CN100596030C - 植入式神经刺激器中的射频通信装置 - Google Patents
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Abstract
一种医用器械技术领域的植入式神经刺激器中的射频通信装置，包括：能量传输部分、前向数据传输部分和反馈信息传输部分。能量传输部分产生整个系统的能量，经线圈耦合将能量传输至体内，在体内滤除高频干扰信号，最终向刺激器及体内有源电路提供直流偏置电压；前向数据传输部分将数字图像信息由体外传输至体内；反馈信息传输部分将体内信息反馈传输至体外监视器以供监测，能量传输部分为另外两部分提供能量来源。本发明将能量传输和数据传输分开，可对能量输入大小进行实时控制从而达到提高能量传输效率的目的，具有适用性强、实时性高、体积小、功耗低、功能强大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用器械技术领域中的装置，具体涉及一种植入式神经刺激器中的射频通信装置。
背景技术
植入式神经刺激器中的射频通信装置主要应用于人工电子耳蜗以及人工视觉假体等。
以人工电子耳蜗和视觉假体为代表的神经假体主要包括：体外信息收集部分和信号处理部分，体内神经刺激器与电极部分，其间通过射频无线传输进行能量与数字图像信号的传递。首先，信号收集部分采集声音或图像信息，将该信息传递至信号处理部分，进行处理、编码成电信号，通过无线传输方式传送到体内植入部件，产生电脉冲刺激听神经或视神经(视网膜或视皮层)以产生听觉或视觉。神经假体可以帮助丧失听力的人成功地听到声音，令盲人重新看到世界。神经刺激器是神经假体中的核心组成部分之一，不但可以用来有效地进行功能恢复，还可以缓解神经性疾病的症状，如：帕金森病(PD)，难治性抑郁症与顽固性疼痛等。随着立体定向技术及神经刺激装置的迅速发展，神经刺激已成为功能性神经外科用来治疗帕金森病、难治性抑郁症、顽固性疼痛及其他特发性运动障碍的一种新型微创的手术方法。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利US 2005/0288734 A1陈述了一种视觉假体中射频通信装置的设计方案。由于该专利是应用于视网膜刺激，该专利专门为无线传输部分设计了眼球位移传感器和头部位移传感器，以达到能量和数据传输稳定的目的。其体外线圈和体内线圈位置不固定，使用两种传感器使设计复杂，通用性相对较差。另外，该专利是将能量传输和数据传输合在一起，其缺点是能量输入大小不能实时控制，因此能量传输不能达到最优化，能量传输效率降低。另一美国专利US 2005/0021108 A1亦陈述了一种视觉假体中射频通信装置的设计方案。在此方案中，体内植入了电源，并且体外也能向体内供给能量，但一般情况下由体内电源供电，外部电源仅作为对体内电源的补充。这种方案电路设计较为复杂，并且不利于对电源进行管理，增加了体内的散热量和体内空间等，降低了系统稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术当中的不足，提供一种植入式神经刺激器中的射频通信装置，使其在对上述专利中的射频通信装置进行技术革新改造的基础上，提出适用于各种人工假体的能量和数据传输系统。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：能量传输部分、前向数据传输部分和反馈信息传输部分。整个系统的能量由能量传输部分产生，经线圈耦合将能量传输至体内，在体内滤除高频干扰信号，最终向刺激器及体内有源电路提供直流偏置电压；前向数据传输部分将数字图像信息由体外传输至体内；反馈信息传输部分将体内信息反馈传输至体外监视器以供监测。能量传输部分是整个系统能量的唯一来源，前向数据传输部分是体内刺激器刺激信号的唯一来源，反馈信息传输部分产生需要监测的体内信息，而后两部分的能量均来自于能量传输部分。
