CN114731199A - 可植入系统的光传输 - Google Patents

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Abstract

在示例实施方式中，光通信系统包括可植入光发送器和外部光接收器。该发送器包括壳体，该壳体具有布置在其中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件。各个驱动器将数字数据信号转换成调制信号以驱动源。各个源响应于对应调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号。光学元件引导光束离开壳体，使得各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。光接收器包括至少一个光电二极管，该至少一个光电二极管检测由源生成的光并生成重构数据信号。

Description

可植入系统的光传输
相关申请
本申请要求于2019年10月16日提交的美国临时申请No.62/915,967的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
背景技术
被设计用于植入人体的监测设备需要一种方式来将它们收集的数据发送到外部设备，使得可以对所收集的数据进行处理。通常，这种可植入设备采用光或射频传输。
发明内容
本公开的实施方式涉及允许以高通量和高穿透深度通过生物组织对数据进行安全且鲁棒的光传输，同时高度容忍未对准并使光功率密度和组织温度增加最小化。
示例实施方式包括在植入的气密壳体内相隔一定距离的多个光源，具有允许光离开气密壳体并安全地注入生物组织中的多个坚固的低轮廓(low-profile)光学窗口。光学窗口的几何形状和/或表面特性可以被调节以积极影响光通过组织的传播。一个或更多个光电二极管在组织的另一侧接收光信号，并将接收到的光信号转换成电信号。电信号由一个或更多个放大器放大，该一个或更多个放大器向时钟和数据恢复级馈送。
根据示例实施方式，一种经皮光通信系统包括可植入光发送器设备和外部光接收器设备。
该可植入光发送器设备可以包括气密壳体，所述气密壳体具有腔、远端以及近端，所述腔包括布置在所述腔中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件。一个或更多个驱动器中的各个驱动器被配置成将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号以驱动所述发光源中的一个或更多个发光源。各个发光源被配置成响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号。光学元件被配置成引导所述光束离开所述气密壳体的所述近端，所述光束按这样的图案分布：其中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。
外部光接收器设备可以包括：至少一个光电二极管，所述至少一个光电二极管被配置成检测由所述多个发光源生成的光并响应性地生成外部检测信号；放大器电路，所述放大器电路被配置成放大所述外部检测信号；以及时钟和数据恢复电路，所述时钟和数据恢复电路被联接成接收所放大的检测信号，并被配置成生成重构数据信号。
根据示例实施方式，一种用于经皮光通信的方法包括：在可植入光发送器设备处，将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号；响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号；以及引导所述光束离开所述可植入光发送器设备，所述光束按这样的图案分布：其中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。
该方法还可以包括：在被定位成检测所述光束中的一个或更多个光束的外部光接收器设备处，检测由所述多个发光源生成的光并响应性地生成外部检测信号；放大所述外部检测信号；以及接收所放大的检测信号并生成重构数据信号。
根据示例实施方式，一种可植入设备包括气密壳体，所述气密壳体具有腔、远端以及近端，所述腔包括布置在腔中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件。一个或更多个驱动器中的各个驱动器被配置成将数字数据信号(代表生理信号)转换成一个或更多个调制信号以驱动所述发光源中的一个或更多个发光源。各个发光源被配置成响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号。光学元件被配置成引导所述光束离开所述气密壳体的所述近端，所述光束按这样的图案分布：其中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。
可植入设备可以被配置成嵌入生物组织内，并且所述第一距离和所述第二距离是基于所述生物组织的特性的。
