CN104147698B - 一种低功耗植入式医疗系统及其降低运行功耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于微型医疗仪器领域的一种低功耗植入式医疗系统及其降低运行功耗的方法，植入式医疗系统的体内植入装置具有休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态至少三种工作状态，该系统由体内植入装置和体外控制装置无线通信连接构成，体内植入装置一上电后即处于休眠工作状态，休眠工作状态下第一无线通信模块一直处于关闭状态，当医生需要程控时，通过体外控制磁铁手动切换状态，使体内植入装置进入侦听工作状态，可以与体外控制装置进行正常通信。本发明大大降低了绝大部分不需要程控时间的额外功耗，延长了产品的使用寿命，用途广泛，可用于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、药物泵等，具有极高的经济效益和社会效益。

Description

一种低功耗植入式医疗系统及其降低运行功耗的方法

技术领域

本发明属于微型医疗仪器领域，特别涉及一种低功耗植入式医疗系统及其降低运行功耗的方法。

背景技术

植入式医疗仪器属于微型医疗仪器，种类很多，如植入式心脏起搏器和除颤器、植入式神经刺激器、植入式肌肉刺激器、植入式生理信号记录器、植入式药物泵等，一般包含体内植入装置和体外控制装置，两者之间通过双向无线通信交换信息。

植入式医疗仪器的体内植入装置一般用电池供电，体内植入装置的功耗决定了产品的使用寿命，功耗越低产品的使用寿命越长，产品寿命增加对于患者而言可以减少手术更换的频率，降低医疗费用并减少手术痛苦。体内植入装置与体外控制装置进行无线通信的通信电路要消耗电池能源，同样要求低功耗，而一般射频无线通信电路工作时的功耗相对植入医疗设备而言比较大，需要采用一定的方法来降低无线通信电路的平均功耗。

在现有技术中，如图1所示，一般采用侦听工作状态和唤醒工作状态两种工作状态，植入式医疗仪器一上电后即处于侦听工作状态，侦听工作状态的每个循环周期T包括一个唤醒期间T1和一个休眠期间T-T1，唤醒期间打开无线通信电路，功耗很大，休眠期间关闭无线通信电路，功耗很低，以此来降低无线通信电路的平均功耗。但是这种侦听工作状态的平均功耗取决于唤醒时间T1和循环周期T的占空比，不管怎样还是有一定的功耗，而且要想获得较好的通信实时响应效果，唤醒时间T1和循环周期T的占空比不能够太小，最终的平均功耗在整体功耗中还是占有一定的比例。而实际上体内植入装置需要体外程控的时间很少，绝大部分时间不需要程控，因此现有技术中绝大部份侦听工作状态的平均功耗是浪费的。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗植入式医疗系统及其降低运行功耗的方法，其特征在于，所述植入式医疗系统的体内植入装置具有休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态至少三种工作状态；该系统由体内植入装置和体外控制装置无线通信连接构成，其中，体内植入装置包括：第一微控制器模块分别与第一无线通信模块和第一其他功能模块连接，第一微控制器模块和磁簧开关连接；电池及电源管理模块分别与第一微控制器模块、第一无线通信模块和第一其他功能模块连接；体外控制装置包括：第二微控制器模块分别与第二无线通信模块和第二其他功能模块连接，电池及电源管理模块分别与第二微控制器模块、第一无线通信模块和第二其他功能模块连接；体外控制装置还包含有独立放置的磁铁。

所述第一、第二其他功能模块集电脉冲刺激功能、药物释放、生理信号采集功能及控制功能于一身；当体内植入装置不需要进行功能输出时，则通过第一微控制器模块将其他各模块关闭，只保留第一微控制器模块处于低功耗工作状态，功耗非常低。

所述第一、第二微控制器模块采用TI公司的MSP430F2618系列微控制器，所述第一、第二无线通信模块采用TI公司的CC1101射频芯片。

所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法包括：

1)植入式医疗系统的体内植入装置具有休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态至少三种工作状态；

2)体内植入装置上电后，即进入休眠工作状态，在绝大部分不需要程控的时间内都处于休眠工作状态，在休眠工作状态下第一无线通信模块一直处于关闭状态，功耗极低；

3)当需要使用体外控制装置程控体内植入装置时，通过体外控制装置的磁铁靠近体内植入装置的磁簧开关一段时间，进行手动状态切换，使体内植入装置进入侦听工作状态；在程控完成后再通过手动状态切换，使体内植入装置回到休眠工作状态；

