植入式人體通信技術(shù)的耦合方式研究

汪嘯塵 張廣浩 霍小林#*

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

植入式人體通信技術(shù)的耦合方式研究

汪嘯塵1,2張廣浩1霍小林1#*

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

研究植入式人體通信方式中通信信號的衰減與不同耦合方式之間的關(guān)系。涉及的耦合方式包括電容耦合、電流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合4種。通過建立等效電路模型進行仿真計算，以及在模擬體內(nèi)環(huán)境的水模型中實驗測量的方式，對20 MHz通信頻率下不同耦合方式的通信衰減進行對比。仿真和實驗的結(jié)果均表明，正向容阻耦合方式下通信的衰減最小，分別為26 dB(計算值)和28 dB(測量值)，而電容耦合、電流耦合和反向容阻耦合方式的通信衰減依次增大。這一結(jié)果反映出不同耦合方式之間的機制區(qū)別，同時意味著若將人體通信方式應(yīng)用于植入式醫(yī)療設(shè)備中，正向容阻耦合方式將是最好的選擇。

人體通信；電容耦合；電流耦合；容阻耦合；植入式設(shè)備

引言

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)計用于進行可穿戴設(shè)備和植入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)間的通信，收集分布于人體的各項生理參數(shù)，從而為即時的醫(yī)療診斷提供幫助。該方式最初由美國麻省理工學院的Zimmerman提出[1]，其原理是利用發(fā)送端在人體表面或附近的一對電極向人體輸入通信信號，信號經(jīng)過人體傳輸后由接收端的一對電極進行接收，完成通信過程。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，在2012年確立的無線體域網(wǎng)標準IEEE802.15.6中，對人體通信的物理層和媒體訪問控制層都制定了詳細的要求，使得該技術(shù)的進一步應(yīng)用有了明確的依據(jù)[2]。目前，世界各地都有針對人體通信技術(shù)的研究，已經(jīng)可以實現(xiàn)利用人體通信完成包括通信速率160 Mb/s的高速通信[3]，以及功耗37.5 μW的低功耗通信等[4]。

由于人體通信所需的設(shè)備體積小，功耗低，不會受到陰影效應(yīng)的影響，通信速率也有一定的保障，因而十分適合在使用條件苛刻的植入式設(shè)備中應(yīng)用，完成信號由體內(nèi)向體外傳遞的功能[5-6]。已有的研究證明，使用人體通信完成短距離上的體內(nèi)外通信是可行的，但何種人體通信的耦合方式更適用于進行植入式設(shè)備通信尚無明確的結(jié)論[7]。因此，本研究通過等效電路模型仿真，在模擬人體環(huán)境的水模型中測試了不同耦合方式對于信號衰減的影響，得出了正向容阻耦合的方式是最適用于植入式設(shè)備人體通信的耦合方式的結(jié)論，為進一步將人體通信方式應(yīng)用于植入式設(shè)備中提供了理論依據(jù)。

1 方法

由于植入式醫(yī)療設(shè)備的特殊性，對于植入式人體通信技術(shù)耦合方式的研究并不方便直接在人體或生物體上展開，因此實驗的主要方法是在模擬體內(nèi)環(huán)境的水模型中測試不同耦合方式下通信衰減的大小。在此之前，用所建立的人體通信的等效電路模型對實驗結(jié)果進行了分析和預測，使其更具有說服力?；贗EEE802.15.6中對于人體通信的相關(guān)要求和規(guī)定，選取了20MHz這一典型的人體通信頻率進行實驗，該頻率也被諸多研究證明是較為適合進行人體通信的[8-9]。

1.1 等效電路模型

建立等效電路模型的目的在于對實驗結(jié)果進行預測，驗證其可行性并提供理論依據(jù)，為此選擇了阻抗網(wǎng)絡(luò)等效電路模型對通信過程進行仿真。有研究表明，該模型可以較為準確地模擬出人體通信時信道衰減的大小，復雜度較小且便于后續(xù)的分析[10-11]，如圖1所示。

圖1 人體通信等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of human body communication

在圖1中，人體上與電極接觸的4個位置被視為4個電路節(jié)點(A、B、C、D)，其兩兩之間通過并聯(lián)的電阻、電容設(shè)置阻抗參數(shù)ZI、ZT、ZB、ZO，同時在人體與電極(E、F、G、H)之間存在有接觸阻抗ZC。模型中的阻抗參數(shù)均通過以下公式計算：

(1)

式中：l表示所計算阻抗的兩節(jié)點之間的距離；A表示電極面積；σ和ε分別為人體組織的電導率和介電常數(shù)，不同類型組織在不同頻率下的相關(guān)參數(shù)均可由文獻查得[12]；f為通信頻率，在本實驗中為20 MHz。

