CN105024742A - 基于无线供能共生的上行近场通信装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无线供能共生的上行近场通信装置及方法。该装置包括：体内发射机、体内线圈、体内获能单元、体外接收机、体外线圈和体外供能单元，其中，体外供能单元与体外线圈相连接组成体外谐振网络，体内获能单元与体内线圈相连组成体内谐振网络，体外谐振网络与体内谐振网络的谐振频率相同；通过谐振耦合体外供能单元将所产生的无线供能交流电信号提供给体内获能单元；体内发射机将待发送数据调制后通过体内线圈直接耦合至体外线圈以传输至体外接收机。本发明实施例利用体内线圈进行通信与无线供能，无需在人体内植入额外的线圈，从而降低了植入手术的难度。
Description
技术领域
本发明涉及智能植入式医疗仪器，尤其涉及一种基于无线供能共生的上行近场通信装置及方法。
背景技术
智能植入式医疗仪器一般具有生物传感和生物激励两类功能。生物传感是用于检测生物体征信息，例如采集脑电神经信号；生物激励是用于调节生物体征，例如抵消心脏肌肉无规律的颤抖。为了实现上述两类功能，植入式医疗仪器通常包括体外设备和植入人体的体内设备构成。其中，体外设备提供能量并调整治疗状态，包括供能、近场通信和控制单元等部分；体内设备用于实现传感和激励，包括获能、近场通信、传感器、激励器和控制单元等部分。
通信距离小于十倍的载波波长时称为近场通信，不同于远场通信，电磁场不再以辐射而以耦合的形式实现通信。对于植入式医疗仪器的近场通信中，体内设备所采集的体征数据(待发送数据)是实时监测体征数据并依此调整治疗状态的重要依据，因此，如何实时高效地将待发送数据发送到体外是当前急需解决的技术问题。
现有技术中，对于植入式医疗仪器大多采用负载调制方式，通过改变人体内设备中获取线圈所连接负载的大小，改变体外设备中供能线圈的感生阻抗变化，从而实现线圈中供能载波的幅度变化，实现上行通信。该方法的实现电路相对简单且容易集成在植入式系统中。负载调制的上行通信方法需要体内外的线圈具有较大且比较稳定的耦合系统，并且需要体外供能线圈能感生出较大的负载阻抗变化，以产生足够的幅度调制变化(大于2％)克服噪声和干扰，从而实现体外设备与体内设备可靠通信。然而，植入体内的获能线圈的尺寸不能太大，使得与供能线圈的耦合系统不大，并且人体活动时会使获能线圈的耦合系数不稳定，导致负载阻抗变化会影响体内设备供能的稳定性，同时降低了无线供能的效率。还有技术文献通过设置多对感应线圈分别实现供能和上下行通信，该方案可以改善通信电路对供能效率的影响并获得较宽通信频带范围，但是需要在人体内安置获能线圈与通信专用线圈，提高了体内设备的复杂性与植入手术的难度。
发明内容
本发明的其中一个目的在于提供一种基于无线供能共生的上行近场通信装置及方法，以解决现有技术中需要在人体内安置专用通信线圈或天线引起的植入手术困难问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种利用无线供能共生的上行近场通信装置，包括：体内发射机、体内线圈、体内获能单元、体外接收机、体外线圈和体外供能单元，其中，
所述体外供能单元与所述体外线圈相连接组成体外谐振网络，所述体内获能单元与所述体内线圈相连组成体内谐振网络，所述体外谐振网络与所述体内谐振网络的谐振频率相同；
所述体外谐振网络通过与所述体内谐振网络耦合将所述体外供能单元所产生的无线供能交流电信号提供给所述体内获能单元；
所述体内发射机将待发送数据调制后通过体内线圈直接耦合至所述体外线圈以传输至所述体外接收机。
可选地，所述体外接收机还包括模拟滤波器，所述模拟滤波器的第一信号输入端与所述体外线圈的第一端连接，所述模拟滤波器的第二信号端与述体外线圈的第二端连接并连接公共端电压；所述模拟滤波器的信号输出端与数字解调器的信号输入端连接，用于抑制干扰并放大通信载波以改善信噪比。
可选地，所述体外接收机的输入阻抗大于所述体外供能单元的输出阻抗。
可选地，所述体内发射机包括数字调制器和功率放大器；所述数字调制器的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端连接；所述功率放大器的第一信号输出端与所述体内线圈的第一端连接，所述功率放大器的第二信号输出端与所述体内线圈的第二端连接；
