УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И СПОСОБ СВЯЗИ С ИМПЛАНТИРУЕМЫМ МЕДИЦИНСКИМ УСТРОЙСТВОМ
SIGNAL PROCESSING DEVICE AND METHOD OF COMMUNICATING WITH IMPLANTABLE MEDICAL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способам передачи цифровых данных и энергии, применимым для имплантируемых медицинских устройств, и, более конкретно, к предварительной обработке, или нормированию, сигнала данных с целью повышения устойчивости к влиянию случайных вариаций и неизвестных параметров.
Уровень техники
Многие имплантируемые медицинские устройства принимают генерируемые внешним источником сигналы данных; сигналы могут также обеспечивать энергопитание имплантата. Обычно в таких системах сигналы данных передаются в соответствии с технологией беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия (Near Field Communication, далее - NFC), применяемой к индуктивной, или трансформаторной, связи в высокочастотном (ВЧ) и радиочастотном (РЧ) диапазонах (3-30 МГц). Например, посредством индуктивной связи сигналы могут передаваться внешним процессором обработки сигналов и приниматься имплантируемым устройством; такая связь основана на индукции и подобна связи между двумя соответствующим образом расположенными относительно друг друга катушками трансформатора - внешней и внутренней.
Внешний процессор обработки сигналов при таком применении может представлять собой генерирующее сигнал устройство (далее "устройство-инициатор") с автономным источником питания (например, батареей), а имплантируемое устройстве - как не имеющее автономного питания устройство-адресат, которое обеспечивается энергией дистанционным способом, через индуктивную связь, извлекая энергию из получаемого РЧ сигнала данных. Имплантируемое устройство может отвечать на некоторую внешнюю команду, посылая телеметрические данные обратной связи, например, с помощью модуляции имплантируемым устройством нагрузки (потребления энергии сигнала имплантируемым устройством). Затем схемы телеметрии внешнего процессора обработки сигналов могут демодулировать этот РЧ сигнал модулированной нагрузки, получаемый при обратной связи.
c
c
Передача цифровых данных осуществляется обычно при фиксированной скорости, скажем, R бит/с. На Фиг.1 показан простой пример последовательности информационных двоичных разрядов, представленных как логические нули и единицы (возможно, полученные аналого-цифровым преобразованием), передаваемой от устройства-инициатора устройству-адресату с помощью модуляции, называемой амплитудной манипуляцией (АМн), которая является частным случаем кодирования со сдвигом амплитуды. Как видно в нижней части Фиг.1, несущий РЧ сигнал имеет форму волны, близкую к синусоидальной, с основной частотой f, обычно лежащей в полосе ВЧ. Скорость передачи двоичных данных обычно меньше или равна f/10 бит в секунду. Ограничимся случаем, когда мощность мала. Нелинейный усилитель мощности в устройстве-инициаторе, например, усилитель класса Е, модулирует и усиливает сигнал основной полосы частот, генерируя сигнал, показанный на Фиг.1 внизу. Демодуляция и детектирование сигнала, модулированного АМн, производится в устройстве-адресате, в котором генерируется сигнал, показанный на Фиг.1 вверху.
Если ограничиться связью невысокой сложности, то для демодуляции и детектирования можно применять некогерентные схемы. Так, в отличие от когерентных схем, основанных на фазовой автоподстройке частоты (ФАПЧ), и схем Костаса (эти схемы относительно сложны для реализации), при некогерентном подходе демодуляция выполняется без восстановления несущей РЧ, а детектирование выполняется без восстановления исходного тактирования. В примере, показанном на Фиг.1, модулирующий сигнал представлен в виде манчестерского кодирования так, что положительный (отрицательный) перепад означает логическую единицу (ноль), и такой сигнализирующий перепад выполняется примерно в середине каждого такта, соответствующего передаче двоичного разряда. Заметим, что, независимо от конкретного потока двоичных символов, свойством манчестерского кода является следующее свойство: наблюдаемы только два состояния: "высокое = 1", или HI, двойной длительности ("низкое = 0", или LO, двойной длительности) или же "высокое", или HI, одинарной длительности ("низкое", или LO, одинарной длительности).
Обычно применяются способы детектирования низкой сложности, основанные на алгоритмах асинхронной дискретизации с уменьшением шага, или асинхронной дополнительной выборки, и подсчета, но эти алгоритмы недостаточно устойчивы к вариациям. При асинхронной дополнительной выборке демодулированный сигнал считывается с некоторой частотой RR считываний в секунду (число k обычно больше 3) с использованием тактового генератора, независимого от тактового генератора кодера (никакое соотношение между частотами или фазами тактовых генераторов не устанавливается). Алгоритм подсчета подсчитывает результаты считываний для выборки в состоянии HI (в состоянии LO) и решает, используя фиксированный решающий интервал (то есть, дискретный набор целых чисел), что именно означает текущий результат подсчета: HI двойной длительности (LO двойной длительности) или же HI одинарной длительности (LO одинарной длительности). Далее непосредственно следует декодирование, то есть преобразование сигнала в поток логических единиц и нулей (иначе говоря, в поток с невозвращением к нулю). Детектирование данных обсуждается более подробно в следующих публикациях: U.S. Patent 5,741,314; U.S. Patent 6,600,955; U.S. Patent 4,361,895; и U.S. Patent 6,628,212; их содержание включается сюда по ссылке.
