مروری بر ارتباطات بدن انسان: مدل انتشار سیگنال ، عملکرد ارتباطات و موضوعات تجربی

ارتباطات بدن انسان (HBC) ، که از بافت بدن انسان به عنوان واسطه انتقال برای انتقال انفورماتیک سلامت استفاده می کند ، به عنوان یک راه حل لایه فیزیکی امیدوار کننده برای شبکه بدن (BAN) عمل می کند. ماهیت محور انسانی HBC روشی نوآورانه برای انتقال داده های بهداشتی ارائه می دهد ، که انتقال آن به تداخل کم و پیوند داده قابل اعتماد نیاز دارد. بنابراین ، استقرار سیستم HBC به دست آوردن عملکرد ارتباطات خوب لازم است. در این راستا ، یک بررسی آموزش در مورد موضوعات مهم مربوط به انتقال داده های HBC مانند مدل انتشار سیگنال ، ویژگی های کانال ، عملکرد ارتباطات و ملاحظات تجربی انجام می شود. در این کار ، توسعه HBC و اولین تلاش های آن در مرحله اول بررسی می شود. سپس یک نظرسنجی در مورد مدل های انتشار سیگنال معرفی می شود. بر اساس این مدل ها ، ویژگی های کانال خلاصه می شود. عملکرد ارتباطات و انتخاب پارامترهای انتقال نیز مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این ، موضوعات تجربی ، مانند الکترودها و استراتژی های زمینی نیز مورد بحث قرار گرفته است. سرانجام ، مطالعات آینده پیشنهادی ارائه شده است.

1. معرفی

شیوع بیماری های مزمن (به عنوان مثال ، بیماری های قلبی ، دیابتی ها و سکته مغزی) و تشدید جمعیت سالخورده به نگرانی های بهداشت عمومی و چالش های سیستم مراقبت های بهداشتی تبدیل شده است. به گفته سازمان بهداشت جهانی (WHO) ، میلیون ها نفر از بیماری های مزمن رنج می برند و به عنوان مثال ، در سال 2012 ، بیماری های قلبی عروقی منجر به مرگ 17. 5 میلیون نفر شد و دیابت باعث مرگ 1. 5 میلیون نفر شد [1]. علاوه بر این ، تعداد مطلق افراد 60 ساله و بالاتر از سال 2015 تا 2050 از 900 میلیون به 2 میلیارد نفر افزایش می یابد [2] ، و جمعیت پیری باعث شیوع بیماری مزمن می شود زیرا افراد بزرگتر مستعد ابتلا به بیماری های مزمن هستند [3]برای کنترل موثر بیماریهای مزمن و بهبود کیفیت زندگی برای بیماران ، نظارت مداوم به سلامت [4] مورد نیاز است. برای افراد گروه پرخطر ، نظارت مداوم بر داده های فیزیولوژیکی به تشخیص زودرس و جلوگیری از بیماری ها کمک می کند [5]. به عنوان مثال ، فعالیت های مغز و عضلات باید به طور مداوم در بیماران مبتلا به بیماری پارکینسون مورد بررسی قرار گیرد و قند خون در بیماران مبتلا به دیابت کنترل می شود. راه حل امیدوارکننده برای فعال کردن نظارت مداوم داده های فیزیولوژیکی ، استقرار شبکه ناحیه بدن (BAN) [6 ، 7] است ، جایی که از سنسورها و محرک های کوچک برای نظارت بر داده های فیزیولوژیکی و ارائه عملکردهای درمانی استفاده می شود (یعنی مدیریت کنید. دوز انسولین ، کنترل میزان ضربان ساز قلبی و غیره.) [6 ، 8 ، 9].

