ITTO960712A1 - Sistema di trasmissione impiegante il corpo umano come guida d'onda. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema di trasmissione impiegante il corpo umano come guida d'onda"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ad un'apparecchiatura per la trasmissione di informazioni, sotto forma di.segnali elettrici, impiegante il corpo umano, o una parte di esso, quale linea di trasmissione. Più specificamente la presente invenzione si riferisce ad un'apparecchiatura per la trasmissione di informazioni impiegante una porzione del corpo umano come una guida d'onda.

Il trasferimento di energia, e quindi di segnali elettrici, in un corpo conduttore massiccio (a cui è assimilabile il corpo umano) può avvenire per conduzione galvanica e/o per effetto del campo elettromagnetico associato ad un vettore corrente generato da un sistema di eccitazione.

Per sistema di eccitazione si intende una sorgente o un dispositivo atti a fornire segnali elettrici, ad esempio un circuito oscillatore.

In particolare l'azione di correnti variabili è legato al fenomeno del cosiddetto "effetto pelle", che dipende principalmente dalla frequenza dei segnali interessati.

La trasmissione di un segnale elettrico attraverso un corpo umano, applicato mediante un accoppiamento galvanico o capacitivo con la pelle di tale corpo umano, può avvenire inoltre anche per l'effetto di guida d'onda imputabile alla struttura della pelle umana stessa.

Questo principio è stato utilizzato per la messa a punto di un'apparecchiatura, o sistema, di comunicazione oggetto della presente invenzione.

E' infatti sorta, in tempi recenti, la necessità di collegare tra loro più dispositivi differenti portati sul proprio corpo da una persona. Tali dispositivi possono essere, ad esempio: orologi, elaboratori elettronici, telefoni portatili, cercapersone, sistemi stereofonici personali, calzature dotate di sensori, calzature computerizzate, glucometri, holter cardiaci, cardiofrequenzimetri , ecc. La possibilità di mettere in comunicazione i differenti· dispositivi portati, o indossati, da una persona, e quindi di integrarne le funzioni, presenta numerosi vantaggi. E' possibile, ad esempio, ridurre al minimo indispensabile le dimensioni di tali dispositivi integrandone le funzioni comuni. Ad esempio può essere utilizzato un unico dispositivo, dotato di un'interfaccia di comunicazione, per comandare e programmare tutti i dispositivi portati dalla persona.

Un altro vantaggio consiste nella possibilità di suddividere le componenti di un dispositivo in modo da poterlo portare in modo più confortevole.<' >Ad esempio un elaboratore elettronico, o personal computer, può avere un dispositivo di interfaccia realizzato sotto forma di orologio da polso in modo da poter essere consultato con estrema comodità ed avere l'unità di elaborazione centrale disposta, ad esempio, in una tasca o attaccata alla cintura in modo da poter essere portata agevolmente.

Un altro vantaggio di un simile sistema di comunicazione è dato dalla possibilità di collegare sensori, ad esempio sensori biomedici distribuiti in varie parti del corpo, con una o più unità di elaborazione e/o visualizzazione destinate ad elaborare e/o a visualizzare i dati rilevati da tali sensori. Può essere realizzata, ad esempio, una calzatura prow ista di sensori biomedici e comunicante con un dispositivo di elaborazione e/o visualizzazione a polso.

Evidentemente, tutti questi dispositivi, potrebbero anche comunicare tra loro utilizzando sistemi di tipo convenzionale, che sono sostanzialmente i seguenti: conduttori elettrici, onde radio, infrarossi. Tutti e tre questi sistemi di tipo convenzionale presentano tuttavia numerosi inconvenienti.

Il collegamento attraverso fili elettrici risulta essere, evidentemente, estremamente scomodo per la persona recante i dispositivi che necessitano di comunicare tra loro. Inoltre tali fili elettrici corrono il rischio di essere strappati o danneggiati accidentalmente a causa dei movimenti della persona stessa .

I sistemi di comunicazione ad infrarossi hanno il grave inconveniente di consentire solamente comunicazioni a vista tra due dispositivi. Tale condizione non può certamente essere garantita nel caso di dispositivi disposti su una qualsiasi parte del corpo umano.

