用于使用人类或动物身体作为传输媒介来执行数据通信的通信设备和系统的制作方法

本发明涉及用于使用人类或动物身体(body)作为传输媒介(medium)来执行数据通信的通信设备，通信设备包括收发器单元，收发器单元包括发射器与接收器之中的至少一个，以及其中通信设备包括静电换能器(electrostatictransducer)，用于经由身体的表面与接触身体或靠近身体的一个或多个用户设备启用(enable)数据通信。本发明进一步涉及通信设备的系统，其被安排用于使用人类或动物身体作为传输媒介经由数据通信在所述通信设备之间的互相通信(intercommunication)。

背景技术：

随着可植入设备与可穿戴设备的日益增加的数量和功能，对于在身体中和在身体周围的可靠的高吞吐量和安全通信的需要增加。具有能够为这个需要服务的若干技术选项，并且其适合性利用用于相应类型的信号的通信信道（人类身体）的属性、实现方式的所需尺寸和可达到的功率-性能比来判断。进一步，对于每一种类型的信号，对于信号幅度和占空比(dutycycle)而言具有安全限制来针对短期与长期使用而防止对身体的损害。

对于医学应用，使用人类身体作为传输媒介在穿戴在人类身体上或靠近人类身体的设备之间通信的数据通信方法存在。这例如启用从患者的身体上的特定部位中获得的本地传感器数据至收集这些信号的中央接收器设备的传输。当然，这样的通信方法的许多其他应用是可能的。一般而言，这样的使用身体作为传输媒介的通信网络可以被称为体域网(bodyareanetwork)(ban)。最近，这样的方法已演变成允许高达100mhz的非常频率(hf)上的数据通信的称为体耦合通信(bodycoupledcommunication)(bcc)的新类型的通信。

在bcc类型数据通信中，数据信号经由身体的表面（即，皮肤）来发射。如果启用hf载波频率的使用，这种类型的通信潜在地获得渲染适合于在许多类型的可穿戴设备之间的数据通信的这种类型的通信的高数据速率。然而，在一些情形中（例如，用于医学目的），也可能期望允许与身体内的设备进行数据通信。这个的示例是与心脏起搏器(pacemaker)进行数据通信，以获得操作反馈或在医学检查期间从身体内携带的无线探测器中获得数据。bcc类型通信或无线电波类型通信都不适合于这种任务，这是因为信号仅仅跨越身体的表面(bcc)或在空气中进行传递并且不能为了通信目的而渗入(penetrateinside)身体内。

目前，没有可利用的允许设备之间的“身体束缚(bodybound)”数据通信而不管这样的设备是位于身体上、靠近身体还是位于身体内的好的解决方案。由于适合于触及(reach)在各个位置上的设备的通信类型的不同性质，在不同的情形中将依靠不同类型的通信系统。

文献us2004/202339描述经由穿戴设备的个人的身体将助听器连接至另一设备的技术。它描述超声或无线通信的使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供适合于与或位于人类或动物身体内、位于人类或动物身体上或者靠近人类或动物身体的其他设备启用数据通信的通信设备。此外，需要以成本有效且节能方式来启用这样的通信。

为此，兹提供一种用于使用人类或动物身体作为传输媒介来执行数据通信的通信设备。通信设备包括收发器单元，而收发器单元包括发射器与接收器之中的至少一个。通信设备也包括用于经由身体的表面与接触身体或定位于靠近身体（即紧邻身体，例如在距身体0-10毫米的范围内）的一个或多个用户设备启用数据通信的静电换能器。通信设备进一步包括用于使用超声波通过身体启用数据通信的超声换能器(ultrasonictransducer)。静电换能器和超声换能器二者是被连接至收发器单元并经由收发器单元来操作的电容式换能器。因此，同一收发器单元由静电换能器和超声换能器二者来共享。

通过在这两种类型的换能器之间共享收发器单元，能够获得有效的功率消耗，而同时允许优雅且更简单的设计（仅仅需要一个收发器来操作两个换能器）。简化的设计使得通信设备能够以低成本来制造，从而增加其在所有类型的电器中的可用性。此外，设备能够是更小的，这进一步增加其可用性。

