GS3-1-5
LIFE2012 2012 年 11 月 2 日－4 日 愛知 (名古屋大学)

人体通信機器用電極における整合時の伝送特性と比吸収率の検討
A Study on Transmission Characteristics and Specific Absorption Rate Using Impedance-MatchedElectrodes for Human Body Communication○ 町田雄太*山本隆彦**東京理科大学

越地耕二*

Yuta Machida*, Takahiko Yamamoto*, Kohji koshiji**Tokyo University of Science

Abstract: Human body communication (HBC) is a new communicational technology which has raised expectations ofapplications such as health care and elderly support system in recent years. In this paper, focused on the wearable
transmitter and receiver for HBC in a body area network (BAN), we performed an electromagnetic field analysis andsimulation. It was carried out using the finite difference time domain (FDTD) method with various models of the humanbody. We redesigned a number of impedance-matched electrodes for transmitter without stubs and transformers. Specificabsorption rate (SAR) and transmitter characteristics S21 for these electrode structures were compared in several models.
Key Words: Human body communication, Body Area Network, Wearable device, Human body model
1. はじめに
近年, ウェアラブルコンピュータとユビキタスネットワ
ーク環境の統合へ向けた研究が盛んに行われている. この一例として, 人体周辺でネットワークを構成するBAN(Body Area Network)での利用を目的とした, 至近距離での無線通信技術である人体通信 (1) が注目を集めている.
この技術は, 体表に電極を装着するウェアラブル機器や人体に埋め込まれた機器が, 他のモバイル機器やウェアラブル機器等と人体を介して形成される通信路により情報を伝送するシステムである.人体通信は, 人体を通信路とするため, Bluetooth・赤外線・微弱無線などを用いた空中伝搬する無線通信とは異なり, 信号伝送時に周辺の空間に電界がほとんど漏洩しないため, 秘匿性を有し, また低電力で低干渉な通信が実現できるとされており, 健康, 医療, 福祉など, 生体情報を伝送する手段としてヘルスケアの分野への応用も期待されている.
人体通信の分野では, 人体を一様な筋組織としたモデル(以後, 筋肉人体モデル)が電磁界解析に用いられているが,実際の人体組織は複雑であり, 人体通信はその組織構造により影響を受けると考えられる. しかしながら, この影響を評価するために, 人体を用いた実験を行うことは難しい.
そこで過去の検討 (2)(3) では, 人体近接時の放射特性等がより生体に近いとされる筋肉の電気特性に 2/3 を乗じた 2/3
筋肉等価均質人体モデル (4)(以後, 2/3 筋肉人体モデル)と,人体の組織構造を模擬した, 皮膚, 脂肪, 筋肉の 3 層の媒質からなる人体モデル (4)(以後, 層構造人体モデル)を用いて, 送信機電極の各部寸法の変化に対する励振源から人体および空間側を見込んだインピーダンス(以後, 電極インピーダンス )特性と人体腕部周辺の電界分布について,FDTD(Finite Difference Time Domain)法を用いた電磁界解析により行ってきた.
本稿では, さらに人体モデルを変化させた場合の比吸収率(以後, SAR)の検討を行い, また, 人体モデルの変化に伴う送信機電極の寸法への影響を調べるために, 新たにそれぞれの人体モデルに電極インピーダンスが 50 Ωとなるように最適化された寸法を複数導出し, 人体腕部周辺の電界分布, SAR, および送信機電極から人体腕部に装着した受信機電極までの伝送特性 S21 の変化について, 数値解析により比較検討を行った.

2. 数値解析の概要
2-1 解析に用いた人体モデル
Fig.1 は腕部中央に送信機を装着し, 指先に接触する受信機との間の通信を想定した場合の電磁界解析モデルである.
このモデルは, 人体の組織構造と日本人の成人男性の平均的な体型を考慮した人体腕部を模擬した人体モデル (5)である. 本モデルの形状は半径：r=30 mm とし, 電磁界解析の簡略化のため腕部を径方向に 10%の位置, 腕部表面から 6mm のところでカットし, 腕部表面を平面で近似した. 平面部分の寸法：w=36 mm, 腕部の長さ：Larm = 700 mm とした. 人体モデルには, 人体を均一な筋肉に等しいとした筋
肉人体モデルと, 人体は高含水組織と低含水組織が 2:1 であることから筋肉の比誘電率および導電率に 2/3 を乗じた
2/3 筋肉人体モデル, 人体の組織構造を模擬した皮膚, 脂肪,筋肉の 3 層の媒質からなる層構造人体モデルを用いた.
Fig.2(A)に, 筋肉人体モデル, 2/3 筋肉人体モデル, Fig.2(B)に層構造人体モデルの断面図を示す.

