基于無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能植入式醫(yī)療儀器，尤其涉及一種基于無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能植入式醫(yī)療儀器一般具有生物傳感和生物激勵(lì)兩類(lèi)功能。生物傳感是用于檢測(cè)生物體征信息，例如采集腦電神經(jīng)信號(hào)；生物激勵(lì)是用于調(diào)節(jié)生物體征，例如抵消心臟肌肉無(wú)規(guī)律的顫抖。為了實(shí)現(xiàn)上述兩類(lèi)功能，植入式醫(yī)療儀器通常包括體外設(shè)備和植入人體的體內(nèi)設(shè)備構(gòu)成。其中，體外設(shè)備提供能量并調(diào)整治療狀態(tài)，包括供能、近場(chǎng)通信和控制單元等部分；體內(nèi)設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)傳感和激勵(lì)，包括獲能、近場(chǎng)通信、傳感器、激勵(lì)器和控制單元等部分。
[0003]通信距離小于十倍的載波波長(zhǎng)時(shí)稱為近場(chǎng)通信，不同于遠(yuǎn)場(chǎng)通信，電磁場(chǎng)不再以輻射而以耦合的形式實(shí)現(xiàn)通信。對(duì)于植入式醫(yī)療儀器的近場(chǎng)通信中，體內(nèi)設(shè)備所采集的體征數(shù)據(jù)(待發(fā)送數(shù)據(jù))是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體征數(shù)據(jù)并依此調(diào)整治療狀態(tài)的重要依據(jù)，因此，如何實(shí)時(shí)高效地將待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送到體外是當(dāng)前急需解決的技術(shù)問(wèn)題。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)于植入式醫(yī)療儀器大多采用負(fù)載調(diào)制方式，通過(guò)改變?nèi)梭w內(nèi)設(shè)備中獲取線圈所連接負(fù)載的大小，改變體外設(shè)備中供能線圈的感生阻抗變化，從而實(shí)現(xiàn)線圈中供能載波的幅度變化，實(shí)現(xiàn)上行通信。該方法的實(shí)現(xiàn)電路相對(duì)簡(jiǎn)單且容易集成在植入式系統(tǒng)中。負(fù)載調(diào)制的上行通信方法需要體內(nèi)外的線圈具有較大且比較穩(wěn)定的耦合系統(tǒng)，并且需要體外供能線圈能感生出較大的負(fù)載阻抗變化，以產(chǎn)生足夠的幅度調(diào)制變化(大于2% )克服噪聲和干擾，從而實(shí)現(xiàn)體外設(shè)備與體內(nèi)設(shè)備可靠通信。然而，植入體內(nèi)的獲能線圈的尺寸不能太大，使得與供能線圈的耦合系統(tǒng)不大，并且人體活動(dòng)時(shí)會(huì)使獲能線圈的耦合系數(shù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致負(fù)載阻抗變化會(huì)影響體內(nèi)設(shè)備供能的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了無(wú)線供能的效率。還有技術(shù)文獻(xiàn)通過(guò)設(shè)置多對(duì)感應(yīng)線圈分別實(shí)現(xiàn)供能和上下行通信，該方案可以改善通信電路對(duì)供能效率的影響并獲得較寬通信頻帶范圍，但是需要在人體內(nèi)安置獲能線圈與通信專(zhuān)用線圈，提高了體內(nèi)設(shè)備的復(fù)雜性與植入手術(shù)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的其中一個(gè)目的在于提供一種基于無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中需要在人體內(nèi)安置專(zhuān)用通信線圈或天線引起的植入手術(shù)困難問(wèn)題。
[0006]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種利用無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信裝置，包括:體內(nèi)發(fā)射機(jī)、體內(nèi)線圈、體內(nèi)獲能單元、體外接收機(jī)、體外線圈和體外供能單元，其中，
[0007]所述體外供能單元與所述體外線圈相連接組成體外諧振網(wǎng)絡(luò)，所述體內(nèi)獲能單元與所述體內(nèi)線圈相連組成體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)，所述體外諧振網(wǎng)絡(luò)與所述體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相同；
[0008]所述體外諧振網(wǎng)絡(luò)通過(guò)與所述體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)耦合將所述體外供能單元所產(chǎn)生的無(wú)線供能交流電信號(hào)提供給所述體內(nèi)獲能單元；
