CN108141191A - 低功率磁场体域网 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用近磁场进行通信的体域网。第一线圈配置为被穿戴在人的身体部位上。发射器驱动所述第一线圈以通过第一磁性线圈产生磁性身体场。第二线圈耦合到经由匹配到磁场的第一线圈发射的信号并且耦合到第一线圈。接收器用于从第二线圈接收所述信号。一种使用人体作为磁场建立网络通信的方法，所述方法包括：将发射器线圈与人体的一部分关联，所述发射器线圈配置为耦合到人体的近场中的接收器线圈；驱动发射器线圈以在人体周围产生磁性近场；以及用接收器线圈耦合到磁性近场。

Description

低功率磁场体域网
要求优先权和相关申请的引用
本申请根据35U.S.C.§119以及所有适用的法规和条约，要求于2015年8月24日提交的在先的临时申请序列号62/208,881的优先权。
技术领域
本发明的示例领域包括网络通信和身体监测系统。示例性身体监测系统包括身体穿戴的健康传感系统、活动追踪器和身体穿戴的运动表现系统。本发明的网络可以为任何需要以超低功率消耗来无线传送身体周围的信息的可穿戴设备(例如，可穿戴传感器、活动追踪器、智能手表、EEG头戴设备等)提供通信。
背景技术
医疗设备和可穿戴消费产品具有基本的身体结构学驱动(anatomically-driven)的尺寸限制，其需要小的外形因素。由于大多数患者和消费者期望长的电池寿命，并且电池体积受身体结构的限制，增加使用寿命的唯一方法之一就是降低底层电路的功率。即使在距离或持续时间上限制无线通信以便节省功率时，设备的无线通信组件的能量预算仍然可以支配可穿戴设备的总体能量预算。
因此，大部分努力都集中在提供更高性能的无线电路。低功耗、高性能的可穿戴电路倾向于使用昂贵的组件。例如，超低功率无线电电路可作为定制电路设计从IMEC而获得，但依赖于利用非常小的节点低功率CMOS收发器，例如，采用40nm低功耗CMOS实现的7Gbps60GHz收发器IC。这种无线收发器的成本可以实质上提高可穿戴组件的价格，并且仍然期望降低无线通信的成本、面积和功耗，以改进可穿戴医疗和消费者身体监测设备。
一种脱离仅仅改进传统收发器的电路效率和功率性能的方法，该方法是经由电流耦合(galvanic coupling)使用人体作为电场的通信信道的方法。发明人之一与一位同事开发了一种电子纺织(e-textile)方法。参见P.P.Mercier和A.P.Chandrakasan的“ASupply-Rail-Coupled eTextiles Transceiver for Body-Area Networks”，IEEEJ.Solid-State Circuits，第46卷,第6号,第1284-1295页，2011年6月。其他人也使用人体作为电场的通信信道。参见Song、S.Lee、N.Cho和H.Yoo的“Low Power Wearable AudioPlayer Using Human Body Communications”，2006年第10届IEEE可穿戴计算机国际研讨会(International Symposium on Wearable Computers)，第125-126页。电子纺织由于固有的低路径损耗(path loss)因而提供最低的功耗，但是利用了专用服装(clothing)，在许多应用中可能并不实际或不理想。
电流耦合典型地采用两个电极对，它们可以作为发射器(TX)和接收器(RX)节点附接在皮肤上。在TX节点处差分地施加电信号，引起在整个身体上传播的小电流，其中一些可以由RX感测。因此，电流耦合起到非常类似于身体上的分布式有线连接的作用，并且因此可以实现高水平的安全/隐私和良好的抗干扰能力。
另一种方法依赖于电场人体通信，并可称为eHBC。J.H.Hwang、T.W.Kang、S.O.Park和Y.T.Kim的“Empirical Channel Model for Human Body Communication”，IEEEAntennas Wirel.Propag.Lett.,第14卷，第694–697页,2015年。与传统的远场无线电(例如，蓝牙、WiFi、Zigbee、LTE等)相比，这样的系统可以具有更低的路径损耗，并且进一步受益于由于有限的能量广播而导致的低复杂度多用户接入和安全要求。然而，路径损耗的改进并不总是很大，尤其是当使用小型的电池供电设备时，因此eHBC相对于传统无线电的优势仍不清楚。此外，电流(galvanic)eHBC系统具有有限的由运动而引起的动态路径损耗退化(degradation)，并且可以用来与植入物进行通信。然而，由于人体内发现的组织的低电导率，与其他方法相比，电流eHBC具有相对大的路径损耗。B.Kibret、M.Seyedi、D.T.H.Lai和M.Faulkner的“Investigation of galvanic-coupled intrabody communicationusing the human body circuit model。”，IEEE J.Biomed.Pharmacol。IEEEJ.Biomed.Heal.Informatics，第18卷，第4号，第1196-206页，2014年7月。
