人体通信

人体通信

Željka Lučev, Igor Krois, and Mario Cifrek

萨格勒布大学电气工程和计算系

摘要. 生物遥测术是远程监测、计量和记录下生命体组织的功能、活动或状态。传感器节点网络放置或植入到一个生物体体内形成的网络叫做肢体区域网络(BAN)。这项工作中我们将描述肢体区域网络的原则,肢体区域网络利用人的身体作为一个传输媒介,即人体通信(IBC)。我们将描述IBC系统设置的局限性,人体绝缘体的性质作为传输介质,指定不同的方法通过人体传输信号和比较IBC系统且用文学表述。

关键词:生物遥测技术, 人体通信(IBC),电容耦合,电流耦合。

1 简介

生物遥测术是用在测量从一生物体传送信号到一定距离外接收机的遥测方法[23]。它是用来远程观察,衡量和证明一个人或动物的功能、行为或位置。它用在几个领域,如医疗和人类研究生物遥测术,这些领域的可植生物遥测术和动物生物遥测术。医学生物遥测术用来远程跟踪病人的生理功能,如体温、心率、血压、心电图、脑电图信号,等等,甚至操作设备如药物递送系统和修复装备。主要用于发送装备的植入式生物遥测术可植入人体或动物处于研究阶段,如人工耳蜗和植入式起搏器。动物生物遥测术被广泛用于引导自然环境和动物迁徙时的动物行为研究。在这里我们将注意力聚焦于只用于监测人类行为的生物遥测术系统,即医疗的植入式生物遥测术系统。

一个生物遥测术系统的主要成分是位于发射机生理功能传感器、传输路径和接收机。带有传感器的发射器放在人体表面或植入内部。与医学生物遥测术比较,植入式意味着接收机和发送机间没有作为传输介质的电线。然而,因为电线能干扰到病人和医护人员,在监测中是不必要的。使用不同的无线技术给病人提供了更好的自由运动和流动性,这在一个长期监测每日活动、非流动的患者和外科手术治疗中特别重要。放置在人体的便携式传感器网络叫做肢体区域网络(BAN),必须符合下列要求:

● 不能妨碍人体功能,因此放置在身体的传感器节点必须依照现行规章、指导[22,28]；

● 提供实时交流；

● 低功耗的要求；

● 传感器节点之间没有电磁干扰；

● 传感器网络的放置,不得干扰病人正常活动,即传感器网络是轻小型。

低功耗无线系统设计的两个主要议题,一个是可以收到信号的距离,另一个是发射机设计,两个都使用发射机的电源。考虑到表面组装技术用于设计、电池通常是发射机封装的最大部分。人体的运动自由度和电池大小与容量所决定的发射机功率可以权衡。具有较大电池大功率的发射器可以在更大的距离的传送信号,但是比较难放置或植入人体并且没有严重地影响人体行为和热量。

2 规则

外露于电、磁时变效应的安全限制, 基于建立的健康效应的电磁场(EMF)参见国际委员会的电离辐射防护(ICNIRP)[22]及不同民族考虑[28]。外露在EMF会影响身体内部电流和组织的能量吸收。防止不良的健康影响要求电、磁效应不能超出所提出的基本限制。

指南和法律法规设定的接触电磁场的基本限制定义了两个类型的群体[22,28]。职业性露天群体由成年人构成,这些人通常在已知的条件下有相当的经验,能意识到潜在的风险,采取适当的防范措施。另一组是普通公众,包括不同年龄的个人和不同的健康状况,也许还包括特别容易得病的团体或个人,如儿童、妇女和慢性病的人。因此,建议比职业上受辐照影响的群体,一般公众有更严格的外露限制,这些在此讨论时考虑在内。根据频率的领域,物理量用来指定外露在EMF的基本限制如下[22,28]:图1:

● 频率范围1Hz-10MHz的电流密度（J）；

● 指定频率范围100kHz-10GHz的能量吸收率（SAR）；

● 频率范围10-300GHz的功率密度（S）。

图1. 暴露于电磁场的限制条件

限制电流密度是防止影响神经系统功能。最严格的限制是设定在频率4 Hz和1 kHz范围之间,此时最大电流密度是2mA/,这是由于这个频率范围需一个低阈值的神经刺激。4Hz以下及1kHz以上感应电流的基本限制增大。感应电流密度的基本限制rms值由表1给出。,f代表频率,单位为赫兹。

