JP5742053B2

JP5742053B2 - 人体無線網用通信システム

Info

Publication number: JP5742053B2
Application number: JP2011131173A
Authority: JP
Inventors: 建青王
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: JP2013005023A

Description

本発明は、医療・ヘルスケアのための人体無線網用通信システムに関するものである。

高齢化社会の到来に伴い、各種の人体装着或いは埋込み型生体センサーに通信機能を持たせ、それらの生体情報を医療・ヘルスケアに活用する人体無線網の確立への期待が高まっている。

この時、体内生体センサーからの体外への伝送は、例えばカプセル型内視鏡（特許文献１参照）の場合に毎秒数十メガビットの高速伝送が必要である一方、体表での脈拍、血圧などは、毎秒数キロビット以下の低速伝送が十分である。現在先行しているヘルスケア分野への人体無線網の適用は主にＢｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ或いは人体通信技術を利用している。

特開２００８−３０１９６７号公報

しかし、医療・ヘルスケア用人体無線網の構成を想定すると、毎秒数キロビットから毎秒数十メガビットまでの幅広い伝送速度が要求され、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ或いは人体通信だけでの一括対応が難しい。また、医療用インプラント通信機（ＭＩＣＳ）は４００ＭＨｚ帯を使用しているため、現状では体内からの毎秒数十メガビットのリアルタイム画像伝送が困難である。このために、医療・ヘルスケアに特化した人体無線網用通信機の開発が必要である。

本発明は、人体表面伝送(オン・ボディ)と人体内部伝送（イン・ボディ）のそれぞれの特徴を生かし、毎秒数キロビットから毎秒数十メガビットまでの幅広い伝送速度が一括で対応できる人体無線網用通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
人体表面伝送を用いてオン・ボディ信号を送信するオン・ボディ送信手段と、
人体内部伝送を用いてイン・ボディ信号を送信するイン・ボディ送信手段と、
前記オン・ボディ信号および前記イン・ボディ信号を受信する受信手段と、からなる人体無線網用通信システムであって、
前記オン・ボディ送信手段は、１〜１００ＭＨｚの周波数帯のパルスを用いてインパルス・ラジオ方式で送信を行い、
前記イン・ボディ送信手段は、ＵＷＢローバンドの周波数帯のパルスを用いてインパルス・ラジオ方式で送信を行うことを特徴とする。

この発明によれば、オン・ボディの通信では、人体自身が伝送路となる人体通信技術を流用し、高周波（ＨＦ）帯パルスを用いてインパルス・ラジオ（ＩＲ）方式で伝送を行う。このとき、周波数を１〜１００ＭＨｚ（好ましくは１０〜５０ＭＨｚ）の範囲に抑えれば、低伝送損失に加え、外部への放射も極めて低く、高秘匿性の利点がある。

また、体内から体表へのイン・ボディの通信では、高速、大容量、耐マルチパス性の超広帯域（ＵＷＢ）の周波数帯（国よって多少異なるが、日本では３．４〜４．８ＧＨｚ）のパルスを用いて伝送を行う。このとき、ＵＷＢローバンドにおいてＩＲ方式を採用することで、人体組織におけるＧＨｚ帯の減衰を緩和するとともに、人体通信で困難なリアルタイムの画像伝送を可能とする。

このように、オン・ボディ伝送ではＨＦ帯を用いたＩＲ方式、イン・ボディ伝送ではＵＷＢローバンドを用いたＩＲ方式を採用するデュアルモード通信システムが本発明の特徴である。このとき、オン・ボディ通信にＨＦ帯人体通信技術を採用することにより、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＺｉｇｂｅｅに比べ低伝送損失と高秘匿性という優位性、また、体内からのイン・ボディ通信に高速・大容量なＵＷＢ技術を採用することにより、人体通信やＭＩＣＳの伝送速度で対応困難なカプセル内視鏡などのリアルタイム画像伝送が可能となる優位性を有する。

特に、いずれの通信モードにおいても、搬送波を必要せず、パルスをそのまま伝送するＩＲ変調方式の採用は大きな特徴であり、伝送速度の向上に有効である。

本発明の第１実施形態における人体無線網用通信システムの構成を示す図である。本発明の第１実施形態におけるオン・ボディ送信機の構成を示す図である。本発明の第１実施形態におけるイン・ボディ送信機の構成を示す図である。本発明の第１実施形態におけるデュアルモード受信機の構成を示す図である。本発明の第１実施形態における送信パルスの形状を示す図である。本発明の第１実施形態におけるオン・ボディモード伝搬損距離特性を示す図である。本発明の第１実施形態におけるイン・ボディモード伝搬損距離特性を示す図である。本発明の第１実施形態におけるオン・ボディモードのビット誤り率を示す図である。本発明の第１実施形態におけるイン・ボディモードのビット誤り率を示す図である。本発明の第２実施形態における送信機の構成を示す図である。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における人体無線網用通信システムの構成を示す。人体１表面にデュアルモード受信機２を設置し、人体表面に配置されたオン・ボディ送信機３と、人体内部に配置されたイン・ボディ送信機４からの両方の信号を受信・復調する。オン・ボディ送信機３は、ＨＦ帯オン・ボディ通信機能を有し、イン・ボディ送信機４は、ＵＷＢローバンドイン・ボディ通信機能を有する。