超声通信在身体内对于最小形状因数和能量消耗提供最佳信号传播，而体耦合通信对于身体上和触摸通信来说是非常省电且用户友好的。在两种不同的媒介（身体表面和身体内部）的边缘上，通信信道的属性戏剧性地（例如，从水到空气）改变。常规地，这使得同一种类型的信号的传播是不可能的或不切实际的。然而，在目前设计中，使用将电信号变换成在指定媒介例如用于身体中的超声媒介和用于身体上的静电媒介中最佳传播的信号的换能器。

尤其，根据本发明，所应用的超声换能器与静电换能器是电容式换能器并因此在操作频率和信号类型方面具有类似的属性。这些换能器因此能够经由同一收发器来操作，从而允许其中收发器单元被共享的设计。对于（例如体耦合通信类型的）静电换能器和超声换能器二者而言，能够应用相同的通信协议。这使之能够基于本发明的通信设备建立进出身体的统一通信网络。因此可以更快且更有效执行通信，并且因为两种类型的换能器在一个设备中与（至少一个）共享收发器的集成，增加该技术的应用领域。与依靠两个不同的收发器（对于每一种类型的信号和相关联的协议而言，一个收发器）的实现方式相比而言，即在半双工实施例中对于仅仅单个收发器的需要例如提供重要的尺寸减小。因此，两种技术作为本发明的结果而容易被集成到单个设备（例如可穿戴用户设备或医疗器械）中。

根据实施例，收发器单元被安排用于在100khz-30mhz、优选100khz-10mhz并且更优选1mhz-10mhz的频率带宽内的无线电频率上的通信。身体的最佳超声传输特征位于大约100khz至高达大约10mhz的频率范围中。利用较低超声频率的通信将遭受这些换能器的差的空间分辨率或增加的尺寸。在较高频率上，这些信号的衰减增加并因而利用低功率设备能够达到的最大通信距离减小。类似地，对于体耦合信号而言，最佳传播频率高于100khz并且低于30mhz。对于低频率而言，频谱典型地受到噪声和干扰严重污染，而高于30mhz的话，身体长度接近这些信号的波长并且身体开始充当天线。因此，两个换能器将最佳地可操作在所识别的实施例的上述频率范围内。这个频率匹配对于双模态(modality)通信的最优化而言是特别令人感兴趣的。与本发明的设备的两个换能器是电容式换能器的事实一起，除了将在这些换能器本身中应用的一些阻抗匹配与偏置之外，电子设备(electronics)和所应用的协议能够是相同的。在给定频率范围之外，虽然可能要求一些附加的适应来补偿衰减、较低的空间分辨率或噪声，但是本发明仍然可以在一定范围内工作。因而，虽然所标示的范围鉴于附加优势而是优选的，但是所标示的范围对于本发明而言并不是必不可少的。

因此，根据进一步实施例，静电换能器和超声换能器之中的每一个包括驱动器电子设备，所述驱动器电子设备被安排用于每一个相应换能器的阻抗匹配与偏置之中的至少一个。另外，取决于情形，驱动器电子设备可以被配备来优化每一个换能器的其他可操作参数。已观察到：有效地，至少阻抗匹配和所应用的偏置电压对于两个换能器而言是不同的并因此可以利用由每一个换能器组成的驱动器电子设备来执行。例如，为了操作在崩溃模式(collapsemode)中，可以利用100伏(volt)的dc电压来偏置电容式超声换能器。

根据还进一步实施例，超声换能器包括电容式微机械超声换能器(capacitivemicromachinedultrasonictransducer)(cmut)。电容式微机械超声换能器能够容易地与电容耦合器一起被集成到单个通信设备中，这是因为两种类型的换能器在电容和期望的操作带宽方面具有类似的属性。如将意识到的，电容耦合器在本发明的实施例中作为静电换能器被应用来启用体耦合通信(bcc)。

cmut通常由在硅衬底上形成的腔(cavity)构成。硅衬底利用底电极来支撑，并且膜本身或在膜上方的金属化层充当上电极。该配置作为一个整体形成电容。跨越这些电极的交流(ac)信号的应用引起膜振动并产生超声波。

