2014年03月20日08:32
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NE无线技术奖候补技术（8）：基于电容耦合的体内-体外通信技术
日本东京理科大学基础工学系电子应用工程专业副教授柴建次领导的研究小组，开发出了利用电容耦合从体内深处向体外无线传输信息的技术。该技术适用于植入性人造器官、胶囊型内窥镜等需要把在人体内获得的信息发送到体外的用途。
东京理科大学副教授柴建次
据柴建次说，迄今尚没有从体内深处向体外传输信息的有效方法。有线通信要在体表设置贯通管道，会给人体带来巨大负担。但是，“红外线通信即使提高输出功率也只能到达体表附近，且容易受位置偏移及皮肤色素的影响。我们考虑过使用超宽带（UWB），但前期研究发现这种方式的最远通信距离只有3cm多一点”。如胰脏就位于距离体表10cm以上的体内深处。在实施把人体加热到可令癌细胞死亡的42℃以上的温热疗法时，我们考虑到了要满足将测得的细胞温度从体内深处发送到体外这种要求。
柴建次等人开发的体内-体外间的通信技术，利用安装在体表的两个电极来接收配备有两个电极的体内植入型设备发送的信号。将体内植入型设备调制的交流电压在电极间加载时，微弱电流环绕着设备在体内传播产生电场。在体内组织中传播的电流，可以形成比设备本身要大的天线。另一方面，从体表电极到接收器的布线可发挥环形天线的作用。
系统构成。在体内植入型设备和体表各配置两个电极（图：东京理科大学）
利用模拟软件分析发现，加载到植入型设备上的交流电压的频率在几MHz附近和在800MHz附近时，天线会发生谐振，接收功率会增大。不足10MHz的低频电波不会在空气中传播，因此容易确保私密性。另外，高频率会因测量环境的微小变化而脱离谐振状态，并不好用。因此，开发小组决定采用数百kHz～数MHz附近的频率。
不易受方向和位置变化的影响
直径30cm的圆柱型容器中装有模拟人体的盐水，将装置放入其中进行实验
柴建次的研发小组试制了装有10mm×8mm尺寸发射电极的通信装置，并在30cm直径圆柱型容器内装满模拟人体的盐水，进行使其与贴在该容器上的20mm×20mm尺寸的接收电极通信的实验。实验采用600kHz的载波，以FM调制发送数据。实验确认了发送设备浸在盐水中时能够传输数据。将发送设备移动到容器边缘，或改变发送设备的朝向使发送电极不对着接收电极，也都能通信。
该研发小组还开发了加载方波的数字方式的通信装置。柴建次说，“通过人体时会变成微分波形。这是通过对波形积分后再现原方波的方法实现的”。并试制了在电路板两面安装有8mm×8mm发送电极、且配备了频率调制用MCU的通信装置，用装有盐水的容器证实了能够实现从体内深处向体表通信。
以加载方波的数字方式通信的试制装置。在两面配置了8mm×8mm的电极。
柴建次说，虽然所有试制装置的电极都暴露在外，但即使有树脂膜覆盖也能正常工作。
电流密度在人体安全标准以下
当发送端的植入型设备在电极间加载约58mV的电压时，在人体组织内传输的微弱电流的电流密度为0.12mA/cm2。这远远低于人体安全限制值——0.6mA/cm2。耗电量也只有9.4μW。
柴建次等人还在开发以电容耦合从体表电极向体内植入型设备供电的无线供电技术。柴建次说，“在用装满食盐水的圆筒容器实验时发现，与使用线圈的电磁感应相比，使用电极的电容耦合能以更高的效率传输电力”。因此，打算为体内植入型设备配备切换电路，使用同一电极，分时段在通信和供电之间切换。这样，无需电池就能实现植入型设备的驱动和从植入型设备向外传输数据。（日经技术在线！供稿）
