一种建立血液电磁仿真模型的方法及装置.pdf

本发明涉及血脂检测技术领域，特别涉及一种建立血液电磁仿真模型的方法及装置。所述建立血液电磁仿真模型的方法包括：步骤a：建立血液电磁仿真模型；步骤b：根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液的体积，计算血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目；步骤c：根据计算结果将血脂粒子随机分布在血液电磁仿真模型中，并通过控制血脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。本发明可用于分析血脂与电磁波的相互作用机理，获取在不同血脂浓度下的电磁波响应特性，为无创血脂检测技术的发展提供重要的理论支撑。同时，本发明还具有使用成本低、仿真精度高等优点。

1.一种建立血液电磁仿真模型的方法，其特征在于，包括：
步骤a：建立血液电磁仿真模型；
步骤b：根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液的体积，计算血液电磁仿真模型中
血脂粒子的数目；
步骤c：根据计算结果将血脂粒子随机分布在血液电磁仿真模型中，并通过控制血脂粒
子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。
2.根据权利要求1所述的建立血液电磁仿真模型的方法，其特征在于，所述步骤a前还
包括：确定血液电磁仿真模型的整体结构；所述血液电磁仿真模型的整体结构为圆柱体，所
述血液电磁仿真模型包括血管层、血液层和血脂粒子层，所述血管层、血液层和血脂粒子层
的分布位置分别为：血管层位于最外层，血管层的长度为h，血管层的内径为d，外径为D，血
管层的厚度为r₁₂＝(D-d)/2；血液层位于血管层中，血液层的半径为r＝d/2；血脂粒子层分
布在血液层中。
3.根据权利要求2所述的建立血液电磁仿真模型的方法，其特征在于，在所述步骤b中，
所述血液电磁仿真模型中血脂粒子数目的计算公式为：
$n=\frac{M\×N_A}{N}=\frac{\mathrm{\ρ}\×\mathrm{\π}{(d/2)}^2\×h\×N_A}{N}$
上述公式中，n为血脂粒子的数目，N为中性脂肪分子和类脂分子的数目，ρ为血脂浓度，
V为血液体积，M＝ρ×V/1000，N_A＝6.02×10²³，V＝1000×π(d/2)²×h。
4.根据权利要求3所述的建立血液电磁仿真模型的方法，其特征在于，在所述步骤c中，
所述建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型具体包括：
步骤c1：生成n个在(-1,1)间均匀分布的随机数
步骤c2：依据概率理论的中心极限定理，生成一个服从正态分布N(μ,σ)的随机值，生成
随机值的公式为：

在上述公式中，为均匀分布随机数，μ是正态分布随机数的期望值，σ是正态分布随机
数的均方差，n是产生正态分布随机数所需的均匀分布随机数的个数；
步骤c3：根据上述生成随机值的公式确定在血液电磁仿真模型中每个血脂粒子的位
置，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。
5.根据权利要求4所述的建立血液电磁仿真模型的方法，其特征在于，所述步骤c后还
包括：利用三重debye-drude模型对血液电磁仿真模型中血液层和血管层的电磁参数进行
拟合，并将拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电磁仿真模型进行数值计算。
6.一种建立血液电磁仿真模型的装置，其特征在于，包括：
第一模型建立模块：用于建立血液电磁仿真模型；
血脂粒子数目计算模块：用于根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液的体积，计
算血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目；
第二模型建立模块：用于根据计算结果将血脂粒子随机分布在血液电磁仿真模型中，
并通过控制血脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。
7.根据权利要求6所述的建立血液电磁仿真模型的装置，其特征在于，还包括结构计算
模块，所述结构计算模块用于确定血液电磁仿真模型的整体结构；所述血液电磁仿真模型
的整体结构为圆柱体，所述血液电磁仿真模型包括血管层、血液层和血脂粒子层，所述血管
层、血液层和血脂粒子层的分布位置分别为：血管层位于最外层，血管层的长度为h，血管层
的内径为d，外径为D，血管层的厚度为r₁₂＝(D-d)/2；血液层位于血管层中，血液层的半径为
r＝d/2；血脂粒子层分布在血液层中。
8.根据权利要求7所述的建立血液电磁仿真模型的装置，其特征在于，所述血脂粒子数
目计算模块计算血液电磁仿真模型中血脂粒子数目的公式为：
$n=\frac{M\×N_A}{N}=\frac{\mathrm{\ρ}\×\mathrm{\π}{(d/2)}^2\×h\×N_A}{N}$
上述公式中，n为血脂粒子的数目，N为中性脂肪分子和类脂分子的数目，ρ为血脂浓度，
V为血液体积，M＝ρ×V/1000，N_A＝6.02×10²³，V＝1000×π(d/2)²×h。
9.根据权利要求8所述的建立血液电磁仿真模型的装置，其特征在于，所述第二模型建
立模块建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型的方式包括：生成n个在(-1,1)间均匀分布
的随机数依据概率理论的中心极限定理，生成一个服从正态分布N(μ,σ)的
随机值，生成随机值的公式为：

