JP2004364009A - データ通信方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人体に当接又は近接した２つの送信電極と２つの受信電極を利用することにより人体内に導波管を形成し、地面や周囲環境を介して閉回路を形成することなしに情報伝送を行うことができる導波管型人体内通信において、エネルギ消費が小さく外部ノイズに強い通信方法及び装置を提案する。
【解決手段】人体３に当接又は近接してデータ送信装置１及びデータ受信装置２を配置し、人体３に信号を入力することにより人体３に微弱な電磁波を発生させてデータ送信装置１からデータ受信装置２へ信号伝送を行う際に、信号を空気中に拡散させた時の入出力ゲインよりも人体内通信における信号入出力ゲインの方が大きくなる周波数を用いた周波数変調を送信データに施す。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データ通信方法及び装置に係り、具体的には、人体を導波管とみなし、人体に当接又は近接して配置されたデータ送信装置及びデータ受信装置間でのデータ送受信を行うデータ通信方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の開発分野においては機器の小型化・ウェアラブル化が進み、近い将来、複数のウェアラブル情報機器を身につけて行動するようになると考えられる。その際、情報機器間での個人情報などのデータ伝送は必須となり、近距離通信技術の開発が望まれてきた。従来、人体の表面あるいは人体の近傍にある情報機器間の通信方法としては、ケーブルによる有線通信を用いる方法や電波や光などによる無線通信を用いる方法がある。
【０００３】
データを送信装置から受信装置に伝送する場合を考える。まず、有線通信を行う場合においては、各情報機器を有線で結ぶと通信装置自体は小型で比較的安価に作成できるが、通信を行う際にケーブルが動作の妨げになるなど日常生活での利用に制限があった。
【０００４】
一方、無線通信によりデータ伝送を行う場合にはケーブルの接続の手間がなく動作の妨げにもならないため、有線通信の時よりも利便性に優れている。しかし、例えば電波による方法では、外部に電波が分散してしまい秘匿性が小さく消費エネルギが大きくなってしまう。また、光による方法、例えば赤外線通信では、指向性が高いがゆえに障害物があると通信できなくなってしまう。
【０００５】
このような問題点を解決する手段として、人体を信号伝送路とする人体内通信方法がある。人体内通信は、単純回路型、静電結合型、導波管型の３種類に分類できる。
【０００６】
単純回路型は、人体を導線として扱うことにより外部回路と合わせて閉回路を形成する方法で、体脂肪計や心電計などの生体計測機器に実用化されている。しかし、外部に導線が必要となるため、通信に利用するには実用的ではない。
【０００７】
静電結合型は、単純回路型と同様に人体を一本の導線として用いるが、外部回路として地面などの周囲環境と人体との静電結合を用いるため、外部に導線を必要としない。しかし、人間・地面・外部機器の間での静電結合を利用するため、周囲物体や機器間の距離や位置により結合が不安定になる場合がある。そこで、外部環境によるＳＮ比（信号と雑音の比）の低下に対処できる装置（たとえば、特開２００２−１２４９２５号公報）を開発する必要があった。
【０００８】
一方、導波管型は、人体を導波管とみなし、体内に微弱な電磁波を発生させて情報を入力側から出力側へ伝送する方法である。外部回路を必要としないため地面や周囲環境を介して閉回路を形成することなしに情報伝送を行うことができるので、周囲の環境変化の影響を受けにくいという利点があり、外部環境によるＳＮ比の低下を考慮せずに利用できる。しかし、現在行われている変調方法は２０ｋＨｚのパルス幅変調であり、信号入出力比（入出力ゲイン）が最大となる周波数を使っていないため信号伝送効率が低い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を改善するためになされたものであり、その目的とするところは、外部ノイズに強い導波管型の人体内通信方法を用いて情報機器間でのデータ通信を行う際に、入出力ゲインが大きいＭＨｚオーダの周波数を用いて信号伝送を行うデータ通信方法と、それに用いるデータ通信装置とを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明で用いる導波管型の人体内通信方法の原理を説明する。ＭＨｚオーダの電磁波環境下では、空気の誘電率に対して人体の誘電率は１００倍を超える。この誘電率の差異により、人体に当接又は近接する情報機器から人体内部に入力された電磁波は人体表面で全反射するようになる。この性質は、人体が導波管として作用することを表している（図１（ｂ））。これにより、電磁波の持つエネルギを人体外部に放出することなく信号を伝送させることができるとともに、秘匿性に優れたデータ通信を確立することができる。
【００１１】
