FR2884151A1 - Dispositifs de telemetrie rf implantables a mode d'economie d'energie - Google Patents

Dispositifs de telemetrie rf implantables a mode d'economie d'energie Download PDF

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Abstract

Dispositif électronique implantable à circuit d'économie d'énergie incorporant un récepteur radiofréquence à faible consommation d'énergie. Un récepteur radio haute puissance (5, 12) est normalement arrêté durant une période d'inactivité. Quand un analyseur (4, 11) détecte un code d'identification prédéterminé dans un signal radiofréquence reçu, il sort un signal pour mettre en marche le récepteur haute puissance.

Description

DISPOSITIFS DE TELEMETRIE RF IMPLANTABLES A MODE
D'ECONOMIE D'ENERGIE La présente invention concerne un procédé d'économie d'énergie dans un dispositif implantable, tel qu'un stimulateur cardiaque, qui comporte une fonctionnalité de télémétrie RF.
Depuis l'assignation d'une bande de fréquences spéciale aux dispositifs médicaux implantables utilisant la télémétrie RF, la bande dite MICS (Medical Implantable Communication Service), par la FCC à la fin des années 1990, le développement des dispositifs offrant cette fonctionnalité a réellement pris son essor. Toutefois, du fait de la capacité très limitée de la pile d'un dispositif implantable, l'introduction d'un émetteur-récepteur RF fonctionnant à 402 405 MHz se révèle un défi réel. Si en mode actif l'émetteur-récepteur fonctionne à 5 mA, ceci pourrait être acceptable puisque dans le scénario d'utilisation normal le temps de marche n'est qu'une fraction de la durée de vie totale du dispositif 0,01%). Un problème plus épineux est celui de réveiller le composant RF de son état désactivé pour lancer des communications raisonnablement rapidement sans drainer la pile.
A l'heure actuelle, ce problème est le plus souvent résolu par l'introduction du mode dit de "reniflage", appelé par la suite mode d'écoute. Celui-ci consiste à activer la totalité de la partie de réception RF du dispositif pendant une période de temps limitée (p. ex. 10 millisecondes) durant laquelle le dispositif écoute si des émetteurs avoisinants désirant établir un contact sont actifs. En établissant un temps de marche (d'écoute) qui n'est qu'une très faible proportion du temps d'arrêt, on peut réaliser une économie d'énergie considérable. Par exemple, le fait d'activer le dispositif pendant 5 ms, consommant 5 mA, puis de l'arrêter pendant 995 ms, ne consommant qu'un courant de fuite de 100 nA par exemple, fera chuter la consommation moyenne de courant à seulement 25 pA environ. Ceci convient très bien pour la plupart des applications. Toutefois, pour un dispositif implantable qui consomme moins de 10 pA en tout, ceci est inacceptable. Abaisser davantage la consommation d'énergie moyenne en réduisant le temps de marche est difficile car un certain temps est nécessaire pour lancer le récepteur RF et recevoir un message demandant 2884151 2 au dispositif de commencer à transmettre une réponse. L'augmentation du temps d'arrêt n'est pas préférée car le docteur qui essaye d'entrer en contact avec le dispositif attend une réponse dans un laps de temps d'une seconde ou deux.
On peut trouver un exemple de l'art antérieur dans le brevet américain n 4 519 401 délivré le 28 mai 1985.
Conformément à la présente invention un dispositif électronique implantable est prévu, comprenant un premier récepteur radio pour recevoir des données de télémétrie, ledit premier récepteur radio ayant un mode de réveil et un mode de veille, et étant configuré pour se trouver normalement en mode de veille; un deuxième récepteur radio à très faible consommation d'énergie en comparaison audit premier récepteur radio une unité de commande pour activer périodiquement le deuxième récepteur radio durant une période d'écoute afin de se mettre à l'écoute d'un signal radiofréquence entrant; un analyseur pour vérifier les propriétés d'un signal radio entrant, ledit analyseur, en réponse à la réception d'une partie d'un message de réveil valable, prolongeant la période d'écoute tant que la partie reçue du message de réveil reste valable jusqu'à réception d'un message de réveil complet; et ledit analyseur étant en outre exploitable pour placer ledit premier récepteur radio dans le mode de réveil afin de recevoir des données de télémétrie entrantes en réponse à la détection d'un message de réveil valable complet.
Le deuxième récepteur radio fait normalement partie d'un émetteurrécepteur pour échanger des données de télémétrie bidirectionnelles avec un dispositif externe.