根据上述生成随机值的公式确定在血液电磁仿真模型中每个血脂粒子的位置，建立血
脂浓度可变的血液电磁仿真模型；在上述公式中，为均匀分布随机数，μ是正态分布随机数
的期望值，σ是正态分布随机数的均方差，n是产生正态分布随机数所需的均匀分布随机数
的个数。
10.根据权利要求9所述的建立血液电磁仿真模型的装置，其特征在于，还包括参数计
算模块，所述参数计算模块用于利用三重debye-drude模型对血液电磁仿真模型中血液层
和血管层的电磁参数进行拟合，并将拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电磁仿真
模型进行数值计算。

一种建立血液电磁仿真模型的方法及装置

技术领域

本发明涉及血脂检测技术领域，特别涉及一种建立血液电磁仿真模型的方法及装
置。

背景技术

血脂是血液中的中性脂肪(甘油三酯和胆固醇)和类脂(磷脂、糖脂、固醇、类固醇)
的总称，广泛存在于人体中。它们是生命细胞的基础代谢必需物质。血脂异常者往往伴有多
种心血管危险因素，甚至会导致一些严重危害人体健康的疾病，如动脉粥样硬化、冠心病、
胰腺炎等。为了提高人们健康生活水平，对血脂进行检测是非常重要的。

无创血脂检测法是一种利用电磁波的反射、透射来获取患者的血脂浓度的方法，
因此无需采集患者的血液，具有无创、简便、快速等的优势。建立血脂检测模型是研究无创
血脂检测技术的前提。目前，在血脂建模研究方面，研究者主要采用实验统计方法对血脂进
行建模，即通过实验动物研究在不同喂养方式下其血脂变化情况，从而建立高血脂症等医
学模型。例如，中国专利CN103299950A公开了一种食蟹猴高血脂症和动脉粥样硬化模型的
建立方法，该方法主要通过给食蟹猴喂养高脂饲料，根据食蟹猴的生化指标变化完成高血
脂症模型的建立。另一中国专利CN102907357A公开了一种斑马鱼高血脂症模型的构建方
法，该方法通过利用蛋黄粉喂养斑马鱼，使斑马鱼组织化学染色或荧光染色，并获取相关图
像，对图像/微孔板进行分析和统计，最终建立斑马鱼的高血脂症模型。

然而，上述采用实验统计的方法所建立的高血脂症等医学模型只适用于研究血脂
的变化规律，不能用于分析血脂与电磁波的相互作用机理，因此无法为无创血脂检测技术
提供理论支撑。

发明内容

本发明提供了一种建立血液电磁仿真模型的方法及装置，旨在至少在一定程度上
解决现有技术中的上述技术问题之一。

为了解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

一种建立血液电磁仿真模型的方法，包括：

步骤a：建立血液电磁仿真模型；

步骤b：根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液的体积，计算血液电磁仿真模
型中血脂粒子的数目；

步骤c：根据计算结果将血脂粒子随机分布在血液电磁仿真模型中，并通过控制血
脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述步骤a前还包括：确定血液电磁仿真模
型的整体结构；所述血液电磁仿真模型的整体结构为圆柱体，所述血液电磁仿真模型包括
血管层、血液层和血脂粒子层，所述血管层、血液层和血脂粒子层的分布位置分别为：血管
层位于最外层，血管层的长度为h，血管层的内径为d，外径为D，血管层的厚度为r₁₂＝(D-d)/
2；血液层位于血管层中，血液层的半径为r＝d/2；血脂粒子层分布在血液层中。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤b中，所述血液电磁仿真模型中
血脂粒子数目的计算公式为：