I dispositivi di comunicazione ad onde radio hanno invece l'inconveniente di essere suscettibili a disturbi ed interferenze radio. Poiché oggigiorno quasi tutti gli ambienti frequentati da persone sono saturi di onde radio e disturbi elettromagnetici, tali sistemi di comunicazione andrebbero incontro a notevoli limitazioni di impiego. Inoltre tali sistemi di comunicazione sono essi stessi sorgenti di interferenze radio per cui una loro diffusione avrebbe l'inevitabile effetto di causare interferenze tra i sistemi di comunicazione di persone tra loro vicine. Per tale motivo anche i sistemi di comunicazione via radio non sono in grado di garantire comunicazioni affidabili tra i differenti dispositivi portati da una persona. Per garantire comunicazioni affidabili via radio sarebbe necessario l'impiego di sistemi di comunicazione digitali gestiti con complicati protocolli in grado di consentire la comunicazione anche in caso di disturbi ed interferenze. Tali sistemi avrebbero tuttavia un'elevata complessità e, conseguentemente, un elevato costo.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un'apparecchiatura di comunicazione che permetta di risolvere in modo soddisfacente tutti i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un'apparecchiatura di comunicazione avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 è una rappresentazione schematica della pelle umana atta ad illustrare il principio di funzionamento dell'apparecchiatura secondo la presente invenzione,

- la figura 2 è una rappresentazione schematica a blocchi illustrante il principio di funzionamento dell'apparecchiatura secondo l'invenzione,

- la figura 3 è una rappresentazione schematica a blocchi dell'apparecchiatura di comunicazione secondo l'invenzione.

La pelle umana ha una struttura stratificata che consiste di due strati principali: un rivestimento cellulare esterno denominato epidermide ed uno strato di tessuti connettivi denominato derma. L'epidermide è composta di cellule e detriti cellulari. La continua riproduzione di cellule epiteliali alla congiunzione tra epidermide e derma provoca una migrazione di tali cellule verso la superficie esterna della pelle. Le cellule si cheratinizzano mentre si spostano verso l'esterno.

Gli stadi del processo di trasformazione delle cellule caratterizzano i cinque strati in cui l'epidermide è suddivisa: lo strato germinativo {a contatto con il derma), lo strato spinoso, lo strato granuloso, lo strato lucido e lo strato corneo. Le cellule muoiono già prima di entrare nello strato lucido .

Il derma a sua volta è costituito da una densa rete di proteine fibrose quali il collagene, la reticolina e l'elastina, permeate da micropolisaccaridi.

Dal punto di vista elettrico la struttura della pelle umana è assimilabile a quella- di una guida d'onda. Più specificamente, data la sua struttura, la pelle si comporta come una guida d'onda planare. Lo strato corneo dell'epidermide si comporta come un conduttore elettrico, grazie anche alla sudorazione, 10 strato lucido, costituito esclusivamente da cellule morte ha il comportamento di un materiale dielettrico, gli strati inferiori dell'epidermide, ossia 11 derma ed il resto del corpo, riccamente irrorato <“>di sangue, hanno il comportamento di un conduttore elettrico.

In una struttura siffatta un'onda elettromagnetica viene guidata lungo le superfici dei conduttori e del dielettrico interposto tra di essi. L'onda elettromagnetica viene guidata attraverso un'intima connessione tra i campi dell'onda e le correnti e le cariche sul contorno.

La trasmissione dell'energia avviene per mezzo dei campi elettromagnetici dell'onda nella regione del dielettrico compresa tra le superfici laterali di contorno, le quali sono il fattore principale nel determinare le caratteristiche particolari dell'onda.

Lo studio teorico di tale fenomeno è affrontabile determinando le soluzioni delle equazioni delle onde che soddisfanno le condizioni al contorno imposte dalle pareti conduttrici e dal dielettrico della guida d'onda.

Verrà ora effettuata, per una migliore comprensione, una sintetica analisi della teoria della propagazione elettromagnetica guidata nella struttura costituita dalla pelle umana, sostanzialmente assimilabile ad una guida d'onda planare. Tale analisi verrà effettuata con l'ausilio delle figure 1 e 2.

Come si può notare, in figura 1 è rappresentata una porzione di pelle umana GO schematizzata come una guida d'onda planare. Nella pelle umana GO sono stati evidenziati i tre differenti strati che costituiscono la guida d'onda planare. Tali strati sono, come si è detto in precedenza, lo strato superficiale corneo COR, conduttore, lo strato intermedio lucido LUC, dielettrico, e lo strato inferiore derma DER, conduttore. Tale figura naturalmente è schematica e non in scala, in quanto serve solamente ad illustrare il principio di funzionamento.