[0009]所述體內(nèi)發(fā)射機(jī)將待發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制后通過(guò)體內(nèi)線圈直接耦合至所述體外線圈以傳輸至所述體外接收機(jī)。
[0010]可選地，所述體外接收機(jī)還包括模擬濾波器，所述模擬濾波器的第一信號(hào)輸入端與所述體外線圈的第一端連接，所述模擬濾波器的第二信號(hào)端與述體外線圈的第二端連接并連接公共端電壓；所述模擬濾波器的信號(hào)輸出端與數(shù)字解調(diào)器的信號(hào)輸入端連接，用于抑制干擾并放大通信載波以改善信噪比。
[0011]可選地，所述體外接收機(jī)的輸入阻抗大于所述體外供能單元的輸出阻抗。
[0012]可選地，所述體內(nèi)發(fā)射機(jī)包括數(shù)字調(diào)制器和功率放大器；所述數(shù)字調(diào)制器的信號(hào)輸出端與所述功率放大器的信號(hào)輸入端連接；所述功率放大器的第一信號(hào)輸出端與所述體內(nèi)線圈的第一端連接，所述功率放大器的第二信號(hào)輸出端與所述體內(nèi)線圈的第二端連接；
[0013]所述數(shù)字調(diào)制器用于對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制；
[0014]所述功率放大器用于調(diào)制后的待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行功率放大。
[0015]可選地，所述體內(nèi)發(fā)射機(jī)的輸出阻抗大于所述體內(nèi)獲能單元的輸入阻抗。
[0016]第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信方法，其特征在于，包括:
[0017]體外供能單元產(chǎn)生無(wú)線供能交流電信號(hào)通過(guò)體外諧振網(wǎng)絡(luò)耦合至體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)以使體內(nèi)獲能單元獲取該無(wú)線供能交流電信號(hào)；
[0018]所述體內(nèi)獲能單元對(duì)該無(wú)線供能交流電信號(hào)進(jìn)行整流得到直流電為體內(nèi)電路供電；
[0019]所述體內(nèi)發(fā)射機(jī)將待發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制后通過(guò)體內(nèi)線圈直接耦合至體外線圈以使體外接收機(jī)獲得該待發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0020]可選地，對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)采用二元相移鍵控調(diào)制。
[0021]可選地，對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制時(shí)載波頻率的范圍為30KHz?200KHZ。
[0022]可選地，所述體外諧振網(wǎng)絡(luò)與、所述體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率和所述無(wú)線供能交流電信號(hào)的頻率的范圍為IMHz?3MHz。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)需要在人體內(nèi)增加專(zhuān)用通信線圈或者天線的方案相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的上行近場(chǎng)通信裝置實(shí)現(xiàn)了上行通信與無(wú)線供能復(fù)用線圈并且兩者共生工作，并且無(wú)需植入額外天線，從而降低手術(shù)難度。
【附圖說(shuō)明】
[0024]通過(guò)參考附圖會(huì)更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中:
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信方法流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0028]實(shí)施例一
[0029]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種利用無(wú)線供能共生的上行近場(chǎng)通信裝置，如圖1所示，包括:體外供能單元100、體外線圈200、體內(nèi)線圈400、體內(nèi)獲能單元500、體內(nèi)發(fā)射機(jī)600和體外接收機(jī)700。其中，體外供能單元100與體外線圈200相連接組成體外諧振網(wǎng)絡(luò)，體內(nèi)獲能單元200與體內(nèi)線圈400相連組成體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)，體外諧振網(wǎng)絡(luò)與體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相同；體外諧振網(wǎng)絡(luò)通過(guò)與體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)耦合將體外供能單元100所產(chǎn)生的無(wú)線供能交流電信號(hào)提供給體內(nèi)獲能單元500 ;體內(nèi)500將待發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制后通過(guò)體內(nèi)線圈400耦合至體外線圈200以傳輸至體外接收機(jī)700。
