CN101856218A - 植入式无源无线声表面波传感检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式无源无线声表面波传感检测装置，其体外处理模块的供能输出端与体外发射天线连接，体外处理模块的信号输入端与体外接收天线连接，体内接收天线与无线供能模块连接，无线供能模块与声表面波传感检测模块连接，声表面波传感检测模块与体内发射天线连接，体内接收天线置于体外发射天线的辐射区内，体外接收天线置于体内发射天线的辐射区内，声表面波传感检测模块和体内发射天线的中心频率相同，体内接收天线和体外发射天线的中心频率相同，体外接收天线和体内发射天线的中心频率相同，体内接收天线和体外发射天线的中心频率小于体外接收天线和体内发射天线的中心频率。本发明可检测生物体的生理参数，检测精度高，测量距离远。

Description

植入式无源无线声表面波传感检测装置

技术领域

本发明涉及声表面波传感器、天线、无线供能技术，特别涉及一种植入式无源无线声表面波传感检测装置，属于植入式医疗电子仪器技术领域。

背景技术

无源无线声表面波传感检测系统是近年来传感检测系统领域的一个研究热点，其系统基本是由声表面波传感器模块、天线模块和质询器模块三部分构成。其工作原理为：质询器通过天线发出射频质询信号，声表面波传感器接收质询信号并将待测的物理信号转换为频率信号或相位信号通过天线响应质询器，质询器通过一定的处理将声表面波传感器返回的响应信号转化为对应的物理量。通常，上述系统质询器的工作频率为声表面波传感器的谐振频率。如，2009年4月30日公开的美国专利US2009109048(Al)“Wireless surface acousticwave-based proximity sensor，sensing system and method”给出了一种基于声表面波技术的无源无线传感及测量系统，并简要阐述了无源无线声表面波传感系统的工作原理；又如2010年2月17日公开的中国专利CN101650247“声表面波压力温度传感器”给出了一种声表面波温度压力传感器的设计及构造，并简要阐述了其传感原理。从这些专利文献中可以看出声表面波传感检测系统具有无源无线、体积小、功耗低、结构简单的优点，非常适合密闭环境里(如炼钢炉和轮胎)、恶劣环境条件下(如高压控制系统)或者化学反应过程中的环境参数的测量。

无源无线声表面波传感检测技术的上述优点使得其在尽可能小体积、尽可能简单结构和尽可能低功耗等要求较高的测量环境中使用具有一定的优势。例如，对于植入式电子器件和装置，无源无线声表面波传感检测手段应当成为测量生物体内部环境参数比较理想的技术。但是，植入式无源无线声表面波传感检测技术面临着以下几个技术难题：1)国际无线电管理组织对生物医学遥测通讯频带划分在433MHz附近，故应用于植入式的声表面波传感器件其工作频带应该设计在433MHz附近，然而在该频带由于频率较高，生理生物体对电磁波的衰减大并且不同组织对电磁波的衰减不同，例如，实验表明5mm厚度皮肤组织对433MHz的电磁波衰减大约15db～20db，这使得电磁信号在体内的传播变得相对困难。因而，在欧美日等发达国家和地区对于植入式声表面波传感领域的研究中，有些研究人员采用有线测量方式，如Nachappa Gopalsami，Ivan Osorio等人2007年7月在IEEE SENSORS JOURNAL发表的文章“SAW Microsensor BrainImplant for Prediction and Monitoring of Seizures”给出了一种癫痫患者脑部温度监控的植入式声表面波温度传感检测系统及装置，其探测的灵敏度可以达到0.005℃，但是该传感检测系统及装置的测量方式为有线测量，这使得其在植入式领域的应用受到限制。2)加大体外的电磁辐射能量，可以提高有用信号的信噪比，改善生物体内的通讯质量，但是过高的电磁辐射能量将造成生物体组织的损伤。世界上各种不同组织(FCC，OSHA)对植入式器件在生物体内发射的等效功率有不同的规定，在系统级上总体的功耗不得大于(10～20)mW/cm²。因而，如何在一定外界辐射功率条件下，增大信号传输距离提高信噪比，成为植入式无源无线声表面波传感检测装置的关键技术。目前，对于植入式传感检测系统及装置原理及应用的研究已经成为欧美日等发达国家和地区植入式电子系统领域的一个重要研究方向。G.Martin，P.Berthelet，J.Masson等人在2005年IEEE Ulrrasonics Symposium第四卷2089-2092页发表的文章”Measuring the Inner Body Temperature using a Wireless TemperatureSAW-Sensor-Based System”旨在设计一个测量生物体消化系统温度的无源无线声表面波温度传感检测装置，给出了相对应的设计思路和技术方案，但由于其采用传统无源无线声表面波传感检测技术，即采用间断的射频脉冲或射频正弦脉冲串作为质询信号，且质询信号和回波信号工作在相同的射频频段，因而信号幅度弱并且信噪比差，测量距离短(约2～3cm)并且精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的适用于生物体内的植入式无源无线声表面波传感检测装置。

