一種基于可穿戴設備的人體通信分析方法

劉志遠，邢 珺，簡榮坤，王 旭

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

人體通信技術是利用人的身體作為通信信號傳輸媒介的一種新型通信方式，通信電極貼在人的身體上，通過手臂或身體其他部位去接觸配備了同樣通信電極的機器或人，實現數據的快速交換［1］。人體通信技術是形成可穿戴設備網絡或系統的關鍵技術之一，人體通信技術可以實現在不同種類的可穿戴設備之間或者不同佩戴可穿戴設備的人之間進行信息的交互和傳遞［2］。研究以人體作為信號傳輸信道的可穿戴設備通信系統不僅在醫療軍事方面有很好的應用前景［3］，在生活服務和個人消費娛樂方面也具有相當大的市場潛力［4］。

現有可穿戴設備的人體通信分析方法都是將人體的各層組織看成是電磁特性相同的整體，而實際中人體的每一層細胞組織的電磁特性都不相同，現有的分析方法未能準確反映人體不同組織層的電磁特性變化對信號傳輸的影響。

本文提出了一種用于可穿戴設備的人體通信技術的等效電路模型分析方法，將人體的組織層特性細化分析從而得出整個人體通信的信道增益。利用有限元仿真軟件Ansys HFSS建立了人體通信模型，深入分析了人體通信的信道特性。

1 人體通信等效電路

如圖1 中所示，在可穿戴設備的人體通信系統中，發射端通過兩個正方形電極(源電極和地電極，)在人體組織內部產生感應電流，接收端兩個電極(源電極和地電極，與發射端尺寸相同)利用人體組織的電阻特性檢測電極之間的電勢差。其中，D 為收發端的間距，DS為發射端電極和接收端電極的電極內間距?？纱┐髟O備一般應用于人體前臂，故采用人體前臂作為人體通信的信道。人體前臂可看作是一段由五層組織層構成的電介質塊模型。如圖2所示，五層組織層分別為表皮層、脂肪層、肌肉層、密質骨層和疏質骨層。

圖1 人體通信示意圖Fig 1 Diagram of human-body communication

圖2 人體前臂的組織層結構Fig 2 Tissue layer structure on human forearm

1.1 人體組織阻抗

人體組織是由移動的電荷和移動受限的偶極子組成，所以，人體組織可看作為一種非理想的電介質［5］。當人體組織中的導電細胞被外界電信號激勵時，每一個導電細胞和它附近的細胞全都被激活，并且可以根據導電細胞的結構和信號的工作頻率形成不同的信號傳輸通路。小于1 kHz的低頻信號無法穿透高阻抗的細胞膜，信號只能在細胞外的液體中繞行傳輸;而大于10 kHz 的高頻信號可以通過高阻抗的細胞膜，信號可以在細胞內的液體中傳輸。因此，人體組織中細胞膜的形成一種電容效應，這種效應只允許高頻信號分量在人體中傳輸。人體內存在許多不同頻率的電信號，例如:神經脈沖、腦電波、心電波等信號的頻率都在50 kHz 以下。為了保持人體通信的安全性和可靠性，人體通信的信號工作頻率應該在50 kHz 以上。而當信號的工作頻率在100 MHz 以上時，信號向周邊空間輻射的能力顯著增強，不利于信號在人體內部傳輸。所以，適合人體通信的信號工作頻率在100 kHz～100 MHz 之間。由于人體尺寸遠小于頻率為100 MHz 以下的信號波長，在分析信號在人體中傳輸時可以采用集總元件模型等效人體組織。

利用人體組織與頻率相關的電特性，如圖3 所示，一個簡單的人體細胞模型可以由代表細胞對信號的散射損耗電阻Rext，Rint和代表細胞保持電荷能力的電容Cm組成［6］。人體組織的電特性［7，8］(介電常數ε 和電導率σ)為

式中 ε0，εr分別真空介電常數與相對介電常數，ε'為介質常數，ε″為相位損耗因子，在復介電常數中表示為

其中，ε∞和εs為頻率在極大值和極小值時相對應的介電常數，ω 為角頻率，τ 為介質弛豫時間。

由式(2)和式(3)可得出人體組織的導納為

其中，Gext為人體組織的電導，M1為人體組織橫截面積A 與信道長度L 之比，M2為人體組織橫截面積A 與信道的厚度T 之比，FW為人體組織的含水量系數，k 為細胞內外阻抗比。

圖3 單元組織細胞等效電路Fig 3 Equivalent circuit of single tissue cell

1.2 單元人體組織等效電路模型

應用Cole—Cole 模型［7］的四阻抗分析方法對得到的人體組織阻抗進行分析，從而建立人體前臂的的等效電路模型。如圖4 所示，人體前臂可以等效成由ZD，ZL，ZC，ZT組成的電路。ZD，ZL，ZC，ZT這四個阻抗值可通過信號激勵后單元人體組織中產生的四條電流通路P1，P2，P3，P4得到。

