CN101217320A - 基于ppm调制方式的经皮双向无线通信装置 - Google Patents

Abstract

基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，属于植入式医疗仪器技术领域。该装置由体外程控器，包括控制单元、第一发射电路、第一接收电路和第一射频耦合单元；植入式医疗仪器，包括微控制器、第二发射电路、第二接收电路和第二射频耦合单元；掌上电脑，包括与体外程控器相连的通讯端口组成；植入式医疗仪器和体外程控器间的无线通信调制选择脉冲位置调制方式(PPM)、体外程控器和PDA间采用串口通信、数据校验使用循环冗余校验、用数据信令和请求-响应方式进行通信控制。本发明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、体积小、功耗低和传输速度快等优点，可广泛用于各类植入式医疗仪器系统的多种用途的数据通信。

Description

基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置

技术领域

基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置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、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、高可靠性。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，程控器贴于体外相应位置，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小型化；植入式医疗仪器一般要求通信电路设计简单、可靠。

各类植入式医疗仪器普遍价格较高，但寿命大多较短。限制植入式医疗仪器寿命的主要因素是电池的容量，现有的植入式医疗仪器产品多采用高能量密度的锂原电池进行供电，如锂-亚硫酸氯电池和锂-多氟化碳电池等。一旦电池能量耗尽，患者便不得不重新接受手术，更换植入式医疗仪器，不仅为患者造成身体上的创伤，昂贵的价格也为患者带来巨大的经济压力。为了延长植入式医疗仪器的使用寿命，对其电路尽可能进行低功耗设计。另外，为了减轻植入式医疗仪器作为人体内的异物对患者身体的不利影响，体积和重量也是一个很重要的因素，对医疗仪器电路尽可能进行小型化设计。

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。为了进一步降低植入式医疗仪器的功耗，提高其传输速率，PPM(Pulse Position Modulation)、PIM(Pulse IntervalModulation)等脉冲调制方式在植入式医疗仪器中已有应用。现有技术中的一些基于脉冲调制方式的通信方法和装置，大都实现方式复杂，或使用的元器件较多，体积较大，难以实际应用于植入式医疗仪器。美国发明专利“HANDHELD PATENT PROGRAMMER FOR IMPLANTABLE HUMANTISSUE STIMULATOR”(专利号US 6,249,703B1)给出了一种基于脉冲调制方式的体外程控器电路设计，其载波频率设计为175KHz。该专利采用定制芯片直接驱动程控器发射电路，而本发明采用低功耗常用单片机外加驱动芯片驱动程控器发射电路，本发明具有可以更加灵活调整发射功率的特点，从而根据不同应用需要灵活调整通信距离；同时，该专利程控器的信号接收电路所采用的遥控红外接收芯片现已停产，并且该芯片输出至其定制芯片的信号电压范围被限定在约5到9伏，而本发明程控器的信号接收电路设计简单，采用常用商用芯片即可实现，可替代芯片多，输出信号约为0到3.3伏，该信号可以直接送入低功耗单片机。本发明无需定制专用芯片，仅采用低功耗常用单片机和常用芯片即可实现，电路简单，成本低，可靠性高，同时具有适应性强、持续发展性好的特点，可以满足日益增多的植入式医疗系统各种不同应用的需要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于PPM调制方式的低功耗、小体积、高可靠性的数据通信装置，通过增加数据帧中的有用数据比例、精简通信传输协议的方法，缩短数据通信时间，降低植入式医疗仪器的通信功耗，并提高通信的可靠性。该装置只需改变软件，即可适用于其他的脉冲调制方式，如PIM(Pulse Interval Modulation)，PSM(PulseShape Modulation)等。

本发明提供了一种具有基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，一种植入式医疗仪器系统，所述无线通信装置包括：

体外程控器，包括控制单元、第一发射电路、第一接收电路和第一射频耦合单元。其中，控制单元、第一发射电路和第一射频耦合单元共同组成程控器信号发射电路；控制单元，第一接收电路和第一射频耦合单元共同组成程控器信号接收电路。

植入式医疗仪器，包括微控制器、第二发射电路、第二接收电路和第二射频耦合单元。其中，微控制器、第二发射电路和第二射频耦合单元共同组成信号发射电路；微控制器，第二接收电路和第二射频耦合单元共同组成信号接收电路。

