植入式生物醫(yī)學(xué)電子的UWB無線通信可行性建模研究?

韋保林，岳宏衛(wèi)，周 茜，韋雪明，徐衛(wèi)林，段吉海

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

植入式生物醫(yī)學(xué)電子的UWB無線通信可行性建模研究?

韋保林??，岳宏衛(wèi)，周 茜，韋雪明，徐衛(wèi)林，段吉海

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

為考察超寬帶（UWB）實現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備無線通信的可行性及信道傳播特性，基于男性活體CT及MRI切片圖像，構(gòu)建了一個頻率范圍在1～10.8 GHz的高分辨率三維人體電磁模型，考慮了85種不同人體組織或器官的電磁特性參數(shù)；將模型嵌入基于有限積分法（FIT）的三維電磁仿真軟件進行電磁計算，考察電磁波在人體內(nèi)的路徑損耗及比吸收率特性。實驗結(jié)果表明：該模型能較好地描繪真實人體的電磁特性，信號在人體內(nèi)的衰減隨頻率的升高及植入深度的加深而加重；在植入深度達160mm時，3.5 GHz信號的路徑損耗為75 dB；參考功率為27 dBm時，人體對3.5 GHz信號的比吸收率在安全值范圍內(nèi)；證實了采用UWB頻段內(nèi)的3.5 GHz實現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子無線通信的可行性和安全性。

可植入式設(shè)備；超寬帶；人體電磁模型；電磁輻射；有限積分法

1 引 言

隨著基于微電子的信息技術(shù)以及醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的無線植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備應(yīng)用于醫(yī)學(xué)監(jiān)護、診斷與治療過程［1－5］。現(xiàn)行的植入式電子系統(tǒng)主要采用的無線傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為工作于402～405 MHz的植入式醫(yī)學(xué)通信服務(wù)（MICS），該頻率范圍能滿足大多場合下的尺寸、功率、天線特性及接收機設(shè)計的要求［3］。但是，隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備需要更小的體積、更低的功耗、更高的傳輸速率，MICS遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些應(yīng)用需求，因此人們期望開發(fā)應(yīng)用于新一代植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的無線通信新技術(shù)［3－4］。UWB技術(shù)，特別是IR－UWB技術(shù)因具有相對簡單的收發(fā)機結(jié)構(gòu)而易于獲得小體積和低功耗以及相對較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，成為新一代植入式醫(yī)療設(shè)備的研究熱點［3－7］。

無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計受到傳播信道、傳輸速率、調(diào)制解調(diào)方式、系統(tǒng)功耗等約束。因此，體內(nèi)植入設(shè)備與體外收發(fā)機之間的傳輸信道模型對無線植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的有效設(shè)計具有極重要的指導(dǎo)意義。但是，由于測試和仿真的復(fù)雜性，目前還沒有針對無線植入式醫(yī)學(xué)設(shè)備的UWB標(biāo)準(zhǔn)信道模型［4］。雖然國內(nèi)外有許多關(guān)于人體無線信道建模方面的文獻［2，8－10］，但鮮有達10.8 GHz的UWB頻帶范圍，如文獻［2］僅達到1～6 GHz，文獻［8］僅達到3.4～4.8 GHz，而文獻［9］僅提供了頭部的模型，文獻［10］的模型過于簡單，且僅有3個頻點。為了采用數(shù)值計算仿真方法描繪人體內(nèi)外通信設(shè)備的通信鏈路，需要建立高分辨率的人體電磁模型，模型的精確程度是獲得精確計算結(jié)果的根本保證。本文基于人體活體CT及MRI切片圖像，建立了頻率范圍在1～10.8 GHz的整體三維人體電磁模型，并將模型嵌入電磁仿真軟件進行仿真計算，考察2.5 GHz及3.5 GHz信號在人體內(nèi)的路徑損耗及比吸收率特性。

