人體通信中發(fā)送端接觸阻抗的實驗研究

【摘要】 本研究著眼于電流耦合型人體通信方式，抽象并簡化人體前臂的發(fā)送端等效電路模型。通過施加交變方波電流激勵，測量使用不同尺寸電極時的模型參數(shù)，并比較不同頻率下接收端的信號衰減率。結(jié)果表明人體前臂的信號衰減率隨接觸阻抗的增大而增大。在小腿處的測量也得到類似的結(jié)果。所以，在人體通信過程中應盡可能減小發(fā)送端“電極-皮膚”的接觸阻抗，可提高通信質(zhì)量。

【關鍵詞】 人體通信;電流耦合;接觸阻抗;衰減率;交變電流

Experimental Study on Contact Impedance

　　of Intra-body Communication TransmitterCHEN Yidong1,CAO Yuting1,GAO Yueming1, S.H.Pun1,2, P.U.Mak1,2, M.I.Vai1,2,LI Yurong1,DU Min1

　　(1.Key Laboratory of Medical Instrumentation & Pharmaceutical Technology,Fuzhou 350002,China;2.Biomedicine Department of

　　Electrical and Electronics Engineering, Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macau SAR 999078,China)職稱論文

　　Abstract：Focusing on the method of galvanic coupling, an equivalent circuit model of human forearm at the transmitter was simplified and developed. In order to clarify the effects of the electrode-skin impedance during intra-body communication(IBC), an alternating square-wave current was adopted to measure the parameters of the model in different sizes of electrode arrangements. Furthermore, the signal attenuations at different frequencies at 10 volunteers′ forearm were compared. The results showed that the attenuations were increasing along with the electrode-skin contact impedance. Similar results also appeared in the measurements of the calf. Therefore, the minimizing electrode-skin contact impedance is supposed to improve the quality of Intra-Body Communication.

　　Key words：Intra?body communication; Galvanic coupling; Contact impedance; Attenuation; Alternating square-wave current

　　1 引 言

　　人體通信(intra-body communication, IBC)是一種新興的將人體作為傳輸媒介的短距離信息傳輸方式[1]。它適用于體表、體內(nèi)及人體周圍一切可與人體接觸的傳感裝置。由于人體具有較好的導電性能， IBC較之現(xiàn)有的有線、無線技術，具有連接方便、不易受外界噪聲干擾、對外輻射較小、低功耗等諸多優(yōu)點。已有的人體通信方式可分為電容耦合型和電流耦合型[2]。由于電流耦合型IBC的大部分電信號從人體表面/內(nèi)部經(jīng)過，相比電容耦合型，其實現(xiàn)過程不易受到接地因素和周圍環(huán)境的影響，具有更好的適應性和抗干擾性[2-4]。

　　IBC所依賴的人體是一個相當復雜的生物系統(tǒng)。建立在人體內(nèi)部的電流信號傳輸亦是一個非常復雜的過程。從電學角度來看，不論是采用經(jīng)典的電磁理論解析方法，還是新興的各種數(shù)值計算工具，都難以獲得一個真實、完整人體信道模型。而等效電路法雖然不及上述方法深入、透徹，但對于實際應用卻有著簡便、實用的特點。

　　文獻[2]基于電流耦合型通信方式提出了一種由10個元件構(gòu)成的簡單四端電路模型，見圖1。每個阻抗由一個不同參數(shù)的三元件Cole-Cole模型描述。作者從電路的角度較為深入地描述了人體通信的傳播機理，定性比較了傳播距離、電極大小、人體組織電阻率變化對人體通信的影響。

　　不論是電極面積大小、電極材料異同，皮膚的干濕狀況、電極與皮膚的粘合程度等等這些在人體通信發(fā)送端的影響因素，其根本原因是造成了電極與皮膚接觸阻抗(即圖1中Zc)的變化。本研究將著眼于電流耦合型的人體通信方式，以前臂的電路模型為基礎，設計實驗方案，重點開展發(fā)送端接觸阻抗的測量和計算，探討發(fā)送端不同接觸阻抗對人體通信信號衰減率的影響，為深入了解和掌握人體信道的等效電路模型特性，提供定量化依據(jù)。

　　 2 模型和實驗

　　人體前臂由皮膚、脂肪、肌肉、骨骼等組織構(gòu)成。皮膚具有較強的介電特性。肌肉中含有水分和電解質(zhì)，導電性能好。而脂肪中含水極少，導電性能較差。脂肪層位于電特性良好的皮膚和肌肉之間，這種結(jié)構(gòu)與Cole-Cole模型等效[5]。

　　醫(yī)用電極由電極基片和導電膠組成，而皮膚由表皮層、真皮層和皮下組織組成。電極和皮膚接觸時的阻抗結(jié)構(gòu)見圖2。其中Rd、Cd分別代表電極與皮膚的接觸電阻和接觸電容;Re，Ce分別代表表皮層的電阻和電容;Ru代表真皮層和皮下組織的電阻[6]。

