CN102724017A - 植入式医疗仪器的无线通信装置 - Google Patents
植入式医疗仪器的无线通信装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102724017A CN102724017A CN201210183919XA CN201210183919A CN102724017A CN 102724017 A CN102724017 A CN 102724017A CN 201210183919X A CN201210183919X A CN 201210183919XA CN 201210183919 A CN201210183919 A CN 201210183919A CN 102724017 A CN102724017 A CN 102724017A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transceiver
- transmitting
- communication
- data
- receiving
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000006854 communication Effects 0.000 title claims abstract description 152
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 148
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims description 31
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 29
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 29
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 29
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 5
- 208000010086 Hypertelorism Diseases 0.000 claims description 3
- 206010020771 Hypertelorism of orbit Diseases 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 238000012795 verification Methods 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 abstract 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 abstract 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 2
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
植入式医疗仪器的无线通信装置，属于植入式医疗仪器技术领域。该装置由以下两部分组成：体外收发器及植入式体内收发器。该装置涵盖以下部分及特征：通信频带涵盖401MHz-406MHz及420MHz-445MHz，并可以实现以上频带内的自适应的跳频功能；一个体外收发器可以同时和多个体内收发器同时进行实时通信；穿体通信距离大于2m；调制方式灵活；通信速率及发射功率可以自适应调整；最高通信码率不低于100kbps；无线通信可以与既有的无线充电同时进行。本发明具有实现方式简单、通信过程可靠、智能化程度高、抗干扰能力强、体积小、传输功耗低、距离远和速度快等优点，能够实现一对多通信的功能，可广泛用于各类植入式医疗仪器系统。
Description
技术领域
本发明涉及植入式医疗仪器与双向无线通信装置，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，由植入式体内收发器和体外收发器组成，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，特点是低功耗、小型化、高可靠性。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，尤其是单位比特的功耗较低；植入式医疗仪器一般要求体积和重量尽量小，所以要求体内植入部分的通信电路及天线布置的小型化、立体化；植入式医疗仪器一般要求通信电路可靠性较高。
现有的植入式医疗仪器通信方式往往受制于低速率、近距离、一对一、抗干扰性差。这种低速率、近距离的通信方式存在单位比特传输功耗较高、实时监测以及远程监测不便等问题。而当通信距离提升到一定的程度时(如2m以上)，就会出现通信距离内存在其他相关或同类设备的问题，这就对植入式医疗仪器提出了新的要求：1)有效排除相关设备的干扰；2)在必要的时候可以实现体外收发器对植入式体内收发器一对多的通信。
本发明实现了一定距离的体内外通信(2m以上)，并在长距离的同时有效地减小了整体占用内部电路板的面积，实现了通信天线布置的小型化和立体化，整体保证了更高的可靠性，同时通过硬件的支持，在软件的帮助下实现了装置本身良好的自适应智能抗干扰性能及一对多的通信需求，并实现了发射功率的自适应，有效地降低了通信过程中发射功耗，很好地解决了植入式医疗仪器领域无线通信技术方面新的技术需求问题。
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RF通信方式的低功耗、小体积、高可靠性的智能化长距离数据通信装置，通过增加单个包中的数据比例，缩短数据通信时间，降低植入式医疗仪器的单位比特通信功耗，并通过CRC校验提高通信的可靠性。该装置只需改变软件，即可适用于不同的脉冲调制方式，如FSK、ASK、MSK等。本发明通过以下技术方案实现。