在示例实施方式中，该第一距离可以大于0.5毫米并且该第二距离可以小于50毫米。
在示例实施方式中，光学元件包括多个光学窗口。多个光学窗口中的各个光学窗口可以包括透镜、抗反射涂层、漫射层、微结构化表面或它们的任意组合。
可植入设备还可以包括定位在所述壳体的所述近端处并被配置成容纳所述多个光学窗口的套圈(ferrule)，所述套圈具有与所述多个光学窗口对准的多个开口，所述多个光学窗口从所述套圈的顶表面凹进。
多个发光源可以包括N个发光源，并且多个光学窗口可以包括M个光学窗口，其中，N大于或等于M。
在示例实施方式中，光学元件包括单个光学窗口。单个光学窗口可以包括透镜、抗反射涂层、漫射层、微结构化表面或它们的任意组合。
可植入设备还可以包括具有多个开口的套圈，所述套圈被定位在所述壳体的所述近端处，并且所述单个光学窗口从所述壳体的所述近端凹进至少所述套圈的厚度。
多个发光源可以包括N个发光源，并且多个开口可以包括M个开口，其中，N大于或等于M。
一个或更多个驱动器可以被配置成基于开关键控调制和/或多幅移键控调制来工作。
可植入设备还可以包括模拟前端电路，所述模拟前端电路被配置成将生理信号转换成数字数据信号。
根据示例实施方式，一种经皮光通信系统包括外部光发送器设备和可植入光接收器设备。
该外部光发送器设备可以包括壳体，该壳体具有布置在其中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件。一个或更多个驱动器中的各个驱动器被配置成将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号以驱动所述发光源中的一个或更多个发光源。各个发光源被配置成响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号。光学元件被配置成引导所述光束离开所述壳体，所述光束按这样的图案分布：其中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。
可植入光接收器设备可以包括：至少一个光电二极管，所述至少一个光电二极管被配置成检测由所述多个发光源生成的光并响应性地生成外部检测信号；放大器电路，所述放大器电路被配置成放大所述外部检测信号；接收器，所述接收器被联接成接收所放大的检测信号，并被配置成生成重构数据信号；控制器，所述控制器被配置成将所述重构数据信号转换成控制器信号；以及刺激发生器，所述刺激发生器被配置成基于所述控制器信号来生成刺激信号。
附图说明
通过下面对如附图所示的示例实施方式的更具体的描述，上述内容将变得明显，在附图中，相同的附图标记在不同的视图中表示相同的部件。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在例示实施方式上。
图1示出了经皮光通信系统的概念图。
图2例示了经皮光通信系统的第一实施方式的框图。
图3A至图3B例示了在实验配置中穿过光学体模(phantom)之后的光束形状。
图4A至图4D示出了光学元件的几个示例布置。
图5A至图5B示出了采用四个发光源的光学元件的示例布置。
图6和图7示出了冲击体(impactor)相对于示例光学窗口的示例布置。
图8A至图8B更详细地例示了示例多窗口和套圈布置。
图9例示了经皮光通信系统的第二实施方式的框图。
具体实施方式
示例实施方式的描述如下。
图1例示了经皮通信系统100的概念图。系统100包括主植入神经通信器(masterimplant neuro-communicator，MIN)105、外部头戴件(head piece，HP)或可穿戴设备110以及数据处理设备(NCD)115。如概念上所示，MIN 105被植入患者头皮下方，并且具有联接到与患者大脑皮层的一部分接触的皮层电极125的信号线120。MIN 105将在信号线120上接收到的生理信号转换成通过头皮传输到HP 110的光信号130。HP 110在头皮的另一侧接收光信号，并将接收到的光信号转换成电信号。电信号由一个或更多个放大器放大，该放大器向时钟和数据恢复级馈送，以产生重构数据信号。NCD 115被配置用于对重构数据信号的数据处理功能。HP 110被配置成经由线圈135、140对MIN 105进行供电和控制。
图2例示了经皮通信系统200的第一示例实施方式的框图。系统200包括可植入设备或主植入神经通信器(MIN)205和外部可穿戴设备210。MIN 205具有气密壳体(未示出)，其包括模数转换器(ADC)220、可编程数字信号处理器(DSP)225、一个或更多个驱动器230、多个发光源235以及包括多个窗口的集成光学元件240。电极215在附接到患者的皮层区域282时向ADC 220提供模拟生理信号。应当理解，也可以考虑将身体的其它部位与基于MIN205的功能和元件配置的实施方式一起使用。
MIN 205还可以包括传感器255、存储器265、用于配置MIN 205的控制器270、用于为MIN 205供电的无线电力接收器275、电池280和感应线圈295。