図２にオン・ボディ送信機３の構成を示す。オン・ボディ送信機３は、オン・ボディ生体センサー５と、発振器６と、ガウス型帯域フィルタ７と、パルス位置変調器８と、電極９とから構成されている。

オン・ボディ生体センサー５は、オン・ボディの生体情報を検出し、オン・ボディ送信データ、例えば血圧や心電図などディジタルデータを出力する。発振器６から出力される４１ＭＨｚの正弦波は、２０〜６０ＭＨｚの帯域を有するガウス型帯域フィルタ７で整形される。オン・ボディ生体センサー５からのオン・ボディ送信データは、パルス位置変調器８により、それの”１”と”０”をそれぞれガウス型帯域フィルタ７から出力されるパルス波形の位置と対応させることによってＩＲ変調され、電極９から送信される。

図３にイン・ボディ送信機４の構成を示す。イン・ボディ送信機４は、イン・ボディ生体センサー１０と、発振器１１と、ガウス型帯域フィルタ１２と、パルス位置変調器１３と、アンテナ１４とから構成されている。

イン・ボディ生体センサー１０は、イン・ボディの生体情報を検出し、イン・ボディ送信データ、例えばカプセル内視鏡や埋め込み型心臓ペースメーカーからのディジタルデータを出力する。発振器１１から出力される４．１ＧＨｚの正弦波は、３．４〜４．８ＧＨｚの帯域を有するガウス型帯域フィルタ１２で整形される。イン・ボディ生体センサー１０からのイン・ボディ送信データは、パルス位置変調器１３により、それの”１”と”０”をそれぞれガウス型帯域フィルタ１２から出力されるパルス波形の位置と対応させることによってＩＲ変調され、アンテナ１４から送信される。

オン・ボディ送信機３から送信されたパルス（オン・ボディ信号）およびイン・ボディ送信機４から送信されたパルス（イン・ボディ信号）のそれぞれは、人体自身が伝送路となって、伝送される。図５に、正弦波で変調され送信されたガウス型パルス波形を示す。なお、図５の時間軸は通信モード（すなわち、オン・ボディ通信時のオン・ボディモード、イン・ボディ通信時のイン・ボディモード）に依存する。パルス幅は、それぞれオン・ボディモードの５０ｎｓとイン・ボディモードの２．１ｎｓとなる。

このようにして伝送されたパルスは、デュアルモード受信機２にて受信される。図４にデュアルモード受信機２の構成を示す。デュアルモード受信機２は、オン・ボディモードおよびイン・ボディモードそれぞれのモードの帯域フィルタを有し、その通過信号に対して相関検波を行うことで情報を復調する。なお、相関検波用のテンプレート信号の発生法は送信時と同じである。

まず、電極・アンテナ１５で受信されるオン・ボディ信号は、２０〜６０ＭＨｚの帯域を有するフィルタ１６を通過し、発振器１７、分周器１８、ガウス型帯域フィルタ１９で生成されるテンプレート信号と乗算器２０を用いて乗算演算される。その演算結果に対し、積分器２１を用いて低周波成分を抽出し、判別器２２を用いて“１”，“０”判定を行い、情報データを復調する。

一方、電極・アンテナ１５で受信されるイン・ボディ信号は、３．４〜４．８ＧＨｚの帯域を有するフィルタ２３を通過し、発振器１７とガウス型帯域フィルタ２４で生成されるテンプレート信号と乗算器２５を用いて乗算演算される。その演算結果に対し、積分器２６で低周波成分を抽出し、判別器２７を用いて”１”，”０”判定を行い、情報データを復調する。

図６に、解剖学的人体数値モデルに対して電磁界シミュレーションを実施し、得られたオン・ボディモードでの伝搬損距離特性を示す。距離に対しての減衰は緩やかで、減衰指数が１．８であり、自由空間のそれ（２．０）に比べて小さいため、空気中での伝送よりもこの周波数帯における人体表面での伝送は損失が小さいことが伺える。

図７に、電磁界シミュレーションによって得られた消化器官から体外へのイン・ボディ伝搬損距離特性を示す。伝送損失はオン・ボディモードに比べて大きいが、平均として４０ｄＢから８０ｄＢの間にあり、復調可能なレベルである。

