TWI415403B - 超音波解調器、超音波神經刺激器及超音波傳輸方法 - Google Patents

Description

超音波解調器、超音波神經刺激器及超音波傳輸方法

本發明係關於超音波無線傳輸，更係關於超音波解調器以及該超音波解調器之應用。

超音波是一種頻率超過人類聽覺範圍的音波。由於不論超音波的能量有多大，皆不會危害人體健康或影響生活，因此特別適合運用於醫療領域當中。

習知利用電磁波的無線傳輸方式在經過長久的開發後皆已具備相當良好的傳輸效率，其訊號接收端在透過電感耦合後往往可獲得足夠的電壓振幅。然而，超音波的訊號在傳輸過程中很容易受到介質的影響而減弱其振幅，在訊號接收端上之振幅通常已經變得非常微小而極易受到其他雜訊干擾，使得超音波訊號的電壓波形變得難以判讀。當超音波訊號接收端位於生物體內而不具有穩定的電壓源時，則超音波訊號傳輸將面臨更為嚴峻之考驗。

目前應用於無線植入式晶片的編碼技術主要分為三大類：振幅鍵控(Amplitude Shift Keying，ASK)調變、頻移鍵控(Frequency-Shift Keying，FSK)調變以及相位鍵控(Phase Shift Keying，PSK)調變，分別用以改變訊號之振幅、頻率及相位。然而，超音波訊號之波形是雜亂無章的，上述調變方式皆不適合處理超音波訊號。因此，需要一套新的調變方式以解決習知超音波訊號傳輸之問題。

本發明提供一種超音波解調器，包括一封包檢測器，用以接收一超音波訊號，將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；以及一計數器，耦接至該封包檢測器，用以當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號。

本發明另提供一種超音波神經刺激器，用以產生刺激神經之電流，包括：一超音波解調器，更包括：一封包檢測器，用以接收一超音波訊號，將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；以及一計數器，耦接至該封包檢測器，用以當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號，否則輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號，其中該超音波解調器以一時鐘訊號閂鎖該計數訊號之邏輯位準而輸出一資料訊號；一資料處理單元，耦接至該超音波解調器，用以依據該資料訊號輸出一頻率控制訊號及一強度控制訊號；以及一電流驅動器，耦接至該資料處理單元，用以依據該頻率控制訊號及該強度控制訊號產生一電流。

本發明另提供一種超音波傳輸方法，包括：接收一超音波訊號；將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；以及當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號，否則輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號。

下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。

第1圖為依據本發明一實施例之超音波解調器示意圖。本發明之超音波解調器100包括一封包檢測器110、一計數器120、一時鐘訊號產生器130以及一正反器140。第2圖為本發明之超音波解調器100中各元件間之訊號時序圖。下文將配合第1圖及第2圖說明本發明各元件之動作。

如第1圖所示，本發明之封包檢測器110可用以接收一超音波訊號In並輸出一封包訊號Env，其中該超音波訊號In中之脈衝將被封包檢測器110轉換成該封包訊號Env中之方波。

本發明之計數器120係耦接至該封包檢測器110，可用以當該封包訊號Env在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號Out1，並在該既定時間內未出現該既定數目之方波時，輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號。舉例而言，在第2圖的實施例中，上述的既定時間即為下述時鐘訊號Clock在低位準時的工作周期Td；該既定數目可設定為2個；而第一及第二邏輯位準可分別定義為邏輯高態(1)及邏輯低態(0)。因此，當封包檢測器110在工作周期Td之間檢測出2個方波時，會輸出高態之計數訊號Out1，而當封包檢測器110有工作周期Td之間僅檢測出1個方波時，則會輸出低態的計數訊號Out1。值得注意的是，雖然在此較佳實施例之「既定數目」係以「2個」為例，然而在其他實施例中不必以此為限。

本發明之時鐘訊號產生器130係耦接至該封包檢測器110，可用以受該封包訊號Env之邊緣觸發而產生上述的時鐘訊號Clock，其中該時鐘訊號Clock在觸發後改變其邏輯位準該既定時間，並在該既定時間內忽略該封包訊號Env之觸發。舉例而言，在第2圖的實施例中，上述的時鐘訊號會被封包訊號Env第一個方波所觸發，在觸發後，其邏輯位準會由高態(1)轉變至低態(0)，並在該既定時間(工作周期Td間)皆保持在低態(0)。此外，時鐘訊號產生器130會在該工作周期Td間將該封包訊號Env予以忽略，避免再度被封包訊號Env中的其他方波觸發，藉以使計數器120可以正確地進行方波數目的計算。

