本發(fā)明屬于fdtd和cpml算法建模，dla分形、模擬、微波無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，糖尿病作為一種全球性的疾病發(fā)病率不斷增長(zhǎng)。而諸多無創(chuàng)和微創(chuàng)的方法都未免給患者帶來身體上的痛苦和精神的壓力，同時(shí)，也存在感染的風(fēng)險(xiǎn)。人們迫切希望一種精準(zhǔn)的無創(chuàng)檢測(cè)血糖的方法誕生。建立生物模型進(jìn)行仿真的過程是探究過程中重要的環(huán)節(jié)，可以節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力。而使用更貼近實(shí)際的生物模型，構(gòu)建更貼近實(shí)際的仿真環(huán)境對(duì)研究的有效性以及多樣性至關(guān)重要。

fdtd(finitedifferencetimedomainmethod)即時(shí)域有限差分算法。它是以一組有限差分方程來代替麥克斯韋旋度方程，來求解電磁波在媒質(zhì)中傳播和反射問題的算法，適合各種電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的求解。可以用來構(gòu)建模型的三維電磁仿真空間。

cpml(convolutionalperfectlymatchedlayer)是卷積完全匹配層的算法。fdtd計(jì)算因?yàn)橛?jì)算機(jī)容量的的限制只能在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，故而需要在計(jì)算區(qū)域的截?cái)噙吔缃o出吸收邊界條件，以便用有限的網(wǎng)格空間模擬開放的無限空間，類似于微波暗室中的電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的研究。這就需要cpml算法的融入。

dla(diffusionlimitedaggregation)是擴(kuò)散限制凝聚的分形理論。它通常用來模擬具有極不規(guī)則或極不光滑的特點(diǎn)的對(duì)象。較多應(yīng)用于超薄膜的分形生長(zhǎng)研究、粘性指進(jìn)模擬、紡織品圖案設(shè)計(jì)、分形植物形態(tài)模擬、在流體驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用等。在此模型中，它的分形特性被用來模擬血液的連續(xù)性、復(fù)雜性、隨機(jī)性、網(wǎng)絡(luò)性。

本專利基于以上算法以及matlab工具提出一種三維耳垂電磁仿真模型，并基于此提升了血糖無損檢測(cè)研究多樣性和數(shù)據(jù)精確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種三維耳垂的電磁仿真模型的建模方法，使得模型更加貼近實(shí)際的環(huán)境，并將其應(yīng)用于血糖濃度檢測(cè)的仿真實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于血糖檢測(cè)的三維耳垂模型的建立方法，包括下列步驟：

(1)構(gòu)建多層耳垂模型，構(gòu)建三維長(zhǎng)方體模型，包含3層生物組織層，即皮膚、脂肪和皮膚。

(2)在脂肪層中嵌入dla分形生成的血液層，方法如下：

1)在三維平面中心放置一個(gè)粒子作為種子粒子。

2)每次起始隨即釋放粒子的釋放都會(huì)采取以下方式：隨機(jī)選擇長(zhǎng)方體6個(gè)面的其中一面，并且隨機(jī)選擇這一面的任意點(diǎn)。這就保證了長(zhǎng)方體的表面任何一點(diǎn)都能釋放起始粒子，進(jìn)而保證了一定的空間的均勻性。

3)隨機(jī)粒子每運(yùn)動(dòng)一步，都會(huì)判斷其最近鄰28個(gè)位置的狀態(tài)，若沒發(fā)現(xiàn)有種子粒子存在，則粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；否則運(yùn)動(dòng)粒子粘附到種子粒子上并和舊的種子粒子一起成為新的種子粒子即凝聚體。同時(shí)也要判斷，若隨機(jī)粒子游走到形狀一定的空間之外或者隨機(jī)粒子與二維平面中心種子粒子的距離d>r，則此次游走無效，重新釋放隨機(jī)粒子。

4)不斷重復(fù)上面的循環(huán)，完成需要的循環(huán)次數(shù)。

5)根據(jù)模型的血液空間的大小、形狀以及對(duì)血液分布本身的需求配置參數(shù)，使得形成的血液層更接近真實(shí)的血液分布狀況。

(3)將dla分形生成的血液層嵌入脂肪層中，構(gòu)建完整的三維耳垂組織結(jié)構(gòu)的模型，賦予各組織層以各組織相應(yīng)的電磁參數(shù)，參與電磁仿真運(yùn)算；

(4)將兩個(gè)天線置于耳垂模型的兩側(cè)，發(fā)射天線發(fā)射高斯波信號(hào)或者其它波形，接收天線接收穿過耳垂模型的信號(hào)；

(4)改變仿真中耳垂模型的血液的血糖濃度，接收到穿過不同血糖濃度的血液的信號(hào)。

附圖說明

圖1二維dla分形圖

圖2三維dla分形血液分布圖

圖3三維耳垂模型

圖4發(fā)射源為點(diǎn)源不同血糖濃度下的時(shí)域仿真結(jié)果圖

圖5點(diǎn)源位置在耳垂模型表面位移0.5mm的時(shí)域仿真結(jié)果圖

圖6發(fā)射源為天線的不同血糖濃度時(shí)域仿真結(jié)果圖

具體實(shí)施方式

1.在matlab中編寫算法，在fdtd算法區(qū)域構(gòu)建多層耳垂模型。耳垂具有良好的平面結(jié)構(gòu)，我們將構(gòu)建三維長(zhǎng)方體模型，包含3層生物組織層(皮膚+脂肪+皮膚)。在模型的外圍則是cpml的區(qū)域。

