CN117439636A - 一种无线传输系统和植入式医疗设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传输系统和植入式医疗设备，无线传输系统包括直流电压转换模块、电源开关模块、控制模块、驱动模块和第一通信模块；直流电压转换模块用于根据第一控制接口和第二控制接口的控制信号分别调节第一电压和第二电压的大小，电源开关模块用于根据控制模块输出的调制控制信号选择输出第一电压或第二电压；第一通信模块的输入端与电源开关模块的输出端连接，第一通信模块的控制端与驱动模块的输出端连接，第一通信模块用于根据调制控制信号以及驱动信号的频率输出射频能量或通信信号中的至少一个。本发明的无线通信系统结构简单，而且可以改变ASK/AM调制信号的调制度，实现高效率的射频能量传递和高速率的双向半双工无线通信。

Description

一种无线传输系统和植入式医疗设备
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种无线传输系统和植入式医疗设备。
背景技术
随着医疗技术手段和设备的发展，给人们带来诸多便利，极大地丰富了病症的治疗方式，而植入式医疗设备就是其中之一。
植入式医疗设备，可以通过无线的方式，实现体外设备与体内的植入式设备之间进行射频能量的传输和双向无线通讯。为了实现植入式医疗设备进行射频能量传输和双向无线通信，现有技术通常采用：(1)单频多线圈系统，例如，13.56MHz的单频双线圈或多线圈系统等方式；(2)双频多线圈系统，例如，双频三线圈等方式。
但是，现有的处理方式中，无论是单频多线圈系统还是双频多线圈系统都没有解决高效率的射频能量传输和高速率的双向无线通信问题。其主要困难在于由于受到植入体线圈的体积限制，射频能量会对信号线圈造成严重干扰，体内天线的微动也会造成失配，且简单调制后的无线通讯频谱使用效率不高。
发明内容
本发明提供了一种无线传输系统和植入式医疗设备，结构简单，而且可以改变无线通讯中ASK/AM调制信号的调制度，实现高效率的射频能量传递和高速率的双向半双工无线通信。
第一方面，本发明提供了一种无线传输系统，用于植入式医疗设备，无线传输系统包括：直流电压转换模块、电源开关模块、控制模块、驱动模块和第一通信模块；
直流电压转换模块的第一输入端和第二输入端均接入电源，直流电压转换模块的第一输出端和第二输出端分别与电源开关模块的第一输入端和第二输入端连接，直流电压转换模块的第一控制端和第二控制端分别与控制模块的第一控制接口和第二控制接口连接，直流电压转换模块用于根据第一控制接口和第二控制接口的控制信号分别调节第一电压和第二电压的大小；
电源开关模块的控制端与控制模块的第三控制接口连接，电源开关模块用于根据控制模块输出的调制控制信号选择输出第一电压或第二电压；
驱动模块的输入端与控制模块的第四控制接口连接，驱动模块用于根据第四控制接口的控制信号产生驱动信号；
第一通信模块的输入端与电源开关模块的输出端连接，第一通信模块的射频节点与控制模块的输入端连接，第一通信模块的控制端与驱动模块的输出端连接，第一通信模块用于根据调制控制信号以及驱动信号的频率输出射频能量或通信信号中的至少一个。
第二方面，本发明提供了一种植入式医疗设备，包括第一方面提供的无线传输系统。
本发明实施例的无线传输系统，包括直流电压转换模块、电源开关模块、控制模块、驱动模块和第一通信模块。在体内接收和解调ASK/AM调制信号时，即在体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，调制控制信号为高低电平交替变换的信号(即调制控制信号为ASK/AM调制的数字基带信号)，从而控制第一电压和第二电压交替输出，以生成第四电压，控制模块输出的第三控制信号控制驱动模块的内部的有源晶振产生固定频率的高精度的载波信号，载波信号经过电流放大形成驱动信号，驱动信号(即载波信号)作为第一通信模块中MOS管的开关控制信号，控制第一通信模块的输出频率，第一通信模块的输出频率精度由驱动模块的有源晶振的频率精度决定，输出高精度的频率，确保工作频率工作在窄带的频段内，满足天线窄带匹配的需求。从而控制第四电压(即基带信号)按照驱动信号的频率输出，由于第四电压的幅值可变，因此可以实现调制度可变的ASK/AM调制，可以通过改变体外装置发射的ASK/AM调制信号的调制度，提高体内解调信号的信噪比。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种无线传输系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种无线传输系统的仿真图；
图3是本发明实施例提供的又一种无线传输电路的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种包络检测模块的结构示意图；
图5是本发明提供的一种包络检测和解调波形图；
图6是本发明实施例提供的又一种无线传输系统的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种电源开关模块的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种第一通信模块的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种ADS(Advanced Design System)软件仿真验证的ASK/AM解调电路；
