CN103271722B - 一种高速的植入式信号收发机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速的植入式信号收发机，包括第一传输电极、第二传输电极、折射微透镜和皮下植入芯片，其中皮下植入芯片的输出端连接于第一传输电极和第二传输电极，第一传输电极和第二传输电极贴合在皮下组织上，折射微透镜附着在皮下植入芯片上，且位于皮肤组织和皮下植入芯片之间。本发明利用人体组织的光电传输性质，将人体皮肤组织作为信号传输媒介，不需要通过金属连线将体内的植入器件与体外的设备相连，可以避免有线连接造成的伤口感染；本发明采用Blue tooth等无线数据通信技术相比，基于人体皮肤组织的光电传输特性的植入式信号收发机速度快，功耗更低，发热量较小，对植入体组织有利，同时能延长植入系统电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及一种高速的植入式信号收发机。
背景技术
实时的记录人的生理信号或对特定区域的区域进行刺激，对于科学研究和临床医疗都具有重大的意义。目前在学术界已经设计了很多种植入式的生理信号采集装置，将这些装置植入到体内可以提取各类生理信号。提取到的信号经过处理或者直接以原数据形式发送到体外的设备，从而实现对人体内生理机能的监控。另外，各种刺激装置，如传统的电刺激器、药物释放器以及最近发展的光刺激器，都可以植入体内的特定区域，将数据从体外设备传输到植入的刺激装置，就可以在特定时间提供特定的刺激。以上两类研究，都需要植入式装置与体外设备之间有高速的数据信号传输。
传统的技术方案，通过金属导线与外部设备与体内的植入装置直接相连来实现信号的传输。在医学应用中，通过金属导线将植入体内的装置与外部设备直接相连的传输方式容易导致二次感染。其次，这种方式一般会将被检测体麻醉，这样就很难记录处于非麻醉状态下自由活动的人的生理机能状况，且无法长期记录。再次，该方案在刺激与记录时无法做到双工通信。
另外一种方法，信号通过射频传输方式与外部设备通信。采用射频传输可以解决金属线传输的问题。但其缺点是传输速率慢，相对功耗高，且线圈体积大从而限制其植入位置。体内电路产生过大热量易造成组织损伤，易受到其他射频信号的干扰。
利用人体本身具有的导体性质以及相对稳定的光传输特质，采用体信道传输与光传输相结合的方式，不仅可以解决金属线传输的二次感染问题，而且相比于射频方式，可以实现低功耗的高速传输，减少发热量对组织造成的损伤。在延长植入系统电池的使用时间的同时，不易受周围环境的干扰。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高速的植入式信号收发机，以避免有线连接造成的伤口感染，提高数据传输速度，降低功耗，延长电池的使用寿命。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种高速的植入式信号收发机，该信号收发机包括第一传输电极1、第二传输电极2、折射微透镜3和皮下植入芯片4，其中皮下植入芯片4的输出端连接于第一传输电极1和第二传输电极2，第一传输电极1和第二传输电极2贴合在皮下组织上，折射微透镜3附着在皮下植入芯片4上，且位于皮肤组织和皮下植入芯片4之间。
上述方案中，所述第一传输电极1和第二传输电极2为与皮肤接触的干式电极，用于将皮下植入芯片4发出的电信号通过皮肤耦合传输到体外。
上述方案中，所述折射微透镜3采用光刻胶热回流技术制备，与皮下植入芯片4兼容，折射透镜3附着于皮下植入芯片4上，用于将透过皮肤组织的光信号聚焦到皮下植入芯片4上的光电探测器，以此增强光传输效率。
