專利名稱：一種植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)與雙向數(shù)據(jù)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)與雙向 數(shù)據(jù)傳輸方法。
背景技術(shù)：
隨著體積小、功耗低、可靠性高的集成電路的發(fā)展，生物材料尤其是無毒性生物相 容材料研究的深入，體內(nèi)供電方法的改進(jìn)，許多測量與控制用的電子裝置越來越多的植入 人體和動物體，或用來代替或補(bǔ)償人體器官的功能，或進(jìn)行人體內(nèi)部各種生理信息的檢測。 植入式裝置一般由兩部分組成體外的程控部分和體內(nèi)的功能裝置。體外的程控部分主要 按照一定的模式實(shí)現(xiàn)對植入部分的參數(shù)控制，把信息傳遞給植入部分，并接收植入部分的 反饋信息，完成信息的處理后，重新設(shè)置發(fā)送給植入部分。植入部分接收到程控部分的信 息，通過電路模塊、導(dǎo)聯(lián)和電極完成一定的功能，同時把生物組織、電子裝置的必要信息反 饋給外部的程控部分。植入式裝置一般采用內(nèi)部供能，由于攜帶的電池能量有限，所以植入式裝置一般 都有一定的工作壽命，如植入式心臟起搏器的工作壽命一般為5-10年。如何提高植入式裝 置的工作壽命，減少病患更換植入式裝置電池的手術(shù)痛苦，成為科學(xué)家研究的一個課題。針對這一問題有人設(shè)計了體外供能的植入式系統(tǒng)(CNPATANT200910047790 體 外供能的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng))，體外能量發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生時變磁場，覆蓋人體所在的空間區(qū)域， 體內(nèi)裝置內(nèi)窺鏡內(nèi)密封三維能量接收線圈，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)整流、濾波、 穩(wěn)壓處理后輸出供其他模塊使用的功率。解決這一問題的另一種途徑是優(yōu)化體內(nèi)裝置的發(fā)射電路設(shè)計，降低發(fā)射功率 (CNPATANT200610042605. 2 一種植入式心臟起博器遙測裝置及雙向數(shù)據(jù)傳輸方法)，在發(fā) 送數(shù)據(jù)時，可將體內(nèi)主控單元待發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送至開關(guān)管以改變其LC并聯(lián)諧振回路 的負(fù)載，通過電感耦合形成對體外程控儀射頻載波的負(fù)載調(diào)制并經(jīng)程控儀的接收電路作為 遙測數(shù)據(jù)傳送至程控儀的主控單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可以降低體內(nèi)裝置發(fā)射電路的電池能量損耗，并可簡 化硬件設(shè)計的植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)及雙向數(shù)據(jù)傳輸方法。本發(fā)明提出植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)，由體外收發(fā)部分和體內(nèi)收發(fā)部分構(gòu)成。 體外收發(fā)部分包括由線圈L1和電容C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路，載波發(fā)生器1，載波 調(diào)制器2，E類放大器3以及具備檢波、濾波放大功能的體外解調(diào)電路4 ；其中，載波發(fā)生器 1，載波調(diào)制器2，E類放大器3，體外LC并聯(lián)諧振回路，體外解調(diào)電路4依次連接，載波調(diào)制 器2設(shè)有體外發(fā)射數(shù)據(jù)端5，體外解調(diào)電路4設(shè)有體外接收數(shù)據(jù)端6。體內(nèi)收發(fā)部分包括 由線圈L2和電容C2組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路，由二極管D1和電容C3構(gòu)成的儲能單元， 由電阻R1和R2、晶體管T1和T2構(gòu)成的開關(guān)電路，以及體內(nèi)解調(diào)電路7。其中，體內(nèi)解調(diào)電路7，體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路，儲能單元和開關(guān)電路依次連接，體內(nèi)解調(diào)電路7設(shè)有體內(nèi)接收 數(shù)據(jù)端8，開關(guān)電路設(shè)有體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端9。具體見圖1所示。本發(fā)明以射頻電磁波作為信息的傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)與體外的雙向通信。程控時， 體外程控裝置通過LC諧振回路向體內(nèi)裝置發(fā)送調(diào)制射頻波，體內(nèi)裝置使用LC諧振回路接 受調(diào)制波再進(jìn)行解調(diào)，從而得到程控信息；遙測時，體外裝置先向體內(nèi)裝置發(fā)送一定長度的 固定頻率電磁波，體內(nèi)裝置使用電容貯存接受到的能量，然后在指定時隙通過體內(nèi)LC諧振 回路放電，向體外裝置發(fā)射衰減振蕩波，體外裝置則通過接收到能量的所在時隙來判斷體 內(nèi)發(fā)送的為何種信息。依據(jù)上述植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸方法，具體如下
