CN105709336A - 体外程控仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体外程控仪，包括主控制器和用于收发RF信号的谐振回路，其中，还包括：信号接收解调电路：用于接收来自所述谐振回路的模拟RF信号，并对所述模拟RF信号进行滤波及放大处理，然后调制转换为数字信号；接收信号反馈电路：用于对所述放大处理后的模拟RF信号进行检波及幅度采样；RF信号发射调节电路：根据所述接收信号反馈电路提供的信号大小，调节控制所述谐振回路的RF发射信号强度在预设范围内。本发明能够根据接收信号强度大小，自动调节发射信号强度，提升植入式电子装置接收信号的可靠性及稳定性，降低体外程控仪的功耗，并能有效避免对植入式电子装置造成损坏。

Description

体外程控仪

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种体外程控仪。

背景技术

植入式电子装置系统一般由植入式电子装置、体外程控仪两部分组成。而植入式电子装置和体外程控仪之间的数据交换是一种双向的无线数据传输，体外程控仪一方面需要将程控指令发送给植入式电子装置，另一方面又要接收植入式电子装置发送的反馈信息和测量诊断信息。

如图1所示，现在使用的植入式电子装置程控装置主要的功能部分包括植入式电子装置1和体外程控仪2。植入式电子装置1在植入人体后，要通过程控装置对患者进行定期随访，来了解植入式电子装置1的工作状况。在随访时，通过体外程控仪2与植入人体的植入式电子装置1进行双向数据通信。

程序控制(简称程控：programmability)是植入式电子装置不可分割的一项功能，今天全世界范围内大部分植入式电子装置都具备程控功能，而且随着植入工程技术的飞速发展，植入式电子装置的程控功能越来越多，越来越复杂，恰到好处的运用参数，可使植入式电子装置发挥其最大效益，使病人获得最大疗效。

一般情况下，植入式电子装置以近似恒定的强度发射RF信号(忽略电池电压下降对信号发射幅度的影响)，植入式电子装置接收RF信号Peak-Peak幅度范围为200mVpp～8Vpp,考虑接收信号的稳定性及可靠性，接收RF信号Peak-Peak幅度范围在1Vpp～5Vpp是最佳接收范围。因此，为了能使植入式电子装置接收信号处于最佳接收范围内，体外程控仪发送RF信号强度自动调节机制的设计就很重要了。

由上可见，对于植入式电子装置治疗而言，器械的植入只是治疗的开始，临床随访与程控应贯穿于器械治疗中。需要定期在单位时间内，通过体外程控仪对患者体内植入式电子装置工作的有效性、合理性进行评价；必要时结合起搏器的诊断功能，对每一个病人的不同情况做出参数调整，使患者获得最大疗效。植入式电子装置和体外程控仪之间的通信是保证植入式电子装置可靠工作的有力保障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体外程控仪，能够提升植入式电子装置接收信号的可靠性及稳定性，降低体外程控仪的功耗，并能有效避免对植入式电子装置造成损坏。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种体外程控仪，包括主控制器和用于收发RF信号的谐振回路，其中，还包括：信号接收解调电路：用于接收来自所述谐振回路的模拟RF信号，并对所述模拟RF信号进行滤波及放大处理，然后调制转换为数字信号；接收信号反馈电路：用于对所述放大处理后的模拟RF信号进行检波及幅度采样；RF信号发射调节电路：根据所述接收信号反馈电路提供的信号大小，调节控制所述谐振回路的RF发射信号强度在预设范围内。

进一步地，所述信号接收解调电路包括依次相连的一阶滤波器、二阶滤波放大器、迟滞比较器和斯密特触发器，所述一阶滤波器的输入端和所述谐振回路的输出端相连，所述斯密特触发器的输出端和所述主控制器相连。

进一步地，所述接收信号反馈电路包括检波器和AD采样器，所述检波器的输入端和所述二阶滤波放大器的输出端相连，所述检波器的输出端和所述主控制器相连，所述迟滞比较器的第一输入端和所述二阶滤波放大器的输出端相连，所述迟滞比较器的第二输入端和所述检波器的输出端相连；所述AD采样器的输出端和所述主控制器相连。

进一步地，所述RF信号发射调节电路包括依次相连的发送开关、PWM模块和发送驱动模块，所述发送驱动模块的输出端与所述谐振回路的输入端相连；所述发送开关的输入端和所述主控制器相连，所述发送驱动模块的输出端和所述谐振回路的输入端相连。