一种用于植入式医疗仪器的无线通信装置，所述无线通信装置包括：
体外收发器，其包括第一存储单元、第一控制单元、第一收发缓存、第一收发加密/解密及数据校验器、第一收发编码译码器、第一收发调制解调器、第一收发双工器、第一收发耦合网络和第一通信天线；
植入式体内收发器，其包括第二存储单元、第二控制单元、第二收发缓存、第二收发加密/解密及数据校验器、第二收发编码译码器、第二收发调制解调器、第二收发双工器、第二收发耦合网络、第二射频连接线和第二通信天线；
其中，所述第一控制单元与第二控制单元能够对通信过程进行控制；
所述第一收发编码译码器和第二收发编码译码器用于数据的编码译码；
所述第一收发调制解调器和第二收发调制解调器用于已编码数据的调制解调，并同时能够增大发射功率和放大接收信号；
所述第一收发双工器和第二收发双工器用于半双工收发模式之间的切换；
所述第一收发耦合网络和第二收发耦合网络用于收发前端的阻抗匹配。
优选地，所述第一通信天线和第二通信天线的通信频带涵盖401MHz-406MHz及420MHz-445MHz。
优选地，植入式体内收发器和体外收发器的无线通信通过检测接收信号误码率实现以上频带内的自适应的跳频功能。
优选地，一个体外收发器可以同时和多个植入式体内收发器进行实时通信，并能够判断出通信范围内的植入式体内收发器与植入者一一对应的关系。
优选地，当通信距离内存在其他正在工作中的体外收发器或植入式体内收发器时，或遇到强干扰的窄带信号时，或处于无线充电状态时，一个体外收发器和多个体内收发器同时进行的实时通信通过采用自适应跳频的方式正常进行。
优选地，所述数据的调制方式为FSK、AKS或MSK。
优选地，所述数据的校验使用循环冗余校验，并且采用请求一响应方式进行。
优选地，数据传输过程中植入式体内收发器发射功率可以自适应调整。
优选地，所述第一控制单元与第二控制单元被配置为按照以下步骤调整通信频带、通信速率和通信发射功率：
(1)通信进行的过程中，每接收到一定量的数据包，所述第一控制单元与第二控制单元都会对CRC的误码率进行统计；
(2)如果接收数据的误码率低于设定值，且发射方为植入式体内收发器，则判断接收数据的误码率是否较低；
(3)如果接收数据的误码率低于设定值且接收信号强度较大且发射方为植入式体内收发器，则由体外收发器通知植入式体内收发器降低发射功率以降低发射功耗；
(4)如果接收数据的误码率高于设定值，且发射方为植入式体内收发器，则判断发射功率是否已到最大值；
(5)如果接收数据的误码率高于设定值且发射功率尚未达到最大值且发射方为植入式体内收发器，则由体外收发器通知植入式体内收发器提高发射功率以提升通信质量；
(6)如果接收数据的误码率高于设定值且发射功率已到最大值且发射方为植入式体内收发器，或接收数据的误码率过高且发射方为体外收发器，则对接收到的信号强度进行判断；
(7)如果此时信号强度低于预设的阈值，则认为是距离过远导致接收信号强度降低以至于误码率过高；植入式体内收发器发现这个现象则需要通知体外收发器，由体外收发器发出降低速率的指令，并在数据包中通知植入式体内收发器新的速率，经过确认后双方转入新的通信速率进行通信；
(8)如果此时接收信号强度高于预设的阈值则认为是受到同频带相关设备的干扰，需要通过频带的改变确保通信质量；植入式体内收发器发现这个现象则需要通知体外收发器，并最终由体外收发器作为主设备发起更换频带的请求；这种情况下，植入式体内收发器和体外收发器均返回到公共频带，并重新商定通信频带；
(9)重新商定通信频带的功能由体外收发器主导，当跳频次数小于等于一定次数时，由体外收发器在401-406MHz的植入式医疗频段当中进行选择，使得选择的频带尽量远离曾经尝试过的频带；若跳频次数大于一定次数时，由体外收发器在420-445MHz的ISM频段当中进行选择。
优选地，所述植入式体内收发器延长线使用同轴电缆置于PCB电路板电路元器件及连线之上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)更加远的通信距离，更高的通信速率：2m的通信距离可以确保体内设备(包括植入式体内收发器)及各种体外辅助智能检测设备均处于体外收发器的检测范围当中，在较大流量、较快速度的数据传输的配合下，能够更加有效地综合获得的信息并采用智能算法，从而实现植入式刺激器参数、功耗的最优化。
(2)实现了一个体外收发器和多个体内收发器同时进行的实时通信：当通信距离增加时，经常会出现一个体外收发器通信范围内存在多个植入式体内收发器的问题。当这种情况出现时，本装置能够实现一对多的实时通信，并能够通过接收信号的强弱或已定义的别名判断出植入式体内收发器与植入者本身一一对应的关系，这种方式减少了体外收发器的数量，并且能够同时和多个集成了植入式体内收发器的智能传感设备(例如体动、心率信号传感器)相连接，实现有效信息的会聚，以便实现智能化的数据处理。
(3)该装置体积小，重量轻：植入式体内收发器部分的第二通信天线及第二射频连接线的创新性的优化处理使得整个植入式体内收发器占用电路板的面积很小，并且有效地减轻了植入式体内收发器的整体重量，这对于植入式仪器小体积、低重量的特征来说是非常有利的。
(4)该装置能够实现自适应的跳频：当通信距离内存在其他正在工作中的体外收发器或植入式体内收发器时，或遇到强干扰的窄带信号时，可以由体外收发器发起跳频请求，并最终实现自适应跳频的功能，整个系统的频带范围包括401-406MHz的MICS专用植入式医疗频带，不易受到周围无线设备的干扰；同时包括420-445MHz的通用ISM频带，当周围医疗无线设备密集的时候依旧可以实现可靠的交互与通信，这很好的保证了装置的可靠性和实时性。
(5)通信速率可以根据通信接收信号的质量进行智能化的自适应调整：当跳频的方式依旧不能够满足通信质量的需求时(体外收发器和植入式体内收发器相隔距离较远)，将通过主动降低通信速率的方式降低通信误码率，保证通信的实时性与可靠性。
