CN100506321C - 用于植入式医疗仪器的双向无线通信装置 - Google Patents

Abstract

一种用于植入式医疗仪器的双向无线通信装置，涉及植入式医疗仪器领域。其特征在于：它由植入式医疗仪器通信电路、体外程控器和掌上电脑PDA构成，调制/解调使用二进制幅度键控(2ASK)方式、通用异步收发(UART)协议使用RS-232协议、数据校验使用循环冗余校验CRC-16、用数据信令和请求—响应方式进行通信控制。本发明的通信方法和装置独立于通信数据流量规模大小，具有实现方式简单、通信过程可靠、使用的器件少、功耗低等优点，可广泛用于各类植入式医疗仪器的多种用途的小流量数据通信。

Description

用于植入式医疗仪器的双向无线通信装置

技术领域

本发明涉及植入式医疗仪器与体外遥测/程控仪器的双向无线通信装置，属于植入式医疗仪器技术领域。

背景技术

植入式医疗仪器种类很多，如植入式心脏起搏器与除颤器、脑起搏器、神经刺激器、肌肉刺激器、心电记录器等，由体内植入部分和体外遥测/程控部分组成，两者之间通过双向无线通信交换信息。

用于植入式医疗仪器的通信技术，特点是低速率、近距离、低功耗、小型化。一般情况下，因遥测/程控数据量较小，每秒钟几十字节以上的通信速率即可满足要求；植入式医疗仪器一般埋植于皮下，患者手持程控器贴于体外相应位置，进行遥测/程控操作，通信距离一般大于1英寸即可满足要求；植入式医疗仪器一般用一次性电池供电，而通信要消耗电池能源，所以要求低功耗；植入式医疗仪器一般要求体积和重量尽量小，所以要求体内部分的通信电路简单、小型化。

现有的常规无线通信技术使用的载波频率较高，一般在几百MHz到几GHz，因为体内植入部分一般为全钛壳密封结构，钛外壳和人体组织形成电磁屏蔽，所以高频电磁波衰减太大而难以应用。目前临床应用的植入式起搏器和刺激器等，一般为国外产品，应用电磁耦合技术进行通信，但技术方案不公开。文献报道的一些近距离电磁耦合通信方法和装置中，植入式医疗仪器通信电路的电感线圈与体外程控器的线圈一般采用同轴耦合方式，虽然理论可行，但是植入式医疗仪器由光滑的钛壳密封且埋植于体内，实际操作中很难实现同轴对中，位置容差性能差，降低了通信可靠性，而且通信的实现方式复杂，使用的元器件多，功耗大，难以实际应用于植入式医疗仪器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是为植入式医疗仪器，提供一种简单可靠的电磁耦合通信装置，实现体内医疗仪器和体外遥测/程控系统的无线双向通讯。

所述装置包含植入体内的医疗仪器通信电路，体外应用的程控器和掌上电脑PDA，其中：植入体内的医疗仪器通信电路包括发射电路和接收电路，其中：

发射电路含有：

振荡器，输入端和植入式医疗仪器的微处理器串口发送端mTXD相连，实现2ASK调制；

场效应管M1，栅极与所述振荡器的输出端相连，当所述振荡器输出为高电平时场效应管M1开通，而为低电平时场效应管M1关断；

相互串联的作发射天线用的电感线圈L1和电容C1，该电感线圈L1一端接电源，该电容C1并联于该场效应管M1的源极和漏极之间，另一端接地；

接收电路含有：

作接收天线用的电感线圈L2，一端接地；

滤波和偏置电路，由一端接于该电感线圈L2另一端的隔直电容C2，以及中点接于电容C2另一端、一端接电源的由电阻R1、R2串联形成的电阻分压电路构成；

三极管Q1，基极通过一个并联于所述电阻R2的稳压二极管D2接地，发射极也接地，而集电极在经过一个由电阻R3、电容C3并联而成的低通滤波电路后接电源，集电极把解调得到的通信电压信号连接到所述植入式医疗仪器的微处理器串口的接收端mRXD；

体外应用的程控器，含有：发射部分、接收部分和电源部分，其中：

发射部分包括：依次串接的发射端电平转换电路、发射端振荡器、发射端驱动器、发射端功放电路、以及发射线圈；

接收部分包括：依次串接的接收线圈、接收端信号放大器、用于解调的比较器和低通滤波器、以及接收端电平转换电路；

所述的发射端电平转换电路的输入端与PDA的RS-232串口的发射端TXD相连；

所述接收端电平转换电路的输出端与PDA的RS-232串口的接收端RXD相连；

所述体外应用的程控器中的发射和接收线圈均采用在磁芯上绕制的两个正交成“X”形的线圈，使两个正交方向均可发射和接收信号；

发射保护用的钳位电路，输入端和所述发射端电平转换电路的输出端相连，而输出端与所述接收端电平转换电路的输入端相连，当发射信号时，使接收端电平转换电路的输出保持在高电平，以避免所述程控器信号发射而导致PDA串口的误接收；