図８と図９に、１０^−４のビット誤り率を目安としたときの所要送信電力と伝送速度との関係をオン・ボディモードの場合とイン・ボディモードの場合それぞれについて示す。オン・ボディモードにおける−２５ｄＢｍの最大許容電力に対して１０Ｍｂｐｓの伝送速度、イン・ボディモードにおける−１０ｄＢｍの最大許容電力に対して少なくても２０Ｍｂｐｓの伝送速度が得られている。

上記した実施形態によれば、人体表面伝送と人体内部伝送のそれぞれの特徴を生かした、数ｋｂｐｓから数十Ｍｂｐｓまでの幅広い伝送速度が一括で対応できる、医療・ヘルスケアのための人体無線網用通信システムを提供することができる。

なお、医療・ヘルスケア用において、オン・ボディ送信データとイン・ボディ送信データのいずれも常時に送信している状況にない場合には、デュアルモード受信機２はモードを切り替えて使用されるようになっていてもよい。この場合、モードの切替えは、送信側からモードに応じた帯域を有する送信要求信号を送出し、デュアルモード受信機２側で、帯域フィルタ１６と２３の通過信号の有無を検出することで行う。
（第２実施形態）
図１０に本発明の第２実施形態に係る送信機の構成を示す。この実施形態は、図２に示したオン・ボディ送信機３と図３に示したイン・ボディ送信機４とを１つの送信機で構成したものとなっている。すなわち、この実施形態に係る送信機は、オン・ボディ生体センサー５と、ガウス型帯域フィルタ７と、パルス位置変調器８と、イン・ボディ生体センサー１０と、ガウス型帯域フィルタ１２と、パルス位置変調器１３と、発振器１１と、切替機器２８と、分周器２９と、電極・アンテナ３０とから構成されている。

この実施形態の場合、オン・ボディモードとイン・ボディモードのいずれか一方でのみ用いるようにするために、切替器（切替手段）２８を備え、さらにオン・ボディ送信データの送信時に用いる４１ＭＨｚの正弦波を得るために、発振器１１から出力される４．１ＧＨｚの正弦波を４１ＭＨｚの信号に変換する分周器２９を備えている。つまり、この実施形態の場合、オン・ボディ送信機として用いるときには、発振器１１からの信号を分周器２９にのみ供給し、イン・ボディ送信機として用いるときには、発振器１１からの信号をガウス型帯域フィルタ１２にのみ供給するように切替器２８を設定する。

このようによれば、１つの送信機で、オン・ボディ送信機とイン・ボディ送信機のいずれかで使用することができる。
（その他の実施形態）
・パルス変調として、Ｏｎ−ＯｆｆＫｅｙｉｎｇ（ＯＯＫ）方式を採用するようにしてもよい。すなわち、情報“１”のときはパルスを送信し、情報“０”のときはパルスを送信しない。受信するときは、包絡線検波を用い、パルスの振幅或いはエネルギーの有無を検出することで復調する。

・受信機としては、デュアルモード受信機でなく、イン・ボディ信号を受信する受信機と、オン・ボディ信号を受信する受信機とを別々にしたものであってもよい。

１人体、
２デュアルモード受信機
３オン・ボディ送信機
４イン・ボディ送信機
５オン・ボディ生体センサー
６発振器
７ガウス型帯域フィルタ
８パルス位置変調器
９電極
１０オン・ボディ生体センサー
１１発振器
１２ガウス型帯域フィルタ
１３パルス位置変調器
１４アンテナ
１５電極・アンテナ
１６帯域フィルタ
１７発振器
１８分周器
１９ガウス型帯域フィルタ
２０乗算器
２１積分器
２２判別器
２３帯域フィルタ
２４ガウス型帯域フィルタ
２５乗算器
２６積分器
２７判別器
２８切替器
２９分周器
３０電極・アンテナ

Claims

人体表面伝送を用いてオン・ボディ信号を送信するオン・ボディ送信手段と、
人体内部伝送を用いてイン・ボディ信号を送信するイン・ボディ送信手段と、
前記オン・ボディ信号および前記イン・ボディ信号を受信する受信手段と、からなる人体無線網用通信システムであって、
前記オン・ボディ送信手段は、１〜１００ＭＨｚの周波数帯のパルスを用いてインパルス・ラジオ方式で送信を行い、
前記イン・ボディ送信手段は、ＵＷＢローバンドの周波数帯のパルスを用いてインパルス・ラジオ方式で送信を行うことを特徴とする人体無線網用通信システム。
前記オン・ボディ送信手段と前記イン・ボディ送信手段とにより１つの送信機を構成しており、この送信機は、前記オン・ボディ送信手段と前記イン・ボディ送信手段のいずれで用いるかを切り替える切替手段を有することを特徴とする請求項１に記載の人体無線網用通信システム。