面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明具體涉及一種面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法，屬于人體通信【技術領域】。本發(fā)明方法首先建立面向植入式電子裝置的電容耦合型人體通信電極，包括：微型信號電極，金屬柱狀地電極，絕緣材料。然后通過植入式電子裝置的發(fā)射器信號電極、人體組織、接收器信號電極，建立信號的輸出通道；通過植入式電子裝置的接收器地電極和絕緣材料、人體組織、發(fā)射器的絕緣材料和地電極建立信號返回通道。最終，形成植入式電子裝置發(fā)射器、接收器之間的信號回路，實現(xiàn)以人體為介質的低衰減信號傳輸；具有低功耗、安全性高、便利性好、信號衰減與通信距離無關的優(yōu)點。
【專利說明】面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于人體通信【技術領域】，具體涉及一種面向植入式電子裝置的低衰減信號率禹合與傳輸方法。
【背景技術】
[0002]近年來，心臟起搏器、植入式傳感器、藥物釋放系統(tǒng)等植入式電子裝置電子裝置(AMI, ActiveMedicalImplants)的廣泛應用，使醫(yī)學檢測與治療手段延伸至人體內(nèi)部,可直接在體內(nèi)相關部位實現(xiàn)器官功能恢復、生理信息監(jiān)測和藥物釋放等，從而提高了生理檢測的準確性及治療的針對性，進而使現(xiàn)代醫(yī)學跨入了一個新的發(fā)展階段。
[0003]通信問題是植入式電子裝置(以下簡稱為“AMI”)研究的關鍵性問題之一。一方面，只有實現(xiàn)體內(nèi)AMI與體外測控裝置之間的雙工通信，才能實現(xiàn)醫(yī)學檢測與治療。另一方面，隨著AMI在醫(yī)學領域的不斷應用，體內(nèi)不同AMI之間的數(shù)據(jù)通信同樣十分必要。例如:在新型糖尿病治療方法中，用于測量血糖含量的葡萄糖傳感器被植入于人體手臂，其所對應的植入式胰島素泵卻位于下腹部。如能實現(xiàn)兩者之間的直接數(shù)據(jù)通信(而非通過體內(nèi)測控裝置中繼)，則可大幅提高糖尿病治療的準確性與便捷性。綜上所述，適用于AMI的植入式數(shù)據(jù)通信技術對于促進基于AMI的新型醫(yī)學檢測與治療技術的發(fā)展具有十分重要的意義。
[0004]目前已有的植入式數(shù)據(jù)通信技術研究主要將常規(guī)無線通信技術移植到人體內(nèi)，解決由此所帶來的電路設計、通信協(xié)議等問題。然而，常規(guī)的無線通信技術主要基于空氣介質內(nèi)的電磁波傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。相對于空氣介質，人體皮膚、脂肪和肌肉的電導率σ遠大于其工作角頻率ω與介電常數(shù)ε的積(σ>>ω ε )，從而導致電磁波在人體組織中的衰減極快。相對于空氣介質，人體組織內(nèi)的電磁波傳輸將額外增加高達30_40dB的信號衰減，從而導致基于常規(guī)無線通信技術的植入式數(shù)據(jù)通信裝置的功耗極大。另一方面，對于植入于人體內(nèi)的AMI,其電能十分寶貴。在體外充電技術尚未成熟的條件下,高功耗意味著AMI使用壽命的縮短。更嚴重的是:較高的信號衰減還將導致植入式通信的質量下降(如誤碼率增大)，并易受到體外復雜電磁環(huán)境的影響，進而降低了通信可靠性。此外，基于常規(guī)無線通信技術的植入式通信還將不可避免地產(chǎn)生電磁輻射生物效應(短期表現(xiàn)為熱效應)，使對溫度變化敏感的生物組織受到損傷。綜上所述，迫切需要一種新型的植入式通信技術，克服基于常規(guī)無線通信技術的植入式通信在功耗、可靠性、安全性等方面缺陷，解決植入式通信這一影響AMI應用的關鍵性問題。
