CN107769812B - 一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统 - Google Patents
一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统,包括植入式医疗器械的体内通讯电路和体外程控装置的体外通讯电路,体内通讯电路与体外通讯电路通过线圈的直接耦合方式进行双向的无线通讯;体外通讯电路设置第一控制器、第一接收电路和信号强度检测电路;信号强度检测电路用于对第一接收电路中滤波放大后的信号进行峰值检波得到接收信号强度,并将接收信号强度传输到第一控制器;第一控制器能够根据接收信号强度对第一接收电路的滤波放大部分进行自适应调整。本发明提供的无线通讯系统,第一接收电路能够根据不同接收距离来调整第一接收电路的放大倍数,进而提高数据接收的正确性和可靠性,增强了电路的抗干扰性,减小了数据传输的误码率。
Description
技术领域
本发明属于植入式医疗器械技术领域,涉及一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统。
背景技术
植入式医疗器械与体外程控装置之间的数据交换是一种双向的无线数据传输。植入式医疗器械通过手术植入到人体内,一旦植入体内,为了确保植入式医疗器械工作在最佳状态,医生只能根据病人自身的条件借助体外程控装置通过无线通信传输数据对植入式医疗器械的各项参数进行调整,同时把采集到的植入式医疗器械的运行参数及患者信息传送给体外程控装置。
随着植入式医疗器械的不断发展,功能的逐渐完善,传输数据量逐渐增大,尤其是在患者的随访过程中,植入式医疗器械反馈给体外程控装置的测量和诊断信息量明显增大,此外,由于植入式医疗器械采用的供电电池容量有限,为了延长其使用寿命,必须尽可能地降低其运行功耗。植入式医疗器械与体外程控装置各自的通讯电路的设计在满足数据传输的实时性与可靠性要求的同时,还必须尽量满足降低植入式医疗器械通讯功耗的要求。
在申请号为201610284170.6的专利申请中,体外程控装置能够通过接收信号的强度来控制后续发射信号的强度,提升植入式医疗器械接收信号的稳定性与可靠性,避免对植入式医疗器械造成损坏。但此方案的缺陷在于体外程控装置的发射电路采用了载频谐振的方式,发射功耗大且电路复杂;而且当体外程控装置与植入式医疗器械之间的距离发生变化时,植入式医疗器械发出的信号强度超出了体外程控装置的接收电路的最佳接收范围,此时体外程控装置的接收电路的可靠性可能受到影响,其接收植入式医疗器械的运行参数及患者信息的工作可能面临困境。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其体外通讯电路的接收电路能够根据接收信号强度的强弱调整放大倍数,进而提高数据接收的正确性和可靠性,增强了电路的抗干扰性,减小了数据传输的误码率。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统,包括植入式医疗器械的体内通讯电路和体外程控装置的体外通讯电路,体内通讯电路设置第二线圈,体外通讯电路设置第一线圈;体内通讯电路与体外通讯电路通过第二线圈与第一线圈的直接耦合方式进行双向的无线通讯;体外通讯电路包括第一控制器、第一接收电路、信号强度检测电路和第一发射电路;其中,第一接收电路用于对第一线圈上接收的信号进行滤波放大、整形后得到第一数字信号,第一数字信号传输到第一控制器并由第一控制器解码得到原始数据;信号强度检测电路用于对第一接收电路中滤波放大后的信号进行峰值检波得到接收信号强度,并将接收信号强度传输到第一控制器;第一控制器能够根据接收信号强度对第一接收电路的滤波放大部分进行自适应调整;第一发射电路用于对第一控制器发出的数据信号进行放大,将放大后的数据信号通过第一线圈发射出去。
优选地,所述第一接收电路包括依次相连的滤波放大器、第一迟滞比较器、第一整形电路,滤波放大器的输入端与第一线圈相连,滤波放大器的输出端与第一迟滞比较器的输入端连接,第一迟滞比较器的输出端与第一整形电路的输入端连接,第一整形电路的输出端与第一控制器连接;其中,滤波放大器为低通滤波放大器,由一阶RC低通滤波器和二阶滤波放大电路构成。