(6)植入式体内收发器发射功率可以根据体外收发器接收信号的质量进行智能化的自适应调整：当体外收发器接收到的信号误码率很低且信号强度很强时，将通知植入式体内收发器降低发射强度以降低发射功耗；当体外收发器接收到的信号误码率很高时，将通知植入式体内收发器增强发射强度以提高信号质量。
(7)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无线通信系统整体示意图。
图2是体外收发器原理框图。
图3是植入式体内收发器原理框图。
图4是第二射频连接线与植入式体内收发器、第二通信天线之间的布置方式示意图。
图5是第二射频连接线、第二通信天线与植入式体内收发器PCB板间连接示意图。
图6是频带(自适应跳频)、通信速率及体内发射功率调整流程图。
图7是通信建立流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的用于植入式医疗仪器的长距离自适应智能低功耗无限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的长距离自适应智能低功耗无线通信装置，包括植入式体内收发器2、体外收发器3，其中体内收发器2置于植入式医疗仪器1当中植入皮肤下。植入式体内收发器2和植入式医疗仪器1使用串口、SPI等方式进行有线的通信；体外收发器3通过串口、SPI、CAN、USB等方式与其他上级设备通过有线的方式进行通信；植入式体内收发器2和体外收发器3的交互使用RF无线通信方式。植入体内的植入式体内收发器2尽量简单，集成化程度高，元器件数量少，占用电路板面积小，一方面降低功耗，另一方面提高可靠性。体外收发器3限制较少，改进天线设计、提高发射功率、在通信发起及自适应跳频过程中起到分配频带的作用，并且可以实现对多个植入式体内收发器2的实时通信、还可以和其他与植入式体内收发器2使用射频通信规约相同的收发器或传感器进行通信，汇聚信息并实现一定水平的数字信号处理功能，来补偿植入式体内收发器2电能及体积有限的不足，满足无线双向通信系统的整体性能要求。
如图2所示，体外收发器3：包括第一存储单元4、第一控制单元5、第一收发缓存6、第一收发加密/解密及数据校验器7、第一收发编码译码器8、第一收发调制解调器9、第一收发双工器10、第一收发耦合网络11、第一通信天线12。其中：
其中，第一存储单元4中存储了通信控制程序、体外收发器3的地址信息，并为程序的执行提供了动态内存。其中，通信控制程序及相关数据可以通过该无线通信或USB、串口通信等通信方式与上位机交互实现软件更新。第一存储单元4通过全双工的方式与第一控制单元5进行数字信号的交互。
第一控制单元5可以是MCU、DSP、CPLD、FPGA、嵌入式核心及包含以上一种或几种逻辑器件的片上系统，与第一存储单元4、第一收发缓存6相连接，并可以实现与上述二者的全双工数字交互，亦可以通过数据接口(如串口、SPI口)连接其他元件、芯片或设备，与植入式医疗仪器1的其他部分可以实现有效的实时信息交互。第一控制单元5需要将待发送的数据传送至第一收发缓存6，并通过内部中断触发的方式及时从第一收发缓存6读取需要接收的数据，并将必要的数据存储至第一存储单元4。第一控制单元5还需要承担通信规约控制、频带设定、通信速率设定等功能，当根据CRC校验后的结果判断到接收信号质量降低的或被植入式体内收发器通过数据包告知通信质量降低的时候主动发起自适应跳频或降低通信速率的请求。
第一收发缓存6接收来自第一控制单元5的待发送数据(数字信号)并传送至第一加密/解密及数据校验器7，及接收第一加密/解密及数据校验器7的待接收数据(数字信号)并通过电平跳变的方式通知第一控制单元5有数据等待接收。
第一加密/解密及数据校验器7对数据起到了加密和解密的作用，并通过数据校验器在待发送数据包中加上了CRC校验码，并对待接收数据进行CRC校验，并在通过数字信号传递至第一收发缓存6时汇报CRC校验结果。
第一收发编码译码器8用于加密后数据的编码及解调后数据的译码，与第一加密/解密及数据校验器7及第一收发调制解调器9是实现双工交互，完成从一种数字信号到另一种数字信号的变换。
第一收发调制解调器9用于已编码数据的调制和解调，数据的调制方式可以在FSK、AKS、MSK三种方式中进行选择，需要将加密编码后的数据(数字信号)调制成频率、幅度等方面的模拟信号特征，并将该模拟信号加上高频载波以使其能够发射出去，解调则是一个相反的过程。在通信开始时，需要对调制解调方式进行设置，一般情况下为了在低发射功率下保持无线信号的抗干扰能力，选择FSK调制解调方式。同时具备了增大发射功率和放大接收信号的功能，通过集成功率放大器及低噪声放大器的方式实现。第一收发调制解调器9实现了模拟信号与数字信号的转换，与第一收发编码译码器8和第一收发双工器10实现双工交互。
第一收发双工器10用于半双工收发模式之间的切换。体外收发器的第一收发耦合网络11及第一通信天线12是发射和接收共用的，并且只能在一个时刻执行发射或接收功能中的一个，第一收发双工器10用来执行发送和接收切换的功能。第一收发双工器10与第一收发调制解调器9及第一收发耦合网络11相连，传递的信号为高频模拟信号。
第一收发耦合网络11用于收发前端的阻抗匹配，该耦合网络使用LC元件，组成π型阻抗匹配网络，在通信频带内实现了能量的最大化传输，该π型网络在401-406MHz以及420-445MHz的频带内实现了双向的输入、输出阻抗匹配，在一定程度上起到了滤波器的作用。第一收发耦合网络11与第一收发双工器10及第一通信天线12相连，传递的信号为高频模拟信号。
第一通信天线12的通信频带涵盖401MHz-406MHz及420MHz-445MHz，该天线直接与第一收发耦合网络相连接，具备一定的方向性，用于体外收发器射频信号的接收与发射。
如图3所示，植入式体内收发器2：包括第二存储单元13、第二控制单元14、第二收发缓存15、第二收发加密/解密及数据校验器16、第二收发编码译码器17、第二收发调制解调器18、第二收发双工器19、第二收发耦合网络20、第二射频连接线21、第二通信天线22。
其中：