ساختار ممنوعیت در شکل 1 نشان داده شده است. گره های سنسور شامل هر دو گره بدن و بدن (دستگاه های قابل کاشت) ، به طور کلی عملکرد نظارت را انجام می دهند (اندازه گیری پالس اکسیمتر SPO2 ؛ سنسور فشار خون فشار خون را اندازه گیری می کند). داده های فیزیولوژیکی این گره ها در طی یک دوره زمانی به صورت خصوصی و قابل اعتماد به یک گره رله یا جمع کننده نصب شده بر روی بدن ، مانند یک مچ بند ساعت هوشمند یا مچ بند هوشمند منتقل می شوند [10 ، 11] ، که دستگاه های نوظهور در صنعت زیست پزشکی هستندبه دلیل راحتی آنها برای کنترل و دائماً رفتار می پوشند. داده ها سپس به هاب و نقطه کنترل مرکزی ارسال می شوند ، از آنجا که داده ها در دسترس بیمارستان ، کارکنان حرفه ای و مرکز اورژانس یا برای استفاده شخصی هستند.

محور انسانی مهمترین ویژگی برای ممنوعیت است ، ارتباط بین سنسورهای پراکنده در بدن انسان و جمع کننده باید با اتصال سیمی یا تکنیک های ارتباطی بی سیم از راه دور انجام شود. بدیهی است ، اتصال سیمی انتخاب خوبی نیست زیرا سیم می تواند شکسته شود و برای حرکت بیماران ناخوشایند است. تکنیک های بی سیم فرکانس رادیویی کوتاه (RF) مانند Zigbee ، Bluetooth و Ultrawide Band (UWB) نامزدهای ارجح هستند. با این حال ، این رویکردها دارای اشکالاتی ذاتی هستند زیرا آنها برای انتقال داده های نظارت بر سلامت محور انسانی طراحی نشده اند. به عنوان مثال ، تکنیک های RF مستعد تداخل الکترومغناطیسی هستند و از نشت سیگنال بزرگ و استراق سمع آسان رنج می برند. علاوه بر این ، بدن انسان در درجه اول (65 ٪) از آب تشکیل شده است که یک ماده مسدود کننده برای سیگنال های RF است [12]. بنابراین سیگنال های بی سیم RF که به اطراف یا بدن انسان منتقل می شوند از اثر سایه دار بدن رنج می برند ، که منجر به کاهش چشمگیر سیگنال خواهد شد [13 ، 14]. علاوه بر این ، تکنیک های RF سیگنال را از طریق آنتن تابش می کنند ، که برای مینیاتوریزاسیون به چالش کشیده می شود. کاندیدای بالقوه دیگر تکنیک اتصال بی سیم استقرایی است. با این حال ، راندمان اتصال آن (0. 4 ٪ با فاصله 3 سانتی متر [15]) کم و اندازه سیم پیچ (ابعاد معمولی 25 میلی متر × 10 میلی متر برای سیم پیچ مستطیل ، قطر 20 میلی متر برای سیم پیچ دایره ای) [16] بزرگ است. همچنین سیم پیچ برای مینیاتوریزاسیون مشکل است. بدیهی است که تکنیک های جدید ارتباطی که برای انتقال داده های نظارت بر مراقبت های بهداشتی محور انسانی هدف قرار گرفته است ، برای ممنوعیت پزشکی لازم است.

ارتباطات بدن انسان (HBC ، همچنین به آن ارتباطات داخل بدن گفته می شود) یک روش انتقال جدید با استفاده از بدن انسان به عنوان محیط انتقال برای انتقال سیگنال الکتریکی است [17]. HBC به یکی از سه لایه فیزیکی (دو گروه دیگر باند باریک و UWB) برای ممنوعیت های پیشنهادی IEEE 802. 15. 6 کار گروه 6 [18] تبدیل شده است. HBC می تواند به دو روش اجرا شود: روش اتصال خازنی و روش اتصال گالوانیک. این ویژگی های مطلوب زیر را دارد.

(الف) امنیت نشت سیگنال کمی. این سیگنال به سطح بدن محدود می شود و با انرژی کمی که به محیط اطراف تابش می شود (از بدن برای تابش انرژی به عنوان آنتن جلوگیری کنید) [19 ، 20]. بنابراین ، امنیت اطلاعات برای جلوگیری از استراق سمع تضمین شده است و می توان دخالت در افراد مختلف را نیز به حداقل برساند.

