基于人體通信的健康飲食檢測研究

衡 雅

基于人體通信的健康飲食檢測研究

衡 雅

衡 雅 孫 俊 張 咪 王 瑾 陳 璇

揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院

衡雅（1994-）女，揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；孫?。?989-）男， 揚(yáng)州大學(xué)碩士研究生，研究方向：信號與信息處理；王瑾（1994-）女， 揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程； 張咪（1993-），女，揚(yáng)州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；陳璇（1991-）女，揚(yáng)州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

在我國，有大量生活不能自理的群體需要看護(hù)人員負(fù)責(zé)其飲食，如嬰幼兒及患有癱瘓等疾病的中老年人。該類群體的共同特征主要表現(xiàn)為生活不能自理，且部分人群不能及時(shí)用語言表達(dá)出自身的饑飽狀態(tài)。因此，極有必要研制出一種可以自動檢測該類群體飲食饑飽狀態(tài)的裝置，并能將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給看護(hù)人員，以便看護(hù)人員能夠及時(shí)判斷其饑飽狀態(tài)，從而為其制定合理的飲食措施。本文將基于最新的人體通信技術(shù)，以人體作為饑飽信號的傳輸介質(zhì)，建立新型健康飲食檢測模型，對老幼群體的饑飽狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，最終實(shí)現(xiàn)老幼群體健康飲食的目的。

概述

人體通信（Intra-Body Communication，IBC）是一種以人體作為傳輸媒介的新興短距離信息傳輸方式，由美國麻省理工學(xué)院于1996年提出。人體通信技術(shù)相比于傳統(tǒng)的藍(lán)牙、紅外等無線通信技術(shù)，具有低功耗、高保密性、不易受外界噪聲干擾以及更低的人體損害等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)不同的傳輸方式，人體通信方式可劃分為三種類型：簡單線路方式、電容耦合方式和電流耦合方式。其中，電流耦合方式的實(shí)現(xiàn)過程主要表現(xiàn)為：大部分電信號從人體表面或內(nèi)部經(jīng)過，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，且實(shí)現(xiàn)過程不易受到外界及周邊環(huán)境的影響，因此具有更好的適應(yīng)性和抗干擾性。由于人體具有較好的導(dǎo)電性能，從而能夠使其成為良好的信息傳輸載體。

研究背景及意義

隨著我國社會逐漸步入老年化以及新一輪生育高潮的來臨，老年人的身體健康問題以及嬰幼兒的喂養(yǎng)問題越發(fā)引起社會的關(guān)注。目前，老年人及新生兒人口數(shù)目在我國總?cè)丝谥斜戎剌^大。在這部分人口中，嬰幼兒和患有癡呆以及不能言語的老年人，需要專門的看護(hù)人員負(fù)責(zé)其飲食。然而，此類群體，均不能對自身的饑飽狀況做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，看護(hù)人員只能憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，判斷被看護(hù)者的饑飽狀況。進(jìn)而導(dǎo)致看護(hù)人員難以控制其飲食量，最終將會導(dǎo)致該群體處于非健康狀態(tài)。因此，有必要設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測該類群體饑飽狀態(tài)的系統(tǒng)，并能將檢測結(jié)果及時(shí)反饋給看護(hù)人員，便于及時(shí)采取合理的措施。因此，研究基于人體通信的健康飲食檢測系統(tǒng)對于解決老人及嬰幼兒的健康飲食問題具有重要的社會意義。

我們的研究通過設(shè)計(jì)出一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對老年人及嬰幼兒的胃部情況、心電圖、呼吸速率、活動量等諸多參數(shù)進(jìn)行采集，再進(jìn)行數(shù)據(jù)比對分析，從而實(shí)現(xiàn)合理監(jiān)控。

系統(tǒng)模型

試驗(yàn)原理

人體腹部包括皮膚、脂肪、肌肉、骨骼、內(nèi)臟等組織。其中，皮膚具有較強(qiáng)的介電特性，肌肉中含有水分和電解質(zhì)，因此導(dǎo)電性能好。而脂肪中自由移動的離子極少，導(dǎo)電性能較差。脂肪層位于電解性良好的皮膚和肌肉之間。人體固有的結(jié)構(gòu)表明，人體作為可通信的導(dǎo)體，電信號通過電極進(jìn)入人體，被接收電極接受，從而實(shí)現(xiàn)對人體的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在本研究中，將采用醫(yī)用電極作為信息采集節(jié)點(diǎn)。醫(yī)用電極主要由導(dǎo)電膠和電極基片組成，而皮膚主要由皮下組織、真皮層以及表面層組成。其等效電路可如圖1所示。

圖1 電極與皮膚的等效阻抗電路圖

其中Cd、Rd分別代表電極和皮膚的接觸電容和接觸電阻；Ce、Re分別代表表皮層的電容和電阻；Ru代表皮下組織和真皮層的電阻。

在本系統(tǒng)中，由發(fā)送機(jī)所產(chǎn)生的交變電流信號主要在接收/發(fā)送兩個(gè)電極及兩個(gè)電極之間的人體組織中傳導(dǎo)。通信中的接觸阻抗可包括整個(gè)人體組織的等效內(nèi)外液電阻和膜電容。值得指出的是，在恒定頻率下，人體的輸入阻抗基本不變，當(dāng)電極與皮膚的接觸阻抗發(fā)生變化時(shí)，通過接收信號的變化可反映出接觸阻抗對發(fā)送信號的影響。