表1.头和躯干的最大电流密度(rms)[22]

100kHz和10GHz之间,特定能量吸收率的基本限制是为防止全身热应力和局部组织过多供热。推荐给公众人口最大SAR值如下:全身平均SAR 值0.08 W /kg,头部和躯干的局部SAR值2 W /kg,和四肢的局部SAR值4 W /kg。限制功率密度为了防止在或接近人体表面的组织热量过大。推荐为公众设置的最大能量密度值10。

部分人认为人类知觉及其他间接影响是通过接触电流。是当人体和接触的物体不同电位间流过的电流,此时,身体和物体都因电磁场而带有电荷[22]。频率高于110MHz,为避免电击危险和烧伤,给定了接触电流的限制。参考点基准级显示在表2 (f是频率/kHz)。

10MHz-110MHz频率范围任何肢体电流参照值低于局部SAR的基本限制值。这个值对一般公众设置在45mA。

表2.导体时变接触电流基准级[22]

3 无线生物遥测系统

在这一章中,我们以一个典型的无线肌电图描述系统作为一个例子分析一个无线传感器网络。肌电图无线系统由四个放置在身体的EMG传感器节点和一个简单的放置在几米远的医学数据采集系统(图2所示)。传感器节点和中央通信单元使用一个标准的无线连接,如无线局域网,蓝牙,RFID或ZigBee。 虽然常用于生物遥测术,这些标准在其他方面应用也是很好的,如:数据传输的无线局域网,语音传输的蓝牙,用于识别、跟踪的RFID、工业应用的ZigBee。无线及蓝牙通信模块的数据速率在生物技术上的应用是足够的,但他们发出的EMF辐射很高,能导致组织过热和过敏。高发射功率也需要频繁更换电池,,这在植入传感器的设计中也是不合理的。ZigBee、RFID射频模块具有较低的功耗,但他们的较低的数据率不足以在生物技术上应用。这些通信模块的共点是它们专为几十米的通信距离设计,所以它们能产生较大的功率。

图2.典型无线肌电图系统

考虑到这一点,,设计与开发了一种称为人体通信(IBC)无线数据传输的新方法。IBC采用人体作为信号传输介质。它是一种短距离的(可达2米)通信,功耗很低(< 1 mW),和一个足够满足生物遥测术应用的数据率。所有发射机节点不需要直接与远距离的中央单位进行通信,如图2,而是与一个放置在人体近距离附近地区的接收机连接,如图3,从而进一步降低了功耗。只有接收机单元使用一个标准的无线协议与远距离的中央单位进行通信。人体通信通过以人体作为导电介质进行低频和低功耗传输,所以这样一个系统的功耗低于蓝牙或无线局域网系统。

图3.IBC无线肌电图系统

人体通信系统主要组成部分如图4所示。IBC系统由一系列发射器和一个接收机组成,接收机连接远程中央医疗单位(因低功率的要求)。一些发射机可以作为一个信号路由器。一个典型的组合发射机将生理功能传感器组合在一起，实现获取生物医学信号、信号编码器、调制器、适配器的功能。接收机由一个探测器、解调器,信号译码器和信号处理单元组成。

选择调制、耦合方法、发射器的位置要考虑接收机的要求、耦合方法和其应用决定的电极布局。

图4. 人体通信系统

4 人体组织的介电性能

人体介电性质,电导率和相对介电常数,分别决定电流大小以及极化幅度的影响。10 Hz 至10 GHz频率范围,生物组织介电性能在[9 - 11]中Gabriel et al作了描述和总结。结果表明,组织的介电性能由组织类型、频率、温度、特定组织的含水量决定[11]。37°C下,人体组织传输大部分信号的频率范围由电导率σ和相对渗透率的εr决定(皮肤湿度和干燥度,纵向的肌肉组织,脂肪和硬骨)分别如图5和图6。它假定了信号平稳的通过一个特定组织,因为在观察的频率能够穿透的深度大于身体尺寸[20]。