其他系统电容地耦合到身体。电容eHBC系统也需要两个电极对以产生人体周围的差分信号，但它们的物理配置稍有不同。对于电容耦合，只有一个电极应该直接放置在皮肤上(或附近)，以在人体内产生电场，而另一个电极应该朝外放置以便电容地耦合到环境。例如，参见T.G.Zimmerman的“Personal area networks(PAN)：Near-field intra-bodycommunication，”M.S.Thesis，Massachusetts Inst.Technol.,Cambridge,MA，1995年。根据其他研究人员，如果操作频率足够低以进行静电分析，这种耦合机制可以建模为分布式RC电路。N.Cho、J.Yoo、S.J.Song、J.Lee、S.Jonon和H.J.Yoo的“The human bodycharacteristics as a signal transmission medium for intrabody communication”，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，第55卷，第5号，第1080–1085页，2007年。然而，随着频率被调节到数十MHz以上，由电极辐射的功率增加，并且其他人已经提出在人体表面上运行的波传播模型。J.Bae、H.Cho、K.Song、H.Lee和H.-J.Yoo，“The Signal TransmissionMechanism on the Surface of Human Body for Body Channel Communication”，IEEETrans.Microw.Theory Tech.，第60卷，第3号，第582-593页，2012年3月。这种模型已表明，相比于电流耦合，电容耦合实现更低的路径损耗。
然而，本发明人已经认识到，电容eHBC系统具有许多缺点。例如，它们需要大的接地面(ground plane)来增加环境耦合并减少路径损耗。基于环境状况(以及要耦合到的对象的可用性)，此路径损耗也具有高可变性。此外，自IEEE于2012年制定802.15.6 WBAN标准以来，eHBC已将21MHz用作其操作频率，但电容耦合通常在更高频率下实现最低路径损耗。本发明人还认识到，尽管与传统的远场辐射相比，电容eHBC可以提供优异的路径损耗，但是由环境影响和人体电导率差所导致的变化进一步限制了其实用性。
发明内容
本发明的一个实施例是使用近磁场进行通信的体域网(body area network)。第一线圈被配置为被穿戴在人的身体部位上。发射器驱动所述第一线圈以通过第一电磁性线圈产生磁性身体场。第二线圈耦合到经由匹配到磁场的第一线圈发射的信号并且耦合到第一线圈。接收器用于从所述第二线圈接收所述信号。
本发明中的方法，其使用人体作为磁场建立网络通信，所述方法包括将发射器线圈与人体的一部分关联，所述发射器线圈被配置为耦合到人体的近场中的接收器线圈；驱动所述发射器线圈以在人体周围产生磁性近场(magnetic near field)；以及用接收器线圈耦合到磁性近场。
附图说明
图1A示出本发明的体域网和网络传输系统的优选实施例；
图1B是本发明的感测体域网和网络传输系统的优选实施例的电路框图；
图2A和2B分别示出图1A系统的仿真中针对伸展手臂的人体姿态和松弛手臂的人体使用的身体表面网格；
图3A和3B分别针对电导率和介电常数绘出人体组织的介电特性对频率的曲线；
图4A和4B分别示出先前的电容eHBC电极(电场)和本发明的mHBC(磁性人体信道)线圈的场图案；
图5B示出了用于测量本发明的mHBC的实验设置；
图6绘出本发明的mHBC的仿真数据的测量结果，其中发射器到接收器的手臂到手臂的距离为40cm(图5中ATP1到AR1)；
图7A-7C分别绘出本发明的mHBC的测量结果和仿真数据，其中图5中发射器到接收器的手臂到手臂距离为AR2P1和AR2P2到ATP1和ATP2(图7A)、HR到ATP1和ATP2(图7B)、以及LR到ATP1和ATP2(图7C)；
图8绘出对于本发明的mHBC、电容耦合eHBC和UWB天线，路径损耗对图5中的手腕到手腕姿势1(ATP1到AR2P1)的距离的曲线；