[0005]人體通信(Intra-BodyCommunication)是一種以人體為信號傳輸介質的數(shù)據(jù)通信技術，最早由美國麻省理工學院(MIT)媒體實驗室提出。人體通信以人體自身為信道，實現(xiàn)電子裝置之間的數(shù)據(jù)通信。相對于短距離無線通信技術，其具有低功耗、抗干擾等技術優(yōu)勢。在安全性方面，人體通信采用遠低于國際電信聯(lián)盟(InternationalTelecommunicationUnion)安全標準的微弱電信號傳輸，其安全性已得到國際電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE, InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)的認可。在 2012 年 IEEE 正式批準的面向個人區(qū)域網(wǎng)絡(PAN, PersonalAreaNetwork)的IEEE802.15.6標準中，人體通信技術被指定為其物理層的一種重要通信方式。
[0006]目前，人體通信技術主要用于解決于人體皮膚表面穿戴式傳感器之間的通信問題，稱為“穿戴式人體通信”，而極少涉及體內(nèi)AMI的數(shù)據(jù)通信。事實上，如前所述，人體組織、特別是肌肉組織(大部分AMI植入于肌肉層)具有良好的導電特性。如基于人體組織自身的導電特性實現(xiàn)AMI的數(shù)據(jù)通信，則可避免基于常規(guī)無線通信技術的體內(nèi)信號傳輸所具有的高信號衰減問題，進而大幅度地降低植入式通信的功耗，并提高其可靠性。此外，由于該方法無需常規(guī)無線通信所需的高功率放大、高頻調(diào)制與解調(diào)等電路，且無需申請通信頻段，非常有利于提高AMI的微型化程度及應用便利性。
[0007]目前，穿戴式人體通信主要包括電流耦合和電容耦合兩種模式。其中，電流耦合模式單純以人體為介質實現(xiàn)差分信號傳輸，由于其差分電極之間不可避免地存在較強的耦合回路，從而導致接收信號強度的降低(信號衰減增大)，且其信號衰減量隨著傳輸距離的增大而明顯增大。相對而言，電容耦合模式的發(fā)射端地電極不與人體直接接觸，其與信號電極之間的耦合回路相對較弱。因此，其信號衰減相對較小。已有研究表明:在穿戴式人體通信中，同等條件下電容耦合型人體通信的信號衰減較電流耦合型人體通信低約20dB。
[0008]綜上所述，相對于穿戴式電流耦合型人體通信，穿戴式電容耦合型人體通信具有更低的信號衰減。如能實現(xiàn)植入式電容耦合型人體通信，則有望獲得一種低功耗、安全、便利的植入式電子裝置通信方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有植入式電子裝置信號衰減較大的問題，提出了一種面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法。
[0010]本發(fā)明方法原理為:首先，建立面向植入式電子裝置的電容耦合型人體通信電極，包括:微型信號電極，金屬柱狀地電極，絕緣材料等構成。其次，通過植入式電子裝置的發(fā)射器信號電極、人體組織、接收器信號電極，建立信號的輸出通道；通過植入式電子裝置的接收器地電極和絕緣材料、人體組織、發(fā)射器的絕緣材料和地電極建立信號返回通道。最終，形成植入式電子裝置發(fā)射器、接收器之間的信號回路，實現(xiàn)以人體為介質的低衰減信號傳輸。
[0011]面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法，具體實現(xiàn)步驟如下:
[0012]步驟一，設計制作面向植入式電子裝置的電容耦合型人體通信電極；
[0013]面向植入式電子裝置的電容耦合型人體通信電極，包括信號電極、地電極和絕緣材料。信號電極為桿狀細圓柱形(其直徑小于等于地電極直徑的1/5)，采用具有人體組織生物兼容性的金屬材料制作。
[0014]地電極為空心圓柱形金屬殼，其中一個端面開有圓孔。信號電極從圓孔插入空心圓柱殼內(nèi)，其末端露出圓孔。
[0015]地電極的圓柱殼外表面、圓孔內(nèi)沿均涂覆絕緣材料，使信號電極、地電極、外部環(huán)境三者間相互實現(xiàn)物理隔離。
[0016]步驟二，生成植入式發(fā)射器和接收器；
[0017]將植入式發(fā)射電子裝置置于地電極殼體內(nèi)，其信號發(fā)射端與通信電極中的信號電極前端相連，參考地端與通信電極中的地電極相連接，得到基于電容耦合型人體通信電極的植入式發(fā)射器。發(fā)射器內(nèi)的發(fā)射電子裝置的作用為發(fā)射控制信號，發(fā)射器信號的載波頻率根據(jù)人體的傳輸特性確定。