為了使本發明之超音波解調器100有理想的輸出，本發明之超音波解調器100可另包括該正反器140。本發明之正反器140係耦接至該計數器120及該時鐘訊號產生器130，可以該時鐘訊號Clock閂鎖該計數訊號Out1之邏輯位準而輸出一資料訊號Data。舉例而言，在第2圖的實施例中，本發明之正反器140係一D型正反器，而當時鐘訊號Clock在經過工作周期Td後而由低態轉變至高態時，正反器140會閂鎖住D腳位上計數訊號Out1的邏輯位準而在Q腳位上輸出資料訊號Data。由第2圖可知，當封包訊號Env具有兩個方波時，資料訊號Data將為邏輯高態(1)，而當封包訊號Env僅有一個方波時，將使資料訊號Data為邏輯低態(0)。

值得注意的是，第2圖中各訊號邏輯位準之高態或低態僅為例示，在其他實施例中，邏輯位準不並以此為限，而訊號的觸發方式亦不限制為正緣觸發或負緣觸發，熟悉本技藝人士可依照本發明之精神自行調整。

為了使超音波訊號In中的脈衝得以順利地轉換成封包訊號Env的方波，本發明提供一種特別的封包檢測器110。第3圖為本發明之封包檢測器110之詳細結構圖。本發明之封包檢測器110包括一半波整流器111、一積分器112以及一史密特觸發器113。第4圖為本發明之封包檢測器110中各元件間之訊號時序圖。下文將配合第3圖及第4圖說明封包檢測器110各元件之動作。

如第4圖所示，本發明之半波整流器111可用以接收該超音波訊號In，並對該超音波訊號In進行半波整流，而輸出一整流後的超音波訊號(圖未示)。本發明之積分器112係耦接至該半波整流器111，可用以將該整流後的超音波訊號積分，而輸出一積分後的超音波訊號out0。本發明之史密特觸發器113係耦接至該積分器112，用以在該積分後的超音波訊號out0達到一上臨界電壓Vth1時產生該封包訊號Env中之方波的上升緣。在一實施例中，史密特觸發器113可進一步在該積分後的超音波訊號out0達到一下臨界電壓Vth2時產生該封包訊號Env中之方波的下降緣。

第5A圖為依據本發明一實施例之時鐘訊號產生器130之詳細結構圖。本發明之時鐘訊號產生器130係一單穩態觸發電路500，主要由一閂鎖器510、一延遲器520、一反相器530及一反及閘540所構成。其中，延遲器520可將訊號延遲Td，目的在使時鐘訊號Clock中產生長度為Td的低位準工作周期。時鐘訊號Clock會在工作周期Td之後轉變回高位準，並等待封包訊號Env的下一個方波之觸發以進行下一次的位準變換。第5B圖為延遲器520在一實施例中之詳細結構圖。在此實施例中，延遲器520可由一電流源I_D 、三個反相器Inv1、Inv2及Inv3，以及兩個電容C₁ 及C₂ 所構成。其中，反相器Inv1、Inv2及Inv3之臨界電壓為V_th ，而延遲器520所產生之延遲Td則會與(C₁ +C₂ )×V_th /I_D 成正比。

第6圖為依據本發明一實施例之計數器120之詳細結構圖。在一實施例中，計數器120包括一單穩態觸發電路610，以及兩個正反器620及630。當封包訊號Env中出現第二個方波時，該單穩態觸發電路610即產生一個方波，如第2圖所示。此外，計數器120可依據時鐘訊號產生器130輸出之時鐘訊號Clock而重設。在其他實施例中，若前述的「既定數目」設定為其他數值(例如3)，則此計數器120中正反器之數目即為該數值(例如3)。

前文已完整介紹本發明之超音波解調器的運作機制及各種特徵。透過使用本發明之超音波解調器，習知超音波無線傳輸的問題即可獲得解決。由於超音波特別適合運用於醫療領域，因此本發明另提供一種超音波神經刺激器，用以產生刺激生理組織之電流，進而達成特定醫療效果。