图9A示出赫兹电偶极子及其在近场中的场图案，以及图9B示出理想环电流的磁偶极子及其在近场中的场图案；
图10绘出由放置在生物组织或空气中的理想电偶极子天线产生的分类的功率密度；
图11绘出由放置在生物组织或空气中的理想磁偶极子天线产生的分类的功率密度；
图12是根据本发明的体域中的磁性谐振耦合的简化电路模型；
图13A-13C示出用于手臂到手臂发射器和接收器线圈的磁性耦合；
图14A-14C分别为对于达到观察点9处的通量数量的每个概括(图14A)、用于简化计算的有效半径模型(图14B)、以及对旋转H场方向以矢量求和的考虑(图14C)，对身体内的总反射建模；
图15绘制由身体-空气界面边界条件增强的远场部分磁通量密度的数据；以及
图16示出合并远场部分和近场部分的总磁通密度。
具体实施方式
一个优选实施例是低功率体域网。例如，该网络适用于可穿戴健康监测系统和消费者系统，诸如运动表现监测系统。本发明的网络利用磁场作为网络介质。发明人已经确定身体是用于传播磁场的独特介质。本发明的优选系统包括利用身体的磁场以及感测身体的一个区域中的健康信号(心率、EEG等)或活动信号(诸如加速度、行进距离)的传感器。该传感器经由磁性网络传送所感测的信号。放置在身体其他位置上或身体附近的接收器(例如，人穿戴的智能手表、人携带的智能电话或在人附近带有接收器的计算机设备)能够在磁场路径的发射端和接收端处感测由传感器经由线圈传送的信号。在人附近的接收器可以包括医疗文本中的计算机或沿着运动表现路线的站点，例如，接收器配备有磁性线圈以及与mHBC发射器线圈和此人携带的发射器相匹配的接收器。
本发明的网络和系统提供了出色的通信，并且媲美于更传统的电场通信系统。作为另一个优点，本发明的磁场通信介质在身体之外快速跌落(fall off)。在优选实施例中，最大范围是几米，即，约2-4米。这可以作为用户的隐私功能，从而给用户提供比基于电气的系统更多的隐私。发明人已经确定，本磁场系统可以比E场或其他无线系统更加可靠。
本发明的系统使用发射线圈和接收线圈，这些线圈中的一个或多个被配置为绕着身体的一部分缠绕，或被配置为平行于身体的一部分，诸如带有基本平行于身体的一部分的线圈的贴片(patch)，其中身体的该部分(诸如，臂、腕、头部、胸部等)携带该贴片。自然缠绕身体结构的设备(例如，智能手表和头带)可以自然地将优选的mHBC技术用于广泛的可穿戴和医疗应用。线圈可以被包装于常用穿戴物品中，诸如，腕带、表带，持有设备的臂带、头带，腿带或服装。线圈被驱动以产生磁场，并且彼此谐振耦合以作为发射器和接收器线圈从而建立体域网。已经经由仿真和测量两者证明了优选实施例，其显示出本发明的谐振耦合的磁性线圈可以实现比远场无线电和eHBC系统两者都低至少20dB的跨人体的路径损耗。能量主要停留在磁性近场中。生物组织的磁导率是低的。因此，传播和广播是有限的，但路径损耗是低的。因此，优选的mHBC技术可以实现保留传统eHBC系统的安全和隐私优势的低功耗收发器。
现在将参照附图讨论本发明的优选实施例。附图可以包括示意性表示，其将由本领域技术人员根据本领域的一般知识和下面的描述来理解。为了强调，特征可以在图中被夸大，并且特征可以不成比例。
图1A示出本发明的体域网和网络传输系统在人10上的优选实施例。该系统包括在前臂区域16上绕着人10缠绕的线圈12和14。线圈12和14的尺寸被定为滑过人的手18并且紧贴地配合于前臂区域16的一部分之上。线圈12和14可以被包装于臂带中，诸如用于穿戴或附接到人的运动和医疗设备的常规包装。线圈12和14也可以以贴片式布置被包装，使得线圈12和14可以被穿戴在身体的其他部位上，诸如胸部或肩部。还示出了贴片15，布置在其中的线圈基本平行于人10的胸部。发射器20包括耦合到磁性线圈的收发器电路。发射器20还可以包括标准电子器件并且可以被嵌入包装中或者连接到感测诸如脉搏、温度、加速度、血氧等状况的传感器22中。为了图示的清楚，发射器20和传感器22被示意性地表示为在体外(off body)，但是，发射器20和传感器22应是较小的，并且作为与线圈一起的包装的一部分或者在身体上携带的分离的(多个)设备中而被穿戴在身体上，并且包括用于供电的电池。接收线圈14还连接到接收器24和额外的电子器件26(为了清楚起见，也示意性地表示为体外)，接收器24和额外的电子器件26包括用于供电的电池。额外的电子器件和/或接收器可以是智能手表、智能电话或专用分析设备的一部分。
