人體通信簡介

1、人體通信簡介人體通信簡介概念 人體通信( intra-body communication, IBC)是一種新興的短距離無線通信方式。IBC是一種適用于人體表面、內(nèi)部、周圍等一切可與人體接觸的醫(yī)療傳感裝置的新興通信手段 最大的特點在于利用人體作為信息傳輸?shù)拿劫|。由于人體具有較好的導電性能,使得IBC較之現(xiàn)有短距離無線通信技術(諸如藍牙、Zigbee、射頻、紅外等) ,有著聯(lián)接方便、不易受外界噪聲干擾、對外輻射較小、沒有頻段限制、低功耗等諸多優(yōu)點。尤其適用于需要長期、多參數(shù)監(jiān)測生理信號的情況,諸如慢性疾病、老年性疾病和殘疾人監(jiān)護等用于人體數(shù)據(jù)的測量的人體通信 所謂人體通信，就是把人的身體當作線纜

2、，利用通信裝置進行雙向數(shù)據(jù)通信。NTT的實驗標志著，人類不僅是共享信息的受眾，同時也將成為信息傳輸?shù)妮d體。將人體作為通信網(wǎng)絡的一部分使用。這項技術可向體內(nèi)輸入微弱的電信號，從而實現(xiàn)6至10Mbps的通信。 人體通信是將距離人體3米以內(nèi)的范圍作為對象的近距離無線通信“WBAN（wireless body area network）”的一種，其特點在于耗電量較低以及安全性較高。問題提出 人體是一個電磁兼容體系，具有導電率、介電常數(shù)。人體介電性質，電導率和相對介電常數(shù)，分別決定電流大小以及極化幅度的影響。 Zimm erman最早提出了基于人體通信的PAN系統(tǒng)Personal AreaNetwork

3、s: Near-Field Intra-Body Communication ，IBC Human body communication ，HBC現(xiàn)狀實例日韓歐美研究領先。成果：愛立信人體通信，傳輸速度高達10MHz 。我們都有觸摸東西的天性，但是“觸摸”這一功能似乎還沒有被利用到極致。愛立信發(fā)明了一項名為“Connected me”的新通信技術，通過該技術，人體可以成為網(wǎng)絡的一部分，人們只需要觸摸東西便可進行信息的發(fā)送和接收。 Connected me 其實這一項技術是利用電容耦合和人體本身具有的電性來傳輸信號數(shù)據(jù)的。這意味著，智能手機可以通過人體將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴C，音箱、屏幕或者是電子鎖這

4、些設備上。這項把人體當成連接線的技術將會改變?nèi)祟愅W(wǎng)絡或者其他數(shù)據(jù)服務交互的模式。一只手拿著智能手機，另外一只手放在設備上，人們就可以輕松實現(xiàn)信息傳送接收了，傳輸速度為610Mbps，研究顯示，在不久的將來，這項技術的傳輸速度還將進一步加快。Connected me 通過這項技術，我們可以重新定義觸摸的方式，創(chuàng)造一種更加安全更具個性的觸摸連接方式。比如說，你要打開一個有密碼的門，這時候你只要觸摸在手機上存有的密碼，然后將另一只手放在門把手上就可以進行解鎖了?；蛘弋斈阆胍蛴∥募r，你只要將另外一只手放在打印機上就可以了，非常簡單快速。 成功演示案例：智能手機的流媒體音樂傳輸、手機拍攝的照片傳輸

5、、從設備上獲取網(wǎng)頁鏈接，以及觸摸門把手就可開啟門禁。電場耦合 利用“電場耦合”技術可通過人體之類的有機體傳輸信息。如果將這種方法與目前數(shù)字通信中所有的常規(guī)通信方式結合起來，便可以得到一種超強組合體，它不僅有利于技術創(chuàng)新，還能實現(xiàn)目前技術很難、或者根本無法實現(xiàn)的交互性。技術基礎 先進的超低功率射頻(RF)技術 計算機技術 智能傳感器技術 無線傳感器網(wǎng)絡技術 無線網(wǎng)絡技術等的飛速發(fā)展 材料技術 軟件技術 計算智能三種形式 人體通信方式依據(jù)不同的傳輸方式可以劃分為3 種類型 簡單線路方式 電容耦合方式：利用發(fā)射器端的振蕩讓人體產(chǎn)生電場，并由接收器檢測電場的變化，從而實現(xiàn)通信 電流耦合方式方式 ：把人

