【摘 要】
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人体通信是一种利用人体作为信号传输途径的新型非射频无线通信技术,被设计用于进行可穿戴设备和植入式设备网络间的通信.由于其设备体积小,功耗低,不会受到阴影效应影响,通信速率也有一定的保障,十分适合在植入式设备中应用.因此本研究探索了使用人体通信进行体内外通信时不同通信模式对于信号衰减的影响,希望能将该种通信方式应用于植入式医疗设备当中.由于不可能直接将实验装置植入人体或动物体进行实验,故需要一个可以
【机 构】
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中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室,100190;中国科学院大学,100049 中国科
【出 处】
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2015年中国生物医学工程联合学术年会
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人体通信是一种利用人体作为信号传输途径的新型非射频无线通信技术,被设计用于进行可穿戴设备和植入式设备网络间的通信.由于其设备体积小,功耗低,不会受到阴影效应影响,通信速率也有一定的保障,十分适合在植入式设备中应用.因此本研究探索了使用人体通信进行体内外通信时不同通信模式对于信号衰减的影响,希望能将该种通信方式应用于植入式医疗设备当中.由于不可能直接将实验装置植入人体或动物体进行实验,故需要一个可以模拟体内环境的实验平台来进行信号通路的研究以及设备的调试.为此我们制作了一个有机玻璃制的水槽容器,将其内部注入生理盐水,并在测量端以2mm 厚的有机玻璃板替代皮肤的高阻抗作用,以模拟体内外通信时的真实环境.此外,我们还制作了分立的信号发送端、信号接收端以及用于实现不同耦合方式的信号电极以完成实验,其中信号发送端使用电池驱动,可避免与外界共地产生的额外干扰.试验中的频率选择是较为常用的20MHz,发送信号为峰峰值2V 的正弦信号,接收则通过滤波模块后由示波器进行显示.我们将信号发送端的电极置于水槽内部,接收端的电极贴在水槽的外表面,以此模拟人体通信用于体内外通信的情况.所制作的三种电极分别为电流耦合、电容耦合及容阻耦合用电极.由于容阻耦合电极依照接地端采用的耦合方式不同可分为电容耦合端接地的正接方式和电流耦合段接地的反接方式,因此三种电极一共有四种不同的接法.实验结果表明,容阻耦合正接的方式下通信衰减最小,为28dB,而电容耦合、电流耦合和容阻耦合反接的通信衰减依次增大,这表明了容阻耦合正接的方式是最适用于人体通信体内外应用的通信模式.随后我们进一步对人体通信的信道模型进行了分析,选取相关的参数建立了人体通信体内外通信模式的阻抗网络模型,并使用Multisim13.0 进行了仿真分析.对于不同的电极配置分别使用了50Ω 电阻和1pF 电容表示电流和电容耦合方式,得到了和实际实验中相似的结果：容阻耦合正接的方式下通信衰减为26dB 最小,同时电容耦合、电流耦合和容阻耦合反接的通信衰减依次增大.在实验和仿真的基础上我们可以得出在人体通信的体内外通信模式中,容阻耦合正接的方式通信衰减小,所需能量少,是最具有应用前景的.导致这一结果的原因或是因为该方式下电极的正极可以将信号有效的传递到组织当中,而电极的负极并未接触组织因而不会产生额外回路造成能量的浪费.而其中更深层次的理论基础还有待进一步的探索.
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