In figura 1 è inoltre indicata la distanza 1 tra i due strati conduttori COR e DER e l'orientamento degli assi cartesiani X, Y, Z utilizzati nella trattazione teorica. In figura è inoltre illustrato anche un dispositivo di eccitazione ECC collegato, mediante due elettrodi EL, alla superficie della pelle GO, e più specifreamente allo strato conduttore superficiale COR. La distanza tra gli elettrodi EL del dispositivo di eccitazione ECG è indicata con b.

In figura 2 è invece illustrata schematicamente una porzione di pelle GO a cui sono applicati un dispositivo di eccitazione ECC, come in figura 1, ed un dispositivo ricevitore RIC. Il dispositivo ricevitore RIC è atto a rilevare i segnali elettrici emessi dal dispositivo di eccitazione ECC. Il dispositivo di eccitazione ECC ed il dispositivo ricevitore Rie sono separati tra loro da una distanza indicata con x.

L'analisi si può sviluppare considerando per l'onda un fattore di propagazione γ, contenente le informazioni relative all'attenuazione,· la velocità di fase e di gruppo dell'onda, e studiando le equazioni di Maxwell in coordinate rettangolari.

Le equazioni dei rotori, sviluppate per la regione del dielettrico o LUC, forniscono le seguenti relazioni :

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dove i coefficienti H*, Hy, Ex, Ey sono funzione delle sole variabili x ed y essendo la dipendenza dal tempo e dalla direzione z di propagazione dell'onda contenute nel fattore di propagazione y.

Le intensità totali dei campi elettrico e magnetico nella regione del dielettrico LUC, priva di cariche, tra le pareti conduttrici COR e DER devono soddisfare le equazioni delle onde:

Applicando un generatore di tensione, ossia il dispositivo di eccitazione ECC, sullo strato corneo COR della pelle GO si ha su di esso un passaggio di corrente, mentre si assiste ad un fenomeno di polarizzazione elettrica sulla superficie conduttrice sottostante. Si ha quindi la formazione di un campo elettrico e di un campo magnetico, tra loro perpendicolari, e la propagazione di un'onda elettromagnetica in direzione perpendicolare a quella dei campi (onda trasversa elettromagnetica, TEM) .

Questa è la situazione classica della propagazione elettromagnetica in una guida d'onda a piani paralleli ed infiniti, ottima approssimazione di una struttura formata da due cilindri conduttori paralleli di raggio estremamente prossimo (a sua volta buona schematizzazione della pelle GO del corpo umano).

I campi elettrico e magnetico sono espressi, in forma fasoriale delle espressioni:

dove η è l'impedenza caratteristica del dielettrico LUC .

La tensione tra i due piani conduttori COR e DEH è esp ressa, in funzione di z, dalla relazione:

essendo 1 lo spessore del dielettrico LUC.

La corrente per unità di larghezza sullo strato superiore corneo COR è:

Considerando la distanza b nella direzione y, la cor rente sullo strato corneo COR è:

mentre l'impedenza è data da:

La potenza trasferita dall'onda elettromagnetica può essere calcolata direttamente dai campi. Per fare ciò occorre calcolare il vettore di Poynting ed integrarlo sulla regione dielettrica LUC tra i due piani conduttori COR e DER. In questo caso il vettore di Poynting ha componente solo lungo l'asse z, pertanto la potenza media trasmessa dalla singola onda viaggiante nel verso positivo è data da:

Per la pelle umana GO la costante dielettrica a 100 KHz è superiore a 2000, mentre per la suscettività magnetica si può far riferimento a quella dell'acqua (-2,2 x IO<'9>) ricavando, per l'espressione della potenza trasferita, la seguente relazione:

con b >> 1.

Facendo riferimento alla espressione del vettore d'onda k, una tensione Vj generata in un dato punto dal dispositivo di eccitazione ECC può essere rilevata come una tensione v2 in un altro punto periferico, ad esempio dal dispositivo ricevitore RIC, distante x dal primo punto, come illustrato in figura 2, attenuata, ad una frequenza di lavoro ad esempio di 100 KHz , secondo la relazione:

per cui, ad una distanza ad esempio di 2 metri, si ricava che: V2 = 0,97 -V1.