线圈之一12中的一个作为发射器(Tx)线圈并且产生磁能。线圈14中的另一个作为接收器(Rx)线圈并且接收磁能。线圈14可以被穿戴在身体上或者可以与在体外但在近场通信区域内的设备相关联，该设备诸如患者附近的医疗设备或者人将在其附近或经过其的运动监测设备。可以用约100pF的小电容器使第一线圈和第二线圈12和14在21MHz下共轭匹配。产生的磁场自由地穿过生物组织，使得能够比电流eHBC方法和电容eHBC方法两者的路径损耗低得多。图1A的系统对周围环境也没有要求，这是因为磁场可以在没有参考的情况下被感测，并且因此环境影响和姿态变化被最小化。这两个优点都有助于降低本发明系统中所需的总通信功率。为了使通信距离最大化并且使路径损耗最小化，谐振耦合(与感应耦合相反)是优选的，但是感应耦合可以被用来实践其他实施例。优选的谐振耦合方法与一些谐振无线功率传输系统的方法是相当的。参见B.L.Cannon、J.F.Hoburg、D.D.Stancil和S.C.Goldstein的“Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for WirelessPower Transfer to Multiple Small Receiver”，IEEE Trans.Power Electron.，第24卷，第7号，第1819-1825页，2009年7月。
图1B示出使用与图1A相一致的体域网30的传感器系统。图1B的传感器系统包括用来感测身体或环境状况的传感器32。放大器34放大来自传感器32的信号，该信号然后由模数转换器36(如果传感器产生模拟输出)转换。数字信号然后由调制器38调制(要么转换成模拟量并且调制、要么数字地调制)以供传输。功率放大器驱动发射线圈(表示为L1)。在接收器侧，接收器线圈(表示为L2)被激励，并且其信号由低噪声放大器42放大。LNA42信号由解调器44解调(并且如果需要，转换为数字量)。数字信号处理器46基于来自传感器32的信号分析该信号以获得感兴趣的数据，并将该数据提供给另一设备或应用。
可以选择磁场的波长来平衡隐私和感测问题。例如，21MHz下的近场区域(波长/(2π))为2.3m，这确保了发射能量主要停留在磁性近场，由此限制了传播和广播。将能量保持在近场可以保护隐私，而将场扩展则允许与更远距离的磁性线圈进行通信。优选发射频率在1至100MHz的范围内。用于使安全性最大化的优选传输频率在20至50MHz的范围内，而用于使发射器与体外接收器线圈之间的距离最大化的优选传输频率在10至30MHz的范围内。通常，以较高频率缩短波长将功率扩展向更远的场，而以较低频率增长波长将降低远离近场的功率。
进行仿真来验证优选的图1A实施例。使用真实的几何结构和组织特性在AnsysHFSS中设计FEM仿真模型。具体而言，NEVA Electromagnetics Inc.提供了人体的真实网格模型[G.Noetscher、Aung Thu Htet和S.Makarov。(2012年10月)。N-Library of basictriangular surface human body meshes from male subjects。NEVA EM LLC。[线上]。可参见：http://www.nevaelectromagnetics.com/SurfaceHumanBodyMeshes.html]，其通过用WB4激光扫描站立的男性受试者获得。图2A和2B示出了各自的展开臂姿势和松弛臂姿势的网格模型。虽然没有对内部器官建模，所开发的模型足以仿真身体周围的路径损耗和场分布。
为了确保电磁仿真产生真实的结果，必须考虑生物组织的介电特性。虽然完全建模的内部身体结构是可能的，但所产生的几何结构的复杂性将会需要过长的仿真。相反，内部组织的介电特性在全身被平均，被它们各自的体积加权，以减少介电层的数量。对于几种代表性的组织类型，在图3A和3B中显示介电特性本身。这些特性基于先前公布的研究。D.Andreuccetti、R.Fossi和C.Petrucci。(1997年)，“An Internet resource for thecalculation of the dielectric properties of body tissues in the frequencyrange 10Hz-100GHz”IFAC-CNR，佛罗伦萨，意大利。[在线]可参见：http:// niremf.ifac.cnr.it/tissprop/
图3A和3B包括指示人体组织在MHz频率下具有高介电常数和低电导率的数据，证实了eHBC系统中所见的大的路径损耗。有趣的是，这些数字表明，在较高频率下，电场可以通过空气比通过组织更好地穿过。这通过观察如图4A中所示的在21MHz下的手腕到手腕电容通信的仿真的场图案来证实。在较低频率下操作可以将场限制为更多地位于人体内，但会以增加路径损耗或降低信道带宽为代价。