Fig.1 An analysis model of transmitter and receiver electrodestructure on human arm−1−Fig. 2

A cross section of the human arm model

2-2 解析に用いた送信電極モデル
Table 1 に, 人体に装着された送信電極の電磁界解析モデ
ルの基本寸法を示す. このモデルは文献 (6) の構造をもとに2 電極で構成され, 回路基板と人体に接触する信号電極とグラウンド電極で構成されている. 各部を, 電極長 a, 電極
幅 b, 回路基板長 L1, 回路基板幅 L2, 電極間隔 d, 電極と回路基板の距離 h とした. 回路基板と信号電極の中心には入力インピーダンス 50 Ωの励振源を太さ 0.2 mm の導線ワイヤで接続しており, 同様に回路基板とグラウンド電極の間も太さ 0.2 mm の導線ワイヤで接続している. また, 送信機は腕部モデルの中央に配置した.
Basic dimensions of the transmitter electrode

Unit

[mm]

2-3 最適入力インピーダンス
人体を伝送路とする通信システムにおいて, 電極構造を変化させることで, スタブやインピーダンス変換回路を挿入することなくインピーダンス整合がとれるため, 機器を小型化できる. さらに, 高周波 LSI(Large Scale Integration)の出力インピーダンスは 50 Ωが一般的であることから, これらの値を用いることで既存のデバイスが利用可能となり低コスト化につながる. このことを踏まえ本研究では最適入力インピーダンスを 50 Ωとして検討を行った.
2-4 解析周波数
解析に用いる人体モデルの電気的性質は, 人体腕部における伝送特性 S21 が 10 MHz 付近において良好となることが報告 (7)されていることから, 本論文では 10 MHz における値を採用した. 各組織の電気定数を Table 2(8)に示す. また,皮膚の電気定数には乾燥状態と濡潤状態の皮膚の数値を平均した数値(Average skin の数値)を用いた.
Table2

Input impedance Zin [Ω]Table1

極面積が大きくなるにつれて注入電流が大きくなるためにインピーダンスが減少するが, グラウンド電極と信号電極の互いに向かい合う辺縁部で電流密度が大きく, 離れるにつれて小さくなるため, 電極インピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分は, 電極面積が大きくなるにつれて一定値に近づいていると考えられる.
また, Fig.4 に Zin に与える影響が少なかった L1, L2, h とZin の特性を示す. これより, 回路基板と外界との間に形成される浮遊容量は無視できるほど小さく, また高さの変化による影響はその分増加した導線ワイヤの虚数成分の影響のみであることが分かった.
400300200R(a)R(b)R(d)1000X(a)X(b)X(d)-100-2000510152025303540455055

Transmitter dimensions [mm]Fig.3 Input impedance characteristics with a, b, and d oftransmitter electrodes as a function of transmitter dimensions

Value used in the analysis of the layer structure
human arm model
Thickness

3σ [S/m]εr

Dry skin

0.1973361.6

Wet skin
Average skin
Fat

0.366
0.28160.02915

221.8
291.7
13.76

0.9
5.1

850

M uscle0.6168170.7241050

2/3 M uscle

0.4112113.8[mm]ρ [kg/m ]Fig.4 Input impedance characteristics with L1, L2, and h oftransmitter electrodes as a function of transmitter dimensions

