人体通信中发送端接触阻抗的实验研究
【摘要】 本研究着眼于电流耦合型人体通信方式，抽象并简化人体前臂的发送端等效电路模型。通过施加交变方波电流激励，测量使用不同尺寸电极时的模型参数，并比较不同频率下接收端的信号衰减率。结果表明人体前臂的信号衰减率随接触阻抗的增大而增大。在小腿处的测量也得到类似的结果。所以，在人体通信过程中应尽可能减小发送端“电极-皮肤”的接触阻抗，可提高通信质量。
【关键词】 人体通信;电流耦合;接触阻抗;衰减率;交变电流
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)职称论文
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
人体通信(intra-body communication, IBC)是一种新兴的将人体作为传输媒介的短距离信息传输方式[1]。它适用于体表、体内及人体周围一切可与人体接触的传感装置。由于人体具有较好的导电性能， IBC较之现有的有线、无线技术，具有连接方便、不易受外界噪声干扰、对外辐射较小、低功耗等诸多优点。已有的人体通信方式可分为电容耦合型和电流耦合型[2]。由于电流耦合型IBC的大部分电信号从人体表面/内部经过，相比电容耦合型，其实现过程不易受到接地因素和周围环境的影响，具有更好的适应性和抗干扰性[2-4]。
IBC所依赖的人体是一个相当复杂的生物系统。建立在人体内部的电流信号传输亦是一个非常复杂的过程。从电学角度来看，不论是采用经典的电磁理论解析方法，还是新兴的各种数值计算工具，都难以获得一个真实、完整人体信道模型。而等效电路法虽然不及上述方法深入、透彻，但对于实际应用却有着简便、实用的特点。
文献[2]基于电流耦合型通信方式提出了一种由10个元件构成的简单四端电路模型，见图1。每个阻抗由一个不同参数的三元件Cole-Cole模型描述。作者从电路的角度较为深入地描述了人体通信的传播机理，定性比较了传播距离、电极大小、人体组织电阻率变化对人体通信的影响。
不论是电极面积大小、电极材料异同，皮肤的干湿状况、电极与皮肤的粘合程度等等这些在人体通信发送端的影响因素，其根本原因是造成了电极与皮肤接触阻抗(即图1中Zc)的变化。本研究将着眼于电流耦合型的人体通信方式，以前臂的电路模型为基础，设计实验方案，重点开展发送端接触阻抗的测量和计算，探讨发送端不同接触阻抗对人体通信信号衰减率的影响，为深入了解和掌握人体信道的等效电路模型特性，提供定量化依据。
2 模型和实验