声表面波传感器本身具有测量精度高、无源、无线的优点，但是一般应用中由于采用基于间断的射频脉冲或射频正弦脉冲串作为质询信号的测量方式，使得其在信号衰减高的环境(如植入式环境)的应用中受到限制，本发明通过将声表面波技术和无线供能技术相结合，并将声表面波传感检测系统的能量供应和信号传输的频带分开，从而实现本发明的目的。

为实现以上发明目的，本发明采用的具体技术方案是：该植入式无源无线声表面波传感检测装置主要包括声表面波传感检测模块、无线供能模块、体内接收天线、体内发射天线、体外处理模块、体外接收天线和体外发射天线，体外处理模块的供能输出端与体外发射天线连接，体外处理模块的信号输入端与体外接收天线连接，所述体内接收天线与无线供能模块连接，所述无线供能模块与声表面波传感检测模块连接，所述声表面波传感检测模块与体内发射天线连接，所述体内接收天线置于体外发射天线的辐射区内，体外接收天线置于体内发射天线的辐射区内，所述声表面波传感检测模块和体内发射天线的中心频率相同，体内接收天线和体外发射天线的中心频率相同，体外接收天线和体内发射天线的中心频率相同，体内接收天线和体外发射天线的中心频率小于体外接收天线和体内发射天线的中心频率。

进一步地，本发明所述体内接收天线和体外发射天线的中心频率为1MHz～30MHz。

进一步地，本发明所述体外接收天线和体内发射天线的中心频率为50MHz～3GHz。

进一步地，本发明所述体外处理模块包括微处理器模块、信号发生模块、功率放大模块、低噪放大模块、带通滤波模块、下变频模块、本振模块、采集模块和显示模块，所述微处理器模块与信号发生模块连接，信号发生模块与功率放大模块连接，低噪放大模块与带通滤波模块连接，带通滤波模块与下变频模块连接，本振模块与下变频模块连接，下变频模块与采集模块连接，采集模块与微处理器模块连接，微处理器模块与显示模块连接。

进一步地，本发明所述声表面波传感检测模块包括声表面波传感器和有源振荡电路，所述声表面波传感器与所述有源振荡电路连接。

进一步地，本发明所述体内发射天线与所述有源振荡电路或声表面波传感器连接。

本发明通过将声表面波传感技术、植入式天线技术、无线供能技术相结合，并采用将声表面波传感检测系统的能量供应和信号传输的频带分开的技术，与现有的植入式无源无线声表面波传感检测技术相比，其具有以下优点：1)由于采用能量供应和信号传输频带分开并且将声表面波传感器与谐振电路结合的方式，改变了传统无源无线声表面波能量供应和信号传输交替共用同一频带的方式，实现了实时的连续不间断的生理参数测量；2)当体内接收天线和体外发射天线的中心频率为1MHz～30MHz时，尤适宜于生物体内电磁能量传播，提高了能量利用效率，从而在相同体外能量供应的条件下，提高了测量距离，相应地，测量精度也得到提高；3)本发明声表面波传感检测装置具有无源无线、结构简单的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图；

