專利名稱：生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)，尤其涉及低功耗電路設(shè)計、壓電陶瓷間歇供電電路設(shè)計以及數(shù)據(jù)無線傳輸電路設(shè)計，屬于醫(yī)用植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
肢體傷殘是影響殘疾人生活質(zhì)量的重要疾病之一，人工關(guān)節(jié)以及義肢是為關(guān)節(jié)損傷的人重新建立運動機能的重要手段。人工關(guān)節(jié)植入人體后，處于長期工作狀態(tài)下，采用集成電路技術(shù)在人體植入關(guān)節(jié)與外部世界之間建立一個信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，對植入關(guān)節(jié)的工作條件、壓力、錯位等情況進行早期檢測，是減少病人痛苦的一個有效手段。
國內(nèi)目前有關(guān)人體關(guān)節(jié)的研究主要集中在機器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)、關(guān)節(jié)化的虛擬人臂的仿真和建模、機械手的拾放和避障動作的控制、機械臂和機器人中的關(guān)節(jié)判斷運動算法。將微電子技術(shù)應(yīng)用在人體植入系統(tǒng)方面，清華大學(xué)微電子所自主研制并開發(fā)了解決聾人聽力的人工耳蝸、用于探測胃腸道問題的胃內(nèi)窺鏡等芯片，以及有關(guān)神經(jīng)電極技術(shù)的研究。在國外，對生物體內(nèi)植入系統(tǒng)的研究種類很多，這些系統(tǒng)主要包括各類植入式測量系統(tǒng)、植入式刺激器、植入式藥療(控制)裝置、植入式人工器官及輔助裝置。美國Nebraska-Lincoln大學(xué)機械系在研究壓電陶瓷產(chǎn)生低頻電能的應(yīng)用，提到了在人體植入關(guān)節(jié)內(nèi)裝入壓電陶瓷設(shè)備可以為電路供電，并提供了簡單的模型。但是此模型只限于實驗階段，沒有考慮到實際應(yīng)用環(huán)境，很多參數(shù)沒有根據(jù)實際情況設(shè)定，并存在以下三個問題1、只是實驗環(huán)境的功能性應(yīng)用，沒有考慮可實際應(yīng)用的低功耗、低電壓和低噪聲的電路設(shè)計；2、沒有考慮體外電路的設(shè)計，即如何將關(guān)節(jié)內(nèi)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)襟w外；3、缺乏電源電路的設(shè)計。這些問題將在本課題中得到解決。
目前還沒有看到利用微電子技術(shù)對植入關(guān)節(jié)進行檢測的研究。本發(fā)明可以應(yīng)用在能在日常生活中給予植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷裝置壓力的植入關(guān)節(jié)中，如人體膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等，發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種雙向無線通信的、可控且可實時處理并存儲生物體內(nèi)人工關(guān)節(jié)壓力數(shù)據(jù)的雙向數(shù)字式無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
本發(fā)明所述的雙向數(shù)字式無線植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)，它是一種雙向無線通信的、可控且可實時處理并存儲生物體內(nèi)植入關(guān)節(jié)壓力數(shù)據(jù)的雙向數(shù)字式無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)有包括體內(nèi)體外兩個部分組成體內(nèi)部分(1)壓電陶瓷裝置，包括3個壓電陶瓷元件，它們既是傳感器傳輸壓力數(shù)據(jù)又能在壓力下產(chǎn)生能量；壓電陶瓷裝置的三個輸出端分別和下面模數(shù)混合芯片的輸入端以及能量存儲裝置的輸入端相連；(2)能量存儲裝置，包括整流電路、能量存儲電路，壓電陶瓷裝置的三個輸出端輸出的電流經(jīng)過整流電路后給能量存儲電路，能量存儲裝置為模數(shù)混合芯片供電，其供電模式是間歇式的；能量存儲裝置的輸出端連接模數(shù)混合芯片的電源輸入端；(3)模數(shù)混合芯片，其功能是將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過處理存儲在非易失性存儲單元里，并能通過射頻模塊將非易失性存儲單元里的數(shù)據(jù)傳出體外，同時它還負(fù)責(zé)檢測壓電陶瓷元件是否被磨穿并進行電源電路的管理；芯片采用Synopsys公司及Cadence公司的軟件分別進行數(shù)字部分和模擬部分的設(shè)計、綜合、仿真、做版圖，最終流片而成。