應用于無線膠囊內窺鏡的超寬帶人體信道特性研究進展*

彭雙，段吉海，韋膠二，朱島

(桂林電子科技大學信息與通信學院，桂林 541004)

1 引 言

隨著現代社會生活節奏的加快和飲食結構的變化，消化道疾病越來越常見[1]。內窺鏡[2-4]技術是消化道檢查最直接有效的方法。該技術可檢測到小腸或結腸等傳統內鏡不能檢測的盲區，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低質量的圖像，不利于病情識別與膠囊定位。

為了及時發現疾病或對疾病進行準確地判斷，胃腸學家一直在尋求更高性能的WCE。超寬帶技術由于其固有的低功耗、高傳輸速度和簡單的收發設備等優點，在無線醫療植入設備的應用中具有巨大的潛力，非常適合應用于WCE[6-9]。而在WCE的優化設計中，準確描述超寬帶無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質量的問題以及植入式醫療設備對人體電磁輻射所產生的安全性問題。由于目前的胃腸道場景中尚無通用的UWB頻段信道路徑損耗模型，該頻段內的人體信道特性分析依舊是當前的研究熱點。本研究總結了基于UWB頻段WCE的人體通信信道傳播具體特性，分析了具體實驗方法，并對人體信道特性研究的發展方向進行探討和展望。

2 傳播特性

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

2.1 比吸收率

早在1953年，就有美國學者提出了比吸收率的概念，但是直至七十年代末，才陸續有學者開始研究[11-12]。SAR是專用的生物電磁劑量學量，用于計算每千克的生物組織在六分鐘內所吸收的電磁能量,單位是W/kg。一般可根據所計算出的SAR值來評估系統對于人體的安全性。只有某系統計算出來的SAR值在國際非電離輻射防護委員會(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)導則[13]規定值之下，且感應電流值在最大感應電流密度之內，才說明該傳輸系統對人體是安全的。

Thotahewa等[10]研究了應用于神經記錄和腦機接口的超寬帶頭部植入式發射裝置的電磁效應。他們利用一個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帶寬四個角度分別對SAR變化進行了分析。實驗結果表明，在使用美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC) 所規定的 UWB 的最高發射功率密度限制值-41.3 dBm/MHz 作為發射功率時，得到的SAR值均在ICNIRP規定的范圍內。同時，結果表明SAR的變化與UWB的帶寬密切相關。Santis等[14]在假設總傳輸功率為1 W的條件下評估了UWB無線電系統在體域網絡(Body Area Network applications ,BAN)應用中的安全性，但是未考慮FCC對UWB脈沖的限制。Bahrami 等[15]使用簡化的頭部組織模型，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，結果顯示SAR最終值遠超ICNIRP規定的限值，進一步說明了UWB帶寬的選擇對SAR的影響。

2.2 路徑損耗

路徑損耗是指射頻信號在傳播過程中所造成的能量損耗。路徑損耗的大小可以反應出通信信道鏈路的質量以及通信條件的好壞。射頻信號經過人體傳播時引起路徑損耗的變化，信號功率在人體組織內的衰減，證明了人體是高損耗介質。

大量研究[16-19]表明路徑損耗擬合模型，有對數型[16]和線性型[17]兩種。可用玻印廷(Poynting)矢量來表示平均功率密度，Thotahewa等[18]通過對WCE所處的待測點Poynting矢量的測量及仿真分析,計算UWB信號在人體內不同組織和不同深度的路徑損耗變化，見圖1。從仿真結果可以看出，電磁波信號傳輸經過不同生物組織產生的損耗不同；且由于不同組織類型的介電特性和電磁信號的多路徑反射，等間距點到參考點的路徑損耗具有散射特性。

圖1 體內信道路徑損耗變化

3 實驗分析

由于在超寬帶頻段內的胃腸道場景中尚無通用的信道模型，所以，關于該頻段的人體信道特性的研究一直在進行。目前主要有三種實驗方法來研究超寬帶頻段內傳播信道的路徑損耗，包括電磁軟件數值分析仿真法、幻影測量法和活體測量法[19]。

3.1 數值分析仿真法

自從上世紀九十年代計算機飛速發展以來，憑借著計算機超強的計算能力，許多學者通過使用CST、FEKO等電磁仿真軟件，來研究電磁波對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頻段內傳播的統計模型。該模型使用包含人體組織介電特性的數字解剖模型進行數值電磁仿真，計算了多種體內探針的信道響應。其所用的成年男性解剖模型的模擬場景見圖2。圖2(a)、圖2(b)分別為y-x、y-z平面仿真場景中使用人體模型。如箭頭所示，平面波沿y軸傳播。腹部暴露于來自前方的入射平面波中，將電場和磁場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；在上述空間中，相鄰探針之間的距離分別為10、20和50 mm。在對所得的數據進行統計分析的基礎上，給出計算腹部10～150 mm深度的超寬帶信號的路徑損耗的數學表達式。