上述公式中，n为血脂粒子的数目，N为中性脂肪分子和类脂分子的数目，ρ为血脂
浓度，V为血液体积，M＝ρ×V/1000，N_A＝6.02×10²³，V＝1000×π(d/2)²×h。

本发明实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤c中，所述建立血脂浓度可变的
血液电磁仿真模型具体包括：

步骤c1：生成n个在(-1,1)间均匀分布的随机数

步骤c2：依据概率理论的中心极限定理，生成一个服从正态分布N(μ,σ)的随机值，
生成随机值的公式为：

在上述公式中，为均匀分布随机数，μ是正态分布随机数的期望值，σ是正态分布
随机数的均方差，n是产生正态分布随机数所需的均匀分布随机数的个数；

步骤c3：根据上述生成随机值的公式确定在血液电磁仿真模型中每个血脂粒子的
位置，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述步骤c后还包括：利用三重debye-
drude模型对血液电磁仿真模型中血液层和血管层的电磁参数进行拟合，并将拟合结果导
入血液电磁仿真模型中，对血液电磁仿真模型进行数值计算。

本发明实施例采取的另一技术方案为：一种建立血液电磁仿真模型的装置，包括：

第一模型建立模块：用于建立血液电磁仿真模型；

血脂粒子数目计算模块：用于根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液的体
积，计算血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目；

第二模型建立模块：用于根据计算结果将血脂粒子随机分布在血液电磁仿真模型
中，并通过控制血脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型。

本发明实施例采取的技术方案还包括结构计算模块，所述结构计算模块用于确定
血液电磁仿真模型的整体结构；所述血液电磁仿真模型的整体结构为圆柱体，所述血液电
磁仿真模型包括血管层、血液层和血脂粒子层，所述血管层、血液层和血脂粒子层的分布位
置分别为：血管层位于最外层，血管层的长度为h，血管层的内径为d，外径为D，血管层的厚
度为r₁₂＝(D-d)/2；血液层位于血管层中，血液层的半径为r＝d/2；血脂粒子层分布在血液
层中。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述血脂粒子数目计算模块计算血液电磁
仿真模型中血脂粒子数目的公式为：

上述公式中，n为血脂粒子的数目，N为中性脂肪分子和类脂分子的数目，ρ为血脂
浓度，V为血液体积，M＝ρ×V/1000，N_A＝6.02×10²³，V＝1000×π(d/2)²×h。

本发明实施例采取的技术方案还包括：所述第二模型建立模块建立血脂浓度可变
的血液电磁仿真模型的方式包括：生成n个在(-1,1)间均匀分布的随机数；依
据概率理论的中心极限定理，生成一个服从正态分布N(μ,σ)的随机值，生成随机值的公式
为：

根据上述生成随机值的公式确定在血液电磁仿真模型中每个血脂粒子的位置，建
立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型；在上述公式中，为均匀分布随机数，μ是正态分布
随机数的期望值，σ是正态分布随机数的均方差，n是产生正态分布随机数所需的均匀分布
随机数的个数。

本发明实施例采取的技术方案还包括参数计算模块，所述参数计算模块用于利用
三重debye-drude模型对血液电磁仿真模型中血液层和血管层的电磁参数进行拟合，并将
拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电磁仿真模型进行数值计算。

相对于现有技术，本发明实施例产生的有益效果在于：本发明实施例的建立血液
电磁仿真模型的方法及装置在建模过程中，根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液体
积的大小，计算血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目，通过控制血脂粒子的数目，从而建立
血脂浓度可变的血液电磁仿真模型；并利用三重debye-drude模型对血液电磁仿真模型中
不同组织层的电磁参数进行拟合，从而设定其电磁参数。通过本发明建立的血液电磁仿真
模型可用于分析血脂与电磁波的相互作用机理，获取在不同血脂浓度下的电磁波响应特
性，为无创血脂检测技术的发展提供重要的理论支撑。同时，本发明还具有使用成本低、仿
真精度高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的建立血液电磁仿真模型的方法的流程图；