进一步地，所述发送驱动模块为MOSFET驱动H桥，所述MOSFET驱动H桥中位于同一桥臂的一个MOSFET的控制端连接PWM模块的输出端，另一MOSFET的控制端通过反向器连接PWM模块的输出端；所述谐振回路使用同一LC振荡电路收发RF信号，且收发频率固定不变。

进一步地，所述体外程控仪通过所述谐振回路与植入式电子装置进行双向通信，所述RF发射信号强度的调节控制如下：

确定所述植入式电子装置的预定接收电压范围；

根据如下关系式(1)计算体外程控仪天线端的感应电压U_R的范围：

$k=\frac{U_T}{U_R}\×\sqrt{\frac{L_R}{L_T}}---\left(1\right)$

其中U_R为体外程控仪天线端的感应电压，U_T为植入式电子装置天线端的感应电压，k为耦合因子，L_R为体外程控仪天线的线圈电感量，L_T为植入式电子装置天线的线圈电感量；

根据实时采集到的体外程控仪天线端的感应电压U_R对所述RF发射信号强度进行调节。

进一步地，所述耦合因子k由以下方式确定：所述RF信号经一阶滤波器、二阶滤波放大器信号放大后生成放大后的RF信号，经过检波器检波保持，通过采样器采样得到RF信号的最大幅度值，将所述幅度值除以放大倍数，得到原始的感应电压幅度值U_R，已知植入式电子装置天线端的感应电压U_T、植入式电子装置天线电感值L_T及体外程控仪天线电感值L_R，根据所述公式(1)推导出当前的耦合系数k值。

进一步地，所述体外程控仪通过所述谐振回路与植入式电子装置进行双向通信，所述RF发射信号强度的调节控制如下：确定所述植入式电子装置的预定接收电压范围；根据所述预定接收电压范围和所述植入式电子装置的天线灵敏度，确定所述植入式电子装置的磁场强度H目标范围；根据所述磁场强度H和体外程控仪天线端的感应电压U_R的关系，确定所述体外程控仪天线端的感应电压U_R的范围，根据实时采集到的体外程控仪天线端的感应电压U_R对所述RF发射信号强度进行调节。

进一步地，所述磁场强度H和体外程控仪天线端的感应电压U_R的关系如下：

$H=\frac{U_R}{4\×\mathrm{\π}\×f_0\×\sqrt{\mathrm{\π}\×{\mathrm{\μ}}_0}}\×\frac{1}{\sqrt{L_R}}\×{\left(\frac{r}{r^2+d^2}\right)}^{1.5}---\left(3\right)$

其中，L_R为体外程控仪天线的线圈电感量，r为体外程控仪天线的线圈半径，d为体外程控仪和植入式电子装置之间的距离，μ₀为磁常数。所述

进一步地，所述RF发射信号强度的调节是通过控制器调节供电电压Vs幅度和PWM占空比来实现。

进一步地，所述植入式电子装置的预设接收电压范围为1Vpp～5Vpp。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的体外程控仪，通过设置信号接收解调电路、接收信号反馈电路和RF信号发射调节电路，在这三个电路模块共同作用下，完成植入式电子装置的RF通信，体外程控仪根据接收信号反馈电路提供信号大小，可通过主控制器完成Vs电压幅度/PWM占空比的调节，自动控制调节RF发射信号强度；从而提升植入式电子装置接收信号的可靠性及稳定性，降低体外程控仪的功耗，并能有效避免对植入式电子装置造成损坏。

附图说明

图1为植入式电子装置与体外程控仪的交互示意图；

图2为本发明的实施例中体外程控仪信号自动调节机制的原理方框图；

图3为本发明实施例中信号接收解调电路接收处理的RF信号示意图，其中图3(a)为感应RF信号，图3(b)为滤波放大后的RF信号，图3(c)为转换后的数字信号；

图4为本发明实施例中体外程控仪的发送驱动电路图。

图中：

1植入式电子装置2体外程控仪3谐振回路

4一阶滤波器5二阶滤波放大器6迟滞比较器

7斯密特触发器8检波器9AD采样器

10发送开关11PWM模块12发送驱动模块

13主控制器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

请参见图1，由于体外程控仪2和植入式电子装置1之间相对距离不同，体外程控仪2接收到的信号由近及远成指数下降关系，但植入式电子装置1和体外程控仪2在不同位置上，彼此之间的耦合系数k是相等的。

