文摘

描述人体作为电信号的传输介质是使用intrabody通信的必要性(IBC)技术在连接可穿戴电子传感器和设备。在本文中,我们提出一个新颖的多层分布式电耦合电路模型类型IBC,强调在与其他IBC模型的传播特性。基于模型,用MATLAB编写程序来研究人体信道的传播特性与10 MHz至20 MHz的频率和5厘米到10厘米的距离。最后,一个电耦合IBC测量来验证该模型实现。结果证明该模型是有效的,正确的。

1。介绍

Intrabody通信(IBC)是一种很有前途的无线通信技术,首次提到齐默尔曼在1995年(1]。它是一种技术,利用人体作为电信号的传输通道。与其他无线通信技术相比,它有助于满足高要求的低功耗,缩小体积,和安全的电子设备穿着对身体或植入人体2]。有两种基本方法的信号发射机和接收机之间的耦合在一个IBC系统:电容耦合,电耦合3]。在电容耦合方法中,只有两个信号电极附着在皮肤,发射机(TX)和接收器(RX)地面电极保持漂浮,这很容易受到嘈杂的环境,因为关闭信号返回路径通过周围的环境和外部地面(4]。电耦合的方法,这是本文重点,应用一个电信号不同,然后收到一双TX电极和一双RX的电极接触皮肤。这样,人体TX和RX之间可以看作一种输电线路(波导)的信号传播的地方。为了更好地理解电耦合IBC的行为,它是重要的探讨人体信道的传播机制。有许多不同的方法已经提出了电耦合IBC建模(5- - - - - -10),如有限元法(FEM)模型、准静态场理论模型、等效电路模型和分布式电路模型。在[5),一个现实的人类手臂的三维有限元模型提出了1千赫至100 MHz的频率范围和距离5厘米至20厘米。在[6),人类肢体的准静态场模型1千赫至1 MHz的频率已经解决了分析和单通道的增益长度6厘米的。在[7),一个简化的等效电路模型提出了人类手臂的IBC的频率范围200千赫至10 MHz和通道长度7.5厘米到11厘米。类似的简化电路模型也被提出(8)从1千赫至1 MHz频率范围和通道长度从5厘米到30厘米。多路电路模型通过分层组织一直在给9),该研究从100 kHz频率是1 MHz的通道长度是5厘米至40厘米。在[10),一个分布式电路模型关注的传播特性已被调查IBC耦合技术,频率和通道长度在哪里,分别从10千赫至1 MHz,从5厘米到15厘米电耦合IBC。然而,大多数上面列出的模型主要研究低频的情况下(一般低于1 MHz)电耦合IBC。此外,大多数的模型不够简单、准确解释电耦合IBC的实验结果。有限元模型(5,6)需要一个非常复杂和大型的计算。此外,他们通常是建基于准静态场理论的波长必须远远大于身体维度的研究领域。根据(4,11,12),超过10 MHz,特别是在大TX-to-RX距离,身体的天线效应增加,所以仿真频率100 MHz (5)是不适当的和获得的结果的正确性仍然是一个疑问。在简化的等效电路建模7- - - - - -9),人体的阻抗计算基于块的参数而不是分布参数,这种等效并不是适合高频IBC因为波效应的频率高于大约10 MHz (12- - - - - -14]。分布式电路模型(10)只需要皮肤层的分布参数的影响,忽略了分布参数的脂肪和肌肉组织。正如我们所知,绝对不能忽略波传播影响随着频率的增加,和通信不再是一个正式的IBC方案。因此,仍需要进一步的研究,以开发更精确的模型来识别IBC的传播机制的性能。

因此,客观的身体高速短程通信在无线区域网络(WBAN),在本文中,我们提出一种新颖的多层分布式电路模型调查电coupling-type IBC的传播机制。人的前臂,我们在MATLAB编写一个程序来计算电压收益基于该模型的身体通道10 MHz至20 MHz的频率和传播距离5厘米到10厘米。与此同时,我们也进行了一些实验测量使用协调电耦合设置来验证该模型。应该指出的是,频率范围在我们的研究远远高于任何其他现有电耦合IBC的研究。因此,这个模型将会很有价值的电耦合IBC在高速通信的限制当前电耦合IBC。

本文的组织结构如下:部分2提出了一种多层分布式电耦合电路模型IBC。部分3描述了该模型的计算结果。部分4介绍了电耦合IBC测量设置和与该模型的比较结果。最后,部分5提出了本文的结论。

