人體通信技術(shù)研究進(jìn)展

汪嘯塵 張廣浩 霍小林#*

1(中國科學(xué)院電工研究所 生物電磁學(xué)北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100190)2(中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

人體通信技術(shù)研究進(jìn)展

汪嘯塵1,2張廣浩1霍小林1#*

1(中國科學(xué)院電工研究所 生物電磁學(xué)北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100190)2(中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

人體通信是一種利用人體作為信號傳輸途徑的新型非射頻無線通信技術(shù)，被設(shè)計用于進(jìn)行醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)間的通信。在2012年批準(zhǔn)的無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6中，人體通信與窄帶通信、超寬帶通信一同被規(guī)定為搭建無線體域網(wǎng)的三種方法。人體通信依據(jù)耦合方式的不同可分為兩種基本類型：電容耦合和電流耦合。文中首先對這兩種類型的人體通信原理進(jìn)行了介紹；之后詳細(xì)說明了人體通信技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展及現(xiàn)狀，并通過與其他技術(shù)的對比總結(jié)了其優(yōu)勢與不足；最后指出了其未來發(fā)展的3個重要方向：植入式設(shè)備的人體通信、人體通信無線供能和磁場耦合式人體通信。

人體通信；無線體域網(wǎng)；電容耦合；電流耦合；移動醫(yī)療

引言

隨著世界人口的持續(xù)增長及人均壽命的顯著提高，人口老齡化逐漸成為每一個國家都需要面對的問題。由美國人口咨詢局(Population Reference Bureau)公布的2014年世界人口數(shù)據(jù)顯示[1]，我國65歲以上的老年人口比例已達(dá)到10%，而在發(fā)達(dá)國家這一數(shù)字平均為17%，并仍處在逐年增加的狀態(tài)中。可以預(yù)見在未來十幾年內(nèi)，人們對于醫(yī)療資源的需求會大幅提高，實時、持續(xù)地監(jiān)測并診斷健康狀況將成為未來醫(yī)療發(fā)展的重要任務(wù)，也是緩解日后醫(yī)療壓力的主要手段之一。

無線體域網(wǎng)(wireless body area networks，WBAN)的應(yīng)用成為了實現(xiàn)這一目標(biāo)的可靠方式[2]。無線體域網(wǎng)是指建立在個人所攜帶電子設(shè)備之間的信息網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)分級中比局域網(wǎng)更低一級。在醫(yī)療健康應(yīng)用中，利用該網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傳感器技術(shù)，可以及時、準(zhǔn)確地反應(yīng)出個人健康狀況，在慢性疾病監(jiān)護(hù)、突發(fā)疾病報警方面有廣闊的應(yīng)用前景。其主要原理是通過分布于人體表面或植入人體內(nèi)部的傳感器收集到的各種生理參數(shù)(如血壓、血糖、心電等)，經(jīng)由無線體域網(wǎng)匯總在同一人體基站完成分析，給出當(dāng)前的健康狀況或診療建議，并可將數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)備份[3]，如圖1所示。無線體域網(wǎng)的通信范圍一般在2 m以內(nèi)，如何在這一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行安全、穩(wěn)定、高效的信號傳輸是其技術(shù)研究的核心內(nèi)容。

圖1 無線體域網(wǎng)Fig.1 Wireless Body Area Network

為了促進(jìn)無線體域網(wǎng)的發(fā)展，盡快建立全球性的醫(yī)療保障體系，無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6于2012年正式確立[4]。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了三類用以進(jìn)行無線體域網(wǎng)通信的信號頻段：窄帶(narrowband，NB)、超寬帶(ultra wideband，UWB)以及人體通信(human body communication，HBC)頻段。其中，窄帶和超寬帶均屬于射頻通信的方式，而人體通信則是將人的身體視為導(dǎo)體，利用人體作為信道完成信號的傳導(dǎo)，是一種非射頻的通信方式。與射頻通信方式相比，人體通信避免了人體對信號遮擋時產(chǎn)生的陰影效應(yīng)，且將通信限制于人體表面十分有限的空間區(qū)域內(nèi)，將不同網(wǎng)絡(luò)之間干擾的可能性降至最低[5]。由于在通信過程中不需要天線，人體通信設(shè)備的體積也相對較小，方便進(jìn)行小型化、集成化設(shè)計，同時其低功耗的特點(diǎn)也使之十分適合在醫(yī)療無線體域網(wǎng)中應(yīng)用[6]。

