Projecte realitzat en el marc d’un programa de mobilitat amb la Northeastern University

[ANGLES`] New medical procedures involving continuous patient monitoring through human body sensors are becoming commonplace with micro-scale implanted sensors transferring information to on-surface macro-scale sensors for further data retrieval and analysis. Traditional forms of radio frequency-based wireless communication find limited use in such scenarios owing the limited penetration of electromagnetic waves through human tissue, and the need for frequent battery replacements. Instead, we propose a radically different form of wireless communication in this paper that involves galvanic coupling using extremely low energy electrical signals. The main contributions in this paper are: (i) developing a theoretical model suite to estimate the channel gain, where the body itself serves as the communication channel, (ii) obtaining an estimate for the observed noise and achievable data rates, and (iii) identifying the optimal transmission frequency and electrode placements for signal propagation through tissue. We propose two equivalent circuit models to characterize the channel, based on the theories of two-port and lumped element circuit design, which are then validated through extensive simulations using finite element method and known experimental measurements. Our results reveal a close agreement between theory, simulation and experimental findings, suggesting a promising case for the adoption of galvanic coupling-based communication for future intra-body sensors.

[CASTELLÀ] Muchos de los procedimientos médicos actuales requieren un monitoreo constante del paciente a través de macro-sensores situados sobre el cuerpo humano o bien con micro-sensores implantados. Las formas tradicionales de comunicación sin hilos se han quedado limitadas delante de este escenario dado la limitada penetración de las ondas electromagnéticas a través del cuerpo humano, y la necesidad de recargar las baterías a causa de la perdida de energía asociada a tales comunicaciones. En su lugar, nosotros proponemos un sistema de comunicación sin hilos radicalmente diferente donde interviene el acoplamiento galvánico, con el cual solo se requiere una extremada baja energía para enviar la información a través del cuerpo humano. Las contribuciones principales de este trabajo son: (i) desarrollo de un modelo teórico capaz de estimar la ganancia del canal, donde el mismo cuerpo sirve de canal, (ii) formular una estimación del ruido y las interferencias presentes en este canal y cuantificar posibles velocidades de datos, y (iii) identificar la frecuencia optima de transmisión así como la posición de los electrodos para la propagación del señal en la capa de tejido dada. Proponemos dos modelos de circuitos equivalentes basados en la teoría de modelos de 2-puertos y elementos de circuito básicos, los cuales después son validados usando extensas simulaciones basadas en “finit element modeling” (FEM) y mesuras experimentales. Los resultados revelan un claro acuerdo entre la teoría, simulación y experimentos, sugiriendo un prometedor caso de adopción de los sistemas de comunicación basados en acoplamiento galvánico para futuros sistemas de sensores en el cuerpo humano.

[CATALÀ] Molts dels procediments mèdics actuals requereixen una monitoratge constant del pacient a traves de macro-sensors situats sobre el cos humà o be amb micro-sensors implantats. Les formes tradicionals de comunicació sense fils s’han quedat limitades davant d’aquest escenari donada la limitada penetració de les ones electromagnètiques a traves del cos humà, i la necessitat de carregar les bateries a causa de la pèrdua d’energia associada a tals comunicacions. En el seu lloc, nosaltres proposem un sistema de comunicació sense fils radicalment diferent on intervé el acoblament galvànic, amb el qual nomes és requereix transmetre una extremada baixa energia per enviar la informació a traves del cos humà. Les contribucions principals d’aquest treball són: (i) desenvolupament d’un model teòric per estimar el guany del canal, on el mateix cos serveix de canal de comunicació, (ii) formular una estimació del soroll i les interferències presents en aquest canal i quantificar possibles velocitats de dades, i (iii) identificar la freqüència optima de transmissió així com la posició dels elèctrodes per la propagació del senyal en la capa de teixit donada. Proposem dos models de circuits equivalents per caracteritzar el canal, basats en la teoria de models de 2-ports i elements circuitals bàsics, el quals després son validats utilitzant extenses simulacions fent servir “finit element modeling” (FEM) i mesures experimentals. Els nostres resultats revelen un clar acord entre la teoria, simulació i experiments, suggerint un prometedor cas per l’adopció dels sistemes de comunicació basats en acoblament galvànic per futurs sistemes de sensors en el cos humà.