本发明实施例提供的体外程控仪主要通过接收信号反馈电路采集接收信号幅度，利用耦合因子相等的原理。本发明的体外程控仪通过采样得到体外程控仪天线端的的感应电压U_R，通过耦合因子k计算公式，能初步估算出在植入式电子装置天线端的感应电压U_T。耦合因子k计算公式(1)：

$k=\frac{U_T}{U_R}\×\sqrt{\frac{L_R}{L_T}}---\left(1\right)$

其中，U_T：植入式电子装置天线端感应电压，U_R：体外程控仪天线端感应电压，L_R：体外程控仪天线的线圈电感量，L_T：植入式电子装置天线的线圈电感量；所以体外程控仪根据接收到的植入式电子装置发射的信号的大小，调节发射电路的驱动电压或驱动PWM占空比，就能够自动调节发送端信号发射强度，从而保证植入式电子装置的接收信号幅度在可靠范围内。

请参见图2，本发明提供的体外程控仪包括主控制器13，谐振回路3、LCD显示、数据处理、程控界面等模块，体外程控仪2与植入式电子装置1利用谐振回路收发RF信号，进行双向无线通信，所述谐振回路使用同一LC振荡电路收发RF信号，且收发频率固定不变。本发明提供的体外程控仪的信号自动调节部分主要包括三个电路模块：

信号接收解调电路：用于接收来自所述谐振回路的模拟RF信号，并对所述模拟RF信号进行滤波及放大处理，然后调制转换为数字信号；

接收信号反馈电路：用于对所述放大处理后的模拟RF信号进行检波及幅度采样；

RF信号发射调节电路：根据所述接收信号反馈电路提供的信号大小，调节控制谐振回路3的RF发射信号强度在预设范围内。

由于现有的体外程控仪需要采集发射电路的反馈信号，因此，一般采用载频振荡器—》载波调制器–》D类放大器构成发射电路，且发射频率是可变的；同时不需要考虑接收信号反馈电路，因此接收电路一般采用依次相连的检波器、带通滤波放大和整形电路，如申请号为200610042605.2，发明名称为一种植入式心脏起博器遥测装置及双向数据传输方法的中国专利文献公布的植入式心脏起搏器遥测装置。而本发明的体外程控仪则需要采集发射电路的反馈信号，主要通过接收信号反馈电路采集接收信号幅度，利用耦合因子相等的原理，自动控制调节RF发射信号强度。具体地，本发明增加的信号自动调节部分各电路模块的功能及组成如下：

一、信号接收解调电路：为了便于后续采集接收信号反馈，本发明的信号接收解调电路包括依次相连的一阶滤波器4、二阶滤波放大器5、迟滞比较器6和斯密特触发器7，一阶滤波器4的输入端和谐振回路3的输出端相连，斯密特触发器7的输出端和主控制器(Controller)13相连。信号接收解调电路主要完成RF信号的接收及处理，主控制器13利用定时器捕获(Capture)功能来完成信号的接收，具体信号流向及处理如下：信号接收解调电路主要完成图3a感应信号的接收，感应RF信号经一阶滤波器4、二阶滤波放大器5信号放大后生成图3b中滤波放大后的RF信号，再经过迟滞比较器6和斯密特触发器7，转化为主控制器13能够识别的数字信号，如图3c中所示。

二、接收信号反馈电路：包括检波器8和AD采样器9，检波器8的输入端和二阶滤波放大器5的输出端相连，检波器8的输出端和主控制器13相连，迟滞比较器6的第一输入端和二阶滤波放大器5的输出端相连，迟滞比较器6的第二输入端和检波器8的输出端相连；AD采样器9的输出端和主控制器13相连。所述接收信号反馈电路主要完成RF信号检波及幅度采样，主控制器13采集并计算RF幅度信号，从而可以判断是否需要调节RF发射信号强度。

由于体外程控仪接收感应信号较小，无法直接采样。需经过图3a：感应RF信号经一阶滤波器4、二阶滤波放大器5信号放大后生成图3b：滤波放大后的RF信号。经过检波器8检波保持，采样得到RF信号的最大幅度值，利用该幅度值除以放大倍数，可近似得到原始的感应电压幅度值U_R。利用公式(1)，如：已知U_T≈2Vbat＝5.6Vpp；植入式电子装置天线电感值L_T及体外程控仪天线电感值L_R已知，可推导出当前的耦合系数k值。

