验结果存在误差，因此在未来应对人体信道多径效应和高衰减问题的通信方法，以及对体内跨组织传输场景进行仿真，将会是重点研究方向。

2. 研究的基本内容与方案

1. 调研人体信道建模研究现状；
2. 了解人体信道超声通信的特点；
3. 调研和分析体内超声人体信道建模研究现状；
4. 研究和分析体内超声人体信道建模实现机理；
5. 超声人体信道建模仿真实现及信道分析。

（2）目的

1. 利用Matlab完成对人体信道的建模；
2. 考虑到对于二维建模而言，人体内的多径效应干扰了信号的传输，在用Matlab进行二维建模的同时，也需要考虑到多径效应的影响；
3. 仿真对比实验，测试不同类型的信号、不同信号频率和不同人体组织的传输特性，找到应对人体信道多径效应和高衰减问题的通信方法。

（3）拟采用的技术方案及措施

1. 仿真系统：与传统通信系统类似，在仿真系统中，输入信号经过调制后进入信道，通过信道传输后在接收点接收并被解调、滤波。输出信号和输入信号比较，可检查传输中的误码情况，如图 1。

   图1 仿真系统

   信道模型是超声信号传输的仿真环境，接下来的研究将会围绕图1中的人体信道模型的建立展开。

2. 由于现有二维模型在仿真人体内信号传输多径效应上受限。为此提出按照人体组织的层次结构建立三维人体模型，用 K 空间方法解决了传统方法中模型复杂度高的问题，提高了仿真速度和仿真效率。K空间是寻常空间在傅利叶转换下的对偶空间，主要应用在磁振造影的成像分析，其他如磁振造影中的射频波形设计，以及量子计算中的初始态准备亦用到K空间的概念。K和出现在波动数学中的波数相应，可说都是“频率空间频率”的概念。
3. 如果需要通过K空间进行计算，需要使用Matlab中的K-Wave工具箱。k-Wave是一个开源的第三方MATLAB工具箱，专为1D，2D或3D传播声波的时域仿真而设计。 该工具箱具有广泛的功能，但其核心是一个先进的数值模型，可以解释线性和非线性波传播，异质材料参数的任意分布和声音在传播过程中的幂律吸收指数。模拟功能的界面设计灵活且用户友好，同时计算引擎已针对速度和准确性进行了优化。使用具有用户定义输入参数的MATLAB脚本调用这些函数，需要熟悉MATLAB环境才能开始使用。
4. 对于2D建模而言，输出信号会比3D信号要稀疏一些，这是因为2D信号的反射比3D的少。解决方案是：对建模的信号进行归一化处理，保存信道的数据，设定一个门限，即绝对值小于门限值的就是0。在MATLAB的绘图上测信道的时延和幅值，参考相关书籍计算相关带宽。
   

图2 人体的2D建模需要完成的步骤