植入式人体通信技术的耦合方式研究

姓名：谢童  学号：16020188008  转自：中 国 生 物 医 学 工 程 学 报

摘 要: 

研究植入式人体通信方式中通信信号的衰减与不同耦合方式之间的关系。涉及的耦合方式包括电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合 4 种。通过建立等效电路模型进行仿真计算，以及在模拟体内环境的水模型中实验测量的方式，对 20 MHz 通信频率下不同耦合方式的通信衰减进行对比。仿真和实验的结果均表明，正向容阻耦合方式下通信的衰减最小，分别为 26 dB(计算值)和 28 dB(测量值)，而电容耦合、电流耦合和反向容阻耦合方式的通信衰减依次增大。这一结果反映出不同耦合方式之间的机制区别，同时意味着若将人体通信方式应用于植入式医疗设备中，正向容阻耦合方式将是最好的选择。

引言

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，收集分布于人体的各项生理参数，从而为即时的医疗诊断提供帮助。该方式最初由美国麻省理工学院的 Zimmerman提出 ，其原理是利用发送端在人体表面或附近的一对电极向人体输入通信信号，信号经过人体传输后由接收端的一对电极进行接收，完成通信过程。经过多年的研究和发展，在 2012 年确立的无线体域网标准 IEEE802. 15. 6 中，对人体通信的物理层和媒体访问控制层都制定了详细的要求，使得该技术的进一步应用有了明确的依据  。目前，世界各地都有针对人体通信技术的研究，已经可以实现利用人体通信完成包括通信速率 160 Mb/s 的高速通信 ，以及功耗 37. 5 μW 的低功耗通信等 。由于人体通信所需的设备体积小，功耗低，不会受到阴影效应的影响，通信速率也有一定的保障，因而十分适合在使用条件苛刻的植入式设备中应用，完成信号由体内向体外传递的功能 。已有的研究证明，使用人体通信完成短距离上的体内外通信是可行的，但何种人体通信的耦合方式更适用于进行植入式设备通信尚无明确的结论。因此，本研究通过等效电路模型仿真，在模拟人体环境的水模型中测试了不同耦合方式对于信号衰减的影响，得出了正向容阻耦合的方式是最适用于植入式设备人体通信的耦合方式的结论，为进一步将人体通信方式应用于植入式设备中提供了理论依据。

1.方法

由于植入式医疗设备的特殊性，对于植入式人体通信技术耦合方式的研究并不方便直接在人体或生物体上展开，因此实验的主要方法是在模拟体内环境的水模型中测试不同耦合方式下通信衰减的大小。在此之前，用所建立的人体通信的等效电路模型对实验结果进行了分析和预测，使其更具有说服力。基于 IEEE802. 15. 6 中对于人体通信的相关要求和规定，选取了 20MHz 这一典型的人体通信频率进行实验，该频率也被诸多研究证明是较为适合进行人体通信的  。

1. 1 等效电路模型

建立等效电路模型的目的在于对实验结果进行预测，验证其可行性并提供理论依据，为此选择了阻抗网络等效电路模型对通信过程进行仿真。有研究表明，该模型可以较为准确地模拟出人体通信时信道衰减的大小，复杂度较小且便于后续的分析 ，如图 1 所示。

图 1 人体通信等效电路模型

在图 1 中，人体上与电极接触的 4 个位置被视为 4 个电路节点(A、B、C、D)，其两两之间通过并联的电阻、电容设置阻抗参数 Z I 、Z T 、Z B 、Z O ，同时在人体与电极(E、F、G、H)之间存在有接触阻抗 Z C 。模型中的阻抗参数均通过以下公式计算:

                                                                                    Z =l/（j2πfεA + σA ）    (1)

式中:l 表示所计算阻抗的两节点之间的距离;A 表示电极面积;σ 和 ε 分别为人体组织的电导率和介电常数，不同类型组织在不同频率下的相关参数均可由文献查得; f 为通信频率，在本实验中为20 MHz。

由于不同耦合方式的主要区别在于电极与人体是否接触，因此通过调节信号发送端的接触阻抗 Z C1和 Z C2 的值便可对不同的耦合方式加以区别:电容耦合方式下电极与人体不接触，故Z C1 和Z C2 主要呈现为容性;而电流耦合方式下电极与人体直接接触，Z C1 和Z C2 呈现为阻性。此外，针对信号发送端两电极耦合方式不同的情况也进行了分析，包括 Z C1 为阻性、Z C2为容性时的正向容阻耦合方式，以及 Z C1 为容性、Z C2为阻性时的反向容阻耦合方式，如图2 所示。

图 2 人体通信不同耦合方式的等效电路模型。 (a)电容耦合;(b)电流耦合;(c)正向容阻耦合;(d) 反向容阻耦合

1. 2 水模型方式

由于研究为植入式人体通信耦合方式，需要将发送端置于人体或生物体之内，所以较为不便。在研究中，普遍会通过建立水模型的方式模拟人体环境进行实验，笔者也同样采用了这一方式。生物体对于电流的传导通路如图 3 所示，包括了经由细胞外液电阻 Ｒ ext 传导的细胞外通路，以及经由细胞膜电容 C m 和细胞内液电阻 Ｒ int 传导的细胞内通路。在本实验中，由于使用的通信频率为 20MHz，细胞膜电容 C m 的阻抗在这一频率下可以忽略不计，因此可视为信号是在电解质溶液中进行传播的。基于此，使用生理盐溶液对人体内电解质环境进行了模拟，并使用厚度 2 mm 的有机玻璃容器进行承装，以模拟皮肤在通信中起到的高阻抗作用，将通信端发送端和接收端分别置于容器内和容器外，如图 4 所示。