传感器255可以包括温度传感器、湿度传感器、电压和电流传感器、加速计等。传感器255可以用于监测MIN 205并确保安全。
存储器265可以被布置成存储植入物的配置、固件、植入物和/或患者信息(例如，名字、序列号)和/或记录数据(例如，电池电压、温度、湿度、时间、事件)。
控制器270可以是被布置成对采集、DSP 225和驱动器进行配置的可编程微控制器。另外，控制器270可以被配置成读取传感器255、写入/读取存储器265、管理与可穿戴设备210的通信以及升级植入物的固件。
无线电力接收器275被配置成将来自感应线圈295的AC电压转换成经整流和经调整的净电压(DC)以向植入物的电子器件供电。
在一些实施方式中，电池280可以存储在电力中断期间使用的、或者当不存在可穿戴设备210时向MIN 205供电以保持一些功能运行的能量。
感应线圈295被配置成将交变磁场转换成交变电信号。
可穿戴设备210包括一个或更多个光电二极管245、一个或更多个放大器级250以及时钟和数据恢复电路260。
可穿戴设备210还包括感应线圈287、无线电力发射器289和控制器291。
在操作中，ADC 220将从电极215接收的模拟生理信号转换成数字信号。ADC功能可以由例如模拟前端(AFE)芯片提供。DSP 225对数字信号进行处理。DSP 225控制ADC 220、读取模数转换的结果、利用报头和校验和来封装数据以确保数据完整性并且将数据发送到一个或更多个驱动器230。DSP 225的输出联接到一个或更多个驱动器230，该一个或更多个驱动器230将数字信号转换成一个或更多个调制信号以驱动多个发光源235。从发光源235发射的光束有助于形成单个光信号。集成光学元件240具有多个坚固的低轮廓光学窗口，这些光学窗口允许光信号离开气密壳体并被安全地注入到生物组织207中。在可穿戴设备210处，一个或更多个光电二极管245在组织的另一侧接收光信号，并将接收到的光信号转换成电信号。在另选实施方式中，使用其它类型的光接收器来代替光电二极管245。电信号由一个或更多个放大器250放大，该一个或更多个放大器250向时钟和数据恢复或重构级260馈送。重构数据信号离开262可穿戴设备210以供进一步处理。
可穿戴设备210可以被配置成经由感应线圈287、295将电力从无线电力发射器289传输到MIN 205处的无线电力接收器275。另外，可穿戴设备210可以被配置成经由感应线圈287、295从控制器291对MIN 205处的控制器270进行编程并与该控制器270通信。
目标数据速率
可植入设备的新应用需要大量的信息通过患者的组织，在给定信道数量、采样率和所需分辨率的情况下，这通常可以以大于25Mbps的数据传输速率发生。
皮肤厚度
需要通过组织传输的光功率受组织厚度和类型的影响。在植入患者头部的设备的潜在应用的示例中，组织厚度通常平均为7mm至8mm，上至12mm或甚至更大。
波长
皮肤吸收和散射系数不是恒定的并且随波长而变化。光穿透生物组织的能力还取决于组织成分，诸如色素、黑色素、脂肪、水和含氧/脱氧血液。因此，波长被选择成能够最大化传输能量，但是链路也被配置成足够灵活和宽容以适应所有皮肤变化。
许多出版物发现了生物组织中在600nm至1300nm之间的“近红外窗口”。在这些波长处，黑色素、水和血液的组合比在更短或更长波长处吸收更少的光。此外，当波长增加时，生物组织的散射系数降低。在一些实施方式中，波长可以在400nm至1400nm之间的范围内。
发光源
单向光通信链路基于利用驱动器的操作通过数字数据来调制的多个快速发射红外光源，以供功率调节和冗余(以及通过在多个源上分散功率来降低功率密度)。头皮厚度、吸收和散射特性可以通过可调节的发光源和可调节的接收器灵敏度来补偿。因此，可以在保持功耗尽可能低的同时优化误码率。
发光源235可以是发光二极管(LED)或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。这两种是可以发射小形状因数的红外辐射的发光源的类型。LED通常限于20Mbps，而VCSEL可以实现高达几Gbps的数据速率。
驱动器
在一个实施方式中，驱动器230可以是非常简单和高速的晶体管，其用于以高功率效率和简单的开关键控(On Off Keying，OOK)调制来调制VCSEL电流。还可以使用多幅移键控(multiple amplitude shift keying，M-ASK)来操作多个发光源。
可穿戴光电二极管
光电二极管245可以是例如Hamamatsu S6967光电二极管，其具有50MHz带宽、在850nm下约0.62W/A的灵敏度、26.4mm2的光敏面积以及大于120°的大视角。将光电二极管245尽可能靠近皮肤放置具有提供大视角的优点，这也有助于对准发光源。目标是能够捕获到达皮肤表面的所有漫射光，即使光子以显著的入射角到达。光学系统(例如，菲涅耳透镜、透镜、滤波器)(未示出)可以被添加到光电二极管以捕获更多的光子或仅选择关注的波长。
放大器级
光电二极管245传递与接收到的光功率成比例的电流。放大器级250将该电流变换成电压。
