专利名称：生物体植入关节双向数字无线压力监视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生物体植入关节双向数字无线压力监视系统，尤其涉及低功耗电路设计、压电陶瓷间歇供电电路设计以及数据无线传输电路设计，属于医用植入关节压力监视系统技术领域。
背景技术：
肢体伤残是影响残疾人生活质量的重要疾病之一，人工关节以及义肢是为关节损伤的人重新建立运动机能的重要手段。人工关节植入人体后，处于长期工作状态下，采用集成电路技术在人体植入关节与外部世界之间建立一个信号传输的物理通道，对植入关节的工作条件、压力、错位等情况进行早期检测，是减少病人痛苦的一个有效手段。
国内目前有关人体关节的研究主要集中在机器人关节控制系统、关节化的虚拟人臂的仿真和建模、机械手的拾放和避障动作的控制、机械臂和机器人中的关节判断运动算法。将微电子技术应用在人体植入系统方面，清华大学微电子所自主研制并开发了解决聋人听力的人工耳蜗、用于探测胃肠道问题的胃内窥镜等芯片，以及有关神经电极技术的研究。在国外，对生物体内植入系统的研究种类很多，这些系统主要包括各类植入式测量系统、植入式刺激器、植入式药疗(控制)装置、植入式人工器官及辅助装置。美国Nebraska-Lincoln大学机械系在研究压电陶瓷产生低频电能的应用，提到了在人体植入关节内装入压电陶瓷设备可以为电路供电，并提供了简单的模型。但是此模型只限于实验阶段，没有考虑到实际应用环境，很多参数没有根据实际情况设定，并存在以下三个问题1、只是实验环境的功能性应用，没有考虑可实际应用的低功耗、低电压和低噪声的电路设计；2、没有考虑体外电路的设计，即如何将关节内数据无线传输到体外；3、缺乏电源电路的设计。这些问题将在本课题中得到解决。
目前还没有看到利用微电子技术对植入关节进行检测的研究。本发明可以应用在能在日常生活中给予植入关节内压电陶瓷装置压力的植入关节中，如人体膝关节、髋关节等，发明内容本发明的目的在于提供一种双向无线通信的、可控且可实时处理并存储生物体内人工关节压力数据的双向数字式无线压力监视系统及其实现方法。
本发明所述的双向数字式无线植入关节压力监视系统，它是一种双向无线通信的、可控且可实时处理并存储生物体内植入关节压力数据的双向数字式无线压力监视系统，其特征在于，该系统有包括体内体外两个部分组成体内部分(1)压电陶瓷装置，包括3个压电陶瓷元件，它们既是传感器传输压力数据又能在压力下产生能量；压电陶瓷装置的三个输出端分别和下面模数混合芯片的输入端以及能量存储装置的输入端相连；(2)能量存储装置，包括整流电路、能量存储电路，压电陶瓷装置的三个输出端输出的电流经过整流电路后给能量存储电路，能量存储装置为模数混合芯片供电，其供电模式是间歇式的；能量存储装置的输出端连接模数混合芯片的电源输入端；(3)模数混合芯片，其功能是将压力数据经过处理存储在非易失性存储单元里，并能通过射频模块将非易失性存储单元里的数据传出体外，同时它还负责检测压电陶瓷元件是否被磨穿并进行电源电路的管理；芯片采用Synopsys公司及Cadence公司的软件分别进行数字部分和模拟部分的设计、综合、仿真、做版图，最终流片而成。芯片电源电路的设计，克服了背景技术部分提到的模型缺乏此设计的缺点。
(4)天线，包括体内天线和体外天线；体内天线和模数混合芯片内的无线收发装置连接在一起的，完成体内外数据的无线通信；体外天线和体外收发无线数据传输装置相连；(二)体外部分体外部分主要为信号接收和处理装置。
(1)体外天线，体外天线和体外收发无线数据传输装置相连；(2)体外收发无线数据传输装置，由射频电路和大容量存储单元串联而成，射频电路由Cadence公司的软件设计；此装置用来发射射频信号并接收传输体内数据；它和计算机控制与处理装置相连。
(3)计算机控制与处理装置，由监视器、主机以及和主机相连的无线数据收发卡组成，此部分用来处理来自体内部分的数据，供医生分析诊断。
本发明所述的双向数字式无线植入关节压力监视系统的工作方式，其特征在于它根据下述三种工作方式中的任何一种来工作1)压电陶瓷装置、能量存储装置和模数混合芯片联合工作方式。在此工作方式发生在病人日常生活中，当病人运动使得压电陶瓷受压时，压电陶瓷能够产生能量，这些能量会存储在能量存储电路中并为模数混合芯片供电，模数混合芯片内的电压调整器将这些能量转换为芯片需要的电压电流并供能。模数混合芯片会处理来自传感器的压力数据并将其存储在非易失性存储单元中。此工作方式不影响病人的日常生活。