掌上电脑，包括与体外程控器相连的通讯端口。

其中，第一发射电路主要由驱动放大电路和全桥主拓扑的两个桥臂组成。控制单元接收掌上电脑传来的数据，然后对数据进行PPM编码，通过控制单元的PWM端口产生相应的驱动脉冲触发第一发射电路；第一发射电路中的驱动放大电路对控制单元发出的驱动脉冲进行电平转换和功率放大，实现对功率MOSFET进行驱动；全桥主拓扑采用推拉驱动方式，两路驱动脉冲共地且相位相差180度，通过控制全桥主拓扑中功率MOSFET，进而控制第一射频耦合单元向体内植入式医疗仪器发送调制后的相应PPM脉冲信息，PPM载波频率范围设计为120-200KHz，PPM脉冲波形为等幅振荡脉冲波形。

第一接收电路主要由限幅电路、信号放大电路、二阶带通滤波电路、脉冲整形及脉宽拓展电路组成，用于将收到的体内植入式医疗仪器发出的衰减振荡PPM脉冲处理成为控制单元能够识别的脉冲信号，然后由控制单元进行PPM解码，解码后的数据通过控制单元发送给PDA。

第一射频耦合单元包括采用串联谐振的方式连接的第一天线和第一谐振电容，其中第一天线为空心电感线圈。第一射频耦合单元由程控器信号发射电路和程控器信号接收电路分时共用。

第二发射电路包括开关元件；微控制器能够对要发送的信息进行PPM编码，并且根据编码结果发出相应的PWM驱动脉冲，触发开关元件，从而控制第二射频耦合单元产生相应的PPM脉冲，PPM载波频率范围设计为120-200KHz；植入式医疗仪器发射的PPM脉冲波形为衰减振荡脉冲。

第二接收电路包括滤波限幅电路和整形电路；微控制器能够对经过整形、滤波处理后的体内的植入式医疗仪器天线上接收到的脉冲信息进行PPM解码。

第二射频耦合单元包括第二天线和第二谐振电容，其中第二天线为空心电感线圈。第二射频耦合单元由信号发射电路和信号接收电路分时共用。

本发明还提供了一种用于上述植入式医疗仪器系统的基于PPM调制的经皮双向数据传输方法，该方法包括以下步骤：

1.根据需要完成的操作任务生成可用于传输的数据帧，所述数据帧包括指令信息和数据信息。

2.根据PPM方式将数据帧调制为可通过射频信号发送的序列，所述序列依次由帧同步脉冲、指令信息、保护带、数据信息组成。

3.将所述序列通过射频信号在体外的程控器和体内的植入式医疗仪器之间传输。

此外，本发明还提供了一种用于上述植入式医疗仪器系统的基于PPM调制的经皮双向无线通信方法，该方法包括以下步骤：

1.掌上电脑通过体外程控器向植入式医疗仪器发送请求通信的信息。

2.植入式医疗仪器向体外发送返回应答信息，该返回应答信息由体外程控器接收，并传送至掌上电脑。

3.掌上电脑通过体外程控器向植入式医疗仪器发送指令。

4.植入式医疗仪器向体外发送返回数据信息，该返回数据信息由体外程控器接收，并传送至掌上电脑。

其中，掌上电脑通过体外程控器向植入式医疗仪器发送指令的过程包括以下步骤：

根据需要完成的操作任务生成可用于传输的数据帧，所述数据帧包括指令信息和数据信息；

根据数据帧的内容将射频信号以PPM方式调制为可发送的序列，所述序列依次由帧同步脉冲、指令信息、保护带、数据信息组成；

将所述序列在体外的程控器和植入式医疗仪器之间传输。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)PPM采用120-200KHz的载波频率范围，可以实现较大流量、较快速度的数据传输；

(2)体外程控器信号接收和信号发射电路共用一个空心电感线圈做天线，体积小、重量轻，同时可避免收发用两个线圈可能产生的互扰，通信距离远、可靠性高；同样，体内医疗仪器信号接收和信号发射共用一个电感天线，减小了体内医疗仪器的体积和重量，从而减小了植入式医疗仪器作为人体内异物对患者身体的不良影响，改善了患者的生活质量；