　　2.1 前臂發(fā)送端電路模型

　　人體通信中發(fā)送機產(chǎn)生的交變電流信號主要在兩個發(fā)送電極及其之間的人體組織傳導。只有較少的一部分電流會沿著皮膚和肌肉的纖維向外傳播[5]。圖2 電極與皮膚阻抗結(jié)構(gòu)圖

　　Fig 2 The structure of electrode-skin impedance

　　為了更好地研究發(fā)送電極與皮膚的接觸阻抗對通信質(zhì)量的影響，暫時忽略向外傳播的那一小部分電流，構(gòu)建如圖3(a)所示的發(fā)送端電路。

　　Zi的Ri、Re、Cm分別代表整個人體組織的等效內(nèi)外液電阻和膜電容。為了研究方便，對電路進行了簡化處理。此電路的總體特性可用一個三元件Cole-Cole模型來描述，見圖3(b)。其中，R1代表人體等效內(nèi)液電阻Ri;R2代表人體等效外液電阻Re與接觸電阻Rd之和;C代表人體膜電容Cm與接觸電容Cd之和。在恒定頻率下，人體輸入阻抗Zi基本不變，當電極與皮膚的接觸阻抗發(fā)生改變時，模型可反映出接觸阻抗對發(fā)送信號的影響。

　　2.2 實驗設計

　　采用交變方波電流對人體通信發(fā)送端的電特性進行測試。因為交變方波電流可以方便的控制對人體電容C的充電時間和充電電流，避免恒壓測量時產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，從而提高實驗的準確度。測量電路總體框圖見圖4。

　　由信號源產(chǎn)生的交變方波電壓信號經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成交變的方波電流(經(jīng)測試，設置輸出電流有效值為1 mA，在1～100 kHz頻率范圍內(nèi)，其輸出電流偏差不超過1%)，然后通過一對電極流經(jīng)人體的前臂，其間串聯(lián)了一個取樣電阻Rp。Rp為50Ω，遠小圖4 發(fā)送端測量電路總體框圖

　　Fig 4 The structure of measure circuit

　　于人體皮膚電阻(大于1KΩ)[7]。不會影響測試結(jié)果。

　　人體實驗圍繞10位自愿者展開。志愿者年齡為24～45歲，男女比例3:2，體重為46～81 kg。在整個實驗過程中，使用膠帶保證電極與人體正常良好接觸，要求自愿者平躺在測試床上，并保持放松狀態(tài)，待10 min后測量趨于穩(wěn)定后讀數(shù)。

　　本實驗使用了2 cm×2 cm、3 cm×3 cm、4 cm×4 cm的理療電極來進行對比實驗，用于比較不同的電極面積對接觸阻抗的影響。通過在實驗部位施加有效值為1 mA的交變方波電流，可保證實驗過程中不會出現(xiàn)突發(fā)刺痛的感覺，同時示波器測得的波形也較穩(wěn)定。示波器上觀測到的波形見圖5。

　　圖5 示波器上觀測到的波形

　　Fig 5 The Observed waveform on oscilloscope

　　通道1測得取樣電阻Rp上的電壓波形VS，反映了施加在人體前臂信號發(fā)送端的方波電流波形。通道2測得人體前臂通信信號發(fā)送端電極間的電壓波形，即在交變方波電流條件下作用于體表的響應電壓波形。在通道2的波形中，垂直線段部分反映了交變方波電流發(fā)生突變的一瞬間在電阻R1上產(chǎn)生的電壓突變VR1，在電流幅值恒定的情況下，VR1基本為一定值;曲線部分反映了人體電容在恒定電流條件下的充電過程，隨著時間的推移，人體電容上的電壓值以對數(shù)曲線的趨勢逐漸上升。交變方波電流的頻率越小，充電時間越長，人體電容所承受的電壓越大。設定充電時間T1、T2為0.05 ms(20kHz)和0.1 ms(10kHz)，從產(chǎn)生的波形中測量得到VR1、VT1+、VT1-、VT2+、VT2-的電壓值，聯(lián)立如下方程組，可解得模型參數(shù)R1、R2、C：

　　VR1=R1×I

　　VTOP=R2×I

　　T1=R1×C×ln[(VTOP-VT1-)/(VTOP-VT1+)]

　　T2=R1×C×ln[(VTOP-VT2-)/(VTOP-VT2+)](1)

　　其中，T1、T2為不同頻率下電容C的充電時間;VTOP為電容C充電飽和時所達到的最大電壓，其值等于R2和電流幅值I的乘積;VT1-、VT2-為電容C的充電起始電壓;VT1+、VT2+是電容C充電的截止電壓。

　　3 結(jié)果與討論

　　在室溫26℃、濕度60%環(huán)境下，對10位自愿者每人進行3次測試，取平均值。在一定程度上排除了個體差異。結(jié)果見表1。

　　表1 前臂發(fā)送端模型參數(shù)測量結(jié)果

　　Table 1 The measurement results of transmitter-terminal circuit

　　理療電極(cm)R1(Ω)R2(Ω)C(μF)4×4489.6211523.8920.1353×3614.2612902.4890.1052×2749.1424695.3550.095