由于不同耦合方式的主要區(qū)別在于電極與人體是否接觸，因此通過調(diào)節(jié)信號發(fā)送端的接觸阻抗ZC1和ZC2的值便可對不同的耦合方式加以區(qū)別：電容耦合方式下電極與人體不接觸，故ZC1和ZC2主要呈現(xiàn)為容性；而電流耦合方式下電極與人體直接接觸，ZC1和ZC2呈現(xiàn)為阻性。此外，針對信號發(fā)送端兩電極耦合方式不同的情況也進行了分析，包括ZC1為阻性、ZC2為容性時的正向容阻耦合方式，以及ZC1為容性、ZC2為阻性時的反向容阻耦合方式，如圖2所示。

圖2 人體通信不同耦合方式的等效電路模型。(a)電容耦合；(b)電流耦合；(c)正向容阻耦合；(d)反向容阻耦合Fig.2 Equivalent circuit model of different coupling approaches for human body communication. (a)Capacitive coupling; (b) Galvanic coupling; (c)Forward capacitive-resistance coupling; (d) Reverse capacitive-resistance coupling

1.2 水模型方式

由于研究為植入式人體通信耦合方式，需要將發(fā)送端置于人體或生物體之內(nèi)，所以較為不便。在研究中，普遍會通過建立水模型的方式模擬人體環(huán)境進行實驗[13-14]，筆者也同樣采用了這一方式。

生物體對于電流的傳導通路如圖3所示，包括了經(jīng)由細胞外液電阻Rext傳導的細胞外通路，以及經(jīng)由細胞膜電容Cm和細胞內(nèi)液電阻Rint傳導的細胞內(nèi)通路。在本實驗中，由于使用的通信頻率為20 MHz，細胞膜電容Cm的阻抗在這一頻率下可以忽略不計，因此可視為信號是在電解質(zhì)溶液中進行傳播的?；诖? 使用生理鹽溶液對人體內(nèi)電解質(zhì)環(huán)境進行了模擬，并使用厚度2 mm的有機玻璃容器進行承裝，以模擬皮膚在通信中起到的高阻抗作用，將通信端發(fā)送端和接收端分別置于容器內(nèi)和容器外，如圖4所示。

圖3 人體組織等效電路Fig.3 Equivalent circuit of human tissue

圖4 水模型實驗方法Fig.4 Water modelexperiment method

在人體通信實驗中，若通信的發(fā)送端和接收端同時使用接地設(shè)備，會引入地回路的干擾，造成測量結(jié)果的不準確[15]。因此，使用由電池供電的獨立信號發(fā)送端進行實驗，可實現(xiàn)頻率20 MHz、峰峰值1 V的正弦信號輸出。電路和電池被共同放置在一小型號太空杯內(nèi)進行防水處理，在正式實驗中可整體沒入生理鹽溶液中，如圖5所示。

圖5 人體通信實驗裝置Fig.5 Experimental device of human body communication

同時，對應(yīng)電容耦合、電流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合4種不同的耦合方式，共制作了3種不同的電極與發(fā)送端電路相連：兩電極均不暴露的電容耦合電極、兩電極均暴露的電流耦合電極、以及僅有一個電極暴露的容阻耦合電極。電極為2 cm×2 cm的銅箔，襯底材料為環(huán)氧樹脂，如圖6所示。

圖6 人體通信實驗電極。(a)電容耦合電極；(b)電流耦合電極；(c)容阻耦合電極Fig.6 Experimental electrode of human body communication. (a)Capacitive coupling electrode; (b) Galvanic coupling electrode; (c) Capacitive-resistance coupling electrode

在實驗中，將裝有通信發(fā)送端的太空杯固定于容器底部，電極與位于容器外部的通信接收端相對，兩者間距為30 cm。接收端的電極貼于有機玻璃容器的外表面，接收信號則通過濾波后由示波器進行觀察記錄，并通過公式計算衰減值，有

(2)

式中：G為衰減值，dB；Vrec和Vtra分別代表接收和發(fā)送的電壓幅值。

2 結(jié)果

2.1 等效電路仿真

通過改變輸入端電極的阻抗特性，使用Multisim軟件建立了對應(yīng)的等效電路模型，并仿真測試了20 MHz通信頻率下4種不同耦合方式的通信衰減，計算機仿真結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，正向容阻耦合方式下通信的衰減值最小，隨后依次為電容耦合方式、電流耦合方式和反向容阻耦合方式。

表1 等效電路模型仿真結(jié)果Tab.1 Simulation result of equivalent circuit model

2.2 水模型實驗

示波器記錄到4種不同耦合方式下的通信衰減結(jié)果，如表2所示。通過表中的數(shù)據(jù)不難看出，在水模型實驗中，衰減最小的耦合方式為正向容阻耦合方式，電容耦合方式、電流耦合方式和反向容阻耦合的通信衰減依次增大，和仿真結(jié)果一致。