6、體作為波導三種形式三種速率 一是低速案例，如通過穿戴進行配對使用，如藍牙 二是中速案例，如通過觸摸隨時以電視或更大的屏幕快速瀏覽手機的信息、打印文件，還有人與人之間交換名片，通過穿戴或內(nèi)部信號進行保健等 三是高速案例，將音樂傳輸至耳機中、視頻傳輸、利用多媒體增強效果等。關鍵問題 人體通信頻帶問題 人體通信信道模型問題 人體通信設備的功耗和問題 人體特征信號的提取問題應用 人體局域網(wǎng) 醫(yī)療領域 智能家居 ID驗證：不需要人體內(nèi)置芯片，即可以識別個人信息并解鎖：門禁系統(tǒng)，超市購物，汽車上的無鑰進入系統(tǒng)，醫(yī)院的監(jiān)護室； 數(shù)碼產(chǎn)品：電子卡片、數(shù)據(jù)測量 娛樂領域 其它：商業(yè)、工業(yè)、軍用、艦船和飛機艙內(nèi)等

7、在人體局域網(wǎng)技術中的應用 伴隨著微電子技術的發(fā)展，可穿戴、可植入、可侵入的服務于人的健康監(jiān)護設備和各種病癥監(jiān)視設備已經(jīng)出現(xiàn)，像穿戴于指尖的血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠品質測量器、睡眠生理檢查器、可植入型的身份識別組件等。這些傳感器和促動器只能獨立工作，要自帶各自的通信部件，因此，系統(tǒng)資源的有效利用率不高。借助人體通信技術將這些傳感器整合為一個系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)資源的利用率。智能家居中的應用 攜帶有人體通信裝置的業(yè)主回到家時，只要用手觸摸一下自家的大門，物業(yè)管理中心的計算機系統(tǒng)便會立即登錄其個人信息，門鎖便會自動打開；跨進家門，室內(nèi)地板安裝有固定接收信號的感知裝置，發(fā)信裝置所發(fā)出

8、的信息可以通過人體傳送到地板或地面的接收裝置，房屋中央的空調(diào)系統(tǒng)會開始工作；用手觸摸一下電視機或音響柜，便知道主人想欣賞碟片還是想聽經(jīng)典音樂；可按照個人的喜好控制電視，自動選擇節(jié)目；櫥柜只有獲得授權的人才可以打開；如果主人把手放在桌面上，桌上的臺式個人電腦便會自動開啟人體通信在醫(yī)療領域規(guī)模應用 移動醫(yī)療 監(jiān)護 診斷 介入式治療 數(shù)據(jù)通信ID識別 目前，生物識別技術最可靠的是指紋和虹膜識別，已開始應用于機場、銀行和各種電子設備。但兩項技術并非無懈可擊，仍有漏洞。如指紋識別容易磨損和被盜取，虹膜識別雖是當前應用最方便和精確的一種識別技術，但弊端在于眼睛極難讀取，而且識別設備成本高昂。ID識別 相比

9、之下，人體通信得天獨厚，每個人體內(nèi)的“生物密碼”都不相同，而且絕對不可偽造，因而更可靠更安全。再從信息傳輸?shù)乃俣瓤?，人體通信交換數(shù)據(jù)更為便捷。所以愛立信也把這項技術按照數(shù)據(jù)傳輸速率進行了低、中、高三檔劃分。優(yōu)勢 從信息傳輸?shù)乃俣瓤?，人體通信交換數(shù)據(jù)更便捷 從信息安全的角度看，人體通信識別技術更可靠人體五官利用 感官通信系統(tǒng)：說、聽、看、聞、觸 主要通過人體識別傳感器，把人體內(nèi)的氣味和手的觸覺進行數(shù)字化處理，利用寬帶網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。補充 人體通道通信HBC 是一種很有前途的數(shù)據(jù)傳輸方法有效地在人體近端進行通信。以人體作為傳輸介質 人體通信在人體傳感器網(wǎng)絡和遠程醫(yī)療應用潛力很大。人體通信的最佳信道帶寬

