Physical Layer Design for Wireless Galvanic Coupled Body Sensors

Abstract

[ANGLÈS] Rapid advances in miniaturization and automated health control point to the widespread use of implanted micro-scale sensors in the near future, which will measure physiological conditions and report back data without repeated invasive medical procedures. We make use of galvanic coupling that uses weak electrical signals to enable implant communication, which leverages the electrical properties of the body channel. This work presents the development of a 3D multi-layered human forearm Tissue Equivalent Circuit model that characterize the electrical properties of the human forearm. This model estimates the channel attenuation and phase distortion of the human body. Our results reveal a close agreement between theory, simulation and experimental findings. Moreover this work is concerned with studying the performance of various modulation schemes within the body channel, in terms of calculating typical SNR values, bit error rates, and the achievable capacity. Furthermore, our work makes recommendations on the choice of the optimal modulation technique, given target levels of power consumption and desired throughput, when these metrics are mapped to specific needs of biomedical monitoring applications.

[CASTELLÀ] Los rápidos avances en la miniaturización de implantes otorga la posibilidad de hacer uso de micro-sensores que permiten monitorizar e incluso actuar en la salud de pacientes. Esta nueva tecnología se presenta como una revolución para la sanidad en un futuro próximo. Los sensores medirán las condiciones fisiológicas del paciente y enviarán los correspondientes datos relevantes sin necesidad de procedimientos médicos invasivos en los centros de salud y sin hacer uso del personal médico. En este trabajo utilizamos la tecnología conocida como Galvanic Coupling, que utiliza señales eléctricas débiles para permitir la comunicación de implantes, haciendo uso de las propiedades eléctricas del cuerpo humano que servirá como canal de comunicación para estos nuevos sistemas. Este trabajo presenta el desarrollo de un modelo circuital eléctrico equivalente en 3D de las diversas capas que conforman los tejidos del antebrazo humano. Este modelo estima la atenuación del canal y la distorsión de fase introducida por el cuerpo humano. Nuestros resultados muestran una estrecha concordancia entre la teoría, la simulación y los resultados experimentales. Además, este trabajo presenta un estudio de los diversos esquemas de modulación para utilizar dentro del cuerpo humano. Expone los valores típicos de SNR, tasas de error y capacidad alcanzable que el canal de comunicación permite. Además, presenta recomendaciones sobre la elección de técnicas óptimas de modulación, dependiendo de los objetivos que se quieren conseguir, teniendo en cuenta las restricciones de consumo de energía y del bit rate necesario, cuando estas métricas se asignan a las necesidades específicas de las aplicaciones de monitorización biomédicas.

[CATALÀ] Els ràpids avenços en la miniaturització d'implants permet fer ús de micro-sensors que són capaços de monitoritzar i fins i tot actuar en la salut dels pacients. Aquesta nova tecnologia es presenta com una revolució per la sanitat en un futur inmediat. Els sensors mesuraran les condicions fisiològiques del pacient i enviaran les dades rellevants sense necessitat de procediments mèdics invasius en els centres de salut i sense fer ús del personal mèdic. En aquest treball utilitzem la tecnologia coneguda com a Galvanic Coupling, que utilitza senyals elèctrics febles per permetre la comunicació d'implants, tot fent ús de les propietats elèctriques del cos humà que servirà com a canal de comunicació per aquest nous sistemes. Aquest treball presenta el desenvolupament d'un model circuital elèctric equivalent en 3D de les diverses capes que conformen els teixits de l'avantbraç humà. Aquest model estima l'atenuació del canal i la distorsió de fase introduïda pel cos humà. Els nostres resultats mostren una estreta concordança entre la teoria, la simulació i els resultats experimentals. A més, aquest treball presenta un estudi dels diversos esquemes de modulació per utilitzar dins del cos humà. Exposa els valors típics de SNR, les taxes d'error, i la capacitat assolible que el canal de comunicació permet. A més, presenta recomanacions sobre l'elecció de tècniques òptimes de modulació, depenent dels objectius que es volen aconseguir, tenint en compte restriccions de consum d'energia i del bit rate necessari, quan aquestes mètriques s'assignen a les necessitats específiques de les aplicacions de monitorització biomèdiques.