所述数字调制器用于对待发送数据进行调制；
所述功率放大器用于调制后的待发送数据进行功率放大。
可选地，所述体内发射机的输出阻抗大于所述体内获能单元的输入阻抗。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无线供能共生的上行近场通信方法，其特征在于，包括：
体外供能单元产生无线供能交流电信号通过体外谐振网络耦合至体内谐振网络以使体内获能单元获取该无线供能交流电信号；
所述体内获能单元对该无线供能交流电信号进行整流得到直流电为体内电路供电；
所述体内发射机将待发送数据调制后通过体内线圈直接耦合至体外线圈以使体外接收机获得该待发送数据。
可选地，对待发送数据采用二元相移键控调制。
可选地，对待发送数据调制时载波频率的范围为30KHz～200KHz。
可选地，所述体外谐振网络与、所述体内谐振网络的谐振频率和所述无线供能交流电信号的频率的范围为1MHz～3MHz。
与现有技术需要在人体内增加专用通信线圈或者天线的方案相比，本发明实施例提供的上行近场通信装置实现了上行通信与无线供能复用线圈并且两者共生工作，并且无需植入额外天线，从而降低手术难度。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种基于无线供能共生的上行近场通信装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于无线供能共生的上行近场通信方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种利用无线供能共生的上行近场通信装置，如图1所示，包括：体外供能单元100、体外线圈200、体内线圈400、体内获能单元500、体内发射机600和体外接收机700。其中，体外供能单元100与体外线圈200相连接组成体外谐振网络，体内获能单元200与体内线圈400相连组成体内谐振网络，体外谐振网络与体内谐振网络的谐振频率相同；体外谐振网络通过与体内谐振网络耦合将体外供能单元100所产生的无线供能交流电信号提供给体内获能单元500；体内500将待发送数据调制后通过体内线圈400耦合至体外线圈200以传输至体外接收机700。
本发明实施例中体内线圈一方面与体内获能单元构成体内谐振网络进行无线供能以提供给体内获能单元；另一方面体内线圈与体外线圈直接耦合，将体内发射机产生的射频信号传输至体外接收机。本发明实施例提供的装置通过对体内线圈进行通信与无线供能进行复用，无需在人体内植入额外的线圈，从而降低植入手术的目的。
本发明实施例提供的上行近场通信装置中，以人体的皮肤300为界，左侧是体外设备，右侧是体内设备。如图1所示，体外设备中体外供能单元100包括：驱动电路101和第一电容102。其中，该驱动电路101的信号输出端与第一电容102的第一端相连接；该第一电容102的第二端与体外线圈200的第一端相连接；体外线圈200的第二端连接公共端电压。第一电容102与体外线圈200构成串联型的体外谐振网络。驱动电路101用于产生无线供能交流电信号，该交流信号的频率与体外谐振网络的谐振频率相同，这样可以获得高效的无线能量传输，以获得最佳的供能效率。较优地，考虑到人体对电磁场的吸收和反射，以及我国无线电频率资源的使用规划，本发明实施例中无线供能交流电信号的频率选择范围为1MHz～3MHz，本发明一实施例中选择为2MHz，该频率的电磁场被人体吸收和反射的程度很小，同时可以避开常用无线射频识别的频谱范围，从而可以避免例如门禁系统、公交卡、身份证或者手机等射频系统对本发明实施例提供的上行近场通信装置的强干扰。
实际应用中，公共端电压GND可以为模块地、数字地或者其他能够提供基准电压的信号。本领域技术人员可以根据具有情况进行设定，本发明不作限定。
