基于人体通信的健康饮食检测研究

衡 雅

基于人体通信的健康饮食检测研究

衡 雅

衡 雅 孙 俊 张 咪 王 瑾 陈 璇

扬州大学信息工程学院

衡雅（1994-）女，扬州大学在读本科生，专业为电子信息工程；孙俊（1989-）男， 扬州大学硕士研究生，研究方向：信号与信息处理；王瑾（1994-）女， 扬州大学在读本科生，专业为电子信息工程； 张咪（1993-），女，扬州大学在读本科生，专业为电子信息工程；陈璇（1991-）女，扬州大学硕士研究生，研究方向为信号与信息处理。

在我国，有大量生活不能自理的群体需要看护人员负责其饮食，如婴幼儿及患有瘫痪等疾病的中老年人。该类群体的共同特征主要表现为生活不能自理，且部分人群不能及时用语言表达出自身的饥饱状态。因此，极有必要研制出一种可以自动检测该类群体饮食饥饱状态的装置，并能将检测结果实时反馈给看护人员，以便看护人员能够及时判断其饥饱状态，从而为其制定合理的饮食措施。本文将基于最新的人体通信技术，以人体作为饥饱信号的传输介质，建立新型健康饮食检测模型，对老幼群体的饥饱状态进行实时检测，最终实现老幼群体健康饮食的目的。

概述

人体通信（Intra-Body Communication，IBC）是一种以人体作为传输媒介的新兴短距离信息传输方式，由美国麻省理工学院于1996年提出。人体通信技术相比于传统的蓝牙、红外等无线通信技术，具有低功耗、高保密性、不易受外界噪声干扰以及更低的人体损害等优点。依据不同的传输方式，人体通信方式可划分为三种类型：简单线路方式、电容耦合方式和电流耦合方式。其中，电流耦合方式的实现过程主要表现为：大部分电信号从人体表面或内部经过，以此实现数据高速传输，且实现过程不易受到外界及周边环境的影响，因此具有更好的适应性和抗干扰性。由于人体具有较好的导电性能，从而能够使其成为良好的信息传输载体。

研究背景及意义

随着我国社会逐渐步入老年化以及新一轮生育高潮的来临，老年人的身体健康问题以及婴幼儿的喂养问题越发引起社会的关注。目前，老年人及新生儿人口数目在我国总人口中比重较大。在这部分人口中，婴幼儿和患有痴呆以及不能言语的老年人，需要专门的看护人员负责其饮食。然而，此类群体，均不能对自身的饥饱状况做出实时反应，看护人员只能凭借个人经验，判断被看护者的饥饱状况。进而导致看护人员难以控制其饮食量，最终将会导致该群体处于非健康状态。因此，有必要设计出一个能够实时监测该类群体饥饱状态的系统，并能将检测结果及时反馈给看护人员，便于及时采取合理的措施。因此，研究基于人体通信的健康饮食检测系统对于解决老人及婴幼儿的健康饮食问题具有重要的社会意义。

我们的研究通过设计出一种远程监控系统，对老年人及婴幼儿的胃部情况、心电图、呼吸速率、活动量等诸多参数进行采集，再进行数据比对分析，从而实现合理监控。

系统模型

试验原理

人体腹部包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼、内脏等组织。其中，皮肤具有较强的介电特性，肌肉中含有水分和电解质，因此导电性能好。而脂肪中自由移动的离子极少，导电性能较差。脂肪层位于电解性良好的皮肤和肌肉之间。人体固有的结构表明，人体作为可通信的导体，电信号通过电极进入人体，被接收电极接受，从而实现对人体的实时监测。

在本研究中，将采用医用电极作为信息采集节点。医用电极主要由导电胶和电极基片组成，而皮肤主要由皮下组织、真皮层以及表面层组成。其等效电路可如图1所示。

图1 电极与皮肤的等效阻抗电路图

其中Cd、Rd分别代表电极和皮肤的接触电容和接触电阻；Ce、Re分别代表表皮层的电容和电阻；Ru代表皮下组织和真皮层的电阻。

在本系统中，由发送机所产生的交变电流信号主要在接收/发送两个电极及两个电极之间的人体组织中传导。通信中的接触阻抗可包括整个人体组织的等效内外液电阻和膜电容。值得指出的是，在恒定频率下，人体的输入阻抗基本不变，当电极与皮肤的接触阻抗发生变化时，通过接收信号的变化可反映出接触阻抗对发送信号的影响。