人體通信作為一項新興的通信技術(shù)，近年來受到了越來越多的學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)的重視，各種科技成果與研發(fā)論文不斷涌現(xiàn)，本文選取其中較為重要的部分對這一領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展情況進(jìn)行闡述。文章接下來的部分將首先結(jié)合人體通信技術(shù)的產(chǎn)生解釋其基本原理，進(jìn)而介紹人體通信發(fā)展過程中的重要成果及最新的研究進(jìn)展，隨后通過人體通信技術(shù)與其他無線通信技術(shù)的對比總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)，最后展望這一領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

1 人體通信的基本原理

人體通信是指利用人體作為信息通道傳輸信號的通信方式，其可行性是建立在人體組織的導(dǎo)電能力基礎(chǔ)之上，與組織的電學(xué)特性息息相關(guān)。有關(guān)生物組織導(dǎo)電能力的研究表明隨著信號頻率的上升,大部分活組織或器官的介電常數(shù)大幅下降，同時電導(dǎo)率顯著提高[7]，意味著人體通信應(yīng)在較高的頻率上進(jìn)行，以減小通信過程中信號的衰減。然而，頻率提高時，信號的波長會相應(yīng)變短，當(dāng)波長接近人的身高時，人體會作為射頻天線向周圍發(fā)射電磁波，造成通信信號的耗散[8]，甚至導(dǎo)致通過空氣耦合的信號逐漸超過通過人體耦合的信號[9]，過高頻率的信號也不適宜用來進(jìn)行人體通信。因此，在大多數(shù)關(guān)于人體通信的研究中，信號頻率往往選取在10 kHz～100 MHz這一范圍內(nèi)。

依照耦合方式的不同，人體通信又可分為電容耦合(也稱電場耦合)人體通信和電流耦合(也稱波導(dǎo)耦合)人體通信兩種。其中，電容耦合方式是通過發(fā)射端或接收端的兩個電極分別與人體和地進(jìn)行電容耦合來確立通信回路，進(jìn)而實現(xiàn)信號的傳導(dǎo)；電流耦合方式則是由信號發(fā)送端的一對電極向人體注入一個微弱的電流信號，再由接收端的一對電極檢測經(jīng)過人體傳輸后的信號[10]。無論是電容耦合方式還是電流耦合方式，在其信號發(fā)送端和接收端均需兩個電極以建立信號通路，兩種方式間最直觀的區(qū)別則在于其電極是否與人體接觸：電容耦合方式中，發(fā)送端和接收端只需各有一個電極接觸人體，甚至可以都不接觸；而電流耦合方式中的所有電極均應(yīng)附著于人體上，如圖2所示。

圖2 人體通信的不同耦合方式。(a)電容耦合；(b)電流耦合Fig.2 Different coupling approaches for human body communication. (a) Capacitive coupling; (b) Galvanic coupling

電容耦合式人體通信最初由美國麻省理工學(xué)院的Zimmerman于1995年提出[11]，說明了該方式中信號收發(fā)端的不同電極分別與人體和地進(jìn)行電容耦合形成回路的基本原理，計算了電極與人體和地面耦合電容的大小約分別為10 pF和10 fF，并將人體視作通信節(jié)點(diǎn)建立了等效電路模型，如圖3(a)所示。之后，其測試了在開關(guān)鍵控(on-off keying，OOK)及直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum，DSSS)兩種調(diào)制方法下人體通信的效果，得出了前者較佳的結(jié)論。最終，Zimmerman制作了載波330 kHz的電容耦合人體通信設(shè)備，傳輸速率2.4 kb/s，通信功耗1.5 mW。

在電容耦合式人體通信提出兩年后，1997年，日本早稻田大學(xué)的Handa等通過電流耦合方式完成了人體通信[12]。他們在人的胸部放置了4個電極，3個用以收集心電信號，兩個將調(diào)制放大后的信號電流注入人體(其中地電極是兩者共用的)，之后在手腕處用3個電極檢測電流的變化實現(xiàn)通信。在考慮了人體組織之間的電阻電容后，文章提出了一個簡單電路模型描述信號在人體中的傳導(dǎo)過程，如圖3(b)所示。Handa實現(xiàn)的人體通信使用了采樣頻率為900 Hz的脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)，通信中載波頻率70 kHz，成功傳輸了人體心電的模擬信號。

