探索双耳助听器中的人体通信，未来你的身体可以作为通信媒介

脑机接口社区 2022-04-26

可穿戴技术似乎已准备好替换下一代电子产品，但大多数无线通信技术都无法胜任这一任务。为了解决这个问题，研究人员深入研究了人体组织作为电磁信号传输媒介的人体通信。他们的发现为更高效、更安全的头戴式设备铺平了道路，例如双耳助听器和耳机。

现代便携式设备是小型化和无线通信取得巨大进步的结果。现在，这些设备已经可以在不丢失功能的情况下做得更小、更轻，所以下一代电子产品的很有可能会围绕可穿戴技术展开。不过，要使可穿戴设备真正超越便携式设备，我们需要重新思考设备作为“wireless body area networks”（WBAN）相互通信的方式。通常的做法是使用天线将信号辐射到周围地区，并同时希望信号到达接收器，这种方法对可穿戴设备来说是无效的。因为这种传输方法不仅需要大量能源，而且从网络安全的角度来看也是不安全的。而且，人体本身也构成了很大的障碍，因为它会吸收电磁辐射并阻挡信号。

那么，对于可穿戴技术，我们还有什么替代方案呢？一种很有前景的方法是“人体通信(Human Body Communication, HBC)”，它包括使用身体本身作为传递信号的媒介。其主要思想是，一些电场可以在体内非常有效地传播，而且不会泄漏到周围区域。通过将皮肤佩戴设备与电极连接，可以使它们利用比蓝牙等传统无线协议使用的相对较低的频率相互通信。然而，即使对HBC的研究已经进行了二十多年，这项技术还没有大规模投入使用。

研究过程

为了探索HBC的全部潜力，来自东京理科大学和东京大学的研究人员，专门研究了将HBC用于一种尚未探索的用途：双耳助听器。双耳助听器是成对的——通过相互通信以适应声场，极大地提高了佩戴者的清晰度和声音定位。由于这些助听器是直接与皮肤接触的，所以它们是HBC的完美候选者。

由两个头戴式可穿戴设备(助听器)组成的人体通信 (HBC) 系统

最近发表在《Electronics》杂志上的一项研究中，研究人员通过详细的数值模拟，研究了从一只耳朵的电极发出的电场如何在人体头部分布并到达另一只耳朵的接收电极，以及它是否可以在数字通信系统中发挥作用。事实上，研究人员此前已经用真实的人类受试者进行了一项HBC实验研究，其研究结果也发表在《Electronics》杂志上。

时域有限差分（FDTD）模拟中的全身人体模型(a) 模型尺寸和横截面视图; (b) 2.45 GHz 无线通信仿真中收发器天线的位置

使用不同复杂程度的人体模型，研究人员首先确定了最佳表示法以确保模拟结果的准确性，并在此基础上，探索各种系统参数和特性的影响。

正如Muramatsu博士所说：”我们计算了收发器电极的输入阻抗特性、收发器之间的传输特性以及头内部及其周围的电场分布。通过这种方式，我们阐明了所提出的HBC系统的传输机制。”

根据这些结果，研究人员从测试的电极中确定了其最佳结构。他们还计算了系统造成的电磁辐射水平，发现根据现代安全标准，这对人类来说是完全安全的。

两个简化模型：(a) 详细头部模型和 (b) 均匀肌肉头部模型

发射器和接收器电极模型的结构：(a) 两电极发射器和接收器；(b) 单电极发射器和接收器

下图为四种模拟条件下的电场分布：

(a) 2.45 GHz 无线通信 (WC) 无身体；(b) 2.45 GHz WC 与身体；(c) 没有身体的 HBC；(d) HBC 与身体

人体模型周围和内部的电场分布:(a)全身人体模型;(b)详细的头部模型;(c)均匀头模型

结论

这项研究展示了HBC的潜力，并扩展了这项有前景的技术的适用性。毕竟，助听器只是所有现代头戴式无线设备的一种。例如，HBC可以在无线耳机中实现，使它们能够用更少的功率进行通信。此外，由于HBC中使用的无线电波在体外衰减更快，在不同人身上的HBC设备可以在同一空间中以相似的频率工作，而不会造成噪音或干扰。

研究人员表示：“有了我们的研究成果，在实现可靠、低功耗的通信系统方面取得了很大进展。这些系统不仅适用于助听器，还适用于其他头戴式可穿戴设备。不仅如此，耳环等配饰也可以用来创建新的通信系统。”

参考

Dairoku Muramatsu, Ken Sasaki. Transmission Analysis in Human Body Communication for Head-Mounted Wearable Devices. Electronics, 2021; 10 (10): 1213

DOI: 10.3390/electronics10101213

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210805150645.htm

BME康复工程分会

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