植入式人体通信技术的耦合方式研究

姓名：谢童? 学号：16020188008? 转自：中 国 生 物 医 学 工 程 学 报

摘 要:?

研究植入式人体通信方式中通信信号的衰减与不同耦合方式之间的关系。涉及的耦合方式包括电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合 4 种。通过建立等效电路模型进行仿真计算，以及在模拟体内环境的水模型中实验测量的方式，对 20 MHz 通信频率下不同耦合方式的通信衰减进行对比。仿真和实验的结果均表明，正向容阻耦合方式下通信的衰减最小，分别为 26 dB(计算值)和 28 dB(测量值)，而电容耦合、电流耦合和反向容阻耦合方式的通信衰减依次增大。这一结果反映出不同耦合方式之间的机制区别，同时意味着若将人体通信方式应用于植入式医疗设备中，正向容阻耦合方式将是最好的选择。

引言

人体通信是一种利用人体作为信号传输途径的新型非射频无线通信技术，被设计用于进行可穿戴设备和植入式设备网络间的通信，收集分布于人体的各项生理参数，从而为即时的医疗诊断提供帮助。该方式最初由美国麻省理工学院的 Zimmerman提出 ，其原理是利用发送端在人体表面或附近的一对电极向人体输入通信信号，信号经过人体传输后由接收端的一对电极进行接收，完成通信过程。经过多年的研究和发展，在 2012 年确立的无线体域网标准 IEEE802. 15. 6 中，对人体通信的物理层和媒体访问控制层都制定了详细的要求，使得该技术的进一步应用有了明确的依据? 。目前，世界各地都有针对人体通信技术的研究，已经可以实现利用人体通信完成包括通信速率 160 Mb/s 的高速通信 ，以及功耗 37. 5 μW 的低功耗通信等 。由于人体通信所需的设备体积小，功耗低，不会受到阴影效应的影响，通信速率也有一定的保障，因而十分适合在使用条件苛刻的植入式设备中应用，完成信号由体内向体外传递的功能 。已有的研究证明，使用人体通信完成短距离上的体内外通信是可行的，但何种人体通信的耦合方式更适用于进行植入式设备通信尚无明确的结论。因此，本研究通过等效电路模型仿真，在模拟人体环境的水模型中测试了不同耦合方式对于信号衰减的影响，得出了正向容阻耦合的方式是最适用于植入式设备人体通信的耦合方式的结论，为进一步将人体通信方式应用于植入式设备中提供了理论依据。

1.方法

由于植入式医疗设备的特殊性，对于植入式人体通信技术耦合方式的研究并不方便直接在人体或生物体上展开，因此实验的主要方法是在模拟体内环境的水模型中测试不同耦合方式下通信衰减的大小。在此之前，用所建立的人体通信的等效电路模型对实验结果进行了分析和预测，使其更具有说服力。基于 IEEE802. 15. 6 中对于人体通信的相关要求和规定，选取了 20MHz 这一典型的人体通信频率进行实验，该频率也被诸多研究证明是较为适合进行人体通信的? 。

1. 1 等效电路模型

建立等效电路模型的目的在于对实验结果进行预测，验证其可行性并提供理论依据，为此选择了阻抗网络等效电路模型对通信过程进行仿真。有研究表明，该模型可以较为准确地模拟出人体通信时信道衰减的大小，复杂度较小且便于后续的分析 ，如图 1 所示。

在图 1 中，人体上与电极接触的 4 个位置被视为 4 个电路节点(A、B、C、D)，其两两之间通过并联的电阻、电容设置阻抗参数 Z I 、Z T 、Z B 、Z O ，同时在人体与电极(E、F、G、H)之间存在有接触阻抗 Z C 。模型中的阻抗参数均通过以下公式计算:

Z =l/（j2πfεA + σA?） (1)

式中:l 表示所计算阻抗的两节点之间的距离;A 表示电极面积;σ 和 ε 分别为人体组织的电导率和介电常数，不同类型组织在不同频率下的相关参数均可由文献查得; f 为通信频率，在本实验中为20 MHz。

