本發(fā)明涉及植入式醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)和能量傳輸技術(shù)，特別是涉及一種全雙工無線信能同傳系統(tǒng)及植入式醫(yī)療設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、植入式醫(yī)療設(shè)備是一類廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的技術(shù)，它們被植入患者的體內(nèi)以診斷、監(jiān)測或治療各種疾病和健康狀況。在現(xiàn)代的植入式醫(yī)療設(shè)備中，為了減少運(yùn)動阻礙以及感染風(fēng)險(xiǎn)等問題，需要避免體外設(shè)備與植入式設(shè)備的導(dǎo)線直連，這要求在實(shí)際應(yīng)用場景下解決供能以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。其中，如何保證體內(nèi)外設(shè)備高效率的能量和雙向數(shù)據(jù)傳輸，并盡可能減少每一比特信號傳輸所需能量成為成為學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)的研究對象。

2、現(xiàn)如今，較為常見的無線能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏敃捎媚芰挎溌放c數(shù)據(jù)鏈路完全分離的方案。對于能量鏈路而言，為了提升效率，會采用丁類或戊類的功率放大器結(jié)合串聯(lián)的電感電容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從直流電向交流電的轉(zhuǎn)化。在電容和電感的選擇上需要保證兩者的串聯(lián)諧振頻率與功率放大器的輸出頻率一致，從而最大化能量輸出。而在數(shù)據(jù)鏈路的選擇上常采用的結(jié)構(gòu)包含額外線圈，led紅外收發(fā)機(jī)，遠(yuǎn)場射頻收發(fā)機(jī)。額外線圈的方案工作在更高的頻段，往往采用ook或者fsk等調(diào)制方式，需要更高頻的電容電感線圈，這導(dǎo)致電路的功耗與面積都顯著提升。led紅外收發(fā)機(jī)的方案是將信號以光學(xué)的形式傳輸，紅外線發(fā)射管負(fù)責(zé)發(fā)射一定波長的紅外光，而紅外線接收管則負(fù)責(zé)接收這些紅外光并將其轉(zhuǎn)化為電信號。但該方案在實(shí)際應(yīng)用過程中需要高精度的對準(zhǔn)，同時對于皮膚的穿透能力有限，且僅支持體內(nèi)向體外的單向傳輸。遠(yuǎn)場射頻收發(fā)機(jī)的方案則是將電信息源用高頻信號進(jìn)行調(diào)制，通過天線以電磁波的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方案往往需要較高功耗的本振信號生成器，并結(jié)合混頻器與線性pa，導(dǎo)致能量傳輸鏈路有著較大功耗，單比特能量效率較低，在高通量的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下會引起體內(nèi)芯片較大的發(fā)熱。

3、上述的傳輸方案能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)與能量的同時傳輸，但在系統(tǒng)復(fù)雜度，魯棒性以及能量效率上存在一定局限性，并且均僅支持同一時刻下單向的數(shù)據(jù)傳輸，從而限制了植入式醫(yī)療設(shè)備的性能提升以及進(jìn)一步的應(yīng)用。因此仍需對目前的方案進(jìn)行一定的優(yōu)化改進(jìn)。

4、需要說明的是，在上述背景技術(shù)部分公開的信息僅用于對本申請的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決上述背景技術(shù)中存在的問題，提供一種全雙工無線信能同傳系統(tǒng)及植入式醫(yī)療設(shè)備。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、在本發(fā)明的第一方面，一種全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，用于植入式醫(yī)療設(shè)備，包括：

4、上位機(jī)部分，其包括：

5、電平切換模塊，用于根據(jù)基帶信號控制電平切換；

6、丁類功率放大器，用于將直流電源轉(zhuǎn)換成交流方波信號；

7、射頻接收機(jī)，用于接收來自下位機(jī)的上行射頻信號；

8、其中，上位機(jī)的丁類功率放大器和電平切換模塊配合使用，將下行數(shù)據(jù)以ask包絡(luò)的形式附加于能量鏈路，并通過近場耦合方式傳輸至下位機(jī)；

9、下位機(jī)部分，其包括：

10、ask解調(diào)電路，用于從下行鏈路中解調(diào)出數(shù)據(jù)；

11、整流電路，用于將接收到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號；

12、射頻發(fā)射機(jī)，用于將上行數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻信號并發(fā)送；

13、其中，下位機(jī)的ask解調(diào)電路和整流電路配合使用，接收來自上位機(jī)的下行數(shù)據(jù)和能量，并將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號為設(shè)備供電；

14、其中，下位機(jī)的射頻發(fā)射機(jī)通過遠(yuǎn)場射頻傳輸方式將上行數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻信號上，并發(fā)送給上位機(jī)的射頻接收機(jī)。

15、在本發(fā)明的第二方面，一種植入式醫(yī)療設(shè)備，包括所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)。