优选地,体外通讯电路还包括信号强度指示电路;信号强度检测电路的输入端与滤波放大器的输出端相连,输出端与第一控制器相连;第一控制器连接信号强度指示电路的输入端;信号强度检测电路将检测的接收信号强度传输给第一控制器,第一控制器根据接收的接收信号强度,控制信号强度指示电路指示接收信号强度。
优选地,体外通讯电路还包括第一电源转换电路和电平转换电路;第一电源转换电路包括多个电压转换电路,分别为第一接收电路、第一发射电路及信号强度检测电路供电,并为第一接收电路提供基准电压;电平转换电路一端与第一控制器串口相连,另一端与体外程控装置的上位机串口相连,用于体外通讯电路与上位机之间的双向异步通讯。
优选地,第一发射电路由三极管放大电路构成,三极管放大电路的输入端与第一控制器相连,输出端与第一线圈相连,第一控制器通过三极管放大电路直接将数据脉冲信号输出到第一线圈上。
优选地,体内通讯电路包括第二控制器、供电控制电路、第二接收电路以及第二发射电路;供电控制电路由相连的通讯电路总开关、发射/接收供电切换开关组成,通讯电路总开关的输入端与第二控制器相连,通讯电路总开关的输出端与发射/接收供电切换开关的输入端相连,发射/接收供电切换开关的输出端分别与第二接收电路和第二发射电路相连;第二控制器能够控制发射/接收供电切换开关的切换;第二接收电路用于对第二线圈上耦合到的信号进行滤波、整形处理后得到第二数字信号,第二数字信号传输到第二控制器并由第二控制器进行解码;第二发射电路用于将第二控制器发出的数据脉冲信号进行放大后输出到第二线圈上发射出去。
优选地,第二发射电路由MOS管放大电路构成,其输入端与第二控制器相连,输出端与第二线圈相连;第二控制器通过MOS管放大电路直接将数据脉冲信号输出到第二线圈上。
优选地,第二接收电路包括依次相连的低通滤波器、第二迟滞比较器和第二整形电路,第二线圈接收的信号通过低通滤波器进行滤波处理,再由第二迟滞比较器与第二整形电路进行整形得到第二控制器可以识别的第二数字信号,第二数字信号由第二控制器的串口进行接收并解码。
优选地,所述体内通讯电路还包括第二电源转换电路,第二电源转换电路将供电电源转换为参考电压;参考电压为第二迟滞比较器提供比较电压;第二线圈接收的信号经参考电压抬升后通过低通滤波器进行滤波处理。
优选地,第二接收电路还包括唤醒子电路,唤醒子电路能将第二迟滞比较器输出的结果直接传输给第二控制器。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明提供的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,包括体外程控装置的体外通讯电路和体内植入式医疗器械的体内通讯电路。该系统通过发射电路直接将数据脉冲信号输出到相应线圈上,通过线圈的直接耦合方式实现无线通讯。其中,体外通讯电路包括第一控制器、第一接收电路、信号强度检测电路、第一发射电路、第一电源转换电路及电平转换电路;其中,信号强度检测电路用于对第一接收电路中滤波放大后的信号进行峰值检波得到接收信号强度,并将接收信号强度传输到第一控制器;第一控制器能够根据接收信号强度对第一接收电路的滤波放大部分进行自适应调整;如此,第一接收电路能够根据不同接收距离(或者根据接收信号强度的强弱)来调整第一接收电路的放大倍数,进而提高数据接收的正确性和可靠性,增强了电路的抗干扰性,减小了数据传输的误码率。
进一步地,第一发射电路由三极管放大电路组成,不采用载频调制方式,简化了发射电路并降低了发射功耗。
进一步地,体内通讯电路具有供电控制电路,供电控制电路包括通讯电路总开关、发射/接收供电切换开关;第二控制器控制通讯电路总开关的通断,使得第二控制器能够切断第二接收电路和第二发射电路的电源,在非通讯状态下避免第二接收电路和第二发射电路带来的电力消耗,降低体内通讯电路的功耗;发射/接收供电切换开关的输出端分别与第二接收电路和第二发射电路相连,且第二控制器能够控制发射/接收供电切换开关的切换,如此,在通讯状态下,发射/接收供电切换开关只能择一地为第二接收电路或第二发射电路供电,进一步降低了体内通讯电路的功耗。