10001050

2-5 解析方法
解析領域内のセルサイズは, 送信機近傍において最小セルサイズを ∆x = ∆y = ∆z =1 mm とし, その領域から離れるにつれて徐々にセルサイズを大きくし, 最大セルサイズは∆x = ∆y = ∆z = 5 mm とした. 腕部には円柱を正確に模擬することが可能なサブセル法を適用した. 境界吸収条件は 7層の PML(Perfect Matching Layer)を用いた.
3. 送信機電極構造の検討
Table 1 に提示した基本寸法を有する送信機のモデルについて, 層構造人体モデルを用いて解析を行った. その結果, 電極インピーダンスは Zin=258-j90 Ωとなった. 電極インピーダンスの虚部は生体インピーダンスが容量性を持つために負の値になる.
Fig.3 に Zin に与える影響が大きかった a, b, d と Zin の特性を示す. Fig.3 から, 電極面積の増加および電極間隔の減少にともなって Zin が減少していることが分かる. これは電4. 種々の人体モデルにおける電界分布, 伝送特性 S21, 比吸収率の比較
過去の検討 (2)(3)より, 筋肉人体モデルと 2/3 筋肉人体モデ
ルにおいて電極インピーダンスの大きさは人体モデルによって異なるが, インピーダンス特性は, それぞれの人体モデルにおいても層構造人体モデルと同様の特性を持つことが分かっている. また, 本稿 3 章より, 電極の各部寸法を変化させることにより, 最適入力インピーダンス 50 Ω に整合をとった電極寸法は多数の組み合わせがあることが分かる. ここでは, それぞれの人体モデルに対して, 50 Ω に整合をとった異なる寸法をもつ電極構造に対する電界分布,伝送特性 S21, および比吸収率 SAR の比較を行った.
送信機電極と受信機電極の伝送特性 S21 は Fig.1 に示す解析モデルを数値解析することより算出した. 各部を, 下部電極長 a2 =20 mm, 下部電極幅 b2=30 mm、上部電極長L3=60 mm, 上部電極幅 L4=30 mm, 下部電極と上部電極の距
離 h2=10 mm, 受信抵抗 Rr= 2 k Ωとした. 下部電極は太さ0.2 mm の導線ワイヤで上部電極に接続しており, 送信機電極と受信機電極の間の距離は 260 mm となるよう配置した.

−2−( Ⅳ )( Ⅴ )( Ⅵ ) の Zin は そ れ ぞ れ 50.7-j0.0 Ω, 50.3-j0.0Ω, 49.7-j0.0 Ω で あ る . Fig.8 と Table 6 に , そ れ ぞ れ(Ⅳ)(Ⅴ)(Ⅵ)の送信機電極を装着したときの電界分布と, 伝送特性および SAR を示す. 電極長 a と電極間隔 d が小さくなるにつれて, 電界分布と伝送特性 S21 が減少し, SAR が増加していることが分かる.
Table 5 Optimized dimensions of the transmitter electrodes
for 2/3-muscle body

4−1 筋肉人体モデルを用いた解析
Table 3 と Fig. 5 に示すように, ここでは, 電極長 a を 20mm に固定し, 電極幅 b と電極間隔 d を変化させることで整合をとった. 直列にインダクタを挿入することによって( Ⅰ )( Ⅱ )( Ⅲ ) の Zin は そ れ ぞ れ 50.6-j0.0 Ω, 50.5-j0.0Ω, 50.8-j0.0 Ω で あ る . Fig.6 と Table4 に , そ れ ぞ れ(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)の送信機電極を装着したときの電界分布と, 伝送特性および SAR を示す. 電極幅 b と電極間隔が小さくなるにつれて, 電界分布と伝送特性 S21 が減少し, SAR が増加していことが分かる.
Table 3(Ⅰ)(Ⅱ)
(Ⅲ)

Optimized dimensions of the transmitter electrodes
for muscle bodya202020b281914d20105h101010L1605045a54
206b363636d1273h101010

L1120
47
15

L2363636

Unit

[mm]

L2281914

Unit

Fig. 5(Ⅳ)
(Ⅴ)
(Ⅵ)

[mm]

Fig. 7 Optimized electrode structure for 2/3-muscle body

Optimized electrode structure for muscle body
(Ⅳ)

(Ⅴ)

(Ⅰ)

(Ⅱ)
(Ⅵ)
-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10-70

0SAR
Maximum Value[W/kg]
SAR Average Sensor(1g Average)[W/kg]
S21[dB]

Fig. 6 Electric field distribution around and inside the humanarm with optimized wearable transmitter for muscle body [dB]
Table 4 SAR and S21 characteristics for muscle body
SAR
Maximum Value[W/kg]
SAR Average Sensor(1g Average)[W/kg]
S21[dB]-80-60-50-40-30-20-100

Fig. 8 Electric field distribution around and inside the humanarm with optimized wearable transmitter for 2/3-muslce body[dB]
Table 6 SAR and S21 characteristics for 2/3-muscle body(Ⅲ)
-100-90(Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

1.0

1.7

3.0

8.0×10-2

1.7×10-1

2.8×10-1-55.3-58.0-60.1

4-2 2/3 筋肉人体モデルを用いた解析
Table 5 と Fig. 7 に示すように, ここでは, 電極幅 b を 36mm に固定し, 電極長 a と電極間隔 d を変化させることで整合をとった. 直列にインダクタを挿入することによって

(Ⅳ)

(Ⅴ)

(Ⅵ)