电源部分由依次串接的电池、开关控制电路和电压变换电路构成，所述开关控制电路的控制信号与所述PDA的RS-232串口的发送端TXD相连，而电压变换电路则向所述程控器的发射、接收部分供电；

掌上电脑PDA，该PDA通过RS-232串口与所述程控器相连，使用2ASK方式调制解调，使用RS-232协议作为通用异步收发协议，使用循环冗余码校验CRC-16作为数据校验方法，使用信令进行会话通信控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)独立于通信数据流量规模大小，支持植入式医疗仪器的多种用途的小流量数据通信，例如医疗仪器工作参数的设置、仪器序列号检查、用户信息检查、系统固件升级、内部信号数据遥测、仪器状态诊断、仪器功能测试等；(2)体内植入式医疗仪器与体外程控器的位置容差性能好，建立通信容易，通信过程可靠；(3)实现方式简单，使用的器件少，功耗低；(4)用途广泛，可用于各类植入式心脏起搏器和除颤器、神经刺激器、肌肉刺激器、心电记录器等，本发明具有极高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是植入式医疗仪器通信电路的发射部分原理图。

图3是植入式医疗仪器通信电路的接收部分原理图。

图4是体外程控器的电路原理框图。

图5是体外程控器的X形正交通信线圈示意图(51为磁芯，52为接收线圈，53为发射线圈，54为磁力线)。

图6是体外PDA和植入式医疗仪器的会话通信过程示意图。

具体实施方式

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于植入式医疗仪器的点对点双向无线通信装置，主要用于创建植入式医疗仪器和体外遥测/程控系统的编程与遥测会话通信，其实现方式包括：

(1)调制/解调：使用二进制幅度键控(2ASK)方式，实现简单，电路的元器件少，可靠性高；

(2)通用异步收发(UART)协议：使用RS-232协议；

(3)数据校验：使用循环冗余码校验CRC-16；

(4)数据信令：使用信令进行会话通信控制，其功能包括用户连接、用户状态交换、用户合法性判断、呼叫建立、呼叫处理等；

(5)植入式医疗仪器与体外遥测/程控系统之间采用握手机制，即请求—响应的方式进行通信，植入式医疗仪器定期处于通信就绪状态，体外遥测/程控系统在需要的时候发送会话指令启动通信。

使用上述双向无线通信方式的装置，包括植入体内的医疗仪器通信电路、体外应用的手持程控器和掌上电脑PDA。所述的PDA通过软件对所述的植入式医疗仪器进行参数设定、数据遥测和有关控制等操作，通过所述的程控器这一通讯接口设备实现与植入式医疗仪器之间的数据传输。

所述的植入式医疗仪器的通信电路包括发射电路和接收电路。所述的发射电路由振荡器、场效应管、电容和电感线圈依次连接构成，由植入式医疗仪器的微处理器串口的数据发送端控制，将串口信号调制为2ASK信号并由电感线圈发射。所述的接收电路为集电极检波电路，由电感线圈、隔直电容、三极管放大电路和低通滤波电路依次连接构成，将电感线圈接收到的2ASK信号放大、解调后得到串口信号，提供给微处理器串口的数据接收端。

所述的程控器为所述PDA和所述植入式医疗仪器的通讯接口设备，由发射电路、接收电路及电源电路共同构成。所述发射电路由电平转换电路、振荡器、驱动器、功率放大电路和发射线圈依次连接构成，所述PDA的串口输出信号经转换器进行电平转换后，由振荡器调制，经驱动器和功率放大器进行功率放大后，由发射线圈发射电磁波。所述接收电路由接收线圈、放大器、比较器、低通滤波器和电平转换电路依次连接构成，接收线圈接收电磁波信号，经放大器放大，经比较器和低通滤波器解调及转换器进行电平转换后，输出给所述PDA。所述电源电路包括开关控制电路和电压转换电路，开关控制电路可以使电池输出经过一定延时后自动关断，也可以根据串口有无数据传输自动开通电池输出，电压转换电路将电池输出转换成不同的电压，为发射电路和接收电路供电。

进一步的，程控器的发射与接收线圈均采用在磁芯上绕制的两个正交成“X”形的线圈，这样在两个正交的方向均有发射信号，同时体内的植入式医疗仪器发出的信号也有两个正交方向的线圈进行接收，从而大大降低了对体内植入式医疗仪器和体外程控器之间位置容差的要求，大大提高通信的可靠性。

