CN106356924A - 一种无线充电和通信的人体植入设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：包括人体植入设备和无线传输装置，所述无线传输装置包括充电装置和通信装置；所述充电装置包括体外模块和体内模块；所述体外模块包括激励电源、DC/AC转换器和发送电极依次连接的；所述体内模块包括接收电极、AC/ DC转换器和电源管理模块；所述通信装置包括体外单元和体内单元。本发明提供了一种基于电流耦合进行充电和通信的人体植入设备，所述人体植入设备具有很高的充电效率和很稳定的通信方式。
Description
技术领域
本发明涉及人体植入设备领域，尤其是一种无线充电和通信的人体植入设备。
背景技术
人体植入设备在生活中的作用越来越广泛，但植入设备的电量供给问题限制了植入设备的使用，由于人体植入设备的特殊性，在人体内取出不方便，而且体积的限制电池的续航能力不高。无线电能传输技术成为了植入电子器件长期供电的重要方式，但是，将无线充电技术应用于植入性医疗设备，尚没有成熟高效的技术；而且植入式电子设备不具有智能的内部充电管理系统，容易受到外界干扰，对人体安全造成威胁，存在安全隐患，同时充电效率低。
现有的人体植入设备与外部的通信技术同样存在传输效率低，通信和充电功能的分离等方面的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种既能够进行无线通信，又能够无线充电，同时具有高效通信和充电功能的人体植入设备的通信和充电装置。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，包括人体植入设备和无线传输装置，所述无线传输装置包括充电装置和通信装置；所述充电装置包括体外模块和体内模块；所述体外模块包括依次连接的激励电源、DC/AC转换器和发送电极；所述体内模块包括接收电极、AC/ DC转换器和电源管理模块；所述通信装置包括体外单元和体内单元。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述体外单元包括发送端和接收端；所述发送端包括设置于激励电源与发送电极之间依次连接的2CPFSK调制器、D/A转换器、电流驱动电路；所述接收端包括接收电极和信号处理器。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述体内单元包括发送模块和接收模块；所述接收模块包括依次连接的接收电极、放大滤波电路、限幅整形电路、光电隔离电路、2CPFSK解调器和处理器；所述接收模块包括与处理器连接的人体植入设备的传感器和发送电极。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述接收电极和发送电极为氯化银电极或碳纤维电极。
以上结构，氯化银电极具有稳定的电极电介质界面，可有效控制极化效应而产生电极皮肤的接触阻抗小，可重复使用，能提高电极与皮肤的电量传输；碳纤维是一种高导电性的无机高分子材料，不存在阳极离子脱离的危险，具有耐腐蚀、耐高温等特点，可用于发送电极，具有很好的传导性。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述接收电极和发送电极为扇形电极，电极的极边距离为3mm，扇形的圆心角为180度。
以上结构，由于在一定范围内，传递电流和传递电流的效率随着电极截面积的增大而增大，随着电极极边距离的增大而增大，相对于一般的电极形状，扇形电极电极截面积比较大，适用于电流传递，当扇形的圆心角为180度、电极的极边距离为3mm时，电流传递效率最高。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述电流驱动电路包括电流反馈放大器AD844、运算放大器A和运算放大器B；所述AD844包括运算放大器C、RC的并联电路和运算放大器D；运算放大器C的正电源端与负电源端连接，且连接RC的并联电路，RC的并联电路连接运算放大器D；运算放大器A的同向输入端连接输入电压，反向输入端连接电阻Ro和运算放大器C的输出端，Ro连接运算放大器B的输出端，运算放大器B的反向输入端与输出端之间设置有电容C2，运算放大器B的反向输入端还连接有电阻R2并接地，运算放大器B的同向输入端与运算放大器D的输出端之间设置有电阻R3，连接电容C3并接地；运算放大器D的输入端连接有电容C4和电阻R4并接地。
以上电流驱动电路，电流反馈放大器AD844中，当正向输入端加入电压信号时，输入电压原样送到反向输入端，并在电阻Ro上产生电流信号；电压缓冲电路用于克服AD844第一增益精度带来的误差，电容C4和电阻R4组成的直流反馈电路测量点的实际直流电压用来修正输入，使电容前电流输出近似为零，不必在测量点附加电路以致引起输出阻抗降低；电流驱动电路将信号转化为对人体安全的变交恒流电流，通过发送电极传入人体。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述放大滤波电路包括高通滤波器和运算放大器E，高通滤波器采用无源RC滤波，与运算放大器E连接。