4.4×10-1

8.1×10-1

3.1

1.0×10-1

1.6×10-1

2.0×10-1-47.4-57.0-67.8

4-3 層構造人体モデルを用いた解析
Table 7 と Fig. 10 に示すように, ここでは, 電極長 a, 電極幅 b と電極間隔 d を変化させることで整合をとった. 直列にインダクタを挿入することによって(Ⅶ)(Ⅷ)(Ⅸ)の Zin
は そ れ ぞ れ 49.4-j0.0 Ω, 49.8-j0.0 Ω, 49.0-j0.0 Ω で あ る .
Fig.10 と Table8 に, それぞれ(Ⅶ)(Ⅷ)(Ⅸ)の送信機電極を装着したときの電界分布と, 伝送特性および SAR を示す. 電極長 a, 電極幅 b, 電極間隔 d が小さくなるにつれて, 電界−3−分布と伝送特性 S21 が減少し, SAR ピーク値が増加しているが, 1g あたりの平均 SAR はほとんど変化していなことが分かる.
Table 7 Optimized dimensions of the transmitter electrodes
for layered body model
(Ⅶ)
(Ⅷ)
(Ⅸ)

a30
1510b292518d10.80.5h101010L1613121L2292518Unit[mm]Fig. 9 Optimized electrode structure for layered human body

(Ⅶ)

(Ⅷ)

(Ⅸ)
-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100Fig. 10 Electric field distribution around and inside the humanarm with optimized transmitter for layered human body [dB]
Table 8 SAR and S21 characteristics for layered human body
SAR
Maximum Value[W/kg]
SAR Average Sensor(1g Average)[W/kg]
S21[dB]

(Ⅶ)

(Ⅷ)

(Ⅸ)

11.7

15.5

27.9

4.3×10-2

4.6×10-2

4.5×10-2-65.0-70.3-75.4

4-4 種々の人体モデルの比較
4-2, 4-3, 4-4 より, それぞれの人体モデルにおいて, 電極面積と電極間隔 d が小さくなるにつれて, 電界分布と伝送特性 S21 が減少している. これは, 電極面積が小さくなるにつれて体内への注入電流が少なくなり電界分布が減少し,
また, 伝送特性 S21 は受信電極の上部電極と下部電極および腕部の間の電界により生じる電位差として表現できるため, 電界分布が小さくなる電極寸法と人体モデルを用いると減少すると考えられる. また, SAR=σ|E2|/ρと表現でき,下部面積と電極間隔 d が小さくなると電極と体内の間を流れる電流の密度が大きくなり, 電極下部の内部電界強度が大きくなるため SAR が大きくなると考えられる. また, 2/3

筋肉人体モデルや層構造人体モデルは, 導電率と電界が減少するために SAR が筋肉人体モデルより小さくなるが, 層構造人体モデルでは電極下部の皮膚層の内部電界が大きくなるため SAR ピーク値が大きくなっていると考えられる.
5. まとめ
本項では, 電磁界解析により送信機電極構造に対する入力インピーダンスの検討を行い, 筋肉人体モデル, 2/3 筋肉人体モデル, 層構造人体モデルに適した寸法を持つ複数の送信機電極の設計を行った. さらに, 種々の人体モデルについて, 人体腕部周辺の電界分布, 比吸収率 SAR, および伝送特性 S21 について比較を行った. 結果より, 人体モデルの変化と, 整合をとった送信機電極の寸法により, 電界分
布, 伝送特性 S21, SAR に影響が出ること, および, 電極間隔 d と下部面積が大きい寸法を用いることで電界分布と伝送特性 S21 を大きくでき, SAR を低く抑えられることが分かった. 結果より, 簡易的な数値解析には層構造人体モデルを用いることにより, より正確な解析が行えることが明らかになった. 今後は, 詳細な人体モデルとの比較検討を行う予定である.
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超高速高周波エレクトロニクス実装研究 会公開研究
会論文集, July 2011 (2011.7).
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Hosaka and K. Itao : ”Intra-Body Data transmission for
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(7) K. Fujii, M. Takahashi, K. Ito, K. Hachisuka, Y. Terauchi,Y. Kishi, K. Sasaki and K.. Itao: “Study on theTransmission Mechanism foe Wearable Device Using the
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(8) Dielectric Properties of Body Tissues in the frequency
range 10Hz-100GHz http://niremf.ifac.cnr.it/tissprop/(9) K. Fujii, K. Ito, T. Shigeru : “Study on the Calculation
Model for Signal Distribution of Wearable Devices Using
Human Body as a transmission Channel”, IEICE Trans,Vol. J87-B, No. 9, pp.1383-1390, 2004
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