CN102832927A - 适合于cmos工艺实现的植入式am发射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射方法及系统。所述系统包括无线电源接收与恢复单元、低噪声模拟前端单元、基波缓冲隔离器、调制载波产生电路、射频缓冲隔离器、AM调制器、选频滤波器和功率放大器，AM调制器核心为一个工作于线性区的集成MOS晶体管，本发明采用的AM发射系统完全可用集成电路CMOS工艺实现，适合集成于SOC芯片，具有良好的推广价值。本发明大大地简化了植入生物体内设备的复杂度，减小了其功耗。另外，采用无线电源对植入体内的设备进行供电，可以使植入式设备获得长时间的使用寿命，避免电池引起的化学污染。

Description

适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射方法及系统

 

技术领域

本发明涉及生物医学植入式环境下对生物体内神经信号等生物电行为信号的无线传输、监控与记录，涉及无线通信、通信集成电路、射频电子电路、无线能量传感及生物医用微电子学等交叉领域，具体涉及一种适合于CMOS工艺实现的具有无线电源的植入式生物电信号AM发射方法及系统。

背景技术

对目前，随着电子信息技术、无线通信技术、半导体集成电路技术、生物医疗技术的迅猛发展，电子、生物、医疗等诸多领域相互融合、彼此促进，使生物医疗为目的的生物医学微电子技术逐步成为一个新兴的研究领域。

对于生物体神经网络体系研究、生物体工程学研究、脊椎修复恢复肢体运动、视觉修复、人工耳蜗等前沿技术领域的研究，需要依靠对大量神经信号等生物电行为信号进行长期的实时监测与记录来完成。目前，传统的生物医学研究一般采用有线连接的方式将微电极阵列所采集的生物体内电行为信号传输到生物体外的监测与记录设备中，再进行后续的信号处理及研究。这种有线传输方式不仅导致生物体的检测创口因长期保持开放而易受细菌感染，同时也无法监测与记录到生物体在无束缚、无麻醉的日常条件下的多种生物电信号，而且微弱的生物电信号在由体内向体外进行中短距离有线传输的过程中极易受到外加自由空间的已有电磁辐射的干扰，影响监测与记录的精度。因此，传统的生物医学技术手段已显得越发力不从心，迫切需要一种先进的生物医用植入式微电子无线通信技术在生物体内对神经信号等生物电行为信号进行降噪放大后，实现日常无束缚、无麻醉条件下的无线监测与记录。

目前，业界在植入式环境下对生物电信号的无线传输方面处于起步研究阶段，已有的植入式生物电信号无线传输设备以OOK、ASK、FSK等数字监控方式为主。由于生物体内的神经等生物电行为信号均属于模拟弱信号，上述数字监控的通信方式需要在体内植入设备的前端加上模数转换器（ADC）与数字基带处理电路，用于将模拟的生物电信号转换为数字信号，并进行数据打包、加帧、编码等操作，由此造成的电路复杂度提高、体积增大、功耗增加等问题，不利于生物体内的植入作业。另外，这类植入式设备常使用植入式内置电池进行供电，使植入式设备无法获得长时间的使用寿命，而且在植入式设备体积、电池的化学污染、生物排异等方面也存在问题。

本专利申请主要针对在植入式环境下对生物体神经信号等生物电行为信号的无线传输、监测与记录等需求，提供一种适合于CMOS集成电路工艺实现的具有无线电源的植入式生物电信号AM发射方法及系统。该方法无需模数转换器与数字基带处理电路，大大地简化了植入生物体内设备的复杂度，减小了其功耗。另外，采用无线电源对植入体内的设备进行供电，可以使植入式设备获得长时间的使用寿命，避免电池引起的化学污染。本专利申请可以促进生物医学前沿技术领域自主知识产权的发展，为全民健康工程中的个性化医疗提供新的技术解决方案，为我国尖端生物医疗事业提供新的经济增长点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射方法及系统，以满足在生物医用植入式环境下对生物体内神经信号等生物电行为信号的无线传输、监测与记录需求。