图5.不同人体组织的频率-导电性能[20] 。

信号能最好的在通过肌肉传输是由于整个频率范围都有高电导,见图5。不同的频率达最高到1 MHz潮湿及干燥皮肤的电导率和介电常数是不同的。对于皮肤高频率的介电常数值和肌肉的介电常数值几乎相等。超过100MHz所有组织的电导率迅速增大。

为人体通信选择适当的载波频率需要平衡几个要求:为了防止普通生物信号干扰而限制安全规定,超低功耗需求,和信号载波频率组织的高电导(高频率时所得)。

图6.不同的人体组织频率-相对介电系数[20]。

5 人体作为一个信号传输媒介

IBC系统的传输特性取决于组织属性和信道,它由发射机相对于接收器的位置、信号传输方法、信号幅值、载波频率和调制方式决定。身体外部电场减小人体表面电荷,导致人体电流降低。这些电流的分布取决于暴露的条件、身体的大小和形状、人体在电场中的位置。不同的方式通过人体来发送和接收信号,它可以归纳为两个主要方法:

•电容信号耦合；

•电化信号耦合。

电容信号耦合信号由发射机电极间的电位控制。在电化信号耦合信号由流过人体的电流控制。

5.1 电容信号耦合

1995年麻省理工学院提出利用人体作为一个信号传输媒介[43],该提议首先应用在个人区域网络（PAN）[43,44]。 PAN系统包括一个接收机和发射机,两个都是电池供电并且都是有一对电极组合:一个信号电极附在人体上,和一导向外界的接地电极。Zimmerman et al提出存在弱电场时，人体作为信号的信号导向和耦合静电信号(电容),周围环境作为返回路径(空气、人体附近各种物体)。调制信号电极之间的电压以传输信号,这个过程是通过接收机检测和解码实现。通过身体的感应电流皮安级,对人体组织无害。

图7 . 人体通信电容产生的电场

如图7,在电容式人体通信，系统不同部分的不同电位间建立感应电场。发射机在人体上有一接地的振动传感器,产生位于发射机信号电极和人体间的电场Ea,人体和发射机接地电极间的电场Eb，电极Ec和Ed在人体和环境之间，和一位于人体和接收机信号电极间的Es：

周围环境和发射机接地电极间电场Eg阻断了返回发射机的通道。由于电场Eb, Ec和Ed 的存在，大部分发射机信号阻断了返回发射机接地极的通道，接收机电场Es非常小，但足以获得所需的信息。此外由于Es以距离的三次方减小[44],电容性人体通信只能在才能近距离实现。

电容耦合方法处理接收信号电平，受以下因素的影响：发射机相对接收机的方向、连接人体的接地电极数量、接收机接地层的大小以及周围环境[4][18][25]。最好的电极布局还没有一致的说法,因为它非常取决于应用系统和使用的信号载波频率。最常见的布局是依据最大的接收信号电平，如图8。在左边的两个发射机电极沿着信号传输的路径连接到人体,右边的一个只有发射机信号电极连接到人体。在这两种情况下接收机接地电极从人体分离开来。事实上一个可实现的通信系统所有的四个电极不一定需要直接接触身体甚至允许是人体的衣物。同时,加大尺寸的接收机接地面积可以增加信号电平[26]。

图8.电极的位置:纵向(左)双电极布局(右)。TX发射机、RX接收机；S表示一个信号电极和G表示一个接地电极[25].。

使用电容式IBC方法时必须考虑周围环境结构对信号传输路径有很大影响。设计IBC系统时选择一个适当的载波频率是很重要的一个因素，选择适当的载波频率也很重要的设计IBC的系统,因为增加了信号频率就增加了电场通过辐射进入空中。

5.2 电化信号耦合

人体通信中的电化信号耦合发射机和接收机电极连接到人体，交流电信号作为一个信号载波,见图9。主要的(基区)电流在发射机电极中区别应用,而一小部分电流流经人体并且在接收机电极产生交变电位差。电化耦合时通过人体的传输路径是完全关闭的,所以电容耦合方法中一个接收信号的特性不受环境的特点的影响。电化式IBC系统的主要部分与电容式相同,除了耦合器是与电流控制信号传输匹配。