图10和图11是图9仿真电路的波形图；
图12是宽带滤波器的频域波形图；
图13是窄带滤波器的频域波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1是本发明提供的一种无线传输系统的结构示意图，本实施例可适用于植入式医疗设备。植入式医疗设备可以为植入式视网膜、心脏起搏器、神经刺激器或人工耳蜗等植入式有源医疗设备，均包括无线传输系统。
如图1所示，无线传输系统100包括：直流电压转换模块11、电源开关模块12、控制模块13、驱动模块14和第一通信模块15。
直流电压转换模块11的第一输入端和第二输入端均接入电源VCC，直流电压转换模块11的第一输出端和第二输出端分别与电源开关模块12的第一输入端和第二输入端连接，直流电压转换模块11的第一控制端和第二控制端分别与控制模块13的第一控制接口和第二控制接口连接，直流电压转换模块11用于根据第一控制接口和第二控制接口的控制信号分别调节第一电压V1和第二电压V2的大小；
电源开关模块12的控制端与控制模块13的第三控制接口连接，电源开关模块12用于根据控制模块13输出的调制控制信号M1选择输出第一电压V1或第二电压V2；
驱动模块14的输入端与控制模块13的第四控制接口连接，驱动模块14用于根据第四控制接口的控制信号产生驱动信号；
第一通信模块15的输入端与电源开关模块12的输出端连接，第一通信模块的射频节点RF1与控制模块13的输入端连接，第一通信模块15的控制端与驱动模块14的输出端连接，第一通信模块15用于根据调制控制信号M1以及驱动信号的频率输出射频能量或通信信号中的至少一个。
具体的，直流电压转换模块11可以是各种具有直流电压转换功能的组合逻辑单元或集成电路。示例性的，直流电压转换模块11可以是开关直流电压转换器，以确保高效率的直流电压转换。另外考虑使用人员的差异，在安全规定范围内，医护人员可以根据患者的实际情况登录上位机系统对第一电压V1上限进行微调，即修改上位机系统的控制参数，以使控制模块13的第一控制接口发出第一控制信号。第一电压V1大于第二电压V2。患者可以通过按键对第二电压V2进行微调，以使第二控制接口发出第二控制信号。直流电压转换模块11根据第一控制信号和第二控制信号分别调节第一电压V1和第二电压V2的大小。
电源开关模块12可以是各种具有电源选择功能的模块，电源开关模块12由控制模块13来控制，控制信号为调制控制信号M1。其中，当通信信号的调制方式为幅移键控(ASK)时，调制控制信号M1可以是ASK调制控制信号；当通信信号的调制方式为调幅调制(AM)时，调制控制信号M1可以是AM调制控制信号。在第一通信模块15仅输出射频能量时，即体外装置仅向体内装置传输射频能量时，调制控制信号M1为高电平信号，电源开关模块12选择第一电压V1输出，以生成第三电压V3。在体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，即第一通信模块15同时输出射频能量和通信信号时，调制控制信号M1为高低电平交替变换的信号(即调制控制信号M1为ASK/AM调制的数字基带信号)，从而控制第一电压V1和第二电压V2交替输出，以生成第四电压V4。第四电压V4信号的波形与控制模块13产生的调制控制信号M1的波形近似但幅度不同。
控制模块13可以包括微控制单元。可选的，控制模块13可以包括单片机，还可以包括数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)或者现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)。可选的，控制模块13内部集成射频接收解调功能。
控制模块13的第三控制信号A1控制有源晶振产生高精度的载波信号，经过电流放大形成驱动信号B1，驱动信号B1也是与载波信号同频率的方波信号，驱动信号B1用于确保第一通信模块15输出射频频率的精确度满足体外天线和体内天线的窄带匹配。也就是说，在体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，控制模块13的第三控制信号A1控制驱动模块14内有源晶振产生固定频率的载波信号，载波信号经过电流放大后形成驱动信号B1，驱动信号B1(即电流放大后的载波信号)作为第一通信模块15中MOS管的开关控制信号，控制第一通信模块15的输出频率(即第一通信模块15的输出频率由驱动模块14决定)。控制模块13还可以控制第四电压V4(即基带信号)按照驱动信号B1的频率输出，由于第四电压V4的幅值可变，因此可以实现调制度可变的ASK/AM调制，调制信号的载波频率精度由有源晶振决定，能够满足无线通讯的需要。
在第一通信模块15同时输出射频能量和通信信号时，即体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，通过测试驱动信号B1的波形以及ASK/AM调制的第四电压V4的波形，可以计算通讯速率和载波频率的比值，体现了植入式医疗设备中，无线通讯的ASK/AM调制解调中频谱的使用效率。
本发明的射频能量传递和无线数据通讯，使用了同一频点，避免了射频不同频段的干扰问题。在体内接收和解调ASK/AM调制信号时，可以通过改变体外装置发射的ASK/AM调制信号的调制度，提高体内解调信号的信噪比，即通过改变第二电压V2的幅值，可以实现ASK/AM调制度的改变。