图2为本发明实施例的血液电磁仿真模型的整体结构示意图；

图3为利用血脂粒子建立的不同血脂浓度的血液电磁仿真模型；

图4是本发明实施例的建立血液电磁仿真模型的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。

请参阅图1，是本发明实施例的建立血液电磁仿真模型的方法的流程图。本发明实
施例的建立血液电磁仿真模型的方法包括以下步骤：

步骤100：确定血液电磁仿真模型的整体结构；

在步骤100中，血液电磁仿真模型整体结构的确定方式包括：

步骤110：根据人体解剖学原理，研究血管与血液在人体的分布情况，对血管与血
液进行抽象化处理，确定血液电磁仿真模型的整体结构；

在步骤110中，血液电磁仿真模型包括血管层、血液层和血脂粒子层三个部分；本
发明实施例中，该血液电磁仿真模型的整体结构为圆柱体。具体如图2所示，为本发明实施
例的血液电磁仿真模型的整体结构示意图。在本发明其他实施例中，血液电磁仿真模型的
整体结构还可以是其他形状。

步骤120：分别确定血管层、血液层和血脂粒子层在血液电磁仿真模型中的分布位
置；

在步骤120中，血管层、血液层和血脂粒子层在血液电磁仿真模型中的分布位置分
别为：血管层位于最外层，且血管层的长度为h，血管层的内径为d，外径为D，因此血管层的
厚度为r₁₂＝(D-d)/2。血液层位于血管层中，因此血液层的半径为r＝d/2。血脂粒子层则分
布在血液层中。

步骤200：根据血管层、血液层和血脂粒子层的分布位置分别建立血管电磁仿真模
型、血液电磁仿真模型和血脂粒子电磁仿真模型；

在步骤200中，血管电磁仿真模型、血液电磁仿真模型和血脂粒子电磁仿真模型的
建立方式分别包括：

步骤210：建立血管电磁仿真模型：以原点为圆心，建立长度为h，半径分别为d/2和
D/2的圆柱体，将这两个圆柱体进行相减运算，从而获得一个内部中空，厚度为r₁₂＝(D-d)/2
的血管电磁仿真模型；

步骤220：建立血液电磁仿真模型：以原点为圆心，建立长度为h，半径为d/2的圆柱
体，该圆柱体即为血液电磁仿真模型；

步骤230：建立血脂粒子电磁仿真模型；

在步骤230中，由于人体血液中的血脂主要是由中性脂肪分子(甘油三酯和胆固
醇)和类脂分子(磷脂、糖脂、固醇、类固醇)组成，且中性脂肪分子和类脂分子的平均半径一
般仅为50nm。如果根据此尺寸建立血液电磁仿真模型，并以此尺寸进行电磁仿真，则需将网
格划分非常精细，导致计算量非常庞大。为了减少计算量，加快仿真速度，同时又不影响仿
真精度，本发明实施例在建模过程中，将血液中的中性脂肪分子和类脂分子等效为血脂粒
子，等效计算方法如下：

为了简化计算，假设人体血液中的中性脂肪分子和类脂分子的形状均为球体，且
尺寸大小一样，其半径为r_r，在电磁仿真模型中，将要建立的血脂粒子电磁仿真模型的形状
设为球体，其半径为R_r，则有

在公式(1)中，N为中性脂肪分子和类脂分子的数目。由于中性脂肪分子和类脂分
子的半径一般为50nm，即r_r＝50nm，在血液电磁仿真模型中，当将血脂粒子的半径设置为
0.5mm，即R_r＝0.5mm，根据公式(1)可计算得出N＝1×10¹²，即在建模过程中，将每1×10¹²个
血脂分子等效为一个直径约为0.5mm的血脂粒子，从而大大减少仿真计算量。

步骤300：根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液体积的大小，计算血液电磁
仿真模型中血脂粒子的数目；

在步骤300中，血脂粒子数目的计算方法具体包括：

步骤310：计算血液电磁仿真模型中血液的体积：由于血液电磁仿真模型为圆柱
体，其体积可表示为：V＝1000×π(d/2)²×h，其中V为圆柱体的体积，单位为L，d/2为圆柱体
的半径，h为圆柱体的长度，d/2和h的单位均为m。

步骤320：假设血脂的平均浓度为ρ，其单位为mmol/L，当血液的体积为V＝1000×π
(d/2)²×h，血脂分子(即中性脂肪分子和类脂分子)的物质的量则为M＝ρ×V/1000，其中M
的单位为mol。

步骤330：根据阿伏伽德罗常数可知，每1mol的物质含有6.02×10²³个分子，即N_A＝
6.02×10²³，因此，当血脂浓度为ρ，血液体积为V时，血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目为