(ب) قدرت انتقال کم کاهش سیگنال کم. در مقایسه با کانال هوا ، کانال بدن انسان افزایش کانال بالایی را بدست می آورد [21] ، که می تواند قدرت انتقال را کاهش دهد. و بنابراین ممکن است به طور بالقوه مصرف انرژی سیستم را کاهش داده و برای مینیاتوریزاسیون مفید باشد.

(ج) فرکانس حامل کم. HBC در فرکانس پایین کار می کند (به ویژه برای اتصال Galvanic HBC) ، که به طور بالقوه می تواند طراحی را ساده کند ، مصرف برق را به حداقل برساند (در سیستم HBC ، مدار شناسایی شده ، فیلتر و تقویت کننده قدرت دارای مؤلفه مدار CMOS است که در آن قدرت پویا استمتناسب با فرکانس حامل است. همچنین مصرف برق CPU و سینت سایزر فرکانس متناسب با فرکانس عملکرد است) [22 ، 23] و اندازه دستگاه ها را به دلیل نیاز کم در تقویت کننده ها ، خازن ها و سلف ها کاهش می دهد. در همین حال ، فرکانس حامل پایین نیاز به گیرنده فرکانس کم به طول دارد ، که به دلیل تحمل بهتر آن نسبت به انحراف فرکانس می تواند به گیرنده های کم کریستال دست یابد [24]. فرستنده کریستال کمتر می تواند اندازه و مصرف برق را کاهش دهد ، زیرا نوسان ساز کریستال حجیم ، گرسنه و اجزای شکننده است. علاوه بر این ، HBC به آنتن احتیاج ندارد ، که می تواند اندازه تراشه را به حداقل برساند.

مقایسه HBC و سایر تکنیک های بی سیم در جدول 1 نشان داده شده است. برای خدمت به عنوان یک تکنیک ارتباطی مناسب برای ممنوعیت ، HBC به دلیل تداخل کم ، امنیت بالا نیاز به کاندیدای آینده نگر دارد (رهگیری سیگنال نیاز به لمس بدن دارد) ، مناسبدامنه انتقال و درجه بالقوه بالاتر از مینیاتوریزاسیون.

با استفاده از HBC برای انتقال داده ها در بین دستگاه های نظارت بر مراقبت های بهداشتی پوشیدنی یا قابل کاشت ، انتقال قدرت پایین مهم است ، نه تنها برای جلوگیری از نشت اطلاعات یا تداخل در سایر ممنوعیت ها ، بلکه برای صرفه جویی در توان (کاهش قدرت انتقال می تواند مصرف برق را کاهش دهدتقویت کننده برق ، که بخش قابل توجهی از مصرف انرژی سیستم HBC را به خود اختصاص می دهد). این امر به ویژه در مورد دستگاه های قابل کاشت صادق است ، زیرا نشت اطلاعات مهم (به عنوان مثال ، سرعت قدم زدن و تنظیم آستانه قدم زدن ضربان ساز) به گیرنده ناخواسته منجر به وقایع تهدید کننده زندگی می شود. علاوه بر این ، قدرت انتقال کم از اهمیت برخوردار است زیرا می تواند طول عمر باتری را گسترش دهد [25] ، که برای جایگزینی نیاز به عمل جراحی پرهزینه و تهاجمی دارد.