可选地，继续参考图1，无线传输系统100还包括第二通信模块16，第二通信模块16用于接收第一通信模块15发送的射频能量和通信信号，并根据射频能量和通信信号输出指令，执行相应的负载调制，使信号反馈至第一通信模块15；其中，第一通信模块15设置在体外，第二通信模块16设置在体内。可选地，第二通信模块16包括体内天线和体内电路。控制模块13还用于根据第二通信模块16反馈的信号调整射频能量和通信信号的发射功率。
例如，盲人的视网膜植入系统中，第一通信模块15可以提供在体外采集的视频信息作为通信信号，以及提供在体内的第二通信模块16工作所需的射频能量，并将这两种信号通过无线的方式进行传输。体内的第二通信模块16就可以根据接收到的射频能量和通信信号来触发相应的视网膜细胞，达到获取视觉信息的目的。同时，由于受到眼球转动的影响，位于体内的第二通信模块16会轻微移动，引起传输至第二通信模块16的射频能量的变化，第二通信模块16就可以根据这种位移变化向体外的第一通信模块15传输反馈信号，使第一通信模块15能够实时调整射频能量和通信信号的发射功率，从而减少体内装置的功率变化，而且还可以实现体外设备与体内的植入式设备之间进行双向半双工无线通讯，输出体内温度以及阻抗特性等参数。
继续参考图1，本实施例提供的无线传输系统100的具体工作过程为：
在无线传输系统100上电时，控制模块13通过第三控制接口向电源开关模块12输出第一调制控制信号M1(即高电平信号)，电源开关模块12控制第一电压V1选通输出，此时第一通信模块15仅输出射频能量，即输出连续的幅值不变的正弦波(幅值不变)。
在体外装置需要向体内装置进行数据传递，即在体外装置和体内装置进行无线通讯时，此时控制模块13通过第三控制接口向电源开关模块12输出第二调制控制信号M1(即高低电平交替变换的信号)，电源开关模块12控制第一电压V1和第二电压V2交替选通输出，此时第一通信模块15同时输出射频能量和通信信号，即输出ASK/AM调制的正弦波。
图2是本发明实施例提供的一种无线传输系统的仿真图，参考图2，图2的波形从上往下依次是ASK/AM调制时，调制控制信号M1的波形，电源开关模块12输出的第四电压V4的波形，第四电压V4为10.1V和9.5V的双电平波形，第二电压V2的波形以及第一电压V1的波形。
本发明实施例的无线传输系统，包括体外装置和体内装置，体外装置包括直流电压转换模块、电源开关模块、控制模块、驱动模块和第一通信模块，体内装置包括第二通信模块，通过直流电压转换模块和电源开关模块实现了ASK/AM调制度可调的无线传输系统，第一通信模块能够以无线的方式输出传输射频能量和通信信号，使第二通信模块能够根据接收到的射频能量和通信信号指令，输出相应的触发信号至体内组织。体内组织例如可以为位于眼部的视网膜细胞，以触发体内组织产生反应。同时，当位于体内的第二通信模块的位移发生变化时，如位置发生微动时，传输至第二通信模块上的射频能量也会随着变化，第二通信模块就可以根据这种变化向体外的第一通信模块传输反馈信号，使第一通信模块能够调整射频能量和通信信号的发射功率，从而减少体内装置的功率变化，进而实现高效率的能量传输和高速率的双向半双工无线通信。第二通讯模块根据第一通讯模块的相关指令，能够把体内的参数(比如温度、阻抗)等信息反向传输给第一通讯模块。
图3是本发明实施例提供的又一种无线传输系统的结构示意图，参考图3，可选地，无线传输系统100还包括包络检测模块17和解调模块18。
包络检测模块17的输入端与第一通信模块15的射频节点RF1连接，包络检测模块17用于对第一通信模块射频节点RF1的信号进行包络检测，并输出第一包络信号、第二包络信号或第三包络信号。
解调模块18的第一输入端与包络检测模块17的输出端连接，解调模块18的第二输入端与控制模块13的第五控制接口连接，解调模块18用于接收包络检测模块17发送的第一包络信号、第二包络信号或第三包络信号，并根据第五控制接口的控制信号和第一包络信号获得第一解调信号，根据第五控制接口的控制信号和第二包络信号获得第二解调信号，根据第五控制接口的控制信号和第三包络信号获得第三解调信号。
控制模块13的输入端与解调模块18的输出端连接，控制模块13还用于根据第一解调信号监控第一通信模块15与第二通信模块16是否匹配，根据第二解调信号监控第一通信模块15发送的调制数据是否异常，以及根据第三解调信号实现第二通信模块16与第一通信模块15的数据传递。
具体的，包络检测模块17可以是各种具有包络检测功能的模块。解调模块18可以是各种具有包络信号解调功能的模块，解调模块18根据第五控制接口的控制信号对包络信号进行波形转换，获得解调信号。
在一些实施例中，解调模块18包括由运算放大器构成的有源低通滤波器，以形成增益信号，该增益信号一路输入控制模块13的ADC部分进行处理，用与监控第一通信模块15的工作情况；该增益信号另一路输入比较器，与控制模块12输出的参考电平进行比较，从而把ASK解调的信号转换为数字基带信号。示例性的，解调模块18中的运算放大器可以使用OPA2863芯片，使用OPA2863芯片可以构成40dB增益，带宽为200KHz的低通滤波器。
当第一通信模块15仅输出射频能量时，第一通信模块15发送连续正弦波的射频能量，没有调制信号，包络检测模块17发送的第一包络信号为直流信号，解调模块18处理该直流信号得到第一解调信号，控制模块13根据第一解调信号判断第一通信模块15与第二通信模块16是否匹配。