根据公式(2)，可计算出不同血脂浓度时所对应的血液电磁仿真模型中的血脂粒
子的数目。因此，在血液电磁仿真模型中，可通过改变血脂粒子的数目n，从而建立血脂浓度
可变的血液电磁仿真模型。

步骤400：根据计算结果将血脂粒子按正态随机分布原理，随机分布在血液电磁仿
真模型中，并通过控制血脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型；

在步骤400中，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型的具体方式包括：

步骤410：生成n个在(-1,1)间均匀分布的随机数；

步骤420：依据概率理论中的中心极限定理，按公式(3)生成一个服从正态分布N
(μ,σ)的随机值：

在公式(3)中，为均匀分布随机数，μ是正态分布随机数的期望值，σ是正态分布
随机数的均方差，n是产生正态分布随机数所需的均匀分布随机数的个数。

步骤430：根据公式(3)确定在血液电磁仿真模型中每个血脂粒子的位置，最终建
立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型，如图3所示，为利用血脂粒子建立的不同血脂浓度的
血液电磁仿真模型。

步骤500：利用三重debye-drude模型对血液电磁仿真模型中不同组织层(血液、血
管)的电磁参数进行拟合，并将拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电磁仿真模型进
行数值计算；

在步骤500中，建立血液电磁仿真模型后，还需对该模型中的血液层和血管层设定
电磁参数，电磁参数包括介电常数和电导率。由于血液和血管均属于色散介质，其介电常数
和电导率会随着频率发生改变。在电磁仿真过程中，传统的Cole-Cole模型只能适用于单一
频率的仿真，在宽频带时无能为力。因此，本发明实施例采用debye-drude模型来对血液层
和血管层的介电常数和电导率进行拟合，拟合完毕后再将相关参数导入到相应的组织层
中。电磁参数拟合方式具体包括：

步骤510：通过四重Cole-Cole模型分别获取血液层和血管层的复介电常数的实部
值与虚部值；

在步骤510中，本发明实施例利用REMCOM公司提供的血液四重Cole-Cole模型，如
公式(4)所示，计算求出10Hz-20GHz频段范围内血液层和血管层的复介电常数的实部值与
虚部值，其中实部值对应的是介电常数，虚部值对应的是电导率，并将实部值与虚部值分别
导入Origin软件作为输入值。

步骤520：建立三重debye-drude模型，采用三重debye-drude模型对所获取的血液
层和血管层的复介电常数的实部值与虚部值分别进行拟合；拟合公式如下：

步骤530：确定在三重debye-drude模型中血液层和血管层需拟合的参数；对三重
debye-drude模型进行有理式分解，分别计算实部(ε′)、虚部(ε″)对应的多项式，计算公式
如下：

确定需要拟合的参数包括：ε_∞＝a、Δε₁＝b、τ₁＝c、Δε₂＝d、τ₂＝e、Δε₃＝g、τ₃＝h、
σ_i＝k；

步骤540：在Origin软件中建立对应的非线性曲线y1、y2，

y1＝ε′ (8)

y2＝ε" (9)

其中，

y1＝a+b/(1+(2×3.1415926×f×c)^2)+d/(1+(2*3.1415926*f*e)^2)+

g/(1+(2×3.1415926×f×h)^2) (10)

y2＝(b×2×3.1415926×f×c)/(1+(2×3.1415926×f×c)^2)+(d×2×
3.1415926×f×e)/(1+(2×3.1415926×f×e)^2)+

(g×2×3^.1415926×f×h)/(1+(2×3.1415926×f×h)^2)+k/(2×3.1415926×f
×8^.85418×pow(10,-12)) (11)

步骤550：采用Cole-Cole模型中的初始值分别对a、b、c、d、e、g、h、k参数赋迭代拟
合的初始值，利用Origin软件进行参数拟合；

步骤560：将血液层和血管层的参数拟合结果分别代入Debye-Drude三重极点模型
中，然后利用Origin软件对血液层和血管层的参数拟合结果进行误差分析；

步骤570：将血液层和血管层的参数拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电
磁仿真模型进行数值计算。

请参阅图4，是本发明实施例的建立血液电磁仿真模型的装置的结构示意图。本发
明实施例的建立血液电磁仿真模型的装置包括结构计算模块、第一模型建立模块、血脂粒
子数目计算模块、第二模型建立模块和参数计算模块。