其中，第二存储单元13中存储了植入式医疗仪器1的控制程序及相关参数，以及植入式体内收发器2的通信控制程序，并为程序及算法的执行提供了动态内存。其中，控制程序及相关参数可以通过该无线通信装置进行无线的更新。第二存储单元13通过全双工的方式与第二控制单元14通过数字信号进行交互。
第二控制单元14可以是MCU、DSP、FPGA及包含以上三种逻辑器件的片上系统的一种或几种，与第二存储单元13、第二收发缓存15相连接，并可以实现与上述二者的双工数字交互，亦可以通过数据接口(如串口、SPI口)连接其他元件、芯片或设备，与植入式医疗仪器1的其他部分可以实现有效的实时信息交互。第二控制单元14需要将需要发送的数据传送至第二收发缓存15，并通过内部中断触发的方式及时从第二收发缓存15读取需要接收的数据，并将必要的数据存储至第二存储单元13。第二控制单元14还需要承担通信规约控制、频带设定、通信速率设定、发射功率设定等功能，当接收信号质量降低的时候需要向体外收发器3通过第二收发缓存15发出通信质量降低的通知，以供体外收发器3进行频带及速率调整的决策。
第二收发缓存15接收来自第二控制单元14的待发送数据(数字信号)，及第二加密/解密及数据校验器16的待接收数据(数字信号)，并通过电平跳变的方式通知第二控制单元14有数据等待接收。
第二加密/解密及数据校验器16对数据起到了加密和解密的作用，并通过数据校验器在待发送数据包中加上了CRC校验码，并对待接收数据进行CRC校验，并在通过数字信号传递至第二收发缓存15时汇报CRC校验结果。
第二收发编码译码器17用于加密后数据的编码及解调后数据的译码，与第二加密/解密及数据校验器16及第二收发调制解调器18是实现双工交互，完成从一种数字信号到另一种数字信号的变换。
第二收发调制解调器18用于已编码数据的调制和解调，数据的调制方式可以在FSK、AKS、MSK三种方式中进行选择，需要将编码加密后的数据调制成频率、幅度等方面的特征，并将该模拟信号加上高频载波以使其能够发射出去，解调则是一个相反的过程。在通信开始时，需要对调制解调方式进行设置，默认选择FSK调制解调方式，只有当体外收发器3提出更改调制模式时才进行相应的调整。同时具备了增大发射功率和放大接收信号的功能，通过在集成功率放大器及低噪声放大器的方式实现。其中，出于降低功耗以及RF对人体辐射的考虑，功率放大器一般工作在较低的放大倍数上。第二收发调制解调器18实现了模拟信号与数字信号的转换，与第二收发编码译码器17和第二收发双工器19实现双工交互。
第二收发双工器19用于半双工收发模式之间的切换。植入式体内收发器2的第二收发耦合网络20第二射频连接线21及第二通信天线22是发射和接收共用的，并且只能在一个时刻执行发射或接收功能中的一个，第二收发双工器19正是用来执行发送和接收切换的功能。第二收发双工器19与第二收发调制解调器18及第二收发耦合网络20相连，传递的信号为高频模拟信号。
第二收发耦合网络20用于收发前端的阻抗匹配，该耦合网络使用LC元件，组成π型阻抗匹配网络，在通信频带内实现了能量的最大化传输，该π型网络在401-406MHz以及420-445MHz的频带内实现了双向的输入、输出阻抗匹配，在一定程度上起到了滤波器的作用。第二收发耦合网络20与第二收发双工器19及第二射频连接线21相连，传递的信号为高频模拟信号。
第二射频连接线21使用1mm以下线径的一定长度的射频同轴电缆构成，该射频同轴电缆选用阻抗为50Ω的柔性同轴电缆。起到连接作用的同时还具备波长匹配的作用。其外部屏蔽层双端接地，直接焊接至PCB板的地，内部芯线两端分别直接焊接至第二通信天线22及第二收发耦合网络20。该同轴电缆通过盘绕的方式置于电路板上方，并不额外占用电路板的面积，并可以实现良好的信号抗干扰性能。第二射频连接线21与第二收发耦合网络20及第二通信天线22相连，传递的信号为高频模拟信号。
第二通信天线22的通信频带涵盖401MHz-406MHz及420MHz-445MHz，该天线直接与第二收发耦合网络相连接，用于植入式体内收发器2收发器射频信号的接收与发射。
如图4所示，第二射频连接线21使用一定长度的射频同轴电缆构成，该射频同轴电缆选用阻抗为50Ω的柔性同轴电缆。两端分别连接至第二通信天线22及第二收发耦合网络20。该同轴电缆通过盘绕的方式置于植入式体内收发器2上方，并不额外占用PCB电路板的面积，且占用垂直于PCB板方向高度不超过1mm，并可以实现良好的信号抗干扰。该射频连接线长度为12cm-18cm之间，以实现波长的匹配，提高收发信号的质量和强度。
如图5所示，第二射频连接线21使用1mm以下线径的一定长度的射频同轴电缆构成。其第二射频连接线外部屏蔽层24双端接地，第二射频连接线外部屏蔽层24两端通过将屏蔽层网状屏蔽线加工成柔性抽头25引出，并将这两端的柔性抽头25分别直接焊接至植入式体内收发器PCB板26的地，以起到信号屏蔽的作用。焊接点挨近柔性抽头25的根部，但柔性抽头25成一定程度的弯曲，以提高抗拉扯能力。第二射频连接线芯线23两端分别直接焊接至第二通信天线22及第二收发耦合网络20，并在焊接端外部使用柔性绝缘套管27进行加固。第二射频连接线21置于植入式体内收发器PCB板26上方，并不额外占用植入式体内收发器PCB板26的面积，且占用垂直于植入式体内收发器PCB板26方向的高度不超过1mm，并可以实现良好的信号抗干扰。
如图6所示，本发明采取的智能化自适应跳频、通信速率和体内发射功率的自适应调整方法，该方法包括以下步骤：
1.通信进行的过程中，每接收到一定量的数据包，控制单元都会对CRC的误码率进行统计；
2.如果接收数据的误码率不过高，且发射方为植入式体内收发器2，则判断接收数据的误码率是否较低；
3.如果接收数据的误码率较低且接收信号强度较大且发射方为植入式体内收发器2，则由体外收发器3通知植入式体内收发器2降低发射功率以降低发射功耗；
4、如果接收数据的误码率过高，且发射方为植入式体内收发器2，则判断发射功率是否已到最大值。
5、如果接收数据的误码率过高且发射功率尚未达到最大值且发射方为植入式体内收发器2，则由体外收发器3通知植入式体内收发器2提高发射功率以提升通信质量。