2.構(gòu)建dla血液的分布。dla分形模型的原理為首先確定一種子粒子，在距種子較遠(yuǎn)的某一區(qū)域中逐個(gè)釋放粒子，并讓其圍繞種子粒子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它與種子粒子相接觸時(shí)，便永遠(yuǎn)的粘附在其上，和原來種子粒子一起成為新的種粒子，程序重新釋放游走粒子；當(dāng)它運(yùn)動(dòng)到某一范圍之外時(shí)，粒子消失，程序重新釋放游走粒子。粒子的每一步游動(dòng)完全是隨機(jī)的。圖1則是dla的二維標(biāo)準(zhǔn)模型的一種生成形式，因?yàn)榭臻g的緣故，分布的形狀與血液的總體形狀有所差距，但是可以看出它的連續(xù)性、復(fù)雜性和分布隨機(jī)性，表達(dá)出本專利選擇它構(gòu)建血液層的原因和思維。與傳統(tǒng)的層狀血液層相比，dla分形血液層可以用來模擬血液的復(fù)雜性、連續(xù)性和隨機(jī)性。為以后消除天線位置的在耳垂部位的微小變動(dòng)引起的血糖測(cè)量結(jié)果的誤差研究奠定基礎(chǔ)。具體步驟如下：

6)在三維平面中心放置一個(gè)粒子作為種子粒子。

7)考慮到本模型的空間的特殊性(長(zhǎng)寬高的比例差別較大)，選擇幾個(gè)特定的點(diǎn)或者選擇某一個(gè)面作為粒子的起始隨即釋放點(diǎn)的方式等都不能保證最后生成的圖形在空間分布的均勻性和隨機(jī)性。故而結(jié)合本模型的特點(diǎn)，每次起始隨即釋放粒子的釋放都會(huì)采取以下方式：隨機(jī)選擇長(zhǎng)方體6個(gè)面的其中一面，并且隨機(jī)選擇這一面的任意點(diǎn)。這就保證了長(zhǎng)方體的表面任何一點(diǎn)都能釋放起始粒子，進(jìn)而保證了一定的空間的均勻性。

8)隨機(jī)粒子每運(yùn)動(dòng)一步，都會(huì)判斷其最近鄰28個(gè)位置的狀態(tài)，若沒發(fā)現(xiàn)有種子粒子存在，則粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；否則運(yùn)動(dòng)粒子粘附到種子粒子上并和舊的種子粒子一起成為新的種子粒子即凝聚體。同時(shí)也要判斷，若隨機(jī)粒子游走到形狀一定的空間之外或者隨機(jī)粒子與二維平面中心種子粒子的距離d>r，則此次游走無效，重新釋放隨機(jī)粒子。

9)不斷重復(fù)上面的循環(huán)，完成需要的循環(huán)次數(shù)，程序結(jié)束。

10)根據(jù)模型的血液空間的大小、形狀以及對(duì)血液分布本身的需求可以靈活的配置參數(shù)，使得形成的血液層更接近真實(shí)的血液分布狀況，能在生物模型中發(fā)揮良好的作用。

此模型中構(gòu)建的三維dla圖形如圖3所示。

3.將dla分形生成的血液層嵌入脂肪層中，構(gòu)建出完整的三維耳垂組織結(jié)構(gòu)的模型(皮膚+脂肪+血液+脂肪+皮膚)。賦予各組織層以各組織相應(yīng)的電磁參數(shù)，參與電磁仿真運(yùn)算。兩個(gè)探測(cè)天線置于耳垂模型的兩側(cè)。最終完善的三維耳垂模型模型如圖3所示。

4.仿真模擬：圖3天線位置在仿真過程中可用點(diǎn)源或者真實(shí)設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)。此處以點(diǎn)源為例說明：發(fā)射源發(fā)射高斯波信號(hào)，另一邊接收穿過耳垂模型的信號(hào)；通過改變血液的介電常數(shù)來改變耳垂模型中血液的血糖濃度并進(jìn)行仿真，接收到的穿過耳垂模型的不同血糖濃度的血液的信號(hào)的時(shí)域仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出，當(dāng)血液中的血糖濃度規(guī)律性變化時(shí)，接收波在時(shí)域上幅值也有規(guī)律性的變化，這表明，通過血糖濃度不同的血液時(shí)，發(fā)射波波的能量受到損失，以此可作為血糖濃度檢測(cè)的依據(jù)。而在圖5中可以看出天線位置的微小改變將影響接收信號(hào)，這是因?yàn)槟Ｐ湍M了現(xiàn)實(shí)中不同位置血液分布不同的情況，豐富了血糖檢測(cè)的研究?jī)?nèi)容。

圖6展示的是將點(diǎn)源換成天線模擬的結(jié)果，它的結(jié)果規(guī)律同圖4所示，其他變化規(guī)律也同點(diǎn)源，此處不再另外說明。但是它相對(duì)于點(diǎn)源來說，接收信號(hào)強(qiáng)度更大，同時(shí)也更接近真實(shí)的仿真環(huán)境和接收的數(shù)據(jù)情況，效果更好。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的01两状态随机游动模拟matlab,一种用于血糖检测的三维耳垂模型的建立方法与流程...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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