上述方案中，所述皮下植入芯片4包括光电探测器41、放大电路42、时钟恢复电路43、判决电路44、编码器45、时钟调整电路46、调制器47、驱动器48和电源管理电路49，其中：光电探测器41探测到体外装置传入的经过皮肤组织的光信号，将该光信号转化为电流信号，并经由放大电路42放大，时钟恢复电路43和判决电路44恢复，得到体外装置传入的经过皮肤组织的该光信号，然后输出给植入式设备；编码器45接收植入式设备的数据，时钟调整电路46根据输入的时钟生成两相不交叠时钟，通过调制器47和驱动器48产生双向电流信号，输出到第一传输电极1；电源管理电路49为皮下植入芯片4上的各单元供电，并产生一路参考电平Vcm，输出到第二传输电极2上。
上述方案中，所述驱动器48产生的双向电流，其强度为正负80至120微安培。所述时钟调整电路46，用于根据输入的时钟信号产生反向的两相不交叠时钟。所述编码器45，用于将输入的数据信号进行差分曼彻斯特编码。所述调制器47，用于将差分曼彻斯特编码的数据信号，与两相不交叠时钟调制，使驱动器48产生带有数据信号的正负电流，输出到第一传输电极1。所述放大电路42包括跨阻放大器421、限幅放大器422和主放大器423，其中，跨阻放大器421的输入与光电探测器41的输出相连，跨阻放大器421、限幅放大器422以及主放大器423顺序连接，跨阻放大器421将光电探测器41产生的电流信号转换为电压信号，经由限幅放大器422放大为摆幅足够大的电平信号，主放大器423完成对限幅放大器422增益的补充，最终使输出电平满足时钟恢复电路43和判决电路44的信号输入要求。所述跨阻放大器421，采用调节型共源共栅结构。
上述方案中，所述皮下植入芯片4和所述折射微透镜3由透明绝缘的生物相容性材料薄膜包裹，所述第一传输电极1和所述第二传输电极2由硅片制备。所述生物相容性材料薄膜允许体外装置的光信号传输到皮下植入芯片4上，同时隔绝皮下植入芯片4上的电信号，防止漏电对生物组织产生伤害，以及组织液渗透导致皮下植入芯片4失效。
(三)有益效果
本发明提供的这种高速的植入式信号收发机，其是利用人体组织的光电传输性质，将人体皮肤组织作为信号传输媒介，不需要通过金属连线将体内的植入器件与体外的设备相连，可以避免有线连接造成的伤口感染；本发明采用Blue tooth等无线数据通信技术相比，基于人体皮肤组织的光电传输特性的植入式信号收发机速度快，功耗更低，发热量较小，对植入体组织有利，同时能延长植入系统电池的使用寿命。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是皮肤的简化等效电路图；
图2是依照本发明实施例的高速的植入式信号收发机的结构示意图；
图3是图2中皮下植入芯片的结构示意图；
图4是图3中放大电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
人体皮肤组织具有导体的特性，Stephen J.Dorgan提出了皮肤组织的简化等效电路，如图1所示。其中，Rs为皮下组织的等效电阻，Rp是皮肤电阻，Cp是皮肤电容。由此可以利用人体皮肤组织的导电性，将皮肤组织作为传输植入式装置信号的信道。
请参阅图2至图4所示，本发明提供了一种高速的植入式信号收发机，该信号收发机包括第一传输电极1、第二传输电极2、折射微透镜3和皮下植入芯片4，其中皮下植入芯片4的输出端连接于第一传输电极1和第二传输电极2，第一传输电极1和第二传输电极2贴合在皮下组织上，折射微透镜3附着在皮下植入芯片4上，且位于皮肤组织和皮下植入芯片4之间。
第一传输电极1和第二传输电极2为与皮肤接触的干式电极，不使用导电膏，避免了由此产生的对皮肤及皮下组织的腐蚀和刺激，对皮肤及皮下组织接触无害。其作用是将皮下植入芯片4发出的电信号通过皮肤耦合传输到体外。
折射微透镜3采用光刻胶热回流技术制备，与皮下植入芯片4有很好的工艺兼容性。折射透镜3附着于皮下植入芯片4上，其作用是将透过皮肤组织的光信号聚焦到皮下植入芯片4上的光电探测器，以此增强光传输效率。
皮下植入芯片4(参阅图3)，该皮下植入芯片4的输出端与第一传输电极1和第二传输电极2连接，透过皮肤的光信号经过折射微透镜3聚焦在光电探测器41上，并完成体外设备与植入式装置的高速双工通信。其中皮下植入芯片4包括：
