彭雙，段吉海，韋膠二，朱島

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，桂林 541004)

1 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快和飲食結(jié)構(gòu)的變化，消化道疾病越來(lái)越常見[1]。內(nèi)窺鏡[2-4]技術(shù)是消化道檢查最直接有效的方法。該技術(shù)可檢測(cè)到小腸或結(jié)腸等傳統(tǒng)內(nèi)鏡不能檢測(cè)的盲區(qū)，并記錄和傳輸圖像[5]。然而，目前的WCE由于傳輸速率較低只能傳輸?shù)唾|(zhì)量的圖像，不利于病情識(shí)別與膠囊定位。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)疾病或?qū)膊∵M(jìn)行準(zhǔn)確地判斷，胃腸學(xué)家一直在尋求更高性能的WCE。超寬帶技術(shù)由于其固有的低功耗、高傳輸速度和簡(jiǎn)單的收發(fā)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線醫(yī)療植入設(shè)備的應(yīng)用中具有巨大的潛力，非常適合應(yīng)用于WCE[6-9]。而在WCE的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確描述超寬帶無(wú)線電波在生物組織中的傳播特性必不可少。人體信道特性的研究將影響WCE的定位精度、圖像分辨率和圖像傳輸速率等衡量WCE質(zhì)量的問(wèn)題以及植入式醫(yī)療設(shè)備對(duì)人體電磁輻射所產(chǎn)生的安全性問(wèn)題。由于目前的胃腸道場(chǎng)景中尚無(wú)通用的UWB頻段信道路徑損耗模型，該頻段內(nèi)的人體信道特性分析依舊是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本研究總結(jié)了基于UWB頻段WCE的人體通信信道傳播具體特性，分析了具體實(shí)驗(yàn)方法，并對(duì)人體信道特性研究的發(fā)展方向進(jìn)行探討和展望。

2 傳播特性

隨著醫(yī)用無(wú)線裝置在人體內(nèi)部或在人體附近的廣泛應(yīng)用，射頻波與人體組織相互作用所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)需要得到極為重要的考慮[10]。超寬帶射頻信號(hào)從人體組織中穿過(guò)，研究者們主要研究其對(duì)組織影響的兩個(gè)方面：信號(hào)傳播過(guò)程中生物組織所吸收的電磁能量即比吸收率(specific absorption rate, SAR) 以及信號(hào)傳播過(guò)程中的路徑損耗(path loss, PL)。

2.1 比吸收率

早在1953年，就有美國(guó)學(xué)者提出了比吸收率的概念，但是直至七十年代末，才陸續(xù)有學(xué)者開始研究[11-12]。SAR是專用的生物電磁劑量學(xué)量，用于計(jì)算每千克的生物組織在六分鐘內(nèi)所吸收的電磁能量,單位是W/kg。一般可根據(jù)所計(jì)算出的SAR值來(lái)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)于人體的安全性。只有某系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的SAR值在國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)導(dǎo)則[13]規(guī)定值之下，且感應(yīng)電流值在最大感應(yīng)電流密度之內(nèi)，才說(shuō)明該傳輸系統(tǒng)對(duì)人體是安全的。

Thotahewa等[10]研究了應(yīng)用于神經(jīng)記錄和腦機(jī)接口的超寬帶頭部植入式發(fā)射裝置的電磁效應(yīng)。他們利用一個(gè)30歲的成人頭部模型，從不同輸入功率、不同天線方向、不同頭部組織以及不同信號(hào)帶寬四個(gè)角度分別對(duì)SAR變化進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC) 所規(guī)定的 UWB 的最高發(fā)射功率密度限制值-41.3 dBm/MHz 作為發(fā)射功率時(shí)，得到的SAR值均在ICNIRP規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí)，結(jié)果表明SAR的變化與UWB的帶寬密切相關(guān)。Santis等[14]在假設(shè)總傳輸功率為1 W的條件下評(píng)估了UWB無(wú)線電系統(tǒng)在體域網(wǎng)絡(luò)(Body Area Network applications ,BAN)應(yīng)用中的安全性，但是未考慮FCC對(duì)UWB脈沖的限制。Bahrami 等[15]使用簡(jiǎn)化的頭部組織模型，研究傳輸總功率為1 W、帶寬為7 GHz條件下的生物組織吸收情況，結(jié)果顯示SAR最終值遠(yuǎn)超ICNIRP規(guī)定的限值，進(jìn)一步說(shuō)明了UWB帶寬的選擇對(duì)SAR的影響。

