УСТРОЙСТВО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ В РАДИОЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ (ВАРИАНТЫ) И ПРИЕМНЫЙ И ПЕРЕДАЮЩИЙ КОНТУРЫ ИМПЛАНТИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
RADIO-FREQUENCY SIGNALLING CHANNEL UNIT (VERSIONS) AND RECEIVING AND TRANSMITTING CIRCUITS OF IMPLANTED ELECTRONIC SYSTEM

Область, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к радиотехнике, применяемой в медицине, в частности к области обработки сигналов, и, в особенности, к электрическим сигналам, передающим данные к имплантированным системам.
Уровень техники
Один из способов обеспечить передачу электрических сигналов и данных к имплантированной электронной системе, например к простетическому стимулятору, состоит в передаче радиочастотного (РЧ) сигнала через канал индуктивной связи (далее также "индуктивный канал"). Индуктивный канал, в общих чертах, включает два резонансных контура - внешний и внутренний, имплантированный в организм пациента-пользователя. Индуктивности двух резонансных контуров могут быть реализованы, например, в виде двух спиральных катушек, или обмоток, наружный диаметр которых обычно лежит между 20 и 30 мм. Если обмотки соответствующим образом расположены относительно друг друга, они образуют трансформатор, который позволяет осуществлять передачу энергии в радиочастотном диапазоне. Индуктивные каналы исследовались на предмет оптимизации эффективности передачи электрических сигналов (далее "эффективности") и допуска рассогласования связи. См., например, публикации Galbraith D.C., Soma M., and White R.L. "Эффективный широкополосный индуктивный канал трансдермальной передачи электрических сигналов и данных, имеющий амплитудно-частотную характеристику, нечувствительную к взаимному расположению контуров", IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-34, pp.265-275, Apr. 1987; и Zierhofer C.M. and Hochmair E.S. "Высокоэффективная нечувствительная к взаимному расположению контуров передача электрических сигналов и данных через индуктивный канал связи", IEEE-Trans. Biomed. Eng. BME-37, pp.716-723, July 1990; эти публикации включены сюда по ссылке.
Во многих применяемых методиках и способах используются параллельные резонансные приемные контуры, так как напряжение тока высокой частоты (питающее высокочастотное напряжение), генерируемое в резонансном контуре, может легко быть преобразовано в напряжение постоянного тока с помощью выпрямления и сглаживающей фильтрации. Напряжение постоянного тока используется в качестве напряжения, под которым подается электрический ток на электронные схемы имплантированной системы.
Раскрытие изобретения
Одним из основных технических результатов данного изобретения является повышение эффективности передачи и приема данных в имплантированных электронных системах посредством каналов РЧ сигналов.
Ниже приводятся различные аспекты осуществления изобретения. Варианты данного изобретения предназначены для создания устройства канала передачи РЧ сигналов, в котором амплитудная модуляция (AM) применяется для РЧ передачи волновых пакетов, или импульсов, представляющих данные (далее "импульсов данных"). Канал содержит средства для минимизации времени переключения между состояниями.
D
D
D
Например, средства для сокращения времени переключения могут включать средства изменения добротности резонансного контура, что применимо в параллельном резонансном приемном контуре, служащем для приема РЧ импульсов данных, или в последовательном резонансном передающем контуре, предназначенном для передачи РЧ импульсов данных. Например, последовательный резонансный передающий контур включает усилитель-формирователь класса D. В некоторых более конкретных вариантах усилитель, работающий в режиме класса D, может быть интегрирован в одном микрочипе. Передающий резонансный последовательный контур может включать демпфирующий резистор R, последовательно соединенный с индуктивным элементом передающего контура в течение времени, когда РЧ отсутствует. Например, демпфирующий резистор R может быть реализован как разомкнутая цепь, которая имеет бесконечное сопротивление, или как резистор с оптимальным значением сопротивления, минимизирующим время переключения. В некоторых вариантах демпфирующий резистор R вынуждает приемный резонансный контур функционировать так, что спад формы волны РЧ не зависит от коэффициента связи.