适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射方法，包括以下步骤：

a、基于电磁感应耦合对空间辐射的无线电能信号进行感应匹配接收与整流，再对整流后的信号进行直流电源电压的恢复与稳压，输出足够功率的直流电源电压为植入体内的电路提供稳定的电能；

b、对传感器采集的生物电信号进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大的模拟前端处理，并在处理后的生物电信号中加入直流电平；

c、分别在工作于线性区的集成MOS晶体管的栅极加载b处理后的信号，漏极加载高频调制载波，利用所述MOS晶体管的伏安特性，在所述MOS晶体管输出电流中实现AM调制操作，并将所述电流信号转化为电压模式信号输出，在所述输出的电压模式信号中包含所需的AM调制信号；

d、对c处理后的信号进行选频滤波处理，抑制其中直流、基波、2倍频载波分量，分离并输出其中AM调制信号，实现在植入式环境下对生物电信号的AM调制与发射。

进一步的，上述的AM发射方法还包括：在c处理前进行高频调制载波的产生，并对高频调制载波进行缓冲与隔离，提高高频调制载波的信号功率与隔离度，实现与后级电路的阻抗匹配，并为后级电路提供稳定的静态偏置工作电压。

进一步的，上述的AM发射方法还包括：在d处理后还对AM调制信号进行功率放大与匹配发射。

本发明的适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射系统，包括无线电源接收与恢复单元、低噪声模拟前端单元、基波缓冲隔离器、调制载波产生电路、射频缓冲隔离器、AM调制器、选频滤波器和功率放大器，所述无线电源接收与恢复单元的输出端为所述系统其他各单元及电路提供稳定的电源电压；所采集的生物电信号送入所述低噪声模拟前端单元的输入端，所述低噪声模拟前端单元的输出端连接至所述基波缓冲隔离器的输入端，所述基波缓冲隔离器的输出端连接至所述AM调制器的信号输入端口，所述调制载波产生电路的输出端口连接至射频缓冲隔离器的输入端，所述射频缓冲隔离器的输出端连接至所述AM调制器的载波输入端口， AM调制器的调制深度输入端口用于接入调制深度的控制电平，AM调制器的输出端口连接至所述选频滤波器的输入端口，所述选频滤波器的输出端口连接至功率放大器的输入端口，所述功率放大器通过天线向空间进行无线发射。

进一步的，所述AM调制器包括一个工作于线性区的用于完成信号调制的第一集成MOS晶体管、一个工作于饱和区的用于载波信号及射频信号的缓冲及隔离的第二集成MOS晶体管M2、一个用于将电流信号转换为电压信号的负载阻抗Z、一个用于前后级直流偏置隔离及高通滤波的电容C1及一个用于直流偏置及高通滤波的电阻R1。传感器采集的生物电信号un经过所述低噪声模拟前端单元、基波缓冲隔离器后得到的信号us连接至所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端与所述电阻R1及所述第一集成MOS晶体管M1的栅极连接；所述电容C1与所述电阻R1构成高通滤波电路，抑制所述信号us中的低频噪声，获得信号us’加载至所述第一集成MOS晶体管M1的栅极；所述电阻R1的另一端为调制深度端口，连接至调制深度控制直流电平V_G，所述直流电平V_G控制所述第一集成MOS晶体管M1的栅极偏置电压，使所述第一集成MOS晶体管M1工作于线性区；所述调制载波产生电路与射频缓冲隔离器输出的载波信号uc连接至所述第二集成MOS晶体管M2的栅极，所述第二集成MOS晶体管M2的源端连接并加载至所述MOS晶体管M1的漏端；利用所述第一集成MOS晶体管M1的伏安特性，在所述第一集成MOS晶体管M1的输出电流中实现所述加载至栅极的输入信号us’与所述加载至漏极的载波信号uc的非线性相乘，所述第一集成MOS晶体管M1的输出电流信号中包含所需的AM调制信号及额外叠加的直流分量、基波分量和2倍频载波分量，随后通过与所述第二MOS晶体管M2漏端相连接的负载阻抗Z将所述输出电流信号转化为电压模式信号并输出至与之连接的所述的选频滤波器，通过所述选频滤波器滤除直流分量、基波分量及2倍频载波分量，获得所需要的AM调制信号。