所述的能量传输部分，包括E类功率放大器、功率放大器、桥式整流器、低通滤波器、负载控制单元、精密整流电路、降压电路、比较器、A\D转换器、脉宽调制编码器、脉宽调制解码器以及差分包络检波器、能量供给控制单元。E类功率放大器经线圈耦合至体内功率放大器的输入端，体内功率放大器的输出端连接至桥式整流器的输入端，桥式整流器的输出端连接至低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接至精密整流电路的输入端，精密整流电路的输出端输出体内器件所需的电压，此外，负载控制单元的输出端连接至降压电路的输入端，降压电路的输出端连接至比较器和A/D转换器的输入端，比较器和A/D转换器的输出端连接至脉宽调制编码器的输入端，脉宽调制编码器的输出端连接至负载控制单元。差分包络检波器检测线圈中电流的变化，其输出端连接至脉宽调制解码器的输入端，脉宽调制解码器的输出端连接至能量供给控制单元的输入端，能量供给控制单元的输出端连接至E类功率放大器。
整个系统的能量由E类功率放大器中的直流电源产生，经线圈间耦合将能量传输至体内，经体内功率放大器将信号放大，经桥式整流器对接收信号进行整流、经低通滤波器滤除高频噪声干扰、再经精密整流电路并最终向体内有源电路提供直流偏置电压。体内接收到的能量信息通过降压电路为A/D转换器和比较器提供合适的输入电压，将比较器和A/D转换器输出的数字信息输入脉宽调制编码器进行脉宽调制，将脉宽调制信号通送入负载控制单元，改变体内负载大小，并最终反映在改变发射线圈中的电流大小，通过差分包络检波器检测电流变化并恢复体内接受到的能量信号，最终送至体外能量供给控制单元实现对能量供给大小的实时控制。
所述的前向数据传输部分，包括视觉神经信号处理器、载波发生器、缓冲放大级、FSK调制器、受调放大器、小信号功率放大器以及带通滤波器、FSK解调器、整形电路。视觉神经信号处理器的输出端连接至FSK调制器的输入端，载波信号发生器的输出端连接至缓冲放大级的输入端，FSK调制器的输出端连接至体外带通滤波器的输入端，体外带通滤波器的输出端连接至受调放大器的输入端，受调放大器的输出端经线圈耦合至小信号功率放大器的输入端，小信号功率放大器的输出端连接至体内带通滤波器的输入端，体内带通滤波器的输出端连接至FSK解调器的输入端，FSK解调器的输出端连接至整形电路的输入端，整形电路的输出端连接至体内刺激器。经过视觉信号处理器处理过的图像信号经过FSK调制器对载波信号进行FSK调制、经带通滤波器滤除高频噪声，经受调放大器将数字信号传输至体内接收器，先经小信号功率放大器对接收到的信号放大，经体内带通滤波器滤除高频噪声干扰信号，经FSK解调器对信号进行解调，再经波形整形带路对解调出来的信号进行整形并最终将信号传输给体内刺激器。
所述的反馈信息传输部分，其组成模块与数字图像信号经无线传输给体内刺激器部分相同，两者的主要区别在于所采用的载波频率的不同。前向数据传输部分的载波频率范围是1MHz到100MHz，而反馈信息传输部分的载波频率范围为1GHz到5GHz。
与美国专利US 2005/0288734A1专门为无线传输部分设计了眼球位移传感器和头部位移传感器，其体外线圈和体内线圈位置不固定相比，由于本发明应用于对视觉神经刺激，体内线圈放置于皮下，因此体外线圈和体内线圈位置固定，故可以省去设计两种传感器的麻烦，简化了设计思路，通用性也大为增强。
提高能量传输效率是人工假体设计必须考虑的重要环节，所以本发明将能量传输和数据传输分开，这样就能对能量输入大小进行实时控制从而达到提高能量传输效率的目的。
本发明因为考虑到电源的使用寿命，避免在体内植入电源，体内全部能量供给由体外电源提供，这样不仅有利于电源的更换，更重要的是降低了电路设计的复杂度，提高能量传输效率。
若体外传入的是由声信号和光信号转换而来的电信号，本发明可用于人工耳蜗和视觉假体，通过与体内刺激器连接帮助失聪和失明者恢复听觉和视觉；若体外传入的是固定频率的电信号，经过本系统并连接刺激器后可用于治疗和缓解帕金森病、难治性抑郁症、顽固性疼痛及其他特发性运动障碍等。具有适用性强、实时性高、体积小、功耗低、功能强大等特点。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