图9.电流式人体通信

6 IBC技术概述

几组来自世界各地的几个团队参与了IBC设备的发展。文献中可以找到多种开发的IBC系统,一些的是面向医学应用,而其它的则是面向非医疗用途的。因为IBC是一个全新的技术、IBC设备目前仍没有上市,但一些它们应用上的概念已经成熟了。开发的系统应以下因素而不同：耦合方式,耦合幅度,选择的频率范围,信号调制方式,和所取得的数据率。

个人区域网(PANs) 的概念于1995年提出，论证了，通过近场静电耦合，电子设备如何在人体或人体附近进行数字信息交换[43]。第一个成功的PAN模型使用电容信号耦合,调幅信号电压30v,330kHz的载波频率、开关键控(ook)调制、数据率2400 bps和功耗1.5 mW[44]。Zimmerman IBC提议的形状、大小如同日常生活用品:手表、信用卡、眼镜、识别徽章、皮带或鞋垫。根据IBC的形状和IBC装置在人体的位置，他提出了一个新技术的可能应用方式:设备如头盔、助听器、麦克风和各种可以戴头上的指示器、可以放置在口袋里的识别设备,如电子标签。指标器,麦克风,照相机和扬声器可以轻易地进入视野,较重的设备(PDA、手机、键盘…)可以被放置在腰部。同时,不同的生理传感器可用在IBC设备并且他们可以监督生物体的生理功能,例如心率、血压、呼吸等。最后,Zimmerman建议可能利用插入鞋内的装置,、如垫,这样能更多得从环境中获得能量,并在附近利用IBC装置进行通信或如同收发机，收发机能够检测穿戴它的人的位置和身份。

在Zimmerman之后,在MIT Gray探索了人体通信的物理局限性[12]。传输信道分析表明,放大器噪音和身体上其他IBC设备的串扰对接收到的信号影响最大。他以几千bit/s的数据率测试了开关键控(OOK)和相移键控(PSK)调制。最后的一个硬件版本[33]是基于频移键控(FSK)调制，FSK9600bps的数据率。在接收机端利用一个PLL(锁相环路)单元进行模拟解调。

早稻田大学(日本)Handa等开发了小功耗的用于监测ECG信号的无线系统[19]。该系统由放在病人胸部ECG探测器和围在手腕上的一个接收机组成。ECG检测器和接收机之间的电流传输是幅度为20μA交流电调幅信号。其中使用载波频率为70kHz的脉宽调制(PWM)。该系统总功耗很小,在8μW点左右。

NTT人体接口实验室的M. Fukumoto等人开发了用于手指键入检测一种无线网络，该手指键入检测称为指法[8]。每一个手指的测试科目都有一个带有发射机的环状物，该发射机记录着玩耍或打字时的动作。接收机位于手腕，植入手表内。通信系统中,基于电容式IBC的多样性,采用一个载波频率在50 kHz和90 kHz之间、功耗为1.75 mW的模拟频率调制。

Derek P. Lindsey等人的目标是减小为体内生物测量而植入的设备的体积 [24]。他们开发了一种采用人体离子性质的信号传输方法,并且它经过测量移植到尸体前交叉韧带(ACL)的张力进行测试。发射机铂电极植入股骨外上髁,信号的检测是用人体表面肌电电极。他们研究了传输的频率,注入的电流,电极之间的距离，合模线到电极距离和信号衰减时人体表面电极位置对信号的影响。在这个应用上，获取最好的结果是通过用电流幅值为3 mA和载波频率37 kHz频率调制(FM)信号。

基于Zimmerman的（PAN）模型，华盛顿大学的K. Partridge等开发并描述了数据率达到了38.4 kbps的系统[31]。载波频率为180 kHz和140 kHz频移键控调制，信号幅度为22 v。他们比较了人体和电极不同距离、人体电极的位置、接收机信号电极的大小与形状、和一些其他的因素的数据差错率和信号强度。他们推断接收机电极尺寸和形状对信号传输的影响很小,与之相比，人体和电极的距离对传输的影响却很大。他们也发现信号返回信道在周围环境中阻断对信号传输也有最大的影响,因为穿过环境的空气耦合器有用电容极其微小:它有数量级是fF[43]。