(3)体内医疗仪器向程控器发射衰减振荡PPM脉冲，与等幅振荡PPM脉冲相比，进一步降低了发射功率，极大的延长了植入式医疗仪器的使用寿命；体外程控器向体内发射等幅振荡PPM脉冲，可以简化体内信号接收电路设计，减小体内电路体积；

(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是本发明的植入式医疗仪器系统整体示意图。

图2是体外程控器电路原理框图。

图3是植入式医疗仪器通信电路原理框图。

图4是PPM帧定义示意图。

图5是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

下面结合附图对本发明的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置的实施方式做出详细说明。

图1所示的是一种用于植入式医疗仪器系统的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，包括植入式医疗仪器1、体外程控器2和掌上电脑(即PDA)3。PDA可通过程控器与体内的植入式医疗仪器进行无线数据传输，程控器为PDA和植入式医疗仪器的通讯接口设备。PDA和程控器通信使用串口通信；程控器和体内的植入式医疗仪器通信使用PPM无线通信调制方式。植入体内的植入式医疗仪器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。体外程控器2限制较少，可通过改进线圈设计、调整PPM载波频率、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，体外程控器包括控制单元、第一发射电路、第一接收电路和第一射频耦合单元。其中：

信号发射电路：主要由控制单元，第一发射电路和第一射频耦合单元组成。

控制单元由微控制器5及其外围电路组成，主要完成如下三个功能：微控制器5接收PDA3串口发出的数据；然后对PDA 3传来的数据进行PPM数字编码；通过微控制器5的PWM口发出两路与编码结果相应的驱动脉冲，触发第一发射电路；微控制器可选用TI公司的产品MSP430F149。

第一发射电路主要由驱动放大电路6，全桥电路的左桥臂7和右桥臂8组成，主要完成如下功能：驱动放大电路6对控制单元发出的两路PWM脉冲进行电平转换和功率发大；放大后的两路PWM脉冲驱动全桥电路左桥臂7和右桥臂8上相应的开关管功率MOSFET，为对角功率MOSFET同时通断；从而使第一射频耦合单元中的接收发送天线10，即第一天线和谐振电容9，即第一谐振电容通过串联谐振的方式工作，进而天线10通过电磁耦合的方式将调制后的PPM信息发射出去。采用120-200KHz的PPM载波频率，PPM脉冲部分波形为等幅振荡脉冲。PPM载波频率的选择要综合考虑数据传输的速率和封装材料的影响等因素，对于较高的数据传输率，需要选择较高的PPM载波频率，而封装材料钛是电的良导体，对电磁场能量有吸收作用。金属钛对电磁场的能量吸收和载波频率有关，频率越高，衰减越大，通信距离短，钛壳发热量大。本专利植入式医疗仪器和体外程控器间的双向通信PPM载波频率范围均为120-200KHz，在该频率范围内均可获得理想的通信距离和位置容差。以体外程控器为例，在120-200KHz载波频率范围内，不同的载波频率是通过调整第一射频耦合单元中的第一天线和第一谐振电容实现的，按照 $f=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ 进行参数匹配，其中，可以取第一天线为33μH，第一谐振电容为0.047μF，PPM载波频率约为128KHz；可以仍取第一天线为33μH，第一谐振电容取0.022μF，PPM载波频率约为187KHz。

第一射频耦合单元主要由第一天线，即接收发送天线10和第一谐振电容，即谐振电容9组成，谐振电容9为CBB电容，接收发送天线10为空心圆柱电感线圈。主要功能为：与全桥主拓扑的左桥臂7和右桥臂8共同组成串联谐振电路，产生并向体内医疗仪器发送相应的PPM脉冲信息。

信号接收电路主要由控制单元，第一接收电路和第一射频耦合单元组成。

信号接收电路射频耦合单元与信号发射电路分时共用第一射频耦合单元。谐振电容9和接收发送天线10的参数匹配需综合考虑程控器信号发射和信号接收两部分功能。在程控器处于接收状态时，由微控制器5发出两路PWM驱动信号，经驱动放大电路6，控制全桥电路的左桥臂7和右桥臂8的两个下管功率MOSFET导通，这样第一射频耦合单元从发射状态切换到接收状态。通过谐振电容9和接收发送天线10谐振接收体内植入医疗仪器发出的PPM脉冲信息。