Варианты также включают приемный контур имплантированной электронной системы. Имплантированный приемный контур принимает амплитудно-модулированные РЧ импульсы данных от внешнего передатчика. Приемный контур включает средства для минимизации времени переключения. В некоторых вариантах средства для сокращения времени переключения могут представлять собой блок изменения добротности резонансного контура.
D
D
D
Варианты также включают передающий контур имплантированной электронной системы. Внешний передающий контур передает амплитудно-модулированные РЧ импульсы данных имплантированному приемнику. Передающий контур включает средства для минимизации времени переключения. Средства для сокращения времени переключения могут включать блок изменения добротности резонансного контура, такие как передающий последовательный резонансный контур, служащий для передачи РЧ импульсов данных. Передающий последовательный резонансный контур может включать усилитель-формирователь класса D. В некоторых более конкретных вариантах усилитель, работающий в режиме класса D, может быть выполнен интегрально в одном микрочипе. Передающий последовательный резонансный контур может включать демпфирующий резистор R, последовательно соединенный с индуктивным элементом передающего контура в течение времени, когда "РЧ-отсутствует". Например, демпфирующий резистор R может представлять собой разомкнутый контур с бесконечным сопротивлением или иметь оптимальное значение сопротивления, минимизирующее время переключения приемного контура. В некоторых вариантах демпфирующий резистор R может вынуждать приемный резонансный контур функционировать так, что спад формы волны РЧ не будет зависеть от коэффициента связи.
Варианты данного изобретения также включают устройство канала передачи сигналов радиочастотного диапазона, в котором для передачи РЧ импульсов данных применяется амплитудная модуляция (AM). Канал включает средства, вынуждающие такое функционирование системы, что спад формы волны РЧ не будет зависеть от коэффициента связи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показаны параллельно соединенные резонансный приемный контур и схема генерации напряжения электрических сигналов в соответствии с предшествующим уровнем техники.
На фиг.2 показана эквивалентная схема индуктивного канала с передатчиком, имеющим последовательный резонансный контур, и с приемником, имеющим параллельный резонансный контур, в соответствии с предшествующим уровнем техники.
1
На фиг.3 показаны режимы "РЧ-присутствует" и "РЧ-отсутствует" входного напряжения u(t) при использовании амплитудной модуляции (AM).
1
На фиг.4 показан пример изменения напряжения u(t) в случае передачи последовательности битов при использовании самосинхронизируемого формата двоичных данных.
На фиг.5 показана эквивалентная схема индуктивного канала связи с передающим последовательно-резонансным контуром и с параллельным резонансным приемным контуром в соответствии с одним из вариантов данного изобретения.
На фиг.6-8 показаны сигналы, соответствующие разным состояниям, и графики изменения напряжения для различных значений параметров приемного резонансного контура.
Осуществление изобретения
2
2
dc
dc
dc
cc
ss
На фиг.1 показан параллельный резонансный приемный контур, состоящий из обмотки 101 и конденсатора 102, где сигнал u(t) является индуктированным питающим высокочастотным напряжением. Выпрямительные диоды 103 и 104 в сочетании с фильтрующими конденсаторами 105 и 106 преобразуют сигнал u(t), являющийся напряжением переменного тока, в напряжение V тока, очень близкого к постоянному. Если фильтрующие конденсаторы 105 и 106 обладают достаточной емкостью, то любыми переменными компонентами напряжения V можно пренебречь. Напряжение V связано с входами питающего напряжения V и V, подаваемого далее на электронную схему 107, которая реализует функции имплантированной системы, например имплантированного простетического стимулятора.
2
2
2
Сигнал u(t) не только служит для генерации напряжения питания, но и для передачи цифровых информационных данных. Например, в случае кохлеарного имплантата сигнал u(t) передает информацию, задающую параметры коротких двухфазных импульсов, необходимых для электростимуляции слуховых нервов. Обычно звено 108 декодирования является частью имплантированной системы, преобразующей РЧ сигнал u(t) в последовательность двоичных сигналов (битов), принадлежащую базовому частотному диапазону; к ней применяется дальнейшая обработка.