4)在侦听工作状态时，第一微控制器模块在设定的循环周期内定时唤醒第一无线通信模块，并处于数据接收状态，体外控制装置的第二无线通信模块发送握手信号，如果第一微控制器模块收到握手信号，体内植入装置进入唤醒工作状态，进入通信过程，完成一次通信后或者超时后，返回侦听工作状态，

所述步骤4)，在程控完成后再通过手动状态切换的时间内，如果体内植入装置没有收到握手信号，也会自动回到休眠工作状态，保证体内植入装置在不需要程控的时间处于休眠状态；第一无线通信模块基本不消耗功耗。

所述通过体外控制装置的磁铁靠近体内植入装置的磁簧开关，在磁铁靠近时产生动作信号并传送给第一微控制器模块，第一微控制器模块判断磁簧开关输入信号，并控制休眠工作状态和侦听工作状态的切换。

所述完成一次通信的完整的通信过程是通信由体外控制装置发起，体内植入装置应在体外控制设备开始发送握手信号后一个侦听工作状态循环周期内收到握手信号，要保证通信的实时响应，因此侦听工作状态的唤醒时间应超过握手信号的发送周期，同时握手信号持续发送时间应超过体内植入装置的一个侦听循环周期；体内植入装置收到握手信号后，进入唤醒工作状态，返回应答信号后进入数据接收状态，体外控制装置接收到应答信号后，发送相应的控制指令，体内植入装置接收到控制指令后，进行相应指令处理，并发送确认信号给体外控制装置，完成一次通信过程；一次通信过程或者超时的时间都很短，为0.5—10秒，退出唤醒工作状态进入侦听工作状态，保证消耗的功耗最低；如果体内植入装置返回应答信号后，超过一定时间没有收到控制指令，也会自动退出唤醒工作状态进入侦听工作状态。

所述步骤2)，在休眠工作状态下通过第一微控制器模块控制，完全切断第一无线通信模块的供电来彻底消除第一无线通信模块的功耗；因此没有使用体外控制装置进行无线程控第一无线通信模块时，第一无线通信模块基本不消耗功耗。

本发明的有益效果，与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明的植入式医疗仪器的体内植入装置具有休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态至少三种工作状态，体内植入装置在绝大部分不需要程控的时间都处于休眠工作状态，休眠状态下第一无线通信模块一直处于功耗极低的关闭状态，所以进一步降低了平时无需使用体外控制装置进行无线程控时的电能消耗，延长了植入式医疗仪器的使用寿命。

(2)当需要使用体外控制装置对体内植入装置进行程控时，通过体外控制磁铁手动切换状态，体内植入装置进入侦听工作状态，侦听工作状态下在设定的循环周期内定时唤醒第一无线通信模块，用于侦听体外控制装置发送的握手信号，程控完成后可以通过体外控制磁铁手动切换状态，体内植入装置回到休眠工作状态，如果没有手动切换状态，侦听工作状态下在设定的持续时间内没有收到握手信号，也会自动回到休眠工作状态，保证体内植入装置在不需要程控的时间处于休眠状态。同时侦听工作状态的持续时间可以通过体外控制装置设定，具有很好的使用灵活性，医生可以根据不同的程控需要，灵活程控侦听工作状态的时间。

(3)在侦听工作状态下，如果收到体外控制装置的握手信号，体内植入装置进入唤醒工作状态，完成一次通信后或者超时后，返回侦听工作状态，一次通信或者超时的时间都很短，保证消耗的功耗最低。

(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、药物泵等植入式医疗仪器，具有极高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为现有技术中的植入式医疗系统的体内植入装置无线通信工作状态及功耗示意图。

图2为植入式医疗系统的体内植入装置无线通信工作状态及功耗示意图。

图3为植入式医疗系统的体内植入装置无线通信各工作状态的转换示意图。

图4为植入式医疗系统的体内植入装置与体外控制装置一次通信过程示意图。

图5为植入式医疗系统的体内植入装置和体外控制装置结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种低功耗植入式医疗系统及其降低运行功耗的方法，下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细说明。