第7圖為依據本發明一實施例之一種超音波神經刺激器示意圖。本發明之超音波神經刺激器700包括：一超音波解調器100、一資料處理單元710、一電流驅動器720、一RC振盪器730、一電流換向電路740以及一數位至類比轉換器750。如同前述實施例，超音波解調器100包括一封包檢測器110以及一計數器120，其中該封包檢測器110可用以接收一超音波訊號In，將該超音波訊號In中之脈衝轉換成一封包訊號Env中之方波，並輸出該封包訊號Env；而該計數器120係耦接至該封包檢測器110，可用以當該封包訊號Env在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準(在第2圖之實施例為高態)之一計數訊號Out1，否則輸出具有第二邏輯位準(在第2圖之實施例為低態)之該計數訊號Out1。該超音波解調器100可進一步以一時鐘訊號Clock閂鎖該計數訊號Out1之邏輯位準而輸出一資料訊號Data。

在本發明之超音波神經刺激器700中，資料處理單元710係耦接至該超音波解調器100，可用以依據該資料訊號Data輸出頻率控制訊號T1~T2以及強度控制訊號C1~C5。第8A圖為本發明一實施例中資料訊號Data示意圖。在此實施例中，該資料訊號Data具有位元D0~D13，其中位元D0~D4、D7及D10可做為檢知位元，用以判斷該資料訊號Data是否有效；位元D5~D6、D8~D9及D11可分別用以表示強度控制訊號C1~C5；而位元D12及D13則可分別用以表示頻率控制訊號T1及T2。第8B圖為上述實施例中資料處理單元710之詳細結構圖。該資料處理單元710包括一移位暫存器711、複數個邏輯閘以及一記憶體712。當資料訊號Data中之檢知位元符合設定規則時，資料處理單元710即將頻率控制訊號T1~T2以及強度控制訊號C1~C5輸出。

在此超音波神經刺激器700中，電流驅動器720耦接至該資料處理單元710，用以依據該頻率控制訊號T1~T2及該強度控制訊號C1~C5產生一電流，藉以刺激生理組織A。

本發明之超音波神經刺激器700中，RC振盪器730係耦接於該資料處理單元710與該電流驅動器720之間，可用以依據該頻率控制訊號T1~T2而改變該電流之頻率。電流換向電路740係耦接於該RC振盪器730與該電流驅動器720之間，可用以在一段時間後改變該電流之流動方向，藉以避免生理組識中發生電荷累積。而數位至類比轉換器750係耦接於該資料處理單元710與該電流驅動器720之間，可用以依據該強度控制訊號C1~C5而改變該電流之強度。由於RC振盪器730、電流換向電路740以及數位至類比轉換器750具有多種實施方式，熟悉本技藝人士可依據本發明之精神對上述元件進行設計及安排，故本文不再對上述元件之實體結構予以贅述。

除了上述超音波解調器100及超音波神經刺激器700之外，本發明另提供一種超音波傳輸方法。第9A圖為依據本發明一實施例之超音波傳輸方法流程圖。相似於超音波解調器100各元件之功能，本發明之超音波傳輸方法包括：在步驟S902中，接收一超音波訊號；在步驟S904中，將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；在步驟S906中，當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號，否則輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號，以及在步驟S908中，以一時鐘訊號閂鎖該計數訊號之邏輯位準而輸出一資料訊號。

第9B圖為依據本發明一實施例之步驟S904之詳細流程圖。本發明之步驟S904更包括：在步驟S942中，該超音波訊號進行半波整流，而輸出一整流後的超音波訊號；在步驟S944中，將該整流後的超音波訊號積分，而輸出一積分後的超音波訊號；以及在步驟S946中，在該積分後的超音波訊號達到一上臨界電壓時產生該封包訊號中之方波之上升緣，以及在該積分後的超音波訊號達到一下臨界電壓時產生該封包訊號中之方波之下降緣。由於本發明超音波傳輸方法中各訊號的處理皆已描述於前述實施例中，故本文不再贅述。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