2
2
2
2
Для передачи цифровых данных должны быть определены по крайней мере два разных и различимых состояния сигнала u(t). Например, эти два состояния могут быть двумя различными рабочими частотами u(t), близкими к резонансной частоте f. Такой принцип работы обычно называют частотной модуляцией (ЧМ). Практический пример описан, например, в публикации Galbraith, упомянутой выше, где f=20 МГц, а две рабочих частоты равны 19 МГц и 21 МГц соответственно.
2
2
Другим способом кодирования цифровой информации, передаваемой с помощью u(t), является амплитудная модуляция (AM). В схеме AM два различимых состояния u(t) могут быть качественно описаны как "РЧ амплитуда присутствует" и "РЧ амплитуда отсутствует". Эти два (идеальных) состояния могут легко распознаваться с помощью детектирования огибающей или амплитудного детектирования. Например, на фиг.1 звено декодирования 108 должно, кроме остального, включать детектор огибающей или амплитудный детектор.
2
2,unloaded
На фиг.2 показана эквивалентная схема для индуктивной системы связи. Параллельный резонансный приемный контур включает приемную обмотку 201, конденсатор 202 и резистор 208, который предназначен для компенсации омических потерь вследствие паразитного сопротивления приемной обмотки 201. Резонансная частота f и добротность Q холостого хода определяются как
и
2
A
B
2
A
2
A
2
B
2
B
Потребление энергии на стадии электронной схемы 107 на фиг.1 представлено омической нагрузкой 207. Выпрямительные диоды 103 и 104 представлены простыми эквивалентными схемами 203 и 204, которые, в свою очередь, состоят из полупроводниковых элементов, называемых в российской силовой электронике идеальными ключами (от английского выражения Ideal Switches), 2031, 2041 и омических сопротивлений 2032 и 2042. Состояние ключей зависит от сигнала u(t) и напряжений V и V на конденсаторах 205 и 206 соответственно. Принимается, что ключ 2031 замкнут, если u(t)>V, и что он находится в высокоимпедансном состоянии, если u(t)≤V. Аналогично, переключатель 2041 замкнут, если u(t)<-V, и разомкнут при u(t)≥-V.
1
i,unloaded
Приемная обмотка 201 индуктивно связана с передающей обмоткой 209, а сила связи определяется коэффициентом k связи. Передающая обмотка 209 вместе с конденсатором 210 и резистором 211 образуют передающий резонансный контур, в котором резистором 211 отражается паразитное сопротивление передающей обмотки 209. Резонансная частота f и добротность Q контура на холостом ходу определяются так:
и
1
1
1
Вход передающего контура управляется источником напряжения 212, который генерирует входное напряжение u(t). При AM обычно применяются два режима работы, а именно определяются состояния "РЧ-присутствует" и "РЧ-отсутствует". Как показано на фиг.3, в состоянии "РЧ-присутствует" u(t) периодически переключается между потенциалом заземления и значением питающего напряжения VDD. Период Т является периодом РЧ. В интервалы времени, когда "РЧ-отсутствует", напряжение u(t) связано с потенциалом заземления.
1
1
dc
dc
2
dc
2
dc
2
dc
A
B
dc
2,loaded
2,unloaded
На фиг.4 показан пример напряжения u(t) для двоичной последовательности при использовании самосинхронизируемого формата двоичных данных. Здесь логический ноль ("0") кодируется последовательностью из двух состояний: "РЧ-присутствует", затем "РЧ-отсутствует", а логическая единица ("1"), наоборот, кодируется последовательностью из двух состояний: "РЧ-отсутствует", затем "РЧ-присутствует". Для систем передачи сигналов на основе AM, служащих для передачи энергии и данных, подобных показанной на фиг.2, возникает потенциальная проблема. Если предположить, что последовательность состояний "РЧ-присутствует" и "РЧ-отсутствует" является периодической, определяемой напряжением u(t), и предположить также, что режим является стационарным, то напряжение V постоянного тока при нагрузке R будет постоянным. На интервале времени, когда "РЧ-присутствует", сигнал u(t) достигает пиковой амплитуды, которая несколько выше, чем V/2. Ключ 2031 или 2041 замкнут, если, соответственно, u(t)>V/2 или u(t)<-V/2. Лишь в течение этих весьма коротких промежутков времени заряд поступает в цепь C, C, R. Однако эти диодные токи определяет конкретное значение добротности Q при нагрузке, которая значительно меньше, чем добротность Q холостого хода, что определятся уравнением (2), приведенным выше.
