人体通信

人体通信ŽeljkaLučev,IgorKrois,andMarioCifrek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4Hz和1kHz范围之间,此时最大电流密度是2mA/m2,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]频率范围,fJmax[mA/m2]1Hz81-4Hz8/f4Hz-1kHz21kHz-10MHzf/500100kHz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0.08W/kg,头部和躯干的局部SAR值2W/kg,和四肢的局部SAR值4W/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10wm2⁄。部分人认为人类知觉及其他间接影响是通过接触电流。Ic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]频率范围,fIdmaxmA2.5kHz0.52.5-100kHz0.2f100kHz-110MHz203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。人体发射机EMG传感器发射机EMG传感器发射机EMG传感器发射机EMG传感器标准无线电线路接收机中央单元图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(1mW),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。人体发射机EMG传感器发射机EMG传感器发射机EMG传感器发射机EMG传感器人体通信接收机标准无线电线路中央单元图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。10Hz至10GHz频率范围,生物组织介电性能在[9-11]中Gabrieletal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1MHz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。Zimmermanetal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：EaEbEcEdEs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.