光电探测器41，该光电探测器为采用标准CMOS的叉指型结构，直接集成在皮下植入芯片4上，其作用是将收到的光信号转换为电流信号；放大电路42(参阅图4)，该放大电路42由高增益、低噪声的跨阻放大器421、限幅放大器422和主放大器423构成，其作用是将光点探测器41输出的微弱电流信号进行放大，同时将电流信号转化为电压信号；跨阻放大器421的输入与光电探测器41的输出相连，跨阻放大器421、限幅放大器422以及主放大器423顺序连接，跨阻放大器421将光电探测器41产生的电流信号转换为电压信号，经由限幅放大器422放大为摆幅足够大的电平信号，主放大器423完成对限幅放大器422增益的补充，最终使输出电平满足时钟恢复电路43和判决电路44的信号输入要求。时钟恢复电路43，从放大电路42输出的数据流中提取同步时钟信号，用于提取数据；判决电路44，采用从时钟恢复电路43得到的同步时钟，从放大电路42输出的数据流中提取数据；编码器45，将植入式装置输出的信号进行差分曼彻斯特编码并输出；时钟调整电路46，该电路将植入式装置提供的时钟进行调整，主要是生成两相不交叠时钟；调制器47，用时钟调整电路46产生的调整后时钟调制编码器45输出的曼彻斯特编码数据；驱动器48，根据皮肤细胞对电流及电压的耐受能力，设计驱动器48产生100uA的正反向电流，并根据调制器47输出的调制后信号驱动第一传输电极1，达到数据高速输出的目的；电源管理电路49，主要为皮下植入芯片4上的各个模块提供电源，并且产生一路稳定电平Vcm，Vcm等于二分之一Vdd，Vcm输出到第二传输电极2上，以保证第一传输电极1和第二传输电极2上的电流为双向电流，满足医疗设备关于电流平衡的要求，同时避免第一传输电极1和第二传输电极2的长时间单向电流传输导致电极极化。
本发明所提出的一种高速的植入式信号收发机，其中的折射微透镜3和皮下植入芯片4由透明的生物相容性材料(如：聚对二甲苯)薄膜包裹。第一传输电极1和第二传输电极2由硅片制备。
请再次参照图2至图4，本发明提供的这种高速的植入式信号收发机工作过程如下：典型的人体植入式设备的输出信号数据率在100Kbps到10Mbps之间，输出为非归零码NRZ。基于该输信号的速率，将其与同步时钟完成曼彻斯特编码，则调制后数据最大频率分量在20MHz左右。用此编码后的数据对驱动电路48进行高速调制，则可实现数据的基带传输。调制后的电流信号，以人体皮肤微传输信道，根据人体皮肤的等效电路模型，可知在皮肤外侧对应点可以采集到相应的电压信号，并可提取出传输的数据。与传统的RF数据传输相比，其速度大大提高，以此方式可以实现高速的数据输出。
另一方面，利用人体皮肤的光吸收和光散射特性，可知在600-1300nm波段的光波可以较好的穿透人体的表皮组织。基于现有可见光通信原理，采用简单的开关监控(OOK)方式，可以将输入的数据用850nm光信号传输。该光信号透过皮肤及皮下组织后，经过微透镜3，聚焦在光电传感器41上，并产生相应的光生电流信号。光生电流信号经过放大电路42得到数据波形，时钟恢复电路43可从该波形中得到同步时钟，并借由判决电路得到原传入数据。传入数据可以提供给植入式设备。这样就实现了体外到体内的高速数据传输。
以上两个通路的数据传输可以同时进行，没有相互干扰。由上述可知，输入输出的传输均为基带传输，相比于传统的射频传输方式，不需要将信号调制到高频载波后输出，简化了实现电路，同等传输频率下的数据率也大大提高，从而实现了高速的双工通信。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种高速的植入式信号收发机，其特征在于，该信号收发机包括第一传输电极(1)、第二传输电极(2)、折射微透镜(3)和皮下植入芯片(4)，其中皮下植入芯片(4)的输出端连接于第一传输电极(1)和第二传输电极(2)，第一传输电极(1)和第二传输电极(2)贴合在皮下组织上，折射微透镜(3)附着在皮下植入芯片(4)上，且位于皮肤组织和皮下植入芯片(4)之间；