第一接收电路主要由限幅电路11，信号放大和二阶带通滤波电路12以及脉冲整形及脉宽拓展电路13组成，可以由一个运放芯片和一个比较器芯片实现该部分功能，诸如OPA4340和LM393。主要功能是将谐振电容9和接收发送天线10谐振接收到的体内植入医疗仪器发出的PPM信息进行处理，这是因为体外程控器天线10收到的是120-200KHz衰减振荡的载波信息，微控制器5是不能识别的。第一接收电路在工作时，体外程控器接收发送天线10上收到的体内发出的PPM脉冲信息首先经限幅电路11进行限幅，然后经由运放组成的放大和二阶带通滤波电路12进行滤波和信号放大，送入脉冲整形和脉宽拓展电路13，将120-200KHz的载波信号转化成为微控制器5能够接收、识别的脉冲信号，用以解码。

信号接收电路与发射电路共用控制单元，主要用于对经过第一接收电路处理后的天线10上收到的脉冲信息进行PPM解码，解码后的数据由控制单元通过PDA的RXD发送给PDA。

如图3所示，植入式医疗仪器包括微控制器、第二发射电路、第二接收电路和第二射频耦合单元。其中：

信号发射电路：主要由微控制器，第二发射电路和第二射频耦合单元组成。

植入式医疗仪器的微控制器对体内拟发送给程控器的信息进行数字PPM编码，根据编码结果微控制器发出相应的PWM驱动脉冲，驱动第二发射电路之开关元件16通断，从而由第二谐振电容，即谐振电容18和第二天线，即天线17组成的第二射频耦合单元谐振，在天线17上产生相应的PPM脉冲信息，通过电磁耦合的方式向体外程控器天线发射。体内医疗仪器向体外程控器发射的PPM载波频率范围为120-200kHZ，为衰减振荡脉冲波形，与等幅振荡脉冲相比，进一步降低了体内医疗仪器的功耗。

信号接收电路：主要由微控制器，第二接收电路和第二射频耦合单元组成。

其中，信号接收电路与信号发射电路共用同一微控制器，信号接收电路与信号发射电路分时共用第二射频耦合单元，有利于减小体内医疗仪器的体积。

第二谐振电容，即谐振电容18和第二天线，即天线17组成的第二射频耦合单元通过电磁耦合的方式谐振接收体外程控器天线发射的PPM脉冲信息，天线上收到的等幅振荡PPM脉冲信息通过第二接收电路进行限幅、滤波和整形处理后送入微控制器，进行PPM解码。

本发明所述的经皮双向无线通信方法和装置，采用的是PPM这一脉冲调制方式，每一帧定义如图4所示，包括帧同步信息21，为接收端提供同步信息；指令信息22，指定传送数据所述类别；数据信息24，传送数据信息；保护带23，作为指令信息和数据信息间的隔离带。

本发明所述的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信方法和装置，使用循环冗余码校验(Cyclical Redundancy Check，简称CRC)算法，诸如CRC-16。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5显示一个典型的会话通信流程。本发明所述的通信方法有三个要素：植入式医疗仪器一方；体外PDA一方和体外程控器一方。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。植入式医疗仪器一方定期处于通信就绪状态，体外PDA一方在需要的时候通过体外程控器向植入式医疗仪器发送进入会话指令。一旦植入式医疗仪器接收到了进入会话指令，就会通过体外程控器向PDA发送应答，并进入会话状态。在会话状态有效期内，体外PDA可以继续发送其他指令，植入式医疗仪器收到指令后会加以执行，随后将执行结果通过体外程控器发送回PDA端。会话状态只能保持一段时间，当会话状态过期后，植入式医疗仪器一方自动退出会话状态。要继续进行会话，体外PDA方必须再次通过程控器向植入式医疗仪器发送进入会话指令。PDA和程控器之间通过串口通信传递信息，程控器和植入式医疗仪器之间通过PPM这一脉冲调制方式传递信息。

由于使用了本发明前文所述的无线通信方法，将会话指令与相关参数用一个数据帧发送，体外PDA和程控器与植入体内的医疗仪器的通信协议可以在一次会话中完成一次指令操作，从而使整个流程得到了精简。

本发明的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信方法和装置，支持多种用途的近距离、大流量数据通信，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，具有实现方式简单、通信过程可靠、体积小、功耗低和传输速度快等优点。