所产生的超声波的波长取决于膜的尺寸和张力。在cmut被操作在崩溃模式中的情况中，该元件利用足够高的dc电压来偏置（例如，如上所述），以致膜的中心部分接触底电极（或衬底）并且只有在膜中心周围的周环(circumferentialring)产生超声波。结果，可获得的频率较高并且元件的传输特征是不同的。

因此，根据还进一步实施例，超声换能器的驱动器电子设备被安排用于将直流偏置电压施加至超声换能器以便在崩溃模式中操作该换能器。原则上，cmut被操作在崩溃模式中不是必不可少的，然而cmut的较高谐振频率和较高生成的声功率在获得与另一通信设备的通信链路的正确操作中是有利的。如果cmut操作在正常（非崩溃）模式中，这些谐振频率较低，信号功率也将是如此。这当然是电子可补偿的，但是可以意识到：因为这个原因，在崩溃模式中的操作在许多实施例中是有利的。

根据本发明的还进一步实施例，收发器单元包括与发射器协作的编码器或与接收器协作的解码器之中的至少一个，其中所述编码器或解码器之中的所述至少一个被安排用于根据dc-free（dc平衡）编码方法来编码或解码数据。尤其，根据还进一步实施例，编码器或解码器被安排用于根据编码方法来编码或解码数据，其中编码方法是包括manchester（曼彻斯特）编码方法和双极性(bipolar)编码诸如高密度双极性编码的群组中的元素。manchester编码是dc-free类型的编码方法（因此，信号的极性陈述（高/低）这个不平衡，诸如以阻止dc分量的建立）。此外，manchester编码是自同步(selfclocking)编码方法，从而允许基于信号本身来执行利用数据通信信号的接收器进行的同步。使用dc-free编码方法的优点是：它解决天线的电容性质。尤其，在没有dc分量的建立的情况下，发射器和接收器的行为在操作期间是恒定的并且在驱动器电子设备中不要求进一步补偿。

在通信设备的收发器中的接收器单元可以进一步包括低噪声放大器来虑及在cmut和静电电容耦合器的接收信号中低的峰值-峰值电压。尤其对于cmut而言，接收信号典型地将是几十mv（毫伏）峰值-峰值（例如10-90mv），并且低噪声放大器对于改善信噪比(snr)而言可能是有利的。定时发生器、时钟恢复、数据相关与解码以及如在本实施例中所示的低噪声放大器的可选使用可以在共享的收发器电子设备中进行共享和集成。

根据本发明的进一步实施例，静电换能器包括一个或多个电容耦合器，用于使用体耦合通信协议来启用数据通信。如上面已经提到的，体耦合通信的应用启用在与超声换能器相同的频率带宽中的操作。此外，能够使用具有与超声换能器相类似的电容属性的静电换能器来应用bcc，这对于本发明而言是有益的。

根据本发明的进一步实施例，通信设备包括多个收发器单元，其中每一个收发器单元被连接至所述超声换能器和所述静电换能器之中的每一个，以便经由多个通信信道来启用同时通信，同时通信信道的数量小于或等于收发器单元的数量。在其中只有单个收发器单元被应用的实施例中，可能的通信模式是半双工。同一数据信号能够通过超声换能器和静电换能器之中的任一或二者来同时发送。利用单个发射器的不同（即，非全同）数据信号的发射将要求时间上的（多路）复用，以允许在不同时隙中的发射。在接收侧上，接收器锁定至发射器并因而能够一次只接收一个信号。多个不同的数据信号的接收同时要求多个接收器。为了在没有复用的情况下经由这些换能器之中的任一换能器允许多个数据信号的全双工通信，至少两个收发器诸如对于同时生成和处理发射信号与接收信号而言是必要的。

根据本发明的其他实施例，收发器单元包括包含多个接收器、多个发射器和复用器单元的群组中的至少一个元件。

根据本发明的第二方面，提供一种装置，其包括多个根据任一先前权利要求的通信设备。

还根据本发明的第三方面，提供一种通信设备的系统，其被安排用于使用人类或动物身体作为传输媒介、经由数据通信在所述通信设备之间的互相通信，其中这些通信设备包括包含可穿戴设备、便携式设备和适合于在人类或动物身体中植入的可植入设备的群组中的至少一个或由包含可穿戴设备、便携式设备和适合于在人类或动物身体中植入的可植入设备的群组中的至少一个组成。