2 人體電磁模型

2.1 建模方法

當(dāng)前，對于電磁場在與人體組織或器官相互作用過程中所產(chǎn)生的電磁作用量的研究，一般采用實驗測試或仿真計算這兩種方法。實驗測試方法是指直接測量實驗人體或生物仿真模型內(nèi)的相關(guān)電磁作用量；直接在人體上進行測量是不可行的，只能采用電磁特性和色散特性與人類組織相近的材料建立人體組織的仿真模型，通過測量仿真模型內(nèi)的相關(guān)物理量而獲得相應(yīng)的電磁作用量［12］。然而，很難合成電磁特性和色散特性跟各種人體組織完全一致的材料，因此，實驗測試法所得到的結(jié)果很粗略。仿真計算方法是采用基于數(shù)值分析的計算電磁學(xué)方法求解人體組織在電磁場中的電磁作用量，該方法的可靠性已得到驗證并得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可［12］。

采用數(shù)值仿真計算方法獲得電磁場在人體模型中的分布的首要條件是建立高精確度的人體電磁仿真模型。傳統(tǒng)的人體信道特征仿真所使用的人體電磁模型通常比較粗糙，比如采用圓柱形來描繪人體軀干及四肢，采用球形代表頭顱［10］；或者采用多層平面層疊結(jié)構(gòu)模型，每一層代表不同厚度的組織或器官［7］，這些模型所考慮的組織結(jié)構(gòu)都是規(guī)則的，而且所考慮人體組織或器官的種類比較少。由于人體外部形狀不規(guī)則，內(nèi)部組織器官復(fù)雜交錯，不同組織的電磁特性各不相同，為了提高人體電磁模型的精確度，最大限度地考慮人體的各種組織或器官，可采用人體二維剖面圖進行三維重構(gòu)得到三維人體電磁模型。如文獻［2］采用美國的可視人體項目（VHP）圖像，文獻［9］采用中國數(shù)字可視化人體圖像（CVHM和CVHF）。采用VHP或者CVHM（或CVHF）圖像建立人體電磁模型，需要對大約1 000張圖像進行圖像分割，完成圖像分割后將已分割的區(qū)域用不同的顏色填充，每一種顏色代表一種不同的人體組織。由于人體內(nèi)部組織器官復(fù)雜交錯，對人體斷層彩色照片進行圖像分割需要大量的人工操作，非常費時，因此本文采用耶魯大學(xué)提供的CT和MRI人體剖面圖構(gòu)建三維人體電磁模型，避免了復(fù)雜的人工圖像分割操作過程。

2.2 建模過程

圖1所示為所采用的MRI人體頭部剖面圖樣圖［11］，圖中每一種顏色代表一種不同的人體組織或器官，但不包含任何電磁仿真計算所需的生理或電磁參數(shù)；因此需要將每種組織或器官的生理或電磁參數(shù)映射到結(jié)構(gòu)模型上，這是人體電磁建模的關(guān)鍵。整個三維人體電磁模型的構(gòu)建過程如圖2所示。首先根據(jù)獲得的原始圖像進行篩選、壓縮，同時采用顏色的灰度值作為索引，建立電磁特性索引文件；接著將圖像按照人體高度方向排列構(gòu)成人體結(jié)構(gòu)的體素模型；最后將人體體素模型與電磁特性索引文件相關(guān)聯(lián)，即可得到人體電磁模型，嵌入電磁仿真軟件進行仿真求解。

圖1 活體人MRI切片圖像

圖2 模型的建立過程

電磁模型分辨率的高低直接影響電磁仿真計算的精度。所構(gòu)建的人體電磁模型共采用498張人體CT及MRI截面圖像，橫向方向分辨率達到1 mm，在沿人體高度方向的切片間距為：從頸部到大腿中部的切片間距1 cm，頸部到頭頂部分是每0.5 cm一張切片。模型所考慮的人體組織或器官的種類也直接影響電磁仿真計算的精度，本模型考慮了85種人體組織或器官的電磁特性。在電磁特性索引文件中，包含了這85種組織或器官的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、密度、熱容量等特征信息，它們通過圖像灰度值與體素模型相映射。幾乎所有生物的組織均為非磁性物質(zhì)，對外加磁場的響應(yīng)與空氣相近，因此相對磁導(dǎo)率為1。生物組織的介電特性，可用源于德拜公式的4階Cole-Cole展式表示［13］：