In．．．超音波訊號

Env．．．封包訊號

Out1．．．計數訊號

Clock．．．時鐘訊號

Data．．．資料訊號

100．．．超音波解調器

110．．．封包檢測器

120．．．計數器

130．．．時鐘訊號產生器

140．．．正反器

510．．．閂鎖器

520．．．延遲器

530．．．反相器

540．．．反及閘

700．．．超音波神經刺激器

710．．．資料處理單元

711．．．移位暫存器

712．．．記憶體

720．．．電流驅動器

730．．．RC振盪器

740．．．電流換向電路

750．．．數位至類比轉換器

第1圖為依據本發明一實施例之超音波解調器示意圖。

第2圖為本發明之超音波解調器100中各元件間之訊號時序圖。

第3圖為本發明之封包檢測器110之詳細結構圖。

第4圖為本發明之封包檢測器110中各元件間之訊號時序圖。

第5A圖為依據本發明一實施例之時鐘訊號產生器130之詳細結構圖。

第5B圖為延遲器520在一實施例中之詳細結構圖。

第6圖為依據本發明一實施例之計數器120之詳細結構圖。

第7圖為依據本發明一實施例之一種超音波神經刺激器示意圖。

第8A圖為本發明一實施例中資料訊號Data示意圖。

第8B圖為上述實施例中資料處理單元710之詳細結構圖。

第9A圖為依據本發明一實施例之超音波傳輸方法流程圖。

第9B圖為依據本發明一實施例之步驟S904之詳細流程圖。

In．．．超音波訊號

Env．．．封包訊號

Out1．．．計數訊號

Clock．．．時鐘訊號

Data．．．資料訊號

100．．．超音波解調器

110．．．封包檢測器

120．．．計數器

130．．．時鐘訊號產生器

140．．．正反器

Claims (10)

1. 一種超音波解調器，包括：一封包檢測器，用以接收一超音波訊號，將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；以及一計數器，耦接至該封包檢測器，用以當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波解調器，其中該封包訊號在該既定時間內未出現該既定數目之方波時，輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波解調器，更包括：一時鐘訊號產生器，耦接至該封包檢測器，用以受該封包訊號之邊緣觸發而產生一時鐘訊號，其中該時鐘訊號在被觸發後改變其邏輯位準該既定時間，並在該既定時間內忽略該封包訊號之觸發。
4. 如申請專利範圍第3項所述之超音波解調器，更包括：一正反器，耦接至該計數器及該時鐘訊號產生器，用以以該時鐘訊號閂鎖該計數訊號之邏輯位準而輸出一資料訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超音波解調器，其中該封包檢測器更包括：一半波整流器，用以接收該超音波訊號，並對該超音波訊號進行半波整流，而輸出一整流後的超音波訊號；一積分器，耦接至該半波整流器，用以將該整流後的超音波訊號積分，而輸出一積分後的超音波訊號；以及一史密特觸發器，耦接至該積分器，用以在該積分後的超音波訊號達到一上臨界電壓時產生該封包訊號中之方波之上升緣。
6. 如申請專利範圍第5項所述之超音波解調器，其中該史密特觸發器更在該積分後的超音波訊號達到一下臨界電壓時產生該封包訊號中之方波之下降緣。
7. 一種超音波神經刺激器，用以產生刺激神經之電流，包括：一超音波解調器，更包括：一封包檢測器，用以接收一超音波訊號，將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；以及一計數器，耦接至該封包檢測器，用以當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號，否則輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號，其中該超音波解調器以一時鐘訊號閂鎖該計數訊號之邏輯位準而輸出一資料訊號；一資料處理單元，耦接至該超音波解調器，用以依據該資料訊號輸出一頻率控制訊號及一強度控制訊號；以及一電流驅動器，耦接至該資料處理單元，用以依據該頻率控制訊號及該強度控制訊號產生一電流。
8. 如申請專利範圍第7項所述之超音波神經刺激器，更包括：一RC振盪器，耦接於該資料處理單元與該電流驅動器之間，用以依據該頻率控制訊號而改變該電流之頻率；一電流換向電路，耦接於該RC振盪器與該電流驅動器之間，用以改變該電流之流向；一數位至類比轉換器，耦接於該資料處理單元與該電流驅動器之間，用以依據該強度控制訊號而改變該電流之強度；以及一時鐘訊號產生器，耦接至該封包檢測器，用以受該封包訊號之邊緣觸發而產生該時鐘訊號，其中該時鐘訊號在被觸發後改變其邏輯位準該既定時間，並在該既定時間內忽略該封包訊號之觸發。
9. 一種超音波傳輸方法，包括：接收一超音波訊號；將該超音波訊號中之脈衝轉換成一封包訊號中之方波，並輸出該封包訊號；以及當該封包訊號在一既定時間內出現達一既定數目之方波時，輸出具有第一邏輯位準之一計數訊號，否則輸出具有第二邏輯位準之該計數訊號；以及以一時鐘訊號閂鎖該計數訊號之邏輯位準而輸出一資料訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之超音波傳輸方法，其中將該超音波訊號轉換成該封包訊號之步驟更包括：該超音波訊號進行半波整流，而輸出一整流後的超音波訊號；將該整流後的超音波訊號積分，而輸出一積分後的超音波訊號；以及在該積分後的超音波訊號達到一上臨界電壓時產生該封包訊號中之方波之上升緣，以及在該積分後的超音波訊號達到一下臨界電壓時產生該封包訊號中之方波之下降緣。