进一步地,第二发射电路由MOS管放大电路构成,其不采用载频谐振方式,简化了第二发射电路,进一步降低了发射功耗。
进一步地,第二接收电路还包括唤醒子电路,唤醒子电路能将第二迟滞比较器输出的结果直接传输给第二控制器;如此,在唤醒窗口内,唤醒子电路能将第二迟滞比较器输出的结果不经过第二整形电路的处理,直接输入到第二控制器,避免了第二整形电路工作带来的电力消耗,降低了体内通讯电路在唤醒窗口的功耗,进一步降低了体内通讯电路的功耗。
附图说明
图1为植入式医疗器械无线通讯系统的整体框图。
图2为体外程控装置的体外通讯电路原理框图。
图3为植入式医疗器械的体内通讯电路原理框图。
1是上位机,2是体外通讯电路,3是体内通讯电路,4是体内功能模块,5是第一控制器,6是滤波放大器,7是第一迟滞比较器,8是第一整形电路,9是信号强度检测电路,10是信号强度指示电路,11是三极管放大电路,12是第一电源转换电路,13是电平转换电路,14是第一线圈,15是第二线圈,16是MOS管放大电路,17是发射接收供电切换开关,18是通讯电路总开关,19是低通滤波器,20是第二迟滞比较器,21是第二整形电路,22是第二电源转换电路,23是第二控制器。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统,如图1所示,由体外程控装置与植入式医疗器械两部分组成,其中体外程控装置由上位机1与体外通讯电路2组成,植入式医疗器械由体内通讯电路3和体内功能模块4组成。上位机1与体外通讯电路2之间通过串口进行双向的有线通讯,负责接收和处理体外通讯电路2传回的信息并通过体外通讯电路2向植入式医疗器械发送相应的指令及程控参数。体外通讯电路2与植入式医疗器械的体内通讯电路3通过线圈耦合的方式进行双向的无线通讯。
图2描述了体外程控装置的体外通讯电路原理框图,总体上分为上位机1和体外通讯电路2两个部分,其中体外通讯电路2由第一控制器5、第一接收电路、第一发射电路(三极管放大电路11)、信号强度检测电路9、信号强度指示电路10、第一电源转换电路12以及电平转换电路13和第一线圈14构成。
如图2所示,第一接收电路由滤波放大器6、第一迟滞比较器7、第一整形电路8及第一线圈14组成。在接收过程中,当第一线圈14通过耦合方式接收到信号时,经滤波放大器6对信号进行滤波放大,再由第一迟滞比较器7和第一整形电路8对信号进行整形得到第一控制器5能够识别的第一数字信号,最后由第一控制器5对接收到的数据进行解码得到原始数据。同时,第一控制器5还能够自适应地调节滤波放大器6的输出,以适用于不同距离的数据接收,并增强了电路的抗干扰性。在接收数据过程中,第一控制器5的发射引脚始终保持低电平,使第一发射电路的三极管均处于截止状态,从而关闭发射功能。
在体外执行接收功能的同时,信号强度检测电路9对滤波放大器6的输出信号进行峰值检波,经第一控制器5进行AD采样处理后,通过信号强度指示电路10指示接收信号强度,信号强度指示电路10由一组LED构成。
在体外执行发送功能时,第一控制器5对数据进行特定编码后按照固定格式发出,经三极管放大电路11对脉冲信号进行放大,再输出至第一线圈14。在发射数据过程中,由第一控制器5软件控制断开第一接收电路,避免第一接收电路发生误接收。
体外通讯电路上电后,其第一发射电路向体内通讯电路发送个数固定的唤醒信号,唤醒信号由一组脉冲组成,脉冲的宽度固定不变,以便体内通讯电路3对唤醒信号进行确认。体外每次发送唤醒信号之后便会接通体外第一接收电路,等待体内返回信息,若在设定时间内收到体内返回的消息,则体外与体内按照协议进行数据交换。若体内返回消息超时,则体外继续发送唤醒信号。
图3描述了植入式医疗器械的体内通讯电路3的原理框图,总体上分为第二控制器、供电控制电路、第二接收电路、第二发射电路四个部分。其中供电控制电路负责通讯电路电源的通断,并控制对第二接收电路与第二发射电路的分时供电;第二接收电路负责对第二线圈15上收到的耦合信号进行滤波、整形处理;第二发射电路负责将控制器发出的数据进行放大并由第二线圈15发射出去。
