植入式电子生物传感器的耦合供电电路及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及植入式电子生物传感器和供电技术领域，更具体地涉及一种植入式电 子生物传感器的耦合供电电路及方法。
【背景技术】
[0002] 体液、血液的成分和浓度，体内压力等生物信号的测量一直是相关领域的技术难 题:对于体液和血液的成分、浓度测量，采用取样的方法，一方面，有创会给测量对象带来痛 苦;另一方面，获取的样品和空气的成分相互作用可能影响测量结果的准确性。对于体内压 力的测量，采用有创的方式来传递压力，同样给患者带来了痛苦，而无创方法也存在体内压 力和体外压力等效等问题。无论有创还是无创的方法，都不适合生理参数的连续监测。
[0003] 通过应用合适的工作原理，可以将待测量的生物信号转换为电子电路器件的参数 测量，比如电阻值、电感量或者电容值。应用这些原理制作传感器，植入式生物体内，既避免 了无创测量方法的外部干扰，又能避免多次有创操作带来的痛苦，可以实现连续的生物信 号监测。
[0004] 这样的植入式传感器，比如电容类型，传感器的电容值随被测量的生物信号变化 而变化。可以在传感器的制作过程中，为电容传感器并联一个合适的电感，这样，当传感器 的电容值因为被测的生物信号变化偏离初值的时候，传感器电容和并联电感的网络谐振频 率就会发生变化。通过体表的谐振网络特性测量装置，就可以通过监测植入式传感器谐振 频率的变化得到生物信号的变化。
[0005] 进一步，可以把传感器的电阻、电感、电容敏感元件等测量的电路通过集成电路设 计、加工，集成电路封装等方式和敏感元件做在一起，植入式到生物体内。这类植入式传感 器除了敏感元件、测量电路，还包括电源电路、通信电路等。传感器植入式生物体内之后，就 可以在电源驱动下，连续工作，持续测量生物信号，并将信号传输到体外。由于测量电路和 敏感元件的集成，极大的简化了体外测量装置。
[0006] 生物信号的植入式传感器可以极大的降低有创测量技术带来的伤害和测量过程 中环境干扰的影响，但是植入式传感器也存在特有的需要解决的问题才能获得更好的应 用，例如植入式生物传感器和生物体的生物兼容性、电能供应等。
[0007]植入式生物传感器的生物兼容性和材料相关。这种生物兼容性也存在于其他的植 入式技术领域，目前已有很好的解决。
[0008]在植入式生物传感器的电能供应方面，有几种解决方案。包括：电池、生物电池、磁 耦合电能/数据传输等。其中电池方法已经获得应用，比如心脏起博、植入式耳蜗等领域，但 是用于生理参数的检测并不理想，存在的问题包括电池的有限寿命、体积对于一些应用过 于庞大、电池的密封和毒害等。也可以采用生物电池，比如采用ATP等发电。目前生物电池的 体积过于庞大，能提供的电能过低，而且难以保障连续供电，因此还不成熟。在当前集成电 路先进工艺和电路设计、加工技术飞速发展的今天，采用磁耦合方式可能为植入式生物传 感器的供电带来突破。
[0009]磁耦合方式为植入式生物传感器供应电能的研究主要有两个方向：无线电能传输 (WPT)和近程无线通信(NFC)。对于体表下一定深度的植入式生物传感器，无线电能传输因 为频率低(小于IOOkHz)，信号衰减主要是行波传输过程中的材料吸收、散射等，因而能量传 输效率较高，可以达到80%以上。近程无线通信的频率较高，典型的为13.56MHz，其特性是 环路电流激励磁场的自然衰减，因此和无线电能传输技术相比，效率较低，只有千分之几到 百分之几。无线电能传输和近程无线通信技术在各自的领域发展都比较成熟，广泛的用于 工业生产和消费类电子领域。近程无线通信技术的电流环路激励磁场既用于电能传输，也 用于信号的双向发送，因此在微功耗的植入式生物传感器的场合，可能具有更好的前景。磁 耦合射频识别技术已经广泛用于宠物的识别管理。
[0010]采用NFC兼容的技术，在植入式生物传感器的应用一个典型的特征是传感器(对应 NFC系统的标签)端的物理尺寸小。NFC系统标签典型的尺寸在4~8厘米，这个尺寸植入式人 体是不可想象的。如图1所示的人工晶体，它是眼压监控植入式传感器的很好载体，可以使 用的最大尺寸在直径6mm的圆，还需要避开中心区域1.5~5mm的瞳孔区域，这就对植入式传 感器的线圈天线尺寸有很大的限制。而传感器的天线参数决定了传感器从访问设备获得电 能的能力。简单来说，线圈天线的匝数越多，获得能量的能力越大;线圈天线的截面积越大， 获得能量的能力越大;线圈天线的内阻越小，线圈天线网络的品质因素越高，获得能量的能 力越大。反之，线圈天线获得能量的能力就小。