以上放大滤波电路，无源RC滤波滤除人体内部低频生理信号，运算放大器E将信号放大，从而达到去噪和放大的目的。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述2CPFSK调制器包括数据缓冲器、调制控制器和DDS结构；所述调制控制器包括码速控制器、移位寄存器和跳变检测器；所述DDS结构包括相位累加器和正弦查询表。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述限幅整形电路包括电压比较器LM311和高速集成6施密特反相器SN74HC14；所述光电隔离电路采用高速光耦HCPL-260L；所述2CPFSK解调器包括2CPFSK译码器和抽样判决器。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，还包括人体安全充电的检测方法：检测体外发送的交流电的频率f，f小于50Hz时为安全电流；检测输入体内植入设备的有效电流I1，当I1有效值在0-0.5mA时为安全电流；检测流回体外激励电源的横向电流I2,当I2小于10mA时为安全电流；当f、I1和I2同时满足安全电流时，进行充电，若有一项不满足条件，停止充电。
以上检测方法，在对人体植入设备进行无线电能传输中，既要加大传输量，保持充电的效率，同时要能够保证充电的安全，本发明的检测方法能够及时自动检测传输中的各个电流的大小，防止电流过大的发生，保证人体安全。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、充电效率高。通过紧贴体外皮肤的电极对，利用人体组织内的离子型体液作为传导电流的载体，将体外激励电源的能量传递到体内电极对上，进而对植入设备进行充电，能量传递效率远大于磁感应耦合充电；克服磁感应耦合技术因为人体中存在大量的离子型体液，致使磁感应耦合效率低，还会对周围的设备产生射频干扰的缺点。
2、通信稳定性高。所采用的电流耦合型人体通信不易受接地因素和周围环境的影响，具有很好的稳定性，先将信息进行调制，再经过变换成安全电流，通过发送电极和接收电极的传递，再通过解调，恢复原数字基带信号，从而进行体外和体内植入设备之间的通信。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明一种无线充电和通信的人体植入设备的结构示意图。
图2是电流驱动电路的电路图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 ，本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，包括人体植入设备和无线传输装置，所述无线传输装置包括充电装置和通信装置；所述充电装置包括体外模块和体内模块；所述体外模块包括依次连接的激励电源、DC/AC转换器和发送电极；所述体内模块包括接收电极、AC/ DC转换器和电源管理模块；所述通信装置包括体外单元和体内单元。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述体外单元包括发送端和接收端；所述发送端包括设置于激励电源与发送电极之间依次连接的2CPFSK调制器、D/A转换器、电流驱动电路；所述接收端包括接收电极和信号处理器。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述体内单元包括发送模块和接收模块；所述接收模块包括依次连接的接收电极、放大滤波电路、限幅整形电路、光电隔离电路、2CPFSK解调器和处理器；所述接收模块包括与处理器连接的人体植入设备的传感器和发送电极。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述接收电极和发送电极为氯化银电极或碳纤维电极。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述接收电极和发送电极为扇形电极，电极的极边距离为3mm，扇形的圆心角为180度。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述电流驱动电路包括电流反馈放大器AD844、运算放大器A和运算放大器B；所述AD844包括运算放大器C、RC的并联电路和运算放大器D；运算放大器C的正电源端与负电源端连接，且连接RC的并联电路，RC的并联电路连接运算放大器D；运算放大器A的同向输入端连接输入电压，反向输入端连接电阻Ro和运算放大器C的输出端，Ro连接运算放大器B的输出端，运算放大器B的反向输入端与输出端之间设置有电容C2，运算放大器B的反向输入端还连接有电阻R2并接地，运算放大器B的同向输入端与运算放大器D的输出端之间设置有电阻R3，连接电容C3并接地；运算放大器D的输入端连接有电容C4和电阻R4并接地。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述放大滤波电路包括高通滤波器和运算放大器E，高通滤波器采用无源RC滤波，与运算放大器E连接。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述2CPFSK调制器包括数据缓冲器、调制控制器和DDS结构；所述调制控制器包括码速控制器、移位寄存器和跳变检测器；所述DDS结构包括相位累加器和正弦查询表。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，所述限幅整形电路包括电压比较器LM311和高速集成6施密特反相器SN74HC14；所述光电隔离电路采用高速光耦HCPL-260L；所述2CPFSK解调器包括2CPFSK译码器和抽样判决器。