图2是本发明中声表面波传感检测模块的一种实施方式的结构示意框图；

图3是图2所示的声表面波传感检测模块的第一种电路原理图；

图4是图2所示的声表面波传感检测模块的第二种电路原理图；

图5是本发明中无线供能模块的一种实施方式的结构示意框图；

图6是图5所示的无线供能模块的一种电路原理图；

图7是本发明中体外处理模块的一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

本发明结合了声表面波传感器技术、植入式天线技术、无线供能技术，具有无源无线、结构简单、精度高、测量距离远等优点。

下面结合附图对本发明做出详细说明：

在图1中，本发明植入式无源无线声表面波传感检测装置包括体外部分8和体内部分10。其中，体外部分8置于生物体的体外，由体外处理模块5、体外接收天线6和体外发射天线7构成；体内部分10植入于生物体体内，由声表面波传感检测模块1、无线供能模块2、体内接收天线3和体内发射天线4构成。体外处理模块5的供能输出端与体外发射天线7连接，体外处理模块5的信号输入端与体外接收天线6连接，体内接收天线3与无线供能模块2连接，无线供能模块2与声表面波传感检测模块1连接，声表面波传感检测模块1与体内发射天线4连接。体外处理模块5通过体外发射天线7发射能量，体内接收天线3耦合体外发射天线7发射的交流信号能量，无线供能模块2将该交流信号能量转化为稳定直流信号能量为声表面波传感检测模块1提供激励，声表面波传感检测模块1将待测的温度、压力、血流量等生理信号转变为对应的频率信号，体内发射天线4将该频率信号传输到体外，体外接收天线6接收体内发射天线4发射出的携带有温度压力血流量等生理参数的频率信号，并将其传输给体外处理模块5，体外处理模块5通过高频数字频率计或者先下变频后通过A/D转换进入微处理器通过FFT算法获取频率，再转换为相应的生理参数。

在图1中，体内接收天线3置于体外发射天线7的辐射区内，体外接收天线6置于体内发射天线4的辐射区内。体外接收天线6和体内发射天线4的中心频率相同，通常为50MHz～3GHz，且其中心频率和声表面波传感检测模块1的中心频率相同，以完成生理信号的传输。体内接收天线3和体外发射天线7的中心频率相同，当位于1MHz～30MHz时，可提高本发明装置体内部分10对能量的接收，高效率地将能量从体外耦合传输至体内。

综上，本发明装置将声表面波传感检测技术中的能量供应和信号传输分离开来，在生物体这样的高衰减环境中获得更远的测量距离。经过试验测试，本发明当体内接收天线3和体外发射天线7的中心频率为1MHz～30MHz时，其在相同的发射功率条件下的测量距离为采用基于间断的射频脉冲或射频正弦脉冲串作为质询信号的测量方式的植入式无源无线声表面波传感检测装置的10～20倍。例如，当体内接收天线3和体外发射天线7的中心频率为1MHz～30MHz时，在体外发射天线7的发射功率为25dbm、体内接收天线3和体外发射天线7的耦合距离为3cm的能量供应下，本发明的测量距离可以达到30cm；而采用基于间断的射频脉冲或射频正弦脉冲串作为质询信号的测量方式的植入式无源无线声表面波传感检测装置在发射功率为25dbm、发射频率为433MHz时，其测量距离约为2～3cm。

本发明的体外发射天线7可以为4匝直径为10cm的电感线圈；体内接收天线3可以为20匝直径为10mm的电感线圈。体内发射天线4可以是绕制的螺旋电感，也可以是采用PCB印制电路板技术印制的平面天线，也可以是陶瓷介质天线；体外接收天线6可以为常见的偶极子天线，也可以为其他类型的天线。

如图2所示，作为本发明的一种实施方式，声表面波传感检测模块1包括声表面波传感器11和有源振荡电路12。无线供能模块2与有源振荡电路12连接，体内发射天线4与声表面波传感器11连接或者与有源振荡电路12连接。本发明采用有源振荡电路和声表面波传感器相结合的技术，通过直流供能的方式即可使声表面波传感器工作，从而解决了因传统的无源无线声表面波传感器需要射频供能而导致生物体内射频信号衰减大、测量距离近的问题。其中，声表面波传感器11具有对植入体内温度、压力、血流量等生理信号敏感的特性。声表面波传感器11可以为单端口声表面波传感器或双端口声表面波传感器，如SENGENUITY公司生产的TFSS433D SAW温度传感器。如图5所示，无线供能模块2包括整流模块21和稳压模块22。整流模块21与体内接收天线3连接，整流模块21与稳压模块22连接，稳压模块22与声表面波传感检测模块1连接。其中，整流模块21可以是全波整流方式，也可以是半波整流方式。整流模块21将体内接收天线3耦合的交流能量信号转化为直流能量信号。稳压模块22可以是无源稳压网络，也可以是有源稳压网络。稳压模块22将整流模块21整流后的直流信号转化为稳定的电压信号，从而为声表面波传感检测模块1提供工作电压。声表面波传感检测模块1具有对生物体内温度压力信号敏感的特征，在稳定的工作电压下将温度压力信号转换为对应的频率信号。然后，通过体内发射天线4将携带待测生理参数信息的电磁信号发射到体外。