根据第四方面，提供一种使用人类或动物身体作为传输媒介在多个设备之间执行数据通信的方法，其中多个设备之中的至少一个第一设备位于所述人类或动物身体内，以及其中多个设备之中的至少一个第二设备位于所述人类或动物身体上或邻近(proximity)所述人类或动物身体，其中该方法包括使用与所述身体接触的通信设备在多个设备之间执行所述数据通信，该方法包括以下步骤：使用通信设备的收发器单元中的发射器，生成数据信号；和使用通信设备的多个换能器之中的至少一个，发射数据信号至所述第一设备或所述第二设备之中的至少一个；其中多个换能器包括静电换能器和超声换能器，其中该方法进一步包括由通信设备的控制器选择这些换能器之中的任一或所有的换能器来发射数据信号，其中当数据信号将被发射至至少一个第二设备时选择所述静电换能器，以及其中当数据信号将被发射至至少一个第一设备时选择所述超声换能器；和其中静电换能器和超声换能器二者是经由所述同一收发器单元来操作的电容式换能器。通信设备能够是单独的设备或能够被包含作为多个设备之中的任何设备的一部分，例如作为其中集成的通信单元。如可以意识到的，这些换能器与身体接触以允许发射，例如超声换能器与身体接触。

根据实施例，通信设备的收发器单元进一步包括至少一个接收器，其中所述静电换能器和所述超声换能器之中的每一个被连接至至少一个接收器，其中该方法进一步包括：经由静电换能器或超声换能器之中的任一或二者来接收数据信号；和使用至少一个接收器来处理数据信号，以获得利用数据信号所传递的数据。

附图说明

本发明将利用其中一些特定实施例的描述、参考附图来进一步阐明。详细的描述提供本发明的可能实现方式的示例，但是将不被视为描述落入范畴内的唯一实施例。本发明的范畴被定义在权利要求书中，并且该描述将被视为说明性的而非限制本发明。在附图中：

图1是举例说明用于信号的发射的布局的本发明的通信设备的示意图；

图2是举例说明用于信号的接收的布局的本发明的通信设备的示意图；

图3是本发明的通信设备的示意图；

图4是本发明的应用的示意图；

图5是本发明的应用的示意图；

图6a和6b分别举例说明使用本发明的通信方法的发射和接收。

具体实施方式

图1和2举例说明本发明的通信设备，尤其用于信号的发射（图1）和用于信号的接收（图2）的可能布局。图1提供描述本发明的双模态通信系统1的发射侧的主要组件的框图。发射器22可以经由收发器单元3的输入20接收控制信号，并且可以生成数据以便响应于这样的控制信号来发射。利用发射器逻辑22生成的数据首先利用数据编码器25来编码。编码器25例如可以使用manchester编码以便解决换能器6与10的电容性质。然而，也能够代替使用另一类型的dc平衡编码。编码的发射信号被提供至合并驱动器电子设备和适当的偏置与阻抗匹配网络的两个模态特定的驱动器块5与9。换能器6是用于生成超声数据信号15的电容式微机械超声换能器(cmut)。可以通过人类或物体身体即在人类或物体身体内发射超声数据信号15，其中人类或动物身体在图1与2中示意性地被标示为水环境100。静电换能器10是电容耦合器，用于生成静电数据信号18，例如体耦合通信(bcc)数据信号。可以跨越在图1与2中示意性地被标示为媒介200的人类或动物身体的表面来发射静电数据信号18。

因为cmut6要求大的电压激励以便生成足够大的声信号15，所以编码信号必须首先例如在驱动器电子设备5中被放大。此外，大的偏置电压可能需要利用驱动器5来施加，以便在崩溃模式中操作cmut6。最后，这个偏置与驱动器块5的输出阻抗必须仔细地进行设计，以便启用cmut6的正确操作。用于经由电容耦合器10的bcc通信的驱动器块9可以只是升压(boost)该信号。阻抗匹配能够被分发(distribute)至驱动器9的输入，以保证与驱动器5和耦合器侧10的互操作性来促进信号18至身体表面200的耦合。bcc类型的通信允许邻近身体表面的数据通信，即，它操作高达距身体几厘米（例如10厘米）。