图 3 人体组织等效电路 图 4 水模型实验方法

在人体通信实验中，若通信的发送端和接收端同时使用接地设备，会引入地回路的干扰，造成测量结果的不准确  。因此，使用由电池供电的独立信号发送端进行实验，可实现频率 20 MHz、峰峰值1 V 的正弦信号输出。电路和电池被共同放置在一小型号太空杯内进行防水处理，在正式实验中可整体没入生理盐溶液中，如图 5 所示。同时，对应电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合 4 种不同的耦合方式，共制作了 3种不同的电极与发送端电路相连:两电极均不暴露的电容耦合电极、两电极均暴露的电流耦合电极、以及仅有一个电极暴露的容阻耦合电极。电极为2 cm ×2 cm 的铜箔，衬底材料为环氧树脂，如图 6 所示。

图 5 人体通信实验装置 图 6 人体通信实验电极。(a)电容耦合电极;(b)电 流耦合电极;(c)容阻耦合电极

在实验中，将装有通信发送端的太空杯固定于容器底部，电极与位于容器外部的通信接收端相对，两者间距为 30 cm。接收端的电极贴于有机玻璃容器的外表面，接收信号则通过滤波后由示波器进行观察记录，并通过公式计算衰减值，有

                                                                                          G = － 20 lgV rec/V tra     (2)

式中:G 为衰减值，dB;V rec 和 V tra 分别代表接收和发送的电压幅值。

2 结果

2. 1 等效电路仿真

通过 改 变 输 入 端 电 极 的 阻 抗 特 性，使 用Multisim 软件建立了对应的等效电路模型，并仿真测试了 20 MHz 通信频率下 4 种不同耦合方式的通信衰减，计算机仿真结果如表 1 所示。结果表明，正向容阻耦合方式下通信的衰减值最小，随后依次为电容耦合方式、电流耦合方式和反向容阻耦合方式。

2. 2 水模型实验

示波器记录到 4 种不同耦合方式下的通信衰减结果，如表 2 所示。通过表中的数据不难看出，在水模型实验中，衰减最小的耦合方式为正向容阻耦合方式，电容耦合方式、电流耦合方式和反向容阻耦合的通信衰减依次增大，和仿真结果一致。

2. 3 结果对比

将仿真结果和实验结果放在一起进行对比，如图 7 所示。可以看出，无论是仿真值还是测量值，正向容阻耦合方式下的通信衰减明显小于其他 3 种耦合方式。对比仿真和实验的结果发现，除了反向容阻耦合方式外，电容耦合、电流耦合及正向容阻耦合方式下仿真和实验所得出的衰减值基本一致，证明了所建立的模型与真实情况较为相似，实验结果有一定的说服力。而反向容阻耦合方式下，两者呈现的区别主要是由于实验中使用的示波器的精度不足，无法测量到低于 10 mV 的接收幅值。

图 7 仿真结果和实验结果的对比

3 讨论

经过对 4 种不同人体通信耦合方式通信信号衰减的仿真和实验，可以得出正向容阻耦合方式是最适用于在植入式设备通信之中使用的结论，为植入式医疗设备的通信设计提供帮助和支持。目前，植入式医疗设备中所使用的均为基于射频的通信方式，其不足之处在于通信距离短、能量消耗大，对植入式医疗设备的使用寿命有很大的影响，而造成这些不足的根本原因正是由于射频通信的信号衰减是按照通信距离的平方增大的。反观人体通信，实验中的正向容阻耦合方式在 30 cm 距离下的通信衰减仅为 28 dB，通过简单的放大滤波就可以获取通信信号，表明这种方式有着十分巨大的应用前景。图 8 人体通信不同耦合方式的传输原理。在实验结果的基础上，也对造成该结果的原进行了分析，如图 8 所示。在电容耦合方式下，电极不与人体直接接触，通信信号以电磁波的形式同人体及周围环境进行耦合，达到信息传输的目的;电流耦合方式则由电极直接向人体发送信号，但由于两个电极均与人体接触，通过人体形成了电流通路，大部分能量直接回流至信号源，仅有少部分实现了通信功能，因此通信衰减反而高于电容耦合方式;在正向容阻耦合方式中，发送端的信号电极直接接触人体，参考电极则与周围环境通过分布电容耦合，人体主要传输通信信号，通信衰减最小;而反向容阻耦合方式则相反，人体接触了发送端的参考电极，并未起到传输通信信号的作用，因此很难通过这种方式完成通信。此外，目前本实验只研究了由体内向体外发送信号的情况，如希望通过人体通信方式完成植入式设备的双工通信，还需进行信号由体外发送至体内接收的实验，方可将通信系统补充完整。

图 8 人体通信不同耦合方式的传输原理。(a)电容 耦合;(b)电流耦合;(c)正向容阻耦合;(d)反向容阻 耦合

4 结论

人体通信是一种具有广阔前景的非射频无线通信方式，在诸多领域都有着潜在的应用价值。本研究主要针对人体通信在植入式医疗设备中的应用，探索了使用人体通信进行植入式设备通信的最佳耦合方式，通过等效电路模型仿真和水模型实验测量的方式，对电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合以及反向容阻耦合 4 种不同耦合方式的通信衰减进行了考察，并得出正向容阻耦合方式是最适用于体内外人体通信的耦合方式的结论。在进一步的研究中，将会尝试设计并制作适用于植入式设备通信的人体通信模块，通过动物实验对其进行实用性验证，以期达到将人体通信应用于植入式设备中的目的。