體外部分向體內(nèi)部分發(fā)送數(shù)據(jù)時，載波發(fā)生器1產(chǎn)生固定頻率的載波，載波調(diào)制器2為 模擬開關(guān)，體外發(fā)射數(shù)據(jù)端5通過控制模擬開關(guān)的通斷來實(shí)現(xiàn)對載波信號的數(shù)字調(diào)制，調(diào) 制波通過E類放大器3放大后，經(jīng)L1和C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路發(fā)射出去。體內(nèi)收 發(fā)部分的L2和C2組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路接收到體外發(fā)送的調(diào)制信號后，通過體內(nèi)解 調(diào)電路7檢波、帶通濾波放大后傳給體內(nèi)接收數(shù)據(jù)端8。體內(nèi)部分向體外部分發(fā)送數(shù)據(jù)時，體外發(fā)射數(shù)據(jù)端5控制載波調(diào)制器2產(chǎn)生一段 載波，通過E類放大器3放大后經(jīng)L1和C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路發(fā)送出去，L2和C2 組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路接收到該段載波，此時體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端9為高電平，晶體管T1 與T2均處于截止?fàn)顟B(tài)，載波經(jīng)過二極管D1整流后對電容C3進(jìn)行快速充電。一段時間后， 體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端9為低電平，晶體管T1與T2相繼導(dǎo)通，電容C3上的能量通過T2向L2和 C2組成的體內(nèi)并聯(lián)諧振回路放電，產(chǎn)生衰減振蕩波，體外收發(fā)部分的L1和C1組成的體外 LC并聯(lián)諧振回路接收到該衰減振蕩波后，通過體外解調(diào)電路4處理后送到體外接收數(shù)據(jù)端 6。其特點(diǎn)是
a)體外部分所要發(fā)送的信號通過載波調(diào)制器產(chǎn)生調(diào)制射頻波，并通過體外發(fā)射數(shù)據(jù)端 向體內(nèi)部分發(fā)送。體內(nèi)部分通過體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路將接收到的調(diào)制射頻波，經(jīng)過檢波、 濾波以及還原電路后恢復(fù)出有效的數(shù)據(jù)；
b)體內(nèi)部分向體外部分發(fā)送數(shù)據(jù)時，體外部分先向體內(nèi)部分發(fā)送一段固定頻率載波， 體內(nèi)部分通過二極管整流并對一個小電容快速充電。然后在體內(nèi)部分的控制下通過體內(nèi)LC 諧振回路放電，向體外部分發(fā)送衰減的振蕩波，體外部分則通過接收到的信號與之前發(fā)送 載波的時間間隔來判斷體內(nèi)發(fā)送的信息內(nèi)容。在本發(fā)明的雙向數(shù)據(jù)傳輸中，采用的射頻載波頻率為100KHZ到200KHZ之間，該段 頻率的射頻信號對于某些植入式裝置的金屬外殼有良好的穿透性，又能保證一定的傳輸效 率。儲能單元中的儲能電容選用無極性電容，考慮到充電時間要快，又要保證充電量達(dá)到反 射要求，因此該儲能電容值可取幾到幾十納法之間(如5—80納法)。本發(fā)明中，由于對植入式裝置體內(nèi)部分的體積有嚴(yán)格的要求，其發(fā)射數(shù)據(jù)端的發(fā) 射線圈、接收數(shù)據(jù)端的接收線圈，采用平板型的螺旋線圈，這樣可以保證一定的有效拾取面 積，并減小線圈的厚度。本發(fā)明中植入式裝置遙測采用體內(nèi)向體外一位一位發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，稱為 “BitbyBit”工作方式，體外部分先提供一段載波作為能量，體內(nèi)部分在體外部分發(fā)送下一段載波之前的一個時間段將能量反射回去，反射所處的時間段不同代表著反射的信息不 同。例如，把體外部分發(fā)送相鄰兩端載波的間隙分為8個時隙，那么在第一個時隙反射，就 相當(dāng)于反射信息為001 ；在第二個時隙反射，就相當(dāng)于反射信息為010 ；在第三個時隙反射， 就相當(dāng)于反射信息為011……在第八個時隙反射，就相當(dāng)于反射信息為111。采用這樣的編
碼方式，可以提高信息傳遞的效率。假定碼元速率為i 5，體外發(fā)送相鄰兩端載波的間隙分 為N個時隙，則信息速率


圖1為本發(fā)明的程控遙測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明的體內(nèi)向體外發(fā)送數(shù)據(jù)所采用的“BitbyBit”工作方式的時序圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明