芯片電源電路的設(shè)計，克服了背景技術(shù)部分提到的模型缺乏此設(shè)計的缺點。
(4)天線，包括體內(nèi)天線和體外天線；體內(nèi)天線和模數(shù)混合芯片內(nèi)的無線收發(fā)裝置連接在一起的，完成體內(nèi)外數(shù)據(jù)的無線通信；體外天線和體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置相連；(二)體外部分體外部分主要為信號接收和處理裝置。
(1)體外天線，體外天線和體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置相連；(2)體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，由射頻電路和大容量存儲單元串聯(lián)而成，射頻電路由Cadence公司的軟件設(shè)計；此裝置用來發(fā)射射頻信號并接收傳輸體內(nèi)數(shù)據(jù)；它和計算機控制與處理裝置相連。
(3)計算機控制與處理裝置，由監(jiān)視器、主機以及和主機相連的無線數(shù)據(jù)收發(fā)卡組成，此部分用來處理來自體內(nèi)部分的數(shù)據(jù)，供醫(yī)生分析診斷。
本發(fā)明所述的雙向數(shù)字式無線植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)的工作方式，其特征在于它根據(jù)下述三種工作方式中的任何一種來工作1)壓電陶瓷裝置、能量存儲裝置和模數(shù)混合芯片聯(lián)合工作方式。在此工作方式發(fā)生在病人日常生活中，當(dāng)病人運動使得壓電陶瓷受壓時，壓電陶瓷能夠產(chǎn)生能量，這些能量會存儲在能量存儲電路中并為模數(shù)混合芯片供電，模數(shù)混合芯片內(nèi)的電壓調(diào)整器將這些能量轉(zhuǎn)換為芯片需要的電壓電流并供能。模數(shù)混合芯片會處理來自傳感器的壓力數(shù)據(jù)并將其存儲在非易失性存儲單元中。此工作方式不影響病人的日常生活。
2)模數(shù)混合芯片、天線、體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置以及計算機控制與處理裝置聯(lián)合工作方式。此方式發(fā)生在醫(yī)生為病人問診時，醫(yī)生利用體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置將射頻信號發(fā)送給體內(nèi)的模數(shù)混合芯片，模數(shù)混合芯片從射頻信號中獲取能量開始工作，將存儲在非易失性存儲單元里的數(shù)據(jù)發(fā)送到體內(nèi)外無線收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸裝置，經(jīng)過無線數(shù)據(jù)收發(fā)卡傳輸?shù)接嬎銠C。
3)系統(tǒng)休眠模式。此工作方式發(fā)生在上面所述的兩種工作情況以外的情況，即既沒有壓力給壓電陶瓷裝置，又不是問診時間。此時，系統(tǒng)沒有能量產(chǎn)生，處于斷電狀態(tài)。
發(fā)明效果1)系統(tǒng)可以為生物體植入關(guān)節(jié)的工作狀況進行早期檢測，包括植入關(guān)節(jié)在體內(nèi)的工作能力(如行走)、異常不對稱的壓力、異常高壓、松動和角度誤差等，系統(tǒng)為醫(yī)生提供植入關(guān)節(jié)壓力的實時監(jiān)視數(shù)據(jù)，可盡早減輕病人痛苦。系統(tǒng)具有三種不同的工作方式。第一種是壓電陶瓷裝置、能量存儲裝置和模數(shù)混合芯片聯(lián)合工作方式。此方式是指病人在日常生活中，植入關(guān)節(jié)在正常運動時會產(chǎn)生壓力，系統(tǒng)能夠在壓電陶瓷供電情況下采集壓力數(shù)據(jù)并進行處理和存儲。此工作方式不影響病人的日常生活。第二種是模數(shù)混合芯片、天線、體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置以及計算機控制與處理裝置聯(lián)合工作方式。此工作方式發(fā)生在醫(yī)生為病人問診的情況下，通過體內(nèi)外射頻裝置，為體內(nèi)電路供電同時獲取體內(nèi)非易失性存儲單元里的數(shù)據(jù)。并通過與計算機相連接的無線數(shù)據(jù)收發(fā)卡，數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接嬎銠C上供醫(yī)生進行診斷。第三種是系統(tǒng)休眠模式，此工作模式是指病人在日常生活中植入關(guān)節(jié)不運動時，此時壓電陶瓷沒有受壓也不會產(chǎn)生能量，所有電路處于掉電狀態(tài)，系統(tǒng)休眠。
2)本發(fā)明體外部分的設(shè)計克服了在背景技術(shù)部分中提到的模型沒有考慮體外電路設(shè)計的缺點。另外，整個系統(tǒng)設(shè)計，以低功耗、低電壓和低噪聲為宗旨，將系統(tǒng)工作電壓控制在1伏左右，模數(shù)電壓隔離，從而降低了系統(tǒng)功耗，減少了系統(tǒng)噪聲，彌補了在背景技術(shù)部分中提到的模型欠缺。
3)首次實現(xiàn)生物體植入關(guān)節(jié)內(nèi)和體外之間的通信，使得體外計算機能通過無線方式獲取壓力數(shù)據(jù)對植入關(guān)節(jié)進行合理診斷。
4)能對生物體植入關(guān)節(jié)壓力進行全方位數(shù)據(jù)采集，通過這些壓力數(shù)據(jù)能有效檢測出植入關(guān)節(jié)在生物體內(nèi)的工作能力(如行走)、異常不對稱的壓力、異常高壓、松動和角度誤差等問題。
5)系統(tǒng)具有兩種供電方式，在上述的第一種工作模式下，系統(tǒng)通過壓電陶瓷設(shè)備間歇供電，在上述的第二種工作模式下，系統(tǒng)通過射頻信號供電。
6)植入關(guān)節(jié)壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的算法簡化為簡單特征數(shù)據(jù)，減小了非易失性存儲單元的大小。


圖1為本發(fā)明的體內(nèi)部分的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的體外部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明用到的壓電陶瓷元件的示意圖。
圖4為本發(fā)明體內(nèi)無線數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸裝置的射頻模塊的電路原理示意圖。
圖5為本發(fā)明的壓電陶瓷信號處理過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明的模數(shù)混合芯片的電路原理示意圖。
圖7為本發(fā)明的系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出了一種雙向無線通信可控且可實時保存壓力數(shù)據(jù)、全數(shù)字的生物體植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模數(shù)混合的設(shè)計方案，由壓電陶瓷裝置、能量存儲裝置、模數(shù)混合芯片、天線、體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置以及計算機控制與處理裝置六部分組成。壓電陶瓷設(shè)備既是傳感器傳輸壓力信號，又能在壓力下產(chǎn)生能量為其它電路供電，這些設(shè)備放置在植入關(guān)節(jié)里。這些壓力信號經(jīng)過模數(shù)混合芯片中的放大器、濾波器和復(fù)用器進入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，再由控制單元的算法處理得到特征數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲單元中。芯片也放置在植入關(guān)節(jié)內(nèi)，其封裝殼體采用高分子兼容性材料制成。芯片內(nèi)的控制單元還進行電源管理及整個電路邏輯控制。芯片一端和壓電陶瓷設(shè)備相連，另一端連接天線，芯片外天線可以圍繞芯片實現(xiàn)體內(nèi)外的數(shù)據(jù)通信。體內(nèi)射頻電路部分和天線、體外無線收發(fā)模塊共同完成數(shù)據(jù)的傳輸功能。
體內(nèi)部分的有兩種供電方式一是壓電陶瓷供電；二是射頻信號供電。其中壓電陶瓷供電方式是間歇式的。壓電陶瓷在壓力下產(chǎn)生的能量經(jīng)過全波橋整流后進入能量存儲電容，根據(jù)電容的特性，當(dāng)壓電陶瓷產(chǎn)生的能量不足以供負(fù)載工作時，這些能量為存儲電容充電，當(dāng)存儲電容中的能量足以供負(fù)載工作時，存儲電容處于放電狀態(tài)。來自電容的電流經(jīng)過能量整流器得到穩(wěn)定的電流。射頻信號供電是指在問診情況下，體外電路發(fā)送射頻信號，體內(nèi)電路從射頻信號中獲取能量得以工作。體外無線收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸裝置包括一個天線接收陣列，接收來自體內(nèi)傳送來的壓力數(shù)據(jù)，并發(fā)送給計算機控制和處理裝置。計算機控制和處理裝置中，與計算機主機相連的無線數(shù)據(jù)收發(fā)卡和收發(fā)天線來與體內(nèi)無線收發(fā)裝置實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，同時可以實時地在監(jiān)視器上觀察病人的植入關(guān)節(jié)的壓力數(shù)據(jù)。計算機主機能夠進行數(shù)據(jù)處理輔助醫(yī)生進行診斷。在具體執(zhí)行植入關(guān)節(jié)檢查時，病人坐在椅子上，醫(yī)生將體外收發(fā)設(shè)備在相距20厘米左右對準(zhǔn)病人的植入關(guān)節(jié)處，經(jīng)過1分鐘左右的照射，體內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C里即可。整個操作簡單，病人無任何不適和痛苦。
系統(tǒng)具有三種不同的工作方式。第一種是壓電陶瓷裝置、能量存儲裝置和模數(shù)混合芯片聯(lián)合工作方式。在此方式是指病人在日常生活中，植入關(guān)節(jié)在正常運動時會產(chǎn)生壓力，系統(tǒng)能夠在壓電陶瓷供電情況下采集壓力數(shù)據(jù)并進行處理和存儲。此工作方式不影響病人的日常生活。第二種是模數(shù)混合芯片、天線、體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置以及計算機控制與處理裝置聯(lián)合工作方式，此工作方式發(fā)生在醫(yī)生為病人問診的情況下，通過體內(nèi)外射頻裝置，為體內(nèi)電路供電同時獲取體內(nèi)非易失性存儲單元里的數(shù)據(jù)。因為系統(tǒng)包括一與計算機相連接的無線數(shù)據(jù)發(fā)送器，以及有一與計算機能實時通信的體外無線收發(fā)裝置。所以體內(nèi)數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接嬎銠C上供醫(yī)生進行診斷。第三種是系統(tǒng)休眠方式，此工作方式是指病人在日常生活中植入關(guān)節(jié)不運動時，此時壓電陶瓷沒有受壓也不會產(chǎn)生能量，所有電路處于掉電狀態(tài)，系統(tǒng)休眠。
圖1為本發(fā)明的體內(nèi)部分的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中1為壓電陶瓷設(shè)備，2為能量存儲裝置，3為模數(shù)混合芯片，4為天線。壓電陶瓷設(shè)備既是傳感器傳輸壓力信號，又能在壓力下產(chǎn)生能量為其它電路供電，這些設(shè)備放置在植入關(guān)節(jié)里。模數(shù)混合芯片將壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過處理存儲在非易失性存儲單元里，并能通過射頻模塊將非易失性存儲單元里的數(shù)據(jù)傳出體外，同時它還負(fù)責(zé)檢測壓電陶瓷元件是否被磨穿。模數(shù)混合芯片和壓電陶瓷元件一樣放置在植入關(guān)節(jié)內(nèi)。芯片封裝殼體采用高分子兼容性材料制成，芯片一端和壓電陶瓷設(shè)備相連，另一端連接天線，芯片外天線可以圍繞芯片放置。