本发明实施例提供的上行近场通信装置中，如图1所示，体内获能单元500包括第二电容501和整流稳压模块502。其中，第二电容501的第一端体内线圈400的第一端相连接，第二电容501的第二端体内线圈400的第二端相连接。该第二电容501与体内线圈400构成并联型的体内谐振网络，该体内谐振网络的谐振频率与上文中体外谐振网络的谐振频率相同。整流稳压模块502与该第二电容501并联，用于对体内谐振网络所接收的无线供能交流电信号进行整流形成适合体内发射机600工作的直流电。
体外供能单元100产生无线供能交流电信号，体外谐振网络根据该无线供能交流电信号产生无线供能交变磁场。体内谐振网络感受到无线供能交变磁场时恢复无线供能交流电信号。体内获能单元500将体内谐振网络获得的无线供能交流电信号整流稳压后输出直流电源供给体内设备的其他电路。
本发明实施例提供的上行近场通信装置中，如图1所示，体内发射机600包括数字调制器601和功率放大器602。其中，功率放大器602的第一信号输出端连接体内线圈400的第一端，第二信号输出端连接体内线圈400的第二端；功率放大器602的信号输入端与数字调制器601的数据输出端连接。数字调制器601采用无线供能交流电信号频率的32分之一(即30KHz～200KHz。当谐振频率为2MHz时，此时无线供能交流电信号频率为62.5KHz)作为通信载波频率，利用二元相移键控调制(Binary Phase Shift Keying，BPSK)方法，将待发送数据以码率为1953.125bps调制到62.5KHz的通信载波上，形成调制后的待发送数据。功率放大器602对该调制后的待发送数据进行功率放大，形成差动交流信号传输至体内线圈。
体外接收机700包括滤波器701和数字解调器702。该滤波器701的第一端与体外线圈200的第一端连接，滤波器701的第二端与体外线圈200的第二端连接并且连接公共端电压GND。滤波器701的信号输出端与数字解调器702的信号输入端连接。基于电磁感应原理，体外线圈200感应到来自体内线圈300的上行通信的差动交流信号。体外接收机700接收来自体外线圈200的差动交流信号。由于通信载波频率的频率偏离了体内谐振网络与体外谐振网络的谐振频率，故差动交流信号强度经过体内谐振网络与体外谐振网络后会严重衰减，体外线圈200感应到的差动交流信号非常微弱。因此，本发明实施例中，体外接收机700中设置滤波器701。该滤波器701抑制差动交流信号干扰信号并将通信载波进行放大以实现改善差动交流信号的信噪比。经过滤波器701后，信噪比从-89dB提高到16dB，提高了105dB。数字调制器702对滤波后的差动交流信号进行解调得到待发送数据，较优地，采用最佳相干解调方式以实现最低误码率。
为了实现体内线圈无线供能与无线通信共生工作，本发明实施例中，将体内发射机600中功率放大器602的输出阻抗设置为高阻抗。较优地，功率放大器602的输出阻抗大于10K欧姆。当输出阻抗远大于体内获能单元500的等效负载阻抗时，功率放大器602与体内获能单元501并联以实现复用体内线圈获取效率的相互影响可以忽略不计。
同理，为了实现体外线圈无线供能与无线通信共生工作，本发明实施例中，滤波器701的输入阻抗设置有高阻抗。较优地，滤波器701的输入阻抗大于100K欧姆。当滤波器701的输入阻抗远大于体外谐振网络的阻抗时，滤波器的并联接入对供能效率的影响可以忽略。
在误码率测试中，本发明实施例提供的上行近场通信装置连续2小时不间断的发送已知数据，并对比体外接收机700的输出信号与该已知数据。当体内线圈与体外线圈中心轴对称时，当两者分隔距离小于或者等于70mm时(分隔距离等于70mm，体内线圈与体外线圈的耦合系统为0.0035)，连续两个小时的测试中误码错误为零，即误码率低于1.0E-7。当体内线圈与体外线圈的分隔距离大于70mm时，误码错误开始出现，并且误码率随着两个线圈分隔距离的增大而升高；当线圈分隔距离为80mm时(耦合系数为0.0025)，误码率为1.0E-4。然后改变体内线圈与体外线圈的相对位置进行测试，当体内线圈与体外线圈的轴心不对称且偏离时，误码率结果比共轴时情况差别不大，同样也是在线圈分隔距离大于70mm处开始出现误码错误，而误码率平均为之前共轴时同样分隔距离的误码率的两倍，没有数量级上的差异。