结构计算模块：用于根据人体解剖学原理确定血液电磁仿真模型的整体结构；其
中，血液电磁仿真模型整体结构的确定方式具体为：首先，根据人体解剖学原理，研究血管
与血液在人体的分布情况，对血管与血液进行抽象化处理，确定血液电磁仿真模型的整体
结构，其中，血液电磁仿真模型包括血管、血液和血脂粒子三个部分。然后，分别确定血管、
血液和血脂粒子在血液电磁仿真模型中的分布位置；其中，血管、血液和血脂粒子在血液电
磁仿真模型中的分布位置分别为：血管位于最外层，且血管的长度为h，血管的内径为d，外
径为D，因此血管的厚度为r₁₂＝(D-d)/2。血液位于血管中，因此血液的半径为r＝d/2。血脂
粒子则分布在血液中。

第一模型建立模块：用于根据血管、血液和血脂粒子的分布位置分别建立血管电
磁仿真模型、血液电磁仿真模型和血脂粒子电磁仿真模型；具体地，第一模型建立模块包括
血管模型建立单元、血液模型建立单元和血脂粒子模型建立单元；

血管模型建立单元：用于建立血管电磁仿真模型：以原点为圆心，建立长度为h，半
径分别为d/2和D/2的圆柱体，将这两个圆柱体进行相减运算，从而获得一个内部中空，厚度
为r₁₂＝(D-d)/2的血管电磁仿真模型；

血液模型建立单元：用于建立血液电磁仿真模型：以原点为圆心，建立长度为h，半
径为d/2的圆柱体，该圆柱体即为血液电磁仿真模型；

血脂粒子模型建立单元：用于建立血脂粒子电磁仿真模型：由于人体血液中的血
脂主要是由中性脂肪分子和类脂分子组成，且中性脂肪分子和类脂分子的平均半径一般仅
为50nm。如果根据此尺寸建立血液电磁仿真模型，并以此尺寸进行电磁仿真，则需将网格划
分非常精细，导致计算量非常庞大。为了减少计算量，加快仿真速度，同时又不影响仿真精
度，本发明实施例在建模过程中，将血液中的中性脂肪分子和类脂分子等效为血脂粒子，等
效计算方法如下：

为了简化计算，假设人体血液中的中性脂肪分子和类脂分子的形状均为球体，且
尺寸大小一样，其半径为r_r，在电磁仿真模型中，将要建立的血脂粒子电磁仿真模型的形状
设为球体，其半径为R_r，则有

在公式(1)中，N为中性脂肪分子和类脂分子的数目。由于中性脂肪分子和类脂分
子的半径一般为50nm，即r_r＝50nm，在血液电磁仿真模型中，当将血脂粒子的半径设置为
0.5mm，即R_r＝0.5mm，根据公式(1)可计算得出N＝1×10¹²，即在建模过程中，将每1×10¹²个
血脂分子等效为一个直径约为0.5mm的血脂粒子，从而大大减少仿真计算量。

血脂粒子数目计算模块：用于根据血脂的浓度和血液电磁仿真模型中血液体积的
大小，计算血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目；血脂粒子数目计算模块具体包括血液体
积计算单元、血脂浓度计算单元和血脂粒子数目计算单元；

血液体积计算单元：用于计算血液电磁仿真模型中血液的体积：由于血液电磁仿
真模型为圆柱体，其体积可表示为：V＝1000×π(d/2)²×h，其中V为圆柱体的体积，单位为
L，d/2为圆柱体的半径，h为圆柱体的长度，d/2和h的单位均为m。

血脂浓度计算单元：用于计算血脂浓度，假设血脂的平均浓度为ρ，其单位为mmol/
L，当血液的体积为V＝1000×π(d/2)²×h，血脂分子(即中性脂肪分子和类脂分子)的物质
的量则为M＝ρ×V/1000，其中M的单位为mol。

血脂粒子数目计算单元：用于根据血液体积和血脂浓度计算血液电磁仿真模型中
血脂粒子的数目；根据阿伏伽德罗常数可知，每1mol的物质含有6.02×10²³个分子，即N_A＝
6.02×10²³，因此，当血脂浓度为ρ，血液体积为V时，血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目为

根据公式(2)，可计算出不同血脂浓度时所对应的血液电磁仿真模型中的血脂粒
子的数目。因此，在血液电磁仿真模型中，可通过改变血脂粒子的数目n，从而建立血脂浓度
可变的血液电磁仿真模型。