圖3 人體通信最初的等效電路模型。(a)Zimmerman的電容耦合模型[11]；(b)Handa的電流耦合模型[12]Fig.3 The initial equivalent circuit models of human body communication. (a) Capacitive coupling model by Zimmerman[11]; (b) Galvanic coupling model by Handa[12]

無論是Zimmerman還是Handa，在其文章中均未提及其人體通信系統(tǒng)具體的耦合方式，電容耦合和電流(波導(dǎo))耦合這一分類是后人在研究中總結(jié)了不同的人體通信方式后提出的[13]。從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，兩種方式最初的理論模型均有其不足之處：Zimmerman的模型中將人體視為通信節(jié)點(diǎn)，忽略了人體內(nèi)部阻抗對于通信的影響；Handa的模型則未計算同側(cè)電極之間的阻抗。

2 人體通信的研究進(jìn)展

得益于集成電子電路技術(shù)的進(jìn)步和計算機(jī)仿真能力的發(fā)展，人體通信研究自產(chǎn)生以來發(fā)生了質(zhì)的飛躍。目前已經(jīng)可以制作出的人體通信的芯片電路，電路面積不足1 mm2，通信功耗僅為幾十μW[14]；有限元模型(finite-element models，F(xiàn)EM)、時域有限差分法(finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)的應(yīng)用更是極大地豐富了人體通信的研究手段。近些年來有關(guān)人體通信的研究呈現(xiàn)出越來越多的趨勢，對于電容耦合和電流耦合式人體通信的研究也有著不同的重點(diǎn)。

2.1電容耦合式人體通信

自Zimmerman提出電容耦合式人體通信后，美國麻省理工學(xué)院的Post等于1997年對其系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了基于頻移鍵控調(diào)制的半雙工數(shù)字通信系統(tǒng)，將通信速率提高到9.6 kb/s，并指出了該方式在能量傳遞方面的潛力[15]。2001年，華盛頓大學(xué)的Partridge等為人體通信系統(tǒng)添加了濾波器和放大器，對誤碼率、信號強(qiáng)度等參數(shù)在不同通信距離的情況下進(jìn)行了定量測量，設(shè)計了通信速率可達(dá)38.4 kb/s的人體通信系統(tǒng)，并得出當(dāng)系統(tǒng)整體靠近地面時信號強(qiáng)度會顯著提高的結(jié)論[16]。

然而，信號衰減大、通信距離短的問題一直以來都是電容耦合人體通信中所難以避免的。直至2003年，日本NTT公司Shinagawa等將光電調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到人體通信中，大大提高了接收端的輸入阻抗，將傳輸速率提高到10 Mb/s，從而使得電容耦合人體通信方式發(fā)展到了一個新的高度[17]。2007年，韓國科學(xué)技術(shù)院Cho等建立了整個人體的分布式RC模型(見圖4)，并對通信頻率在100 kHz至150 MHz、通信距離在10 ～120 cm之間的信號衰減進(jìn)行了模擬計算和實際測量，所得結(jié)果基本吻合[18]。同年，日本南山大學(xué)的Fujii等用時域有限差分法計算了人體通信中電場分布，研究表明信號發(fā)送端的地電極的存在可增強(qiáng)傳輸信號，而接收端的地電極則對信號有抑制作用[19]。而我國香港科技大學(xué)的Xu等則在2011年首次建立了電容耦合人體通信的有限元模型，為進(jìn)一步分析人體通信的傳導(dǎo)特性以及外環(huán)境對于耦合回路的影響提供了可靠手段[20]。

圖4 電容耦合人體通信的分布式RC模型[18]Fig.4 Distributed RC model of capacitive coupling human body communication[18]

2012年，無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6正式公布[4]，隨后在國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了許多這一領(lǐng)域優(yōu)秀的研究論文。其中，北京理工大學(xué)的Song等于2012年提出了一種基于Mach-Zehnder光電調(diào)制的人體通信方法，證明了該方法要比傳統(tǒng)光電耦合方法具有更好的溫度特性[21]，并于2014年再次驗證了這一結(jié)論[22]。韓國科學(xué)技術(shù)院的Cho則在2013年公布了其最新的超低功耗人體通信設(shè)備，設(shè)備中使用了注入鎖定環(huán)形振蕩器(injection-locking ring oscillator，ILRO)并實現(xiàn)了自動頻率校準(zhǔn)(auto frequency calibration，AFC)，最終完成了傳輸速率200 kb/s、通信功耗37.5 μW的人體通信[14]。2014年，新加坡A*STAR的Kulkarni等用多級信號的方式搭建了人體通信系統(tǒng)，以65 nm的CMOS工藝制作了通信芯片，將人體通信的傳輸速率推至160 Mb/s，而其核心芯片的輸出功率也僅為0.84 mW[23]。