其中，ε∞是ωτ?1時的介電常數(shù)，ε0是真空介電常數(shù)，σi為靜態(tài)離子電導(dǎo)率，σn是弛豫時間。根據(jù)以上公式，F(xiàn)CC和IFAC-CNR網(wǎng)站提供了100 GHz頻率范圍內(nèi)不同組織或器官的電磁特性參數(shù)。本模型采用了頻段在1.0～10.8 GHz內(nèi)的電磁特性參數(shù)。部分人體組織或器官在3.5 GHz頻率下的電磁特性參數(shù)如表1所示，所建立的三維人體電磁模型整體如圖3所示。

表1 3.5 GHz頻率下部分組織器官的電磁特性參數(shù)Table 1 Electrical properties of human tissue at3.5 GHz

圖3 3－D人體電磁模型

3 電磁仿真

將以上所建立的三維人體電磁模型嵌入到電磁仿真軟件進行仿真計算，可得到比吸收率、電場強度、磁場強度、電流密度等多種電磁參量，進而研究采用UWB頻段進行人體植入式生物醫(yī)學(xué)電子無線通信及能量傳輸?shù)陌踩?、有效性，以及UWB在人體內(nèi)外的無線傳輸信道特性。圖4所示為在2.5 GHz下，人體內(nèi)外的電場、磁場、電流密度、能量密度的仿真計算二維結(jié)果圖。下文采用此模型考察3.5 GHz頻段信號在人體內(nèi)的路徑損耗特性及比吸收率（SAR）特性，并與2.5 GHz情況相比較。仿真過程中，采用高斯UWB平面電磁波從背部射入人體模型，并將144根電場和磁場探針以橫向10mm、縱向20mm的間隔分布于體表到人體內(nèi)160mm的不同深度，用于測量所在位置的電磁參數(shù)。

圖4 2.5 GHz頻率下人體模型內(nèi)外的電磁計算結(jié)果

3.1 路徑損耗

由于人體組織是高損耗介質(zhì)，加上UWB通信的發(fā)射功率比較低，所以路徑損耗是反應(yīng)UWB通信條件及通信鏈路質(zhì)量的重要參數(shù)。路徑損耗可通過電磁場的平均功率密度來估算［2］。電磁場的功率密度可用玻印廷矢量（S）表示，指與傳播方向垂直的單位面積所通過的電磁輻射能量。玻印廷矢量既描繪了電磁波的傳播方向又描繪了功率密度，可表示為

其中，E（V/m）和H（A/m）分別為電場強度和磁場強度?？梢?，在已知電場或磁場強度的情況下，可以通過上式計算功率密度。反之，也可以推算電場和磁場。對于沿y方向傳播的平面電磁波，其極化方向為x或z方向，因此玻印廷矢量主要沿y方向（即Sy（t））入射到人體。根據(jù)對距離發(fā)射源不同深度處電磁場的平均功率密度的估算，可考察UWB信號在人體內(nèi)的路徑損耗情況［2］。圖5所示為在以體表為參考面時，從背部入射的2.5 GHz和3.5 GHz平面波在體內(nèi)的平均路徑損耗隨深度（距離）分布情況。由圖可見，由于人體組織的吸收作用，平均路徑損耗隨著進入人體的深度加深而增加。