2.2 路徑損耗

路徑損耗是指射頻信號(hào)在傳播過(guò)程中所造成的能量損耗。路徑損耗的大小可以反應(yīng)出通信信道鏈路的質(zhì)量以及通信條件的好壞。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)人體傳播時(shí)引起路徑損耗的變化，信號(hào)功率在人體組織內(nèi)的衰減，證明了人體是高損耗介質(zhì)。

大量研究[16-19]表明路徑損耗擬合模型，有對(duì)數(shù)型[16]和線性型[17]兩種。可用玻印廷(Poynting)矢量來(lái)表示平均功率密度，Thotahewa等[18]通過(guò)對(duì)WCE所處的待測(cè)點(diǎn)Poynting矢量的測(cè)量及仿真分析,計(jì)算UWB信號(hào)在人體內(nèi)不同組織和不同深度的路徑損耗變化，見圖1。從仿真結(jié)果可以看出，電磁波信號(hào)傳輸經(jīng)過(guò)不同生物組織產(chǎn)生的損耗不同；且由于不同組織類型的介電特性和電磁信號(hào)的多路徑反射，等間距點(diǎn)到參考點(diǎn)的路徑損耗具有散射特性。

圖1 體內(nèi)信道路徑損耗變化

3 實(shí)驗(yàn)分析

由于在超寬帶頻段內(nèi)的胃腸道場(chǎng)景中尚無(wú)通用的信道模型，所以，關(guān)于該頻段的人體信道特性的研究一直在進(jìn)行。目前主要有三種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究超寬帶頻段內(nèi)傳播信道的路徑損耗，包括電磁軟件數(shù)值分析仿真法、幻影測(cè)量法和活體測(cè)量法[19]。

3.1 數(shù)值分析仿真法

自從上世紀(jì)九十年代計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展以來(lái)，憑借著計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力，許多學(xué)者通過(guò)使用CST、FEKO等電磁仿真軟件，來(lái)研究電磁波對(duì)人體生物組織的影響[20-23]。

St?a等[24]首先提出一種超寬帶脈沖在人體腹部1～6 GHz頻段內(nèi)傳播的統(tǒng)計(jì)模型。該模型使用包含人體組織介電特性的數(shù)字解剖模型進(jìn)行數(shù)值電磁仿真，計(jì)算了多種體內(nèi)探針的信道響應(yīng)。其所用的成年男性解剖模型的模擬場(chǎng)景見圖2。圖2(a)、圖2(b)分別為y-x、y-z平面仿真場(chǎng)景中使用人體模型。如箭頭所示，平面波沿y軸傳播。腹部暴露于來(lái)自前方的入射平面波中，將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的探頭置于腹部深度為150 mm、寬度為140 mm以及高度為300 mm的解剖空間內(nèi)；在上述空間中，相鄰探針之間的距離分別為10、20和50 mm。在對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，給出計(jì)算腹部10～150 mm深度的超寬帶信號(hào)的路徑損耗的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖2 仿真場(chǎng)景中使用的人體模型

基于上述研究，St?a等[25]進(jìn)一步研究了應(yīng)用于膠囊內(nèi)窺鏡的超寬帶信道特性，提出了一個(gè)超寬帶脈沖在消化道3.4～4.8 GHz頻段內(nèi)傳播的信道模型。并給出了計(jì)算腹部周圍幾個(gè)接收器位置平均路徑損耗的數(shù)學(xué)表達(dá)式，較好的模擬了體內(nèi)消化道的信道特性。

3.2 幻影測(cè)量法

許多研究者選用合成化學(xué)溶液做的phantom幻影模型來(lái)進(jìn)行人體信道的研究[26-30]。然而，因?yàn)槌瑢拵挶容^寬且人體組織的介電常數(shù)與頻率相關(guān)，所以制作一個(gè)可靠的超寬帶幻影模型很難。Andreu等[30]使用一種新的超寬帶幻影模型，進(jìn)行了3.1～8.5 GHz頻率范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。目前，該幻影模型在整個(gè)超寬帶內(nèi)達(dá)到了最近似于人類肌肉的介電常數(shù)的值。該實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩種場(chǎng)景：體內(nèi)到體內(nèi)(in-body to in-body，IB2IB)和體內(nèi)到體表(in-body to on-body，IB2OB)。IB2OB場(chǎng)景所用的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置見圖3[30]。通過(guò)對(duì)幻影模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了一種基于這兩種場(chǎng)景的新路徑損耗模型。在IB2IB的情況下得到的路徑損耗模型是一個(gè)線性模型，它最適用于在3～8 cm天線之間距離的測(cè)量。相比之下，在IB2OB場(chǎng)景中，得到的路徑損耗模型是一個(gè)適用于5.5～20 cm距離的擬合對(duì)數(shù)模型。通過(guò)計(jì)算兩種情況下的相關(guān)系數(shù)，研究了體內(nèi)信道在空間域的多樣性。