在体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，即第一通信模块15同时输出射频能量和通信信号时，包络检测模块17对第一通信模块射频节点RF1的信号进行包络检测，并输出第二包络信号，解调模块18根据第五控制接口的控制信号和第二包络信号获得第二解调信号，控制模块13根据第二解调信号监控第一通信模块15发送的调制数据是否异常。
第二通信模块16接收第一通信模块15传输的射频能量和通信信号，并根据射频能量和通信信号输出相应的触发信号至体内组织。同时，当第二通信模块16发生位移变化而引起射频能量的变化时，体内天线也用于接收体内电路控制单元输出的响应信号，并根据响应信号的作用输出反馈信号至第一通信模块15，即耦合体外天线，影响体外输出端口ASK/AM的调制波形，调制波形经过包络检测模块17，形成第三包络信号，第三包络信号输入解调模块18，生成第三解调信号，送入控制模块13，控制模块13根据第三解调信号实现第二通信模块16与第一通信模块15的数据传递。
可选地，参考图3，该无线传输系统100还包括电池19，电池19用于为整个体外装置供电。示例性的，电池19可以使用7.2V的1800mA可充电锂电池。
作为本发明实施例提供的一种可选实施方式，图4是本发明实施例提供的一种包络检测模块的结构示意图，参考图4，可选地，包络检测模块17包括分压单元171、单向整流单元172、RC滤波器173和二阶滤波器174；分压单元171的第一端作为包络检测模块17的输入端，分压单元171的第二端接地，分压单元171用于降低第一通信模块射频节点RF1的射频能量耦合的损耗；单向整流单元172的输入端与分压单元171的第三端连接，单向整流单元172用于接收并整流来自分压单元171的输出信号；RC滤波器173的输入端与单向整流单元172的输出端连接，RC滤波器173用于对单向整流单元172的输出信号进行低通滤波来生成包络信号；二阶滤波器174的输入端与RC滤波器173的输出端连接，二阶滤波器174用于对包络检测模块17的输出阻抗进行转换，满足后级连接的解调模块18中的运算放大器低噪声输入阻抗的要求。
具体的，分压单元171包括第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3的第一端作为分压单元171的第一端，第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4的第二端作为分压单元171的第二端，第三电阻R3和第四电阻R4的公共端作为分压单元171的第三端。其中，第三电阻R3和第四电阻R4为射频采样电阻，具有较高的阻抗值。分压单元171通过对射频节点RF1的射频信号进行分压来产生衰减的射频信号，可以降低射频节点RF1的射频能量耦合的损耗。
单向整流单元172包括第三二极管D3和第五电阻R5，第三二极管D3的阳极作为单向整流单元172的输入端，第三二极管D3的阴极作为单向整流单元172的输出端，第五电阻R5的第一端与第三二极管D3的阴极连接，第五电阻R5的第二端接地。
RC滤波器173包括第六电阻R6和第六电容C6，第六电阻R6的第一端作为RC滤波器173的第一端，第六电阻R6的第二端作为RC滤波器173的输出端，第六电容的C6的第一端与第六电阻R6的第一端连接，第六电容C6的第二端接地。
二阶滤波器174包括第七电阻R7、第八电阻R8和第七电容C7，第七电阻R7的第一端作为二阶滤波器174的第一端，第七电阻R7的第二端与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8的第二端接地，第七电容C7的第一端与第七电阻R7的第二端连接，第七电容C7的第二端接地。
图5是本发明提供的一种包络检测和解调波形图，参考图5，图5的波形从上往下依次是ASK/AM调制时，射频节点RF1的ASK/AM调制波形，第二射频节点RF2的ASK/AM单向整流波形，包络检测模块17输出的第二包络信号S2的波形，解调模块18中的低通滤波器放大后信号S1的波形，调解模块18输出的第二解调信号SD2的波形。
作为本发明实施例提供的一种可选实施方式，图6是本发明实施例提供的又一种无线传输系统的结构示意图，结合图1和图6，直流电压转换模块11包括第一直流电压转换单元和111第二直流电压转换单元112。
第一直流电压转换单元111的输入端作为直流电压转换模块11的第一输入端，第一直流电压转换单元111的输出端作为直流电压转换模块11的第一输出端，第一直流电压转换单元111用于根据第一控制接口的控制信号调节第一电压V1的大小。
第二直流电压转换单元112的输入端作为直流电压转换模块11的第二输入端，第二直流电压转换单元112的输出端作为直流电压转换模块11的第二输出端，第二直流电压转换单元112用于根据第二控制接口的控制信号调节第二电压V2的大小。
其中，第一直流电压转换单元112与第二直流电压转换单元112的型号可以相同，也可以不同。示例性的，第一直流电压转换单元112与第二直流电压转换单元112可以是直流/直流转换芯片LTC3130。LTC3130芯片具有1.6μA的静态电流，最高电压为25V，最大输出电流为600mA，为降压-升压型DC/DC转换器，可以对7.2V的电源实行输出电压转换，并能够对电源电压进行监控。