圖5 平均路徑損耗隨深度的關(guān)系曲線

由以上仿真計算結(jié)果可看出，電磁波的頻率越大，在人體內(nèi)的衰減程度越大，使其在體內(nèi)的收發(fā)隨著植入深度增加變得愈加困難。但是，在發(fā)射機最高發(fā)射功率密度限制為－41.3 dBm/MHz情況下，若帶寬為500 MHz，則可發(fā)射的最大功率為0.037mW（即－14.3 dBm）［14］，所以對于接收靈敏度在－85～－95 dBm的典型接收機而言，傳輸路徑上75 dB的路徑損耗仍是可以保證正常通信的。因此，在植入深度不大于160mm的情況下，采用UWB頻段下的3.5 GHz實現(xiàn)人體植入式電子設(shè)備的無線通信是可行的。

3.2 比吸收率（SAR）

射頻電磁場作用于生物體產(chǎn)生的生物效應(yīng)按其機理可分為非致熱效應(yīng)和致熱效應(yīng)兩類。非致熱效應(yīng)又稱熱外效應(yīng)，是射頻輻射與生物膜及生物分子相互作用的結(jié)果。致熱效應(yīng)是生物體吸收射頻電磁輻射能量并將其轉(zhuǎn)換為熱能，使肌體局部或整體溫度升高，當(dāng)超過體溫調(diào)節(jié)能力時，導(dǎo)致生理功能紊亂或組織結(jié)構(gòu)改變等生物學(xué)效應(yīng)。

比吸收率（SAR）是暴露于電磁場中的人體組織對射頻能量吸收總量的度量，定義為單位質(zhì)量的生物組織在單位時間內(nèi)吸收的電磁輻射能量［15］：

跟電場相聯(lián)系的SAR表達式為

其中，p、J、σ分別是功率損耗密度、電流密度、電導(dǎo)率，ρ為物體密度。由式（4）可見，組織的密度、電磁特性及所在位置的電場強度決定了該組織的SAR值，通過SAR值可判斷該組織暴露于某頻段電磁波中是否安全。

采用所建立的人體電磁模型，嵌入到電磁（EM）仿真軟件中對人體模型的最大SAR和平均SAR進行仿真計算。在電磁輻射頻率為3.5 GHz、參考功率為0.5W（即27 dBm）的情況下，人體模型的10 g平均SAR分布分別如圖6所示。

圖6 3.5 GHz頻率下人體組織的比吸收率分布

對于人體暴露于時變電磁場中的安全性問題，根據(jù)國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）的規(guī)則［16］，在10 MHz～10 GHz頻率范圍內(nèi)，軀干和頭部的局部平均SAR應(yīng)小于2W/kg。根據(jù)以上計算結(jié)果，3.5 GHz平面電磁波在人體組織中的SAR在安全限值之內(nèi)，因此，采用此頻段實現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的無線通信是安全的。

4 結(jié)論

人體電磁模型對接近或植入人體電子設(shè)備的無線通信研究具有重要意義。人體表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織的多樣化和復(fù)雜性，使得如何讓模型更精確地逼近真實人體成為建模的重點。本文采用CT及MRI切片圖像構(gòu)建了包含85種人體組織或器官、頻率范圍為1～10.8 GHz的高分辨率三維人體電磁模型，克服了以往人體電磁模型的模型簡陋、組織參數(shù)少、頻率單一等缺陷。該模型可嵌入到現(xiàn)有的基于有限積分法（FIT）的電磁（EM）仿真軟件進行電磁計算，對電磁場在人體不同組織或器官中產(chǎn)生的電磁作用量進行仿真求解；可用于對不同類型人體植入式電子設(shè)備、無線體域網(wǎng)（WBAN）、個人移動通信、無線供能系統(tǒng)等接近或植入人體設(shè)備的無線信道特性、安全性、有效性、可行性等進行評估。3.5 GHz電磁波信號在該人體電磁模型中的路徑損耗特性及比吸收率仿真計算結(jié)果表明了采用此頻段實現(xiàn)植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備無線通信的可能性，為信道建模提供了一定的實驗依據(jù)。本文只是對人體的SAR及路徑損耗特性進行了研究分析，有關(guān)功率延遲分布、延遲擴展、信道沖激響應(yīng)等信道特性還有待于采用此模型進行深入研究。

［1］Otto C，Milenkovic A，Sanders C，et al.System architecture of a wireless body area sensor network for ubiquitous health monitoring［J］.Journal of Mobile Multimedia，2006（1）：307－326.