Ainsi, conformément à l'invention, un dispositif implantable à émetteurrécepteur de télémétrie RF comporte un récepteur basse puissance séparé pour réveiller le dispositif afin d'économiser l'énergie quand une unité RF externe désire communiquer avec le dispositif implanté. La plupart du temps l'émetteur-récepteur de télémétrie RF normal est arrêté sauf quand une liaison de télémétrie active est en opération.
Le récepteur basse puissance a une architecture simplifiée pour faire baisser la consommation d'énergie à environ 200 pA et sert de dispositif de 2884151 3 réveil de l'émetteur-récepteur RF complet. En raison de la simplicité du récepteur basse puissance, il peut aussi être mis en marche très rapidement (en moins de 200 ps).
La plupart du temps, l'ensemble de la fonctionnalité RF dans le dispositif implantable est inhibé et consomme moins de 100 nA de courant de fuite. Toutes les 1 secondes, le récepteur à consommation d'énergie inférieure est activé par les circuits d'application pendant environ 0,5 ms pour écouter si des dispositifs extérieurs essayent d'entrer en contact. Si un signal approprié est reçu, la fenêtre d'écoute est prolongée afin de permettre la réception d'un message de réveil complet et de déclencher la mise en marche de l'émetteur-récepteur MICS intégral, lequel commence alors à émettre et à recevoir. La prolongation de la fenêtre de réception du récepteur de réveil ne dure que tant que les propriétés du message reçu correspondent à un message correct. Un exemple d'une telle propriété est l'utilisation du codage dit Manchester et l'arrêt du récepteur basse puissance dès qu'un signal non codé Manchester est détecté. Ceci conduit à une économie d'énergie supplémentaire puisque le récepteur de réveil est arrêté dès qu'il devient évident que le message est incorrect plutôt que de recevoir un message de réveil complet puis vérifier si le message est correct ou non.
Avec une consommation d'énergie de 200 pA par le récepteur basse puissance, ceci donnera une consommation d'énergie moyenne totale de 200 nA (100 nA de courant de fuite et 100 nA par le récepteur basse puissance) .
Conformément à un autre aspect de l'invention, l'invention fournit un procédé d'économie d'énergie dans un dispositif électronique implantable ayant un premier récepteur radio pour recevoir des données de télémesure, ledit premier récepteur radio ayant un mode de réveil et un mode de veille, et étant configuré pour se trouver normalement en mode de veille, ledit procédé comprenant l'écoute périodique dans un mode d'écoute d'un signal de réveil avec un deuxième récepteur radio à très faible consommation d'énergie en comparaison audit premier récepteur radio; en réponse à la réception d'une partie d'un signal de réveil par ledit deuxième récepteur radio, la prolongation du mode d'écoute tant que la partie reçue d'un message de réveil reste valable jusqu'à réception d'un message de réveil complet; et en réponse à un signal de réveil valable 2884151 4 complet, le placement dudit premier récepteur radio dans le mode de réveil afin de recevoir des données de télémétrie entrantes.
l'invention est maintenant décrite de manière plus détaillée, à titre d'exemple uniquement, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif implantable conformément à un mode de réalisation de l'invention; et La figure 2 est un schéma de principe plus détaillé d'un mode de réalisation de l'invention.
Relativement à la figure 1, le récepteur simplifié comprend une antenne 1 qui reçoit un signal de réveil (commun à l'antenne en bande MICS ou séparé), un amplificateur 2 qui amplifie le signal et un comparateur/détecteur 3 qui détecte le signal amplifié s'il dépasse un certain niveau de puissance.
Pour augmenter davantage la sécurité du récepteur en cas de réveil du dispositif occasionné par un bruit, le signal de réveil comprend une configuration codée prédéterminée qui est analysée dans un analyseur 4 pour voir si elle correspond à la configuration de réveil. L'analyseur 4 ne mettra en marche l'émetteur-récepteur complet 5 que si la configuration est correcte. L'amplificateur 2, le comparateur 3 et l'analyseur 4 font partie d'un récepteur simple de très basse puissance.
La figure 2 montre un autre mode de réalisation où un signal RF est reçu par une antenne accordée 6 connectée à un amplificateur 7, un filtre passe-bande optionnel 8, lequel est à son tour connecté à un redresseur 9, connecté à un comparateur 10, lequel est connecté à un analyseur 11. L'analyseur 11 est connecté à l'émetteur-récepteur RF haute puissance complet 12. L'amplificateur 7, le filtre passe-bande 8, le redresseur 9, le comparateur 10 font partie d'un circuit récepteur RF basse puissance simple 13. Le bloc de commande 15 commande la mise en marche et l'arrêt du récepteur basse puissance 13.