可选的，该无线传输系统100还包括第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10和第十一电容C11，第九电容C9和第十一电容C11为电源中射频去耦合的旁路电容；第八电容C8和第十电容C10为输入稳压电容，用于减小电源开关模块12导通瞬间的电源波动。
在第一通信模块15仅输出射频能量时，即体外装置仅向体内装置传输射频能量时，第一电压V1通过电源开关模块12选通输出为第三电压V3，在体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，即第一通信模块15同时输出射频能量和通信信号时，第一电压V1和第二电压V2通过电源开关模块12交替选通输出为第四电压V4，第四电压V4的高电平电源值对应ASK/AM调制信号的峰值。
在第一通信模块15仅输出射频能量时，关闭第二电流电压转换单元112，可以减少无线传输系统100功率的损耗。在体外向体内发送ASK/AM调制信号时，即进行无线通讯时，控制模块13控制启动第二电流电压转换单元112，生成初始第二电压。在体外向体内发送ASK/AM调制信号时，第一电压V1和第二电压V2通过电源开关模块12交替选通输出为第四电压V4，第四电压V4的低电平电源值对应ASK/AM调制信号的谷值，ASK/AM调制信的谷值用于改变ASK/AM调制信号的调制度。
在一种实施例中，图7是本发明实施例提供的一种电源开关模块的结构示意图，如图7所示，电源开关模块12包括第一开关单元121、第二开关单元122和反相器123；第一开关单元121的控制端与第三控制接口连接，第一开关单元121的输入端与直流电压转换模块11的第一输出端连接，第一开关单元121用于在调制控制信号M1为第一电平信号时导通，输出第一电压V1；反相器123的输入端与第三控制接口连接，反相器123用于响应调制控制信号M1，输出与调制控制信号M1时序相反的信号；第二开关单元122的控制端与反相器123的输出端连接，第二开关单元122的输入端与直流电压转换模块11的第二输出端连接，第二开关单元122用于在调制控制信号M1为第二电平信号时导通，输出第二电压V2。其中，第一电平信号为高电平信号，第二电平信号为低电平信号。
第一开关单元121包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第一电阻R1和第一二极管D1；第一晶体管T1的栅极与第二晶体管T2的第一极连接，第一晶体管T1的第一极作为第一开关单元121的输入端，第一晶体管T1的第二极与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极作为第一开关单元121的输出端；第二晶体管T2的栅极作为第一开关单元121的控制端，第二晶体管T2的第二极接地；第一电阻R1的第一端与第一晶体管T1的第一极连接，第一电阻R1的第二端与第一晶体管T1的栅极连接。
第二开关单元122包括第三晶体管T3、第四晶体管T4、第二电阻R2和第二二极管D2；第三晶体管T3的栅极与第四晶体管T4的第一极连接，第三晶体管T3的第一极作为第二开关单元122的输入端，第三晶体管T3的第二极与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极作为第二开关单元122的输出端；第四晶体管T4的栅极作为第二开关单元122的控制端，第四晶体管T4的第二极接地；第二电阻R2的第一端与第三晶体管T3的第一极连接，第二电阻R2的第二端与第四晶体管T4的栅极连接。
其中，第一晶体管T1和第四晶体管T4为P沟道的晶体管，第二晶体管T2和第三晶体管T3为N沟道的晶体管。示例性的，第一晶体管T1和第二晶体管T2可以是BSS308PE芯片，第三晶体管T3和第四晶体管T4可以是IRLML2062芯片。可以理解的是，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4还可以是其它类似的场效应管或者三极管。使用本发明实施例提供的电源开关模块12进行双电平转换，开关切换速度快，能够实现微秒(uS)级的切换，避免了常规电源调值中毫秒(mS)级的慢速切换，改善了瞬态响应时间，从而使第一通信模块15实现更高速率的ASK/AM调制。
参考图7，该电源开关模块12的工作原理为：
当第一通信模块15仅输出射频能量时，调制控制信号M1为高电平信号，第二晶体管T2导通，第一晶体管T1的栅极为低电平，第一晶体管T1导通，第一电压V1经过第一二级管D1输出为第三电压V3。调制控制信号M1经过反相器123，成为低电平，第四晶体管T4不导通，第三晶体管T3栅极为高电平，故第三晶体管T3截止，第二电压V2不能输出。
在体外装置向体内装置发送ASK/AM调制信号时，即第一通信模块15同时输出射频能量和通信信号时，调制控制信号M1为ASK/AM调制的数字基带信号(即交替变化的高低电平信号)，第一电压V1和第二电压V2通过电源开关模块12交替选通输出为第四电压V4。
在一种实施例中，图8是本发明实施例提供的一种第一通信模块的结构示意图，如图8所示，第一通信模块15包括放大器151、低通滤波器152、匹配电路153和体外天线L1；第二通信模块16包括体内天线。