［2］Khaleghi A，Chávez-Santiago R，Liang X，et al.On Ultra Wideband Channel Modeling for In-Body Communications［C］//Proceedings of2010 5th IEEE International Symposium on Wireless Pervasive Computing.Modena，Italy：IEEE，2010：140－145.

［3］Leib M，Mach T，Schleicher B，et al.Demonstration of UWBCommunication for Implants Using an Energy Detector［C］//Proceedings of 2010 German Microwave Conference.Berlin，German：IEEE，2010：158－161.

［4］Khaleghi A，Chavez-Santiago R，Balasingham I.Ultra-wideband pulse-based data communications for medical implants［J］.IETCommunications，2010，4（15）：1889－1897.

［5］Chae M S，Yang Zhi，Yuce M R，et al.A 128-Channel 6mWWireless Neural Recording ICWith Spike Feature Extraction and UWB Transmitter［J］.IEEE Transactions on Neural System and Rehabilitation Engineering，2009，17（4）：312－321.

［6］Ghildiyal A，Godara B，Amara K，et al.UWB for low power，short range，in-body medical implants［C］//Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Wireless Information Technology and System.Honolulu，HI：IEEE，2010：1－4.

［7］Bahrami H，Gosselin B，Rusch L A.Realistic Modeling of the Biological Channel for the Design of ImplantableWireless UWB Communication Systems［C］//Proceedings of the 34th Annual International Conference on Engineering in Medicine and Biology Society.San Diego，California，USA：IEEE，2012：6015－6018.

［8］Wang Q，Masami K，Wang JQ.Channelmodeling and BER performance for wearable and implant UWB body area links on chest［C］//Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Ultra-Wideband.Vancouver，BC：IEEE，2009：316－320.

［9］周曉明，楊凱，梅光.用于電磁計算的中國數(shù)字化人體建模分析［J］.深圳大學(xué)學(xué)報（理工版），2009，26（1）：57－60.ZHOU Xiao-ming，YANG Kai，MEI Guang.Analysis of the modeling of Chinese digital human body used in electromagnetic computation［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2009，26（1）：57－60.（in Chinese）

［10］BAO Shu-di，SHEN Lian-feng，ZHANG Yuan-ting.On-body propagation characterization based on FDTDmethod for2.4/5.2/5.7 GHz wearable body sensor networks［J］.Journal of SoutheastUniversity（English Edition），2007，23（2）：151－155.

［11］Zubal IG，Harrell C R，Smith E O，et al.Computerized three-dimensional segmented human anatomy［J］.Medical Physics，1994，21（2）：299－302.

［12］辛文輝，顏國正，王文興，等.人體對低頻強電磁場吸收劑量的仿真研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2010，25（2）：271－275.XIN Wen-hui，YAN Guo-zheng，WANG Wen-xin，et al.Simulation on the absorbed dose of human tissues in the low frequency strong electromagnetic field［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（2）：271－275.（in Chinese）

［13］Gabriely S，Lau RW，Gabriel C.The dielectric properties of biological tissues：III.Parametric models for the dielectric spectrum of tissues［J］.Physics in Medicine and Biology，1996，41（11）：2271－2293.

［14］趙亮，劉雙平，金梁，等.超寬帶系統(tǒng)的功率譜密度限制問題研究［J］.電信科學(xué)，2011（2）：34－39.ZHAO Liang，LIU Shuang-ping，JIN Liang，et al.Research on the Power Spectral Density Limit in UWBSystems［J］.Telecommunications Science，2011（2）：34－36.（in Chinese）

［15］IEEE Standard C95－1－2005，IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields3 kHz to 300 GHz［S］.