进一步的，所述无线电源接收与恢复单元包括无线感应匹配网络、桥式整流电路、稳压电路、带隙基准电压源，所述无线感应匹配网络通过体内耦合线圈实现对空间中无线电能的感应接收，通过匹配网络与所述桥式整流电路连接并完成相互之间的阻抗匹配，所述桥式整流电路输出连接至所述稳压电路，所述稳压电路将桥式整流后的直流电平恢复与稳压为植入体内各电路所需的标准直流电源电压；所述稳压电路的输出还连接至所述电压带隙基准源的输入，所述电压带隙基准源根据稳压电路输出的直流电源电压产生植入体内各电路所需的多路静态偏置工作电压。

进一步的，所述低噪声模拟前端单元包括低噪声前置放大器、高带外抑制率带通滤波器、增益补偿放大器，作用是对采集的生物电信号进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大处理，达到改善系统链路信噪比的目的。

所述射频缓冲隔离器的作用是用于隔离前、后级电路之间的影响，提高信号隔离度，实现前后级电路间的阻抗匹配、对所述调制载波产生电路输出信号的功率放大，以及为后级所述新型AM调制器的载波输入端口提供稳定的静态偏置工作电压；所述基波缓冲隔离器的作用是用于隔离前、后级电路之间的影响，提高信号隔离度，实现对所述低噪声模拟前端单元输出信号的功率放大。

上述系统中，生物电信号被低噪声模拟前端进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大等处理后，通过基波缓冲隔离器送入新型AM调制器的信号输入端口；调制载波产生器产生所需的高频调制载波，通过射频缓冲隔离器送入新型AM调制器的载波输入端口；调制深度控制电平送入调制深度端口；AM调制器实现对信号输入与载波输入两端口信号的AM调制；通过选频滤波器从调制后信号中选通所需的AM调制信号并输出，抑制掉其中的直流分量、基波分量、2倍频载波分量；最终功率放大器对AM调制信号进行功率放大，并通过天线辐射到空间，完成生物电信号的AM发射。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：由于本发明植入式生物电信号发射方法及系统，采用AM模拟调制的无线通信方式，不需要高灵敏度的ADC等一系列复杂操作及电路，其新型AM调制器的核心仅为一个工作于线性区的集成MOS晶体管。而且该发射方法的系统解决方案采用无线供电方式，避免传统植入式内置电池在使用寿命、生物排异性方面的问题，使得其在实现上能以很低的复杂度与较高的可靠性满足植入式设备在体积、功耗、长期可持续工作等方面的苛刻要求。尤其是全系统可以完全用集成电路CMOS工艺实现，很适合集成于SOC芯片，具有良好的推广价值。

附图说明

图1为实例中一种适合于CMOS工艺实现的具有无线电源的植入式生物电信号AM发射方法及系统框图。

图2为图1所示的新型AM调制器核心电路的简化示意图。

图3为图1所示的无线电源接收与恢复单元的结构框图。

图4为图1的一个应用实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，本发明的实施和保护不限于此。

参照图1，本发明一种适合于CMOS工艺实现的具有无线电源的植入式生物电信号AM发射方法及系统，包括：无线电源接收与恢复单元18、低噪声模拟前端单元11、基波缓冲隔离器12、调制载波产生电路13、射频缓冲隔离器14、新型AM调制器15、选频滤波器16、功率放大器17。所述无线电源接收与恢复单元18的输出端连接到所述各单元及电路的电源接口，所采集的生物电信号                                               