6、如果接收数据的误码率过高且发射功率已到最大值且发射方为植入式体内收发器2，或接收数据的误码率过高且发射方为体外收发器3，则对接收到的信号强度进行判断；
7.如果此时信号强度低于某个阈值，则认为是距离过远导致接收信号强度降低以至于误码率过高。植入式体内收发器2发现这个现象则需要通知体外收发器3，由体外收发器3发出降低速率的指令，并在数据包中通知植入式体内收发器2新的速率，经过确认后双方转入新的通信速率进行通信；
8.如果此时接收信号强度高于某个阈值则认为是受到同频带相关设备的干扰，需要通过频带的改变确保通信质量3。植入式体内收发器2发现这个现象则需要通知体外收发器3，并最终由体外收发器3作为主设备发起更换频带(跳频)的请求。这种情况下，植入式体内收发器2和体外收发器3均返回到公共频带，并重新商定通信频带。
9.重新商定通信频带的功能由体外收发器3主导，当跳频次数小于等于一定次数时，由体外收发器3在401-406MHz的植入式医疗频段当中进行智能化的选择，选择的原则是尽量远离曾经尝试过的频带。若跳频次数大于一定次数时，由体外收发器3在420-445MHz的ISM频段当中进行智能化的选择。
如图7所示，本发明自适应调整方法决定了通信建立的流程同时也是灵活的，该方法包括以下步骤：
1.通信发起方在公共频带上发起地址检查广播；
2.接收方在公共频带上采用随机时间数(该随机数不大于一定的时间T)的方式延时回复自身地址及相关数据，以避免区域内回执的相互碰撞。相关数据可以包括该接收方的别名，但别名必须通过建立起一次成功的通信之后由发起方进行通信写入；
3.通信发起方收到这个数据包后，则过一定时间(该时间大于T)集中发送回执，以避免碰撞；
4.接收方若在一定时间内收到回执，则在公共频带内向发送方发送回执，否则延时的固定时间T将被延长，并继续采用随机数的方式给予发起方回复，既返回第二步；
5.通信发起方根据回执信号的强度(RSSI)做出距离的大致判定，再根据实际环境中人眼识别的空间距离，认为回执信号的强度(RSS工)越强则实际环境中的空间距离越近，并通过这个建立起一个大致对应的关系，可以判断出所需通信的接收方的地址(亦可以通过接收方的别名与接收方外观特征的对应关系判定出接收方的地址，而这个别名一般是通过第一次建立通信后人为通过体外收发器3告知植入式收发器2)，并在公共频带上向特定地址的接收方发起通信请求；
6.接收方收到请求后根据地址进行校验，如果地址是本接收方的地址，则发出应答指令。
7.收发双方在公共频带上建立通信；
8.由体外收发器3作为主设备，根据与其通信的其他类似设备所分配的频带，为与该植入式体内收发器2的通信在401-406MHz的频带中指定一个通信频率；
9.经过双方确认后，进入该指定的通信频率进行通信；
其中，若需要获取较高的通信速率(例如脑电数据的高比特率传输)，而不考虑通信的质量时，根据需求可以选择比特流通信，不需要接收方根据CRC校验结果给予答复，一旦长时间在规定频带内没有数据流的收发，则自动返回公共频带并切换到数据包收发方式。
本发明的基于RF的植入式医疗仪器的长距离自适应智能低功耗无线通信装置，支持多种用途的长距离、大流量、一对多、强干扰环境的数据通信，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、体内生理信号的无线传输、体外收发器与多个植入式医疗仪器同时的实时通信等。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。
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RF的植入式医疗仪器的长距离自适应智能低功耗无线通信装置的基础上，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 (10)
1.一种用于植入式医疗仪器的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置包括：
体外收发器，其包括第一存储单元、第一控制单元、第一收发缓存、第一收发加密/解密及数据校验器、第一收发编码译码器、第一收发调制解调器、第一收发双工器、第一收发耦合网络和第一通信天线；
植入式体内收发器，其包括第二存储单元、第二控制单元、第二收发缓存、第二收发加密/解密及数据校验器、第二收发编码译码器、第二收发调制解调器、第二收发双工器、第二收发耦合网络、第二射频连接线和第二通信天线；
其中，所述第一控制单元与第二控制单元能够对通信过程进行控制；
所述第一收发编码译码器和第二收发编码译码器用于数据的编码译码；
所述第一收发调制解调器和第二收发调制解调器用于已编码数据的调制解调，并同时能够增大发射功率和放大接收信号；
所述第一收发双工器和第二收发双工器用于半双工收发模式之间的切换；
所述第一收发耦合网络和第二收发耦合网络用于收发前端的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于：所述第一通信天线和第二通信天线的通信频带涵盖401MHz-406MHz及420MHz-445MHz。
3.根据权利要求2所述的无线通信装置，其特征在于：植入式体内收发器和体外收发器的无线通信通过检测接收信号误码率实现以上频带内的自适应的跳频功能。
4.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于：一个体外收发器可以同时和多个植入式体内收发器进行实时通信，并能够判断出通信范围内的植入式体内收发器与植入者一一对应的关系。
5.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于：当通信距离内存在其他正在工作中的体外收发器或植入式体内收发器时，或遇到强干扰的窄带信号时，或处于无线充电状态时，一个体外收发器和多个体内收发器同时进行的实时通信通过采用自适应跳频的方式正常进行。