[0018]將植入式接收電子裝置置于另一個地電極殼體內(nèi)，其信號接收端與通信電極中的信號電極前端相連，參考地端與通信電極的地電極相連接，得到基于電容耦合型人體通信電極的植入式接收器。
[0019]步驟三，將植入式發(fā)射器與植入式接收器植入人體組織，相隔一定距離，二者的信號電極端相對。植入式發(fā)射器的信號電極、植入式接收器的信號電極均與人體組織相接觸，發(fā)射器與接收器的地電極通過其外部的絕緣材料與人體組織形成電容耦合。
[0020]步驟四，建立植入式電容耦合型人體通信通道；
[0021]基于人體組織的導體特性建立信號輸出通道為:發(fā)射器信號電極一人體組織一接收器信號電極；
[0022]信號返回通道為:接收器信號電極一接收器地電極一絕緣材料一人體組織一絕緣材料一發(fā)射器地電極一發(fā)射器信號電極。
[0023]信號輸出通道和信號返回通道形成信號回路，實現(xiàn)植入式電子裝置之間的信號耦合與傳輸。
[0024]本發(fā)明方法中的發(fā)射器信號電極、接收器信號電極工作頻段為1ΜΗζ-40ΜΗζ。
[0025]有益效果
[0026](I)低功耗:本發(fā)明直接采用植入式電子裝置的外殼作為地電極，采用外殼內(nèi)的桿狀細圓柱體作為信號電極，進而利用人體的導電性實現(xiàn)了人體組織內(nèi)的通信。同時，由于采用圓柱形金屬外殼作為植入式電子裝置發(fā)射器、接收器地電極，最大限度地增大了地電極的表面積，進而有效增強了返回通道的信號耦合，進而降低了信號衰減，實現(xiàn)了植入式電子裝置之間的低功耗信號通信。
[0027](2)信號衰減與通信距離無關。除基于人體組織導電特性的信號輸出通道以外，本發(fā)明所提出的方法還具有外殼地電極、人體組織構成的信號返回通道。因此，其信號衰減量與人體信號傳輸距離的相關性極小。這意味著即使AMI或體外測控裝置位于人體不同部位，均可在低功耗的前提下實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信。
[0028](3)安全性:常規(guī)無線通信技術還將不可避免地在人體內(nèi)產(chǎn)生電磁輻射生物效應(短期表現(xiàn)為熱效應)，使對溫度變化敏感的生物組織受到損傷。由于植入式人體通信利用人體自身的導電特性實現(xiàn)信號傳輸，且功耗較低，可保障其安全性。
[0029](4)便利性:由于該方法工作于相對較低的頻段，無需常規(guī)無線通信裝置所需的高頻調(diào)制、解調(diào)與功放電路，且無需申請通信頻段，非常有利于提高植入式裝置的微型化程度及應用便利性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的植入式電容耦合型人體通信電極；
[0031]圖2為具體實施中植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法示意圖；
[0032]圖3為【具體實施方式】中實驗驗證的實驗裝置圖；
[0033]圖4為【具體實施方式】中基于實驗裝置的不同傳輸距離信號衰減的實驗結果。
[0034]標號說明:1-信號電極，2-地電極，3-絕緣層，4-植入式發(fā)射器，5-植入式接收器，6-信號輸出通道(信號電極之間的耦合電場)，7_信號返回通道(地電極之間的耦合電場)，8-手持信號發(fā)生器，9-手持示波器，10-人體電磁特性模擬液，11-水箱。
【具體實施方式】
[0035]以下結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行說明:
[0036]本發(fā)明提出了一種面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法，其人體通信電極包括信號電極1，地電極2，絕緣層3，如圖1所示，上述各部分的主要作用及結構如下:
[0037](I)信號電極I為桿狀細圓柱形，采用具有人體組織生物兼容性的金屬材料構成。本實施例中采用導電良好的銅材料，直徑為2mm，信號電極露出部分直接與人體組織接觸。
[0038](2)地電極2為空心圓柱形金屬殼，其端面開有圓孔。同時，信號電極I位于空心圓柱殼內(nèi)，信號電極I的末端從圓孔中露出(信號電極與圓孔不直接接觸)。本實施例中地電極2采用導電良好的銅材料，直徑為10mm，
[0039](2)絕緣層3涂覆于地電極的空心圓柱殼外表面及其圓孔內(nèi)沿，使信號電極、地電極、外部環(huán)境之間實現(xiàn)物理隔離。