圖3 IB2OB場(chǎng)景所用的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

3.3 活體測(cè)量法

為了所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近人體信道的真實(shí)特性，也有研究者選擇活體動(dòng)物體內(nèi)測(cè)量的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[28,31-33]。Floor等[33]選取了兩頭大小接近人體平均解剖軀干重量的母豬(重量分別為42、46 kg)麻醉后進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。在第一次實(shí)驗(yàn)中將體表(on-body, OB)接收天線放置在麻醉豬身上，待測(cè)點(diǎn)見圖4[33]，豬的解剖圖見圖5[33]，IB探測(cè)天線被植入在綠色邊框劃分的區(qū)域內(nèi)。實(shí)驗(yàn)時(shí)在動(dòng)物一側(cè)做一個(gè)小切口，插入體內(nèi)(in-body, IB)天線。為避免IB和OB天線之間通過(guò)蠕動(dòng)波耦合，入口點(diǎn)被覆蓋上了電磁絕緣材料。

在超寬帶頻段內(nèi)的活體豬受試者上呈現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。分別建立了5～16 cm和1～6 GHz頻率下的路徑損耗模型，這兩個(gè)路徑損耗模型分別作為傳播距離與傳播頻率的函數(shù)。這也是文獻(xiàn)報(bào)道中首個(gè)源于體內(nèi)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的UWB頻段的 IB2OB路徑損耗模型。而且此路徑損耗模型與文獻(xiàn)[34]中的路徑損耗模型的初步比較表明，文獻(xiàn)[34]的數(shù)值分析模擬結(jié)果與研究者進(jìn)行的體內(nèi)測(cè)量的結(jié)果一致。通過(guò)不同模型之間的一致性，證明了以豬為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量來(lái)表征UWB信號(hào)在人體中傳播的路徑損耗的有效性。

3.4 實(shí)驗(yàn)分析小結(jié)

目前為止，研究超寬帶人體信道特性的主要方法就是上述三種。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。基于電磁仿真的數(shù)值分析法是確定優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需信道特性的一種很有前景的選擇。通過(guò)仿真，可以廉價(jià)、靈活和高效地獲得不同場(chǎng)景和環(huán)境下的信道特性[35]。同時(shí)，使用軟件數(shù)值分析和幻影模型測(cè)量的方法，可以對(duì)復(fù)雜人體介質(zhì)中的路徑損耗進(jìn)行初步了解。 但是，用這兩種方法不能捕捉到活體受試者的血液循環(huán)、呼吸和溫度梯度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖4 麻醉豬的待測(cè)點(diǎn)

圖5 豬的解剖圖

因此，基于活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比其余兩種方法更有真實(shí)性。當(dāng)然，使用實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)也有其自身的弊端。首先，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)量的工作量很大，不可能一直使用測(cè)量所得的數(shù)據(jù)。其次，由于電纜連接、耦合、測(cè)試人員位置、天線、環(huán)境等因素，在使用測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確和不確定的情況。

相比以前研究方法的單一性，越來(lái)越多的研究者選擇兩種甚至三種研究方法相結(jié)合來(lái)進(jìn)行超寬帶信道特性的研究[36-37]。文獻(xiàn)[19]就采用上述三種方法結(jié)合的研究方法對(duì)路徑損耗進(jìn)行了專門的研究，并與以往的文獻(xiàn)研究進(jìn)行了比較。同時(shí)，由于三種方法相輔相成，給出的路徑損耗模型的數(shù)值也更接近實(shí)際情況。

4 結(jié)論

隨著WCE等植入式醫(yī)療設(shè)備越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，超寬帶頻段內(nèi)的人體通信仍將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究已取得許多成果，但關(guān)于人體信道特性的精確描述依舊在探索中。選擇合適的通信頻段，需要同時(shí)滿足高速傳輸、路徑損耗較小、功耗低以及符合對(duì)人體安全的SAR值等條件，并對(duì)這些條件進(jìn)行折中處理。同時(shí)，受倫理限制，目前研究人體信道特性的主要挑戰(zhàn)是需要建立非常接近人體內(nèi)部環(huán)境的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。基于此環(huán)境所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能設(shè)計(jì)開發(fā)更加完善的醫(yī)療植入式系統(tǒng)及設(shè)備，并提供安全、可靠和快速的醫(yī)療通信，以提高未來(lái)醫(yī)療保健的治療效率。關(guān)于人體信道特性研究的問(wèn)題，涉及生物醫(yī)學(xué)工程、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息與通信工程等多門學(xué)科交叉融合，需要相關(guān)研究人員共同努力、相互合作，才能取得更顯著的成果，促進(jìn)植入式醫(yī)療設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展。