6.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于：所述数据的调制方式为FSK、AKS或MSK。
7.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于：所述数据的校验使用循环冗余校验，并且采用请求一响应方式进行。
8.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于：数据传输过程中植入式体内收发器发射功率可以自适应调整。
9.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于，所述第一控制单元与第二控制单元被配置为按照以下步骤调整通信频带、通信速率和通信发射功率：
(1)通信进行的过程中，每接收到一定量的数据包，所述第一控制单元与第二控制单元都会对CRC的误码率进行统计；
(2)如果接收数据的误码率低于设定值，且发射方为植入式体内收发器，则判断接收数据的误码率是否较低；
(3)如果接收数据的误码率低于设定值且接收信号强度较大且发射方为植入式体内收发器，则由体外收发器通知植入式体内收发器降低发射功率以降低发射功耗；
(4)如果接收数据的误码率高于设定值，且发射方为植入式体内收发器，则判断发射功率是否已到最大值；
(5)如果接收数据的误码率高于设定值且发射功率尚未达到最大值且发射方为植入式体内收发器，则由体外收发器通知植入式体内收发器提高发射功率以提升通信质量；
(6)如果接收数据的误码率高于设定值且发射功率已到最大值且发射方为植入式体内收发器，或接收数据的误码率过高且发射方为体外收发器，则对接收到的信号强度进行判断；
(7)如果此时信号强度低于预设的阈值，则认为是距离过远导致接收信号强度降低以至于误码率过高；植入式体内收发器发现这个现象则需要通知体外收发器，由体外收发器发出降低速率的指令，并在数据包中通知植入式体内收发器新的速率，经过确认后双方转入新的通信速率进行通信；
(8)如果此时接收信号强度高于预设的阈值则认为是受到同频带相关设备的干扰，需要通过频带的改变确保通信质量；植入式体内收发器发现这个现象则需要通知体外收发器，并最终由体外收发器作为主设备发起更换频带的请求；这种情况下，植入式体内收发器和体外收发器均返回到公共频带，并重新商定通信频带；
(9)重新商定通信频带的功能由体外收发器主导，当跳频次数小于等于一定次数时，由体外收发器在401-406MHz的植入式医疗频段当中进行选择，使得选择的频带尽量远离曾经尝试过的频带；若跳频次数大于一定次数时，由体外收发器在420-445MHz的ISM频段当中进行选择。
10.根据权利要求1-3之一所述的无线通信装置，其特征在于：所述植入式体内收发器延长线使用同轴电缆置于PCB电路板电路元器件及连线之上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210183919.XA CN102724017B (zh) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 植入式医疗仪器的无线通信装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210183919.XA CN102724017B (zh) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 植入式医疗仪器的无线通信装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102724017A true CN102724017A (zh) | 2012-10-10 |
| CN102724017B CN102724017B (zh) | 2015-04-15 |
Family
ID=46949694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210183919.XA Active CN102724017B (zh) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 植入式医疗仪器的无线通信装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102724017B (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103561093A (zh) * | 2013-10-29 | 2014-02-05 | 北京品驰医疗设备有限公司 | 植入式医疗器械的无线程控系统 |
| CN103845809A (zh) * | 2012-12-07 | 2014-06-11 | 苏州景昱医疗器械有限公司 | 一种植入式医疗器械与体外控制器一对一无线通信方法 |
| CN105264736B (zh) * | 2013-07-29 | 2017-05-10 | 艾尔弗雷德·E·曼科学研究基金会 | 通过无线电链路进行植入物充电场控制 |
| CN107427685A (zh) * | 2015-01-09 | 2017-12-01 | 艾克索尼克斯调制技术股份有限公司 | 与神经刺激充电设备一起使用的附接设备及相关联方法 |
| CN107911139A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-04-13 | 乐普医学电子仪器股份有限公司 | 一种植入式医疗器械的无线通讯系统及方法 |
| CN108448741A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-24 | 合肥工业大学 | 一种自适应恒压高效率无线供电系统 |
| CN111013016A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-17 | 江苏微远芯微系统技术有限公司 | 一种用于心脏起搏器的唤醒式接收机 |
