人体通信中发送端接触阻抗的实验研究

作者：陈艺东，曹玉婷1，高跃明1，潘少恒，麦炳源，韦孟宇1，李玉榕，杜民

【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

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

人体前臂由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼等组织构成。皮肤具有较强的介电特性。肌肉中含有水分和电解质，导电性能好。而脂肪中含水极少，导电性能较差。脂肪层位于电特性良好的皮肤和肌肉之间，这种结构与Cole-Cole模型等效[5]。

医用电极由电极基片和导电胶组成，而皮肤由表皮层、真皮层和皮下组织组成。电极和皮肤接触时的阻抗结构见图2。其中Rd、Cd分别代表电极与皮肤的接触电阻和接触电容;Re，Ce分别代表表皮层的电阻和电容;Ru代表真皮层和皮下组织的电阻[6]。

2.1 前臂发送端电路模型

人体通信中发送机产生的交变电流信号主要在两个发送电极及其之间的人体组织传导。只有较少的一部分电流会沿着皮肤和肌肉的纤维向外传播[5]。图2 电极与皮肤阻抗结构图

Fig 2 The structure of electrode-skin impedance

为了更好地研究发送电极与皮肤的接触阻抗对通信质量的影响，暂时忽略向外传播的那一小部分电流，构建如图3(a)所示的发送端电路。

Zi的Ri、Re、Cm分别代表整个人体组织的等效内外液电阻和膜电容。为了研究方便，对电路进行了简化处理。此电路的总体特性可用一个三元件Cole-Cole模型来描述，见图3(b)。其中，R1代表人体等效内液电阻Ri;R2代表人体等效外液电阻Re与接触电阻Rd之和;C代表人体膜电容Cm与接触电容Cd之和。在恒定频率下，人体输入阻抗Zi基本不变，当电极与皮肤的接触阻抗发生改变时，模型可反映出接触阻抗对发送信号的影响。

2.2 实验设计

采用交变方波电流对人体通信发送端的电特性进行测试。因为交变方波电流可以方便的控制对人体电容C的充电时间和充电电流，避免恒压测量时产生的极化现象，从而提高实验的准确度。测量电路总体框图见图4。

由信号源产生的交变方波电压信号经过V/I转换电路转化成交变的方波电流(经测试，设置输出电流有效值为1 mA，在1～100 kHz频率范围内，其输出电流偏差不超过1%)，然后通过一对电极流经人体的前臂，其间串联了一个取样电阻Rp。Rp为50Ω，远小图4 发送端测量电路总体框图

Fig 4 The structure of measure circuit

于人体皮肤电阻(大于1KΩ)[7]。不会影响测试结果。

人体实验围绕10位自愿者展开。志愿者年龄为24～45岁，男女比例3:2，体重为46～81 kg。在整个实验过程中，使用胶带保证电极与人体正常良好接触，要求自愿者平躺在测试床上，并保持放松状态，待10 min后测量趋于稳定后读数。

本实验使用了2 cm×2 cm、3 cm×3 cm、4 cm×4 cm的理疗电极来进行对比实验，用于比较不同的电极面积对接触阻抗的影响。通过在实验部位施加有效值为1 mA的交变方波电流，可保证实验过程中不会出现突发刺痛的感觉，同时示波器测得的波形也较稳定。示波器上观测到的波形见图5。

图5 示波器上观测到的波形

Fig 5 The Observed waveform on oscilloscope

通道1测得取样电阻Rp上的电压波形VS，反映了施加在人体前臂信号发送端的方波电流波形。通道2测得人体前臂通信信号发送端电极间的电压波形，即在交变方波电流条件下作用于体表的响应电压波形。在通道2的波形中，垂直线段部分反映了交变方波电流发生突变的一瞬间在电阻R1上产生的电压突变VR1，在电流幅值恒定的情况下，VR1基本为一定值;曲线部分反映了人体电容在恒定电流条件下的充电过程，随着时间的推移，人体电容上的电压值以对数曲线的趋势逐渐上升。交变方波电流的频率越小，充电时间越长，人体电容所承受的电压越大。设定充电时间T1、T2为0.05 ms(20kHz)和0.1 ms(10kHz)，从产生的波形中测量得到VR1、VT1+、VT1-、VT2+、VT2-的电压值，联立如下方程组，可解得模型参数R1、R2、C：