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PPM调制方式的经皮双向无线通信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，包括在此装置基础上实现PIM等其他脉冲调制方法，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 (6)

1.基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置包括：

体外程控器，包括控制单元、第一发射电路、第一接收电路和第一射频耦合单元；

植入式医疗仪器，包括微控制器、第二发射电路、第二接收电路和第二射频耦合单元；

掌上电脑，包括与体外程控器相连的通讯端口；

其中，第一发射电路包括数据发送处理单元；控制单元能够接收掌上电脑传来的数据，然后对数据进行PPM编码，通过控制单元的PWM端口产生相应的驱动脉冲触发数据发送处理单元；数据发送处理单元主要由驱动放大电路和全桥主拓扑的两个桥臂组成，驱动放大电路对控制单元发出的驱动脉冲进行电平转换和功率放大，实现对功率MOSFET进行驱动；全桥主拓扑采用推拉驱动方式，两路驱动脉冲共地且相位相差180度，通过控制全桥主拓扑中功率MOSFET，进而控制第一射频耦合单元向体内的植入式医疗仪器发送调制后的PPM脉冲信息；

第一接收电路包括数据接收处理单元，用于对接收到的PPM脉冲信息进行处理并送到控制单元进行PPM解码，解码后的数据通过控制单元发送给掌上电脑；所述数据接收处理单元主要由限幅电路、信号放大电路、二阶带通滤波电路、脉冲整形及脉宽拓展电路组成，用于将收到的体内的植入式医疗仪器发出的衰减振荡PPM脉冲处理成为控制单元能够识别的脉冲信号；

第一射频耦合单元包括采用串联谐振的方式连接的第一天线和第一谐振电容，由第一发射电路和第一接收电路分时共用；

第二发射电路包括开关元件；微控制器能够对要发送的信息进行PPM编码，并且根据编码结果发出相应的PWM驱动脉冲，触发开关元件，从而控制第二射频耦合单元产生相应的PPM脉冲信息；植入式医疗仪器发射的PPM脉冲波形为衰减振荡脉冲；

第二接收电路包括滤波限幅电路和整形电路；微控制器能够对经过整形、滤波处理后的体内的植入式医疗仪器天线上接收到的脉冲信息进行PPM解码；

第二射频耦合单元包括第二天线和第二谐振电容，由第二发射电路和第二接收电路分时共用。

2.根据权利要求1所述的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，其特征在于，掌上电脑与体外程控器相连的通讯端口为串行通讯端口。

3.根据权利要求1所述的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，其特征在于，第一射频耦合单元和第二射频耦合单元所产生的射频信号的频率范围为120-200kHz。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，其特征在于，掌上电脑和植入式医疗仪器使用循环冗余码校验作为数据校验方法。

5.一种基于PPM调制方式的经皮双向无线数据传输方法，用于权利要求1所述的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，其特征在于，该无线数据传输方法包括以下步骤：

根据需要完成的操作任务生成可用于传输的数据帧，所述数据帧包括指令信息和数据信息；

根据数据帧的内容将射频信号以PPM方式调制为可发送的序列，所述序列依次由帧同步脉冲、指令信息、保护带、数据信息组成；

将所述序列在体外程控器和植入式医疗仪器之间传输。

6.一种基于PPM调制方式的经皮双向无线通信方法，用于权利要求1所述的基于PPM调制方式的经皮双向无线通信装置，其特征在于，该无线通信方法包括以下步骤：

(1)掌上电脑通过体外程控器向植入式医疗仪器发送请求通信的信息；

(2)植入式医疗仪器向体外发送返回应答信息，该返回应答信息由体外程控器接收，并传送至掌上电脑；

(3)掌上电脑通过体外程控器向植入式医疗仪器发送指令；

(4)植入式医疗仪器向体外发送返回数据信息，该返回数据信息由体外程控器接收，并传送至掌上电脑；

其中，掌上电脑通过体外程控器向植入式医疗仪器发送指令的过程包括以下步骤：

根据需要完成的操作任务生成可用于传输的数据帧，所述数据帧包括指令信息和数据信息；

根据数据帧的内容将射频信号以PPM方式调制为可发送的序列，所述序列依次由帧同步脉冲、指令信息、保护带、数据信息组成；

将所述序列在体外程控器和植入式医疗仪器之间传输。

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