图2为本发明的能量传输框图。
图3为本发明的图像信号传输框图。
图4为本发明的体内反馈信息传输框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括能量传输部分、前向数据传输部分和反馈信息传输部分。能量传输部分产生整个系统的能量，经线圈耦合将能量传输至体内，在体内滤除高频干扰信号，最终向刺激器及体内有源电路提供直流偏置电压；前向数据传输部分将数字图像信息由体外传输至体内；反馈信息传输部分将体内信息反馈传输至体外监视器以供监测。能量传输部分是整个系统能量的唯一来源，前向数据传输部分是体内刺激器刺激信号的唯一来源，反馈信息传输部分产生需要监测的体内信息，而后两部分的能量均来自于能量传输部分。
能量传输部分的详细框图如图2所示，E类功率放大器具有将直流信号转换为交流信号的能力并且效率极高。E类功率放大器的直流电源是整个系统能量的来源。通过E类功率放大器将能量传输至体内，经体内功率放大器对接收信号进行放大，经桥式整流器对接受到的电压信号进行整流，再经低通滤波器滤除高频噪声干扰，最后经精密整流电路输出所需电压。与此同时，降压电路将经过桥式整流的电压信号降下，目的是为了得到合适的A/D转换器和比较器的输入电压。比较器的功能是将后一时刻电压与前一时刻电压进行比较，得出其相对高低的信号，若后一时刻电压较前一时刻电压高，则最终由体外能量控制电路控制输入能量减小，反之亦然。输入能量减小(或增大)的大小由A/D转换器获取。A/D转换器的功能是将后一时刻的电压与前一时刻的电压的差值转换为数字信号，其最终也由体外能量供给环节根据此信号对输入功率的大小进行调整，从而实现了功率传输的最优化。
前向数据传输部分的详细框图如图3所示，由视觉信号处理器处理过的图像信号通过频率键控调制方式对载波信号进行调制，再经带通滤波器先滤除体外产生的噪声，经受调放大器传输至体内，经体内功率放大器和带通滤波器将信号送至频率键控解调器对信号进行解调，再经波形整形环节对数字信号进行整形以得到较为严格的高低电平，最终信号传送至刺激器。
反馈信号传输部分的详细框图如图4所示，其工作过程及其类似于前向数据传输部分，经过解调整形后的体内信息传送给体外计算机或神经信号处理器，由它们根据体内信息的具体情况对刺激参数进行适当调整。
综上所述，如图1所示，本发明中，E类功率放大器的直流源是整个系统能量的来源，其输出端经线圈耦合至体内低通滤波器的输入端，体内低通滤波器的作用是滤除高频噪声干扰，低通滤波器的输出端连接至精密整流器的输入端，精密整流器的输出电压向体内电路供电。神经视觉信号处理器将处理过的图像信号输入FSK调制器对载波进行调制，已调信号经功率放大器传送至体内，带通滤波器滤除噪声干扰，再将信号输入至FSK解调器进行解调，最后将信号输入刺激器，同时，体内反馈信息输入至体内FSK调制器，类似于前向数据传输将体内反馈信息传送至体外以供监测。前向数据传输部分的载波频率范围是1MHz到100MHz，而反馈信息传输部分的载波频率范围为1GHz到5GHz。
Claims (5)
1.一种植入式神经刺激器中的射频通信装置，包括：能量传输部分、前向数据传输部分和反馈信息传输部分，其特征在于，能量传输部分产生整个系统的能量，经线圈耦合将能量传输至体内，在体内滤除高频干扰信号，最终向刺激器及体内有源电路提供直流偏置电压；前向数据传输部分将数字图像信息由体外传输至体内；反馈信息传输部分将体内信息反馈传输至体外监视器以供监测，能量传输部分是整个系统能量的唯一来源，前向数据传输部分是体内刺激器刺激信号的唯一来源，反馈信息传输部分产生需要监测的体内信息，而后两部分的能量均来自于能量传输部分；