由于不同耦合方式的主要区别在于电极与人体是否接触，因此通过调节信号发送端的接触阻抗 Z C1和 Z C2 的值便可对不同的耦合方式加以区别:电容耦合方式下电极与人体不接触，故Z C1 和Z C2 主要呈现为容性;而电流耦合方式下电极与人体直接接触，Z C1 和Z C2 呈现为阻性。此外，针对信号发送端两电极耦合方式不同的情况也进行了分析，包括 Z C1 为阻性、Z C2为容性时的正向容阻耦合方式，以及 Z C1 为容性、Z C2为阻性时的反向容阻耦合方式，如图2 所示。

1. 2 水模型方式

由于研究为植入式人体通信耦合方式，需要将发送端置于人体或生物体之内，所以较为不便。在研究中，普遍会通过建立水模型的方式模拟人体环境进行实验，笔者也同样采用了这一方式。生物体对于电流的传导通路如图 3 所示，包括了经由细胞外液电阻 R ext 传导的细胞外通路，以及经由细胞膜电容 C m 和细胞内液电阻 R int 传导的细胞内通路。在本实验中，由于使用的通信频率为 20MHz，细胞膜电容 C m 的阻抗在这一频率下可以忽略不计，因此可视为信号是在电解质溶液中进行传播的。基于此，使用生理盐溶液对人体内电解质环境进行了模拟，并使用厚度 2 mm 的有机玻璃容器进行承装，以模拟皮肤在通信中起到的高阻抗作用，将通信端发送端和接收端分别置于容器内和容器外，如图 4 所示。

在人体通信实验中，若通信的发送端和接收端同时使用接地设备，会引入地回路的干扰，造成测量结果的不准确? 。因此，使用由电池供电的独立信号发送端进行实验，可实现频率 20 MHz、峰峰值1 V 的正弦信号输出。电路和电池被共同放置在一小型号太空杯内进行防水处理，在正式实验中可整体没入生理盐溶液中，如图 5 所示。同时，对应电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合 4 种不同的耦合方式，共制作了 3种不同的电极与发送端电路相连:两电极均不暴露的电容耦合电极、两电极均暴露的电流耦合电极、以及仅有一个电极暴露的容阻耦合电极。电极为2 cm ×2 cm 的铜箔，衬底材料为环氧树脂，如图 6 所示。

在实验中，将装有通信发送端的太空杯固定于容器底部，电极与位于容器外部的通信接收端相对，两者间距为 30 cm。接收端的电极贴于有机玻璃容器的外表面，接收信号则通过滤波后由示波器进行观察记录，并通过公式计算衰减值，有

? G = － 20 lgV rec/V tra ?(2)

式中:G 为衰减值，dB;V rec 和 V tra 分别代表接收和发送的电压幅值。

2 结果

2. 1 等效电路仿真

通过 改 变 输 入 端 电 极 的 阻 抗 特 性，使 用Multisim 软件建立了对应的等效电路模型，并仿真测试了 20 MHz 通信频率下 4 种不同耦合方式的通信衰减，计算机仿真结果如表 1 所示。结果表明，正向容阻耦合方式下通信的衰减值最小，随后依次为电容耦合方式、电流耦合方式和反向容阻耦合方式。

2. 2 水模型实验

示波器记录到 4 种不同耦合方式下的通信衰减结果，如表 2 所示。通过表中的数据不难看出，在水模型实验中，衰减最小的耦合方式为正向容阻耦合方式，电容耦合方式、电流耦合方式和反向容阻耦合的通信衰减依次增大，和仿真结果一致。

2. 3 结果对比

将仿真结果和实验结果放在一起进行对比，如图 7 所示。可以看出，无论是仿真值还是测量值，正向容阻耦合方式下的通信衰减明显小于其他 3 种耦合方式。对比仿真和实验的结果发现，除了反向容阻耦合方式外，电容耦合、电流耦合及正向容阻耦合方式下仿真和实验所得出的衰减值基本一致，证明了所建立的模型与真实情况较为相似，实验结果有一定的说服力。而反向容阻耦合方式下，两者呈现的区别主要是由于实验中使用的示波器的精度不足，无法测量到低于 10 mV 的接收幅值。