導波管型による通信では、入出力ゲインが最大となる伝送周波数が存在する。そこで、人体の信号伝送特性を実験により求め（図２（ａ））、入出力ゲインが最大となる周波数を特定した（図２（ｂ））。具体的には、信号発生装置４から出た正弦波を、人体３に貼付した導電性ペーストつき電極６を通して人体３に入力し、人体３の他の部分に貼付した導電性ペーストつき電極７で検知し、信号検出装置５に入力する。信号発生装置４の信号強度と信号検出装置５の信号強度を比較することにより、入出力ゲインを求めている。なお、入出力ゲインはｄＢ表示した。
【００１２】
信号の入出力ゲインが最大となることは、ＳＮ比が最大となることであり、人体への電磁的な影響も最小となるだけでなく消費電力を低減することができる。結果として信号伝送効率が最大となり、エネルギ消費が小さく信号が漏れないため秘匿性に優れ、外部ノイズに強い最適な通信方法となる。
【００１３】
また、電極間の静電容量が大きいほど外部ノイズに強く安定した通信が可能になるが、静電容量ＣはＣ＝εＳ／ｄ（電極面積Ｓ、電極間距離ｄ、誘電率ε）と定義されることから、なるべく面積を大きく取る方がよく、そのためには、電極を装置の裏に直接貼付するよりも、ベルトなどのように皮膚に巻きつけて、密着させる部分がより大きい箇所に貼付する方がよい。
【００１４】
ここで、電極配置について考える。図３（ａ）又は図３（ｂ）のように電極１６を平行又は直線状に等距離ｄだけ離して配置した場合、人体３に生じる電気力線の本数は図３（ａ）のように平行に配置する方が大きく、従って静電容量も大きくなる。そのため、電極はベルトの輪の中心軸に関して１８０度対称な位置に電極を配置する方がよい。なお、電極の面積が異なる場合には、電極が小さい方にノイズが乗りやすくなる。そのため、電極面積はなるべく大きい方がよく、ベルトなどに貼付する場合には、人体３を挟み込むようにして同一か又はほぼ同一面積の電極をベルトの裏側に配置するのがよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る導波管型の人体内通信の実施形態を図１（ａ）に基づいて説明する。本実施形態では、従来用いられてきたパルス幅変調ではなく、外部ノイズに強く回路を簡便化できるという観点から、人体内伝搬における入出力ゲインが空気伝搬に比べて大きくなるＭＨｚオーダの周波数変調を用いている。
【００１６】
データ送信装置１は、送信信号を変調する機能を有し、データは周波数変調後に人体３に印加される。データは人体３を介してデータ受信装置２まで伝送される（図１（ａ））。ここで、搬送周波数は人体内通信において最大入出力ゲインを持つためエネルギ効率が最大となる１０ＭＨｚ近傍の周波数を用いているが、その周波数に限定されるものではなく、人体内伝搬の入出力ゲインが空気伝搬の入出力ゲインを上回る３５ＭＨｚ付近までならば十分に通信が可能である。なお、データは、信号発生装置４をはじめとする外部の信号発生源から得られたデータであるが、データ送信装置１に信号発生機能を持たせることを妨げるものではない。
【００１７】
データ送信装置１は、周波数変調回路８と、人体に接するように配置された２つの送信電極１０及び１１とを備えたものであり（図４（ａ））、ベルト１７で人体３に固定させる。また、データ受信装置２は、周波数復調回路９と、人体に接するように配置された２つの受信電極１２及び１３とを備えたものであり（図４（ｂ））、同様にしてベルト１７で人体３に固定させる。
【００１８】
データ送信装置１及びデータ受信装置２は、図１（ａ）においては腕に装着されているが、設置場所は限定されるものではなく、人体表面に分散配置することが可能である。また、送信電極１０及び１１と受信電極１２及び１３は、人体３に必ずしも接していなくてもよく、人体３の表面からわずかに浮かせた近接状態であれば通信は可能である。
【００１９】
【実施例１】
図５（ａ）は、本発明のデータ通信方法によって、加速度センサ１４を用いて取得した心拍データのアナログ信号をリアルタイム伝送した例を示している。胸部の心尖部に配置した加速度センサ１４で検出した心拍信号をデータ送信装置１ａに入力して変調を施し、人体３を介してデータ受信装置２ａまで伝送される。データ受信装置２ａで復調されたデータを信号検出装置５に入力して波形比較を行った（図５（ｂ））。加速度センサ１４で得られた信号波形と人体内通信後の信号波形が同一のものでありノイズも小さいことから、人体内通信により信号が正しく伝送できていることが確認できる。
【００２０】
【実施例２】
図６は、本発明のデータ通信方法によって、心拍センサ１５を用いて取得した心拍データのデジタル信号をリアルタイム伝送した例を示している。指輪型の心拍センサ１５で検出した心拍信号をデータ送信装置１ｂに入力して変調を施し、人体３を介してデータ受信装置２ｂまで伝送される。データ受信装置２ｂで復調されたデータを信号検出装置５に入力して波形比較を行った（図７（ａ）、（ｂ））。心拍センサ１５で得られた信号波形と人体内通信後の信号波形は一対一に対応していてデータの損失がない。一方、人体を介さずに空気中に信号を拡散させた場合も同様に計測したが、信号が外部ノイズに埋もれてしまい復調できていないことがわかる。以上より、ＭＨｚオーダにおける周波数変調を用いた導波管型のアナログ及びデジタル人体内通信方法の有効性が確認できる。