| CN111111007A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-08 | 北京品驰医疗设备有限公司 | 具有信号发射和接收灵敏度调整功能的植入式医疗系统 |
| WO2022120871A1 (zh) * | 2020-12-11 | 2022-06-16 | 苏州景昱医疗器械有限公司 | 自适应调节植入物发射功率的方法及系统 |
| US11642537B2 (en) | 2019-03-11 | 2023-05-09 | Axonics, Inc. | Charging device with off-center coil |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1820800A (zh) * | 2006-01-06 | 2006-08-23 | 清华大学 | 用于植入式医疗仪器的双向无线通信装置 |
| US20080015656A1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-17 | Bange Joseph E | Implantable medical device telemetry with periodic frequency hopping |
| US20080015655A1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-17 | Bange Joseph E | Implantable medical device telemetry with adaptive frequency hopping |
-
2012
- 2012-05-30 CN CN201210183919.XA patent/CN102724017B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1820800A (zh) * | 2006-01-06 | 2006-08-23 | 清华大学 | 用于植入式医疗仪器的双向无线通信装置 |
| US20080015656A1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-17 | Bange Joseph E | Implantable medical device telemetry with periodic frequency hopping |
| US20080015655A1 (en) * | 2006-07-12 | 2008-01-17 | Bange Joseph E | Implantable medical device telemetry with adaptive frequency hopping |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103845809A (zh) * | 2012-12-07 | 2014-06-11 | 苏州景昱医疗器械有限公司 | 一种植入式医疗器械与体外控制器一对一无线通信方法 |
| CN103845809B (zh) * | 2012-12-07 | 2016-05-11 | 苏州景昱医疗器械有限公司 | 一种植入式医疗器械与体外控制器一对一无线通信方法 |
| CN105264736B (zh) * | 2013-07-29 | 2017-05-10 | 艾尔弗雷德·E·曼科学研究基金会 | 通过无线电链路进行植入物充电场控制 |
| CN103561093A (zh) * | 2013-10-29 | 2014-02-05 | 北京品驰医疗设备有限公司 | 植入式医疗器械的无线程控系统 |
| US11484723B2 (en) | 2015-01-09 | 2022-11-01 | Axonics, Inc. | Attachment devices and associated methods of use with a nerve stimulation charging device |
| CN107427685A (zh) * | 2015-01-09 | 2017-12-01 | 艾克索尼克斯调制技术股份有限公司 | 与神经刺激充电设备一起使用的附接设备及相关联方法 |
| CN107911139A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-04-13 | 乐普医学电子仪器股份有限公司 | 一种植入式医疗器械的无线通讯系统及方法 |
| CN108448741A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-24 | 合肥工业大学 | 一种自适应恒压高效率无线供电系统 |
| CN108448741B (zh) * | 2018-03-14 | 2021-01-29 | 合肥工业大学 | 一种自适应恒压高效率无线供电系统 |
| US11642537B2 (en) | 2019-03-11 | 2023-05-09 | Axonics, Inc. | Charging device with off-center coil |
| CN111111007A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-08 | 北京品驰医疗设备有限公司 | 具有信号发射和接收灵敏度调整功能的植入式医疗系统 |
| CN111013016A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-17 | 江苏微远芯微系统技术有限公司 | 一种用于心脏起搏器的唤醒式接收机 |