[0040]如圖2所示，在使用植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法時，工作過程如下:
[0041 ] 第一步，植入式發(fā)射器4中的信號電極、植入式接收器5中的信號電極均與人體組織相接觸，基于人體組織的導體特性建立起由發(fā)射器信號電極、人體組織、接收器信號電極構成的信號輸出通道6。
[0042]第二步，在接收器地信號電極內(nèi)部，信號電極I與地電極2之間存在電容耦合。同時，植入式接收器5的地電極與植入式發(fā)射器4的地電極通過其所涂覆的絕緣材料以及外部人體組織形成電容耦合通路。最終，通過植入式接收器5的地電極(含絕緣層)、人體組織、植入式發(fā)射器地電極(含絕緣層)形成信號返回通道7。
[0043]第三步，基于上述信號輸出通道6、信號返回通道7，形成信號回路，進而實現(xiàn)植入式電子裝置之間的信號傳輸。
[0044]【具體實施方式】驗證的實驗裝置如圖3所示，實驗中用外接手持信號發(fā)生器8的人體通信電極來模擬植入式發(fā)射器4，用外接手持示波器9的人體通信電極來模擬植入式接收器5，用裝有人體電磁特性模擬液生理鹽水10的水箱來模擬人體。圖4為基于實驗裝置不同信號傳輸距離的實驗結果，從結果可以看出衰減在3MHz-40MHz基本保持穩(wěn)定且衰減值小于40dB，同時信號衰減的大小不隨距離的變化而改變。實驗結果表明，基于所提出的通信方法可以實現(xiàn)低衰減，頻率穩(wěn)定且不受傳輸距離影響的植入式人體通信。
【權利要求】
1.面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法，其特征在于:具體實現(xiàn)步驟如下: 步驟一，設計制作面向植入式電子裝置的電容耦合型人體通信電極； 面向植入式電子裝置的電容耦合型人體通信電極，包括信號電極、地電極和絕緣材料；信號電極為桿狀圓柱形，采用具有人體組織生物兼容性的金屬材料制作； 地電極為空心圓柱形金屬殼，其中一個端面開有圓孔；信號電極從圓孔插入空心圓柱殼內(nèi)，其末端露出圓孔； 地電極的圓柱殼外表面、圓孔內(nèi)沿均涂覆絕緣材料，信號電極、地電極、外部環(huán)境三者間相互實現(xiàn)物理隔離； 步驟二，生成植入式發(fā)射器和接收器； 將植入式發(fā)射電子裝置置于地電極殼體內(nèi)，其信號發(fā)射端與通信電極中的信號電極前端相連，參考地端與通信電極中的地電極相連接，得到基于電容耦合型人體通信電極的植入式發(fā)射器； 將植入式接收電子裝置置于另一個地電極殼體內(nèi)，其信號接收端與通信電極中的信號電極前端相連，參考地端與通信電極的地電極相連接，得到基于電容耦合型人體通信電極的植入式接收器； 步驟三，將植入式發(fā)射器與植入式接收器植入人體組織，相隔一定距離，二者的信號電極端相對；植入式發(fā)射器的信號電極、植入式接收器的信號電極均與人體組織相接觸，發(fā)射器與接收器的地電極通過其外部的絕緣材料與人體組織形成電容耦合； 步驟四，建立植入式電容耦合型人體通信通道； 基于人體組織的導體特性建立信號輸出通道為:發(fā)射器信號電極一人體組織一接收器信號電極； 信號返回通道為:接收器信號電極一接收器地電極一絕緣材料一人體組織一絕緣材料—發(fā)射器地電極一發(fā)射器信號電極； 信號輸出通道和信號返回通道形成信號回路，實現(xiàn)植入式電子裝置之間的信號耦合與傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述的面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法，其特征在于:信號電極直徑小于等于地電極直徑的1/5。
3.根據(jù)權利要求1所述的面向植入式電子裝置的低衰減信號耦合與傳輸方法，其特征在于:植入式發(fā)射器的信號電極、植入式接收器的信號電極工作頻段為1ΜΗζ-40ΜΗζ。
【文檔編號】H04B13/00GK103532637SQ201310467705
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權日:2013年10月9日
【發(fā)明者】宋勇, 郝群, 張凱 申請人:北京理工大學