L'émetteur-récepteur complet peut utiliser la même antenne que le récepteur basse puissance comme cela est montré à la figure 1 ou peut 2884151 5 utiliser une antenne séparée comme cela est montré à la figure 2, l'antenne 14 figurant en tant qu'entité séparée.
Le signal RF entrant capté par l'antenne 6 est passé au circuit de récepteur simple 13. La solution décrite utilise un mécanisme de modulation à manipulation en tout ou rien (00K) à codage Manchester, mais l'homme de métier pourra aussi envisager d'autres plans de modulation tels que la Modulation par saut de Fréquence (FSK), la Modulation par saut de Phase (PSK), etc..
Le signal capté par l'antenne est amplifié par l'amplificateur 7, passé dans le filtre passe-bande basse puissance 8 qui filtre le signal autour de la fréquence de réveil choisie, dans ou en dehors de la bande MICS. Le signal filtré est ensuite passé au redresseur 9 et connecté au comparateur 10 en tant que signal d'une fréquence très inférieure. Le comparateur 10 sert de décodeur et décode le signal RF entrant (éventuel), et si le niveau dépasse le seuil du comparateur, lequel peut être rendu programmable, commence à convertir le signal en uns "1" et zéros "0" logiques. Le signal numérique provenant du comparateur 10 est fourni à un analyseur 11 qui vérifie s'il s'agit d'un signal codé Manchester en comparant le signal à une configuration de signal numérique prédéterminée et si le signal entrant correspond à cette configuration l'analyseur met en marche l'émetteur-récepteur RF complet, lequel commence l'émission RF complète. Si aucun signal codé Manchester correspondant n'est détecté dans la fenêtre de 0,5 ms, le dispositif revient simplement en état de veille jusqu'aux prochaines 0,5 ms, 995,5 ms plus tard.
Pour une plus grande immunité au bruit, il est préférable de coder le signal entrant en utilisant un plan plus sophistiqué qu'un plan où la présence du signal représente un "1" et l'absence de signal représente un "0". La modulation d'impulsions en durée (PWM) où une longue présence d'un signal dans une tranche de temps représente un "1" et une courte présence représente un "0" constitue un des exemples possibles. En variante, le signal peut être modulé en amplitude par Modulation d'Impulsions en Position (PPM) ou Modulation d'Impulsions en Amplitude (PAM), à condition d'utiliser un analyseur convenable 14.
Un niveau de sécurité supplémentaire peut être établi en laissant la détection d'un signal correct dans les 5 premières millisecondes 2884151 6 déclencher une prolongation du récepteur basse puissance pour pouvoir utiliser une configuration de codage plus longue avant de mettre en marche l'émetteur-récepteur complet. Dans l'invention, la prolongation ne dure que tant que la configuration reçue est un code Manchester et correspond donc aux propriétés attendues. Toutefois, l'homme de métier réalisera que lesdites propriétés attendues peuvent impliquer n'importe quelle configuration de codage ainsi que la durée d'impulsion correcte, la position d'impulsion correcte, l'amplitude d'impulsion correcte de fréquence correcte etc. etc. Ceci est fait avant même que le message de réveil numérique soit décodé étant donné la possibilité de retour immédiat dans l'état de veille dès que le message entrant présente les propriétés incorrectes.
Du fait de la simplicité du récepteur 13, il est très difficile de parvenir à une très bonne sensibilité de réception. Afin d'atteindre une gamme de réveil raisonnable, il peut être avantageux d'utiliser une bande de fréquences autre que la bande MICS, laquelle est très limitée en terme de puissance de sortie autorisée (maximum 25 pW). Comme exemples de telles bandes de fréquences, on peut utiliser la bande ISM à 2,45 GHz, la bande ISM américaine à 902 928 MHz, la bande des dispositifs de courte portée à 868 MHz en Europe. Ces bandes ont toutes une limite de puissance très supérieure à celle de la bande MICS.
Les circuits décrits se prêtent bien à une intégration en une puce unique, 25 par exemple, au moyen de la technologie CMOS.
L'homme de métier comprendra que la description ci-dessus représente un exemple de mode de réalisation, et que de nombreuses variantes dans l'étendue des revendications annexées sont possibles sans s'écarter de l'étendue de l'invention.