| WO2022120871A1 (zh) * | 2020-12-11 | 2022-06-16 | 苏州景昱医疗器械有限公司 | 自适应调节植入物发射功率的方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102724017B (zh) | 2015-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102724017B (zh) | 植入式医疗仪器的无线通信装置 | |
| US8027727B2 (en) | Pacemaker RF telemetry repeater and method | |
| US7664553B2 (en) | System and method for enabling communications with implantable medical devices | |
| JP4705952B2 (ja) | 埋込み型医療装置におけるｒｆトランシーバ・デューティ・サイクルのシステムと方法 | |
| US8160704B2 (en) | System and method for enabling relayed communications by implantable medical devices | |
| US20110178577A1 (en) | Method and apparatus for operating a diversity antenna system for communicating with implantable medical device | |
| US9402530B1 (en) | Minimally invasive networked surgical system and method | |
| Bradley | Wireless medical implant technology—Recent advances and future developments | |
| CN100462113C (zh) | 一种植入式心脏起搏器遥测装置及双向数据传输方法 | |
| Sohn et al. | Ultra-low-power implantable medical devices: Optical wireless communication approach | |
| AU2006226930A1 (en) | Wearable personal area data network | |
| Guillory et al. | Hybrid RF/IR transcutaneous telemetry for power and high-bandwidth data | |
| CN102921103A (zh) | 植入式视觉假体神经刺激器 | |
| CN205121878U (zh) | 体域网环境下的超声波通信装置 | |
| US10076228B1 (en) | Minimally invasive networked surgical system and method | |
| Dmitriev et al. | Ultrawideband wireless body-area sensor networks | |
| Charles | Wireless data links for biomedical implants: Current research and future directions | |
| CN102813999B (zh) | 具备功率自适应调节功能的视觉假体无线传输系统及方法 | |
| CN202044652U (zh) | 一种具有中继通信功能的病人控制器及植入式医疗系统 | |
| US9743823B1 (en) | Minimally invasive networked surgical system and method | |
| Rezaei et al. | Low-power high-speed wireless transceivers and antennas for large-scale neural implants | |
| CN207543100U (zh) | 一种植入式医疗器械的背夹式程控设备及植入式医疗系统 | |
| CN107809261A (zh) | 一种植入式医疗器械的背夹式程控设备及植入式医疗系统 | |
| Parajuli et al. | A Review of Medical Implants Communication in Body Area Network | |
| CN117615817A (zh) | 用于植入物和外部设备之间的无线数据传输的通信系统和通信方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 102200 5th floor, building 1, No.1, Xingchang Road, Nanshao Town, Changping District, Beijing Patentee after: Beijing Pinchi Medical Equipment Co.,Ltd. Country or region after: China Patentee after: TSINGHUA University Address before: 102200 5th floor, building 1, No.1, Xingchang Road, Nanshao Town, Changping District, Beijing Patentee before: BEIJING PINS MEDICAL Co.,Ltd. Country or region before: China Patentee before: TSINGHUA University |