[0030]本發(fā)明實(shí)施例中體內(nèi)線圈一方面與體內(nèi)獲能單元構(gòu)成體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線供能以提供給體內(nèi)獲能單元；另一方面體內(nèi)線圈與體外線圈直接耦合，將體內(nèi)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的射頻信號(hào)傳輸至體外接收機(jī)。本發(fā)明實(shí)施例提供的裝置通過(guò)對(duì)體內(nèi)線圈進(jìn)行通信與無(wú)線供能進(jìn)行復(fù)用，無(wú)需在人體內(nèi)植入額外的線圈，從而降低植入手術(shù)的目的。
[0031]本發(fā)明實(shí)施例提供的上行近場(chǎng)通信裝置中，以人體的皮膚300為界，左側(cè)是體外設(shè)備，右側(cè)是體內(nèi)設(shè)備。如圖1所示，體外設(shè)備中體外供能單元100包括:驅(qū)動(dòng)電路101和第一電容102。其中，該驅(qū)動(dòng)電路101的信號(hào)輸出端與第一電容102的第一端相連接；該第一電容102的第二端與體外線圈200的第一端相連接；體外線圈200的第二端連接公共端電壓。第一電容102與體外線圈200構(gòu)成串聯(lián)型的體外諧振網(wǎng)絡(luò)。驅(qū)動(dòng)電路101用于產(chǎn)生無(wú)線供能交流電信號(hào)，該交流信號(hào)的頻率與體外諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相同，這樣可以獲得高效的無(wú)線能量傳輸，以獲得最佳的供能效率。較優(yōu)地，考慮到人體對(duì)電磁場(chǎng)的吸收和反射，以及我國(guó)無(wú)線電頻率資源的使用規(guī)劃，本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)線供能交流電信號(hào)的頻率選擇范圍為IMHz?3MHz，本發(fā)明一實(shí)施例中選擇為2MHz，該頻率的電磁場(chǎng)被人體吸收和反射的程度很小，同時(shí)可以避開(kāi)常用無(wú)線射頻識(shí)別的頻譜范圍，從而可以避免例如門(mén)禁系統(tǒng)、公交卡、身份證或者手機(jī)等射頻系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的上行近場(chǎng)通信裝置的強(qiáng)干擾。
[0032]實(shí)際應(yīng)用中，公共端電壓GND可以為模塊地、數(shù)字地或者其他能夠提供基準(zhǔn)電壓的信號(hào)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具有情況進(jìn)行設(shè)定，本發(fā)明不作限定。
[0033]本發(fā)明實(shí)施例提供的上行近場(chǎng)通信裝置中，如圖1所示，體內(nèi)獲能單元500包括第二電容501和整流穩(wěn)壓模塊502。其中，第二電容501的第一端體內(nèi)線圈400的第一端相連接，第二電容501的第二端體內(nèi)線圈400的第二端相連接。該第二電容501與體內(nèi)線圈400構(gòu)成并聯(lián)型的體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)，該體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率與上文中體外諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相同。整流穩(wěn)壓模塊502與該第二電容501并聯(lián)，用于對(duì)體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)所接收的無(wú)線供能交流電信號(hào)進(jìn)行整流形成適合體內(nèi)發(fā)射機(jī)600工作的直流電。
[0034]體外供能單元100產(chǎn)生無(wú)線供能交流電信號(hào)，體外諧振網(wǎng)絡(luò)根據(jù)該無(wú)線供能交流電信號(hào)產(chǎn)生無(wú)線供能交變磁場(chǎng)。體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)感受到無(wú)線供能交變磁場(chǎng)時(shí)恢復(fù)無(wú)線供能交流電信號(hào)。體內(nèi)獲能單元500將體內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)獲得的無(wú)線供能交流電信號(hào)整流穩(wěn)壓后輸出直流電源供給體內(nèi)設(shè)備的其他電路。
[0035]本發(fā)明實(shí)施例提供的上行近場(chǎng)通信裝置中，如圖