Utilizzando quindi tale principio è stata sviluppata un'apparecchiatura di comunicazione utilizzante il corpo umano come linea di trasmissione. Più specificamente l'apparecchiatura di comunicazione secondo la presente invenzione utilizza la pelle umana GO come una guida d'onda planare in grado di consentire la propagazione di onde elettromagnetiche convogliate e funzionante quindi come linea di trasmissione. Tale linea di trasmissione, costituita dalla pelle umana GO, pur avendo caratteristiche tutt' altro che ideali, è tuttavia in grado di consentire comunicazioni efficaci ed affidabili tra i dispositivi.

Tale apparecchiatura verrà ora descritta con l'ausilio della figura 3 che è una rappresentazione schematica a blocchi dell'apparecchiatura stessa.

Come si può notare dalla figura 3, l'apparecchiatura è costituita essenzialmente da un dispositivo, o modulo, trasmettitore TX e da un dispositivo, o modulo, ricevitore RX. Tali moduli TX ed RX comunicano tra di loro utilizzando la pelle GO di un corpo umano CU come linea di trasmissione. Il modulo trasmettitore TX comprende un circuito oscillatore OSC atto a generare una frequenza, o onda, portante destinata ad essere trasmessa tramite la guida d'onda planare costituita dalla pelle GO.

Tale onda portante generata dall'oscillatore OSC deve naturalmente avere una frequenza tale da essere compatibile con le caratteristiche della pelle umana GO affinché la trasmissione possa effettivamente aver luogo. Ad esempio, l'onda portante può avere una frequenza dell'ordine dei 100 KHz. La frequenza portante generata dall'oscillatore OSC viene applicata alla pelle GO tramite un amplificatore di trasmissione AMTX la cui uscita è collegata a due elettrodi EL destinati ad essere posti in contatto con la pelle GO. Tali elettrodi EL possono essere accoppiati sia galvanicamente che capacitivamente con lo strato superiore, cioè lo strato corneo COR, della pelle GO.

In prove effettuate dalla richiedente sono stati utilizzati, con successo, sia elettrodi del tipo impiegato per la registrazione di elettrocardiogrammi, ossia posti in contatto galvanico con la pelle GO, sia elementi metallici, o comunque elettricamente conduttivi, isolati dalla pelle GO,.ossia collegati capacitivamente con la pelle GO stessa. Tali elementi metallici possono essere, ad esempio, lamine o reti metalliche flessibili affacciate alla pelle GO anche se separate da essa da uno o più strati isolanti, quali ad esempio indumenti.

Nel caso di una calzatura, ad esempio, tali lamine o reti metalliche possono essere inserite nel plantare della calzatura stessa ed essere accoppiate alla pelle GO della pianta del piede in modo capacitivo attraverso uno strato superficiale di tale plantare, tipicamente isolante, ed eventualmente una calza indossata dalla persona, anch'essa isolante.

Poiché, naturalmente, la funzione del modulo trasmettitore TX è quella di trasmettere non solamente la frequenza portante ma delle informazioni esso comprende un modulatore MOD interposto tra il circuito oscillatore OSC e l'amplificatore di trasmissione AMTX. Il modulatore MOD effettua una modulazione della frequenza portante in base alle informazioni che si desiderano trasmettere.

Tale modulazione può essere di vario tipo, ad esempio modulazione in ampiezza o modulazione di frequenza. Date le caratteristiche tutt'altro che ideali del mezzo di trasmissione, la pelle GO, si ritiene preferibile l'impiego della modulazione di frequenza.

Anche le informazioni trasmesse dal modulo trasmettitore TX possono essere di vario genere e possono essere trasmesse sia in formato analogico che in formato digitale. Tali informazioni possono essere costituite, ad esempio, dai segnali elettrici emessi da un sensore biomedico SENS atto a rilevare un parametro fisico. Tale sensore SENS è collegato ad un circuito di campionamento e/o di trattamento di segnale SH. L'uscita di tale circuito di campionamento e/o di trattamento di segnale SH è collegata ad un amplificatore AMP. All'uscita dell'amplificatore AMP viene quindi emesso un segnale che viene inviato al modulatore MOD per effettuare la modulazione della frequenza portante.

La frequenza portante modulata viene quindi applicata alla pelle GO, come detto in-precedenza, tramite gli elettrodi EL collegati all'uscita dell'amplificatore di trasmissione AMTX . Tali segnali elettromagnetici si propagano quindi in tutta la superficie, costituita dalla pelle GO, del corpo umano CU. E' quindi possibile collegare il modulo ricevitore RX in qualunque punto del corpo umano CU e ricevere i segnali trasmessi dal modulo trasmettitore TX.