另一方面，由于大多数生物组织的磁导率与空气相似，所以磁场可以更自由地穿过人体，如图4B所见。虽然人体组织由于磁导率比自由空间稍小而表现出抗磁性，但由组织感应出的相反方向的磁场非常小，所以该效应可以在很大程度上被忽略。另外，人体组织在较低频率下的低电导率仅感应出小的涡流(eddy current)，从而进一步限制了损耗。出于这些原因，mHBC场在生物组织中实现了非常低的损耗，并且在某些情况下，与仅在空气中操作相比，身体结构可以作为波导以进一步降低路径损耗。因此，与可比较的eHBC替代方案相比，mHBC系统提供了优异的路径损耗性能。
进行了仿真。使用图5中所示的实验设置和位置(在伸展的手腕(ATP1，AR2P1)、上臂(AR1)、侧面的手腕(ATP2，AR2P2)、头部(HR)和小腿(LR)上)，经由对真实人类受试者的测量也验证了该仿真。两种类型的线圈被设计用于作为HFSS中的磁场源或磁场汇(sinks)的仿真。对于臂和腿，采用使用10AWG(2.6mm直径)铜线的10厘米(cm)直径线圈。对于头部，采用18cm直径的线圈。为了使能谐振操作，用电容器对所设计的线圈终端匹配(terminate)以对于21MHz的谐振频率调谐。为了从HFSS仿真中获得准确的结果，将0.01的Delta-S用于s参数的收敛值，导致为整个仿真几何结构产生超过700,000个网格。应用混合顺序的基本函数，以便利用高效生成的近场辐射网格进行计算。
与由于接地回路耦合而无法使用壁式供电设备的eHBC系统不同，磁场是无参考的，因此可以使用Agilent E5071C矢量网络分析仪(VNA)。使用具有用于绝缘的PVC管的10AWG漆包铜线制作了与上述用于仿真的相同的两种类型的线圈，以用于测量实验。
与由于需要过大的电感器而难以匹配的传统eHBC电极不同，可以使用小电容器使mHBC线圈共轭匹配。匹配不是必需的，但可用于优化性能。这意味着mHBC系统可以容易地重新配置，以在低于线圈的自谐振频率的任何频率下操作。因此，并非在手动调谐谐振电容器后在少量频率下测量S21，而是测量全套S参数并且将S参数用来估计最大可用增益(MAG)——系统的路径损耗假设完美匹配。为了获得准确的测量数据，每次测量执行三次，并且在MAG计算之前对S参数进行平均。为了验证使用MAG作为度量的选择，还使用放置在线圈馈电端口上以在21MHz下谐振的通孔电容器进行S21测量。在这种情况下，在21MHz下的S21测量结果与MAG结果在8.7％内相匹配。
图6显示了针对一场景的仿真和测量的结果，在该场景中两个线圈相距40cm放置在伸出的手臂上(ATP1和AR2P1)或在自由空间中，以用于对照。这里，测量显示最小路径损耗为8.1dB。有趣的是，这比自由空间中好10dB以上，验证了我们的预测：身体用作有效的磁能导管。对于图5所示的两种不同身体姿势和三个线圈位置重复类似的测量，结果如图7A-7C所示。在所有情况下，对于大多数20MHz以上的频率，路径损耗小于20dB，在几种情况下可以接近10dB以下的路径损耗。与传统BAN无线电(估计在30-80dB)和电容eHBC(估计在20-50dB)相比，这代表路径损耗性能的实质性改进。
在图8中，对于单匝线圈和4匝线圈，也在不同距离的范围内对优选mHBC的性能进行了基准测试(benchmark)。此处可以看出，当信号在身体上被接收时，两种情况的路径损耗均小于13.1dB。当进行体外测量时，路径损耗急剧增加(即信道增益降低)，再次表明磁性体域网降低了路径损耗。由于更好的磁场产生，4匝线圈系统相对单匝线圈提供了6.7dB的性能提升。图8还示出了测量的电容耦合的路径损耗[Bae、H.Cho、K.Song、H.Lee和H.-J.Yoo的“The Signal Transmission Mechanism on the Surface of Human Body for BodyChannel Communication”，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，第60卷，第3号，第582-593页，2012年3月]、以及使用UWB的传统WBAN[A.Fort、J.Ryckaert、C.Desset、P.De Doncker、P.Wambacq和L.Van Biesen的“Ultra-wideband channel model for communicationaround the human body”，IEEE J.Sel.Areas Commun.，第24卷，第4号，第927-933页，2006年4月]，这基于在所标识的文献中发现的结果做出。可以基于特定的应用，选择本发明的mHBC中的匝数。多匝线圈的Q值越高使得匹配带宽越窄，且多匝线圈不太适合高速数据传送，但是当数据速率较慢时，由于操作频率比线圈的自谐振频率(SRF)低，所以更多的匝数可以增强耦合。与单匝线圈相比，多匝线圈具有更低的SRF。