3 讨论

经过对 4 种不同人体通信耦合方式通信信号衰减的仿真和实验，可以得出正向容阻耦合方式是最适用于在植入式设备通信之中使用的结论，为植入式医疗设备的通信设计提供帮助和支持。目前，植入式医疗设备中所使用的均为基于射频的通信方式，其不足之处在于通信距离短、能量消耗大，对植入式医疗设备的使用寿命有很大的影响，而造成这些不足的根本原因正是由于射频通信的信号衰减是按照通信距离的平方增大的。反观人体通信，实验中的正向容阻耦合方式在 30 cm 距离下的通信衰减仅为 28 dB，通过简单的放大滤波就可以获取通信信号，表明这种方式有着十分巨大的应用前景。图 8 人体通信不同耦合方式的传输原理。在实验结果的基础上，也对造成该结果的原进行了分析，如图 8 所示。在电容耦合方式下，电极不与人体直接接触，通信信号以电磁波的形式同人体及周围环境进行耦合，达到信息传输的目的;电流耦合方式则由电极直接向人体发送信号，但由于两个电极均与人体接触，通过人体形成了电流通路，大部分能量直接回流至信号源，仅有少部分实现了通信功能，因此通信衰减反而高于电容耦合方式;在正向容阻耦合方式中，发送端的信号电极直接接触人体，参考电极则与周围环境通过分布电容耦合，人体主要传输通信信号，通信衰减最小;而反向容阻耦合方式则相反，人体接触了发送端的参考电极，并未起到传输通信信号的作用，因此很难通过这种方式完成通信。此外，目前本实验只研究了由体内向体外发送信号的情况，如希望通过人体通信方式完成植入式设备的双工通信，还需进行信号由体外发送至体内接收的实验，方可将通信系统补充完整。

4 结论

人体通信是一种具有广阔前景的非射频无线通信方式，在诸多领域都有着潜在的应用价值。本研究主要针对人体通信在植入式医疗设备中的应用，探索了使用人体通信进行植入式设备通信的最佳耦合方式，通过等效电路模型仿真和水模型实验测量的方式，对电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合以及反向容阻耦合 4 种不同耦合方式的通信衰减进行了考察，并得出正向容阻耦合方式是最适用于体内外人体通信的耦合方式的结论。在进一步的研究中，将会尝试设计并制作适用于植入式设备通信的人体通信模块，通过动物实验对其进行实用性验证，以期达到将人体通信应用于植入式设备中的目的。

铜箔的用途有哪些？

电磁干扰EMI中电子设备产生的干扰信号是通过导线或公共电源线进行传输，互相产生干扰称为传导干扰。传导干扰给不少电子工程师带来困惑，如何解决传导干扰？找对方法，你会发现，传导干扰其实很容易解决，只要增加电源输入电路中 EMC 滤波器的节数，并适当调整每节滤波器的参数，基本上都能满足要求，第七届电路保护与电磁兼容研讨会主办方总结八大对策，以解决对付传导干扰难题。

对策一：尽量减少每个回路的有效面积

传导干扰分差模干扰 DI 和共模干扰 CI 两种。先来看看传导干扰是怎么产生的。如图 1 所示，回路电流产生传导干扰。这里面有好几个回路电流，我们可以把每个回路都看成是一个感应线圈，或变压器线圈的初、次级，当某个回路中有电流流过时，另外一个回路中就会产生感应电动势，从而产生干扰。减少干扰的最有效方法就是尽量减少每个回路的有效面积。

对策二：屏蔽、减小各电流回路面积及带电导体的面积和长度

如图 2 所示，e1、e2、e3、e4 为磁场对回路感应产生的差模干扰信号；e5、e6、e7、e8 为磁场对地回路感应产生的共模干扰信号。共模信号的一端是整个线路板，另一端是大地。线路板中的公共端不能算为接地，不要把公共端与外壳相接，除非机壳接大地，否则，公共端与外壳相接，会增大辐射天线的有效面积，共模辐射干扰更严重。降低辐射干扰的方法，一个是屏蔽，另一个是减小各个电流回路的面积（磁场干扰），和带电导体的面积及长度（电场干扰）。

对策三：对变压器进行磁屏蔽、尽量减少每个电流回路的有效面积

如图 3 所示，在所有电磁感应干扰之中，变压器漏感产生的干扰是最严重的。如果把变压器的漏感看成是变压器感应线圈的初级，则其它回路都可以看成是变压器的次级，因此，在变压器周围的回路中，都会被感应产生干扰信号。减少干扰的方法，一方面是对变压器进行磁屏蔽，另一方面是尽量减少每个电流回路的有效面积。

