一种基于可穿戴设备的人体通信分析方法

刘志远，邢 珺，简荣坤，王 旭

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

人体通信技术是利用人的身体作为通信信号传输媒介的一种新型通信方式，通信电极贴在人的身体上，通过手臂或身体其他部位去接触配备了同样通信电极的机器或人，实现数据的快速交换［1］。人体通信技术是形成可穿戴设备网络或系统的关键技术之一，人体通信技术可以实现在不同种类的可穿戴设备之间或者不同佩戴可穿戴设备的人之间进行信息的交互和传递［2］。研究以人体作为信号传输信道的可穿戴设备通信系统不仅在医疗军事方面有很好的应用前景［3］，在生活服务和个人消费娱乐方面也具有相当大的市场潜力［4］。

现有可穿戴设备的人体通信分析方法都是将人体的各层组织看成是电磁特性相同的整体，而实际中人体的每一层细胞组织的电磁特性都不相同，现有的分析方法未能准确反映人体不同组织层的电磁特性变化对信号传输的影响。

本文提出了一种用于可穿戴设备的人体通信技术的等效电路模型分析方法，将人体的组织层特性细化分析从而得出整个人体通信的信道增益。利用有限元仿真软件Ansys HFSS建立了人体通信模型，深入分析了人体通信的信道特性。

1 人体通信等效电路

如图1 中所示，在可穿戴设备的人体通信系统中，发射端通过两个正方形电极(源电极和地电极，)在人体组织内部产生感应电流，接收端两个电极(源电极和地电极，与发射端尺寸相同)利用人体组织的电阻特性检测电极之间的电势差。其中，D 为收发端的间距，DS为发射端电极和接收端电极的电极内间距。可穿戴设备一般应用于人体前臂，故采用人体前臂作为人体通信的信道。人体前臂可看作是一段由五层组织层构成的电介质块模型。如图2所示，五层组织层分别为表皮层、脂肪层、肌肉层、密质骨层和疏质骨层。

图1 人体通信示意图Fig 1 Diagram of human-body communication

图2 人体前臂的组织层结构Fig 2 Tissue layer structure on human forearm

1.1 人体组织阻抗

人体组织是由移动的电荷和移动受限的偶极子组成，所以，人体组织可看作为一种非理想的电介质［5］。当人体组织中的导电细胞被外界电信号激励时，每一个导电细胞和它附近的细胞全都被激活，并且可以根据导电细胞的结构和信号的工作频率形成不同的信号传输通路。小于1 kHz的低频信号无法穿透高阻抗的细胞膜，信号只能在细胞外的液体中绕行传输;而大于10 kHz 的高频信号可以通过高阻抗的细胞膜，信号可以在细胞内的液体中传输。因此，人体组织中细胞膜的形成一种电容效应，这种效应只允许高频信号分量在人体中传输。人体内存在许多不同频率的电信号，例如:神经脉冲、脑电波、心电波等信号的频率都在50 kHz 以下。为了保持人体通信的安全性和可靠性，人体通信的信号工作频率应该在50 kHz 以上。而当信号的工作频率在100 MHz 以上时，信号向周边空间辐射的能力显著增强，不利于信号在人体内部传输。所以，适合人体通信的信号工作频率在100 kHz～100 MHz 之间。由于人体尺寸远小于频率为100 MHz 以下的信号波长，在分析信号在人体中传输时可以采用集总元件模型等效人体组织。

利用人体组织与频率相关的电特性，如图3 所示，一个简单的人体细胞模型可以由代表细胞对信号的散射损耗电阻Rext，Rint和代表细胞保持电荷能力的电容Cm组成［6］。人体组织的电特性［7，8］(介电常数ε 和电导率σ)为

式中 ε0，εr分别真空介电常数与相对介电常数，ε'为介质常数，ε″为相位损耗因子，在复介电常数中表示为

其中，ε∞和εs为频率在极大值和极小值时相对应的介电常数，ω 为角频率，τ 为介质弛豫时间。

由式(2)和式(3)可得出人体组织的导纳为

其中，Gext为人体组织的电导，M1为人体组织横截面积A 与信道长度L 之比，M2为人体组织横截面积A 与信道的厚度T 之比，FW为人体组织的含水量系数，k 为细胞内外阻抗比。