如圖1所示，一種植入式裝置程控遙測裝置，由體外收發(fā)部分I和體內(nèi)收發(fā)部分II構(gòu) 成。體外收發(fā)部分I包括線圈L1和電容C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路，載波發(fā)生器1， 載波調(diào)制器2，E類放大器3以及具備檢波、濾波放大功能的體外解調(diào)電路4 ；體內(nèi)收發(fā)部分 II包括線圈L2和電容C2組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路，二極管D1和電容C3構(gòu)成的儲能單 元，Rl、T1、R2、T2構(gòu)成的開關(guān)電路以及體內(nèi)解調(diào)電路7。體外向體內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)時，載波發(fā)生器1產(chǎn)生固定頻率的載波，載波調(diào)制器2為模擬 開關(guān)，體外發(fā)射數(shù)據(jù)端5通過控制模擬開關(guān)的通斷來實(shí)現(xiàn)對載波信號的數(shù)字調(diào)制，調(diào)制波 通過E類放大器放大后，經(jīng)L1和C1組成的體外并聯(lián)諧振回路發(fā)射出去。體內(nèi)收發(fā)部分的 L2和C2組成的體內(nèi)并聯(lián)諧振回路接收到體外發(fā)送的調(diào)制信號后，通過體內(nèi)解調(diào)電路7檢 波、帶通濾波放大后傳給體內(nèi)接收數(shù)據(jù)端8。體內(nèi)向體外發(fā)送數(shù)據(jù)時，體外發(fā)射數(shù)據(jù)端5控制載波調(diào)制器2產(chǎn)生一段載波，通過 E類放大器3放大后經(jīng)L1和C1組成的體外并聯(lián)諧振回路發(fā)送出去，L2和C2組成的體內(nèi) 并聯(lián)諧振回路接收到該段載波，此時體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端9為高電平，晶體管T1與T2均處于截 止?fàn)顟B(tài)，載波經(jīng)過二極管D1整流后對C3進(jìn)行快速充電。一段時間后，發(fā)射數(shù)據(jù)端9為低電 平，晶體管T1與T2相繼導(dǎo)通，電容C3上的能量通過T2向L2和C2組成的體內(nèi)并聯(lián)諧振回 路放電，產(chǎn)生衰減振蕩波，體外收發(fā)部分的L1和C1組成的體外并聯(lián)諧振回路接收到該衰減 振蕩波后，通過體外解調(diào)電路4處理后送到體外接收數(shù)據(jù)端6。下面結(jié)合圖2對本發(fā)明中的體內(nèi)向體外發(fā)射數(shù)據(jù)工作方式進(jìn)行詳細(xì)解釋。體外部 分每隔tl時間向體內(nèi)部分發(fā)送一段長度為t2的周期為T的載波，對體內(nèi)儲能單元的儲能 電容C3充電，充電時間為t3 ( t2), tl-t2這段時間分成N個時隙，體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端8選 擇在其中一個時隙控制體內(nèi)儲能電容C3對L2和C2組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路放電，放 電時間為t4 ( (tl-t2)/N), L1和C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路接收到該時隙的信號， 處理后傳給體外接收數(shù)據(jù)端6，圖2. (a)顯示了體外發(fā)射數(shù)據(jù)端5的波形，圖2. (b)顯示了 體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端9的波形，圖2. (c)顯示了電容C3的充放電波形，圖2. (d)顯示了體內(nèi)線 圈L2兩端的波形，圖2. (e)顯示了體外接收數(shù)據(jù)端6的波形。
在本發(fā)明的雙向數(shù)據(jù)傳輸中，采用的射頻載波頻率為100KHZ到200KHZ之間，該段 頻率的射頻信號對于某些植入式裝置的金屬外殼有良好的穿透性，又能保證一定的傳輸效 率。儲能電容選用無極性電容，考慮到充電時間要快，又要保證充電量達(dá)到反射要求，因此 電容值取幾到幾十納法之間。 本發(fā)明中植入式裝置遙測采用體內(nèi)向體外一位一位發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，稱為 “BitbyBit”工作方式，體外先提供一段載波作為能量，體內(nèi)部分在體外部分發(fā)送下一段載 波之前的一個時間段將能量反射回去，反射所處的時間段不同代表著反射的信息不同。例 如，把體外發(fā)送相鄰兩端載波的間隙分為8個時隙，那么在第一個時隙反射，就相當(dāng)于反射 信息為001 ；在第二個時隙反射，就相當(dāng)于反射信息為010 ；在第三個時隙反射，就相當(dāng)于反 射信息為011……在第八個時隙反射，就相當(dāng)于反射信息為111。在發(fā)送碼元速率不變的前 提下，信息速率提高了 3倍。
權(quán)利要求