2)模数混合芯片、天线、体外收发无线数据传输装置以及计算机控制与处理装置联合工作方式。此方式发生在医生为病人问诊时，医生利用体外收发无线数据传输装置将射频信号发送给体内的模数混合芯片，模数混合芯片从射频信号中获取能量开始工作，将存储在非易失性存储单元里的数据发送到体内外无线收发数据传输装置，经过无线数据收发卡传输到计算机。
3)系统休眠模式。此工作方式发生在上面所述的两种工作情况以外的情况，即既没有压力给压电陶瓷装置，又不是问诊时间。此时，系统没有能量产生，处于断电状态。
发明效果1)系统可以为生物体植入关节的工作状况进行早期检测，包括植入关节在体内的工作能力(如行走)、异常不对称的压力、异常高压、松动和角度误差等，系统为医生提供植入关节压力的实时监视数据，可尽早减轻病人痛苦。系统具有三种不同的工作方式。第一种是压电陶瓷装置、能量存储装置和模数混合芯片联合工作方式。此方式是指病人在日常生活中，植入关节在正常运动时会产生压力，系统能够在压电陶瓷供电情况下采集压力数据并进行处理和存储。此工作方式不影响病人的日常生活。第二种是模数混合芯片、天线、体外收发无线数据传输装置以及计算机控制与处理装置联合工作方式。此工作方式发生在医生为病人问诊的情况下，通过体内外射频装置，为体内电路供电同时获取体内非易失性存储单元里的数据。并通过与计算机相连接的无线数据收发卡，数据可以传输到计算机上供医生进行诊断。第三种是系统休眠模式，此工作模式是指病人在日常生活中植入关节不运动时，此时压电陶瓷没有受压也不会产生能量，所有电路处于掉电状态，系统休眠。
2)本发明体外部分的设计克服了在背景技术部分中提到的模型没有考虑体外电路设计的缺点。另外，整个系统设计，以低功耗、低电压和低噪声为宗旨，将系统工作电压控制在1伏左右，模数电压隔离，从而降低了系统功耗，减少了系统噪声，弥补了在背景技术部分中提到的模型欠缺。
3)首次实现生物体植入关节内和体外之间的通信，使得体外计算机能通过无线方式获取压力数据对植入关节进行合理诊断。
4)能对生物体植入关节压力进行全方位数据采集，通过这些压力数据能有效检测出植入关节在生物体内的工作能力(如行走)、异常不对称的压力、异常高压、松动和角度误差等问题。
5)系统具有两种供电方式，在上述的第一种工作模式下，系统通过压电陶瓷设备间歇供电，在上述的第二种工作模式下，系统通过射频信号供电。
6)植入关节压力数据经过一定的算法简化为简单特征数据，减小了非易失性存储单元的大小。
图1为本发明的体内部分的总体结构示意图。
图2为本发明的体外部分的结构示意图。
图3为本发明用到的压电陶瓷元件的示意图。
图4为本发明体内无线数据收发传输装置的射频模块的电路原理示意图。
图5为本发明的压电陶瓷信号处理过程的结构示意图。
图6为本发明的模数混合芯片的电路原理示意图。
图7为本发明的系统工作状态示意图。
具体实施例方式
本发明提出了一种双向无线通信可控且可实时保存压力数据、全数字的生物体植入关节压力监视系统。系统采用模数混合的设计方案，由压电陶瓷装置、能量存储装置、模数混合芯片、天线、体外收发无线数据传输装置以及计算机控制与处理装置六部分组成。压电陶瓷设备既是传感器传输压力信号，又能在压力下产生能量为其它电路供电，这些设备放置在植入关节里。这些压力信号经过模数混合芯片中的放大器、滤波器和复用器进入模数转换电路，再由控制单元的算法处理得到特征数据保存到非易失性存储单元中。芯片也放置在植入关节内，其封装壳体采用高分子兼容性材料制成。芯片内的控制单元还进行电源管理及整个电路逻辑控制。芯片一端和压电陶瓷设备相连，另一端连接天线，芯片外天线可以围绕芯片实现体内外的数据通信。体内射频电路部分和天线、体外无线收发模块共同完成数据的传输功能。
体内部分的有两种供电方式一是压电陶瓷供电；二是射频信号供电。其中压电陶瓷供电方式是间歇式的。压电陶瓷在压力下产生的能量经过全波桥整流后进入能量存储电容，根据电容的特性，当压电陶瓷产生的能量不足以供负载工作时，这些能量为存储电容充电，当存储电容中的能量足以供负载工作时，存储电容处于放电状态。来自电容的电流经过能量整流器得到稳定的电流。射频信号供电是指在问诊情况下，体外电路发送射频信号，体内电路从射频信号中获取能量得以工作。体外无线收发数据传输装置包括一个天线接收阵列，接收来自体内传送来的压力数据，并发送给计算机控制和处理装置。计算机控制和处理装置中，与计算机主机相连的无线数据收发卡和收发天线来与体内无线收发装置实现双向数据通信，同时可以实时地在监视器上观察病人的植入关节的压力数据。计算机主机能够进行数据处理辅助医生进行诊断。在具体执行植入关节检查时，病人坐在椅子上，医生将体外收发设备在相距20厘米左右对准病人的植入关节处，经过1分钟左右的照射，体内数据传输到计算机里即可。整个操作简单，病人无任何不适和痛苦。