如图5所示，是本发明提供的一种低功耗的植入式医疗系统，包含体内植入装置10和体外控制装置20，体内植入装置10包含第一微控制器模块11、第一无线通信模块12、磁簧开关13、第一其他功能模块14、电池及电源管理模块15，体外控制装置20包含第二微控制器模块21、第二无线通信模块22、第二其他功能模块23、电池及电源管理模块24，体外控制装置还包含一个独立放置的磁铁25。第一微控制器模块11用于控制体内植入装置在休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态之间转换，磁簧开关13用于响应体外磁铁控制，第一其他功能模块14和第二其他功能模块23可以是电脉冲刺激功能、药物释放及控制功能、生理信号采集功能等。当体内植入装置不需要进行功能输出时，可以通过第一微控制器模块11将其他各模块均关闭，只保留第一微控制器模块11处于低功耗工作状态，功耗非常低，其在低功耗模式下功耗只有1uA左右。本发明的第一、第二微控制器模块采用TI公司的MSP430F2618系列微控制器，本发明的第一、第二无线通信模块采用TI公司的CC1101射频芯片。

如图2所示，本发明的植入式医疗系统的体内植入装置具有休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态至少三种工作状态，体内植入装置10上电后即进入休眠工作状态，体内植入装置在绝大部分不需要程控的时间都处于休眠工作状态，休眠工作状态下第一无线通信模块12一直处于关闭状态，功耗极低，以第一无线通信模块CC1101芯片为例，关闭状态功耗典型值为0.2uA，相对于整个体内植入装置的功耗可以忽略，进一步的，可以通过第一微控制器模块11控制完全切断第一无线通信模块12的供电来彻底消除第一无线通信模块12的功耗。因此平时无需使用体外控制装置进行无线程控时第一无线通信模块12基本不消耗功耗。

如图3所示，当需要使用体外控制装置20对体内植入装置10进行程控时，可以通过手动状态切换，使体内植入装置进入侦听工作状态，可以进行正常程控，程控完成后可以通过手动状态切换，使体内植入装置回到休眠工作状态，手动状态切换的一种实施实例为：通过体外控制装置的磁铁25靠近体内植入装置10一段时间来实现，体内植入装置10的磁簧开关13在磁铁25靠近时产生动作信号并传送给第一微控制器模块11，第一微控制器模块11判断磁簧开关13输入信号并控制休眠工作状态和侦听工作状态的切换。如果忘记手动状态切换回休眠工作状态，侦听工作状态下如果在设定的持续时间内没有收到握手信号，也会自动回到休眠工作状态，保证体内植入装置在不需要程控的时间处于休眠状态。进一步的，侦听工作状态的持续时间可以通过体外控制装置设定，具有很好的使用灵活性，医生可以根据不同的程控需要，灵活设定程控(侦听工作状态)的时间。

如图2和图3所示，侦听工作状态时第一微控制器模块11在设定的循环周期内定时唤醒第一无线通信模块12并处于数据接收状态，用于侦听体外控制装置20的第二无线通信模块22发送的握手信号。如果收到握手信号，体内植入装置10进入唤醒工作状态，进入通信过程，完成一次通信后或者超时后，返回侦听工作状态。

如图4所示，为体内植入装置10与体外控制装置20一次完整的通信过程，通信由体外控制装置发起，按照一定周期连续发送握手信号，要保证通信的实时响应，体内植入装置应在体外控制设备开始发送握手信号后一个侦听工作状态循环周期内收到握手信号，因此侦听工作状态的唤醒时间应超过握手信号的发送周期，同时握手信号持续发送时间应超过体内植入装置的一个侦听循环周期。体内植入装置收到握手信号后，进入唤醒工作状态，返回应答信号后进入数据接收状态，体外控制装置接收到应答信号后，发送相应的控制指令，体内植入装置接收到控制指令后，进行相应指令处理，并发送确认信号给体外控制装置，完成一次通信过程，退出唤醒工作状态进入侦听工作状态。如果体内植入装置返回应答信号后，超过一定时间没有收到控制指令，也会自动退出唤醒工作状态进入侦听工作状态。完成一次通信后或者超时后，返回侦听工作状态，一次通信过程或者超时的时间都很短，一种实施实例为0.5—10秒，保证消耗的功耗最低。

与现有技术相比，本发明的植入式医疗系统的体内植入装置在绝大部分的时间内处于休眠工作状态，所述休眠工作状态下第一无线通信模块一直处于关闭状态，消耗的功耗极低，当医生需要使用体外控制装置对体内植入装置进行程控时，由体外控制磁铁装置手动将状态切换至侦听工作状态，以实现与体外控制装置的无线双向通信。本发明进一步降低了平时无需使用体外控制装置进行无线程控时的电能消耗，延长了体内植入装置的使用寿命，具有较大的经济价值和社会价值。本发明所述的植入式医疗系统可以植入式心脏起搏器和除颤器、植入式神经刺激器、植入式肌肉刺激器、植入式生理信号记录器、植入式药物泵等。