　　發(fā)送端阻抗Z的表達式為：

　　Z=[R1+1/(jwC)]//R2(2)

　　在1～100 kHz頻率范圍內(nèi)，前臂處3種電極的發(fā)送端阻抗頻譜圖見圖6。

　　圖6 前臂處3種電極的發(fā)送端阻抗頻譜圖

　　Fig 6 Impedance frequency spectrum of 3 kinds of

　　electrode at human forearm 從圖6可以看出，在相同頻率下，對于同種電極來說，電極面積越小，接觸阻抗越大。在1～10 kHz頻段內(nèi)，隨著頻率的增加，三者的阻抗差逐漸減小。當頻率位于10～100 kHz的時候，兩者的阻抗差基本趨于穩(wěn)定。

　　在定量測得不同電極的接觸阻抗之后，有必要進一步了解發(fā)送端接觸阻抗的差異究竟會給人體通信帶來什么樣的影響。考慮到載波頻率的范圍，采用衰減率來描述人體通信的信道特性，其表達式為：

　　Attenuation[dB]=20×log10(UReceive/UTransmit)(3)

　　其中UTransmit為發(fā)送電極兩端的電壓，UReceive為接收電極兩端的電壓值。

　　人體試驗中采用4 cm×4 cm電極作為接收電極，固定收發(fā)距離為10 cm，以有效值為1 mA的正弦交流電流作為測試信號，測取三種發(fā)送電極在1～100 kHz情況下的衰減率，見圖7。

　　圖7 前臂處3種電極的衰減率曲線圖

　　Fig 7 Attenuation of 3 kinds of electrode at human forearm

　　從圖7中看出，對于同種電極來說，面積越大，電極和皮膚間的接觸阻抗越小，其對應的衰減率也越小。因而，選用較大面積的電極作為發(fā)送端的電極，可以在一定程度上提高人體通信的質(zhì)量。

　　我們將電極貼于小腿處進行了同樣的實驗，得到了類似的結(jié)果，見圖8。

　　與前臂測得的數(shù)據(jù)比較可以看出，在同一頻率下，小腿處的接觸阻抗和衰減率均比前臂小。造成這一現(xiàn)象的主要原因是小腿的肌肉比前臂厚實，更有利于信號的傳輸。所以，在1～100 kHz頻段內(nèi)，小腿具有更好的信號傳輸特性。

　　4 結(jié)論

　　在人體通信中，接觸阻抗是影響通信質(zhì)量的重(a)

　　(b)

　　圖8 小腿處的測量結(jié)果

　　(a)小腿處3種電極的發(fā)送端阻抗頻譜圖

　　(b)小腿處3種電極的衰減率曲線圖

　　要因素之一。本研究基于電流耦合型人體通信方式，以人體前臂為主要研究對象，對發(fā)送端電路模型進行分析和簡化。通過對人體施加交變方波電流測量模型的參數(shù)，圍繞三種不同面積的發(fā)送電極開展對比性實驗，得到如下結(jié)論：發(fā)送端電極與皮膚之間的接觸阻抗對人體通信發(fā)送端電路阻抗有著較大的影響，接觸阻抗越大，發(fā)送端阻抗越大，使人體通信過程中的信號衰減率變大。因此，在研究人體通信的機理時，不能忽略接觸阻抗的影響，應盡可能增大發(fā)送電極的面積，同時注意皮膚清潔，保證電極與皮膚良好接觸等措施，以減小接觸阻抗，提高信號增益，保證通信質(zhì)量。

【參考文獻】
　[1]Zimmerman TG. Personal Area Networks (PAN): Near-Field Intra-Body Communication, in Media Art and Science[D]. Master Thesis: Massachusetts Institute of Technology. 1995.

　　[2]Marc Simon Wegmueller.Galvanical Coupling for Data Transmission through the Human Body[A].In Instrumentation and Measurement Technology Conference[C].Sorrento,Italy，2006.1686-1689.

　　[3] Y. M. Gao, S. H. Pun, M. Du,et al.A preliminary two dimensional model for intra-body communication of body sensor networks[A]. in International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing, Sydney， 2008.273-278.

　　[4]Y. M. Gao, S. H. Pun, P. U. Mak,et al.Preliminary modeling for intra-body communication[A].in 13th International Conference on Biomedical Engineering (ICBME2008)[C].Singapore, 2008.1044-1048.

　　[5]Kenneth S. Cole and Robert H. Cole, Dispersion and absorption in dielectrics, I. Alternating current characteristics[J]. J. Chem. Phys，1941,341-351.

　　[6]J. G. Webster. Biopotentials & electrodes. Medical instrumentation: application and design, 3rd ed. John Wiley & Sons, 1998.

　　[7]International Electrotechnical Commission. Effects of current passing through the human body[R].Document 479-1, IEC，1984.

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