[0011]但是和无线电能传输技术、近程无线通信的一般应用不同，对于植入式到生物体 内的传感器，其能量供应水平、输出电压等有很多限制;和宠物管理的射频识别技术也不一 样，植入式传感器可能需要对生理参数进行连续的长期监测。植入式传感器在工作中，从体 外的设备获得能量、驱动本地的传感器和电路工作，获得感兴趣的生物信号对应的数字测 量结果，并通过通信电路将测量结果传输出来。
[0012]以当前NFC标准为例，阅读设备天线的激励场强在0.15~5.0和1.5~7.5A/m两个 范围，保护场强一般至少要达到12A/m。植入式传感器既需要在低的激励场强下能够稳定的 工作，又不能因为获取过量的能量导致植入式患者身体受到不良影响，包括:传感器的工作 电流不能超过人体的安全电流，传感器在工作过程中产生的热不能导致生物体产生不合适 的温升，传感器耦合能量系统不应产生超过人体安全电压的信号，等等。
[0013] 除了正常的植入式传感器测量设备，磁耦合能量传输还在生活的各个方面出现， 比如超市的磁EAS防盗系统；车站、机场的手持金属危险品安检设备产生耦合的激励场;公 交车辆的智能卡阅读设备等。这些设施的正常使用不应对植入式磁耦合生物传感器的人员 产生不利的影响。NFC技术的普及，植入式生物传感器的磁耦合能量传输系统还应能抗恶意 的攻击。
[0014] 以人体为例，人体的安全电压为36V，安全电流为10mA，人体组织的温升不能超过 0.5Γ，等等。甚至，植入式生物传感器的安全实现要比这些指标更为苛刻，才能保障长期的 监测是可行的。
【发明内容】
[0015] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种植入式电子生物传感器的耦合供电电 路及方法，以便在提供生物传感器正常工作和数据通信所需要能量前提下，无论是正常工 作、生活，还是恶意的磁耦合能量攻击，都能保障植入式人员的安全。
[0016] 为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种植入式电子生物传 感器的耦合供电电路，包括：
[0017] 接收线圈，用于接收无线电能信号；
[0018] 接收线圈调谐电路，通过调节所述接收线圈调谐电路谐振频率偏离激励磁场的频 率来调节所述接收线圈接收电能的能力。
[0019] 作为优选，所述耦合供电电路还包括：
[0020] 温度检测单元，用于输出所述植入式电子生物传感器的温度检测数值；
[0021] 控制器单元，用于根据所述温度检测单元输出的温度检测数值控制所述接收线圈 调谐电路，如果所述温度检测数值偏高，则降低所述接收线圈调谐电路的调谐频率。
[0022] 作为优选，所述控制器单元还包括时钟信号电路，用于根据所述温度检测单元输 出的温度检测数值控制所述接收线圈处于工作调谐状态和非工作调谐状态的占空比，如果 温度检测数值偏高，则降低所述接收线圈处于工作调谐状态的占空比。
[0023] 作为优选，所述耦合供电电路还包括：
[0024] 熔断保险电路，用于在所述温度检测单元输出的温度检测数值超过最高阈值时， 根据所述控制器单元的自毁指令将所述耦合供电电路的回路彻底破坏。
[0025] 作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种植入式电子生物传感器的耦合供 电方法，包括以下步骤：
[0026] 步骤SI:温度检测单元输出所述植入式电子生物传感器的温度检测数值；
[0027] 步骤S2:控制器单元判断所述温度检测单元输出的温度检测数值是否大于41°C， 如果是，则向熔断保险电路发出自毁信号；
[0028]步骤S3:控制器单元每隔一段时间获取一次所述温度检测单元输出的温度检测数 值，并计算所述温度检测数值的升幅;如果所述温度检测数值的升幅大于一定阈值，则控制 接收线圈调谐电路，使无线电能信号的调谐频率降低;或者，控制接收线圈处于工作调谐状 态和非工作调谐状态的占空比，使所述接收线圈处于工作调谐状态的占空比降低；
[0029]步骤S4:控制器单元判断所述温度检测单元输出的温度检测数值是否在持续升 温，如果否，则返回到步骤S1。
[0030]基于上述技术方案可知，本发明的磁耦合植入式传感器的供电电路及方法能够为 无干扰的生理体征参数提供安全的连续测量和监护手段，并结合可变调谐网络、变占空比 控制、植入式芯片的温度测量