应用于无线胶囊内窥镜的超宽带人体信道特性研究进展*

彭双，段吉海，韦胶二，朱岛

(桂林电子科技大学信息与通信学院，桂林 541004)

1 引 言

随着现代社会生活节奏的加快和饮食结构的变化，消化道疾病越来越常见[1]。内窥镜[2-4]技术是消化道检查最直接有效的方法。该技术可检测到小肠或结肠等传统内镜不能检测的盲区，并记录和传输图像[5]。然而，目前的WCE由于传输速率较低只能传输低质量的图像，不利于病情识别与胶囊定位。

为了及时发现疾病或对疾病进行准确地判断，胃肠学家一直在寻求更高性能的WCE。超宽带技术由于其固有的低功耗、高传输速度和简单的收发设备等优点，在无线医疗植入设备的应用中具有巨大的潜力，非常适合应用于WCE[6-9]。而在WCE的优化设计中，准确描述超宽带无线电波在生物组织中的传播特性必不可少。人体信道特性的研究将影响WCE的定位精度、图像分辨率和图像传输速率等衡量WCE质量的问题以及植入式医疗设备对人体电磁辐射所产生的安全性问题。由于目前的胃肠道场景中尚无通用的UWB频段信道路径损耗模型，该频段内的人体信道特性分析依旧是当前的研究热点。本研究总结了基于UWB频段WCE的人体通信信道传播具体特性，分析了具体实验方法，并对人体信道特性研究的发展方向进行探讨和展望。

2 传播特性

随着医用无线装置在人体内部或在人体附近的广泛应用，射频波与人体组织相互作用所产生的电磁效应需要得到极为重要的考虑[10]。超宽带射频信号从人体组织中穿过，研究者们主要研究其对组织影响的两个方面：信号传播过程中生物组织所吸收的电磁能量即比吸收率(specific absorption rate, SAR) 以及信号传播过程中的路径损耗(path loss, PL)。

2.1 比吸收率

早在1953年，就有美国学者提出了比吸收率的概念，但是直至七十年代末，才陆续有学者开始研究[11-12]。SAR是专用的生物电磁剂量学量，用于计算每千克的生物组织在六分钟内所吸收的电磁能量,单位是W/kg。一般可根据所计算出的SAR值来评估系统对于人体的安全性。只有某系统计算出来的SAR值在国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)导则[13]规定值之下，且感应电流值在最大感应电流密度之内，才说明该传输系统对人体是安全的。

Thotahewa等[10]研究了应用于神经记录和脑机接口的超宽带头部植入式发射装置的电磁效应。他们利用一个30岁的成人头部模型，从不同输入功率、不同天线方向、不同头部组织以及不同信号带宽四个角度分别对SAR变化进行了分析。实验结果表明，在使用美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC) 所规定的 UWB 的最高发射功率密度限制值-41.3 dBm/MHz 作为发射功率时，得到的SAR值均在ICNIRP规定的范围内。同时，结果表明SAR的变化与UWB的带宽密切相关。Santis等[14]在假设总传输功率为1 W的条件下评估了UWB无线电系统在体域网络(Body Area Network applications ,BAN)应用中的安全性，但是未考虑FCC对UWB脉冲的限制。Bahrami 等[15]使用简化的头部组织模型，研究传输总功率为1 W、带宽为7 GHz条件下的生物组织吸收情况，结果显示SAR最终值远超ICNIRP规定的限值，进一步说明了UWB带宽的选择对SAR的影响。

2.2 路径损耗

路径损耗是指射频信号在传播过程中所造成的能量损耗。路径损耗的大小可以反应出通信信道链路的质量以及通信条件的好坏。射频信号经过人体传播时引起路径损耗的变化，信号功率在人体组织内的衰减，证明了人体是高损耗介质。

大量研究[16-19]表明路径损耗拟合模型，有对数型[16]和线性型[17]两种。可用玻印廷(Poynting)矢量来表示平均功率密度，Thotahewa等[18]通过对WCE所处的待测点Poynting矢量的测量及仿真分析,计算UWB信号在人体内不同组织和不同深度的路径损耗变化，见图1。从仿真结果可以看出，电磁波信号传输经过不同生物组织产生的损耗不同；且由于不同组织类型的介电特性和电磁信号的多路径反射，等间距点到参考点的路径损耗具有散射特性。

图1 体内信道路径损耗变化

3 实验分析

由于在超宽带频段内的胃肠道场景中尚无通用的信道模型，所以，关于该频段的人体信道特性的研究一直在进行。目前主要有三种实验方法来研究超宽带频段内传播信道的路径损耗，包括电磁软件数值分析仿真法、幻影测量法和活体测量法[19]。

3.1 数值分析仿真法

自从上世纪九十年代计算机飞速发展以来，凭借着计算机超强的计算能力，许多学者通过使用CST、FEKO等电磁仿真软件，来研究电磁波对人体生物组织的影响[20-23]。

Støa等[24]首先提出一种超宽带脉冲在人体腹部1～6 GHz频段内传播的统计模型。该模型使用包含人体组织介电特性的数字解剖模型进行数值电磁仿真，计算了多种体内探针的信道响应。其所用的成年男性解剖模型的模拟场景见图2。图2(a)、图2(b)分别为y-x、y-z平面仿真场景中使用人体模型。如箭头所示，平面波沿y轴传播。腹部暴露于来自前方的入射平面波中，将电场和磁场的探头置于腹部深度为150 mm、宽度为140 mm以及高度为300 mm的解剖空间内；在上述空间中，相邻探针之间的距离分别为10、20和50 mm。在对所得的数据进行统计分析的基础上，给出计算腹部10～150 mm深度的超宽带信号的路径损耗的数学表达式。