图3中，S111为声表面波传感器11，S111为单端口或双端口声表面波传感器，其要求具有较高品质因数和较低插入损耗的特性，声表面波传感检测模块1的工作频率由S111决定，而S111频率又由生物体内温度、压力、血流量等生理信号决定。电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C31、电容C32、三极管Q31和电感L31构成有源振荡电路12。其中，电阻R31和电阻R32连接，为三极管Q31提供直流偏置电压；电容C31、电容C32和电感L31形成振荡网络，其振荡频率等于或接近S111频率；电容C33与S111连接，C33为隔直电容；三极管Q31基极与电阻R31、电阻R32、电容C33分别连接，三极管Q31集电极与电感L31、电容C31分别连接，三极管Q31发射极与电阻R33、电容C31、电容C32分别连接。在图3中，L31可以是射频线圈电感，起调谐作用。体内发射天线4可以由A点接入使其与有源振荡电路12连接，或者直接以L31作为体内发射天线4。在图3中，G点为稳压模块22的接入点。

图4中，S112为声表面波传感器11，S112为单端口或双端口声表面波传感器，其要求具有较高品质因数和较低插入损耗的特性，声表面波传感检测模块1的工作频率由S112决定，而S112频率又由植入体内温度、压力、血流量等生理信号决定。电阻R41、电阻R42、电阻R43、电容C41、电容C42、三极管Q41和电感L41构成有源振荡电路12。其中，电阻R41和电阻R42连接，为三极管Q41提供直流偏置电压；电容C41、电容C42和电感L41形成振荡网络，其振荡频率等于或接近S111中心频率；电容C43与S112连接，C43为隔直电容；三极管Q41基极与电阻R41、电阻R42、电容C43分别连接，三极管Q41集电极与电感L41、电容C41分别连接，三极管Q41发射极与电阻R43、电容C41、电容C42分别连接。图4中的L41可以是射频线圈电感，起调谐作用。体内发射天线4可以由B点接入使其与声表面波传感器11连接，或体内发射天线4由C点接入使其与有源振荡电路12连接。本发明装置还可以直接以L41作为体内发射天线4。在图4中，H点为稳压模块22的接入点。

图6中，二极管D61、二极管D62、二极管D63和二极管D64构成整流模块21的一种电路；稳压模块22为稳压电容C62。其中，D、E两点为体内接收天线3的接入点；C61为调谐电容，与体内接收天线3构成振荡回路；D61、D62、D63和D64构成全波整流桥，将体内接收天线3耦合感应到的交流信号转化为直流信号；C62为稳压电容，将整流后的直流信号转化为稳定的电压信号。图6中的F点与图3中的G点或者图4中的H点连接，为图3、图4所示的声表面波传感检测模块1提供工作电压。

如图7所示，体外处理模块5包括八个部分：微处理器模块71、信号发生模块72、功率放大模块73、低噪放大模块74、带通滤波模块75、下变频模块77、本振模块76、采集模块78和显示模块79。其中，微处理器模块71与信号发生模块72连接，信号发生模块72与功率放大模块73连接，低噪放大模块74与带通滤波模块75连接，带通滤波模块75与下变频模块77连接，本振模块76与下变频模块77连接，下变频模块77与采集模块78连接，采集模块78与微处理器模块71连接，微处理器模块71与显示模块79连接。M、N两点为供能输出端，为体外发射天线7的接入点；L点为信号输入端，为体外接收天线6的接入点。信号发生模块72功率放大模块73和体外发射天线7构成体外能量供应部分；微处理器模块71、低噪放大模块74、带通滤波模块75、下变频模块77、本振模块76、采集模块78、显示模块79构成体外信号处理部分。微处理器模块71可以采用TI公司的TMS320VC5502芯片，其主频高达300MHz并且支出多种类型的外部存储器访问；中频发生模块72可以采用ADI公司的AD9858芯片，其为一款DDS芯片输出频率高达200MHz，可以满足本发明的供能信号输出要求；功率放大模块73可以选用Mini Circuits公司的TIA-1000-1R8功放模块，在1M～30MHz的频带范围内，其增益高达35db；低噪放大模块74可以选用ADI公司的ADL5521；带通滤波模块75可以选用EPCOS公司的B3550芯片；高频本振模块76以采用ADI公司的ADF4360-7芯片；下变频模块77可以选用MiniCircuits公司的ADE-R1+芯片；采集模块78可以采用ADI公司的AD9237芯片；显示模块79可以采用通用的LED数码管。