2.2電流耦合式人體通信

由于在電流耦合式人體通信中使用的載波頻率一般較低[10]，通信速率往往不及電容耦合方式，其研究更偏重于基礎(chǔ)方面。2003年，繼Handa之后，日本東京大學(xué)的Hachisuka等設(shè)計并制作了載波頻率為10.7 MHz的電流耦合通信系統(tǒng)，通過調(diào)頻方式成功完成了在同一人兩手臂之間的模擬信號傳輸，獲得了良好的信噪比[13]。隨后，他們改進(jìn)了人體通信的簡單電路模型，給出了四電極和兩電極兩種等效電路模式，并分析得出兩電極模式下信號衰減更小的結(jié)論[24]。2005年，瑞士蘇黎世理工學(xué)院的Wegmueller等測試了基于頻移鍵控和二進(jìn)制相移鍵控兩種不同調(diào)制方法下的電流耦合人體通信，通信速率分別達(dá)到了128和255 kb/s[25]。2007年他們建立了電流耦合人體通信的人體組織分層有限元模型，計算了不同的電極大小、間距和通信距離對信號衰減的影響，并分析了不同的人體組織成分在通信過程中的不同特點(diǎn)[26]。而在2010年Wegmueller又對Hachisuka等的四電極電路模型進(jìn)行了改進(jìn)，增加了電極與人體間的接觸阻抗參數(shù)，得到了一個較為符合實際情況的電流耦合通信電路模型，如圖5所示[27]。北京理工大學(xué)的Song等也于2011年進(jìn)行了電路模型分析，計算了通信系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并對整個人體建立了有限元模型，得出了通信頻率和信號衰減之間的關(guān)系[28]。

圖5 電流耦合人體通信的四電極模型[27]Fig.5 Four electrodes circuit model of galvanic coupling human body communication[27]

在這些工作的基礎(chǔ)上，2014年，西班牙塞維利亞大學(xué)的Callejon等人通過建立三維有限元模型，分析了電流耦合型人體通信中不同組織的電場分布和電流密度，模擬了不同通信頻率、電極分布等因素對于通信的影響[29]。同年，澳大利亞維多利亞大學(xué)的Kibret等人對頻率在200 kHz至10 MHz的電流耦合人體通信建立了等效電路模型，并提出了一種基于手臂阻抗測量確定電極與皮膚間阻抗的新方法[30]。

2.3總結(jié)比較

通過以上對于電容耦合和電流耦合人體通信相關(guān)研究的分類不難看出，電容耦合方式的研究方向主要是通信設(shè)備的設(shè)計制作，以獲得體積更小、功耗更低的通信系統(tǒng)；而電流耦合方式的研究更多是對通信中人體作為信道所具有的特性進(jìn)行分析，很少涉及具體設(shè)備的研制。這樣的結(jié)果一方面是由于電流耦合方式的載波頻率低，通信速率不及電容耦合方式，因而應(yīng)用范圍較窄；同時也因為電流耦合方式中信號的衰減相對較大。在一篇對兩種方式進(jìn)行綜合比較分析的文章中，作者對不同頻率、不同通信距離下電流耦合和電容耦合中的通信衰減進(jìn)行了測量[10]。測量中為了避免地回路的干擾，在信號發(fā)生器和示波器的輸出輸入端都連接了平衡-不平衡變換器(Balun)。測量結(jié)果顯示電流耦合方式的信號衰減受通信距離的影響十分大，有效通信距離在25 cm以內(nèi)，15 cm距離下的最小通信衰減要高于電容方式的最小衰減20 dB以上，電容耦合方式的通信距離則可覆蓋全部人體。然而，該研究中對于電流耦合的測試頻率取值在10 kHz～20 MHz之間，對于電容耦合的測試頻率則為1～100 MHz，在此頻率之外是否會有其他的情況并沒有說明。