16、本發(fā)明具有如下有益效果：

17、本發(fā)明提出一種上下行數(shù)據(jù)分離的傳輸方案，以射頻發(fā)射機(jī)作為上行數(shù)據(jù)鏈路，丁類功率放大器結(jié)合電平切換模塊作為下行數(shù)據(jù)鏈路與能量鏈路，實(shí)現(xiàn)植入式醫(yī)療設(shè)備的能量與數(shù)據(jù)全雙工傳輸，在提高系統(tǒng)效率的同時，減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜度，功耗，電路占用體積以及成本。

18、現(xiàn)有的無線能量與數(shù)據(jù)傳輸方案往往會將兩者完全分離，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)鏈路半雙工的傳輸，同時在數(shù)據(jù)鏈路的選擇上存在著功耗高，魯棒性差以及占用面積大等缺點(diǎn)。而本發(fā)明提出的方案，將下行數(shù)據(jù)融入能量鏈路進(jìn)行傳輸，并設(shè)計(jì)低功耗的發(fā)射機(jī)用于上行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)了全雙工數(shù)據(jù)傳輸，并且大大降低了下位機(jī)的功耗。

19、與現(xiàn)有的方案相比，本發(fā)明提出了一種適用于植入式醫(yī)療設(shè)備的高效全雙工的信能同傳方案，在數(shù)據(jù)和能量鏈路的劃分和發(fā)射機(jī)的電路結(jié)構(gòu)上均進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

20、首先，在數(shù)據(jù)鏈路的劃分上，現(xiàn)有的方案是完全與能量鏈路分離，采用雙線圈、紅外led對管，遠(yuǎn)場射頻傳輸?shù)确桨?，?dǎo)致單一鏈路僅支持半雙工的數(shù)據(jù)傳輸。在本發(fā)明中，下行數(shù)據(jù)通過電平切換模塊與丁類功率放大器，以ask包絡(luò)的形式附加于能量鏈路，上行數(shù)據(jù)則是通過獨(dú)立的遠(yuǎn)場射頻收發(fā)機(jī)進(jìn)行傳輸，從而將上下行數(shù)據(jù)分離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全雙工傳輸。

21、其次，現(xiàn)有的方案針對下位機(jī)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)存在較大功耗、較低的魯棒性，限制了植入式醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用范圍。本發(fā)明在下位機(jī)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)上采用了低頻振蕩邊沿合成的低功耗發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)，使得上行數(shù)據(jù)的能量效率得到提升。相比于現(xiàn)有的方案，本發(fā)明提出了一個更高效的無線信號能傳輸方案，拓寬了植入式醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場景。

22、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。

技術(shù)特征：

1.一種全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，用于植入式醫(yī)療設(shè)備，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述丁類功率放大器將直流電源轉(zhuǎn)換成交流方波信號，其頻率等于輸入的clk信號。

3.如權(quán)利要求1或2所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述近場耦合方式的諧振電路包括位于所述上位機(jī)部分的串聯(lián)的第一電感l(wèi)1和第一電容c1，以及位于所述下位機(jī)部分的并聯(lián)的第二電感l(wèi)2和第二電容c2，諧振頻率與功率放大器產(chǎn)生的信號頻率相匹配，滿足表達(dá)式：

4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述電平切換模塊包括：

5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述射頻發(fā)射機(jī)包括：

6.如權(quán)利要求5所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述晶振為電路提供45mhz的時鐘信號。

7.如權(quán)利要求5所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述多相信號發(fā)生器為環(huán)形振蕩器，所述環(huán)形振蕩器采用9級結(jié)構(gòu)，用于生成9個具有不同相位的信號。

8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述射頻發(fā)射機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)場射頻傳輸?shù)念l段為405mhz。

9.一種植入式醫(yī)療設(shè)備，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的全雙工無線信能同傳系統(tǒng)。

技術(shù)總結(jié)
一種全雙工無線信能同傳系統(tǒng)及植入式醫(yī)療設(shè)備，上位機(jī)部分包括電平切換模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)基帶信號控制電平切換；丁類功率放大器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流方波信號；射頻接收機(jī)接收下位機(jī)的上行射頻信號。上位機(jī)通過電平切換模塊和丁類功率放大器的協(xié)同工作，將下行數(shù)據(jù)以ASK包絡(luò)形式附加于能量鏈路，并通過近場耦合方式傳輸至下位機(jī)。下位機(jī)部分包括ASK解調(diào)電路，從下行鏈路中解調(diào)出數(shù)據(jù)；整流電路將接收到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號以供電；射頻發(fā)射機(jī)將上行數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻信號并發(fā)送至上位機(jī)的射頻接收機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化了數(shù)據(jù)和能量鏈路的分離，提高了傳輸效率，減少了復(fù)雜度、功耗和成本，同時支持全雙工通信，提升了植入式醫(yī)療設(shè)備的性能和應(yīng)用范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：麥宋平,張啟航,賈雯
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳清華大學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9