对策四：用铜箔对变压器进行屏蔽

如图 4 所示，对变压器屏蔽，主要是减小变压器漏感磁通对周围电路产生电磁感应干扰，以及对外产生电磁辐射干扰。从原理上来说，非导磁材料对漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但铜箔是良导体，交变漏磁通穿过铜箔的时候会产生涡流，而涡流产生的磁场方向正好与漏磁通的方向相反，部分漏磁通就可以被抵消，因此，铜箔对磁通也可以起到很好的屏蔽作用。

对策五：采用双线传输和阻抗匹配

如图 5 所示，两根相邻的导线，如果电流大小相等，电流方向相反，则它们产生的磁力线可以互相抵消。对于干扰比较严重或比较容易被干扰的电路，尽量采用双线传输信号，不要利用公共地来传输信号，公共地电流越小干扰越小。当导线的长度等于或大于四分之一波长时，传输信号的线路一定要考虑阻抗匹配，不匹配的传输线会产生驻波，并对周围电路产生很强的辐射干扰。

对策六：减小电流回路的面积

如图 6 所示，磁场辐射干扰主要是流过高频电流回路产生的磁通窜到接收回路中产生的，因此，要尽量减小流过高频电流回路的面积和接收回路的面积。式中：e1、 Φ1、S1、B1 分别为辐射电流回路中产生的电动势、磁通、面积、磁通密度； e2、 Φ2、S2、B2 分别为辐射电流回路中产生的电动势、磁通、面积、磁通密度。

下面以图 7 示意，对电流回路辐射进行详解。如图，S1 为整流输出滤波回路，C1 为储能滤波电容，i1 为回路高频电流，此电流在所有的电流回路中最大，其产生的磁场干扰也最严重，应尽量减小 S1 的面积。

在 S2 回路中，基本上没有高频回路电流，?I2 主要是电源纹波电流，高频成分相对很小，所以 S2 的面积大小基本上不需要考虑。 C2 为储能滤波电容，专门为负载 R1 提供能量，R1、R2 不是单纯的负载电阻，而是高频电路负载，高频电流 i3 基本上靠 C2 提供，C2 的位置相对来说非常重要，它的连接位置应该考虑使 S3 的面积最小，S3 中还有一个?I3，它主要是电源纹波电流，也有少量高频电流成份。 在 S4 回路中，基本上也没有高频回路电流，?I4 主要为电源纹波电流，高频成分相对很小，所以 S4 的面积大小基本上也不需要考虑。 S5 回路的情况基本上与 S3 回路相同，i5 的电流回路面积也应要尽量的小。

对策七：不要采用多个回路串联供电

图 7 中的几个电流回路，互相串联在一起进行供电，很容易产生电流共模干扰，特别是在高频放大电路中，会产生高频噪音。电流共模干扰的原因是： ?I2 = ?I3+ ?I4+ ?I5

而图 8 中各个电流回路，互相分开，采用并联供电，每个电流回路都是独立的，不会产生电流共模干扰。

对策八：避免干扰信号在电路中产生谐振

如图 9 所示，共模天线的一极是整个线路板，另一极是连接电缆中的地线。要减小辐射干扰最有效的方法是对整个线路板进行屏蔽，并且外壳接地。电场辐射干扰的原因是高频信号对导体或引线进行充电，应该尽量减小导体的长度和表面积。磁场干扰的原因是在导体或回路中有高频电流流过，应该尽量减小线路板中电流回路的长度和面积。频率越高，电磁辐射干扰就越严重；当载流体的长度可以与信号的波长比拟时，干扰信号辐射将增强。

当载流体的长度正好等于干扰信号四分之一波长的整数倍的时候，干扰信号会在电路中产生谐振，这时辐射干扰最强，这种情况应尽量避免。看到这里，是否觉得按此八步走，传导干扰尽在掌握之中？最后附上各种干扰脉冲波形的频谱供大家参考（如图 10）。任何一个非正弦波都可以看成是非常多个上升和下降速率不同的信号（或不同频率的正弦波）相互迭加而成，电磁辐射强度与电压或电流的变化速率成正比。