然而，這也并不意味著電容耦合人體通信方式要全面優(yōu)于電流耦合方式。由于需要通過外界環(huán)境進(jìn)行地回路的耦合，電容耦合方式受周圍環(huán)境變化以及附近相同的人體通信網(wǎng)絡(luò)干擾很大，不如電流耦合方式在通信時表現(xiàn)穩(wěn)定。研究表明，不同環(huán)境對于電容耦合通信信號衰減的影響可達(dá)5 dB以上；而在相距80 cm的情況下，通信中接收到鄰近網(wǎng)絡(luò)干擾信號的大小僅比正常信號小8 dB[31]。相比之下電流耦合方式則不會受到這些問題的影響，因而適用于對通信穩(wěn)定性要求較高的一些場合。兩種耦合方式的對比在表1中給出。

表1電容耦合方式和電流耦合方式對比

Tab.1Comparisonsbetweencapacitivecouplingandgalvaniccouplingmethods

電容耦合電流耦合信號載體變化的電場變化的電流電極位置不需接觸人體必需接觸人體通信速率可達(dá)10Mb/s以上1Mb/s以下通信衰減小大通信距離長短環(huán)境影響受環(huán)境影響不受環(huán)境影響兼容性相同網(wǎng)絡(luò)間干擾大相同網(wǎng)絡(luò)間干擾小

3 人體通信的優(yōu)勢與不足

人體通信作為一種非射頻的通信方式，與傳統(tǒng)的射頻通信在各方面都有所區(qū)別。我國福州大學(xué)的Gao等于2012年通過模型分析了電流耦合型人體通信的信號衰減與通信距離的關(guān)系，證明其要優(yōu)于相同距離下的射頻通信方式[32]。同期，又有學(xué)者總結(jié)了在IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的3種無線體域網(wǎng)通信方式的相關(guān)研究，對比了各個研究中系統(tǒng)的通信速率和能量消耗，如圖6所示[33]。從圖中不難看出，人體通信方式從通信速率和能量消耗兩方面要全面優(yōu)于窄帶通信；與超寬帶通信相比，人體通信的能量利用率(由發(fā)送每比特數(shù)據(jù)所需能量決定)略高于超寬帶通信，但超寬帶通信能達(dá)到的通信速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體通信。不過仍需指出，射頻方式通信中會由于人身體對信號的遮擋而使衰減增大，受通信設(shè)備在人體不同位置的影響很大，不如人體通信的表現(xiàn)穩(wěn)定[34]。

圖6 3種無線體域網(wǎng)通信方式的通信速率和能量消耗[33]Fig.6 Data rate and power consumption of three communication methods for wireless body area network[33]

IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于3種通信方式則有著更為細(xì)致的說明和解釋，對物理層及媒體訪問控制層都有詳細(xì)的要求[4]。其中，用于無線體域網(wǎng)窄帶通信頻帶為(402～2483.5)MHz中的7段，滿足植入式設(shè)備、可穿戴設(shè)備及醫(yī)療通信需求；超寬帶通信頻帶則在(3～5)GHz及(6～10)GHz間給出了11個中心頻率，每個帶寬為499.2 MHz；人體通信的中心頻率在標(biāo)準(zhǔn)中被規(guī)定為21 MHz，帶寬為5.25 MHz。通信速率方面，窄帶通信為100～1 000 kb/s，超寬帶通信為395 kb/s～12.636 Mb/s，人體通信為(164～1312.5)kb/s。3種通信方式的其他區(qū)別在表2中給出。

表23種無線體域網(wǎng)通信方式對比

Tab.2Comparisonsamongthreecommunicationmethodsforwirelessbodyareanetworks

此外，基于人體通信技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品也曾被開發(fā)出來，但并未大范圍占領(lǐng)市場。2000年，日本Sony公司設(shè)計了一種可穿戴數(shù)字鑰匙，使計算機(jī)可以通過接觸識別用戶[35]。他們將設(shè)備外觀做成手表的樣子，佩戴于手腕處，內(nèi)部儲存用戶的身份信息，當(dāng)使用者用手接觸位于計算機(jī)的識別端時，計算機(jī)便可通過人體通信方式獲取用戶信息。然而，由于該設(shè)備需要供電，使用起來并不方便，便攜性不如基于射頻識別的ID卡，安全性又比不過指紋識別技術(shù)，產(chǎn)品定位較為尷尬。而曾提出人體通信中重要的光電耦合技術(shù)的NTT公司也于2005年開發(fā)出了被稱為RedTacton的人體通信設(shè)備，同樣主要應(yīng)用于安全識別領(lǐng)域[36]。這一設(shè)備采用了電容耦合的方式，不需直接接觸人體便可進(jìn)行信號傳輸，可攜帶于口袋之內(nèi)，工作時也無需取出，從一定程度上解決了便攜性的問題，但設(shè)備需要電池驅(qū)動這一點(diǎn)依然是制約其應(yīng)用的主要因素。