如图3所示,供电控制电路分为通讯电路总开关18和发射/接收供电切换开关17。当体内通讯电路没有被唤醒时,通讯电路总开关18处于断开状态,此时第二接收电路与第二发送电路都处于断电状态。当系统被唤醒后,通讯电路总开关18闭合,第二控制器23对发射/接收供电切换开关17进行控制,根据通讯时序选择对第二接收电路或第二发送电路供电。
在通讯建立之前,第二控制器23以固定时间间隔为第二接收电路供电并持续一个短暂的时间,若此时间段内第二线圈15接收到体外发送的唤醒信号,该信号经低通滤波器19和第二迟滞比较器20处理后发送到第二控制器23,第二控制器23对得到的信号进行确认,若确认为唤醒信号,则第二控制器23被唤醒并即刻开始通讯过程。若此时间段内未被唤醒,则在此时间段结束后断开通讯电路总开关18,并等待下一次定时打开唤醒窗口。
当执行体内接收功能时,通过供电控制电路为第二接收电路供电,第二迟滞比较器20和第二整形电路21上电,同时第二电源转换电路22将供电电源转换为参考电压Vref,为第二迟滞比较器20提供比较电压。第二线圈15通过电感耦合接收到体外通讯电路2的第一线圈14传输的信号,经电压Vref抬升后通过低通滤波器19进行滤波处理,再由第二迟滞比较器20与第二整形电路21进行整形得到第二控制器23可以识别的第二数字信号,由第二控制器23的串口进行接收并解码。其中,第二迟滞比较器20比较电压的选择有两种方案,一是比较电压直接接地,输入信号与零电压比较;二是比较电压接Vref,输入信号与Vref比较,第二迟滞比较器20的另一个输入端也需要抬升至Vref,方案二是优选方案,如图3接收电路所示。
当执行体内数据发射功能时,通过供电控制电路为第二发射电路供电,第二控制器23对需要发送的数据进行编码,通过MOS管放大电路16将数据由第二线圈15发射到空间,数据在一定距离内通过线圈直接耦合的方式被体外第一线圈14接收到。
在通讯过程中,如果第二控制器23检测到通信发生错误,则终止通讯,并切断整个通讯模块的电源以达到节省功耗的目的,同时第二控制器23进入低功耗模式,直到再次检测到唤醒信号才打开第二发射电路的电源。在通讯过程的任何时刻,发射/接收供电切换开关17只会稳定地、二选一地接通第二接收电路或者第二发射电路的电源,第二接收电路与第二发射电路并不会同时打开,以达到最大限度的减小功耗,延长整个植入式医疗器械的工作寿命。
Claims (7)
1.一种用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,包括植入式医疗器械的体内通讯电路(3)和体外程控装置的体外通讯电路(2),体内通讯电路(3)设置第二线圈(15),体外通讯电路(2)设置第一线圈(14);体内通讯电路(3)与体外通讯电路(2)通过第二线圈(15)与第一线圈(14)的直接耦合方式进行双向的无线通讯;
体外通讯电路(2)包括第一控制器(5)、第一接收电路、信号强度检测电路(9)和第一发射电路;其中,
第一接收电路用于对第一线圈(14)上接收的信号进行滤波放大、整形后得到第一数字信号,第一数字信号传输到第一控制器(5)并由第一控制器(5)解码得到原始数据;
信号强度检测电路(9)用于对第一接收电路中滤波放大后的信号进行峰值检波得到接收信号强度,并将接收信号强度传输到第一控制器(5);
第一控制器(5)能够根据接收信号强度对第一接收电路的滤波放大部分进行自适应调整;
第一发射电路用于对第一控制器(5)发出的数据信号进行放大,将放大后的数据信号通过第一线圈(14)发射出去;
体内通讯电路(3)包括第二控制器(23)、供电控制电路、第二接收电路以及第二发射电路;
供电控制电路由相连的通讯电路总开关(18)、发射/接收供电切换开关(17)组成,通讯电路总开关(18)的输入端与第二控制器(23)相连,通讯电路总开关(18)的输出端与发射/接收供电切换开关(17)的输入端相连,发射/接收供电切换开关(17)的输出端分别与第二接收电路和第二发射电路相连;第二控制器(23)能够控制发射/接收供电切换开关(17)的切换;