确定耦合系数k，根据公式(1)，可推导出体外程控仪发射电压即体外程控仪天线端的感应电压U_R与植入式电子装置天线端的感应电压U_T之间成正比关系。确定体外程控仪发射电压U_R可近似确定植入式电子装置天线端的感应电压U_T的大小。确定体外程控仪发射电压U_R，在相对位置确定的情况下，也就确定了体外程控仪的发射磁场强度。

三、RF信号发射调节电路：由于本发明不需要采集发射电路的反馈信号，所述RF信号发射调节电路包括发送开关10、PWM(脉冲宽度调制)模块11和发送驱动模块12，发送驱动模块12优选为MOSFET驱动H桥，所述MOSFET驱动H桥的输入端用于接收PWM信号，所述MOSFET驱动H桥的输出端与所述谐振回路的输入端相连；发送开关10的输入端和主控制器13相连，发送开关10的输出端和发送驱动模块12相连。体外程控仪的RF信号自动调节发射电路原理如图4所示，采用12VDC为供电电压，Q＝25,采用MOSFET驱动由反向器构成H全桥的方式来驱动发射电路。所述MOSFET驱动H桥中位于同一桥臂的一个MOSFET的控制端连接PWM模块的输出端，另一MOSFET的控制端通过反向器连接PWM模块的输出端。

V_L＝V_S*Q(3)

假设期望植入式电子装置接收到的电压V范围为1Vpp～5Vpp；又因为植入式电子装置的天线灵敏度(Sensitivity)S_in为20mV/A/m；植入式电子装置需要的磁场强度H分别为：

H_low＝V_low/S_in＝1Vpp/20mVpp/A/m＝50A/m

H_high＝V_high/S_in＝5Vpp/20mVpp/A/m＝250A/m

磁场强度和发射驱动电压关系如公式(3)；

$H=\frac{U_R}{4\×\mathrm{\π}\×f_0\×\sqrt{\mathrm{\π}\×{\mathrm{\μ}}_0}}\×\frac{1}{\sqrt{L_R}}\×{\left(\frac{r}{r^2+d^2}\right)}^{1.5}---\left(3\right)$

H为磁场强度，U_R为体外程控仪天线端感应电压，L_R为体外程控仪天线的线圈电感量，r为体外程控仪天线的线圈半径，d为体外程控仪和植入式电子装置的距离，磁常数：μ₀＝4π×10^-7牛顿/安培²。配合体外程控仪和植入式电子设备的距离，只要控制发射信号电压幅度U_R，就能控制植入式电子装置接收的磁场强度在50A/m～250A/m之间。从而保证了植入式电子装置的接收信号范围为1Vpp～5Vpp。

本发明增加的信号自动调节部分由上述信号接收解调电路，接收信号反馈电路和RF信号发射调节电路组成，在这三个电路模块共同作用下，完成植入式电子装置的RF通信，体外程控仪根据接收信号反馈电路提供信号大小，通过主控制器13完成Vs电压幅度/PWM占空比的调节，自动控制调节RF发射信号强度。具体效果如下：1)使用本发明自动调节体外程控仪的发射强度，保证植入式电子装置接收信号在有效且可靠的接收范围，在允许的通信距离范围内，植入式电子装置的接收信号控制在1Vpp～5Vpp，从而确保植入式电子装置接收信号可靠及稳定；2)避免体外程控仪发射信号过强，植入式电子装置接收到的信号过大，导致植入式电子装置的永久性损坏；3)能有效降低体外程控仪发射功率，降低体外程控仪功耗。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (11)

1.一种体外程控仪，包括主控制器和用于收发RF信号的谐振回路，其特征在于，还包括：

信号接收解调电路：用于接收来自所述谐振回路的模拟RF信号，并对所述模拟RF信号进行滤波及放大处理，然后调制转换为数字信号；

接收信号反馈电路：用于对所述放大处理后的模拟RF信号进行检波及幅度采样；

RF信号发射调节电路：根据所述接收信号反馈电路提供的信号大小，调节控制所述谐振回路的RF发射信号强度在预设范围内。

2.如权利要求1所述的体外程控仪，其特征在于，所述信号接收解调电路包括依次相连的一阶滤波器、二阶滤波放大器、迟滞比较器和斯密特触发器，所述一阶滤波器的输入端和所述谐振回路的输出端相连，所述斯密特触发器的输出端和所述主控制器相连。