10、從10MHz到50MHz 實驗結果表明，二進制本元BCH碼的信道編碼和BPSK調(diào)制方法非常合適人體通信系統(tǒng)模型u 仿真模型結構u 人體通信信道傳輸特性 頻率對人體通信的影響 發(fā)射機信號電極和人體表面距離(H )對人體通信的影響 收發(fā)機結構對人體通信的影響u人體通信傳輸方式研究 電流耦合 電容耦合Illustration of galvanic coupling type IBCSimplified model for human limb IBC problem with boneThe human body acts as thetransmission mediumCapacitive c

11、oupling for data transmission between transmitterand receiver unitsElectrical fields produced by PAN transmitterConcept of galvanic couplingEquivalent circuit that models the Cole-Cole equationDIELECTRIC PROPERTIES OF THE HUMAN TISSUESimplified view of a human arm with the three tissue-layers skin,m

12、uscle, and bone.Simplified circuit model of the human body modelingEquivalent circuit for electrode-skin contactThe entire transfer function includes the coupling electrode impedancescoupler and detector unitsthe most frequently used model for total body impedanceSystem overview of intra-body commun

13、ication transceiverDistributed implanted sensorsNumerical modelModel of multi-layered tissue with the galvanic coupling setupModern hospital monitoring network: Sensors record and transmit their data to monitoring devices強化人機交流功能的機器人，通過與之握手就可以交換信息將手指放到此處就能檢測出血管圖案，相當方便、快捷強化人機交流功能的機器人，通過與之握手就可以交換信息人體生

14、物學特征提取原則 普遍性：即必須每個人都具備這種特征。 唯一性：即任何兩個人提取的生物特征是有很大區(qū)別的。 可測量性：即特征是可以用醫(yī)學儀器測量的，特別地，在軀域傳感器中，還要求該生物學特征能方便地由生物傳感器所測得。 隱秘性：需要一定的特殊測量設備并在特定的環(huán)境下才能測量獲得，且對于潛在的攻擊者是不可見的。 魯棒性：即特征在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。因為在生物傳感器中，無法存儲實時從生命特征中提取出來的密鑰。Propagation methodCurrent method (Monopole to monopole)Block diagram of measurement systemThree

15、methods of data transmission through the human body人體通信系統(tǒng)主要組成部分人體通信電容產(chǎn)生的電場電流式人體通信典型無線肌電圖系統(tǒng)IBC無線肌電圖系統(tǒng)人體局域網(wǎng) 人體局域網(wǎng)是附著在人體上的一種網(wǎng)絡， 由一套小巧、可移動、具有通信功能的傳感器和一個身體主站(或協(xié)調(diào)器)組成。每個傳感器既可佩戴在身上，也可植入體內(nèi)。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡的管理器，也是人體局域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關，使數(shù)據(jù)能夠安全地傳送和交換。人體局域網(wǎng) 作為作為WSN 的分支和物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分的分支和物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,BSN 通過應用泛在計算、智能信息處理和新通過應用泛在計算、智能信

16、息處理和新型網(wǎng)型網(wǎng)絡化等技術來提高人民醫(yī)療保健的水平BSN面臨的技術挑戰(zhàn)、研究現(xiàn)面臨的技術挑戰(zhàn)、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢狀和發(fā)展趨勢 信號采集及數(shù)據(jù)融合信號采集及數(shù)據(jù)融合 節(jié)點信號處理. 生理感知數(shù)據(jù)特征提取. 輕量級數(shù)據(jù)融合算法 情景感知情景感知 人工神經(jīng)網(wǎng)絡 貝葉斯網(wǎng)絡 Markov 模型面臨挑戰(zhàn) 分類學習及推理 情景感知架構建立 自組織映射SOM 的不穩(wěn)定性和訓練數(shù)據(jù)依賴性.系統(tǒng)技術系統(tǒng)技術 網(wǎng)絡架構 傳感器節(jié)點和網(wǎng)關 無線通信技術 無線通信協(xié)議 管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫BSN未來研究展望未來研究展望 可穿戴可移動BSN 網(wǎng)絡 可靠和安全的BSN 網(wǎng)絡 低成本和高性能的BSN 進一步與物聯(lián)網(wǎng)相融合將是