在千叶大学(日本) K. Fujii和K. Ito研究了IBC系统人体的传输特性。在文献[2]他们描述了人体手臂周围电场分布的时域有限差分数值模型的仿真,该模型近似平行六面体，参数为:5 cm x 5 cm x 45 cm,相对介电常数εr = 81和电导率σ= 0.62 S / m(肌肉的介电参数)。IBC发射机产生一个幅度为3 V和频率为10 MH的信号，被用作一个电场的来源。他们的研究表明,这一电场围绕胳膊形成,与接地电极不连接人体相比，发射机信号电极和接地电极都连接人体时，接受到的信号衰减更小。加入这种接收机并监测接收机位置影响和在时域有限差分算法仿真中通过生物组织等效的固体虚拟手臂进行信号传输发射机电极(与手臂的数学模型同一大小) [3]。数学模型中,位发射机电极置于人体,接收机信号电极是连接着的,接收机地面电极不与人体连接，结果表明这些措施是最好的。研究表明发射机电极放置在从发射机到接收机信号传输的线路上,发射机大小及其电极对接收信号的影响很大[4]。另一方面,10 MHz至100 MHz间选择载波频率间隔通过人体信号传输没有影响。Fujii等结合了前面所有研究成果,比较了结果实时测量仿真得到的数据，仿真中使用了生物组织等效的固体虚拟手臂。他们发现有信号是以电磁波的形式沿皮肤的表层传播的[5]。仿真结果真实在日本成人(男性和女性)中得到证实[6、7]。呈现了手臂数学模型电场的空间分布，手臂上放置了IBC系统[7]。

k . Hachisuka等使用电容式人体通信信号传输方法,这种电容方法他们称为电磁波。他们的研究表明频率从 0.5 MHz到50 MHz，频率约10MHz是最理想的IBC系统载波频率，此时有最小的系统功耗[15、16]。他们选择的系统载波频率为10.7MHz,这是因为市场上大量的(便宜)元器件支持这个频率。在仿真手和实体上进行测量[15][17]。他们发明了尺寸为 30 mm x30 mm、重5 g、用一个3v电池供电的发射机和接收机。幅度为3 V、频率为10.7 MHz的信号在接收机中成功的进行检测和解调,其中可采用频率调制(FM)[16]或频移键控调制[15]。利用频移键控调制采样率为9.6 kbps。他们研究了不同距离、频率和人体的位置，发射机和接收机的电极的最优位置。只有信号电极连接人体的双电极布局在千赫兹带上20dB优于所有四个电极都连接人体四电极布局[18]。他们提议IBC装置可用于医疗保健,电子货币交易,用于商业数据交换和音乐文件共享。

日本NTT电话公司(日本电报和电话公司)及其附属NTT DoCoMo Inc.公司是最早使用人体通信技术并成功地在日常生活中实现电子设备之间的通信。他们应用的人体通信系统称为RedTacton(29),用电容信号传输方法达到了数据率达到10Mbps 。如此高的高数据率是因为在接收机使用了电光晶体,电光晶体中以10 MHz的频率变换电场(电场携带的信号信息),引起可测量的通过水晶的激光的偏振的变换[39]。NTT提出了一些RedTacton 技术的应用,如不同的装置之间数据的交换,识别不同服务的用户身份,安全系统上的应用等。

早稻田大学(东京,日本)开发了一种宽带IBC系统[34]。只有发射机和接收机的信号电极（直径2厘米）连接到测试体时，接收机信号衰减达到最大值。研究人员研究了频率达到2.5GHz，人类的身体作为信号传输介质的性质。对于信号衰减和时间延迟,他们找到BPSK调制或MSK(35,36]200 MHz和600MHz之间的频率[35]对宽带人体通信有最好的传输特性。一些已经开发的IBC设备[37]是专为有特殊需求的人们设计的,如帮助盲人和视障人群的提供方向的系统[37]或一个为哑巴提供无线键盘的系统[37]。该系统是可以做到的识别人用哪支手指触摸设备,并且根据选定的设置,内置扬声器重建语音或单词。他们提出了使用IBC设备用于火车上的广告[37],以及一个个性化的患者健康监测系统[1]。