图2 仿真场景中使用的人体模型

基于上述研究，Støa等[25]进一步研究了应用于胶囊内窥镜的超宽带信道特性，提出了一个超宽带脉冲在消化道3.4～4.8 GHz频段内传播的信道模型。并给出了计算腹部周围几个接收器位置平均路径损耗的数学表达式，较好的模拟了体内消化道的信道特性。

3.2 幻影测量法

许多研究者选用合成化学溶液做的phantom幻影模型来进行人体信道的研究[26-30]。然而，因为超宽带带宽比较宽且人体组织的介电常数与频率相关，所以制作一个可靠的超宽带幻影模型很难。Andreu等[30]使用一种新的超宽带幻影模型，进行了3.1～8.5 GHz频率范围内的实验测量。目前，该幻影模型在整个超宽带内达到了最近似于人类肌肉的介电常数的值。该实验设置了两种场景：体内到体内(in-body to in-body，IB2IB)和体内到体表(in-body to on-body，IB2OB)。IB2OB场景所用的实验测量装置见图3[30]。通过对幻影模型进行实验测量，得到了一种基于这两种场景的新路径损耗模型。在IB2IB的情况下得到的路径损耗模型是一个线性模型，它最适用于在3～8 cm天线之间距离的测量。相比之下，在IB2OB场景中，得到的路径损耗模型是一个适用于5.5～20 cm距离的拟合对数模型。通过计算两种情况下的相关系数，研究了体内信道在空间域的多样性。

图3 IB2OB场景所用的实验测量装置

3.3 活体测量法

为了所得实验数据更接近人体信道的真实特性，也有研究者选择活体动物体内测量的方法进行实验[28,31-33]。Floor等[33]选取了两头大小接近人体平均解剖躯干重量的母猪(重量分别为42、46 kg)麻醉后进行独立实验。在第一次实验中将体表(on-body, OB)接收天线放置在麻醉猪身上，待测点见图4[33]，猪的解剖图见图5[33]，IB探测天线被植入在绿色边框划分的区域内。实验时在动物一侧做一个小切口，插入体内(in-body, IB)天线。为避免IB和OB天线之间通过蠕动波耦合，入口点被覆盖上了电磁绝缘材料。

在超宽带频段内的活体猪受试者上呈现两个独立的实验测量结果。分别建立了5～16 cm和1～6 GHz频率下的路径损耗模型，这两个路径损耗模型分别作为传播距离与传播频率的函数。这也是文献报道中首个源于体内测量实验的UWB频段的 IB2OB路径损耗模型。而且此路径损耗模型与文献[34]中的路径损耗模型的初步比较表明，文献[34]的数值分析模拟结果与研究者进行的体内测量的结果一致。通过不同模型之间的一致性，证明了以猪为实验对象进行测量来表征UWB信号在人体中传播的路径损耗的有效性。

3.4 实验分析小结

目前为止，研究超宽带人体信道特性的主要方法就是上述三种。三种方法各有优缺点。基于电磁仿真的数值分析法是确定优化系统设计所需信道特性的一种很有前景的选择。通过仿真，可以廉价、灵活和高效地获得不同场景和环境下的信道特性[35]。同时，使用软件数值分析和幻影模型测量的方法，可以对复杂人体介质中的路径损耗进行初步了解。 但是，用这两种方法不能捕捉到活体受试者的血液循环、呼吸和温度梯度对实验结果的影响。

图4 麻醉猪的待测点

图5 猪的解剖图

因此，基于活体动物实验测量所得实验数据，比其余两种方法更有真实性。当然，使用实验测量所得的数据也有其自身的弊端。首先，因为实验测量的工作量很大，不可能一直使用测量所得的数据。其次，由于电缆连接、耦合、测试人员位置、天线、环境等因素，在使用测量数据时，经常会出现不准确和不确定的情况。

相比以前研究方法的单一性，越来越多的研究者选择两种甚至三种研究方法相结合来进行超宽带信道特性的研究[36-37]。文献[19]就采用上述三种方法结合的研究方法对路径损耗进行了专门的研究，并与以往的文献研究进行了比较。同时，由于三种方法相辅相成，给出的路径损耗模型的数值也更接近实际情况。

4 结论

随着WCE等植入式医疗设备越来越广泛的应用，超宽带频段内的人体通信仍将是未来的研究热点。目前国内外关于此方面的研究已取得许多成果，但关于人体信道特性的精确描述依旧在探索中。选择合适的通信频段，需要同时满足高速传输、路径损耗较小、功耗低以及符合对人体安全的SAR值等条件，并对这些条件进行折中处理。同时，受伦理限制，目前研究人体信道特性的主要挑战是需要建立非常接近人体内部环境的实验环境。基于此环境所得的实验数据，才能设计开发更加完善的医疗植入式系统及设备，并提供安全、可靠和快速的医疗通信，以提高未来医疗保健的治疗效率。关于人体信道特性研究的问题，涉及生物医学工程、电子科学与技术、计算机科学和信息与通信工程等多门学科交叉融合，需要相关研究人员共同努力、相互合作，才能取得更显著的成果，促进植入式医疗设备进一步发展。