送入所述低噪声模拟前端单元11的输入端，所述低噪声模拟前端单元11的输出端连接至所述基波缓冲隔离器12的输入端，所述基波缓冲隔离器12的输出端连接至所述新型AM调制器15的信号输入端口，所述调制载波产生电路13的输出端口连接至所述射频缓冲隔离器14的输入端，所述射频缓冲隔离器14输出端连接至所述新型AM调制器15的载波输入端口，所述新型AM调制器15的调制深度端口输入调制深度控制电平

，所述新型AM调制器15的输出端口连接至所述选频滤波器16的输入端口，所述选频滤波器16的输出端口连接至功率放大器17的输入端口，所述功率放大器17通过天线向空间进行无线发射。

图1中信号流程为：生物电信号

被所述低噪声模拟前端11进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大等处理后，通过所述基波缓冲隔离器12进一步功率放大后得到信号

；所述调制载波产生电路13产生所需的高频调制载波，通过所述射频缓冲隔离器14进一步功率放大后得到信号；信号

、与调制深度控制电平

分别送入所述新型AM调制器15的信号输入端口、载波输入端口、调制深度端口，所述新型AM调制器15实现对信号

、

的调制，并输出电压模式信号

；信号中包含了所需的AM调制信号及额外叠加的直流分量、基波分量、2倍频载波分量，通过所述选频滤波器16从信号中选通所需的AM调制信号

并输出，抑制掉直流分量、基波分量、2倍频载波分量；最终所述功率放大器17对AM调制信号

进行功率放大，并通过天线辐射到空间，完成对生物电信号un的AM调制与发射。

所述低噪声模拟前端单元11包括低噪声前置放大器、高带外抑制率带通滤波器、增益补偿放大器，作用是对生物电信号

进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大等处理，达到改善系统链路信噪比的目的。

所述射频缓冲隔离器14的作用是用于隔离载波产生电路13与新型AM调制器15之间的影响，提高信号隔离度，实现前后级电路间的阻抗匹配、对所述调制载波产生电路13输出信号的功率放大，以及为所述新型AM调制器15的载波输入端口提供稳定的静态偏置工作电压；所述基波缓冲隔离器12的作用是用于隔离低噪声模拟前端单元11与新型AM调制器15之间的影响，提高信号隔离度，实现对所述低噪声模拟前端单元11输出信号的功率放大。

图1中所述新型AM调制器15核心电路的简化示意图如图2所示，其实现调制操作的关键在于一个工作于线性区的集成MOS晶体管M1，M1的栅极加载来自于所述新型AM调制器15的信号输入端口的信号

与调制深度控制电平，M1的漏极加载来自于所述新型AM调制器15的载波输入端口的信号

。调制深度控制电平为晶体管M1的栅极静态偏置工作电压，该直流电平

使晶体管M1工作于线性区。利用该集成MOS晶体管M1工作于线性区的伏安特性，在M1的输出电流中实现栅极信号与漏极信号的非线性相乘，中包含所需的AM调制信号及额外产生的直流分量、基波分量、2倍频载波分量，随后再通过负载阻抗Z将该电流信号

转化为电压模式信号

并输出。集成MOS晶体管M2工作于饱和区，高频调制载波信号

由晶体管M2的栅极输入，通过晶体管M2的源随特性传递到晶体管M1的漏极，这样可以对高频调制载波信号起到缓冲的作用，同时对调制后输出的射频信号起到隔离的作用。

图1中所述无线电源接收与恢复单元18的结构框图如图3所示，包括无线感应匹配网络31、桥式整流电路32、稳压电路33、电压带隙基准源34。无线感应匹配网络31的作用是实现对空间中无线电能信号WP的感应接收，并完成与桥式整流电路32之间的阻抗匹配，使桥式整流电路32尽可能多的吸收电能；桥式整流电路32将无线感应匹配网络31感应接收到的交流电信号整流为幅度变化的直流电信号VC，并输出至稳压电路33的输入端；稳压电路33将此幅度变化的直流电信号VC稳压输出幅度相对稳定的标准直流电压VCC，为植入体内各模块提供工作电源电压；稳压电路33的另一输出端连接至电压带隙基准源34的输入端，通过电压带隙基准源34输出幅度更加稳定的多路静态偏置工作电压，为植入体内部分对电源电压稳定性要求较高的电路提供静态偏置。