1
2
2,unloaded
2,unloaded
2
dc
A
B
dc
2
Если состояние напряжения u(t) изменяется от состояния "РЧ-присутствует" к состоянию "РЧ-отсутствует", то изменение амплитуды сигнала u(t) не может мгновенно следовать за таким изменением. Напротив, требуется некоторое время, чтобы амплитуда РЧ сигнала снова уменьшилась до базисного уровня, и скорость спада сильно зависит от добротности приемного контура: чем ниже добротность, тем быстрее происходит спад. К сожалению, в основном оказывает влияние добротность Q холостого хода, которая намного выше, чем добротность Q при нагрузке, потому что когда амплитуда u(t) падает ниже /2, диодные ключи 2031 и 2041 остаются разомкнутыми, и никакая энергия РЧ сигнала не может поступать в цепь C, C, R. На интервале времени, когда "РЧ-отсутствует", единственной эффективной нагрузкой по переменному току в приемном контуре остается R.
2
1
1
1
2
2
2
1,unloaded
2,unloaded
Конкретное поведение u(t) при релаксации на интервале времени, когда "РЧ-отсутствует", определяется контуром R, С, L, R, C, L и коэффициентом k связи, и, таким образом, значения добротности Q и Q холостого хода играют роль. Однако эти значения добротности должны быть настолько высокими, насколько возможно, как это требуется для эффективности передачи энергии на интервале времени, когда "РЧ-присутствует". Таким образом, для схем на основе AM требование высокой эффективности передачи энергии и требование быстрой РЧ релаксации на интервале времени, когда "РЧ-отсутствует", противоречат друг другу.
D
1
Один из способов, направленных на решение этой проблемы, состоит в том, чтобы уменьшить добротность передающего резонансного контура на интервале времени, когда "РЧ-отсутствует" таким образом, чтобы каждый РЧ импульс данных заканчивался ускоренным уменьшением амплитуды импульса. Один конкретный вариант канала передачи данных показан на фиг.5 и представляет собой систему на основе амплитудной модуляции (AM) для передачи РЧ импульсов данных. Блок 501 представляет собой индуктивный канал передачи сигналов. Блок 501 включает внешний передающий последовательный резонансный контур, служащий для передачи РЧ импульсов данных с использованием AM, и имплантированный параллельный резонансный приемный контур для приема РЧ импульсов данных. Входной узел 502 связан с цепью, состоящей из спаренных переключателей 503 и 504, резистора 505 и переключателя 506. На интервале времени, когда "РЧ-присутствует", переключатель 506 разомкнут (высокий импеданс), и узел 502 включен между заземляющим потенциалом и питающим напряжением VDD через спаренные переключатели 503 и 504. Это вызывает генерацию РЧ напряжения прямоугольной формы в радиочастотном диапазоне, и такой рабочий режим обычно называют схемой переключений в режиме класса D. На интервале времени, когда "РЧ-отсутствует", переключатели 503 и 504 разомкнуты, а переключатель 506 замкнут.Теперь демпфирующий резистор R (505) связан с R последовательно, что приводит к значительному снижению добротности передатчика. Такое снижение добротности резонансного контура передатчика при завершении каждого РЧ импульса данных ускоряет спад РЧ амплитуды в резонансном контуре приемника таким образом, что уменьшается время среза импульса и происходит быстрый возврат к базисному уровню.
