人体通信中发送端接触阻抗的实验研究(2)

　　人体前臂由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼等组织构成。皮肤具有较强的介电特性。肌肉中含有水分和电解质，导电性能好。而脂肪中含水极少，导电性能较差。脂肪层位于电特性良好的皮肤和肌肉之间，这种结构与Cole-Cole模型等效[5]。

　　医用电极由电极基片和导电胶组成，而皮肤由表皮层、真皮层和皮下组织组成。电极和皮肤接触时的阻抗结构见图2。其中Rd、Cd分别代表电极与皮肤的接触电阻和接触电容;Re，Ce分别代表表皮层的电阻和电容;Ru代表真皮层和皮下组织的电阻[6]。

　　2.1 前臂发送端电路模型

　　人体通信中发送机产生的交变电流信号主要在两个发送电极及其之间的人体组织传导。只有较少的一部分电流会沿着皮肤和肌肉的纤维向外传播[5]。图2 电极与皮肤阻抗结构图

　　Fig 2 The structure of electrode-skin impedance

　　为了更好地研究发送电极与皮肤的接触阻抗对通信质量的影响，暂时忽略向外传播的那一小部分电流，构建如图3(a)所示的发送端电路。

　　Zi的Ri、Re、Cm分别代表整个人体组织的等效内外液电阻和膜电容。为了研究方便，对电路进行了简化处理。此电路的总体特性可用一个三元件Cole-Cole模型来描述，见图3(b)。其中，R1代表人体等效内液电阻Ri;R2代表人体等效外液电阻Re与接触电阻Rd之和;C代表人体膜电容Cm与接触电容Cd之和。在恒定频率下，人体输入阻抗Zi基本不变，当电极与皮肤的接触阻抗发生改变时，模型可反映出接触阻抗对发送信号的影响。

　　2.2 实验设计

　　采用交变方波电流对人体通信发送端的电特性进行测试。因为交变方波电流可以方便的控制对人体电容C的充电时间和充电电流，避免恒压测量时产生的极化现象，从而提高实验的准确度。测量电路总体框图见图4。

　　由信号源产生的交变方波电压信号经过V/I转换电路转化成交变的方波电流(经测试，设置输出电流有效值为1 mA，在1～100 kHz频率范围内，其输出电流偏差不超过1%)，然后通过一对电极流经人体的前臂，其间串联了一个取样电阻Rp。Rp为50Ω，远小图4 发送端测量电路总体框图

　　Fig 4 The structure of measure circuit

　　于人体皮肤电阻(大于1KΩ)[7]。不会影响测试结果。

　　人体实验围绕10位自愿者展开。志愿者年龄为24～45岁，男女比例3:2，体重为46～81 kg。在整个实验过程中，使用胶带保证电极与人体正常良好接触，要求自愿者平躺在测试床上，并保持放松状态，待10 min后测量趋于稳定后读数。

　　本实验使用了2 cm×2 cm、3 cm×3 cm、4 cm×4 cm的理疗电极来进行对比实验，用于比较不同的电极面积对接触阻抗的影响。通过在实验部位施加有效值为1 mA的交变方波电流，可保证实验过程中不会出现突发刺痛的感觉，同时示波器测得的波形也较稳定。示波器上观测到的波形见图5。

　　图5 示波器上观测到的波形

　　Fig 5 The Observed waveform on oscilloscope

　　通道1测得取样电阻Rp上的电压波形VS，反映了施加在人体前臂信号发送端的方波电流波形。通道2测得人体前臂通信信号发送端电极间的电压波形，即在交变方波电流条件下作用于体表的响应电压波形。在通道2的波形中，垂直线段部分反映了交变方波电流发生突变的一瞬间在电阻R1上产生的电压突变VR1，在电流幅值恒定的情况下，VR1基本为一定值;曲线部分反映了人体电容在恒定电流条件下的充电过程，随着时间的推移，人体电容上的电压值以对数曲线的趋势逐渐上升。交变方波电流的频率越小，充电时间越长，人体电容所承受的电压越大。设定充电时间T1、T2为0.05 ms(20kHz)和0.1 ms(10kHz)，从产生的波形中测量得到VR1、VT1+、VT1-、VT2+、VT2-的电压值，联立如下方程组，可解得模型参数R1、R2、C：