衡 雅

基于人體通信的健康飲食檢測研究

衡 雅

衡 雅 孫 俊 張 咪 王 瑾 陳 璇

揚州大學(xué)信息工程學(xué)院

衡雅（1994-）女，揚州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；孫?。?989-）男， 揚州大學(xué)碩士研究生，研究方向：信號與信息處理；王瑾（1994-）女， 揚州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程； 張咪（1993-），女，揚州大學(xué)在讀本科生，專業(yè)為電子信息工程；陳璇（1991-）女，揚州大學(xué)碩士研究生，研究方向為信號與信息處理。

在我國，有大量生活不能自理的群體需要看護人員負責其飲食，如嬰幼兒及患有癱瘓等疾病的中老年人。該類群體的共同特征主要表現(xiàn)為生活不能自理，且部分人群不能及時用語言表達出自身的饑飽狀態(tài)。因此，極有必要研制出一種可以自動檢測該類群體飲食饑飽狀態(tài)的裝置，并能將檢測結(jié)果實時反饋給看護人員，以便看護人員能夠及時判斷其饑飽狀態(tài)，從而為其制定合理的飲食措施。本文將基于最新的人體通信技術(shù)，以人體作為饑飽信號的傳輸介質(zhì)，建立新型健康飲食檢測模型，對老幼群體的饑飽狀態(tài)進行實時檢測，最終實現(xiàn)老幼群體健康飲食的目的。

概述

人體通信（Intra-Body Communication，IBC）是一種以人體作為傳輸媒介的新興短距離信息傳輸方式，由美國麻省理工學(xué)院于1996年提出。人體通信技術(shù)相比于傳統(tǒng)的藍牙、紅外等無線通信技術(shù)，具有低功耗、高保密性、不易受外界噪聲干擾以及更低的人體損害等優(yōu)點。依據(jù)不同的傳輸方式，人體通信方式可劃分為三種類型：簡單線路方式、電容耦合方式和電流耦合方式。其中，電流耦合方式的實現(xiàn)過程主要表現(xiàn)為：大部分電信號從人體表面或內(nèi)部經(jīng)過，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，且實現(xiàn)過程不易受到外界及周邊環(huán)境的影響，因此具有更好的適應(yīng)性和抗干擾性。由于人體具有較好的導(dǎo)電性能，從而能夠使其成為良好的信息傳輸載體。

研究背景及意義

隨著我國社會逐漸步入老年化以及新一輪生育高潮的來臨，老年人的身體健康問題以及嬰幼兒的喂養(yǎng)問題越發(fā)引起社會的關(guān)注。目前，老年人及新生兒人口數(shù)目在我國總?cè)丝谥斜戎剌^大。在這部分人口中，嬰幼兒和患有癡呆以及不能言語的老年人，需要專門的看護人員負責其飲食。然而，此類群體，均不能對自身的饑飽狀況做出實時反應(yīng)，看護人員只能憑借個人經(jīng)驗，判斷被看護者的饑飽狀況。進而導(dǎo)致看護人員難以控制其飲食量，最終將會導(dǎo)致該群體處于非健康狀態(tài)。因此，有必要設(shè)計出一個能夠?qū)崟r監(jiān)測該類群體饑飽狀態(tài)的系統(tǒng)，并能將檢測結(jié)果及時反饋給看護人員，便于及時采取合理的措施。因此，研究基于人體通信的健康飲食檢測系統(tǒng)對于解決老人及嬰幼兒的健康飲食問題具有重要的社會意義。

我們的研究通過設(shè)計出一種遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對老年人及嬰幼兒的胃部情況、心電圖、呼吸速率、活動量等諸多參數(shù)進行采集，再進行數(shù)據(jù)比對分析，從而實現(xiàn)合理監(jiān)控。

系統(tǒng)模型

試驗原理

人體腹部包括皮膚、脂肪、肌肉、骨骼、內(nèi)臟等組織。其中，皮膚具有較強的介電特性，肌肉中含有水分和電解質(zhì)，因此導(dǎo)電性能好。而脂肪中自由移動的離子極少，導(dǎo)電性能較差。脂肪層位于電解性良好的皮膚和肌肉之間。人體固有的結(jié)構(gòu)表明，人體作為可通信的導(dǎo)體，電信號通過電極進入人體，被接收電極接受，從而實現(xiàn)對人體的實時監(jiān)測。

在本研究中，將采用醫(yī)用電極作為信息采集節(jié)點。醫(yī)用電極主要由導(dǎo)電膠和電極基片組成，而皮膚主要由皮下組織、真皮層以及表面層組成。其等效電路可如圖1所示。

圖1 電極與皮膚的等效阻抗電路圖

其中Cd、Rd分別代表電極和皮膚的接觸電容和接觸電阻；Ce、Re分別代表表皮層的電容和電阻；Ru代表皮下組織和真皮層的電阻。

在本系統(tǒng)中，由發(fā)送機所產(chǎn)生的交變電流信號主要在接收/發(fā)送兩個電極及兩個電極之間的人體組織中傳導(dǎo)。通信中的接觸阻抗可包括整個人體組織的等效內(nèi)外液電阻和膜電容。值得指出的是，在恒定頻率下，人體的輸入阻抗基本不變，當電極與皮膚的接觸阻抗發(fā)生變化時，通過接收信號的變化可反映出接觸阻抗對發(fā)送信號的影響。