第二模型建立模块：用于根据计算结果将血脂粒子按正态随机分布原理，随机分
布在血液电磁仿真模型中，并通过控制血脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿
真模型；其中，第二模型建立模块建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型的具体方式包括：

1：生成n个在(-1,1)间均匀分布的随机数；

2：依据概率理论中的中心极限定理，按公式(3)生成一个服从正态分布N(μ,σ)的
随机值：

在公式(3)中，为均匀分布随机数，μ是正态分布随机数的期望值，σ是正态分布
随机数的均方差，n是产生正态分布随机数所需的均匀分布随机数的个数。

3：根据公式(3)确定在血液电磁仿真模型中每个血脂粒子的位置，最终建立血脂
浓度可变的血液电磁仿真模型。

参数计算模块：用于利用三重debye-drude模型对血液电磁仿真模型中不同组织
层(血液、血管)的电磁参数进行拟合，并将拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电磁
仿真模型进行数值计算；其中，电磁参数包括介电常数和电导率，由于血液和血管均属于色
散介质，其介电常数和电导率会随着频率发生改变。在电磁仿真过程中，传统的Cole-Cole
模型只能适用于单一频率的仿真，在宽频带时无能为力。因此，本发明实施例采用debye-
drude模型来对血液层和血管层的介电常数和电导率进行拟合，拟合完毕后再将相关参数
导入到相应的组织层中。电磁参数拟合方式具体包括：

1：通过四重Cole-Cole模型分别获取血液层和血管层的复介电常数的实部值与虚
部值；本发明实施例利用REMCOM公司提供的血液四重Cole-Cole模型，如公式(4)所示，计算
求出10Hz-20GHz频段范围内血液层和血管层的复介电常数的实部值与虚部值，其中实部值
对应的是介电常数，虚部值对应的是电导率，并将实部值与虚部值分别导入Origin软件作
为输入值。

2：建立三重debye-drude模型，采用三重debye-drude模型对所获取的血液层和血
管层的复介电常数的实部值与虚部值分别进行拟合；拟合公式如下：

3：确定在三重debye-drude模型中血液层和血管层需拟合的参数；对三重debye-
drude模型进行有理式分解，分别计算实部(ε′)、虚部(ε″)对应的多项式，计算公式如下：

确定需要拟合的参数包括：ε_∞＝a、Δε₁＝b、τ₁＝c、Δε₂＝d、τ₂＝e、Δε₃＝g、τ₃＝h、
σ_i＝k；

4：在Origin软件中建立对应的非线性曲线y1、y2，

y1＝ε′ (8)

y2＝ε" (9)

其中，

y1＝a+b/(1+(2×3.1415926×f×c)^2)+d/(1+(2*3.1415926*f*e)^2)+

g/(1+(2×3.1415926×f×h)^2) (10)

y2＝(b×2×3.1415926×f×c)/(1+(2×3.1415926×f×c)^2)+(d×2×
3.1415926×f×e)/(1+(2×3.1415926×f×e)^2)+

(g×2×3.1415926×f×h)/(1+(2×3.1415926×f×h)^2)+k/(2×3.1415926×f
×8.85418×pow(10,-12)) (11)

5：采用Cole-Cole模型中的初始值分别对a、b、c、d、e、g、h、k参数赋迭代拟合的初
始值，利用Origin软件进行参数拟合；

6：将血液层和血管层的参数拟合结果分别代入Debye-Drude三重极点模型中，然
后利用Origin软件对血液层和血管层的参数拟合结果进行误差分析；

7：将血液层和血管层的参数拟合结果导入血液电磁仿真模型中，对血液电磁仿真
模型进行数值计算。

本发明实施例的建立血液电磁仿真模型的方法及装置在建模过程中，根据血脂的
浓度和血液电磁仿真模型中血液体积的大小，计算血液电磁仿真模型中血脂粒子的数目，
通过控制血脂粒子的数目，建立血脂浓度可变的血液电磁仿真模型，并利用三重debye-
drude模型对血液电磁仿真模型中不同组织层的电磁参数进行拟合，从而设定其电磁参数。
通过本发明建立的血液电磁仿真模型可用于分析血脂与电磁波的相互作用机理，获取在不
同血脂浓度下的电磁波响应特性，为无创血脂检测技术的发展提供重要的理论支撑。同时，
本发明还具有使用成本低、仿真精度高等优点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。