Раскрытие изобретения
Варианты осуществления данного изобретения предназначены для создания устройства обработки сигналов, для связи с имплантируемым медицинским устройством. Внешний процессор передает имплантируемому медицинскому устройству предназначенный для имплантата сигнал данных, содержащий последовательность логических состояний HI и LO при фиксированной скорости передачи двоичных разрядов данных. Длительности импульсов для логических состояний HI и LO могут регулироваться в соответствии с телеметрическими данными обратной связи, получаемыми от имплантируемого медицинского устройства.
В конкретных вариантах осуществления изобретения внешний процессор может использовать индуктивную связь для передачи сигналов высокочастотного РЧ диапазона 3 МГц - 30 МГц. Сигнал данных для имплантата может быть закодирован манчестерским кодом. Регулируемые величины длительности импульсов могут выбираться из набора заранее заданных длительности импульсов.
В любом из упомянутых вариантов осуществления изобретения имплантируемое медицинское устройство может представлять собой кохлеарный имплантат.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана передача данных в системе в соответствии с технологией беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия (NFC), согласно данному здесь описанию.
На Фиг.2 показаны различные функциональные блоки системы, соответствующие конкретному варианту осуществления данного изобретения.
На Фиг.3 показана регулировка длительности импульсов с использованием различных значений параметра "дельта", задающего формы волны, в соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.4 показаны различные операции, выполняемые при оптимизации параметра "дельта" формы волны, соответствующие конкретному варианту осуществления изобретения.
На Фиг.5 представлен один пример логической схемы для генерации волн с различными значениями параметра "дельта" для конкретного варианта осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Для систем беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия (NFC), таких как NFC-система имплантируемого медицинского устройства, например, кохлеарного имплантата, вариации параметров и условий функционирования сильно влияют на форму ВЧ сигнала и, следовательно, на длительность логических состояний HI и LO. Поэтому устойчивость алгоритма детектирования, основанного на алгоритме асинхронной дополнительной выборки и подсчета, существенно ограничена коэффициентом k, определяющим число отсчетов в дополнительной выборке, и решающими интервалами. В то время как коэффициент k сильно влияет на потребление энергии (чем больше k, тем оно выше), и поэтому значение k ограничено, решающие интервалы являются свободными параметрами проектируемого устройства. Чтобы повысить устойчивость, решающие интервалы могут устанавливаться регулируемым способом, при котором известная обучающая последовательность позволяет при запуске системы установить в декодере адресата оптимальный интервал.
Как было объяснено выше, типичная NFC-система может быть охарактеризована следующими свойствами:
- применением пассивной технологии беспроводной высокочастотной связи малого радиуса действия,
- наличием устройство-инициатора,
- применением индуктивной связи,
- применением АМн для модуляции синусоидального РЧ сигнала (при связи в прямом направлении),
- некогерентные демодуляция и детектирование, и
- модуляция нагрузки в устройстве-адресате (при обратной телеметрической связи).
Пусть выполнены эти условия, если априори неизвестны (но находятся в некотором известном диапазоне) расстояние D между катушками и их взаимное положение, то проблема реализации устойчивого алгоритма детектирования оказывается трудной: ширина В полосы и добротность Q ВЧ контура изменяются при изменении D, а поэтому форма передаваемого ВЧ сигнала также изменяется при изменении D (вариации амплитуды). Высокое значение Q, и, следовательно, низкое значение В, ограничивают длительность переходного процесса для ВЧ сигнала и ведут к ухудшению качества сигнала (вызывая интерференцию символов). Если, кроме того, принять во внимание вариации, обусловленные функционированием электронных компонент, то есть дискретных элементов, и изменения параметров процессов в интегральных схемах, то проблема детектирования представляется еще более сложной. Системы связи малого радиуса действия этого класса включают, среди прочих, системы передачи данных для медицинских имплантатов (например, кохлеарных имплантатов), в бесконтактных смарт-картах и вообще в РЧ системах идентификации.
На Фиг.2 показаны функциональные блоки одного конкретного варианта осуществления данного изобретения. Внешний процессор включает устройство 201 предварительной обработки сигнала, которое устанавливает при запуске устройства-инициатора оптимальную длительность импульса сигнала основной полосы частот. Затем модулятор 202 кодирует предварительно обработанный сигнал основной полосы частот (применяется манчестерский код) с использованием модуляции способом АМн, и сигнал данных передается устройству-адресату посредством индуктивной связи 203. В устройстве-адресате полученный сигнал, модулированный способом АМн, обрабатывается с помощью демодулятора 204 и детектора 205. Телеметрические данные обратной связи кодируются модулятором 206 нагрузки и детектируются в устройстве-инициаторе схемой 207 телеметрии; эти данные используются блоком 208 управления, имеющемся в устройстве 201 предварительной обработки.