第二接收电路用于对第二线圈(15)上耦合到的信号进行滤波、整形处理后得到第二数字信号,第二数字信号传输到第二控制器(23)并由第二控制器(23)进行解码;
第二发射电路用于将第二控制器(23)发出的数据脉冲信号进行放大后输出到第二线圈(15)上发射出去;
所述第一接收电路包括依次相连的滤波放大器(6)、第一迟滞比较器(7)、第一整形电路(8),滤波放大器(6)的输入端与第一线圈(14)相连,滤波放大器(6)的输出端与第一迟滞比较器(7)的输入端连接,第一迟滞比较器(7)的输出端与第一整形电路(8)的输入端连接,第一整形电路(8)的输出端与第一控制器(5)连接;其中,滤波放大器(6)为低通滤波放大器,由一阶RC低通滤波器和二阶滤波放大电路构成;
第二接收电路包括依次相连的低通滤波器(19)、第二迟滞比较器(20)和第二整形电路(21),第二线圈(15)接收的信号通过低通滤波器(19)进行滤波处理,再由第二迟滞比较器(20)与第二整形电路(21)进行整形得到第二控制器(23)可以识别的第二数字信号,第二数字信号由第二控制器(23)的串口进行接收并解码。
2.如权利要求1所述的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,体外通讯电路(2)还包括信号强度指示电路(10);信号强度检测电路(9)的输入端与滤波放大器(6)的输出端相连,输出端与第一控制器(5)相连;第一控制器(5)连接信号强度指示电路(10)的输入端;
信号强度检测电路(9)将检测的接收信号强度传输给第一控制器(5),第一控制器(5)根据接收的接收信号强度,控制信号强度指示电路(10)指示接收信号强度。
3.如权利要求1所述的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,体外通讯电路(2)还包括第一电源转换电路(12)和电平转换电路(13);
第一电源转换电路(12)包括多个电压转换电路,分别为第一接收电路、第一发射电路及信号强度检测电路(9)供电,并为第一接收电路提供基准电压;电平转换电路(13)一端与第一控制器(5)串口相连,另一端与体外程控装置的上位机(1)串口相连,用于体外通讯电路(2)与上位机(1)之间的双向异步通讯。
4.如权利要求1所述的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,第一发射电路由三极管放大电路(11)构成,三极管放大电路(11)的输入端与第一控制器(5)相连,输出端与第一线圈(14)相连,第一控制器(5)通过三极管放大电路(11)直接将数据脉冲信号输出到第一线圈(14)上。
5.如权利要求1所述的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,第二发射电路由MOS管放大电路(16)构成,其输入端与第二控制器(23)相连,输出端与第二线圈(15)相连;第二控制器(23)通过MOS管放大电路(16)直接将数据脉冲信号输出到第二线圈(15)上。
6.如权利要求1所述的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,所述体内通讯电路(3)还包括第二电源转换电路(22),第二电源转换电路(22)将供电电源转换为参考电压;参考电压为第二迟滞比较器(20)提供比较电压;第二线圈(15)接收的信号经参考电压抬升后通过低通滤波器(19)进行滤波处理。
7.如权利要求1所述的用于植入式医疗器械的无线通讯系统,其特征在于,第二接收电路还包括唤醒子电路,唤醒子电路能将第二迟滞比较器(20)输出的结果直接传输给第二控制器(23)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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