在证明本文所述的可植入设备的概念的实验配置中，已经使用固体光学体模来模仿组织的光学特性。已使用光学特性和组织厚度的标称和极端情况(2mm和15mm代表皮肤厚度的极端情况)。
图3A至图3B例示了在实验配置中穿过光学体模之后的光束形状。图3A示出了2mm厚的光学体模A2的结果，图3B示出了5.5mm厚的光学体模A5.5的结果。对于A2体模，可以看到来自四个发射器源的不同光束是分离的。对于比2mm厚的体模，诸如A5.5体模，由于散射效应，光束相交并加和以形成单个峰，如图3B所示。因此，对于薄的皮肤，多源概念增加了对准容差，而对于厚的皮肤，所形成的总光束是四个光束的组合，并且由于散射系数，对准容差可能更大。
已经发现，为了适应生物组织207(图2)的厚度范围，发光源被分开成使得离开气密壳体的光束以这样的图案分布：其中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离且小于第二距离。例如，第一距离可以大于0.5mm，并且第二距离可以小于50mm。
例如，集成光学元件240可以由蓝宝石或其它合适的材料构成。图4A至图4D示出了光学元件240的几个示例布置。在图4A中，光学元件包括透镜402，诸如平凹透镜。在图4B中，抗反射涂层404(例如，薄膜或厚膜)被施加到光学元件240的表面以减少反射并因此增加透射能量。在图4C中，诸如磨砂表面之类的漫射层406被施加到光学元件240的表面。在图4D中，光学元件240包括微结构化或微图案化表面408。
图5A至图5B示出了采用四个发光源235a至235d的光学元件240的两个示例布置。在图5A中，光学元件包括由具有单个开口509a的套圈504保持在适当位置的单个窗口502。在图5B中，光学元件包括由具有四个对应开口510a至510d的套圈508保持在适当位置的四个窗口506a至506d。多个光学窗口506a至506d中的覆盖红外发光源235a至235d的子集的各个光学窗口可以具有比覆盖所有源的单个窗口小的直径。对于给定的厚度，多个窗口具有比单个较大窗口低的直径厚度比，因此在机械上更坚固。类似地，在给定从窗口的表面到它们的支撑套圈的表面的凹进距离的情况下，具有给定凹面的冲击体可以直接撞击较大的单个窗口的表面，而避开较小的窗口的表面。换句话说，对于具有给定凹面的给定冲击体，较大的单个窗口的表面需要比较小窗口的表面凹进得更多，以避免冲击。该概念在图6和图7中示出，其示出了半径为25mm的冲击体602。在图6中，具有6.85mm直径的大窗口502凹进0.236mm。相比之下，在图7中，具有1.80mm直径的小窗口506仅需要凹进0.016mm以避开冲击体602。较小窗口506的优点是可植入设备的封装可以做得较小，因为凹槽较小。
直接冲击和高直径厚度比的组合增加了窗口损坏的可能性，可能导致丧失气密性：需要增加凹进距离和/或窗口厚度以避免这种情况，并且这两种选择都会妨碍“低轮廓”方面。
图8A至图8B更详细地例示了示例多窗口和套圈布置。图8A是示出保持四个蓝宝石窗口810的套圈805的平面图。套圈805可以由钛或其它合适的材料制成。窗口810的中心分开距离830。如沿着切割平面A-A(由线A-A例示)的截面图(图8B)所示，窗口810从套圈的顶部835凹进了距离885。在这个实施方式中，窗口810不从套圈的底部825凹进，但在其它实施方式中，窗口也可以从底部凹进。套圈通过气密密封件820例如借助纯金钎焊结合到各个窗口810，并且包括用于将套圈安置在壳体中的凸缘840。窗口810的中心之间的距离830被选择成与用于与窗口810对准的一个或更多个发光源235(图2)的放置对应。
图9例示了经皮光通信系统的第二实施方式的框图。在该系统900中，将光通信从可穿戴设备910引导到植入设备905。这样的系统900可以被配置成在内部向组织的区域传递刺激信号。另外，系统900可以被配置成提供用于编程、升级和/或改变植入设备905的参数的服务信号。
植入设备905具有气密壳体(未示出)，其包括一个或更多个光电二极管945、一个或更多个放大级950、接收器960、控制器978和刺激发生器998。电极915在附着到患者的组织区域时提供来自刺激发生器998的模拟生理信号。
植入设备905还可以包括传感器955、存储器965、用于配置植入设备905的控制器970、用于为植入设备905供电的无线电力接收器975、电池980和感应线圈995。
传感器955可以包括温度传感器、湿度传感器、电压和电流传感器、加速计等。传感器955可以用于监测植入设备905并确保安全。
存储器965可以被布置成存储植入物的配置、固件、植入物和/或患者信息(例如，名字、序列号)和/或记录数据(例如，电池电压、温度、湿度、时间、事件)。
控制器970可以是被布置成对控制器978进行配置的微控制器。另外，控制器970可以被配置成读取传感器955、写入/读取存储器965、管理与可穿戴设备910的通信以及升级植入物的固件。
无线电力接收器975被配置成将来自感应线圈995的AC电压转换成经整流和经调整的净电压(DC)以向植入物的电子器件供电。