圖4 人體組織等效電路模型Fig 4 Equivalent circuit model of human tissue

電流通路P1是由發射端的源電極流向發射端的地電極的電流形成，此通路在等效電路模型中用阻抗ZD表示。此時，式(4)中的M1=(EL×T)/DS，EL為正方形電極的邊長，T 為組織層厚度，M2=T，所以

電流通路P2是由發射端的源電極流向接收端的源電極的電流形成，此通路在等效電路模型的用阻抗ZL表示。此時，式(4)中的M1=(EL×T)/D，M2=T，所以

電流通路P3是由發射端的源電極流向接收端的地電極的電流形成，此通路在等效電路模型的用阻抗ZC表示。此時，式(4)中的，所以

電流通路P4是由在發射端的源電極流向脂肪與脂肪以下各層的電流形成，此通路在等效電路模型的用縱向阻抗ZT表示。此時，式(4)中的M1=T/Ae，Ae為電極表面積，M2=DS，所以

1.3 人體前臂通信信道增益

將發射端的源電極作為參考節點A(節點B 為發射端的地電極)，而接收端的源電極為起始節點C(節點D 為接收端的地電極)。由基爾霍夫電流定律可知，節點A 的的電壓為

式中 VA，VB，VC，VD，VE，VF，VG，VH為各節點的電壓，I 為輸入電流，根據下列公式即可得到節點C 和D 的電壓為

而人體前臂的信道增益可通過各個節點的電壓值得到

2 人體前臂模型仿真與分析

2.1 仿真模型的建立

如圖5 所示，利用Ansys HFSS 全波電磁場仿真軟件建立人體前臂的仿真模型，通過HFSS 的有限元分析方法可以得到人體前臂模型的信道增益，模型的詳細參數見表1。

圖5 人體前臂仿真模型Fig 5 Simulation model for human forearm

表1 人體前臂模型參數Tab 1 Forearm model parameters

模型中收發端電極采用一對10 mm×10 mm×1 mm 的銅片模擬，每對電極間通過定義復阻抗的集總端口連接。在發射端電極之間輸入1 mA 電流，并在人體前臂模型周圍300 mm 建立一個開路電場的邊界條件，模擬實際工作環境。

接收電極之間的電場強度可以計算輸出電壓，則人體前臂組織的增益為

其中，ET為發射端的電場強度，ER為接收端的電場強度。

2.2 等效電路模型與仿真模型對比

當收發端距離D=100 mm 時，收發端電極間內間距DS=50 mm，FW=0.7 時，圖6 給出了等效電路模型分析方法與仿真模型的信道增益隨頻率變化的關系。在工作頻率為100 kHz 時，由等效電路模型計算出的信道增益為－52 dB，而在100 MHz 時信道增益衰減約8 dB。通過仿真模型分析出的結果與等效電路模型分析方法計算的結果小于1 dB，驗證了等效電路模型分析方法的有效性和準確性。并且從圖6 中可以看出，隨著信號頻率的增加，人體通信的信道增益衰減越大，證明信號頻率越大在周圍空間的輻射損耗也越大。

圖6 等效電路模型與仿真模型對比Fig 6 Comparison between equivalent circuit model and simulation model

3 結 論

本文提出一種基于可穿戴設備的人體通信等效電路分析方法，等效電路分析方法充分考慮了人體各組織層的電磁特性，得到人體通信的信道增益，并與仿真軟件HFSS 建立人體通信模型得到的結果高度契合。仿真結果顯示:等效電路模型與仿真結果計算的人體通信信道增益差異小于1 dB。人體通信等效電路模型分析方法的提出為可穿戴設備的優化設計和未來發展提供了應用基礎。

［1］ Zimmerman T G.Personal area networks:Near－field intrabody communication［J］.IBM System，1996，35:609－617.

［2］ Shasha L，Fengye H，Guofeng L.Advances and challenges in body area network［J］.Communications in Computer and Information Science，2011，226:58－65.

［3］ Hachisuka K，Nakata A，Takeda T.Development of wearable intra－body communication devices［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2003，105:109 －115.

［4］ Tronstad C，Johnsen G K，Johnsen C，et al.A study on electrode gels for skin conductance measurements［J］.Physiol Measurement，2010，31(10):1395－1410.

［5］ 阮方鳴，Tomasz Dlugosz，高攸綱.計算人體生物電阻抗的柱體模型算法［J］.電子學報，2010，38(2):469－472.

［6］ Swaminathan M，Cabrera F S，Pujol J S，et al.Multi－path model and sensitivity analysis for galvanic coupled intra－body communication through layered tissue［J］.IEEE Transactions on Biomed Circuits and Systems，2015，99:1.

［7］ Wegmueller M S，Oberle M，Felber N，et al.Signal transmission by galvanic coupling through the human body［J］.IEEE Transactions on Instrument，2010，59(4):963－969.

［8］ Cho N，Yoo J，Song S J，et al.The human body characteristics as a signal transmission medium for intrabody communication［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55:1080－1086.