برای دستیابی به توان انتقال پایین، باید توان انتقال را به حداقل رساند و عملکرد ارتباطی آن را بهینه کرد. مطمئناً انتقال داده های قابل اعتماد باید در همان زمان حفظ شود. سپس پارامترهای انتقال مرتبط با توان انتقال، مانند نرخ داده، روش مدولاسیون، پهنای باند و باند فرکانس، باید به طور مناسب انتخاب شوند. این به ما انگیزه می دهد تا ویژگی های کانال را خلاصه کنیم و قاعده عملکرد ارتباط (به عنوان مثال، نرخ خطای بیت BER) را برای طرح های مدولاسیون مختلف پیدا کنیم. البته، مسائل تجربی برای به دست آوردن ویژگی کانال نیز قابل توجه است. بنابراین، بررسی موارد فوق برای استقرار HBC از اهمیت بالایی برخوردار است. در ادامه تاریخچه و توسعه HBC بررسی می شود. سپس مدل انتشار سیگنال در بخش 3 خلاصه می شود. بر اساس مدل ها، ویژگی های کانال و عملکرد ارتباطی در بخش 4 ارائه شده است. مسائل تجربی در بخش 5 مورد بحث قرار می گیرند. در نهایت، نتیجه گیری و مطالعات آتی در بخش 6 مورد بررسی قرار می گیرد.

2. توسعه ارتباطات بدن انسان

2. 1. تاریخچه مالکیت الکتریکی و بافت انسانی

در تاریخ بشر، علاقه به بافت های بدن اجتناب ناپذیر بود. بسیاری از محققان تلاش ها و افکار خود را صرف بررسی ماهیچه ها و خواص الکتریکی و بیومکانیک آنها کردند. به طور کلی دو شکل ارزیابی بیوالکتریکی عضله وجود دارد، یکی بررسی سیگنال الکتریکی ناشی از عضله و دیگری بررسی خواص عضله با اعمال سیگنال های الکتریکی.

رابطه بین برق و انقباض عضلات برای اولین بار توسط پزشک ایتالیایی لوئیجی گالوانیک در اواسط دهه 1970 مشاهده شد. لوئیجی گالوانیک آزمایش اتصال اعصاب مه مه آلود را به یک سیم فلزی طولانی انجام داد و در هنگام رعد و برق آن را به سمت آسمان نشان داد ، پاهای قورباغه پیچید و پرید که گویی آنها با فلاش از نورپردازی زنده هستند ، که از آن گالوانیک به تازگی اشاره کردبافت عضلانی مرده می تواند به محرکهای الکتریکی خارجی پاسخ دهد. از آن زمان ، محققان بیشتر و بیشتر پاسخ بافت انسان به جریان الکتریکی ، امپدانس بافت و خصوصیات دی الکتریک را بررسی کردند. به عنوان مثال ، عصب ، عضله و غده را می توان برای تولید بیهوشی [26] توسط جریان های الکتریکی Milliampere تحریک کرد. بررسی های اولیه ادبیات در مورد خصوصیات دی الکتریک توسط گدس و بیکر [27] ارائه شده است که گزارش های اولیه در مورد مقاومت خاص بافت ها را خلاصه می کنند. بعداً ، تحقیقات فشرده در مورد خاصیت دی الکتریک بافت توسط گابریل و همکاران گزارش شد.[28]و آزمایش های بیشتر توسط گابریل و همکاران انجام شد. برای مطالعه خصوصیات دی الکتریک بافت انسان و حیوان در محدوده فرکانس 10 هرتز تا 20 گیگاهرتز [29]. بر اساس این اندازه گیری ها ، یک مدل پارامتری با چهار پراکندگی نوع کول کول برای توصیف خصوصیات دی الکتریک بافت به عنوان تابعی از فرکانس تهیه شده است [30]. این خصوصیات الکتریکی توسط محققان برای تسهیل تحقیقات و کاربردهای اخیر مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان مثال ، توموگرافی امپدانس الکتریکی (EIT) برای تصویربرداری از اندام های داخلی و ساختار بدن برای تشخیص پزشکی ایجاد شده است. تحریک الکتریکی برای درمان پزشکی و پروتز اتخاذ شده است. تا سال 1995 ، بدن انسان به عنوان یک محیط انتقال پیشنهاد شد تا برای انتقال داده ها مورد استفاده قرار گیرد. این نوع تله متری ، به نام جفت خازنی HBC [17] ، برای فعال کردن انتقال داده در بدن یا اطراف بدن ساخته شده است.