D
Количественный анализ для цепи, показанной на фиг.5, был выполнен при значениях параметров, перечисленных в таблице 1. Моделирование было проведено на основе модели пространства состояний с приращением времени вычислений, равным 0.5 нс. Частота сигнала РЧ - 10 МГц, что приводит к значению Т=100 нс. Результаты моделирования показаны на фиг.6-8, где верхние графики показывают состояния сигнала. Для состояния "высокий потенциал" усилитель-формирователь класса D генерирует РЧ сигнал (состояние "РЧ-присутствует"), а для состояния "низкий потенциал" вход передающего контура последовательно соединяется с R (состояние "РЧ-отсутствует"). Здесь для самосинхронизируемого формата двоичных данных продолжительность бита принята равной 2 мкс. Можно отметить, что наименьшая возможная продолжительность состояния "РЧ-присутствует" равна 1 мкс и включает точно 10 РЧ циклов.
Таблица 1.
Параметры контура
k
0,2
V<sub>DD</sub>
3
V
L<sub>1</sub>
2,70
мкГн
L<sub>2</sub>
0,85
мкГн
С<sub>1</sub>
82
пФ
С<sub>2</sub>
260
пФ
C<sub>A</sub>
10
пФ
C<sub>B</sub>
10
пФ
R<sub>1</sub>
2
Ом
R<sub>2</sub>
2100
Ом
R<sub>Diode</sub>
40
Ом
R<sub>dc</sub>
10
кОм
D
D
2
При дальнейшем моделировании вычисления проводились для различных значений R при значении коэффициента k связи, равном 0,2. На фиг.6 показан результат для R=0. Очевидно, в периоды, когда "состояние = 0", спад амплитуды u(t) происходит весьма медленно, причем спад сопровождается типичным эффектом пульсации. Энергия осциллирует между передающим и приемным резонансными контурами с частотой пульсации, равной приблизительно 2 МГц. Хотя структура данных распознается визуально, детектирование данных с помощью электронной схемы не является легкой задачей.
D
D
2
2
2
2
2
D
Если сопротивление R демпфирующего резистора устремить к бесконечности (R→∞), как показано на фиг.7, то эффект пульсаций исчезает. В этом случае релаксация приемного резонансного контура происходит так, будто он не связан с передатчиком, так как ток в передатчике принудительно обнуляется. Итак, мы наблюдаем следующее поведение системы второго порядка: амплитуда u(t) спадает по экспоненте в соответствии с постоянной времени контура L, C, R приемника на холостом ходу. Форма волны u(t) в этом случае является менее сложной, чем форма волны на фиг.6. Отметим, что спад для случая R→∞ не зависит от коэффициента k связи, что является свойством, важным для последующих этапов декодирования данных. Например, для системы кохлеарного имплантата это важный критерий, так как декодирование данных должно быть нечувствительно к взаимному расположению обмоток.
D
2
2
На фиг.8 представлен случай, когда R=150 Ом. Напряжение u(t) здесь явно превосходит по качеству напряжения, представленные на фиг.6 и 7, так как его амплитуда сравнительно быстро спадает к концу каждого РЧ импульса данных. Таким образом, напряжение u(t) хорошо приспособлено для декодирования данных.
Одно преимущество, присущее вариантам, подобным показанному на фиг.5, состоит в том, что многие компоненты внешней системы могут быть интегрированы на одном микрочипе, что, следовательно, дает возможность сохранять весьма малыми потребление энергии и размеры системы.
Генератор РЧ (не показанный на фиг.5), служащий для управления переключателями 503 и 504 на интервале времени, когда "РЧ-присутствует", также легко может быть интегрирован на этом микрочипе. Качество функционирования переключателей 503 и 504 особенно важно: величина сопротивления в состоянии "включен" обычно не должна превышать 1 Ом, а значения емкости управляющих электродов должны быть меньшими, чем 10 пФ. Но такие характеристики могут быть достигнуты при существующих технологиях, например, на КМОП 0,35 мкм. Для многих применений канала передачи данных может также иметь большое значение, что переключатели 503 и 504 не замкнуты одновременно на интервале времени, когда "РЧ-присутствует". В противном случае через переключатели мог бы протекать очень большой ток, который значительно увеличил бы потребление энергии и мог бы повредить элементы схемы.
Хотя были раскрыты различные варианты изобретения, взятые в качестве примеров, специалистам в данной области должно быть ясно, что могут быть произведены различные модификации и изменения, дающие некоторые из преимуществ данного изобретения, без выхода за пределы области, фактически охватываемой изобретением.