在一些实施方式中，电池980可以存储在电力中断期间使用的、或者当不存在可穿戴设备910时向植入设备905供电以保持一些功能运行的能量。
感应线圈995被配置成将交变磁场转换成交变电信号。
可穿戴设备910包括一个或更多个驱动器930、多个发光源935以及包括多个窗口的集成光学元件940。
可穿戴设备910还包括感应线圈987、无线电力发射器989和控制器991。
在工作中，控制器991向一个或更多个驱动器930提供数字信号，该一个或更多个驱动器930将数字信号转换成一个或更多个调制信号以驱动多个发光源935。从发光源935发射的光束有助于形成单个光信号。集成光学元件940具有多个坚固的低轮廓光学窗口，这些光学窗口允许光信号离开可穿戴设备910并被安全地注入到生物组织907中。在植入设备905处，一个或更多个光电二极管945在组织的另一侧接收光信号，并将接收到的光信号转换成电信号。电信号由一个或更多个放大器950放大，该一个或更多个放大器950向接收器960馈送。重构数据信号联接到控制器978，控制器978被编程以控制刺激发生器998向组织982提供刺激信号。
可穿戴设备910可以被配置成经由感应线圈987、995将电力从无线电力发射器989传输到植入设备905处的无线电力接收器975。另外，可穿戴设备910可以被配置成经由感应线圈987、995从控制器991对控制器970进行编程。
虽然已经具体示出和描述了示例实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求所涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (51)

1.一种经皮光通信系统，所述经皮光通信系统包括：
可植入光发送器设备，所述可植入光发送器设备包括：
气密壳体，所述气密壳体具有腔、远端以及近端，所述腔包括布置在所述腔中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件；
所述一个或更多个驱动器中的各个驱动器被配置成将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号以驱动所述发光源中的一个或更多个发光源；
各个发光源被配置成响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号；并且
所述光学元件被配置成引导所述光束离开所述气密壳体的所述近端，所述光束按这样的图案分布：在该图案中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离；
外部光接收器设备，所述外部光接收器设备包括：
至少一个光电二极管，所述至少一个光电二极管被配置成检测由所述多个发光源生成的光并且响应性地生成外部检测信号；
放大器电路，所述放大器电路被配置成放大所述外部检测信号；以及
时钟和数据恢复电路，所述时钟和数据恢复电路被联接成接收所放大的检测信号，并且被配置成生成重构数据信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可植入光发送器设备被配置成嵌入生物组织内，并且所述第一距离和所述第二距离是基于所述生物组织的特性的。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一距离大于0.5毫米，并且所述第二距离小于50毫米。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学元件包括多个光学窗口。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个光学窗口中的各个光学窗口包括透镜、抗反射涂层、漫射层、微结构化表面或它们的任意组合。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述透镜是平凹透镜。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述可植入光发送器设备还包括定位在所述壳体的所述近端处并被配置成容纳所述多个光学窗口的套圈，所述套圈具有与所述多个光学窗口对准的多个开口，所述多个光学窗口从所述套圈的顶表面凹进。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个发光源包括N个发光源，并且所述多个光学窗口包括M个光学窗口，并且N大于或等于M。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学元件包括单个光学窗口。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述单个光学窗口包括透镜、抗反射涂层、漫射层、微结构化表面或它们的任意组合。