两种人体通信电耦合模型的探讨与比较

两种人体通信电耦合模型的探讨与比较两种人体通信电耦合模型的探讨与比较 潘少恒 1 2 高跃明 2 3 黄国杰 1 麦炳源 1 2 韦孟宇 1 2 3 杜民 2 3 1 教研室电气和电子工程学院和科技学院 澳门大学 澳门 中国 2 中国福建省医疗器械重点实验室及制药技术 3 精密仪器研究所 福州大学 福州 中国 摘要 内部机构的沟通 IBC 是一家新的 新兴的 短距离和人体基础沟通 的方法 这是一种对人体网络中各种设备的技术 利用人体组织的导电性能 对于目前迅速发展的主体区域网络 禁令 身体传感器网络 BSN 的 很合适 IBC 被认为是来自外部的电磁噪声 安全性和频谱资源的限制 在功耗 电磁 辐射 干扰的优点 在这篇文章中 作者发展出两种模型 就是分析和实证方 法 用于比较人类肢体上的表现和内部机构的沟通的准确性 通过在五个志愿 者体内实验中 两个模型都基本上符合与等效电路模型优于电磁模型所面临的 最大误差的实验结果 关键词 内部机构的沟通 分析模型 实证电路模型 1 简介简介 内部机构的沟通 IBC 是一家新的 新兴的 短距离和人体基础沟通的 方法 这是一个对人体网络中各种设备的技术 利用人体组织的导电性能 一 个典型的内部机构的沟通是通过耦合的少量电流来实现 这是低于进入人体的 安全阈值 然后 接收拿起人体上的另一位置的电信号 如今 在快速发展特 设机构区域网络 禁令 和身体传感器网络 BSN IBC 被认为自己的优势 在于低功耗 减少电磁辐射 来自外部的电磁噪声干扰少 提高安全性 以及 提高频谱效率 内部机构的沟通在 1995 年出现以来 1 两个执行办法已经制定 电容耦 合技术是两个电极的方法与普通耦合 2 和电偶四耦合技术电极 3 内部机构的沟通有几个应用程序开发 例如 名片交换原型 4 心电图 心电图 监测 5 虚拟打字系统 6 并与植入装置 7 沟通 在理论研究方面 内部机构的沟通造型的方向是多种多样的 最近 光 蜂须贺等人进行实验 以比较电偶耦合技术和电容耦合技术 2 之间的性 能 2009 年 Ryoyu 徐等人 也报告了内部机构的沟通通道测量实验装置 他 们发现 电容耦合技术的特点 显示了在大约 42MHz 8 与中心频率的带通专 页 等效电路的发展是另一种流行的内部机构的沟通的一种模型 在整个内部 机构的沟通的研究 为内部机构的沟通会提出了许多等效电路 最新开发的全 是 Cho 等 通过使用三个汽缸代表人体 对身体的通道电路模型 形成满意的 结果与实测数据的比较中得到 9 数值模拟也是内部机构的沟通分析的强有力工具 有代表性的是由 K 藤井 工作等报道 他们模拟了一个内部机构的沟通全身人体模型通过使用时域有限 差分法 FDTD 有趣的是 他们的结论是一个简单的计算模型 均匀的电容耦 合内部机构的沟通 10 就足够了 值得一提的是吨 Sasmori 等 在 2009 年 报 告说 建模分析方法高频率的电容耦合内部机构的沟通 在这篇文章中 在电磁理论和等效电路模型为基础的模型的开发 与其他 方法相比 具有分析模型表明在人体的各种参数的灵活性 所开发的模型还考 虑了在一定程度上对人体不均匀的性质 在第 2 节 电磁模型的细节进行了描 述 第 3 节描述的等效电路模型 用于比较两种型号的性能试验 可以发现在 第 4 节 讨论的结果和结论是基于第 5 节 2 2 电磁模型电磁模型 人类肢体内部机构的沟通第一次近似为圆柱体 形成了肢体模型的基础 这项安排使一个人的肢体复杂的结构 是数学的描述 组织同心层受聘来表达 人类肢体成分 如图所示 1 其中 h 描绘了肢体的长度中 R1 Rn 的代 表各组织半径和 1 n 代表组织的电导率 从内到外分别开始 Transmitter 变送器 图一 肢模型代表内部机构的沟通 准静态近似假设和限制小于 1MHz 的工作频率 电场和磁场的解耦 11 在 体积理论下 人类的组织指挥被认为是进行媒体 11 因此 肢体模型可以被 视为源自由 多层 进行圆柱形介质和控制方程可以简化为式一 s V 0 s 1 N 1 其中 V 肢模型描绘了电压 强度 s 描绘组织 Conductivies 而 N 表示层 的总数 