2。该模型

2.1。人的前臂几何模型定义

摘要人的前臂简化为多层圆筒由五个不同的同心层,每个模拟不同的组织:皮肤、脂肪、肌肉、皮质骨和松质骨。详细的几何图所示1参数表中列出1。组织范围内的厚度是真正的解剖比例,是指提出(5]。两双的平方TX和RX电极放置在皮肤上距离决定le和l年代。应用交流信号TX和传播给RXz设在。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
提出了模型的几何。(a)横切面的手臂组成的五个同心层组织:皮肤、脂肪、肌肉、皮质骨和松质骨。(b)与电极臂的纵向视图,描述参数,如通道长度(l 年代),电极间的距离(l e),手臂的长度(l 手臂)。
表1
人的前臂的几何参数。
2.2。人的前臂多层分布式电路建模

人类的前臂可以被视为有损多层输电线路由多层分布式电路,因为信号从TX RX传播在多路径通道由不同的组织层皮肤,脂肪,肌肉和骨骼。每个人体组织层相当于一个分布式电路包括定期插入的基本细胞形成的阻抗 和导纳 ,定义在同一平面上,与研究的目的对传播特性的影响。阻抗 由电阻吗 和电感 ,在哪里 和 ,分别模拟电阻特性和人体组织的诱导效应之间的信号传播的基本细胞沿着传播轴重复。的导纳 表示为并联电路由电导吗 和一个电纳 ,在哪里 模拟组织的导电通路 占电场效应。这两个 和 两个点之间的纵向方向上定义放在同一个平面上。例如,皮肤层的等效分布参数电路如图2,在那里Ze电极的等效阻抗和吗Z年代和Y年代分别是皮肤的分布式阻抗和导纳。我们可以看到,分布参数元素Z年代和Y年代虚线框所示的重复与纵向方向来表示信号的传播特性的皮肤组织。其他组织层,如脂肪和肌肉,建模,最后详细模型方案如图3。应该注意到,只有三层的模型是由分布式电路:皮肤、脂肪和肌肉。骨层并不认为因为人的前臂几何模型的相应的电路是对称和骨骼的导电率远低于其他组织,导致几乎没有电流的骨组织。此外,该电路层之间连接的等效分布另外模拟信号的传导从皮肤到脂肪和脂肪,肌肉在径向方向上。在图3,Z年代和Y年代,Zf和Yf,Z米和Y米分别是per-unit-distance阻抗和另外的皮肤、脂肪和肌肉。Y科幻小说和Y调频分别是,per-unit-distance另外皮肤肌肉脂肪和脂肪。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图2
分布式电路等效的皮肤层。(一)电coupling-type IBC。(b)分布式电路的皮肤层。(c)皮肤阻抗(Z 年代)。(d)皮肤电导(Y 年代)。

图3
多层分布式电路模型的电耦合IBC人的前臂。
2.3。阻抗和导纳的人体组织

介电性能的频率行为的组织,如电导率和介电常数,来源于加布里埃尔的参数模式等。15总结了测量从在活的有机体内人体实验动物和尸体解剖的尸体。这四个订单Cole-Cole方程(15]介绍了介电性能的变化的组织在一个广泛的频率范围10 hz - 100 GHz: 在哪里 复介电常数, 是色散的大小计算出在静态介电常数之间的区别吗 和无限的频率 , 是角频率, 的松弛时间常数取决于离子等物理过程的影响, 是在0和1之间的分布参数, 是静态的离子电导率, 是真空的介电常数。

一次 获得(1),它可分为实部和虚部(16)如下:

然后,相对介电常数 和电导率 可以得到如下:

接下来,每个组织很容易写的电导和电容如下: 在哪里K横截面积的比值是组织的长度,年代横截面积,l是一般设置为1米的长度分布参数计算。

最后,per-unit-distance阻抗的基本细胞在每个组织层与传播方向很容易计算

和per-unit-distance另外两点之间的基本细胞在每个组织层在同一平面通过以下:

应该注意的是,感应元素l被忽视在这个电路配置。

2.4。模型的方程

我们假设信号传播的z- - - - - -轴。我们的模型由一个线段的长度 包含阻抗 , ,和 和另外 , , , ,和 在图3。

我们的目标是确定的方式和程度的输出电压和电流改变的极限长度的输入值 方法一个很小的值。我们可以因此获得的一组微分方程描述了电压和电流的变化有关z。首先,每一层的输入和输出电压和电流电路,分别 和 和 和 , 。然后,基尔霍夫电压定律(在任一瞬间)和基尔霍夫电流定律(氯化钾)应用于电路还包括部分的整个长度,我们获得以下:

现在,在极限情况下, 趋于0(或一个值小到可以忽略),我们获得最终的微分方程形式描述了多层分布式电路模型如下: 在哪里 在哪里一个和B,分别称为净系列阻抗矩阵和并联导纳矩阵在多层传播一致per-unit-distance措施。

2.5。解决方案的模型方程

一旦获得多层分布式电路方程,最后的解决方案对电压和电流的分布z可以通过使用拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换。

借助拉普拉斯变换,(8)转换如下: 在哪里 和 是电压和电流的初始值对应 ;他们也相对应的初始值 。

当源电压对TX的时刻 ,目前尚未流入身体,所以我们给的值 和 如下: 在哪里 是正弦电压源应用于两个电极TX。

替换 和 (12),因此,我们可以获得以下:

最后,拉普拉斯逆变换的 和 是由以下几点:

这些都是多层分布式电路模型的解决方案。这些解决方案,收到了RX电极电压和电流在任何距离z可以发现,身体的电压增益通道是通过以下几点: 在哪里Vo是接收到的电压。

3所示。模型的结果

该模型在MATLAB编写一个程序进行研究与距离接收的电压增益z从5厘米到10厘米,从10 MHz至20 MHz频率。结果如图所示4。我们可以看到增益随频率的增加,这表明身体通道执行的财产作为一个高的带通特性对10 MHz至20 MHz的频率。我们也看到,获得了线性减少距离z,这表明接收的电压与信号传播方向指数衰减z。


图4
获得接收的电压对应的距离z和频率。

4所示。电耦合测量设置

为了验证该模型的结果,一个电耦合IBC测量人的前臂。信号发生器的安装由DG4162和变压器在发射机端FTB-1-6 (TX),数字隔离在接收机端示波器TPS2024 (RX)和四个4厘米×4厘米医疗电极LT-1附着在皮肤在一个微分配置图5(17]。应该注意到,一个微分探针必须用来测试接收信号电压,电磁干扰从交流源可以被消除。两者之间的兴奋信号发射器电极采用正弦电压值与峰3 V的频率范围从10 MHz至20 MHz。另外,随着分析的目的通道长度传输质量的影响,不同渠道的长度l年代6.5厘米,5厘米,8厘米,进行测试。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
电耦合测量设置。(一)测量电路。(b)测量现场。

图6显示获得的比较多层分布式电路模型和实验之间的电耦合的37岁的女性志愿者IBC。在图6的测量值是平均为期三天的重复实验的结果。它可以发现结果的测量方法,在它们之间的差值都小于4 dB。表2列表、详细模型和测量的特定的值时 。最大和最小差异值3 dB和0.03 dB,分别。然而,从图6开始,我们还发现测量结果低于模拟结果在低频端(10 MHz),然后跨越,最终高于模拟结果在高频端(20 MHz)。这可能是由于电极之间的寄生参数,通常执行高通特征和价值在后面的研究验证。在实际的传播,随着频率的增加,身体附近的空气通道可能是其他路径的信号传输和提出了寄生参数的形式。而在我们提出的模型中,我们假设身体通道波导线信号主要传播的地方。在这种情况下,两个结果之间的偏差是合理的。因此,该模型是正确和有效的。它也证明了多层分布式电路模型适用于调查电耦合IBC的传播特点。


图6
IBC测量和模型之间的比较结果。
表2
IBC之间比较的增益值对应的距离测量和模型 。

5。结论

在本文中,一种新的多层分布式电耦合电路模型IBC在人的前臂提出了研究人体信道的传播特性。基于该模型,我们发现人体信道表现为较高的带通特性与10 MHz至20 MHz的频率,和信号与传播距离的增加呈指数衰减。这说明人的前臂就像一个多层有损传输线有相似特征对输电线路。验证模型的准确性,IBC人体前臂进行了实验,结果证明该模型基于多层分布式电路满足高频电耦合的实际情况IBC其他模型没有焦点。虽然模型是实现10 MHz至20 MHz的频率,它可能适用于更高的频率,例如,400 MHz,实验调查将在我们的下一个重要的工作。考虑到身体通道可能受影响的大小和类型不同的电极,我们将深入研究电极和帐户在下一步中建模。此外,我们还将专注于模型扩展到人体的其他部分和可能的应用这些发现的设计在未来无线医疗保健设备。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持下批准号U1505251,中国科技部项目没有。2016 yfe0122700,新世纪优秀人才计划的教育部,中国福建省。