下面结合附图对本发明的用于植入式医疗仪器的双向无线通信方法及装置的优选实施方式作出详细说明。

如图1所示，本发明的用于植入式医疗仪器的双向无线通信方法和装置，由植入体内的医疗仪器的通信电路1、体外的程控器2和掌上电脑PDA3构成。PDA可通过程控器与体内脉冲发生器进行无线数据传输，程控器为PDA和脉冲发生器的通讯接口设备。通信使用2ASK调制/解调方式和RS-232协议。植入体内的通信电路1尽量简单，元器件数量少，一方面降低功耗，另一方面提高可靠性。体外的程控器2限制较少，可通过改进线圈绕法、提高发射线圈的电压、提高接收放大器的增益等措施，来补偿体内通信电路1的不足，满足无线双向通信系统的整体性能要求。

如图2所示，植入式医疗仪器通信电路的发射部分由振荡器OSC、场效应管M1、电容C1和电感线圈L1依次连接构成。植入式医疗仪器的微处理器串口发送端mTXD接振荡器OSC的控制端，当mTXD为高电平时振荡器振荡，场效应管M1以上述的振荡频率开通和关断，在电感线圈L1上产生同样频率的振荡电流；当mTXD为低电平时，振荡器停止工作，电感线圈L1上没有电流；这样实现了对串口信号的2ASK调制，电感线圈L1作为天线实现电磁波的发射，mTXD信号和M1栅极信号的时序对应关系也如图2所示。

如图3所示，植入式医疗仪器通信电路的接收部分，为集电极检波电路。电感线圈L2接收到体外程控器发射的电磁波，感应出2ASK调制形式的电压信号，由电容C2隔离直流成份，输出信号到三极管Q1的基极。三极管Q1的静态工作点由偏置电阻R1和R2设置，稳压二极管D2对Q1进行输入保护。Q1基极上微弱的2ASK信号，经Q1放大，经电阻R3和电容C3低通滤波，解调得到的通信电压信号连接到微处理器串口的接收端mRXD。为提高接收灵敏度，电感线圈L2的两端可以并联一个电容。

如图4所示，体外程控器主要包含三部分：信号发射电路、信号接收电路和电源电路，各部分的电路原理分别说明如下：

信号发射电路：PDA串口4发出的信号电压为RS-232电平，由电平转换电路5转换为TTL电平，控制振荡器6振荡或停止，进行2ASK调制，振荡器6有两路反相的输出a和b，一路输出a经过驱动器7驱动后加到功率放大器9中MOSFET的基极，放大后的信号通过线圈11发射出去，振荡器6的另一路输出b经过驱动器8驱动后加到功率放大器10中MOSFET的基极，放大后的信号通过线圈12发射出去。

信号接收电路：两路接收线圈13、14同时接收体内脉冲发射器发出的电磁波信号，分别经过信号放大器15、16，比较器17、18，还原出2ASK调制电压信号，两路信号同时输入低通滤波电路19进行滤波，将信号解调，经过电平转换电路20转换成RS-232电平，输入到PDA串口4。

进一步的，程控器的两路发射线圈与两路接收线圈均绕在正方形的铁氧体磁芯上，形成交叉的“X”形，如图5所示。信号发射时在两个正交的方向均产生电磁场，磁力线如图5中虚线所示，同时体内脉冲发生器发出的信号也由所述程控器的两个正交方向的线圈进行接收。这样可以大大改善电磁场分布的均匀性，提高通信成功的概率，保证建立通信的容易性和通信过程的可靠性。

在发射线圈振荡时，接收线圈也会接收到电磁波，从而产生耦合信号，因此在发射电路的电平转换电路5与接收电路的电平转换电路20之间有发射保护电路21，在信号发射时保护电路21使电平转换电路20的输出钳位在高电平，这样可以避免程控器信号发射引起PDA串口的错误接收。

电源电路：电池通过开关控制电路22，经过电压变换电路23，产生15V和±10V电压，为信号发射与接收电路供电。开关控制电路22可以使电池输出经过一定延时后自动关断，并且可以在串口有数据发出时，自动打开电池输出。

本发明所述的用于植入式医疗仪器的双向无线通信，使用RS-232协议，一般使用1位起始位、8位数据位和1位停止位的数据格式。数据通信的波特率与2ASK调制的载波频率相关，例如载波频率40kHz，通信的波特率可选择为600bps。

本发明所述的用于植入式医疗仪器的双向无线通信，使用循环冗余码校验(CyclicalRedundancy Check，简称CRC)算法。CRC算法是利用除法及余数的原理来作错误侦测(ErrorDetecting)的，本发明选用CRC-16码，以X¹⁶+X¹⁵+X²+1作为生成多项式，用来传送8位字符。在通信时，发送方在发送完数据后，根据发送数据计算CRC校验码并发送；接收方在接收完数据后，根据接收到的数据计算CRC校验码；接收方将计算得到的校验码和接收得到的校验码进行比较，相同则认为通信成功，反之则认为通信失败。