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述可植入光发送器设备还包括具有多个开口的套圈，所述套圈被定位在所述壳体的所述近端处，并且所述单个光学窗口从所述壳体的所述近端凹进至少所述套圈的厚度。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个发光源包括N个发光源，并且所述多个开口包括M个开口，并且N大于或等于M。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个发光源中的各个发光源包括发光二极管和垂直腔表面发射激光器中的任一者。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个发光源中的第一组包括垂直腔表面发射激光器，并且所述多个发光源中的第二组包括发光二极管。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个发光源被配置成在400nm至1400nm之间工作。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个发光源被配置成在600nm至1300nm之间工作。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或更多个驱动器被配置成基于开关键控调制来工作。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或更多个驱动器被配置成基于多幅移键控调制来工作。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可植入光发送器设备还包括模拟前端电路，所述模拟前端电路被配置成将生理信号转换成所述数字数据信号。
20.一种用于经皮光通信的方法，所述方法包括以下步骤：
在可植入光发送器设备处：
将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号；
在多个发光源中的一个或更多个发光源处，响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号；以及
引导所述光束离开所述可植入光发送器设备，所述光束按这样的图案分布：
在该图案中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。
21.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括：
在被定位成检测所述光束中的一个或更多个光束的外部光接收器设备处：
在多个光电二极管中的一个或更多个光电二极管处，检测由所述多个发光源生成的光并响应性地生成外部检测信号；
放大所述外部检测信号；以及
接收所放大的检测信号并生成重构数据信号。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述可植入光发送器设备被配置成嵌入生物组织内，并且所述第一距离和所述第二距离是基于所述生物组织的特性的。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一距离大于0.5毫米，并且所述第二距离小于50毫米。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，引导的步骤是由包括多个光学窗口的光学元件进行的。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，引导的步骤是由包括单个光学窗口的光学元件进行的。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个发光源中的各个发光源包括发光二极管和垂直腔表面发射激光器中的任一者。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个发光源中的第一组包括垂直腔表面发射激光器，并且所述多个发光源中的第二组包括发光二极管。
28.根据权利要求20所述的方法，其中，响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束的步骤是基于开关键控调制的。
29.根据权利要求20所述的方法，其中，响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束的步骤是基于多幅移键控调制的。
30.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括：将生理信号转换成数字数据信号。
31.一种可植入设备，所述可植入设备包括：
气密壳体，所述气密壳体具有腔、远端以及近端，所述腔包括布置在所述腔中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件；
所述一个或更多个驱动器中的各个驱动器被配置成将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号以驱动所述发光源中的一个或更多个发光源；