图3 单元组织细胞等效电路Fig 3 Equivalent circuit of single tissue cell

1.2 单元人体组织等效电路模型

应用Cole—Cole 模型［7］的四阻抗分析方法对得到的人体组织阻抗进行分析，从而建立人体前臂的的等效电路模型。如图4 所示，人体前臂可以等效成由ZD，ZL，ZC，ZT组成的电路。ZD，ZL，ZC，ZT这四个阻抗值可通过信号激励后单元人体组织中产生的四条电流通路P1，P2，P3，P4得到。

图4 人体组织等效电路模型Fig 4 Equivalent circuit model of human tissue

电流通路P1是由发射端的源电极流向发射端的地电极的电流形成，此通路在等效电路模型中用阻抗ZD表示。此时，式(4)中的M1=(EL×T)/DS，EL为正方形电极的边长，T 为组织层厚度，M2=T，所以

电流通路P2是由发射端的源电极流向接收端的源电极的电流形成，此通路在等效电路模型的用阻抗ZL表示。此时，式(4)中的M1=(EL×T)/D，M2=T，所以

电流通路P3是由发射端的源电极流向接收端的地电极的电流形成，此通路在等效电路模型的用阻抗ZC表示。此时，式(4)中的，所以

电流通路P4是由在发射端的源电极流向脂肪与脂肪以下各层的电流形成，此通路在等效电路模型的用纵向阻抗ZT表示。此时，式(4)中的M1=T/Ae，Ae为电极表面积，M2=DS，所以

1.3 人体前臂通信信道增益

将发射端的源电极作为参考节点A(节点B 为发射端的地电极)，而接收端的源电极为起始节点C(节点D 为接收端的地电极)。由基尔霍夫电流定律可知，节点A 的的电压为

式中 VA，VB，VC，VD，VE，VF，VG，VH为各节点的电压，I 为输入电流，根据下列公式即可得到节点C 和D 的电压为

而人体前臂的信道增益可通过各个节点的电压值得到

2 人体前臂模型仿真与分析

2.1 仿真模型的建立

如图5 所示，利用Ansys HFSS 全波电磁场仿真软件建立人体前臂的仿真模型，通过HFSS 的有限元分析方法可以得到人体前臂模型的信道增益，模型的详细参数见表1。

图5 人体前臂仿真模型Fig 5 Simulation model for human forearm

表1 人体前臂模型参数Tab 1 Forearm model parameters

模型中收发端电极采用一对10 mm×10 mm×1 mm 的铜片模拟，每对电极间通过定义复阻抗的集总端口连接。在发射端电极之间输入1 mA 电流，并在人体前臂模型周围300 mm 建立一个开路电场的边界条件，模拟实际工作环境。

接收电极之间的电场强度可以计算输出电压，则人体前臂组织的增益为

其中，ET为发射端的电场强度，ER为接收端的电场强度。

2.2 等效电路模型与仿真模型对比

当收发端距离D=100 mm 时，收发端电极间内间距DS=50 mm，FW=0.7 时，图6 给出了等效电路模型分析方法与仿真模型的信道增益随频率变化的关系。在工作频率为100 kHz 时，由等效电路模型计算出的信道增益为－52 dB，而在100 MHz 时信道增益衰减约8 dB。通过仿真模型分析出的结果与等效电路模型分析方法计算的结果小于1 dB，验证了等效电路模型分析方法的有效性和准确性。并且从图6 中可以看出，随着信号频率的增加，人体通信的信道增益衰减越大，证明信号频率越大在周围空间的辐射损耗也越大。

图6 等效电路模型与仿真模型对比Fig 6 Comparison between equivalent circuit model and simulation model

3 结 论

本文提出一种基于可穿戴设备的人体通信等效电路分析方法，等效电路分析方法充分考虑了人体各组织层的电磁特性，得到人体通信的信道增益，并与仿真软件HFSS 建立人体通信模型得到的结果高度契合。仿真结果显示:等效电路模型与仿真结果计算的人体通信信道增益差异小于1 dB。人体通信等效电路模型分析方法的提出为可穿戴设备的优化设计和未来发展提供了应用基础。

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