放大器151的输入端作为第一通信模块15的输入端，放大器151的控制端作为第一通信模块15的控制端，放大器151用于将驱动信号B1进行功率放大后输出；低通滤波器152的输入端与放大器151的输出端连接，低通滤波器152用于降低放大器151输出信号的谐波；匹配电路153的输入端与低通滤波器152的输出端连接，匹配电路153的输出端与体外天线L1连接，匹配电路153用于在载波频率点进行阻抗匹配，以实现放弃ASK/AM调制信号频域中载波的上边带信号和下边带信号的窄带匹配。当放大器151输出ASK/AM调制载波信号时，低基带速率是ASK调制波形，由于放大器瞬态响应的时间限制，高基带速率时ASK调制波形退化为AM调制波形。
具体的，放大器151可以是E类放大器。其中，体外天线L1为具有良好导电率的多股金属(通常为铜、银、合金等)细线构成的利磁线，金属细线直径由工作频率决定。在一实施例中，金属细线外覆盖绝缘材料。体外天线L1通常绕制成规则形状或其它形状，并可选择性的在体外天线L1上贴一层磁性损耗较小，且磁导率合适的磁性材料，用于改善射频能量天线的方向性，从而提高射频能量的无线传输效率。示例性的，体外天线L1可以是外径56mm，内径32mm的圆形天线，电感值为97uH，品质因数值为115。
可选地，体内天线的材料可以是具有生物兼容性的金属，比如金线，体内天线绕制后可以是长17mm宽8mm的椭圆形天线，电感值为81uH，品质因数值为31。体内装置用来实现体内无线能量的接收、体内体外无线通讯和体内神经信号的刺激等功能。体内天线可以安装在皮经系统的内部，体外天线L1的安装位置根据体内天线的位置而定。例如，把体内天线放入猪的眼睛底部，进行射频能量接收的测试。体外天线L1和猪眼睛内部埋入的体内天线，中心距离为13mm(体内7mm)，在体外天线L1输入1MHz功率为1W的射频能量时，体内天线接收射频能量，并通过整流滤波后形成直流电压，能够实现接收160mW的直流功率，总体效率为16％，猪眼睛的温度变化小于1摄氏度。
放大器151包括第五晶体管T5、第一电感LH1、第二电感LH2、第一电容C1和第二电容C2；第五晶体管T5的栅极作为放大器151的控制端，第五晶体管T5的第一极与第一电感LH1的第一端连接，第五晶体管T3的第二极接地；第一电感L1的第二端作为放大器151的输入端，第一电容C1的第一端与第五晶体管T5的第一极连接，第一电容C1的第二端接地；第二电容C2的第一端与第一电容C1的第一端连接，第二电感LH2的第一端与第二电容C2的第一端连接，第二电感LH2的第二端作为放大器151的输出端。
低通滤波器152包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第三电感LH3；第三电容C3的第一端与第三电感LH3的第一端连接，第三电容C3的第二端与第三电感L3的第二端连接；第三电感LH3的第一端作为低通滤波器152的输入端，第三电感LH3的第二端作为低通滤波器152的输出端；第四电容C4的第一端与第三电感L3的第一端连接，第四电容C4的第二端接地；第五电容C5的第一端与第三电感LH3的第二端连接，第五电容C5的第二端接地。
其中，第一电容C1是放大器151的输出匹配电容，第二电容C2和第二电容C2是工作频点上的谐振电容，第一电感LH1是扼流电感。
低通滤波器152可以降低放大器151的输出谐波，具有隔离和降低体外天线微动的阻抗变化对放大器151部分的影响。
匹配电路153是体外天线L1的匹配及其阻抗变换，为高品质因数值的窄带匹配，从而提高无线能量的效率。匹配电路153可以把体外天线L1的阻抗转变到射频节点RF1的50欧姆的特性阻抗；匹配电路153的结构优选为电容匹配。
为了验证窄带匹配能够满足ASK/AM调制的需求，即放弃ASK/AM调制后的载波信号的边带的可行性，图9是本发明实施例提供的一种ADS(Advanced Design System)软件仿真验证的ASK/AM解调电路。
参考图9，该ADS仿真的ASK/AM解调电路包括正弦波信号源20、方波信号源21、调制器22、第一解调电路23和第二解调电路24。
其中，第一解调电路23和第二解调电路24分别与调制器22的输出端连接，第一解调电路23包括依次连接的第一放大器231、宽带滤波器232、第一整流单元233、第一检波与滤波单元234以及第一比较单元235。
第二解调电路24包括依次连接的第二放大器241、窄带滤波器242、第二整流单元243、第二解检波与滤波单元244以及第二比较单元245。
其中，第一放大器231和第二放大器232的类型相同，第一整流单元233和第二整流单元243的类型相同，第一检波与滤波单元234和第二检波与滤波单元244的类型相同，第一比较单元235和第二比较单元245的类型相同。
正弦波信号源20用于输出1MHz的载波信号，方波信号源21用于输出50KHz的基带信号(即方波信号)，调制器22用于将50KHz的基带信号调制到1MHz的载波频率，以生成调制度为30％的ASK/AM调制信号，ASK/AM调制信号经过中心频率相同但带宽不同的窄带滤波器242和宽带滤波器232输出。
可选地，宽带滤波器232为宽带为600KHz的带通滤波器，能够覆盖调制后载波信号的边带，带内插入损耗低于0.1dB带外衰减30dB；窄带滤波器242为带宽为1KHz的窄带滤波器，窄带滤波器242用于放弃调制后载波信号的边带，带内插入损耗低于0.1dB带外衰减30dB，窄带滤波器242和宽带滤波器232的输出信号经过相同的整流电路和滤波电路后形成ASK/AM解调包络信号，ASK/AM解调包络信号经过单项导通的二级管进入比较器电路，转换为数字基带信号。