Il modulo ricevitore RX comprende, a tale scopo, un amplificatore di ricezione AMRX avente gli ingressi collegati a due elettrodi EL destinati ad essere applicati alla pelle GO.All'uscita dell'amplificatore di ricezione AMRX vi è quindi, sostanzialmente, la frequenza portante modulata trasmessa dal modulo trasmettitore TX.

Conseguentemente l'uscita dell'amplificatore di ricezione AMRX è collegata ad un demodulatore DEMOD che provvede ad isolare il segnale modulante, ossia il segnale di informazione che interessa ricevere. Tale segnale di informazione viene inviato ad un amplificatore di bassa frequenza BF. L'uscita di tale amplificatore di bassa frequenza BF, sulla quale è disponibile il segnale di informazione, può quindi essere inviata ad un dispositivo utilizzatore USR.

Tale dispositivo utilizzatore USR può essere un qualunque dispositivo destinato a ricevere il segnale di informazione. Esso può quindi essere, ad esempio, un elaboratore elettronico destinato ad elaborare il segnale di informazione trasmesso, oppure un dispositivo visualizzatore destinato a visualizzare le informazioni trasmesse.

Poiché l'apparecchiatura di comunicazione secondo l'invenzione opera con tensioni e potenze molto ridotte e frequenze relativamente elevate, essa non nuoce in alcun modo, né reca fastidio, alla persona la cui pelle GO viene utilizzata come linea di trasmissione. Inoltre, essendo la trasmissione di tipo guidato essa è esente dai problemi di interferenza discussi in precedenza relativamente ai dispositivi di comunicazione via radio.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura di trasmissione comprendente un modulo trasmettitore (TX) ed un modulo ricevitore (RX) comunicanti tra di loro mediante una linea di trasmissione (GO), caratterizzata dal fatto che detta linea di trasmissione (GO) è costituita dalla pelle (GO) di un corpo umano (CU), funzionante come una guida d'onda planare, detti moduli trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) essendo configurati in modo tale da poter essere accoppiati ad uno strato superficiale (COR) di detta pelle (GO).
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che è configurata in modo da utilizzare come mezzo di trasmissione, quale guida d'onda planare, una struttura formata da tre strati (COR, LUC, DER) di detta pelle umana (GO), detti tre strati (COR, LUC, DER) comprendendo due strati (COR, DER) aventi sostanzialmente le caratteristiche di un materiale conduttore elettrico, ed uno strato (LUC), avente sostanzialmente le caratteristiche di un materiale dielettrico, interposto tra detti due strati (COR, DER) conduttori.
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detti due strati conduttori (COR, DER) della pelle sono uno strato superiore, denominato corneo (COR) , ed uno strato inferiore, denominato derma (DER), e detto strato dielettrico è uno strato intermedio, denominato lucido (LUC).
4. 4. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzata dal fatto che opera ad una frequenza compatibile con le caratteristiche di detta guida d'onda planare costituita da detta pelle umana (GO).
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che opera ad una frequenza sostanzialmente dell'ordine di 100 KHz.
6. 6. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, caratterizzata dal fatto che impiega un'onda portante modulata in frequenza.
7. 7. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 6, caratterizzata dal fatto che detti moduli trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) sono accoppiati a detto strato superficiale conduttore (COR) mediante elettrodi <EL).
8. 8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detti elettrodi (EL) sono accoppiati a detto strato superficiale (COR) in modo galvanico .
9. 9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detti elettrodi (EL) sono accoppiati a detto strato superficiale (COR) in modo capacitivo .
10. 10. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 a 9, caratterizzata dal fatto che ognuno di detti moduli trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) comprende due elettrodi (EL).
11. 11. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 10, caratterizzata dal fatto che almeno uno di detti moduli trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) è integrato in una calzatura.
12. 12. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che detto almeno uno di detti moduli trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) comprende due elettrodi (EL), detti due elettrodi (EL): essendo integrati in un plantare di detta calzatura, avendo forma sostanzialmente planare, e essendo accoppiabili capacitivamente con detto strato superficiale (COR) di detta pelle (GO).
13. 13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto che detti due elettrodi (EL) sono costituiti da lamine o reti metalliche.
14. 14. Calzatura caratterizzata dal fatto che comprende almeno un modulo (TX, RX) di un'apparecchiatura di comunicazione, impiegante la pelle {GO) di un corpo umano (CU) quale linea di trasmissione, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 13. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.