4 人體通信的未來發(fā)展

人體通信自產(chǎn)生至今經(jīng)歷了20年左右的發(fā)展，其信號質(zhì)量、通信距離、能量利用率等都產(chǎn)生了飛躍性的提高，在醫(yī)學(xué)、安全、娛樂、軍事等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景[37]，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研制的人體通信信道測試系統(tǒng)[38]及應(yīng)用在人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗VCO[39]均對人體通信的進(jìn)一步發(fā)展有著很大的幫助。目前對于人體通信的研究，除了繼續(xù)致力于減小設(shè)備體積、降低傳輸功耗、探索信道特性外，也陸續(xù)出現(xiàn)了一些較為新穎的方向。其中，植入式設(shè)備的人體通信、人體通信無線供能以及磁場耦合式人體通信將是未來在這一領(lǐng)域內(nèi)最有創(chuàng)新性的課題。

4.1植入式設(shè)備的人體通信

在搭建無線體域網(wǎng)的過程中，不僅要建立穿戴設(shè)備與人體基站之間的通信，植入式設(shè)備與人體基站之間的通信也是非常重要的。由于人體通信設(shè)備的體積小、功耗低，十分適合在對體積及能量都有很大限制的植入式設(shè)備中使用，進(jìn)行植入式設(shè)備的人體通信研究很有必要。然而，由于要將設(shè)備植入人體內(nèi)部進(jìn)行探究，這一方面的實驗較難進(jìn)行，以至于該領(lǐng)域在很長一段時間內(nèi)都處于空白。目前，對植入式設(shè)備的人體通信方法研究主要是在模擬體內(nèi)環(huán)境的電解質(zhì)溶液中進(jìn)行的。瑞士蘇黎世理工學(xué)院的Wegmueller及北京理工大學(xué)的Zhang等通過這一方法分別驗證了電流耦合和電容耦合人體通信方式在體內(nèi)至體內(nèi)通信中的有效性[40-41]。日本東京理科大學(xué)的Shiba等則對體內(nèi)外人體通信進(jìn)行了探究，證實了電容耦合人體通信可將信號由體內(nèi)傳至體外[42]。另有研究將人體通信應(yīng)用至腦成像中，設(shè)計了將腦內(nèi)圖像傳輸至體外的芯片系統(tǒng)[43-44]。而美國麻省理工學(xué)院的Anderson等則在實驗分析后提出了體內(nèi)外人體通信的阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，如圖7所示[45]。有學(xué)者相信電流耦合人體通信方式更適用于植入設(shè)備，但相比于體外通信，植入式設(shè)備的人體通信研究依然有很大的不足[46]。目前對于跨皮膚通信時的信道特性缺乏探索，關(guān)于將信號從體外傳至體內(nèi)的研究也鮮有涉足，這一領(lǐng)域的進(jìn)一步完善將使利用人體通信方式搭建完整的無線體域網(wǎng)成為可能。

圖7 體內(nèi)-體外人體通信的阻抗網(wǎng)絡(luò)模型[45]Fig.7 Impedances network model for implant-surface human body communication[45]