本发明的mHBC系统也已经被数学建模并与eHBC系统进行比较。eHBC可以一般化为理想偶极子，其被称为赫兹电偶极子，并如图9A所示。图9B显示了理想回路电流的磁偶极子及其在近场中的场图案。当该理想的电偶极子被放置在具有图9A所示的几何结构的自由空间中时，E场和H场图案如下给出。
其中Io是线电流的幅度，d是偶极长度，ko是波数(2π/自由空间中的波长)，μo是自由空间的磁导率，∈o是自由空间的介电常数，no是自由空间中的辐射阻抗，ω是角频率(2π频率)。在公式(1a)和(1b)中，1/kor、(1/kor)2和(1/kor)3项分别被定义为辐射、感应和准静态部分。通常，这三个定义可以根据它们的主导区域被分类为远场或近场部分，例如，从(1a)和(1b)两者中的1/kor项推导出的辐射(或有功)功率在远场区域(kor＞1)中占主导，并且由(1＝kor)2和(1＝kor)3项推导出的无功(或虚功)功率可以存储在近场区域(kor＜1)的驻(非辐射)波中。
人体具有有限的相对介电常数(∈r)，(1a)和(1b)可以用和重写为如下：
公式(2b)证实了人体组织的高介电常数使E场图案的近场部分退化，作为结果，当物理通信信道是生物组织时，两个电容天线之间的E场耦合显示出缺点。尽管(2a)和(2b)排除了生物组织导电性引起的负面效果，但足以分析人体内部的场强，从而在较低频率下提供了相当高的相对介电常数和可忽略的电导率(σ)，其中HBC物理信道通常在该频率下操作。(在21MHz下(∈r≈80，σ≈0:15S/m))。
对复坡印亭(complex Poynting)矢量(功率密度)的分析可以更明显地解决人体内近场耦合的退化，如下所示。
图10示出当d＝1cm，Io＝1μA和θ＝45°时，由位于自由空间或高介电常数介质(∈r＝80)中的理想电偶极子产生的功率密度。此处，当辐射功率增加倍时，在通常利用两个偶极子之间的耦合的近场区域中占主导的准静态部分减小∈r倍，作为结果，当使用生物组织作为耦合介质时，eHBC电极对的电容耦合恶化。另外，近场区域(r＜1/k＝λ/2π)被减小的准静态部分收缩，这可以用缩短的波长来解释。(λo是自由空间中的波长。)
另一方面，与电偶极子不同，理想回路电流的磁偶极子可以在高介电常数材料中的近场耦合上发挥优势。这个益处可以在下面图1(b)所示的磁偶极子的E场和H场图案中观察到。
公式(4b)描述了介质的高介电常数增强了由磁偶极子产生的H场的辐射部分和感应部分两者，这与显示出高介电常数介质中的准静态近场部分的退化的电偶极子不同。复坡印亭矢量(功率密度)证实了高介电材料内的磁偶极子源的这种益处。
图11描绘了当a＝2πcm，Io＝1μA和θ＝45°时，描述位于自由空间或高介电常数介质(∈r＝80)的理想回路电流的公式(5a)，(5b)和(5c)中的功率密度。与显示出高介电常数内的准静态功率的降低的电偶极子不同，被置于高介电常数材料中的磁偶极子在没有损耗准静态功率的情况下实现了感应功率和辐射功率两者的增强。尽管作为增强辐射功率的结果，近场区似乎收缩，但是当线圈内部流动的电流保持不变时，增强的总复功率有助于线圈之间的耦合改进。
本发明利用了发明人的以下认识：利用磁性源在体域中(<约2m)进行通信的最佳方式是在线圈之间部署磁性谐振耦合，因为这种耦合机制成功地采用了随距离急剧减小的近场部分。使用磁性谐振耦合的数据传送系统可以被简单地建模，如图12所示。当该系统在源和负载两者处被给予最优电阻以及两个线圈的适当调谐电容时，最大可用增益被表示为如下所示。这可以受到人的体型的影响，并且本发明的系统可以包括基于实时校准测量的自动调谐。(只有当两个线圈具有一般近场通信链路中所示出的松散耦合的耦合时，近似才可用。)
在公式(6)中，当两个线圈的几何结构提供一定的电阻时，只有互感(M)决定信道。因此，探索人体对互感的影响对于将磁性耦合用于体域网是必要的。此处，互感被定义为有多少由初级线圈的电流产生的磁场通量可以流过次级线圈的内部维度，如下所描述。
公式(7)证实了当初级线圈中的电流和次级线圈的几何结构固定时，互感与次级线圈内部区域上的平均磁通密度成比例。
本发明的系统包括可以方便地绕着人身体结构的一部分缠绕的线圈。图5显示了各种选择，现在讨论的数学建模假设初级线圈和次级线圈是具有一定距离的、绕着圆柱形人手臂模型缠绕的。关于图13A中的x、y和z轴示出该模型。出于简化分析的目的，通过在初级线圈中流动电流的磁性源可以被估计为产生公式(4a)和(4b)中所描述的场的理想磁偶极子。此处，公式(4a)和(4b)可以通过远场和近场定义分成两部分。