［16］International Commission on Non-ionizing Radiation Protection.For limiting Exposure to Time-varying Electric，Magnetic and Electro-magnetic Fields（up to 300GHz）［J］.Health Physics，1998，74（4）：494－522.

韋保林（1974—），男，廣西武鳴人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為集成電路設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)電子等；

WEIBao-lin was born in Wuming，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1974.He received the Ph.D.degree in 2010.He is now an associate professor.His research interests including IC design，biomedical electronics，etc.

Email：guilinwxb＠163.com

岳宏衛(wèi)（1967—），男，廣西賀州人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為計算電磁學(xué)、微波毫米波技術(shù)等；

YUE Hong-wei was born in Hezhou，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1967.He received the Ph.D.degree in 2010.He is now an associate professor.His research interests including computational electro-magnetic，microwave and millimeter wave technology，etc.

周茜（1966—），女，廣西臨桂人，現(xiàn)為講師，主要研究方向為電子技術(shù)；

ZHOU Qian was born in Lingui，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1966.She is now a lecturer.Her research direction is electronics technology.

韋雪明（1978—），男，廣西天峨人，2012年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為集成電路設(shè)計；

WEIXue-mingwas born in Tian′e，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1978.He received the Ph.D.degree in 2012.He isnow an associate professor.His research direction is IC design.

徐衛(wèi)林（1976—），男，湖南邵陽人，2011年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為集成電路設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)電子等；

XUWei-lin was born in Shaoyang，Hunan Province，in 1976.He received the Ph.D.degree in 2011.He isnow an associate professor.His research interests including IC design，biomedical electronics，etc.

段吉海（1964—），男，廣西資源人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授，主要研究方向為集成電路設(shè)計、無線通信技術(shù)等。

DUAN Ji-haiwasborn in Ziyuan，GuangxiZhuang Autonomous Region，in 1964.He received the Ph.D.degree in 2010.He is now a professor.His research interests including IC design，wireless communication technologies，etc.

Research on Feasibility M odeling of Ultra-w ideband W ireless Communication for Biomedical Im plantable Electronic Devices

WEIBao-lin，YUEHong-wei，ZHOU Qian，WEIXue-ming，XUWei-lin，DUAN Ji-hai
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

To investigate the feasibility and channel propagation characterization of Ultra-wideband（UWB）wireless communication for biomedical implantable electronic devices，a high-resolution 3D electromagneticmodel of human body based on computed tomography（CT）and magnetic resonance imaging（MRI）segmented images of living human males is presented，the frequency range is 1～10.8 GHz，and the electromagnetic characters for 85 differentkind ofhuman tissuesor organs are considered.Themodel is embedded in 3D electromagnetic（EM）simulator based on finite integration technique（FIT）for electromagnetic computation to investigate the path loss and specific absorption rate（SAR）in body.Experiment result shows that themodel can well characterize the electromagnetic characters of real human body，the signal loss isaggravatingwith the higher frequency and deeper implant depth；the path loss for 3.5 GHz is 75 dB under an implant depth of160 mm and，with a reference power of27 dBm，the SAR in body for 3.5 GHz is under the safety region.These results demonstrate the feasibility and security of applying 3.5 GHz on UWB forwireless communication in biomedical implantable devices.

implantable devices；ultra-wideband（UWB）；electromagnetic model of human body；electromagnetic radioactive；finite integration technique（FIT）

TN014；R319

A

1001－893X（2013）03－0357－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.025

2012－08－24；

2012－12－13 Received date：2012－08－24；Revised date：2012－12－13

??通訊作者：guilinwxb＠163.com Corresponding author：guilinwxb＠163.com

國家自然科學(xué)基金資助項目（61166004，61264001，61161003）；桂林電子科技大學(xué)博士啟動基金（UF10028Y，UF12001Y）

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China（No.61166004，61264001，61161003）；The Doctoral Scientific Research Foundation for Guilin University of Electronic Technology（UF10028Y，UF12001Y）