从这测试结果中可知，本发明可以在体内外线圈分隔距离达到70mm，耦合系数低至0.0035的条件下进行误码率低于1.0E-7的可靠上行通信，并且可与无线供能共生工作，同时体内线圈与体外线圈的相当位置不严格需要，有较强的鲁棒性。
本发明实施例提供的上行近场通信装置利用体内线圈进行无线供用与通信，实现体内线圈的功能利用，从而无需在人体内植入额外天线，从而不降低手术难度。
实施例二
为体现本发明实施例提供的全数字发射机的优越性，本发明实施例又提供了一种无线供能共生的上行近场通信方法，如图2所示，包括：
S100、体外供能单元产生无线供能交流电信号通过体外谐振网络耦合至体内谐振网络以使体内获能单元获取该无线供能交流电信号；
S200、体内获能单元对该无线供能交流电信号进行整流得到直流电为体内电路供电；
S300、体内发射机将待发送数据调制后通过体内线圈直接耦合至体外线圈以使体外接收机获得该待发送数据。
可选地，对待发送数据采用二元相移键控调制。
可选地，对待发送数据调制时载波频率为62.5KHz。
可选地，体外谐振网络与体内谐振网络的谐振频率为2MHz。
本发明实施例提供的上行近场通信方法，与上文所述的上行近场通信装置基于同样的发明目的，解决同样的技术问题，达到同样的技术效果，本发明实施例不再一一赘述。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种利用无线供能共生的上行近场通信装置，其特征在于，包括：体内发射机、体内线圈、体内获能单元、体外接收机、体外线圈和体外供能单元，其中，
所述体外供能单元与所述体外线圈相连接组成体外谐振网络，所述体内获能单元与所述体内线圈相连组成体内谐振网络，所述体外谐振网络与所述体内谐振网络的谐振频率相同；
所述体外谐振网络通过与所述体内谐振网络耦合将所述体外供能单元所产生的无线供能交流电信号提供给所述体内获能单元；
所述体内发射机将待发送数据调制后通过体内线圈直接耦合至所述体外线圈以传输至所述体外接收机。
2.根据权利要求1所述的上行近场通信装置，其特征在于，所述体外接收机还包括模拟滤波器，所述模拟滤波器的第一信号输入端与所述体外线圈的第一端连接，所述模拟滤波器的第二信号端与述体外线圈的第二端连接并连接公共端电压；所述模拟滤波器的信号输出端与数字解调器的信号输入端连接，用于抑制干扰并放大通信载波以改善信噪比。
3.根据权利要求1或2所述的上行近场通信装置，其特征在于，所述体外接收机的输入阻抗大于所述体外供能单元的输出阻抗。
4.根据权利要求1所述的上行近场通信装置，其特征在于，所述体内发射机包括数字调制器和功率放大器；所述数字调制器的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端连接；所述功率放大器的第一信号输出端与所述体内线圈的第一端连接，所述功率放大器的第二信号输出端与所述体内线圈的第二端连接；
所述数字调制器用于对待发送数据进行调制；
所述功率放大器用于调制后的待发送数据进行功率放大。
5.根据权利要求1或4所述的上行近场通信装置，其特征在于，所述体内发射机的输出阻抗大于所述体内获能单元的输入阻抗。
6.一种无线供能共生的上行近场通信方法，其特征在于，包括：
体外供能单元产生无线供能交流电信号通过体外谐振网络耦合至体内谐振网络以使体内获能单元获取该无线供能交流电信号；
所述体内获能单元对该无线供能交流电信号进行整流得到直流电为体内电路供电；
所述体内发射机将待发送数据调制后通过体内线圈直接耦合至体外线圈以使体外接收机获得该待发送数据。
7.根据权利要求6所述的上行近场通信方法，其特征在于，对待发送数据采用二元相移键控调制。
8.根据权利要求6所述的上行近场通信方法，其特征在于，对待发送数据调制时载波频率的范围为30KHz～200KHz。
9.根据权利要求6所述的上行近场通信方法，其特征在于，所述体外谐振网络、所述体内谐振网络的谐振频率和所述无线供能交流电信号的频率的范围为1MHz～3MHz。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20151104 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |