基于电感耦合的人体植入式通信方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于电感耦合的人体植入式通信方法。该方法主要包括：在人体内部设置植入式电子设备，该植入式电子设备包括：变换器、信号调制器和信号发射器，所述变换器将需要发送的信息变换为电信号，所述信号调制器对所述电信号进行调制处理得到载波信号，所述信号发射器将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。本发明通过接收线圈和发射线圈发生电感耦合，在植入式电子设备和服务终端之间通过电磁波来传输信息，使得通信范围局限于人体近端通信，不会在不同的人体间造成覆盖区域重叠，具有高安全性及高频带利用率，同时具有功耗低及无阴影效应等优点，从而提供了一种安全、高效、可靠的人体通信系统。
【专利说明】基于电感耦合的人体植入式通信方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及人体通信【技术领域】，尤其涉及一种基于电感耦合的人体植入式通信方法和系统。
【背景技术】
[0002]现有的基于健康服务的人体通信系统，包括若干可分布于人体内及体外的各部分的节点，节点包括具有远程通信功能的设置在人体内部的植入式电子设备，及设置在人体外部的服务终端。服务终端和植入式电子设备之间经由网络建立连接，节点获得的信息在人体进行传播后经由电子设备传送至服务终端，服务终端发送的信息经网络和个人电子设备传播后传送至人体节点。
[0003]目前，上述人体通信系统中的服务终端和植入式电子设备采用蓝牙、WiFi或者短距离、低功耗的Zigbee通信技术进行无线通信。其中，蓝牙和短距离、低功耗的Zigbee通信系统的通信距离比较远，容易在不同的人体间造成覆盖区域重叠，降低了系统安全性；蓝牙和WiFi的功耗高，而Zigbee的数据率太低，且组网不容易。因此，现有的人体通信系统采用上述蓝牙、WiFi或者短距离、低功耗的Zigbee通信技术，造成了人体通信系统中最看重的功耗、安全性、通信健壮性等性能大打折扣。因此，开发一种安全、高效、可靠的人体通信系统是一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的实施例提供了一种基于电感耦合的人体植入式通信方法和系统，以实现安全、高效、可靠的人体通信系统。
[0005]本发明提供了如下方案:
[0006]—种基于电感稱合的人体植入式通信方法,包括:
[0007]在人体内部设置植入式电子设备，该植入式电子设备包括:变换器、信号调制器和信号发射器，所述变换器将需要发送的信息变换为电信号，所述信号调制器对所述电信号进行调制处理得到载波信号，所述信号发射器将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。
[0008]所述的方法还包括:
[0009]所述信号调制器和信号发射器通过信号发射电路来实现，所述信号发射电路包括ASK调制电路、功率放大器和发射线圈，通过调整所述功率放大器的频率来调整所述发射线圈的发射功率。
[0010]所述的方法还包括:
[0011]在人体外部设置服务终端，该服务终端包括:换能器、解调器和信号接收器，所述信号接收器通过电磁感应接收所述信号发射器发射的所述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号，所述解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
[0012]所述解调器和信号接收器通过信号接收电路实现，所述信号接收电路包括整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路、解调器和负载，所述整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路和负载互相串联，所述整流电路包括双二极管整流器。
[0013]所述解调器包括解调电路和时钟恢复电路，所述解调电路包括幅值分压器、MOS管、检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器，所述幅值分压器设置在所述解调电路的输入端，由两个电容串联而成，所述检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器互相串联。
[0014]—种基于电感稱合的人体植入式通信系统,包括:
[0015]植入式电子设备，用于设置在人体内部，包括:变换器、信号调制器和信号发射器，所述变换器将需要发送的信息变换为电信号，所述信号调制器对所述电信号进行调制处理得到载波信号，所述信号发射器将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。
[0016]所述的信号调制器和信号发射器通过信号发射电路来实现，所述信号发射电路包括ASK调制电路、功率放大器和发射线圈，通过调整所述功率放大器的频率来调整所述发射线圈的发射功率。
[0017]所述的系统还包括:
[0018]服务终端，用于设置在人体外部，服务终端包括:换能器、解调器和信号接收器，所述信号接收器通过电磁感应接收所述信号发射器发射的所述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号，所述解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
[0019]所述解调器和信号接收器通过信号接收电路实现，所述信号接收电路包括整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路、解调器和负载，所述整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路和负载互相串联，所述整流电路包括双二极管整流器，所述信号接收电路中的接收线圈和信号发射电路中的发射线圈发生电感耦合。
[0020]所述解调器包括解调电路和时钟恢复电路，所述解调电路包括幅值分压器、MOS管、检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器，所述幅值分压器设置在所述解调电路的输入端，由两个电容串联而成，所述检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器互相串联。
[0021]由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过接收线圈和发射线圈发生电感耦合，在植入式电子设备和服务终端之间通过电磁波来传输信息，使得通信范围局限于人体近端通信，不会在不同的人体间造成覆盖区域重叠，具有高安全性及高频带利用率，同时具有功耗低及无阴影效应等优点，从而提供了一种安全、高效、可靠的人体通信系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本发明实施例一提供的一种基于电感耦合的人体植入式通信方法的处理流程图；
[0024]图2为本发明实施例一提供的一种信号发射电路的部分电路结构图；
[0025]图3为本发明实施例一提供的一种信号接收电路的部分电路结构图；
[0026]图4为本发明实施例一提供的一种解调器的部分电路结构示意图；
[0027]图5为本发明实施例二提供的一种基于电感耦合的人体植入式通信系统，的具体结构图。
【具体实施方式】
[0028]为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0029]实施例一
[0030]该实施例提供的一种基于电感耦合的人体植入式通信方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤:
[0031]步骤S110、在人体内部设置植入式电子设备，该植入式电子设备包括:变换器、信号调制器和信号发射器。
[0032]ASK (AmplitudeShiftKeying,振幅键控)是一种相对简单的调制方式。ASK相当于模拟信号中的调幅，ASK调制把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。ASK发射和接收到的是幅度数字调制的载波信号，可获取接收电路所需的时钟。
[0033]所述信号调制器和信号发射器通过信号发射电路来实现，该实施例提供的一种信号发射电路的部分电路结构图如图2所示，信号发射电路包括ASK调制器、功率放大器和发射线圈,通过调整所述功率放大器的频率来调整所述发射线圈的发射功率。
[0034]上述信号发射电路，使用改变放大器频率响应的方法。这样就避免了耗散元件的使用，提高能量传输的效率。因为调制电路的结构以及频率响应固定，信号发射电路中的能量可由放大器供电进行控制。
[0035]步骤S120、植入式电子设备中的变换器将需要发送的信息变换为电信号，上述信息可以为人体生理参数信息或者植入式电子设备的状态信息等。
[0036]变换器、信号调制器和信号发射器互相串联，以人体为通信介质进行通信。
[0037]信号发射电路中的ASK调制器对所述电信号进行ASK调制处理得到载波信号，所述信号发射器通过发射线圈将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。
[0038]电磁波从发射线圈辐射后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射；或在大气层中产生折射或散射，从而造成强度的衰减。
[0039]步骤S130、在人体外部设置服务终端，该服务终端包括:换能器、解调器和信号接收器。
[0040]所述解调器和信号接收器通过信号接收电路实现，该实施例提供的一种信号接收电路的部分电路结构示意图如图3所示，所述信号接收电路包括整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路、解调器和负载，所述整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路和负载互相串联。
[0041]图3所示的整流电路中包括双二极管整流器，整流电路中存在一个远大于调谐电容C1C2的串联电容C4，并不影响电路的谐振频率。在C4C5电容之间得到稳定的直流电压，加载到R1R2上。受二极管单向导电性的影响，使用双二极管整流器时流经二极管的电流呈尖峰状。上述信号接收电路中的线圈中的感生电流流过与线圈相串联的整流电路，每个二极管导通的时间比在并联结构电路中长，所有接收到的能量全部加载到负载上。同时，由于每个半周期中只有一个二极管导通，电路的开关损耗进一步降低。
[0042]在上述串联结构的信号接收电路中，负载、整流器和滤波器与谐振电路相串联，实现降低直流供电电压中的纹波，减小直流滤波器的带宽，从而线圈中的感应电压不会受到整流器的影响，信号的调制度也不会发生变化，使解调电路得到简化，数据传输率得到提闻。
[0043]该实施例提供的一种解调器的部分电路结构示意图如图4所示，所述解调器包括解调电路和时钟恢复电路，所述解调电路包括幅值分压器、MOS管、检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器，所述幅值分压器设置在所述解调电路的输入端，由两个电容串联而成，所述检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器互相串联。
[0044]在图4所示的电路中，在解调器的输入端加入了一个分压器，用来限制输入电压的幅值。这个分压器由两个电容串联而成。两个电容的值均比较小，以减小解调器对谐振电路的影响。
[0045]二极管接法的MOS管作为小信号的放大器或大信号的衰减器。电流流经MOS管时，电路起到两个效果:
[0046](I)在电流较小时放大器可获得较高的压降；
[0047](2)在电流较大时，衰减器产生的过大电压降被二极管钳制，保护电路的其他部分。
[0048]数据解调中一个用于恢复信号包络的检波器三极管MKe。，完成信号调理和阻抗变换。整流得到的信号通过一个被动带通滤波器。这个滤波器的带宽由传输数据的频谱决定。滤波器输出再经过一个迟滞比较器后，将数据完全恢复。
[0049]步骤S140、信号接收器通过电磁感应接收所述信号发射器发射的所述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号，所述解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
[0050]信号接收电路中的接收线圈和信号发射电路中的发射线圈发生电感耦合，形成磁场，该磁场传输上述发射线圈发射的电磁波。接收线圈通过电磁感应接收上述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号。
[0051]信号接收电路中的解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
[0052]实现数据的高效无线传输是保证体外装置对植入式设备进行准确控制的关键。为了充分消除由同时传递能量产生的干扰，能量和数据的传输使用同一个电感耦合装置，同时设置相同的载波。
[0053]实施例二
[0054]该实施例提供的一种基于电感耦合的人体植入式通信系统，其具体结构如图5所示，包括:
[0055]植入式电子设备，用于设置在人体内部，包括:变换器、信号调制器和信号发射器，所述变换器将需要发送的信息变换为电信号，所述信号调制器对所述电信号进行调制处理得到载波信号，所述信号发射器将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。
[0056]服务终端，用于设置在人体外部，服务终端包括:换能器、解调器和信号接收器，所述信号接收器通过电磁感应接收所述信号发射器发射的所述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号，所述解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
[0057]进一步地，所述植入式电子设备中的信号调制器和信号发射器通过信号发射电路来实现，所述信号发射电路包括ASK调制电路、功率放大器和发射线圈，通过调整所述功率放大器的频率来调整所述发射线圈的发射功率。
[0058]所述的系统还包括:
[0059]进一步地，所述服务终端中的解调器和信号接收器通过信号接收电路实现，所述信号接收电路包括整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路、解调器和负载，所述整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路和负载互相串联，所述整流电路包括双二极管整流器，所述信号接收电路中的接收线圈和信号发射电路中的发射线圈发生电感耦合。
[0060]所述解调器包括解调电路和时钟恢复电路，所述解调电路包括幅值分压器、MOS管、检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器，所述幅值分压器设置在所述解调电路的输入端，由两个电容串联而成，所述检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器互相串联。
[0061]用本发明实施例的系统进行基于电感耦合的人体植入式通信的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。
[0062]综上所述，本发明实施例通过接收线圈和发射线圈发生电感耦合，在植入式电子设备和服务终端之间通过电磁波来传输信息，使得通信范围局限于人体近端通信，不会在不同的人体间造成覆盖区域重叠，具有高安全性及高频带利用率，同时具有功耗低及无阴影效应等优点，从而提供了一种安全、高效、可靠的人体通信系统。
[0063]本发明实施例利用串联结构的谐振接收电路实现充分减小整流器和滤波器对所接收信号的影响。
[0064]人体电子工程领域已成为新一代信息技术和生物技术的重要交叉领域，本发明实施例的研究将为家电产业与医疗电子产业的有机融合提供有益的探讨。
[0065]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0066]通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如R0M/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0067]本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0068]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于电感耦合的人体植入式通信方法，其特征在于，包括: 在人体内部设置植入式电子设备，该植入式电子设备包括:变换器、信号调制器和信号发射器，所述变换器将需要发送的信息变换为电信号，所述信号调制器对所述电信号进行调制处理得到载波信号，所述信号发射器将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。
2.根据权利要求1所述的基于电感耦合的人体植入式通信方法，其特征在于，所述的方法还包括: 所述信号调制器和信号发射器通过信号发射电路来实现，所述信号发射电路包括ASK调制电路、功率放大器和发射线圈，通过调整所述功率放大器的频率来调整所述发射线圈的发射功率。
3.根据权利要求1或2所述的基于电感耦合的人体植入式通信方法，其特征在于，所述的方法还包括: 在人体外部设置服务终端，该服务终端包括:换能器、解调器和信号接收器，所述信号接收器通过电磁感应接收所述信号发射器发射的所述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号，所述解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
4.根据权利要求3所述的基于电感耦合的人体植入式通信方法，其特征在于，所述解调器和信号接收器通过信号接收电路实现，所述信号接收电路包括整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路、解调器和负载，所述整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路和负载互相串联，所述整流电路包括双二极管整流器。
5.根据权利要求4所述的基于电感耦合的人体植入式通信方法，其特征在于，所述解调器包括解调电路和时钟恢复电路，所述解调电路包括幅值分压器、MOS管、检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器，所述幅值分压器设置在所述解调电路的输入端，由两个电容串联而成，所述检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器互相串联。
6.一种基于电感耦合的人体植入式通信系统，其特征在于，包括: 植入式电子设备，用于设置在人体内部，包括:变换器、信号调制器和信号发射器，所述变换器将需要发送的信息变换为电信号，所述信号调制器对所述电信号进行调制处理得到载波信号，所述信号发射器将所述载波信号变换成电磁波，将所述电磁波向人体外面发射。
7.根据权利要求6所述的基于电感耦合的人体植入式通信系统，其特征在于，所述的信号调制器和信号发射器通过信号发射电路来实现，所述信号发射电路包括ASK调制电路、功率放大器和发射线圈，通过调整所述功率放大器的频率来调整所述发射线圈的发射功率。
8.根据权利要求6或7所述的基于电感耦合的人体植入式通信系统，其特征在于，所述的系统还包括: 服务终端，用于设置在人体外部，服务终端包括:换能器、解调器和信号接收器，所述信号接收器通过电磁感应接收所述信号发射器发射的所述电磁波，将所述电磁波转换为载波信号，所述解调器对所述载波信号进行解调处理得到电信号，所述换能器将所述电信号变换为信息。
9.根据权利要求8所述的基于电感耦合的人体植入式通信系统，其特征在于，所述解调器和信号接收器通过信号接收电路实现，所述信号接收电路包括整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路、解调器和负载，所述整流电路、滤波电路、接收线圈、串联谐振电路和负载互相串联，所述整流电路包括双二极管整流器，所述信号接收电路中的接收线圈和信号发射电路中的发射线圈发生电感耦合。
10.根据权利要求9所述的基于电感耦合的人体植入式通信系统，其特征在于，所述解调器包括解调电路和时钟恢复电路，所述解调电路包括幅值分压器、MOS管、检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器，所述幅值分压器设置在所述解调电路的输入端，由两个电容串联而成，所述检波器三极管、被动带通滤波器和迟滞比较器互相串联。
【文档编号】H04B5/00GK104168042SQ201410026927
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】殷波, 魏志强, 宫飞翔, 盛艳秀 申请人:中国海洋大学