基于上述原理，在信号传输过程中，若人体内肠胃等部位出现空腹或食物堆积等现象时，将会引起人体等效接触阻抗的变化，进而影响通过人体的电信号发生变化。同时，在接收电极端，接收到的信号也将发生变化。而接收信号的变化恰可以用来判断当前人体肠胃等部位的食物堆积情况，进而判断出该被测试者的当前饥饱状况。本系统的原理图如图2所示。

另外，图2中发送端电路可如图3所示。其中R1代表人体等效内液电阻，R2代表人体等效外液电阻与接触电阻之和，C代表人体膜电容与接触电容之和。

图2 基于电流式人体通信的健康监测系统

图3 发送端的等效电路

系统模型

信号源发出的信号通过医用发送电极进入人体内部，电信号经过胃部等人体部位后，被信号接收仪（接收电极）接收，再将所接收到的信号与常规饥饱的样本进行比对，据此对当前被测试者的状况做出判断，并根据判定结果送出适当信号到报警系统，做出正确的提醒。技术路线如图4所示。

图4 本项目采用的技术路线

系统介绍

本系统包含信号输出模块、信号传送模块、信号接收模块以及信号检测与分析模块，各模块的功能如下。

（1）信号输出模块

输出模块是指经由人体并通过人体进行信号传输，将采集到的数据发送到各个接收终端的模块。其中信号采集是输出模块的核心。

一般情况下，信号采集系统分为两个部分：模拟信号调理以及数字信号处理。模拟信号部分主要有以下功能：对信号进行放大、滤波以及调整等，它需要能够按照设备的要求将信号由模拟形式直接转化为数字形式，同时对采样精度、采样频率等有着一定的要求。

（2）信号传送模块

本系统将基于安卓系统下的蓝牙控制模块运作。本系统主要采用蓝牙的无线数据传输功能，应用全双工传输。

这里，蓝牙系统由天线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件单元等四个功能单元组成。信号主要由天线单元接收，将经胃部等人体部位采集到的信息经过滤波器和收发控制开关送入接收模块，此外，本系统通过蓝牙技术向电脑端传送实时文件信息，实现近距离范围内的相互操作，从而便于进行数据分析。

（3）信号接收模块

本系统中，信号接收模块展示终端采用的为示波器，通过探测经过人体胃部信号波形的变化，可以客观反映出人体内部的变化。因此，这种抽象化人体进食量的需求变化可变换为信号的波形变化，且更易于直观分析。

（4）信号检测与分析模块

信号检测与分析模块采用个人电脑终端，通过编写程序，将实时采集的数据与样本库对比（如图4所示），直观反映信号的变化。

实验分析

在信号传输过程中，当人体内肠胃等部位出现空腹或食物堆积等现象时，通过人体内的电信号发生变化，接收到的信号也将发生变化。将接收到的信号与实验数据样本进行比对分析，从而判定被实验者当前的饥饱状况，即通过接收信号的变化判定当前人体的饥饱状况。

研究中的关键问题分析

人体通信频带问题

人体对不同频段信号的传输效率和传输损耗各不相同，必须找到适合通信的频带才能建立有效的人体通信模型。有研究高频载波在人体内传播的实验表明，当载波频率在200～600MHz时，能获得较好的通信效果；而在低频100MHz以内的载波在人体内传播的实验表明，在5MHz时能获得最好的通信效果。考虑到实际情况，本研究将以5MHz为工作频率。

不同因素对信号的影响

首先是当对人体输入不同安全电流时，人体表面耦合电压的衰减率将发生改变；其次，电极分为理疗电极和心电电极，不同种类的电极对实验结果影响亦不同，需要比较接收电极及发送电极的种类和尺寸变化对信号衰减的影响；最后，收发电极的中心点间的距离是否会影响信号衰减，也需要多次试验，进而选择最佳的收发电极间距。

结束语

人体通信是近年来兴起的一门新兴通信技术，在医学领域具有重要应用。人体作为可通信的导体，可用来传递各种信号。 当人体胃、肠等部位出现食物堆积或空腹时，人体这一导体的等效电阻、电容等会发生变化，从而通过人体后的电信号也将发生变化，那么接收到的信号也将改变。本研究通过比较经由人体的电信号的变化，对人体胃部进行检测，从而得到对人体饥饱状况的检测结果，确定其饥饱状况并采取合理的饮食措施。本课题直观方便地反映人体进食状况，同时该技术使用大众化，易于推广普及，可以实现全社会的广泛使用。

扬州大学大学生科技创新基金资助

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.068