基于上述原理，在信號傳輸過程中，若人體內(nèi)腸胃等部位出現(xiàn)空腹或食物堆積等現(xiàn)象時(shí)，將會引起人體等效接觸阻抗的變化，進(jìn)而影響通過人體的電信號發(fā)生變化。同時(shí)，在接收電極端，接收到的信號也將發(fā)生變化。而接收信號的變化恰可以用來判斷當(dāng)前人體腸胃等部位的食物堆積情況，進(jìn)而判斷出該被測試者的當(dāng)前饑飽狀況。本系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

另外，圖2中發(fā)送端電路可如圖3所示。其中R1代表人體等效內(nèi)液電阻，R2代表人體等效外液電阻與接觸電阻之和，C代表人體膜電容與接觸電容之和。

圖2 基于電流式人體通信的健康監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 發(fā)送端的等效電路

系統(tǒng)模型

信號源發(fā)出的信號通過醫(yī)用發(fā)送電極進(jìn)入人體內(nèi)部，電信號經(jīng)過胃部等人體部位后，被信號接收儀（接收電極）接收，再將所接收到的信號與常規(guī)饑飽的樣本進(jìn)行比對，據(jù)此對當(dāng)前被測試者的狀況做出判斷，并根據(jù)判定結(jié)果送出適當(dāng)信號到報(bào)警系統(tǒng)，做出正確的提醒。技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 本項(xiàng)目采用的技術(shù)路線

系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)包含信號輸出模塊、信號傳送模塊、信號接收模塊以及信號檢測與分析模塊，各模塊的功能如下。

（1）信號輸出模塊

輸出模塊是指經(jīng)由人體并通過人體進(jìn)行信號傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)接收終端的模塊。其中信號采集是輸出模塊的核心。

一般情況下，信號采集系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：模擬信號調(diào)理以及數(shù)字信號處理。模擬信號部分主要有以下功能：對信號進(jìn)行放大、濾波以及調(diào)整等，它需要能夠按照設(shè)備的要求將信號由模擬形式直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，同時(shí)對采樣精度、采樣頻率等有著一定的要求。

（2）信號傳送模塊

本系統(tǒng)將基于安卓系統(tǒng)下的藍(lán)牙控制模塊運(yùn)作。本系統(tǒng)主要采用藍(lán)牙的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，應(yīng)用全雙工傳輸。

這里，藍(lán)牙系統(tǒng)由天線單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元和藍(lán)牙軟件單元等四個(gè)功能單元組成。信號主要由天線單元接收，將經(jīng)胃部等人體部位采集到的信息經(jīng)過濾波器和收發(fā)控制開關(guān)送入接收模塊，此外，本系統(tǒng)通過藍(lán)牙技術(shù)向電腦端傳送實(shí)時(shí)文件信息，實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)的相互操作，從而便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（3）信號接收模塊

本系統(tǒng)中，信號接收模塊展示終端采用的為示波器，通過探測經(jīng)過人體胃部信號波形的變化，可以客觀反映出人體內(nèi)部的變化。因此，這種抽象化人體進(jìn)食量的需求變化可變換為信號的波形變化，且更易于直觀分析。

（4）信號檢測與分析模塊

信號檢測與分析模塊采用個(gè)人電腦終端，通過編寫程序，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與樣本庫對比（如圖4所示），直觀反映信號的變化。

實(shí)驗(yàn)分析

在信號傳輸過程中，當(dāng)人體內(nèi)腸胃等部位出現(xiàn)空腹或食物堆積等現(xiàn)象時(shí)，通過人體內(nèi)的電信號發(fā)生變化，接收到的信號也將發(fā)生變化。將接收到的信號與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行比對分析，從而判定被實(shí)驗(yàn)者當(dāng)前的饑飽狀況，即通過接收信號的變化判定當(dāng)前人體的饑飽狀況。

研究中的關(guān)鍵問題分析

人體通信頻帶問題

人體對不同頻段信號的傳輸效率和傳輸損耗各不相同，必須找到適合通信的頻帶才能建立有效的人體通信模型。有研究高頻載波在人體內(nèi)傳播的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)載波頻率在200～600MHz時(shí)，能獲得較好的通信效果；而在低頻100MHz以內(nèi)的載波在人體內(nèi)傳播的實(shí)驗(yàn)表明，在5MHz時(shí)能獲得最好的通信效果。考慮到實(shí)際情況，本研究將以5MHz為工作頻率。

不同因素對信號的影響

首先是當(dāng)對人體輸入不同安全電流時(shí)，人體表面耦合電壓的衰減率將發(fā)生改變；其次，電極分為理療電極和心電電極，不同種類的電極對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響亦不同，需要比較接收電極及發(fā)送電極的種類和尺寸變化對信號衰減的影響；最后，收發(fā)電極的中心點(diǎn)間的距離是否會影響信號衰減，也需要多次試驗(yàn)，進(jìn)而選擇最佳的收發(fā)電極間距。

結(jié)束語

人體通信是近年來興起的一門新興通信技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。人體作為可通信的導(dǎo)體，可用來傳遞各種信號。 當(dāng)人體胃、腸等部位出現(xiàn)食物堆積或空腹時(shí)，人體這一導(dǎo)體的等效電阻、電容等會發(fā)生變化，從而通過人體后的電信號也將發(fā)生變化，那么接收到的信號也將改變。本研究通過比較經(jīng)由人體的電信號的變化，對人體胃部進(jìn)行檢測，從而得到對人體饑飽狀況的檢測結(jié)果，確定其饑飽狀況并采取合理的飲食措施。本課題直觀方便地反映人體進(jìn)食狀況，同時(shí)該技術(shù)使用大眾化，易于推廣普及，可以實(shí)現(xiàn)全社會的廣泛使用。

揚(yáng)州大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.068