基于上述原理，在信號傳輸過程中，若人體內(nèi)腸胃等部位出現(xiàn)空腹或食物堆積等現(xiàn)象時，將會引起人體等效接觸阻抗的變化，進而影響通過人體的電信號發(fā)生變化。同時，在接收電極端，接收到的信號也將發(fā)生變化。而接收信號的變化恰可以用來判斷當前人體腸胃等部位的食物堆積情況，進而判斷出該被測試者的當前饑飽狀況。本系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

另外，圖2中發(fā)送端電路可如圖3所示。其中R1代表人體等效內(nèi)液電阻，R2代表人體等效外液電阻與接觸電阻之和，C代表人體膜電容與接觸電容之和。

圖2 基于電流式人體通信的健康監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 發(fā)送端的等效電路

系統(tǒng)模型

信號源發(fā)出的信號通過醫(yī)用發(fā)送電極進入人體內(nèi)部，電信號經(jīng)過胃部等人體部位后，被信號接收儀（接收電極）接收，再將所接收到的信號與常規(guī)饑飽的樣本進行比對，據(jù)此對當前被測試者的狀況做出判斷，并根據(jù)判定結(jié)果送出適當信號到報警系統(tǒng)，做出正確的提醒。技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 本項目采用的技術(shù)路線

系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)包含信號輸出模塊、信號傳送模塊、信號接收模塊以及信號檢測與分析模塊，各模塊的功能如下。

（1）信號輸出模塊

輸出模塊是指經(jīng)由人體并通過人體進行信號傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到各個接收終端的模塊。其中信號采集是輸出模塊的核心。

一般情況下，信號采集系統(tǒng)分為兩個部分：模擬信號調(diào)理以及數(shù)字信號處理。模擬信號部分主要有以下功能：對信號進行放大、濾波以及調(diào)整等，它需要能夠按照設(shè)備的要求將信號由模擬形式直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，同時對采樣精度、采樣頻率等有著一定的要求。

（2）信號傳送模塊

本系統(tǒng)將基于安卓系統(tǒng)下的藍牙控制模塊運作。本系統(tǒng)主要采用藍牙的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，應(yīng)用全雙工傳輸。

這里，藍牙系統(tǒng)由天線單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元和藍牙軟件單元等四個功能單元組成。信號主要由天線單元接收，將經(jīng)胃部等人體部位采集到的信息經(jīng)過濾波器和收發(fā)控制開關(guān)送入接收模塊，此外，本系統(tǒng)通過藍牙技術(shù)向電腦端傳送實時文件信息，實現(xiàn)近距離范圍內(nèi)的相互操作，從而便于進行數(shù)據(jù)分析。

（3）信號接收模塊

本系統(tǒng)中，信號接收模塊展示終端采用的為示波器，通過探測經(jīng)過人體胃部信號波形的變化，可以客觀反映出人體內(nèi)部的變化。因此，這種抽象化人體進食量的需求變化可變換為信號的波形變化，且更易于直觀分析。

（4）信號檢測與分析模塊

信號檢測與分析模塊采用個人電腦終端，通過編寫程序，將實時采集的數(shù)據(jù)與樣本庫對比（如圖4所示），直觀反映信號的變化。

實驗分析

在信號傳輸過程中，當人體內(nèi)腸胃等部位出現(xiàn)空腹或食物堆積等現(xiàn)象時，通過人體內(nèi)的電信號發(fā)生變化，接收到的信號也將發(fā)生變化。將接收到的信號與實驗數(shù)據(jù)樣本進行比對分析，從而判定被實驗者當前的饑飽狀況，即通過接收信號的變化判定當前人體的饑飽狀況。

研究中的關(guān)鍵問題分析

人體通信頻帶問題

人體對不同頻段信號的傳輸效率和傳輸損耗各不相同，必須找到適合通信的頻帶才能建立有效的人體通信模型。有研究高頻載波在人體內(nèi)傳播的實驗表明，當載波頻率在200～600MHz時，能獲得較好的通信效果；而在低頻100MHz以內(nèi)的載波在人體內(nèi)傳播的實驗表明，在5MHz時能獲得最好的通信效果?？紤]到實際情況，本研究將以5MHz為工作頻率。

不同因素對信號的影響

首先是當對人體輸入不同安全電流時，人體表面耦合電壓的衰減率將發(fā)生改變；其次，電極分為理療電極和心電電極，不同種類的電極對實驗結(jié)果影響亦不同，需要比較接收電極及發(fā)送電極的種類和尺寸變化對信號衰減的影響；最后，收發(fā)電極的中心點間的距離是否會影響信號衰減，也需要多次試驗，進而選擇最佳的收發(fā)電極間距。

結(jié)束語

人體通信是近年來興起的一門新興通信技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。人體作為可通信的導(dǎo)體，可用來傳遞各種信號。 當人體胃、腸等部位出現(xiàn)食物堆積或空腹時，人體這一導(dǎo)體的等效電阻、電容等會發(fā)生變化，從而通過人體后的電信號也將發(fā)生變化，那么接收到的信號也將改變。本研究通過比較經(jīng)由人體的電信號的變化，對人體胃部進行檢測，從而得到對人體饑飽狀況的檢測結(jié)果，確定其饑飽狀況并采取合理的飲食措施。本課題直觀方便地反映人體進食狀況，同時該技術(shù)使用大眾化，易于推廣普及，可以實現(xiàn)全社會的廣泛使用。

揚州大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.068