    图4为图1的一个应用实例，图4中42表示为图1所述的发射方法及系统的实施实例。生物体外的无线能量发射器46向生物体内辐射无线电能信号WP，为42提供可持续的无线电能供给；植入体内的生物传感器41实现对生物体内神经信号、生物行为信号的采集并完成电学转换，输出生物电信号；42完成对信号

的AM调制，并发射射频信号

；生物体外的AM接收机43实现对射频信号

的AM接收与解调，输出信号

；生物体外电路44完成对信号

的模数转换，实现与计算机45的通信；通过计算机45内部的数据处理操作，最终完成对生物体内神经信号、生物行为信号的无线实时监测与记录。

本发明所述新型AM发射方法及系统的应用实例中，所接收的无线电能信号中心频率为13.56MHz，恢复输出的直流电源电压为1.8V；所发射的射频信号为AM形式、调制载频为433.92MHz；所采集的生物电信号最大频带宽度为100KHz。

本发明无需模数转换器与数字基带处理电路，大大地简化了植入生物体内设备的复杂度，减小了其功耗。另外，采用无线电源对植入体内的设备进行供电，可以使植入式设备获得长时间的使用寿命，避免电池引起的化学污染。

本发明AM发射系统可以完全用集成电路CMOS工艺实现，适合集成于SOC芯片，具有良好的推广价值。

本领域技术人员应当理解，本发明所公开的用于生物医学植入式环境下对生物体内神经信号、生物电行为信号的无线传输、无线监控与记录的适合于CMOS工艺实现的具有无线电源的植入式生物电信号AM发射方法及系统，可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (7)

1.适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射方法，其特征在于包括以下步骤：

a、基于电磁感应耦合对空间辐射的无线电能信号进行感应匹配接收与整流，再对整流后的信号进行直流电源电压的恢复与稳压，输出足够功率的直流电源电压为植入体内的电路提供稳定的电能；

b、对传感器采集的生物电信号进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大的模拟前端处理，并在处理后的生物电信号中加入直流电平；

c、分别在工作于线性区的集成MOS晶体管的栅极加载b处理后的信号，漏极加载高频调制载波，利用所述MOS晶体管的伏安特性，在所述MOS晶体管输出电流中实现AM调制操作，并将所述电流信号转化为电压模式信号输出，在所述输出的电压模式信号中包含所需的AM调制信号；

d、对c处理后的信号进行选频滤波处理，抑制其中直流、基波、2倍频载波分量，分离并输出其中AM调制信号，实现在植入式环境下对生物电信号的AM调制与发射。

2.如权利要求1所述的AM发射方法，其特征在于还包括：在c处理前进行高频调制载波的产生，并对高频调制载波进行缓冲与隔离，提高高频调制载波的信号功率与隔离度，实现与后级电路的阻抗匹配，并为后级电路提供稳定的静态偏置工作电压。