所述的能量传输部分，包括E类功率放大器、功率放大器、桥式整流器、低通滤波器、负载控制单元、精密整流电路、降压电路、比较器、A\D转换器、脉宽调制编码器、脉宽调制解码器以及差分包络检波器、能量供给控制单元，E类功率放大器经线圈耦合至体内功率放大器的输入端，体内功率放大器的输出端连接至桥式整流器的输入端，桥式整流器的输出端连接至低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接至精密整流电路的输入端，精密整流电路的输出端输出体内器件所需的电压，此外，负载控制单元的输出端连接至降压电路的输入端，降压电路的输出端连接至比较器和A/D转换器的输入端，比较器和A/D转换器的输出端连接至脉宽调制编码器的输入端，脉宽调制编码器的输出端连接至负载控制单元，差分包络检波器检测线圈中电流的变化，其输出端连接至脉宽调制解码器的输入端，脉宽调制解码器的输出端连接至能量供给控制单元的输入端，能量供给控制单元的输出端连接至E类功率放大器。
2.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器中的射频通信装置，其特征是，由E类功率放大器中的直流电源产生整个系统的能量，经线圈间耦合将能量传输至体内，经体内功率放大器将信号放大，经桥式整流器对接收信号进行整流、经低通滤波器滤除高频噪声干扰、再经精密整流电路并最终向体内有源电路提供直流偏置电压；体内接收到的能量信息通过降压电路为A/D转换器和比较器提供输入电压，将比较器和A/D转换器输出的数字信息输入脉宽调制编码器进行脉宽调制，将脉宽调制信号通送入负载控制单元，改变体内负载大小，并最终反映在改变发射线圈中的电流大小，通过差分包络检波器检测电流变化并恢复体内接受到的能量信号，最终送至体外能量供给控制单元实现对能量供给大小的实时控制。
3.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器中的射频通信装置，其特征是，所述的前向数据传输部分，包括视觉神经信号处理器、载波发生器、缓冲放大级、FSK调制器、受调放大器、小信号功率放大器以及带通滤波器、FSK解调器、整形电路，视觉神经信号处理器的输出端连接至FSK调制器的输入端，载波信号发生器的输出端连接至缓冲放大级的输入端，FSK调制器的输出端连接至体外带通滤波器的输入端，体外带通滤波器的输出端连接至受调放大器的输入端，受调放大器的输出端经线圈耦合至小信号功率放大器的输入端，小信号功率放大器的输出端连接至体内带通滤波器的输入端，体内带通滤波器的输出端连接至FSK解调器的输入端，FSK解调器的输出端连接至整形电路的输入端，整形电路的输出端连接至体内刺激器。
4.根据权利要求3所述的植入式神经刺激器中的射频通信装置，其特征是，视觉信号处理器处理过的图像信号经过FSK调制器对载波信号进行FSK调制、经带通滤波器滤除高频噪声，经受调放大器将数字信号传输至体内接收器，先经小信号功率放大器对接收到的信号放大，经体内带通滤波器滤除高频噪声干扰信号，经FSK解调器对信号进行解调，再经波形整形带路对解调出来的信号进行整形并最终将信号传输给体内刺激器。
5.根据权利要求3所述的植入式神经刺激器中的射频通信装置，其特征是，反馈信息传输部分的组成模块与前向数据传输部分相同，两者的区别在于所采用的载波频率：前向数据传输部分的载波频率范围是1MHz到100MHz，而反馈信息传输部分的载波频率范围为1GHz到5GHz。
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Granted publication date: 20100324 Termination date: 20190622 |
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Former decision: termination of patent right due to unpaid annual fee Former decision publication date: 20200623 |