表2 水模型實驗測量結(jié)果Tab.2 Measuring result of water model experiment

圖7 仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的對比Fig.7 Comparison of simulation result and experiment result

2.3 結(jié)果對比

將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果放在一起進行對比，如圖7所示?？梢钥闯?，無論是仿真值還是測量值，正向容阻耦合方式下的通信衰減明顯小于其他3種耦合方式。對比仿真和實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了反向容阻耦合方式外，電容耦合、電流耦合及正向容阻耦合方式下仿真和實驗所得出的衰減值基本一致，證明了所建立的模型與真實情況較為相似，實驗結(jié)果有一定的說服力。而反向容阻耦合方式下，兩者呈現(xiàn)的區(qū)別主要是由于實驗中使用的示波器的精度不足，無法測量到低于10 mV的接收幅值。

3 討論

經(jīng)過對4種不同人體通信耦合方式通信信號衰減的仿真和實驗，可以得出正向容阻耦合方式是最適用于在植入式設(shè)備通信之中使用的結(jié)論，為植入式醫(yī)療設(shè)備的通信設(shè)計提供幫助和支持。目前，植入式醫(yī)療設(shè)備中所使用的均為基于射頻的通信方式，其不足之處在于通信距離短、能量消耗大，對植入式醫(yī)療設(shè)備的使用壽命有很大的影響，而造成這些不足的根本原因正是由于射頻通信的信號衰減是按照通信距離的平方增大的。反觀人體通信，實驗中的正向容阻耦合方式在30 cm距離下的通信衰減僅為28 dB，通過簡單的放大濾波就可以獲取通信信號，表明這種方式有著十分巨大的應(yīng)用前景。

圖8 人體通信不同耦合方式的傳輸原理。(a)電容耦合；(b)電流耦合；(c)正向容阻耦合；(d)反向容阻耦合Fig.8 Transmission principle of different coupling approaches for human body communication. (a)Capacitive coupling; (b) Galvanic coupling; (c)Forward capacitive-resistance coupling; (b) Reverse capacitive-resistance coupling

在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，也對造成該結(jié)果的原因進行了分析，如圖8所示。在電容耦合方式下，電極不與人體直接接觸，通信信號以電磁波的形式同人體及周圍環(huán)境進行耦合，達到信息傳輸?shù)哪康模浑娏黢詈戏绞絼t由電極直接向人體發(fā)送信號，但由于兩個電極均與人體接觸，通過人體形成了電流通路，大部分能量直接回流至信號源，僅有少部分實現(xiàn)了通信功能，因此通信衰減反而高于電容耦合方式；在正向容阻耦合方式中，發(fā)送端的信號電極直接接觸人體，參考電極則與周圍環(huán)境通過分布電容耦合，人體主要傳輸通信信號，通信衰減最??；而反向容阻耦合方式則相反，人體接觸了發(fā)送端的參考電極，并未起到傳輸通信信號的作用，因此很難通過這種方式完成通信。

此外，目前本實驗只研究了由體內(nèi)向體外發(fā)送信號的情況，如希望通過人體通信方式完成植入式設(shè)備的雙工通信，還需進行信號由體外發(fā)送至體內(nèi)接收的實驗，方可將通信系統(tǒng)補充完整。

4 結(jié)論

人體通信是一種具有廣闊前景的非射頻無線通信方式，在諸多領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用價值。本研究主要針對人體通信在植入式醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，探索了使用人體通信進行植入式設(shè)備通信的最佳耦合方式，通過等效電路模型仿真和水模型實驗測量的方式，對電容耦合、電流耦合、正向容阻耦合以及反向容阻耦合4種不同耦合方式的通信衰減進行了考察，并得出正向容阻耦合方式是最適用于體內(nèi)外人體通信的耦合方式的結(jié)論。在進一步的研究中，將會嘗試設(shè)計并制作適用于植入式設(shè)備通信的人體通信模塊，通過動物實驗對其進行實用性驗證，以期達到將人體通信應(yīng)用于植入式設(shè)備中的目的。

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Research on Coupling Approaches for Implantable Human Body
Communication Technology

Wang Xiaochen1,2Zhang Guanghao1Huo Xiaolin1#*

1(BeijingKeyLaboratoryofBioelectromagnetism,InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

2(SchoolofElectronics,ElectricalandCommunicationEngineering,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

human body communication; capacitive coupling; galvanic coupling; capacitive-resistance coupling; implantable device

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 03.015

2016-02-22， 錄用日期:2016-03-12

國家自然科學基金(51577183)

R318

D

0258-8021(2016) 03-0365-05

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

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