作为总部在比利时欧洲IMEC跨国公司的一个部分的Human++工程[21],发明了一种监测人体重要功能无线传感器网络。微型、自动和智能传感器节点[13]以极低的功耗(21μA @ 3 V)记录了患者的生物信号(EEG、心电图、肌电图(EMG)[14]),并把它们发送不同的医学中心单元,这些数据进一步处理,成为研究的一部分。一个非常少量的电能就能提供传感器的动力,并且可以通过热能采集获得[32]。3 GHz和5 GHz之间超宽带频率调制(UWB),有一个500 MHz到2 GHz的信号频谱用于通信。

苏黎世理工学院的Marc Wegmüller使用了电流式人体通信[32, 33]。开发的发射机通过两个电极连接到身体，这两个电极产生电流信号的幅度最大为1mA。Wegmuller研究了人体传输信号频率从110 kHz到1 MHz的信号特征。QPSK调制方式，载波频率为256 kHz，数据率为64 kbps,用256千赫,总功率总功耗为20 mW。该理论计算结果是通过的测量20个实体ECG所得。人们发现这个信号传输视情况与在该组织在总体重的比例和特定组织状态有关,皮肤湿度越高、组织水分比例越高，接收的信号衰减越小。传输的信号的频率从100 kHz到500 kHz理想的病人的肌肉质量超过45%,肌肉细胞间人体水分值大于60%。同时,一个小的皮肤折叠厚度肯定会影响到通信过程。

Zagreb大学,Lučev等人使用电容式IBC的方法设计一个肌电图系统。发射器产生的信号调幅为1.15 Vpp,载波频率约1 MHz[25]。标准数据率达到为8 kbps,测试最高数据率是64 kbps。研究人员研究了在开发的IBC系统中，信号强度与接接收器和发射机的相对位置的关系。活体测量表明信号是通过人体传播,而不是通过周围的空气[25]。研究人员得出结论,接收信号强度大于发射机的电极信号强度(图8.,左)，此时接受机与发射机处于同一手接受者。对于传感器的位于手臂的反面,双电机布局的信号更强(图 8.右)[25,26]。他们也发现增加接收机电极表面参考面积到600对提高信号有影响[26]。此外,活体的肌电图测量表明信号表明开发的IBC系统可以用于监控肌肉疲劳,这在运动学和康复是特别重要的[27]。

除上述应用，更有趣的是使用IBC胶囊作为微型内镜设备[42]。当病人吞咽胶囊后它收集身体内部想要探测的部份(消化系统)的状态的数据,然后将它通过人体组织传递到人体表面的接收机上。

文献中最为重要的电容和电化IBC系统比较在表3给出。各个系统的作者，幅值，使用信号的频率，调制的方法,最大数据率。

表3. 人体通信系统的比较[41]。

7 总结

在这里中,我们讲述了人体通信(IBC)的原则,特别是应用于生物遥测术的IBC系统。IBC系统利用人体的导电性质传输的电信号。他们工作在低频率的并且比标准的无线系统频率范围低因此,他们有较低的功耗。由于减少功耗、患者加热和组织过敏降低,电池使用寿命更长。因病人的安全要求介绍了IBC系统设置的限制,考虑了为大众提议的严格的曝光限制,这部分人包含了易得病群体组或者个人,如儿童、妇女和慢性病的人。

人体通信主要的方法是电容和电化信号耦合。在电容耦合信号由发射机电极电位控制,电化信号耦合信号流过人体的电流控制。我们回顾之前的文献，可以看出在这个问题上有丰富的调制技术、耦合方法、和发射机-接收机布局提供选择,这些选择都依据耦合方法和应用。IBC技术的应用十分广阔:从生物遥测术和医学到各种电子设备和安全系统间的通信。

人体作为IBC信号传输介质为还需要更加细致的研究,以确定选择耦合方法与电极最优位置的准则。就功耗、差错率、数据率标准，调制方式、载波频率和耦合幅度必须认真选择。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/13ccb34cc850ad02de804176.html