一種植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)，其特征在于由體外收發(fā)部分和體內(nèi)收發(fā)部分構(gòu)成；體外收發(fā)部分包括由線圈L1和電容C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路，載波發(fā)生器(1)，載波調(diào)制器(2)，E類放大器(3)以及具備檢波、濾波放大功能的體外解調(diào)電路(4)；其中，載波發(fā)生器(1)，載波調(diào)制器(2)，E類放大器(3)，體外LC并聯(lián)諧振回路，體外解調(diào)電路(4)依次連接，載波調(diào)制器(2)設(shè)有體外發(fā)射數(shù)據(jù)端(5)，體外解調(diào)電路(4)設(shè)有體外接收數(shù)據(jù)端(6)；體內(nèi)收發(fā)部分包括由線圈L2和電容C2組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路，由二極管D1和電容C3構(gòu)成的儲能單元，由電阻R1和R2、晶體管T1和T2構(gòu)成的開關(guān)電路，以及體內(nèi)解調(diào)電路(7)；其中，體內(nèi)解調(diào)電路(7)，體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路，儲能單元和開關(guān)電路依次連接，體內(nèi)解調(diào)電路(7)設(shè)有體內(nèi)接收數(shù)據(jù)端(8)，開關(guān)電路設(shè)有體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端(9)。
2.一種依據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸方法，其特 征在于體外部分向體內(nèi)部分發(fā)送數(shù)據(jù)時，載波發(fā)生器(1)產(chǎn)生固定頻率的載波，載波調(diào)制器 (2)為模擬開關(guān)，體外發(fā)射數(shù)據(jù)端(5)通過控制模擬開關(guān)的通斷來實(shí)現(xiàn)對載波信號的數(shù)字 調(diào)制，調(diào)制波通過E類放大器(3)放大后，經(jīng)L1和C1組成的體外LC并聯(lián)諧振回路發(fā)射出 去；體內(nèi)收發(fā)部分的由線圈L2和電容C2組成的體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路接收到體外發(fā)送的調(diào) 制信號后，通過體內(nèi)解調(diào)電路(7)檢波、帶通濾波放大后傳給體內(nèi)接收數(shù)據(jù)端(8)；體內(nèi)部分向體外部分發(fā)送數(shù)據(jù)時，體外發(fā)射數(shù)據(jù)端(5)控制載波調(diào)制器(2)產(chǎn)生一段 載波，通過E類放大器(3)放大后經(jīng)體外LC并聯(lián)諧振回路發(fā)送出去，體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路 接收到該段載波，此時體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端(9)為高電平，晶體管T1與T2均處于截止?fàn)顟B(tài)，載 波經(jīng)過二極管D1整流后對電容C3進(jìn)行快速充電；一段時間后，體內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)端(9)為低電 平，晶體管T1與T2相繼導(dǎo)通，電容C3上的能量通過晶體管T2向體內(nèi)LC并聯(lián)諧振回路放 電，產(chǎn)生衰減振蕩波，體外收發(fā)部分的體外LC并聯(lián)諧振回路接收到該衰減振蕩波后，通過 體外解調(diào)電路(4 )處理后送到體外接收數(shù)據(jù)端(6 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙向數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于采用體內(nèi)部分向體外部分 一位一位發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，稱之為“BitbyBit”工作方式，體外先提供一段載波作為能量，體 內(nèi)部分在體外部分發(fā)送下一段載波之前的某一個時間間隙將能量反射回去，反射所處的時 隙不同代表反射的信息不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙向數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于采用的射頻載波頻率為 100KHZ 到 200KHZ 之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種植入式裝置的程控遙測系統(tǒng)與雙向數(shù)據(jù)傳輸方法。該程控遙測系統(tǒng)由體外收發(fā)部分和體內(nèi)收發(fā)部分構(gòu)成。本發(fā)明以射頻電磁波作為信息的傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)與體外的雙向通信。程控時，體外程控裝置通過LC諧振回路向體內(nèi)裝置發(fā)送調(diào)制射頻波，體內(nèi)裝置使用LC諧振回路接受調(diào)制波再進(jìn)行解調(diào)，從而得到程控信息；遙測時，體外裝置先向體內(nèi)裝置發(fā)送一定長度的固定頻率電磁波，體內(nèi)裝置使用電容貯存接受到的能量，然后在指定時隙通過體內(nèi)LC諧振回路放電，向體外裝置發(fā)射衰減振蕩波，體外裝置則通過接收到能量的所在時隙來判斷體內(nèi)發(fā)送的為何種信息。
文檔編號G08C17/02GK101859484SQ201010213968
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者方祖祥, 朱澤瑾, 鄔小玫 申請人:復(fù)旦大學(xué)