圖2為本發(fā)明的體外部分的結(jié)構(gòu)示意圖，其中5為無線收發(fā)裝置，6為計算機控制與處理裝置。當(dāng)問診時，體外部分開始工作，無線收發(fā)裝置發(fā)送射頻信號給體內(nèi)射頻模塊，并接收體內(nèi)數(shù)據(jù)給計算機控制與處理裝置。
圖3為本發(fā)明用到的壓電陶瓷元件的示意圖，其中7為壓力分散金屬板，8為軸承，9為壓電陶瓷元件，此圖中包括了3個壓電陶瓷元件。
圖4為本發(fā)明的射頻模塊的電路原理框圖。其中401為調(diào)制設(shè)備、402為RF(RadioFrequency)限制器、403為檢波器、404為調(diào)整器、405為振蕩器、406為解調(diào)器、407為時鐘生成器、408為電流偏置電路、409為調(diào)制器、410為復(fù)位信號生成電路；P1和P2為和天線相連的接口；S1為時鐘信號、S2為數(shù)據(jù)信號、S3為復(fù)位信號。S1、S2和S3均為輸出信號。調(diào)制設(shè)備(401)的輸出和RF限制器(402)的輸入及調(diào)整器(404)的輸入相連，RF限制器(402)的輸出和檢波器(403)及解調(diào)器(405)的輸入相連，檢波器(403)及解調(diào)器(405)的輸出分別與調(diào)整器(404)和時鐘生成器(407)的輸入相連，調(diào)整器(404)的輸出分別連接到振蕩器(405)、電流偏置電路(408)和復(fù)位信號生成電路(410)的輸入。
圖5為本發(fā)明的傳感器信號處理過程的結(jié)構(gòu)示意圖。S4～S6為來自三個壓電陶瓷傳感器的信號，502為開關(guān)，實現(xiàn)三路信號的時分復(fù)用，503為功率放大器，504為低通濾波器。S7為經(jīng)過復(fù)用和濾波的模擬壓力信號。壓電陶瓷傳感器得到的壓力信號經(jīng)過復(fù)用進入放大器和濾波器，再進入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，得到壓力的數(shù)字信號。
圖6為本發(fā)明的模數(shù)混合芯片的電路原理框圖。其中601為傳感器開關(guān)檢測電路，用來檢測壓電陶瓷元件是否磨穿；602為低功耗的控制單元，負(fù)責(zé)處理壓力數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲單元里；603為非易失性存儲單元；604為數(shù)據(jù)調(diào)制及錯誤檢測模塊；605為傳感器接口；606為傳感器信號處理模塊，包括復(fù)用電路、功放電路和濾波電路；607為模數(shù)轉(zhuǎn)換器；608為無線收發(fā)裝置；609為電壓調(diào)整器；610為電源管理電路；611為射頻能量調(diào)整器；612為射頻信號處理電路。傳感器開關(guān)檢測電路(601)的輸入端分別和壓電陶瓷裝置(1)的輸出端以及控制單元(602)的輸出端?？刂茊卧?602)的輸出端還和非易失性存儲單元(603)的輸入端相連，非易失性存儲單元(603)和數(shù)據(jù)調(diào)制及錯誤檢測模塊(604)雙向相連，數(shù)據(jù)調(diào)制及錯誤檢測模塊(604)又和無線收發(fā)裝置(608)雙向相連。傳感器接口(5)的輸入端和壓電陶瓷裝置(1)的輸出端相連，傳感器接口(5)的輸出端和傳感器信號處理模塊(606)的輸入端相連，傳感器信號處理模塊(606)的輸出端和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(607)的輸入端相連。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(607)的輸出端和控制單元(602)的輸入端相連。電壓調(diào)整器(609)的輸入端和能量存儲裝置(2)的輸出端相連，其輸出端和電源管理電路(610)的輸入端相連。射頻能量調(diào)整器(611)的輸出端也和電源管理電路(610)的輸入端相連，其輸入端和射頻信號處理電路(612)的輸出端相連。無線收發(fā)裝置(608)和射頻信號處理電路(612)均和天線(4)雙向相連。
