2014年03月20日08:32
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NE無線技術獎候補技術（8）：基於電容耦合的體內-體外通信技術
日本東京理科大學基礎工學系電子應用工程專業副教授柴建次領導的研究小組，開發出了利用電容耦合從體內深處向體外無線傳輸信息的技術。該技術適用於植入性人造器官、膠囊型內窺鏡等需要把在人體內獲得的信息發送到體外的用途。
東京理科大學副教授柴建次
據柴建次說，迄今尚沒有從體內深處向體外傳輸信息的有效方法。有線通信要在體表設置貫通管道，會給人體帶來巨大負擔。但是，“紅外線通信即使提高輸出功率也隻能到達體表附近，且容易受位置偏移及皮膚色素的影響。我們考慮過使用超寬帶（UWB），但前期研究發現這種方式的最遠通信距離隻有3cm多一點”。如胰臟就位於距離體表10cm以上的體內深處。在實施把人體加熱到可令癌細胞死亡的42℃以上的溫熱療法時，我們考慮到了要滿足將測得的細胞溫度從體內深處發送到體外這種要求。
柴建次等人開發的體內-體外間的通信技術，利用安裝在體表的兩個電極來接收配備有兩個電極的體內植入型設備發送的信號。將體內植入型設備調制的交流電壓在電極間加載時，微弱電流環繞著設備在體內傳播產生電場。在體內組織中傳播的電流，可以形成比設備本身要大的天線。另一方面，從體表電極到接收器的布線可發揮環形天線的作用。
系統構成。在體內植入型設備和體表各配置兩個電極（圖：東京理科大學）
利用模擬軟件分析發現，加載到植入型設備上的交流電壓的頻率在幾MHz附近和在800MHz附近時，天線會發生諧振，接收功率會增大。不足10MHz的低頻電波不會在空氣中傳播，因此容易確保私密性。另外，高頻率會因測量環境的微小變化而脫離諧振狀態，並不好用。因此，開發小組決定採用數百kHz∼數MHz附近的頻率。
不易受方向和位置變化的影響
直徑30cm的圓柱型容器中裝有模擬人體的鹽水，將裝置放入其中進行實驗
柴建次的研發小組試制了裝有10mm×8mm尺寸發射電極的通信裝置，並在30cm直徑圓柱型容器內裝滿模擬人體的鹽水，進行使其與貼在該容器上的20mm×20mm尺寸的接收電極通信的實驗。實驗採用600kHz的載波，以FM調制發送數據。實驗確認了發送設備浸在鹽水中時能夠傳輸數據。將發送設備移動到容器邊緣，或改變發送設備的朝向使發送電極不對著接收電極，也都能通信。
該研發小組還開發了加載方波的數字方式的通信裝置。柴建次說，“通過人體時會變成微分波形。這是通過對波形積分后再現原方波的方法實現的”。並試制了在電路板兩面安裝有8mm×8mm發送電極、且配備了頻率調制用MCU的通信裝置，用裝有鹽水的容器証實了能夠實現從體內深處向體表通信。
以加載方波的數字方式通信的試制裝置。在兩面配置了8mm×8mm的電極。
柴建次說，雖然所有試制裝置的電極都暴露在外，但即使有樹脂膜覆蓋也能正常工作。
電流密度在人體安全標准以下
當發送端的植入型設備在電極間加載約58mV的電壓時，在人體組織內傳輸的微弱電流的電流密度為0.12mA/cm2。這遠遠低於人體安全限制值——0.6mA/cm2。耗電量也隻有9.4μW。
柴建次等人還在開發以電容耦合從體表電極向體內植入型設備供電的無線供電技術。柴建次說，“在用裝滿食鹽水的圓筒容器實驗時發現，與使用線圈的電磁感應相比，使用電極的電容耦合能以更高的效率傳輸電力”。因此，打算為體內植入型設備配備切換電路，使用同一電極，分時段在通信和供電之間切換。這樣，無需電池就能實現植入型設備的驅動和從植入型設備向外傳輸數據。（日經技術在線！供稿）