圖2 仿真場景中使用的人體模型

基于上述研究，St?a等[25]進一步研究了應用于膠囊內窺鏡的超寬帶信道特性，提出了一個超寬帶脈沖在消化道3.4～4.8 GHz頻段內傳播的信道模型。并給出了計算腹部周圍幾個接收器位置平均路徑損耗的數學表達式，較好的模擬了體內消化道的信道特性。

3.2 幻影測量法

許多研究者選用合成化學溶液做的phantom幻影模型來進行人體信道的研究[26-30]。然而，因為超寬帶帶寬比較寬且人體組織的介電常數與頻率相關，所以制作一個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，進行了3.1～8.5 GHz頻率范圍內的實驗測量。目前，該幻影模型在整個超寬帶內達到了最近似于人類肌肉的介電常數的值。該實驗設置了兩種場景：體內到體內(in-body to in-body，IB2IB)和體內到體表(in-body to on-body，IB2OB)。IB2OB場景所用的實驗測量裝置見圖3[30]。通過對幻影模型進行實驗測量，得到了一種基于這兩種場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線性模型，它最適用于在3～8 cm天線之間距離的測量。相比之下，在IB2OB場景中，得到的路徑損耗模型是一個適用于5.5～20 cm距離的擬合對數模型。通過計算兩種情況下的相關系數，研究了體內信道在空間域的多樣性。

圖3 IB2OB場景所用的實驗測量裝置

3.3 活體測量法

為了所得實驗數據更接近人體信道的真實特性，也有研究者選擇活體動物體內測量的方法進行實驗[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)麻醉后進行獨立實驗。在第一次實驗中將體表(on-body, OB)接收天線放置在麻醉豬身上，待測點見圖4[33]，豬的解剖圖見圖5[33]，IB探測天線被植入在綠色邊框劃分的區域內。實驗時在動物一側做一個小切口，插入體內(in-body, IB)天線。為避免IB和OB天線之間通過蠕動波耦合，入口點被覆蓋上了電磁絕緣材料。

在超寬帶頻段內的活體豬受試者上呈現兩個獨立的實驗測量結果。分別建立了5～16 cm和1～6 GHz頻率下的路徑損耗模型，這兩個路徑損耗模型分別作為傳播距離與傳播頻率的函數。這也是文獻報道中首個源于體內測量實驗的UWB頻段的 IB2OB路徑損耗模型。而且此路徑損耗模型與文獻[34]中的路徑損耗模型的初步比較表明，文獻[34]的數值分析模擬結果與研究者進行的體內測量的結果一致。通過不同模型之間的一致性，證明了以豬為實驗對象進行測量來表征UWB信號在人體中傳播的路徑損耗的有效性。

3.4 實驗分析小結

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。三種方法各有優缺點。基于電磁仿真的數值分析法是確定優化系統設計所需信道特性的一種很有前景的選擇。通過仿真，可以廉價、靈活和高效地獲得不同場景和環境下的信道特性[35]。同時，使用軟件數值分析和幻影模型測量的方法，可以對復雜人體介質中的路徑損耗進行初步了解。 但是，用這兩種方法不能捕捉到活體受試者的血液循環、呼吸和溫度梯度對實驗結果的影響。

圖4 麻醉豬的待測點

圖5 豬的解剖圖

因此，基于活體動物實驗測量所得實驗數據，比其余兩種方法更有真實性。當然，使用實驗測量所得的數據也有其自身的弊端。首先，因為實驗測量的工作量很大，不可能一直使用測量所得的數據。其次，由于電纜連接、耦合、測試人員位置、天線、環境等因素，在使用測量數據時，經常會出現不準確和不確定的情況。

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

4 結論

隨著WCE等植入式醫療設備越來越廣泛的應用，超寬帶頻段內的人體通信仍將是未來的研究熱點。目前國內外關于此方面的研究已取得許多成果，但關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，需要同時滿足高速傳輸、路徑損耗較小、功耗低以及符合對人體安全的SAR值等條件，并對這些條件進行折中處理。同時，受倫理限制，目前研究人體信道特性的主要挑戰是需要建立非常接近人體內部環境的實驗環境。基于此環境所得的實驗數據，才能設計開發更加完善的醫療植入式系統及設備，并提供安全、可靠和快速的醫療通信，以提高未來醫療保健的治療效率。關于人體信道特性研究的問題，涉及生物醫學工程、電子科學與技術、計算機科學和信息與通信工程等多門學科交叉融合，需要相關研究人員共同努力、相互合作，才能取得更顯著的成果，促進植入式醫療設備進一步發展。