圖7為本發(fā)明的系統(tǒng)工作狀態(tài)機示意圖。其中State0為系統(tǒng)休眠模式，State1為問診狀態(tài)，State2為病人日常生活狀態(tài)。co1射頻電路供電電壓及壓電陶瓷設(shè)備產(chǎn)生的電壓均小于系統(tǒng)工作電壓；co2射頻電路供電電壓等于系統(tǒng)工作電壓并且壓電陶瓷設(shè)備產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)工作電壓；co3射頻電路供電電壓小于系統(tǒng)工作電壓并且壓電陶瓷設(shè)備產(chǎn)生的電壓等系統(tǒng)工作電壓；壓電陶瓷裝置(1)包括3個壓電陶瓷元件(9)、壓力分散金屬板(7)和軸承(8)，壓電陶瓷元件(9)既是傳感器傳輸壓力數(shù)據(jù)又能在壓力下產(chǎn)生能量。病人在日常生活中，植入關(guān)節(jié)在正常運動時會產(chǎn)生壓力，壓力通過壓電陶瓷裝置(1)轉(zhuǎn)化為電能輸出給能量存儲裝置(2)，能量存儲裝置(2)為模數(shù)混合芯片(3)供電使其工作，模數(shù)混合芯片(3)在壓電陶瓷裝置(1)供電情況下采集壓力數(shù)據(jù)并進行處理和存儲。來自三個壓電陶瓷傳感器的信號(S4～S6)經(jīng)過傳感器接口(605)進入傳感器信號處理模塊(606)(包括開關(guān)(502)，實現(xiàn)三路信號的時分復(fù)用，功率放大器(503)放大微弱信號和低通濾波器(504))得到經(jīng)過復(fù)用和濾波的模擬壓力信號(S7)，模擬壓力信號(S7)再進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(607)得到壓力的數(shù)字信號。低功耗的控制單元(602)根據(jù)一定的算法處理壓力數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到非易失性存儲單元(603)。同時，傳感器開關(guān)檢測電路(601)檢測壓電陶瓷元件是否磨穿。
當(dāng)醫(yī)生為病人問診時，通過體內(nèi)射頻裝置即射頻信號處理電路(612)、體外射頻裝置(5)和體內(nèi)外天線(4)，為模數(shù)混合芯片(3)供電同時獲取體內(nèi)非易失性存儲單元(603)里的數(shù)據(jù)。并通過與計算機(6)相連接的無線數(shù)據(jù)收發(fā)卡，壓力數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接嬎銠C上供醫(yī)生進行診斷。在此情況下，數(shù)據(jù)調(diào)制及錯誤檢測模塊(604)對通信的數(shù)據(jù)進行調(diào)制及錯誤檢測。無線收發(fā)裝置(608)為體內(nèi)天線。電壓調(diào)整器(609)調(diào)節(jié)射頻信號產(chǎn)生的電壓使之符合模數(shù)混合芯片(3)的工作電壓，射頻能量調(diào)整器(611)調(diào)整射頻信號能量使之足以產(chǎn)生符合模數(shù)混合芯片(3)的工作電壓。電源管理電路(610)管理壓電陶瓷設(shè)備(1)產(chǎn)生的電源和射頻信號產(chǎn)生的電源，使它們不沖突地為模數(shù)混合芯片(3)提供電源，同時判斷它們的大小決定模數(shù)混合芯片(3)的工作狀態(tài)。模數(shù)混合芯片(3)有三種工作狀態(tài)休眠態(tài)(State0)，問診狀態(tài)(State1)和病人日常生活狀態(tài)(State2)，當(dāng)射頻電路供電電壓及壓電陶瓷設(shè)備產(chǎn)生的電壓均小于系統(tǒng)工作電壓(co1)時，模數(shù)混合芯片(3)進入休眠態(tài)(State0)；當(dāng)射頻電路供電電壓等于系統(tǒng)工作電壓并且壓電陶瓷設(shè)備產(chǎn)生的電壓小于系統(tǒng)工作電壓(co2)時，模數(shù)混合芯片(3)進入問診狀態(tài)(State1)；當(dāng)射頻電路供電電壓小于系統(tǒng)工作電壓并且壓電陶瓷設(shè)備產(chǎn)生的電壓等系統(tǒng)工作電壓(co3)時，模數(shù)混合芯片(3)進入病人日常生活狀態(tài)(State2)。
所述的射頻信號處理電路(612)包括如下部分信號從與天線(4)相連的接口(P1和P2)進入到調(diào)制設(shè)備(401)接受調(diào)制，來自接口(P1)的信號同時進入RF限制器(402)接受調(diào)整使之能量符合系統(tǒng)需求，經(jīng)過調(diào)整后的信號分別進入檢波器(403)和解調(diào)器(406)成為下脈沖方波進入調(diào)整器(404)接受波形調(diào)整。時鐘生成器(407)根據(jù)解調(diào)后的信號提取時鐘供數(shù)字電路工作并輸出時鐘信號(S1)。電流偏置電路(408)為射頻信號處理電路(612)提供電流偏置。振蕩器(405)生成高頻時鐘供存儲單元工作。調(diào)制器(409)調(diào)制來自調(diào)制設(shè)備(401)的信號并輸出數(shù)據(jù)信號(S2)。復(fù)位信號生成電路(410)產(chǎn)生復(fù)位信號S3。