Claims (3)

  1. 7 REVENDICATIONS
    1. Dispositif électronique implantable, comprenant: un premier récepteur radio (5, 12) pour recevoir des données de télémétrie, ledit premier récepteur radio ayant un mode de réveil et un mode de veille, et étant configuré pour se trouver normalement en mode de veille; un deuxième récepteur radio (2, 3, 4, 13) à très faible consommation d'énergie comparée à celle dudit premier récepteur radio; une unité de commande (15) pour activer périodiquement le deuxième récepteur radio (13) durant une période d'écoute afin de se mettre à l'écoute d'un signal radiofréquence entrant; un analyseur (4, 11) pour vérifier les propriétés d'un signal radio entrant, ledit analyseur, en réponse à la réception d'une partie d'un message de réveil valable, prolongeant la période d'écoute tant que la partie reçue du message de réveil reste valable jusqu'à réception d'un message de réveil complet; et ledit analyseur (4, 11) étant en outre exploitable pour placer ledit premier récepteur radio dans le mode de réveil afin de recevoir des données de télémétrie entrantes en réponse à la détection d'un message de réveil valable complet.
    2. Dispositif électronique implantable selon la revendication 1, dans lequel ledit signal de réveil comporte un code d'identification prédéterminé, et ledit analyseur répond audit code d'identification prédéterminé en plaçant ledit premier récepteur radio (5, 12) dans le mode de réveil.
    3. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit premier récepteur radio (5, 12) fait partie d'un émetteur-récepteur pour recevoir et transmettre des données de télémétrie.
    4. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendictions précédentes, dans lequel lesdits premier et deuxième récepteur radiofréquence partagent une antenne commune (1, 6).
  2. 2884151 8 5. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier récepteur radio (2, 3, 4, 13) a une antenne distincte de celle dudit deuxième récepteur radio.
    6. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel ledit code d'identification comporte une adresse dudit dispositif.
    7. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit premier récepteur radio fonctionne à une fréquence différente de celle dudit deuxième récepteur radio.
    8. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites propretés du signal entrant comprennent le code Manchester.
    9. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites propriétés du signal entrant 20 comprennent le code à Retour au Zéro.
    10. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites propriétés du signal entrant comprennent le retard entre deux symboles.
    11. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites propriétés du signal entrant comprennent une fenêtre de fréquence prédéterminée.
    12. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites propriétés du signal entrant comprennent une fenêtre d'amplitude prédéterminée.
    13. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites propriétés du signal entrant comprennent une fenêtre de position d'impulsion prédéterminée.
  3. 2884151 9 14. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel ledit analyseur répond à un code d'identification modulé par manipulation en tout ou rien.
    15. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel analyseur répond à un code d'identification modulé par déplacement de fréquence.
    16. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel l'analyseur répond à un code d'identification modulé par modulation par déplacement d'amplitude.
    17. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel l'analyseur répond à un code d'identification modulé par modulation par déplacement de phase ou toute variante de celle-ci.
    18. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit deuxième récepteur (13) à récepteur à faible consommation d'énergie comprend un amplificateur (7), un filtre passe-bande (8), un redresseur (9) et un comparateur (10).
    19. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel ledit code d'identification est modulé en durée d'impulsions, et ledit analyseur est configuré pour détecter ladite modulation d'impulsions en durée.
    20. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel ledit code d'identification est modulé en position d'impulsions, et ledit analyseur est configuré pour détecter ladite modulation d'impulsions en position.
    21. Dispositif électronique implantable selon la revendication 2, dans lequel ledit code d'identification est modulé en amplitude d'impulsions, et ledit analyseur est configuré pour détecter ladite modulation d'impulsions en amplitude.
    22. Dispositif électronique implantable selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit deuxième récepteur radio à faible consommation d'énergie est configuré de manière à se trouver 2884151 10 normalement en mode de veille la plupart du temps afin d'économiser l'énergie, et est réveillé dans ledit mode d'écoute à intervalles prédéterminés afin de se mettre à l'écoute dudit signal de réveil.
    23. Procédé d'économie d'énergie dans un dispositif électronique implantable ayant un premier récepteur radio (5, 12) pour recevoir des données de télémesure, ledit premier récepteur radio ayant un mode de réveil et un mode de veille, et étant configuré pour se trouver normalement en mode de veille, ledit procédé comprenant: l'écoute périodique dans un mode d'écoute d'un signal de réveil avec un deuxième récepteur radio (2, 3, 4, 13) à très faible consommation d'énergie comparée à celle dudit premier récepteur radio; en réponse à la réception d'une partie d'un signal de réveil par ledit deuxième récepteur radio, la prolongation du mode de reniflage tant que la partie reçue d'un message de réveil reste valable jusqu'à réception d'un message de réveil complet; et en réponse à un signal de réveil valable complet, le placement dudit premier récepteur radio dans le mode de réveil afin de recevoir des données de télémétrie entrantes.
    24. Procédé selon la revendication 23, dans lequel ledit signal de réveil comporte un code d'identification prédéterminé, et ledit premier récepteur radio est placé dans le mode de réveil en réponse à la détection dudit code d'identification prédéterminé.
    25. Procédé selon la revendication 23, dans lequel ledit deuxième récepteur radio est normalement en mode de veille et est réveillé à intervalles afin de se mettre à l'écoute dudit signal de réveil.
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