各种干扰脉冲波形的频谱：

电解铜箔的用途与要求（2）

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1.4.2 电解铜箔的基本要求

1)外观品质

铜箔两面不得有划痕、 压坑、 皱褶、 灰尘、 油、 腐蚀物、 指印、 针孔与渗透点以及其他影响寿命、 使用性或铜箔外观的缺陷。

2)单位面积质量

在制造印刷线路板时, 一般来说, 在制造工艺相同的条件下, 铜箔厚度越薄, 制作的线路精度越高。但是, 随着铜箔厚度的降低, 铜箔质量更难控制, 对铜箔的生产工艺要求就越高。一般双面印刷线路板和多层板的外层线路使用厚度0.035mm铜箔, 多层板的内层线路使用厚度0.018mm铜箔。0.070mm的铜箔多用于多层板的电源层电路。随着电子技术水平的不断提高, 对印刷线路的精度要求越来越高, 现在已大量使用0.012mm铜箔, 0.009mm、 0.005mm的载体铜箔也在使用。

3)剥离强度

在制造印刷线路板时, 铜箔的重要特性在铜箔标准中都有明确要求。但对剥离强度, 无论是IEC、 IPC、 JIS还是GB/T5230, 都没有对此作出明确要求, 仅规定剥离强度应符合采购文件规定或由供需双方商定。对于PCB用电解铜箔, 所有性能中最重要的就是剥离强度。铜箔压合在覆铜板的外表面, 如果剥离强度不良, 则蚀刻形成的铜箔线条可能比较容易与绝缘基板材料的表面脱开。为使铜箔与基材之间具有更强的结合力, 需要对生箔的毛面(与基材结合面)进行粗化层处理, 在表面形成牢固的瘤状和树枝状结晶并且有较高展开度的粗糙面, 达到高比表面积, 加强树脂(基材上的树脂或铜箔粘合剂树脂)渗入的附着嵌合力, 还可增加铜与树脂的化学亲和力。

一般, 印刷线路板外层用电解铜箔, 剥离强度需要大于1.34kg/cm。

4)抗氧化性

20世纪90年代以来, 由于印刷电路技术的发展, 要求形成印刷电路板的覆铜箔层压板必须能经受比过去更高的温度和更长时间的热处理。对铜箔表面, 尤其是对焊接面(铜箔光面)的抗热氧化变色性能提出了更高的要求。

除以上4项主要性能要求外, 对铜箔的电性能、 力学性能、 可焊性、 铜含量等均有严格要求。具体可参见IPC-4562《印刷线路用金属箔标准》。

锂离子电池用电解铜箔, 目前还没有统一的国标或行业标准。

1.4.3 电解铜箔发展趋势

电解铜箔的发展一直追随着PCB技术的发展, 而PCB则随着电子产品的日新月异不断提高。电子器件日趋小型化, 印刷电路表面安装技术的不断发展以及多层印刷电路板生产的不断增长而促使印刷电路趋向细密化、 高可靠性、 高稳定性、 高功能化方向发展, 由此对电解铜箔的性能、 品种提出了更新更高的要求, 使电解铜箔技术出现了全新的发展趋势。缺陷少、 细晶粒、 低表面粗糙度、 高强度、 高延展性、 更加薄的高性能电解铜箔将会广泛地应用在高档次、 多层化、 薄型化、 高密度化的印刷电路板上, 据估计其市场应用比例将达到40%以上。

①优异的抗拉强度及伸长率铜箔。常态下的高抗拉强度及高延伸率, 可以改善电解铜箔的加工处理特性, 增强刚性避免皱纹以提高生产合格率。高温延伸性(THE)铜箔及高温下高抗拉强度铜箔, 可以提高印刷板的热稳定性, 避免变形及翘曲。

②低轮廓铜箔。多层板的高密度布线技术的进步, 使得传统型的电解铜箔不适应制造高精细化印制板图形电路的需要。因此, 新一代铜箔——低轮廓(low proffle, LP)和超低轮廓(VLP)电解铜箔相继出现。毛面粗糙度为一般粗化处理铜箔的1/2以下为低轮廓铜箔, 毛面粗糙度为一般粗化处理铜箔的1/3以下为超低轮廓铜箔。低轮廓铜箔的结晶很细腻, 为等轴晶粒, 不含柱状晶体, 是成片层晶体, 且棱线平坦、 表面粗糙度低, 一般同时具备高温高延伸率和高抗拉强度。超低轮廓铜箔(VLP)表面粗糙度更低, 平均粗糙度为0.55μm(一般铜箔为1.40μmm), 同时, 具有更好的尺寸稳定性, 更高的硬度等特点。