应注意：这个双模态实现启用同时传输并且分别启用针对位于身体内和位于身体外的设备（之间）的同步。同时，因为所使用的通信协议是半双工（如上所述），所以一次一个设备能够仅从在任一双模态模式中发射的一个其他设备接收。

在发射侧上，发射数据被提供至cmut设备6。这个数据在经由cmut设备6被发射之前利用驱动器电子设备5来放大。在实验设置中，利用收发器3的发射器22生成的200mv峰值-峰值信号利用驱动器5中的50dbrf放大器来放大。此外，为了使得cmut设备6操作在崩溃模式中，大约100v的偏置电压也由驱动器电子设备5提供至cmut设备。如先前所提到的，cmut设备6可以操作在崩溃模式中，以便在正确的频率带宽中生成足够的功率。如果cmut设备6没有操作在崩溃模式中，也能够潜在地实现通信，然而谐振频率则低于崩溃模式中的谐振频率并且低生成的声功率能够复杂化通信链路的期望操作。正常的t型偏置电路可以在驱动器电子电路5中进行实现，以便同时提供偏置电压和ac输入电压至cmut设备6。

用于通信设备1的接收器布局的框图被描绘在图2中。用于超声信号和体耦合信号的接收链是相同的，除了分别在驱动器块5与9中的换能器元件6与10以及相关联的阻抗匹配与偏置电子设备之外。例如，偏置电压可以被施加至cmut设备6，对于发射而言类似的，以便保证cmut设备6的适当操作。利用cmut设备6拾取的超声信号15例如由cmut6的驱动器电子设备5转换为电信号。cmut设备6可以在接收模式中被视为具有声音输入和电流输出的换能器。在接收模式中，驱动器电子设备5与9实际上没有在放大来自这些换能器的信号。由于来自cmut6的信号是小的，典型地，几十mv峰值-峰值，所以低噪声放大器(lna)27在信号被解码之前首先放大该信号。类似地，由电容耦合器10接收并由驱动器9处理的任何信号也可以利用lna27来放大。取决于来自驱动器5或9的信号，lna27能够被实现为电压、电流或跨阻抗放大器。也在图2中举例说明用于双模态通信的信号调节链。放大的信号被提供至时钟恢复单元29和数据相关电路30。时钟恢复单元29和数据相关电路30可以与定时发生器28协作。数据相关电路30的输出随后被提供至解码器32。接收的数据此后可以被转发至控制器或利用输出33所描绘的其他电路（未显示）。

如所描述的，在接收器侧上，cmut设备6将接收的声信号15转换为电信号，典型地，电流信号。收发器3操作在接收模式中，如图2所示。与发射模式中的cmut设备6相类似，大约100v的偏置电压需要由驱动器电子设备5提供至cmut设备6以便在崩溃模式中操作cmut6，从而将其灵敏度设置在正确的频率范围上。因而，t型偏置电路可以被应用在cmut设备6与收发器3的接收器元件27-32之间的驱动器电子设备5中。驱动器电子设备9的接收器阻抗匹配电路能够是相对简单的并且例如可以在串联中(inseries)只包括仅仅单个电容器。

如所讨论的，接收器信号处理链的这个实现方式虑及一次单个信号模态的发射与接收。更多信号的同时接收例如由于使用多个收发器3而将要求倍增(multiplication)的接收器。然而，为了改善所创建的体域网的能量效率，时分复用操作是优选的。这利用所挑选的允许高数据速率传送的通信原理来促进。因而，在短时间突发脉冲(burst)中，许多节点能够交换数据。

进一步，注意：驱动器5与9在本发明的应用中也可以包括例如用于在针对每一种类型的通信而言典型的不同模式（发射、接收）之间进行切换的切换能力。其他元件可以存在于驱动器电子设备5与9中或者存在于收发器3或在本文还没有广泛描述的本发明的实施例的任何其他部分中。

图3进一步示意性地举例说明根据本发明的通信设备1。在图3中，设备1包括被超声换能器6和静电换能器10共享的收发器3。如在图1与2中，每一个换能器6与10包括其各自相关联的驱动器电子设备5与9。cmut单元6包括底电极45和膜/电极40。在电极40与45之间，半导体结构43可以被安排形成电容器和包括腔41。通过施加包括适当偏置电压的ac电压，可以生成超声信号。