本发明一种无线充电和通信的人体植入设备，还包括人体安全充电的检测方法：检测体外发送的交流电的频率f，f小于50Hz时为安全电流；检测输入体内植入设备的有效电流I1，当I1有效值在0-0.5mA时为安全电流；检测流回体外激励电源的横向电流I2,当I2小于10mA时为安全电流；当f、I1和I2同时满足安全电流时，进行充电，若有一项不满足条件，停止充电。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：包括人体植入设备和无线传输装置，所述无线传输装置包括充电装置和通信装置；所述充电装置包括体外模块和体内模块；所述体外模块包括依次连接的激励电源、DC/AC转换器和发送电极；所述体内模块包括接收电极、AC/ DC转换器和电源管理模块；所述通信装置包括体外单元和体内单元。
2.如权利要求1所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述体外单元包括发送端和接收端；所述发送端包括设置于激励电源与发送电极之间依次连接的2CPFSK调制器、D/A转换器、电流驱动电路；所述接收端包括接收电极和信号处理器。
3.如权利要求1所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述体内单元包括发送模块和接收模块；所述接收模块包括依次连接的接收电极、放大滤波电路、限幅整形电路、光电隔离电路、2CPFSK解调器和处理器；所述接收模块包括与处理器连接的人体植入设备的传感器和发送电极。
4.如权利要求1所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述接收电极和发送电极为氯化银电极或碳纤维电极。
5.如权利要求1所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述接收电极和发送电极为扇形电极，电极的极边距离为3mm，扇形的圆心角为180度。
6.如权利要求2所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述电流驱动电路包括电流反馈放大器AD844、运算放大器A和运算放大器B；所述AD844包括运算放大器C、RC的并联电路和运算放大器D；运算放大器C的正电源端与负电源端连接，且连接RC的并联电路，RC的并联电路连接运算放大器D；运算放大器A的同向输入端连接输入电压，反向输入端连接电阻Ro和运算放大器C的输出端，Ro连接运算放大器B的输出端，运算放大器B的反向输入端与输出端之间设置有电容C2，运算放大器B的反向输入端还连接有电阻R2并接地，运算放大器B的同向输入端与运算放大器D的输出端之间设置有电阻R3，连接电容C3并接地；运算放大器D的输入端连接有电容C4和电阻R4并接地。
7.如权利要求3所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述放大滤波电路包括高通滤波器和运算放大器，高通滤波器采用无源RC滤波，与运算放大器连接。
8.如权利要求3所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述2CPFSK调制器包括数据缓冲器、调制控制器和DDS结构；所述调制控制器包括码速控制器、移位寄存器和跳变检测器；所述DDS结构包括相位累加器和正弦查询表。
9.如权利要求3所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：所述限幅整形电路包括电压比较器LM311和高速集成施密特反相器SN74HC14；所述光电隔离电路采用高速光耦HCPL-260L；所述2CPFSK解调器包括2CPFSK译码器和抽样判决器。
10.如权利要求1所述的无线充电和通信的人体植入设备，其特征在于：还包括人体安全充电的检测方法：检测体外发送的交流电的频率f，f小于50Hz时为安全电流；检测输入体内植入设备的有效电流I1，当I1有效值在0-0.5mA时为安全电流；检测流回体外激励电源的横向电流I2,当I2小于10mA时为安全电流；当f、I1和I2同时满足安全电流时，进行充电，若有一项不满足条件，停止充电。
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| GR01 | Patent grant | ||
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