[发明专利]基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法，所述方法包括：发送模块产生询问信号，并对询问信号进行数字调制、脉冲成形，得到超声波信号，通过阅读器的压电材料发送超声波信号；标签通过压电材料接收超声波信号，并采集人体信息得到人体信息比特，将人体信息比特进行正交码序列映射为标签码序列；通过控制压电材料的阻抗匹配，进行能量收集和将标签码序列通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；接收模块对反向散射信号进行匹配、检测和解映射，得到人体信息比特。本发明利用压电材料特性，实现人体信号超低功耗传输；利用平衡正交码序列，有效克服人体多径效应，实现超低功耗的可靠超声波人体内通信。

技术领域

本发明涉及超声波通信技术领域和人体通信技术领域，具体涉及一种基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法。

背景技术

无线医疗技术近年来在医疗设备方面取得飞速发展，结合第五代及未来移动通信技术和智能感知设备有望实现实时监测人体各项生理信号，如血压、血糖、心电信号和肌电信号等；结合医疗智能物联网有望实现无线胶囊内窥镜和智能给药等。实时广泛的健康监测对于预防和治疗各种慢性疾病，如糖尿病、癫痫等，具有显著研究价值，也可以缓解人口老龄化面临的医疗监护问题。

目前的科学研究和工业应用主要集中在可穿戴医疗设备，面临设备损坏和丢失造成的监测数据不连续、不准确问题；并且长期的佩戴会造成行动受限、佩戴不舒适等问题。随着超微型化技术的发展和纳米级医疗植入设备的产生，植入式医疗设备可实现实时、连续、准确、长期的人体健康数据监测。相比无线通信采用的射频波，其在体内环境中信号衰减迅速，且具有长期辐射的潜在危害，超声波在临床治疗和诊断中广泛应用，迄今未对人体产生有害副作用。因此，采用超声波用于医疗植入物的无线体内通信是实现未来医疗物联网的可靠方案。

人体内超声波通信必须满足功率限制和设备尺寸限制，以避免对人体组织产生过热伤害和手术植入风险。无线通信设备的尺寸主要受到各种有源器件的影响，如波形发生器、放大器、微处理器等。反向散射通信首先应用于射频识别中，由阅读器发送询问信号，标签作为无源器件对阅读器询问信号进行反向散射通信，利用阅读器询问信号作为载波传输标签所采集的信息。反向散射通信可以通过去除有源器件实现超低功耗微型标签。然而由于阅读器询问信号需要经过“阅读器-标签-阅读器”的双重路径传输，相比传统的单向通信，信号衰减更加严重。现有的射频反向散射通信技术还面临射频信号在人体中进一步被严重衰减的问题，无法适用于人体内通信。此外，人体内存在多种器官和组织，多径效应产生的散射信号会对标签的反向散射信号造成严重干扰。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，实现低功耗的可靠的超声波人体内通信，本发明提供了一种基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法，该方法通过标签的压电材料的阻抗匹配进行反向散射通信，实现了超微型化标签用于采集传输人体内信号；利用标签的信息比特映射单元对人体信息比特进行码映射，并通过增加码序列的长度提高信号信噪比，有效克服信号衰减；同时，由于标签码序列为平衡正交码序列，有效克服了其他散射信号产生的干扰。

本发明的第一个目的在于提供一种基于超声波反向散射的人体内通信装置。

本发明的第二个目的在于提供一种基于超声波反向散射的人体内通信方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

发送模块，用于产生超声波询问信号；

标签，用于采集人体信息和接收所述超声波询问信号，并将所述人体信息通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；

接收模块，用于接收所述反向散射信号，并对所述反向散射信号进行匹配、检测和解映射，得到人体信息比特；

所述超声波询问信号和所述反向散射信号均为超声波信号；

所述阅读器和所述标签均位于以人体为传输介质的无线通信网络中，且均通过各自的压电材料进行发送和接收超声波信号。