本发明装置的工作过程如下：体外处理模块5的微处理器模块71启动信号发生模块72产生适合生物体内能量传输的1MHz～30MHz范围内的某一频率信号，该频率信号经过功率放大模块73放大后通过体外发射天线7发射能量以启动本发明装置的体内部分10工作。体内部分10通过体内接收天线3耦合体外发射天线7发射的能量，该能量为交流信号，然后通过无线供能模块2的整流模块21将体内接收天线7耦合感应的交流信号能量转化为直流信号能量，然后通过稳压模块22产生稳定的直流电压。该直流电压作作为激励信号为声表面波传感检测模块1提供工作电压。此时，声表面波传感检测模块1中的声表面波传感器11便将携带温度、压力和血流量等生理参数信息的射频信号通过与其相连的体内发射天线4发送到体外。体外接收天线6接收体内发射天线4发射出的射频信号，并将其传输给体外处理模块5的低噪放大模块74，然后通过带通滤波器75传递给下变频模块77。下变频模块77将该信号和本振模块76进行混频后，经采集模块78传递给微处理器模块71，微处理模块71通过FFT算法获取频率，再转换为相应的生理参数通过显示模块79显示。

Claims (6)

1.一种植入式无源无线声表面波传感检测装置，其特征在于：它包括声表面波传感检测模块、无线供能模块、体内接收天线、体内发射天线、体外处理模块、体外接收天线和体外发射天线，体外处理模块的供能输出端与体外发射天线连接，体外处理模块的信号输入端与体外接收天线连接，所述体内接收天线与无线供能模块连接，所述无线供能模块与声表面波传感检测模块连接，所述声表面波传感检测模块与体内发射天线连接，所述体内接收天线置于体外发射天线的辐射区内，体外接收天线置于体内发射天线的辐射区内，所述声表面波传感检测模块和体内发射天线的中心频率相同，体内接收天线和体外发射天线的中心频率相同，体外接收天线和体内发射天线的中心频率相同，体内接收天线和体外发射天线的中心频率小于体外接收天线和体内发射天线的中心频率。

2.根据权利要求1所述的植入式无源无线声表面波传感检测装置，其特征在于：所述体内接收天线和体外发射天线的中心频率为1MHz～30MHz。

3.根据权利要求1或2所述的植入式无源无线声表面波传感检测装置，其特征在于：所述体外接收天线和体内发射天线的中心频率为50MHz～3GHz。

4.根据权利要求1或2所述的植入式无源无线声表面波传感检测装置，其特征在于：所述体外处理模块包括微处理器模块、信号发生模块、功率放大模块、低噪放大模块、带通滤波模块、下变频模块、本振模块、采集模块和显示模块，所述微处理器模块与信号发生模块连接，信号发生模块与功率放大模块连接，低噪放大模块与带通滤波模块连接，带通滤波模块与下变频模块连接，本振模块与下变频模块连接，下变频模块与采集模块连接，采集模块与微处理器模块连接，微处理器模块与显示模块连接。

5.根据权利要求1或2所述的植入式无源无线声表面波传感检测装置，其特征在于：所述声表面波传感检测模块包括声表面波传感器和有源振荡电路，所述声表面波传感器与所述有源振荡电路连接。

6.根据权利要求5所述的植入式无源无线声表面波传感检测装置，其特征在于：所述体内发射天线与所述有源振荡电路或声表面波传感器连接。

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