17、BSN 未來的應用方向 智能化、傳感器節(jié)點微型化、可移動、可穿戴,可植入和強交互性BSN應用前景應用前景 BSN 對人體生理參數(shù)的檢測 社區(qū)醫(yī)療 偏遠山區(qū)醫(yī)療保健 學齡前兒童致命危險預防和監(jiān)控 緊急或突發(fā)的公共事件預防和報警方面 娛樂、體育運動,軍事和工業(yè)應用技術發(fā)展趨勢 異質網(wǎng)絡互聯(lián)技術 協(xié)同機制及分類學習技術. 人體生物信道通信技術Research SubjectWhat can we know by using multiple sensorsBAN ApplicationsOther Application ExamplesBAN Scope Distance: 3 m min. De

18、nsity: 10 nodes max. in 666 m3 space Devices per network: max. 256 Net network throughput: 10 kbps - 10 Mbps (PHY-SAP) Encryption: AES 128 bits (FIPS-197), or more Low SAR: According to regulation of each country Low power consumption: w/o concrete numerical valueFeatures of BANTargets of UKARI Proj

19、ectA Vital Sensing ApplicationExperimental StudySensor Arrangement in UbiquitousHomedecomposition of the BAN in functional building blocksMobile Monitoring at HomeWireless Body Area NetworkBody area network System structure application Wireless Body Area NetworkExample of two clustered BAN networksA

20、n example of a 3 tier BAN systemArchitecture ofintra-BAN communicationInter-BAN communication architecture: infrastructurebasedmodeInter-BAN communication architecture: ad hocbasedmodePhotograph of PPG Ring Biosensor PrototypeWireless Body Area Network (WBAN)Cooperative Network Coding Model for WBAN

21、s (R=3)(a) network viewpoint, and (b) source viewpointThe overview of a remote medical system with WBANApplications: Patient Monitoring Monitoring of patient vitalsECG, EEG, PulseOx, blood sugar, temperature etc. Different environmentsHome, Hospital, Ambulance etc. Wearable sensorsPatient mobility,

22、comfort, infection controlMonitoring flexibility and scalabilityApplications: Patient MonitoringOther Applications Wireless Capsule endoscopy Patient takes a pill with digital camera Wireless transmission of endoscopydata to a gateway device Health and Fitness Heart rate monitor, Weighing scale, The

23、rmometer, Cardiovascular fitness and activity monitor, Strength fitness equipment Independent Living for Aged Disease management devices, Medication monitorOther Applications2nd TinyOS Technology Exchange108Ubiquitous Health Monitoring3-tier Hierarchical Organization3-tier Hierarchical Organization2

24、nd TinyOS Technology Exchange111ActiS: Activity SensorADXL202AccelerometerADXL202AccelerometerECG SignalConditioningTI MSP430F1232CC2420(ZigBee)FlashUSB InterfaceTI MSP430F149TelosISPMECG electrodesActiS asMotion SensorThree-tier KNOWME architectureWBAN ArchitectureBAN Configurationcover FEATUREcove

25、r FEATUREWearable Physiological Signal DevicesUbiquitous Healthcare System InfrastructureUbiquitous Healthcare ApplicationBody Area Networks (BAN)A BAN on an AthleteDataflow in computer assisted physical rehabilitation systemA medical sensor network application一種典型的人體局域網(wǎng)Stroke patient rehabilitation