由此，系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1.雙向數(shù)字式無線植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)有包括體內(nèi)體外兩個部分組成體內(nèi)部分包括(1)壓電陶瓷裝置，包括4個壓電陶瓷元件，它們既是傳感器傳輸壓力數(shù)據(jù)又能在壓力下產(chǎn)生電能輸出；壓電陶瓷裝置的四個電能輸出端分別和下面模數(shù)混合芯片的輸入端以及能量存儲裝置的輸入端相連；(2)能量存儲裝置，包括整流電路、能量存儲電路；壓電陶瓷裝置的四個輸出端輸出的電流經(jīng)過整流電路后給能量存儲電路，能量存儲裝置為模數(shù)混合芯片供電；能量存儲裝置的輸出端連接模數(shù)混合芯片的電源輸入端；(3)模數(shù)混合芯片，包括非易失性存儲單元、射頻模塊和無線收發(fā)裝置，其功能是將植入關(guān)節(jié)在病人日常運動時產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過處理存儲在非易失性存儲單元里，并能通過射頻模塊將非易失性存儲單元里的數(shù)據(jù)傳出體外，同時它還負(fù)責(zé)檢測壓電陶瓷元件是否被磨穿并進行電源電路的管理；(4)天線，包括體內(nèi)天線和體外天線；體內(nèi)天線和模數(shù)混合芯片內(nèi)的無線收發(fā)裝置連接在一起的，完成體內(nèi)外數(shù)據(jù)的無線通信；(二)體外部分信號接收和處理裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向數(shù)字式無線植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，所述的體外部分包括(1)體外天線，體外天線和體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置相連；(2)體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，由射頻電路和大容量存儲單元串聯(lián)而成，用來發(fā)射射頻信號并接收傳輸體內(nèi)數(shù)據(jù)；它和計算機控制與處理裝置相連；(3)計算機控制與處理裝置，與體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置相連，此部分用來處理來自體內(nèi)部分的數(shù)據(jù)，供醫(yī)生分析診斷。
全文摘要
生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)，涉及低功耗電路設(shè)計、壓電陶瓷間歇供電電路設(shè)計以及數(shù)據(jù)無線傳輸電路設(shè)計，屬于醫(yī)用植入關(guān)節(jié)壓力監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)包括體內(nèi)部分壓電陶瓷裝置、能量存儲裝置、模數(shù)混合芯片、天線；體外部分體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置、計算機控制與處理裝置；系統(tǒng)有三種工作方式壓電陶瓷裝置、能量存儲裝置和模數(shù)混合芯片聯(lián)合工作方式，模數(shù)混合芯片、天線、體外收發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置以及計算機控制與處理裝置聯(lián)合工作方式，系統(tǒng)休眠方式。本發(fā)明為生物體植入關(guān)節(jié)的工作狀況進行早期檢測，功耗低，首次實現(xiàn)生物體植入關(guān)節(jié)內(nèi)和體外之間的通信，使體外計算機能通過無線方式獲取壓力數(shù)據(jù)對植入關(guān)節(jié)進行合理診斷。
文檔編號G06F19/00GK1806776SQ200510130629
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者陳虹, 王志華 申請人:清華大學(xué)