图10和图11是图9仿真电路的波形图，图12是宽带滤波器的频域波形图，图13是窄带滤波器的频域波形图，结合图9和图10，图10从上到下依次为第一节点N1、第二节点N2、第三节点N3、第四节点N4和第五节点N5的波形图。结合图9和图11，图11从上到下依次是第一节点N1、第六节点N6、第七节点N7、第八节点N8和第九节点N9的波形图。
结合图9、图10和图11，参考图10的第二个波形，调制度为30％的ASK/AM调制信号，经过窄带滤波后包络信号基本保持不变；参考图11的第二个波形，经过宽带滤波后包络信号边压退化。参考图10和图11的第四个波形，窄带滤波器242和宽带滤波器232的输出信号经过检波和滤波单元后的ASK/AM解调包络信号的波形相似，都是经过一段瞬态响应时间后进入周期的稳态信号；参考图10和图11的第五个波形，ASK/AM解调包络信号经过比较器电路后，解调生成的数字基带信号是相同的。
图9、图10和图11的仿真及其结果，验证了ASK/AM调制信号经过窄带滤波器，放弃调制的载波边带信号可以解调出基带信号；从而推广到天线匹配时，只需要在载波信号中心频率处进行窄带匹配，放弃两边的载波边带信号匹配，发射和接收后依然可以解调出基带信号。体外天线L1与体内天线的窄带匹配能够实现天线的高品质因数值匹配，有利于无线能量传输中效率的提高，也能够实现ASK/AM调制的无线通讯。也就是说，该仿真实验验证了无线能量的传输中对天线实行窄带匹配，能够实现ASK/AM调制载波信号的无线传输，也验证了1MHz的载波能够实现100KBPS基带数据传递。
本发明实施例的技术方案，通过直流电压转换模块和电源开关模块，实现了ASK/AM调制度可调的无线传输系统，通过体外天线和体内天线进行工作中心频率的窄带匹配，即放弃ASK/AM调制信号频域中载波的上边带信号和下边带信号的匹配，实现了体外和体内高速率ASK/AM调制的半双工无线通讯和无线能量传输。
本发明实施例还提供了一种植入式医疗设备，包括上述任意实施例提供的无线传输系统，具备本发明上述任意实施例的无线传输系统的有益效果。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传输系统，其特征在于，用于植入式医疗设备，所述无线传输系统包括：直流电压转换模块、电源开关模块、控制模块、驱动模块和第一通信模块；
所述直流电压转换模块的第一输入端和第二输入端均接入电源，所述直流电压转换模块的第一输出端和第二输出端分别与所述电源开关模块的第一输入端和第二输入端连接，所述直流电压转换模块的第一控制端和第二控制端分别与所述控制模块的第一控制接口和第二控制接口连接，所述直流电压转换模块用于根据所述第一控制接口和所述第二控制接口的控制信号分别调节第一电压和第二电压的大小；
所述电源开关模块的控制端与所述控制模块的第三控制接口连接，所述电源开关模块用于根据所述控制模块输出的调制控制信号选择输出所述第一电压或所述第二电压；
所述驱动模块的输入端与所述控制模块的第四控制接口连接，所述驱动模块用于根据所述第四控制接口的控制信号产生驱动信号；
所述第一通信模块的输入端与所述电源开关模块的输出端连接，所述第一通信模块的射频节点与所述控制模块的输入端连接，所述第一通信模块的控制端与所述驱动模块的输出端连接，所述第一通信模块用于根据所述调制控制信号以及所述驱动信号的频率输出射频能量或通信信号中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的无线传输系统，其特征在于，还包括第二通信模块，所述第二通信模块用于接收所述第一通信模块发送的射频能量和通信信号，并根据所述射频能量和所述通信信号输出指令，执行相应的负载调制，使信号反馈至所述第一通信模块；
其中，所述第一通信模块设置在体外，所述第二通信模块设置在体内。
3.根据权利要求2所述的无线传输系统，其特征在于，还包括包络检测模块和解调模块；
所述包络检测模块的输入端与所述第一通信模块的射频节点连接，所述包络检测模块用于对所述第一通信模块射频节点的信号进行包络检测，并输出第一包络信号、第二包络信号或第三包络信号；
所述解调模块的第一输入端与所述包络检测模块的输出端连接，所述解调模块的第二输入端与所述控制模块的第五控制接口连接，所述解调模块用于接收所述包络检测模块发送的所述第一包络信号、所述第二包络信号或所述第三包络信号，并根据所述第五控制接口的控制信号和所述第一包络信号获得第一解调信号，根据所述第五控制接口的控制信号和所述第二包络信号获得第二解调信号，根据所述第五控制接口的控制信号和所述第三包络信号获得第三解调信号；
所述控制模块的输入端与所述解调模块的输出端连接，所述控制模块还用于根据所述第一解调信号监控所述第一通信模块与所述第二通信模块是否匹配，根据所述第二解调信号监控所述第一通信模块发送的调制数据是否异常，以及根据所述第三解调信号实现所述第二通信模块与所述第一通信模块的数据传递。
4.根据权利要求1所述的无线传输系统，其特征在于，所述直流电压转换模块包括第一直流电压转换单元和第二直流电压转换单元；
所述第一直流电压转换单元的输入端作为所述直流电压转换模块的第一输入端，所述第一直流电压转换单元的输出端作为所述直流电压转换模块的第一输出端，所述第一直流电压转换单元用于根据所述第一控制接口的控制信号调节第一电压的大小；