26、 monitoring systemBetween wearable WBAN and implanted WBANQuatech Airborne (TM) and AirborneDirectWireless vital signs monitoring system UVa/AID-N wireless blood pressure cuffUVa/AID-N eTag wireless triage tags with pulse oximetersN M di l BAN dM di Non-Medical and Medical BANIEEE 802.15.6 STANDARD

27、該IEEE 802.15.6標準定義了一種傳輸速率最高可達10Mbps、最長距離約3公尺的連接技術。不同于其他短距離、低功耗無線技術，新標準特別考量在人體上或人體內(nèi)的應用 預期可廣泛應用在人體穿戴式傳感器、植入裝置，以及健身醫(yī)療設備中；高頻寬的版本可支持視網(wǎng)膜植入裝置的數(shù)據(jù)傳輸，低頻寬的版本則可運用于追蹤義肢上的壓力數(shù)據(jù)或是連接測量心律等數(shù)據(jù)的傳感器。Body Sensor Network（WBAN）q WBAN是以人體為中心，使用生物傳感器等和人體相關的網(wǎng)絡元是以人體為中心，使用生物傳感器等和人體相關的網(wǎng)絡元素作為網(wǎng)絡節(jié)點的通信網(wǎng)絡素作為網(wǎng)絡節(jié)點的通信網(wǎng)絡q 主要用于人體健康監(jiān)控、可穿戴的媒

28、體播放、遠程控制等主要用于人體健康監(jiān)控、可穿戴的媒體播放、遠程控制等 q 特點特點 網(wǎng)絡節(jié)點的功耗、存儲與計算能力均有嚴格的限制 超短距離通信的小規(guī)模網(wǎng)絡 簡單的網(wǎng)絡拓撲 (通常為樹狀拓撲)securitybiomedicalsensorsBASNLAN/WAN醫(yī)療腕表系統(tǒng)部分設備醫(yī)療腕表系統(tǒng)部分設備系統(tǒng)功能：實現(xiàn)對醫(yī)院、社區(qū)中到個人的無線傳感實時監(jiān)控系統(tǒng)功能：實現(xiàn)對醫(yī)院、社區(qū)中到個人的無線傳感實時監(jiān)控Interconnections between different networksArchitecture of a wireless medical communication netwo

29、rkAntenna positionElectrostatic coupling techniqueSystem architectureArchitecture of BSN（WBAN）q WBAN是以人體為中心，使用生物傳感器等和人體相關的網(wǎng)絡元是以人體為中心，使用生物傳感器等和人體相關的網(wǎng)絡元素作為網(wǎng)絡節(jié)點的通信網(wǎng)絡素作為網(wǎng)絡節(jié)點的通信網(wǎng)絡q 主要用于人體健康監(jiān)控、可穿戴的媒體播放、遠程控制等主要用于人體健康監(jiān)控、可穿戴的媒體播放、遠程控制等 q 特點特點 網(wǎng)絡節(jié)點的功耗、存儲與計算能力均有嚴格的限制 超短距離通信的小規(guī)模網(wǎng)絡 簡單的網(wǎng)絡拓撲 (通常為樹狀拓撲)securitybiomedicalsensorsBASNLAN/WAN1. 基于藍牙技術的電話網(wǎng)接入設備及其終端基于藍牙技術的電話網(wǎng)接入設備及其終端u 接入設備（網(wǎng)關）接入設備（網(wǎng)關）使藍牙語音終端以無使藍牙語音終端以無繩電話方式訪問市話繩電話方式訪問市話網(wǎng)網(wǎng)u 終端設備間可實現(xiàn)終端設備間可實現(xiàn)免費互通免費互通u 語音終端可在多網(wǎng)語音終端可在多網(wǎng)間無縫切換間無縫切換u 將市話網(wǎng)、移動網(wǎng)、將市話網(wǎng)、移動網(wǎng)、內(nèi)部網(wǎng)融于一體內(nèi)部網(wǎng)融于一體u 將是替代將是替代“小靈通小靈通”的新技術的新技術2. 部隊車輛無線管控系統(tǒng)部隊車輛無線管控系統(tǒng)系統(tǒng)功能：網(wǎng)上派車，出入驗證，運行監(jiān)控，軍車識別，