Claims (7)

1.一种低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，所述低功耗植入式医疗由体内植入装置和体外控制装置无线通信连接构成，所述低功耗植入式医疗系统的体内植入装置具有休眠工作状态、侦听工作状态和唤醒工作状态至少三种工作状态，其中，体内植入装置包括第一微控制器模块、第一无线通信模块、第一其他功能模块、电池及电源管理模块和磁簧开关，第一微控制器模块分别与第一无线通信模块和第一其他功能模块连接，第一微控制器模块和磁簧开关连接，电池及电源管理模块分别与第一微控制器模块、第一无线通信模块和第一其他功能模块连接，体外控制装置包括第二微控制器模块、第二无线通信模块、第二其他功能模块和电池及电源管理模块，第二微控制器模块分别与第二无线通信模块和第二其他功能模块连接，电池及电源管理模块分别与第二微控制器模块、第二无线通信模块和第二其他功能模块连接，体外控制装置还包含有独立放置的磁铁，其特征在于，所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法包括：

1)体内植入装置上电后，即进入休眠工作状态，在绝大部分不需要程控的时间内都处于休眠工作状态，在休眠工作状态下第一无线通信模块一直处于关闭状态，功耗极低；

2)当需要使用体外控制装置程控体内植入装置时，通过体外控制装置的磁铁靠近体内植入装置的磁簧开关一段时间，进行手动状态切换，使体内植入装置进入侦听工作状态；在程控完成后再通过手动状态切换，使体内植入装置回到休眠工作状态；

3)在侦听工作状态时，第一微控制器模块在设定的循环周期内定时唤醒第一无线通信模块，并处于数据接收状态，体外控制装置的第二无线通信模块发送握手信号，如果第一微控制器模块收到握手信号，体内植入装置进入唤醒工作状态，进入通信过程，完成一次通信后或者超时后，返回侦听工作状态。

2.根据权利要求1所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，其特征在于，所述步骤3)，在程控完成后再通过手动状态切换时间内，若体内植入装置没有收到握手信号，也会自动回到休眠工作状态，保证体内植入装置在不需要程控的时间处于休眠状态；第一无线通信模块基本不消耗功耗。

3.根据权利要求1所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，其特征在于，所述通过体外控制装置的磁铁靠近体内植入装置的磁簧开关，在磁铁靠近时体内植入装置的磁簧开关产生动作信号并传送给第一微控制器模块，第一微控制器模块判断动作信号，并控制休眠工作状态和侦听工作状态的切换。

4.根据权利要求1所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，其特征在于，完成一次完整的通信过程是由体外控制装置发起，体内植入装置应在体外控制装置开始发送握手信号后一个侦听工作状态循环周期内收到握手信号，要保证通信的实时响应，因此侦听工作状态的唤醒时间应超过握手信号的发送周期，同时握手信号持续发送时间应超过体内植入装置的一个侦听工作状态循环周期；体内植入装置收到握手信号后，进入唤醒工作状态，返回应答信号后进入数据接收状态，体外控制装置接收到应答信号后，发送相应的控制指令，体内植入装置接收到控制指令后，进行相应指令处理，并发送确认信号给体外控制装置，完成一次通信过程，退出唤醒工作状态进入侦听工作状态；如果体内植入装置返回应答信号后，超过一定时间没有收到控制指令，也会自动退出唤醒工作状态进入侦听工作状态；一次通信过程或者超时的时间都很短，为0.5—10秒，保证消耗的功耗最低。

5.根据权利要求1所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，其特征在于，所述步骤1)，在休眠工作状态下通过第一微控制器模块控制，完全切断第一无线通信模块的供电来彻底消除第一无线通信模块的功耗，因此没有使用体外控制装置进行无线程控第一无线通信模块时，第一无线通信模块基本不消耗功耗。

6.根据权利要求1所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，其特征在于，所述第一其他功能模块和第二其他功能模块集电脉冲刺激功能、药物释放、生理信号采集功能及控制功能于一身；当体内植入装置不需要进行功能输出时，则通过第一微控制器模块将其他各模块关闭，只保留第一微控制器模块处于低功耗工作状态，功耗非常低，其在低功耗模式下功耗只有1微安左右。

7.根据权利要求1所述低功耗植入式医疗系统降低运行功耗的方法，其特征在于，所述第一微控制器模块和第二微控制器模块采用TI公司的MSP430F2618系列微控制器，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块采用TI公司的CC1101射频芯片。