也在图3中举例说明静电换能器10，其利用卧式电容耦合器10来形成。它包括第一电极35和第二电极37，在其之间安排形成电容器的介电材料39。如可以意识到的，静电换能器10可以代替或另外包括立式电容耦合器（未显示）。在立式电容耦合器中，电极（例如电极35与37）将被并行安排在彼此的顶部，在其之间具有适当的介电（例如，材料39），诸如以形成夹层构造。此外，可能具有各种各样的非常有用的在此在各种实施例中可以加以应用的电极布置。

在图4与5中，示意性地举例说明用于双模态通信的两种应用情况。对于通信设备（例如60a/b、70a/b、72a/b和63、55与56）相对于通信媒介(50、52)的物理位置而言，两种情形不同。图4所示的通信设备（60a/b、63、55与56）当位于身体内时可以是单个模态通信设备，诸如设备63，或者当这些设备只是bcc启用的设备时，诸如智能手表55或移动电话56。然而，无论在哪里这是所期望的，这些通信设备可以是双模态通信设备，诸如设备60a/b。通信设备60a/b例如可以是能够无缝地将经由其静电换能器60b的体外网络链接至经由其超声换能器60a的体内网络的枢纽(hub)型节点60a/b。在图5中标示超声信号64和静电信号58。这个应用演示可移植设备如何能够容易地被连接至可穿戴或手持设备。这能够极大地促进可植入设备的联网。身体内的节点63代表仅具有超声换能器作为天线的有源收发器。在实践中，这些通信节点能够是独立的、电池供电的设备或能够被依附于导管(catheter)和虑及插入的其他仪器。

除了以上，双模态通信设备也可以是可穿戴或手持用户设备的一部分而不使用枢纽设备60a/b。对于能够在超声换能器与静电换能器之间共享的仅仅单个收发器的需要打开将该技术集成在例如移动电话中的可能性。

在图5中，具有启用的双通信模态的设备70a/b与72a/b位于身体上（和身体外）。这些设备70a/b与72a/b可以相互通信并且选择哪一个通信模态在其信道内提供最佳传播属性。通信可以跨越身体表面例如经由换能器70b与72b或经由换能器70a与72b、通过身体。在图5中标示超声信号73和静电信号71。如可以意识到的，附加的体上(on-body)或体内(in-body)通信设备可以存在于图5中。

在图6a与6b中示意性地举例说明使用人类或动物身体作为传输媒介在多个设备之间执行数据通信的方法。图6a中的方法开始于基于可以从本发明的通信设备中的控制器或其他元件接收的数据100在步骤110中生成数据信号。步骤110中的数据信号使用通信设备1的收发器单元3中的发射器22来生成。随后，在步骤120中，确定是否该数据信号将被传递至位于身体中的另一设备（例如，植入设备）或者身体上或靠近身体的设备（例如，可穿戴或手持设备），并且在步骤120中选择适当的换能器（超声换能器例如cmut6或静电换能器例如bcc耦合器10）。在数据信号将被同时提供至不同类型的设备的情况下，也可以选择它们二者。在步骤125与126中，数据信号或在步骤125中经由cmut6来发射或在步骤126中经由bcc类型静电换能器（例如，电容耦合器）来发射。

为了信号的接收，在图6b中，或在步骤140中利用cmut6或在步骤145中利用静电换能器10来接收数据信号。收发器3的接收器在步骤150中锁定至该数据信号并处理该数据信号。在步骤160中，从接收的数据信号中获得所传递的数据170。

用于这个使用的应用示例将是位于臂下的节点。利用这个位置，bcc将由于臂下电容场的短路而遭受不良传播属性。这能够通过永久地切换至超声链路或仅仅利用bcc链路的退出(drop-out)来解决。

本发明已经依据其一些特定实施例进行描述了。将意识到：在附图中所示并在本文描述的实施例旨在仅用于举例说明的目的而并不旨在利用任何方式或手段来限制本发明。在此讨论的本发明的上下文纯粹利用所附的权利要求书的范畴来限制。