4.2人體通信無線供能

人體通信作為一種傳遞信息的方式，同時也是一種傳遞能量的方式，當(dāng)通信衰減足夠小，能量傳遞效率足夠高時，利用人體通信方式為設(shè)備無線供能也將成為可能。特別是對于植入式設(shè)備來講，無線供能的實現(xiàn)將會避免因設(shè)備需要更換電池而為病人帶來的痛苦，而基于人體通信進(jìn)行無線供能這一新方式的提出，則有希望克服在傳統(tǒng)的電感耦合或射頻無線供能方式中身體組織對電磁波吸收率較高的問題。重慶大學(xué)的Tang、美國匹茲堡大學(xué)的Hackworth等人先后分析了在植入設(shè)備中利用電流耦合進(jìn)行能量傳輸?shù)目尚行?，并設(shè)計了可進(jìn)行經(jīng)皮無線充電的原型電路[47-48]。KN圖什理工大學(xué)的Sodagar等則制作了電容耦合方式下的無線供能系統(tǒng)，成功驅(qū)動了測試電路進(jìn)行了信號的編碼與傳輸[49]。而一項有關(guān)生物安全性的研究則表明，使用電容耦合方式進(jìn)行無線供能會比傳統(tǒng)的電感方式帶來更小的熱效應(yīng)，同時在長距離供能方面有更好的表現(xiàn)[50]。然而，供能距離短，能量傳遞效率低是所有無線供能技術(shù)所面臨的共同問題，人體通信的發(fā)展雖然為這一領(lǐng)域帶來了新的選擇，卻同樣需要在未來進(jìn)行大量的科研投入。

4.3磁場耦合式人體通信

如上文所述，傳統(tǒng)的人體通信方式分為電容耦合方式和電流耦合方式兩種，目前的大部分研究也都圍繞著這兩種方式進(jìn)行。然而，日本NTT公司的Ogasawara等卻于2014年跳出這一框架，提出了一種全新的人體通信方式：磁場耦合式人體通信[51]。該方式的基本原理是將人體作為接收線圈的一部分而與發(fā)射端的線圈形成信號通路，通過磁場耦合的方式傳輸信號，如圖8所示。這一方式的提出主要是針對在電容耦合式人體通信中通信信號質(zhì)量受外界環(huán)境影響較大的問題。在其研究中，磁場耦合方式表現(xiàn)出了很強(qiáng)的抗干擾性，實驗場所中模擬的環(huán)境變化以及手持的金屬物體基本沒有對通信產(chǎn)生影響。而與射頻方式相比，該方法可以通過手部是否與電極接觸決定是否形成接收線圈，從而對通信進(jìn)行控制?？梢灶A(yù)見，這一新型的人體通信方式的應(yīng)用價值將會主要集中于安全識別產(chǎn)品，也是NTT公司一直致力于將人體通信加以應(yīng)用的領(lǐng)域。雖然尚無法確定這一技術(shù)是否會在未來取得重大進(jìn)展，不過，作為一種被新提出的人體通信方式，磁場耦合式人體通信定會在未來一段時間內(nèi)吸引許多研究人員的目光。

圖8 磁場耦合式人體通信[51]Fig.8 Human body communication based on magnetic coupling[51]

5 結(jié)語

自無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6提出以來，人體通信作為搭建無線體域網(wǎng)的重要技術(shù)之一，正被越來越多的學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)加以重視。本文從人體通信技術(shù)的產(chǎn)生開始，較為全面地介紹了其基本原理、發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀，通過不同技術(shù)間的對比總結(jié)了電容耦合及電流耦合人體通信方式的優(yōu)勢和不足，并指出了未來人體通信發(fā)展的3個重要方向：植入式設(shè)備的人體通信、人體通信無線供能及磁場耦合式人體通信。相信隨著通信技術(shù)發(fā)展和醫(yī)療信息化的需求增加，人體通信會在將來有更大的舞臺發(fā)揮其作用。

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Research Progress of Human Body Communication Technology

Wang Xiaochen1,2Zhang Guanghao1Huo Xiaolin1#*

1(Beijing Key Laboratory of Bioelectromagnetism,Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)2(School of Electronics, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Human body communication is a new non-radio-frequency wireless communication technology using human body as the signal propagation path, designed for the communication between healthcare sensor network systems. It is one of three standard methods of wireless body area networks in the IEEE 802.15.6. Human body communication can be classified into two basic types by different coupling: the capacitive coupling and the galvanic coupling. The principle of these two types of human body communications was presented firstly. Then the invention, the development and the actuality of human body communication technology were explained in details, and its strengths and weaknesses were summarized by comparing with other technologies. In the end, three important directions of future development were proposed including the human body communication of implanted devices, the human body communication for wireless power transfer and the human body communication base on magnetic coupling.

human body communication; wireless body area network; capacitive coupling; galvanic coupling; mobile health

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 03.012

2015-01-26， 錄用日期:2015-03-10

國家自然科學(xué)基金面上項目(51177162)；國家自然科學(xué)基金青年項目(31400717，51307166)

R318

A

0258-8021(2015) 03-0345-09

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會會員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: huoxl@mail.iee.ac.cn