VR1=R1×I

VTOP=R2×I

T1=R1×C×ln[(VTOP-VT1-)/(VTOP-VT1+)]

T2=R1×C×ln[(VTOP-VT2-)/(VTOP-VT2+)](1)

其中，T1、T2为不同频率下电容C的充电时间;VTOP为电容C充电饱和时所达到的最大电压，其值等于R2和电流幅值I的乘积;VT1-、VT2-为电容C的充电起始电压;VT1+、VT2+是电容C充电的截止电压。

3 结果与讨论

在室温26℃、湿度60%环境下，对10位自愿者每人进行3次测试，取平均值。在一定程度上排除了个体差异。结果见表1。

表1 前臂发送端模型参数测量结果

Table 1 The measurement results of transmitter-terminal circuit

理疗电极(cm)R1(Ω)R2(Ω)C(μF)4×4489.6211523.8920.1353×3614.2612902.4890.1052×2749.1424695.3550.095

发送端阻抗Z的表达式为：

Z=[R1+1/(jwC)]//R2(2)

在1～100 kHz频率范围内，前臂处3种电极的发送端阻抗频谱图见图6。

图6 前臂处3种电极的发送端阻抗频谱图

Fig 6 Impedance frequency spectrum of 3 kinds of

electrode at human forearm 从图6可以看出，在相同频率下，对于同种电极来说，电极面积越小，接触阻抗越大。在1～10 kHz频段内，随着频率的增加，三者的阻抗差逐渐减小。当频率位于10～100 kHz的时候，两者的阻抗差基本趋于稳定。

在定量测得不同电极的接触阻抗之后，有必要进一步了解发送端接触阻抗的差异究竟会给人体通信带来什么样的影响。考虑到载波频率的范围，采用衰减率来描述人体通信的信道特性，其表达式为：

Attenuation[dB]=20×log10(UReceive/UTransmit)(3)

其中UTransmit为发送电极两端的电压，UReceive为接收电极两端的电压值。

人体试验中采用4 cm×4 cm电极作为接收电极，固定收发距离为10 cm，以有效值为1 mA的正弦交流电流作为测试信号，测取三种发送电极在1～100 kHz情况下的衰减率，见图7。

图7 前臂处3种电极的衰减率曲线图

Fig 7 Attenuation of 3 kinds of electrode at human forearm

从图7中看出，对于同种电极来说，面积越大，电极和皮肤间的接触阻抗越小，其对应的衰减率也越小。因而，选用较大面积的电极作为发送端的电极，可以在一定程度上提高人体通信的质量。

我们将电极贴于小腿处进行了同样的实验，得到了类似的结果，见图8。

与前臂测得的数据比较可以看出，在同一频率下，小腿处的接触阻抗和衰减率均比前臂小。造成这一现象的主要原因是小腿的肌肉比前臂厚实，更有利于信号的传输。所以，在1～100 kHz频段内，小腿具有更好的信号传输特性。

4 结论

在人体通信中，接触阻抗是影响通信质量的重(a)

(b)

图8 小腿处的测量结果

(a)小腿处3种电极的发送端阻抗频谱图

(b)小腿处3种电极的衰减率曲线图

要因素之一。本研究基于电流耦合型人体通信方式，以人体前臂为主要研究对象，对发送端电路模型进行分析和简化。通过对人体施加交变方波电流测量模型的参数，围绕三种不同面积的发送电极开展对比性实验，得到如下结论：发送端电极与皮肤之间的接触阻抗对人体通信发送端电路阻抗有着较大的影响，接触阻抗越大，发送端阻抗越大，使人体通信过程中的信号衰减率变大。因此，在研究人体通信的机理时，不能忽略接触阻抗的影响，应尽可能增大发送电极的面积，同时注意皮肤清洁，保证电极与皮肤良好接触等措施，以减小接触阻抗，提高信号增益，保证通信质量。