تحقیقات پیشگام HBC بر امکان سنجی اجرای HBC متمرکز شده است. پس از آن ، مدل های انتشار سیگنال برای بررسی مکانیسم انتشار سیگنال و خصوصیات کانال در حال ظهور بودند. بعداً ، آزمایش ها و نمونه های اولیه برای بررسی عملکرد ارتباطی آنها انجام شد. به طور کلی ، HBC می تواند به دو روش اجرا شود: روش اتصال خازنی و روش اتصال گالوانیک. در آنچه در زیر می آید ، جزئیات ارائه می شود.

2. 2روش های اتصال HBC و اولین تلاش های آنها

2. 2. 1. جفت خازنی HBC

در سال 1995، زیمرمن [17] تحقیقی را برای انجام اندازه گیری موقعیت کمان ویولن سل یویو ما انجام داد. مشخص شد که قرار دادن دست در میدان الکتریکی سیگنال دریافتی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. بر اساس این حقایق و اصل، او مفهوم شبکه منطقه ای شخصی (PAN) را پیشنهاد کرد، یک سیستم بی سیم که به دستگاه های الکترونیکی در داخل و نزدیک بدن انسان اجازه می دهد تا اطلاعات دیجیتال را از طریق HBC مبادله کنند، که برای تابش سیگنال به آنتن پیچیده نیاز ندارد. به هوا؛در عوض، از الکترودها برای جفت کردن سیگنال الکتریکی به بدن انسان استفاده می شود، که سپس به عنوان وسیله ای برای انتقال سیگنال استفاده می شود. زیمرمن همچنین یک نمونه اولیه را به عنوان تلاش اولیه برای پیاده سازی فناوری HBC توسعه داد. این نمونه اولیه امکان استفاده از HBC را برای انتقال داده تایید می کند.

جفت خازنی HBC که کوپلینگ میدان نزدیک [31] نیز نامیده می شود، و جفت الکترواستاتیکی [17، 32] در شکل 2 توضیح داده شده است. الکترودهای سیگنال در فرستنده و گیرنده هر دو بر روی پوست انسان متصل می شوند، در حالی که الکترودهای زمین شناور هستند. در هوا. یک میدان الکتریکی بزرگ Et از طریق الکترود سیگنال فرستنده به بدن انسان وارد می شود [31]. رسانایی بدن انسان نه تنها میدان الکتریکی را با محیط (یعنی Ee) جفت می کند، بلکه به عنوان یک صفحه رسانا عمل می کند که میدان های الکتریکی (به عنوان مثال، Ea، Ec و Ed) را به صفحات رسانای دیگر (الکترودهای زمین) القا می کند [33، 34].]. مسیر برگشت سیگنال ارسالی توسط میدان های الکتریکی Ea، Ec، Ee-Eb، Er-Ef-Eb و Ed-Ef-Eb تشکیل می شود. به عبارت دیگر، میدان های الکتریکی در محیط یا از طریق زمین خارجی به عنوان مسیر بازگشت عمل می کنند [35]. در گیرنده، سیگنال دریافتی به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی بین Er، Ef و Ed مجاز به تشخیص است زیرا Er بسیار بزرگتر از Ef و Ed است (رسانایی بدن انسان بسیار بالاتر از هوا است) [34]. از طرف دیگر، اختلاف پتانسیل الکتریکی به دلیل میدان های الکتریکی فرار Ee، Ea و Ec اندک است. علاوه بر این، سیگنال شناسایی شده ناپایدار است و به شدت تحت تأثیر محیط قرار می گیرد که میدان های الکتریکی Ef و Ee همراه با تغییرات محیطی تغییر می کنند [17] (به عنوان مثال، ظاهر مبلمان فلزی، سیم ها، آب و تجهیزات اداری باعث تغییر حالت عقب می شود. ظرفیت خازنی [36]).