В устройстве 201 предварительной обработки устанавливается коэффициент, выражающий отношение длительностей логических состояний HI и LO; этот коэффициент, называемый здесь "дельта", устанавливается так, как показано на Фиг.3. Отметим, что длительность двоичного разряда при манчестерском кодировании сигнала не изменяется. Значение дельта выбирается из некоторого конечного набора блоком 208 управления. Дельта непосредственно влияет на форму РЧ сигнала, передаваемого с помощью индуктивной связи 203, и, следовательно, решающие интервалы могут оставаться фиксированными.
Конечный автомат блока 208 управления реализует конкретную процедуру, служащую для задания значения параметра дельта длительности импульсов, как показано на Фиг.4. После включения питания системы блок 208 управления выбирает первое значение дельта и посылает обучающую последовательность (блок 401 блок-схемы). Эта обучающая последовательность может устанавливать значения одного или нескольких параметров устройства-адресата. Затем блок 208 управления посылает адресату команду "выдать телеметрическую информацию" (блок 402), чтобы получить значение установленного параметра с помощью телеметрического сигнала обратной связи, посылаемого модулятором 206 нагрузки устройства-адресата. В блоке 403 блок-схемы принимается решение: если полученное значение параметра не является правильным, то считается, что детектирование в устройстве-адресате было выполнено неправильно (при этом также предполагается, что канал телеметрии является надежным, что обычно имеет место), в противном случае считается, что детектирование было выполнено правильно, и данное значение дельта может быть сохранено (блок 404), а значение дельта в тестирующей последовательности увеличивается (блок 405). Этот процесс повторяется (блок 406) для каждого значения дельта тестовой последовательности. Из всех сохраненных значений дельта одно выбирается в качестве "наилучшего" (блок 407) (возможно, произвольно, например, как значение дельта, соответствующее середине самого продолжительного интервала). Этим завершается процесс установки значения дельта, и система переключается в обычный режим (блок 408).
На Фиг.5 показан один пример возможной реализации устройства 201 предварительной обработки, устанавливающего значение дельта. Здесь двоичные сигналы С1 и С2 определяют текущее значение дельта. Входные данные (на чертеже) представлены в манчестерском коде, а выходные данные представляют собой обработанный сигнал. Входные данные или их инвертированная версия выбираются через мультиплексор посредством С1. Этот сигнал сохраняется в сдвиговом регистре. Выходы сдвигового регистра выбираются через мультиплексор посредством С2. Выбранный сигнал логически суммируется (производится операция ИЛИ) с исходным сигналом или его инвертированной версией. Выход схемы ИЛИ снова объединяется (мультиплексируется) посредством С1.
Варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на любом из обычных языков программирования. Например, предпочтительные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на процедурном языке программирования (например, С) или объектно-ориентированном языке программирования (например, C++, Python).
Альтернативные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы как программно-аппаратные элементы (например, специализированные интегральные схемы или программируемые пользователем вентильные матрицы), другие аналогичные компоненты, или как сочетания аппаратных и программных компонент.
Варианты могут быть реализованы как программные продукты, предназначенные для применения совместно с компьютерной системой. Такая реализация может включать последовательность компьютерных команд, сохраняемую на материальном носителе, например, на считываемом компьютером носителе (например, дискете, CD-ROM, ROM или жестком диске) или загружаемую в компьютерную систему через модем или другое интерфейсное устройство, например, связной адаптер, подключенный к компьютерной сети через промежуточные средства передачи данных. Промежуточными средствами передачи данных быть как материальные среды (например, оптоволоконные или аналоговые линии), так и беспроводные каналы (например, использующие электромагнитные волны длиной от дециметров до миллиметров, инфракрасное излучение и другие средства передачи информации). Последовательность компьютерных команд частично или полностью реализует функциональные возможности, описанные выше применительно к данной системе. Специалисты в данной области смогут оценить, что такие компьютерные команды могут быть написаны на многих языках программирования и могут использоваться совместно со многими вычислительными системами и операционными системами, имеющими различные архитектуры. Указанные команды также могут храниться в запоминающих устройствах любого типа, например, в полупроводниковых, магнитных, оптических и других запоминающих устройствах, и могут передаваться с использованием любой технологии связи, например, по оптическим, инфракрасным, микроволновым, и другим линиям связи. Ожидается, что такой программный продукт может распространяться на съемных носителях вместе с печатной или электронной документацией (например, в виде программных пакетов без раскрытия внутренней структуры), как предварительно установленное на компьютерной системе программное обеспечение (например, на системном устройстве ROM или жестком диске) или как распространяемый через серверы или электронные табло по сетям (например, Internet или www). Разумеется, некоторые варианты осуществления изобретения могут быть реализованы как сочетания программного обеспечения (например, программных продуктов) и аппаратных средств. Кроме того, другие варианты осуществления изобретения могут быть реализованы как полностью аппаратные или полностью программные (например, как программные продукты).
Хотя были раскрыты лишь иллюстрирующие данное изобретение варианты, специалистам в данной области должно быть очевидно, что возможны различные изменения и модификации, которые обеспечат некоторые из преимуществ данного изобретения без выхода из области, охватываемой данным изобретением.