各个发光源被配置成响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号；并且
所述光学元件被配置成引导所述光束离开所述气密壳体的所述近端，所述光束按这样的图案分布：在该图案中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离。
32.根据权利要求31所述的可植入设备，其中，所述设备被配置成嵌入生物组织内，并且所述第一距离和所述第二距离是基于所述生物组织的特性的。
33.根据权利要求32所述的可植入设备，其中，所述第一距离大于0.5毫米，并且所述第二距离小于50毫米。
34.根据权利要求31所述的可植入设备，其中，所述光学元件包括多个光学窗口。
35.根据权利要求34所述的可植入设备，其中，所述多个光学窗口中的各个光学窗口包括透镜、抗反射涂层、漫射层、微结构化表面或它们的任意组合。
36.根据权利要求35所述的可植入设备，其中，所述透镜是平凹透镜。
37.根据权利要求34所述的可植入设备，所述可植入设备还包括定位在所述壳体的所述近端处并被配置成容纳所述多个光学窗口的套圈，所述套圈具有与所述多个光学窗口对准的多个开口，所述多个光学窗口从所述套圈的顶表面凹进。
38.根据权利要求34所述的可植入设备，其中，所述多个发光源包括N个发光源，并且所述多个光学窗口包括M个光学窗口，并且N大于或等于M。
39.根据权利要求31所述的可植入设备，其中，所述光学元件包括单个光学窗口。
40.根据权利要求39所述的可植入设备，其中，所述单个光学窗口包括透镜、抗反射涂层、漫射层、微结构化表面或它们的任意组合。
41.根据权利要求39所述的可植入设备，所述可植入设备还包括具有多个开口的套圈，所述套圈被定位在所述壳体的所述近端处，并且所述单个光学窗口从所述壳体的所述近端凹进至少所述套圈的厚度。
42.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述多个发光源包括N个发光源，并且所述多个开口包括M个开口，并且N大于或等于M。
43.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述多个发光源中的各个发光源包括发光二极管和垂直腔表面发射激光器中的任一者。
44.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述多个发光源中的第一组包括垂直腔表面发射激光器，并且所述多个发光源中的第二组包括发光二极管。
45.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述多个发光源被配置成在400nm至1400nm之间工作。
46.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述多个发光源被配置成在600nm至1300nm之间工作。
47.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述一个或更多个驱动器被配置成基于开关键控调制来工作。
48.根据权利要求41所述的可植入设备，其中，所述一个或更多个驱动器被配置成基于多幅移键控调制来工作。
49.根据权利要求41所述的可植入设备，所述可植入设备还包括模拟前端电路，所述模拟前端电路被配置成将生理信号转换成所述数字数据信号。
50.一种经皮光通信系统，所述经皮光通信系统包括：
外部光发送器设备，所述外部光发送器设备包括：
壳体，所述壳体具有布置在所述壳体中的一个或更多个驱动器、多个发光源以及光学元件；
所述一个或更多个驱动器中的各个驱动器被配置成将数字数据信号转换成一个或更多个调制信号以驱动所述发光源中的一个或更多个发光源；
各个发光源被配置成响应于所述一个或更多个调制信号中的对应一个调制信号而生成光束，各个光束有助于形成单个光信号；并且
所述光学元件被配置成引导所述光束离开所述壳体，所述光束按这样的图案分布：在该图案中，各个光束的光强度的峰值位置与相邻光束的光强度的对应峰值位置分开至少第一距离并且小于第二距离；
可植入光接收器设备，所述可植入光接收器设备包括：
至少一个光电二极管，所述至少一个光电二极管被配置成检测由所述多个发光源生成的光并且响应性地生成外部检测信号；
放大器电路，所述放大器电路被配置成放大所述外部检测信号；
接收器，所述接收器被联接成接收所放大的检测信号，并且被配置成生成重构数据信号；
控制器，所述控制器被配置成将所述重构数据信号转换成控制器信号；以及
刺激发生器，所述刺激发生器被配置成基于所述控制器信号来生成刺激信号。
51.根据权利要求50所述的系统，其中，所述可植入光接收器设备被配置成嵌入生物组织内，并且所述第一距离和所述第二距离是基于所述生物组织的特性的。
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