图6显示一个典型的会话通信流程。本发明所述的通信方法有两个要素：User Agent(UA)，即植入式医疗仪器一方；Server，即体外PDA一方。采用握手机制来实现呼叫的建立和释放，即采用请求—响应的方式。UA一方定期处于通信就绪状态，Server一方在需要的时候向UA发送进入会话指令。一旦UA接收到了进入会话指令，就会发送应答，并进入会话状态。在会话状态有效期内，Server可以继续发送其他指令，UA收到指令后会加以执行，随后将执行结果发送回Server端。会话状态只能保持一段时间，当会话状态过期后，UA自动退出会话状态。要继续进行会话，Server方必须再次发送进入会话指令。

本发明的通信流程中使用的信令有如下几种类型。

Server端的请求：

 Connect：使UA端进入会话

 Query：要求UA端发送指定数据

 Logging in：声明Server端的身份，以获得相应操作权限

 Message：向UA端发送特定信息

 Program：要求UA端执行相应的硬件维护任务

UA端的应答：

 1xh：成功响应

 2xh：会话数据错误

 3xh：用户操作超权限

 4xh：信息错误

 5xh：操作失败

本发明的双向无线通信方法和装置，支持多种用途的近距离、小流量数据通信，例如植入式医疗仪器工作参数的设置、仪器序列号检查、用户信息检查、系统固件升级、内部信号数据遥测、仪器状态诊断、仪器功能测试等。上述的双向无线通信方法和装置，独立于通信数据流量规模大小，可应用于各类植入式医疗仪器，具有元器件数量少、功耗低、简单可靠、使用方便等优点。

上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开的基于近距离电感线圈耦合方式实现植入式医疗仪器与体外程控设备进行通信的方法和装置的基础上，很容易想到将其进行修改或者等同替换，应用于各种植入式医疗仪器系统，而不仅限于本发明具体实施方式所描述的系统结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (1)

1.用于植入式医疗仪器的双向无线通信装置，其特征在于，所述装置包含植入体内的医疗仪器通信电路，体外应用的程控器和掌上电脑PDA，其中：

植入体内的医疗仪器通信电路包括发射电路和接收电路，其中：

发射电路含有：

振荡器，输入端和植入式医疗仪器的微处理器串口发送端mTXD相连，实现2ASK调制；

场效应管M1，栅极与所述振荡器的输出端相连，当所述振荡器输出为高电平时场效应管M1开通，而为低电平时场效应管M1关断；

相互串联的作发射天线用的电感线圈L1和电容C1，该电感线圈L1一端接电源，该电容C1并联于该场效应管M1的源极和漏极之间，另一端接地；

接收电路含有：

作接收天线用的电感线圈L2，一端接地；

滤波和偏置电路，由一端接于该电感线圈L2另一端的隔直电容C2，以及中点接于电容C2另一端、一端接电源的由电阻R1、R2串联形成的电阻分压电路构成；

三极管Q1，基极通过一个并联于所述电阻R2的稳压二极管D2接地，发射极也接地，而集电极在经过一个由电阻R3、电容C3并联而成的低通滤波电路后接电源，集电极把解调得到的通信电压信号连接到所述植入式医疗仪器的微处理器串口的接收端mRXD；

体外应用的程控器，含有：发射部分、接收部分和电源部分，其中：

发射部分包括：依次串接的发射端电平转换电路、发射端振荡器、发射端驱动器、发射端功放电路、以及发射线圈；

接收部分包括：依次串接的接收线圈、接收端信号放大器、用于解调的比较器和低通滤波器、以及接收端电平转换电路；

所述的发射端电平转换电路的输入端与PDA的RS-232串口的发射端TXD相连；

所述接收端电平转换电路的输出端与PDA的RS-232串口的接收端RXD相连；

所述体外应用的程控器中的发射和接收线圈均采用在磁芯上绕制的两个正交成“X”形的线圈，使两个正交方向均可发射和接收信号；

发射保护用的钳位电路，输入端和所述发射端电平转换电路的输出端相连，而输出端与所述接收端电平转换电路的输入端相连，当发射信号时，使接收端电平转换电路的输出保持在高电平，以避免所述程控器信号发射而导致PDA串口的误接收；

电源部分由依次串接的电池、开关控制电路和电压变换电路构成，所述开关控制电路的控制信号与所述PDA的RS-232串口的发送端TXD相连，而电压变换电路则向所述程控器的发射、接收部分供电；

掌上电脑PDA，该PDA通过RS-232串口与所述程控器相连，使用2ASK方式调制解调，使用RS-232协议作为通用异步收发协议，使用循环冗余码校验CRC-16作为数据校验方法，使用信令进行会话通信控制。

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