所述第二直流电压转换单元的输入端作为所述直流电压转换模块的第二输入端，所述第二直流电压转换单元的输出端作为所述直流电压转换模块的第二输出端，所述第二直流电压转换单元用于根据所述第二控制接口的控制信号调节第二电压的大小。
5.根据权利要求1所述的无线传输系统，其特征在于，所述电源开关模块包括第一开关单元、第二开关单元和反相器；
所述第一开关单元的控制端与所述第三控制接口连接，所述第一开关单元的输入端与所述直流电压转换模块的第一输出端连接，所述第一开关单元用于在所述调制控制信号为第一电平信号时导通，输出所述第一电压；
所述反相器的输入端与所述第三控制接口连接，所述反相器用于响应所述调制控制信号，输出与所述调制控制信号时序相反的信号；
所述第二开关单元的控制端与所述反相器的输出端连接，所述第二开关单元的输入端与所述直流电压转换模块的第二输出端连接，所述第二开关单元用于在所述调制控制信号为第二电平信号时导通，输出所述第二电压。
6.根据权利要求5所述的无线传输系统，其特征在于，所述第一开关单元包括第一晶体管、第二晶体管、第一电阻和第一二极管；
所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的第一极连接，所述第一晶体管的第一极作为所述第一开关单元的输入端，所述第一晶体管的第二极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极作为所述第一开关单元的输出端；
所述第二晶体管的栅极作为所述第一开关单元的控制端，所述第二晶体管的第二极接地；
所述第一电阻的第一端与所述第一晶体管的第一极连接，所述第一电阻的第二端与所述第一晶体管的栅极连接；
所述第二开关单元包括第三晶体管、第四晶体管、第二电阻和第二二极管；
所述第三晶体管的栅极与所述第四晶体管的第一极连接，所述第三晶体管的第一极作为所述第二开关单元的输入端，所述第三晶体管的第二极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极作为所述第二开关单元的输出端；
所述第四晶体管的栅极作为所述第二开关单元的控制端，所述第四晶体管的第二极接地；
所述第二电阻的第一端与所述第三晶体管的第一极连接，所述第二电阻的第二端与所述第四晶体管的栅极连接。
7.根据权利要求2所述的无线传输系统，其特征在于，所述第一通信模块包括放大器、低通滤波器、匹配电路和体外天线；所述第二通信模块包括体内天线；
所述放大器的输入端作为所述第一通信模块的输入端，所述放大器的控制端作为所述第一通信模块的控制端，所述放大器用于将所述驱动信号进行功率放大后输出；
所述低通滤波器的输入端与所述放大器的输出端连接，所述低通滤波器用于降低所述放大器输出信号的谐波；
所述匹配电路的输入端与所述低通滤波器的输出端连接，所述匹配电路的输出端与所述体外天线连接，所述匹配电路用于在载波频率点进行阻抗匹配，以实现放弃ASK/AM调制信号频域中载波的上边带信号和下边带信号的窄带匹配。
8.根据权利要求7所述的无线传输系统，其特征在于，所述放大器包括第五晶体管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容；
所述第五晶体管的栅极作为所述放大器的控制端，所述第五晶体管的第一极与所述第一电感的第一端连接，所述第五晶体管的第二极接地；
所述第一电感的第二端作为所述放大器的输入端，所述第一电容的第一端与所述第五晶体管的第一极连接，所述第一电容的第二端接地；
所述第二电容的第一端与所述第一电容的第一端连接，所述第二电感的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电感的第二端作为所述放大器的输出端；
所述低通滤波器包括第三电容、第四电容、第五电容和第三电感；
所述第三电容的第一端与所述第三电感的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第三电感的第二端连接；
所述第三电感的第一端作为所述低通滤波器的输入端，所述第三电感的第二端作为所述低通滤波器的输出端；
所述第四电容的第一端与所述第三电感的第一端连接，所述第四电容的第二端接地；
所述第五电容的第一端与所述第三电感的第二端连接，所述第五电容的第二端接地。
9.根据权利要求3所述的无线传输系统，其特征在于，所述包络检测模块包括分压单元、单向整流单元、RC滤波器和二阶滤波器；
所述分压单元的第一端作为所述包络检测模块的输入端，所述分压单元的第二端接地，所述分压单元用于降低所述第一通信模块射频节点的射频能量耦合的损耗；
所述单向整流单元的输入端与所述分压单元的第三端连接，所述单向整流单元用于接收并整流来自所述分压单元的输出信号；
所述RC滤波器的输入端与所述单向整流单元的输出端连接，所述RC滤波器用于对单向整流单元的输出信号进行低通滤波来生成包络信号；
所述二阶滤波器的第一端与所述RC滤波器的输出端连接，所述二阶滤波器用于对所述包络检测模块的输出阻抗进行转换。
10.一种植入式医疗设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的无线传输系统。
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