3.如权利要求2所述的体外程控仪，其特征在于，所述接收信号反馈电路包括检波器和AD采样器，所述检波器的输入端和所述二阶滤波放大器的输出端相连，所述检波器的输出端和所述主控制器相连，所述迟滞比较器的第一输入端和所述二阶滤波放大器的输出端相连，所述迟滞比较器的第二输入端和所述检波器的输出端相连；所述AD采样器的输出端和所述主控制器相连。

4.如权利要求1所述的体外程控仪，其特征在于，所述RF信号发射调节电路包括依次相连的发送开关、PWM模块和发送驱动模块，所述发送驱动模块的输出端与所述谐振回路的输入端相连；所述发送开关的输入端和所述主控制器相连，所述发送驱动模块的输出端和所述谐振回路的输入端相连。

5.如权利要求4所述的体外程控仪，其特征在于，所述发送驱动模块为MOSFET驱动H桥，所述MOSFET驱动H桥中位于同一桥臂的一个MOSFET的控制端连接PWM模块的输出端，另一MOSFET的控制端通过反向器连接PWM模块的输出端；所述谐振回路使用同一LC振荡电路收发RF信号，且收发频率固定不变。

6.如权利要求3所述的体外程控仪，其特征在于，所述体外程控仪通过所述谐振回路与植入式电子装置进行双向通信，所述RF发射信号强度的调节控制如下：

确定所述植入式电子装置的预定接收电压范围；

根据如下关系式(1)计算体外程控仪天线端的感应电压U_R的范围：

$k=\frac{U_T}{U_R}\×\sqrt{\frac{L_R}{L_T}}---\left(1\right)$

其中U_R为体外程控仪天线端的感应电压，U_T为植入式电子装置天线端的感应电压，k为耦合因子，L_R为体外程控仪天线的线圈电感量，L_T为植入式电子装置天线的线圈电感量；

根据实时采集到的体外程控仪天线端的感应电压U_R对所述RF发射信号强度进行调节。

7.如权利要求6所述的体外程控仪，其特征在于，所述耦合因子k由以下方式确定：所述RF信号经一阶滤波器、二阶滤波放大器信号放大后生成放大后的RF信号，经过检波器检波保持，通过采样器采样得到RF信号的最大幅度值，将所述幅度值除以放大倍数，得到原始的感应电压幅度值U_R，已知植入式电子装置天线端的感应电压U_T、植入式电子装置天线电感值L_T及体外程控仪天线电感值L_R，根据所述公式(1)推导出当前的耦合系数k值。

8.如权利要求1所述的体外程控仪，其特征在于，所述体外程控仪通过所述谐振回路与植入式电子装置进行双向通信，所述RF发射信号强度的调节控制如下：

确定所述植入式电子装置的预定接收电压范围；

根据所述预定接收电压范围和所述植入式电子装置的天线灵敏度，确定所述植入式电子装置的磁场强度H目标范围；

根据所述磁场强度H和体外程控仪天线端的感应电压U_R的关系，确定所述体外程控仪天线端的感应电压U_R的范围，根据实时采集到的体外程控仪天线端的感应电压U_R对所述RF发射信号强度进行调节。

9.如权利要求8所述的体外程控仪，其特征在于，所述磁场强度H和体外程控仪天线端的感应电压U_R的关系如下：

$H=\frac{U_R}{4\×\mathrm{\π}\×f_0\×\sqrt{\mathrm{\π}\×{\mathrm{\μ}}_0}}\×\frac{1}{\sqrt{L_R}}\×{\left(\frac{r}{r^2+d^2}\right)}^{1.5}---\left(3\right)$

其中，L_R为体外程控仪天线的线圈电感量，r为体外程控仪天线的线圈半径，d为体外程控仪和植入式电子装置之间的距离，μ₀为磁常数。

10.如权利要求1、6或8所述的体外程控仪，其特征在于，所述RF发射信号强度的调节是通过主控制器调节供电电压Vs幅度和PWM占空比来实现。

11.如权利要求6或9所述的体外程控仪信号自动调节装置，其特征在于，所述植入式电子装置的预设接收电压范围为1Vpp～5Vpp。