与公式(8a)和(8b)中描述的近场部分不同，公式(9a)和(9b)中的远场部分形成横向电磁波(TEM)，横向电磁波的E场和H场按照辐射阻抗η和辐射方向矢量彼此耦合。因此，即使在人体内部，共同的电磁(EM)波理论仍然可用于磁偶极子的远场部分。
将人手臂模型放置在空气中即创建了空气与人体组织之间的界面处的边界条件，而由磁偶极子产生的EM辐射波在身体内传播。图13B描绘了当垂直极化的EM波倾斜地入射时在人体边界处的反射和透射。当波具有如(9a)和(9b)所描述的垂直极化时，斯涅尔定律(Snell’s law)(10)提供了关于反射和透射的两种关系。
为了在边界处发生全反射(|Γ⊥|＝1)，(11a)中的cosθt应为零或虚数。在这种情况下，临界角(θc)可由(10)推导出如下。
例如，当初级线圈的磁偶极子置于具有∈r＝80的圆柱形人手臂模型的中心处时，临界入射角计算为6.4°，这意味着如果来自源的辐射角(θs)小于临界辐射角(θsc＝90°-θs＝83.6°)，则会发生全反射，如图13C所示。此处，单位长度(b)可以定义为tanθc，以按手臂(a)的半径和临界角(θc)来表示距离)。
Dxm＝-1(当m＝4n-3或4n-2)
＝1(当m＝4n-1或4n)
Dzm＝-1(当k＝4n-2或4n-1)
＝1(当m＝4n-3或4n)
在人体边界处的全反射有助于远场传播通过保持生物组织内的有功EM波功率将数据信号传递得更远。有必要建立在放置于z＝R处的次级线圈尺寸(A2＝πa2)上平均的磁通密度(B)的分析模型，以证实此现象产生的增强的互感。图14A示出了有多少EM波通量通过全反射可以达到人手臂内部的一个点处，同时示出了所达到的通量的数量可以随着单位长度(b)的倍数增加。这种分析归纳法可以简单地概括出：EM波通量的数量N可以到达放置于z＝Nb处的次级线圈的内部区域上的点处。对于具有简化的合理数学模型，通过全反射增加的通量数可以用次级线圈的扩展有效半径(a*＝aR/b)来表示，因为相同的总通量数可以穿过次级线圈，如图14B所示。然而，有效半径模型通过在边界处的反射来排除改变的H场矢量方向。因此，需要另一个方向符号来计算单点处的矢量求和。图14C描绘了根据辐射角(θs)的增加的H场矢量方向的旋转。在手臂模型的xz横截面中，垂直极化EM波的H场矢量只有和矢量分量，归纳推理证明这些矢量的符号是按以下顺序旋转的。
其中n是自然数(n＝1，2，3...)。当由初级线圈产生的远场H场如(9b)给出时，穿过放置于空气中的z＝R处的次级线圈的平均磁通密度可以如下所示被推导出。另一方面，圆柱形人手臂模型的平均磁场密度可以描述为如下。
图15显示出与公式(13)中描述的空气中Baveraged的远场部分相比，对于当a为5cm，Io为20mA(对于5Ω线圈，1mW)，∈r为80以及频率为21MHz的情况，在HFSS中仿真并在MATLAB中用公式(14c)计算的Baveraged的远场部分。尽管用公式(13)或(14c)计算的手臂模型情况结果显示出由于关于理想磁偶极子的假设所导致的通量数不足而引起的与距离源很近的仿真不一致，但计算的曲线仍然证实了远场磁通密度的改进以及缓慢下降。通过在HFSS中仿真辐射矢量(有功坡印廷矢量)来确认人体边界的全反射。
另一方面，公式(8a)和(8b)中描述的近场部分被存储在驻波中，而不是被辐射为辐射波。另外，由于在该部分中E场和H场并不相互耦合，所以由该远场辐射波特性推导出的边界条件不能应用于该驻波。因此，为了分析身体-空气界面处的近场部分的行为，更适合采用以下给出的时间谐波EM场的边界条件。
其中是表面电流密度的矢量。公式(15a)和(15c)表明了切向分量(E场和H场的和分量)在界面上是连续的，但公式(15b)和(15d)表明界面的两侧可以相互之间具有法向分量的差异。然而，由于公式(8a)中的E场不包括法向分量，并且表面电流密度可以假定为零，所以磁偶极子的EM场的近场部分在边界处不显示出不连续性。因此，可以在不考虑人体的边界条件的情况下，计算磁通密度，如下所示。
图16显示了组合了远场部分((13)和(14c))和近场部分(16c)的仿真和计算的总磁通密度。这个结果得出以下结论：身体表面处的边界条件引起全反射，这有助于辐射功率被困于人体内，同时显示出在未发生全反射的体外处的急剧减弱的磁场密度。
因此，数学模型证实了本发明与eHBC相比更好的路径损耗性能，也示出了仿真和测量。该数学模型还为技术人员提供了用于调整系统参数以优化优选参数(例如安全性、发射功率)的指导。例如，当使用公式(6)和(7)估计mHBC的最大增益时，建模可以是有用的。如上所述，该增益在给定的线圈几何结构(决定R、L和A)和电流(应用的功率预算)下由Baveraged决定。