其中，所述皮下植入芯片(4)包括光电探测器(41)、放大电路(42)、时钟恢复电路(43)、判决电路(44)、编码器(45)、时钟调整电路(46)、调制器(47)、驱动器(48)和电源管理电路(49)，其中：
光电探测器(41)探测到体外装置传入的经过皮肤组织的光信号，将该光信号转化为电流信号，并经由放大电路(42)放大，时钟恢复电路(43)和判决电路(44)恢复，得到体外装置传入的经过皮肤组织的该光信号，然后输出给植入式设备；
编码器(45)接收植入式设备的数据，时钟调整电路(46)根据输入的时钟生成两相不交叠时钟，通过调制器(47)和驱动器(48)产生双向电流信号，输出到第一传输电极(1)；
电源管理电路(49)为皮下植入芯片(4)上的各单元供电，并产生一路参考电平Vcm，输出到第二传输电极(2)上。
2.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述第一传输电极(1)和第二传输电极(2)为与皮肤接触的干式电极，用于将皮下植入芯片(4)发出的电信号通过皮肤耦合传输到体外。
3.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述折射微透镜(3)采用光刻胶热回流技术制备，与皮下植入芯片(4)兼容，折射微透镜(3)附着于皮下植入芯片(4)上，用于将透过皮肤组织的光信号聚焦到皮下植入芯片(4)上的光电探测器，以此增强光传输效率。
4.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述驱动器(48)产生的双向电流，其强度为正负80至120微安培。
5.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述时钟调整电路(46)，用于根据输入的时钟信号产生反向的两相不交叠时钟。
6.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述编码器(45)，用于将输入的数据信号进行差分曼彻斯特编码。
7.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述调制器(47)，用于将差分曼彻斯特编码的数据信号，与两相不交叠时钟调制，使驱动器(48)产生带有数据信号的正负电流，输出到第一传输电极(1)。
8.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述放大电路(42)包括跨阻放大器(421)、限幅放大器(422)和主放大器(423)，其中，跨阻放大器(421)的输入与光电探测器(41)的输出相连，跨阻放大器(421)、限幅放大器(422)以及主放大器(423)顺序连接，跨阻放大器(421)将光电探测器(41)产生的电流信号转换为电压信号，经由限幅放大器(422)放大为摆幅足够大的电平信号，主放大器(423)完成对限幅放大器(422)增益的补充，最终使输出电平满足时钟恢复电路(43)和判决电路(44)的信号输入要求。
9.根据权利要求8所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述跨阻放大器(421)，采用调节型共源共栅结构。
10.根据权利要求1所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述皮下植入芯片(4)和所述折射微透镜(3)由透明绝缘的生物相容性材料薄膜包裹，所述第一传输电极(1)和所述第二传输电极(2)由硅片制备。
11.根据权利要求10所述的高速的植入式信号收发机，其特征在于，所述生物相容性材料薄膜允许体外装置的光信号传输到皮下植入芯片(4)上，同时隔绝皮下植入芯片(4)上的电信号，防止漏电对生物组织产生伤害，以及组织液渗透导致皮下植入芯片(4)失效。
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