再加上边界条件 式 2 式 3 和式 4 为内部机构的沟通的肢体数学模型 形成的 在此模型中 式 4 代表在肢体电极表面发射信号耦合和电流密度表示 普通电极形状 也可以通过引入模型中定义在式 4 中 式 5 和式 6 是连续性 n J 癌旁组织之间的接口定义的属性 其中 z 描绘了电流密度正常的组成部分注入到肢体 n J 其中s 1 N 1 通过求解式 2 到式 6 在 IBC 的一个肢体模型的解析解的数学模型可以表 示为式 7 其中为修正贝塞尔的 n 阶第一类的功能秩序和 K 为修正贝塞尔 n I n 的 n 阶第二类功能秩序 常量 Esmn Fsmn Gsmn 和 Hsmn 在式 7 里 也可以 通过式 8 和式 9 找到使用 因为 V 在 r 0 里是有限的 因此 F1mn 和 H1mn 都等于零 在这个数学模型中 作者试图评估内部机构的沟通的性质 该肢体尺寸 25 厘米长作为半径四层组织 即用 32 5 毫米 骨骼 肌肉 脂肪和皮肤 发射器 的电极的平方大小是由 40 毫米 50 毫米 40 毫米位于从一个肢体结束 在 1996 年 5 该组织的电导率均来自加布里埃尔由 S 等人提出的参数模型 所研究 的地点应该是在 60mm 的离发射器电极的边缘 与提出的接收器匹配 对人的肢 体 肌电图 EMG 等是主要的内源信号和频率的表面肌电图上一般限制将 500Hz 的 12 因此 避免从人体的生物医学信号的干扰 内部机构的沟通调 查的频率范围是从 1kHz 到 1MHz 的选择 计算结果可从图 2 看出 frequency 频率 图 2 IBC 的计算和测量 3 3 等效电路模型等效电路模型 在本节中 作者提出作为交替等效电路模型 为探索内部机构的沟通的性 质 这是一个造型比较简单的方法 减少了电磁模型的复杂性 但它是一个一 般性的模式 并具有经验型的技术 在图 3 一个简单的等效电路 提出了从 实验室结论在活体测量 在电路中 一个二阶高通滤波器构成一个简单的电路 的等效电路的基本结构为代表的发送和接收器之间的距离电极变化 output 输出 input 输入 图 3 等效电路模型的典型值示意图 等效电路模型是需要经过训练阶段 其中 参数 电阻和电容器即价值 是由测量数据确定之前 代表内部机构的沟通的电气性能的能力 因此 采用 相同的测量配置 程序 并提到在第 4 节 已招募 4 名志愿者和他们的测量数 据总结和发展的等效电路的方法 在等效电路参数确定后 该模型的能力测试对测量结果 在图 4 中 从绘 制的等效电路模型中得到结果 frequency 频率 图 4 方法比较和等效电路模型 4 4 体内试验体内试验 5 名健康男性志愿者已被选定为实验 在测量过程中刺激电极表面 40 毫 米 40 毫米的面积 被用于耦合到人体信号 拿起在接收信号的电极 如图 5 所示 两个电极连接距离为 50 毫米发射器和接收器是肘部距发射 60 毫米 这形成了一个简单的电流耦合内部机构的沟通作为通信介质上臂 一个校准安 捷伦 4395A 网络 频谱 阻抗分析仪是用来测量信道的特点 此前在体内测量 测量的特点是设置转移作为对后来的赔偿基准 Transmitter Electrodes 发射器电极 Receiver Electrodes 接收器电极 图 5 放置在实验中 不按比例 电极 关于同一主题测量进行了三天 从图 2 第 1 天第 3 天测量测量和形状相 似 只是在数量上的最大差异接近 10 分贝 第 2 天测试结果表明在较高的频率 从其他很多变化 它似乎已经从大约 50kHz 与 200kHz 的高衰减少跑 一般来说 三天的测量结果在宏观相似 在测量变化的原因是多种多样的 首先 实验进 行分离天 三个生理变化的体内会或多或少引起的测量 这是很难评估的变化 其次 由于人类的四肢 精确重复定位发射器和接收器的不规则形状是不容易 维持 计算结果在第 2 节取得发展尽可能紧密的内部机构的沟通实验选择参数的 电磁模型 通过对比的 EM 模型计算结果与测量图的结果 图 6 电磁模拟结 果的趋势 在匹配而不是在低频率的高频率的测量结果 计算结果低估了约 20dB 的低频率 但随着规模重复顺序相同通道的增益 请删除这在高频率范围