3.如权利要求1所述的AM发射方法，其特征在于在d处理后还对AM调制信号进行功率放大与匹配发射。

4.适合于CMOS工艺实现的植入式AM发射系统，其特征在于包括无线电源接收与恢复单元、低噪声模拟前端单元、基波缓冲隔离器、调制载波产生电路、射频缓冲隔离器、AM调制器、选频滤波器和功率放大器，所述无线电源接收与恢复单元的输出端为所述系统其他各单元及电路提供稳定的电源电压；所采集的生物电信号送入所述低噪声模拟前端单元的输入端，所述低噪声模拟前端单元的输出端连接至所述基波缓冲隔离器的输入端，所述基波缓冲隔离器的输出端连接至所述AM调制器的信号输入端口，所述调制载波产生电路的输出端口连接至射频缓冲隔离器的输入端，所述射频缓冲隔离器的输出端连接至所述AM调制器的载波输入端口， AM调制器的调制深度输入端口用于接入调制深度的控制电平，AM调制器的输出端口连接至所述选频滤波器的输入端口，所述选频滤波器的输出端口连接至功率放大器的输入端口，所述功率放大器通过天线向空间进行无线发射。

5.如权利要求4所述的植入式AM发射系统，其特征在于：所述AM调制器包括一个工作于线性区的用于完成信号调制的第一集成MOS晶体管（M1）、一个工作于饱和区的用于载波信号及射频信号的缓冲及隔离的第二集成MOS晶体管（M2）、一个用于将电流信号转换为电压信号的负载阻抗Z、一个用于前后级直流偏置隔离及高通滤波的电容（C1）及一个用于直流偏置及高通滤波的电阻（R1），传感器采集的生物电信号un经过所述低噪声模拟前端单元、基波缓冲隔离器后得到的信号us连接至所述电容（C1）的一端，所述电容（C1）的另一端与所述电阻（R1）及所述第一集成MOS晶体管（M1）的栅极连接；所述电容（C1）与所述电阻（R1）构成高通滤波电路，抑制所述信号us中的低频噪声，获得信号us’加载至所述第一集成MOS晶体管（M1）的栅极；所述电阻（R1）的另一端为调制深度端口，连接至调制深度控制直流电平V_G，所述直流电平V_G控制所述第一集成MOS晶体管（M1）的栅极偏置电压，使所述第一集成MOS晶体管（M1）工作于线性区；所述调制载波产生电路与射频缓冲隔离器输出的载波信号uc连接至所述第二集成MOS晶体管（M2）的栅极，所述第二集成MOS晶体管（M2）的源端连接并加载至所述MOS晶体管M1的漏端；利用所述第一集成MOS晶体管（M1）的伏安特性，在所述第一集成MOS晶体管（M1）的输出电流中实现所述加载至栅极的输入信号us’与所述加载至漏极的载波信号uc的非线性相乘，所述第一集成MOS晶体管（M1）的输出电流信号中包含所需的AM调制信号及额外叠加的直流分量、基波分量和2倍频载波分量，随后通过与所述第二MOS晶体管（M2）漏端相连接的负载阻抗（Z）将所述输出电流信号转化为电压模式信号并输出至与之连接的所述的选频滤波器，通过所述选频滤波器滤除直流分量、基波分量及2倍频载波分量，获得所需要的AM调制信号。

6.如权利要求4所述的植入式AM发射系统，其特征在于：所述无线电源接收与恢复单元包括无线感应匹配网络、桥式整流电路、稳压电路、带隙基准电压源，所述无线感应匹配网络通过体内耦合线圈实现对空间中无线电能的感应接收，通过匹配网络与所述桥式整流电路连接并完成相互之间的阻抗匹配，所述桥式整流电路输出连接至所述稳压电路，所述稳压电路将桥式整流后的直流电平恢复与稳压为植入体内各电路所需的标准直流电源电压；所述稳压电路的输出还连接至所述电压带隙基准源的输入，所述电压带隙基准源根据稳压电路输出的直流电源电压产生植入体内各电路所需的多路静态偏置工作电压。

7.如权利要求4所述的植入式AM发射系统，其特征还在于：所述低噪声模拟前端单元包括低噪声前置放大器、高带外抑制率带通滤波器、增益补偿放大器，作用是对采集的生物电信号进行噪声抑制、滤波、增益补偿放大处理。

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