虽然已经示出和描述了本发明的具体实施例，但应该理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，其他修改、替代和替换是显而易见的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出这样的修改、替换和替代，本发明的精神和范围应该由所附权利要求确定。
在所附权利要求书中阐述了本发明的各种特征。

Claims (25)

1.一种体域网，包括：
第一线圈，配置为被穿戴在人的身体部位上；
发射器，用来驱动所述第一线圈以通过第一磁性线圈产生磁性身体场；
第二线圈，耦合到经由匹配到磁场的所述第一线圈发射的信号并且耦合到第一线圈；以及
接收器，用于从所述第二线圈接收所述信号。
2.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一线圈配置为围绕人的身体部位缠绕。
3.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一线圈配置为基本平行于人的身体部位。
4.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第二线圈配置为被穿戴在人的身体部位上。
5.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第二线圈配置为与体外的设备相关联。
6.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一和第二以及第一线圈被调谐以经由约1MHz至100MHz的磁场耦合。
7.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一和第二以及第一线圈被调谐以经由约20MHz至50MHz的磁场耦合。
8.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一和第二以及第一线圈被调谐以经由约10MHz至30MHz的磁场耦合。
9.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一线圈和第二线圈包括单匝线圈。
10.根据权利要求1所述的体域网，其中所述第一线圈和第二线圈包括多匝线圈。
11.根据权利要求1所述的体域网，其中所述发射器驱动所述第一线圈以产生谐振耦合到或感应耦合到所述第二线圈的磁场。
12.根据权利要求1所述的体域网，其中所述发射器驱动所述第一线圈以产生谐振耦合到所述第二线圈的磁场。
13.根据权利要求1所述的体域网，其中所述近场在人体周围约2-4米的范围内。
14.根据权利要求1所述的网络，其中用小电容器使所述第一线圈和第二线圈共轭匹配。
15.一种系统，包括根据权利要求1所述的体域网，所述系统还包括向所述发射器提供传感器数据的身体可穿戴传感器。
16.根据权利要求9所述的系统，还包括从所述接收器接收数据的电子设备。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述电子设备包括智能手表或智能电话中的一个。
18.一种使用人体作为磁场建立网络通信的方法，所述方法包括：
将发射器线圈与人体的一部分关联，所述发射器线圈配置为耦合到人体的近场中的接收器线圈；
驱动所述发射器线圈以在人体周围产生磁性近场；以及
用接收器线圈耦合到所述磁性近场。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二以及第一线圈被调谐以经由约1MHz至100MHz的磁场谐振耦合。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二以及第一线圈被调谐以经由约20MHz至50MHz的磁场耦合。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二以及第一线圈被调谐以经由约10MHz至30MHz的磁场耦合。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述关联包括将所述发射器线圈围绕人体的一部分缠绕。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述关联包括将所述发射器线圈放置在与人体的一部分基本平行的平面中。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述接收器线圈与人体的一部分相关联。
25.根据权利要求18所述的方法，其中所述接收器线圈与体外的设备相关联。
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