【００２１】
加速度センサ１４及び心拍センサ１５は、ジャイロセンサや発汗センサなどの各種アナログセンサ（図示せず）やウェアラブル情報機器をはじめとする各種情報機器（図示せず）と置き換えることも可能である。また、信号検出装置５は、データロガ（図示せず）や各種情報機器（図示せず）と置き換えることも可能である。なお、装着位置は限定されるものではなく、人体３に当接又は近接して分散配置された複数の情報機器を用いて包括的な生体情報モニタリングシステムを構成した例を図８及び図９に示す。
【００２２】
なお、本発明は上記の実施形態及び実施例におけるデータ通信に限定されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載する内容の範囲内でさまざまな変形が可能であり、本発明はこれら全てを含むものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の人体内データ通信方法を用いることにより、データの秘匿性に優れ外部ノイズに強いデータ通信が可能になるという効果を奏する。また、日常生活での利用だけでなく機械的あるいは電磁的ノイズ発生環境においても安定したデータ通信が可能になる。
【００２４】
さらに、入出力ゲインが最大となるＭＨｚオーダの搬送周波数を利用することによりエネルギ消費が最小となるデータ通信が確立されるため、電池の長寿命化が実現され環境に優しいデータ通信装置の開発が可能になる。
【００２５】
また、本発明のデータ通信装置はエネルギ消費が小さくなる電極配置となっているだけでなく、電極面積を大きくとることによって外部ノイズに強くなることから通信品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施形態に係るデータ通信の構成を示す説明図である。
（ｂ）本発明で用いる導波管型の人体内通信方法の原理図である。
【図２】（ａ）本発明における人体内通信方法の最適周波数の測定実験図である。
（ｂ）人体の信号伝送における周波数特性を示す実験データである。
【図３】（ａ）２電極で人体を挟み込んだ場合の電気力線の分布図である。
（ｂ）２電極を人体に水平に並べた場合の電気力線の分布図である。
【図４】（ａ）本発明で用いる人体内データ送信装置の模式図である。
（ｂ）本発明で用いる人体内データ受信装置の模式図である。
【図５】（ａ）本発明の実施例１に係るアナログデータ通信の説明図である。
（ｂ）本発明の実施例１に係るアナログデータの伝送結果である。
【図６】本発明の実施例２に係るデジタルデータ通信の説明図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）本発明の実施例２に係るデジタルデータの伝送結果である。
【図８】本発明の実施例に係る複数機器間でのデータ通信例である。
【図９】本発明の実施例に係る複数機器間でのデータ通信例において、外部ネットワークとの情報交換を行うことができるシステムの説明図である。
【符号の説明】
１ データ送信装置
１ａ アナログデータ送信装置
１ｂ デジタルデータ送信装置
２ データ受信装置
２ａ アナログデータ受信装置
２ｂ デジタルデータ受信装置
３ 人体
４ 信号発生装置
５ 信号検出装置
６ 導電性ペーストつき電極
７ 導電性ペーストつき電極
８ 周波数変調回路
９ 周波数復調回路
１０ 送信電極
１１ 送信電極
１２ 受信電極
１３ 受信電極
１４ 加速度センサ
１５ 心拍センサ
１６ 電極
１７ ベルト
１８ 足圧センサ
１９ 筋音センサ
２０ 指輪型パルスオキシメータ
２１ 腕時計型コントローラ
２２ 加速度センサ
２３ 心電計
２４ 血流センサ
２５ ＧＰＳ
２６ 咀嚼センサ
２７ 振動ジャイロ
２８ 発汗センサ
２９ データロガ
３０ 尿失禁センサ

Claims (5)

1. 人体に当接又は近接して２つの送信電極と２つの受信電極を配置することにより人体内に導波管を形成し、信号を空気中に拡散させた時の信号入出力ゲインよりも人体内通信における信号入出力ゲインの方が大きくなる搬送周波数を用いることを特徴とするデータ通信方法。
2. 前記搬送周波数が３５ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載のデータ通信方法。
3. 人体に当接又は近接して配置した送信電極及び受信電極を、ベルトで腕に巻きつける形態を取り、ベルトの裏に人体と当接又は近接するように電極を配置することを特徴とするデータ通信装置。
4. 前記データ通信装置用のベルトの裏に、ベルトの輪の中心軸に関して１８０度対称な位置に電極を配置することを特徴とする請求項３に記載のデータ通信装置。
5. 前記データ通信装置用のベルトの裏に貼付する送受信用の２つの電極面積を同一か又はほぼ同一にすることを特徴とする請求項３又は４に記載のデータ通信装置。

Images