系统具有三种不同的工作方式。第一种是压电陶瓷装置、能量存储装置和模数混合芯片联合工作方式。在此方式是指病人在日常生活中，植入关节在正常运动时会产生压力，系统能够在压电陶瓷供电情况下采集压力数据并进行处理和存储。此工作方式不影响病人的日常生活。第二种是模数混合芯片、天线、体外收发无线数据传输装置以及计算机控制与处理装置联合工作方式，此工作方式发生在医生为病人问诊的情况下，通过体内外射频装置，为体内电路供电同时获取体内非易失性存储单元里的数据。因为系统包括一与计算机相连接的无线数据发送器，以及有一与计算机能实时通信的体外无线收发装置。所以体内数据可以传输到计算机上供医生进行诊断。第三种是系统休眠方式，此工作方式是指病人在日常生活中植入关节不运动时，此时压电陶瓷没有受压也不会产生能量，所有电路处于掉电状态，系统休眠。
图1为本发明的体内部分的总体结构示意图。其中1为压电陶瓷设备，2为能量存储装置，3为模数混合芯片，4为天线。压电陶瓷设备既是传感器传输压力信号，又能在压力下产生能量为其它电路供电，这些设备放置在植入关节里。模数混合芯片将压力数据经过处理存储在非易失性存储单元里，并能通过射频模块将非易失性存储单元里的数据传出体外，同时它还负责检测压电陶瓷元件是否被磨穿。模数混合芯片和压电陶瓷元件一样放置在植入关节内。芯片封装壳体采用高分子兼容性材料制成，芯片一端和压电陶瓷设备相连，另一端连接天线，芯片外天线可以围绕芯片放置。
图2为本发明的体外部分的结构示意图，其中5为无线收发装置，6为计算机控制与处理装置。当问诊时，体外部分开始工作，无线收发装置发送射频信号给体内射频模块，并接收体内数据给计算机控制与处理装置。
图3为本发明用到的压电陶瓷元件的示意图，其中7为压力分散金属板，8为轴承，9为压电陶瓷元件，此图中包括了3个压电陶瓷元件。
图4为本发明的射频模块的电路原理框图。其中401为调制设备、402为RF(RadioFrequency)限制器、403为检波器、404为调整器、405为振荡器、406为解调器、407为时钟生成器、408为电流偏置电路、409为调制器、410为复位信号生成电路；P1和P2为和天线相连的接口；S1为时钟信号、S2为数据信号、S3为复位信号。S1、S2和S3均为输出信号。调制设备(401)的输出和RF限制器(402)的输入及调整器(404)的输入相连，RF限制器(402)的输出和检波器(403)及解调器(405)的输入相连，检波器(403)及解调器(405)的输出分别与调整器(404)和时钟生成器(407)的输入相连，调整器(404)的输出分别连接到振荡器(405)、电流偏置电路(408)和复位信号生成电路(410)的输入。
图5为本发明的传感器信号处理过程的结构示意图。S4～S6为来自三个压电陶瓷传感器的信号，502为开关，实现三路信号的时分复用，503为功率放大器，504为低通滤波器。S7为经过复用和滤波的模拟压力信号。压电陶瓷传感器得到的压力信号经过复用进入放大器和滤波器，再进入模数转换电路，得到压力的数字信号。
图6为本发明的模数混合芯片的电路原理框图。其中601为传感器开关检测电路，用来检测压电陶瓷元件是否磨穿；602为低功耗的控制单元，负责处理压力数据并将数据保存到非易失性存储单元里；603为非易失性存储单元；604为数据调制及错误检测模块；605为传感器接口；606为传感器信号处理模块，包括复用电路、功放电路和滤波电路；607为模数转换器；608为无线收发装置；609为电压调整器；610为电源管理电路；611为射频能量调整器；612为射频信号处理电路。传感器开关检测电路(601)的输入端分别和压电陶瓷装置(1)的输出端以及控制单元(602)的输出端。控制单元(602)的输出端还和非易失性存储单元(603)的输入端相连，非易失性存储单元(603)和数据调制及错误检测模块(604)双向相连，数据调制及错误检测模块(604)又和无线收发装置(608)双向相连。传感器接口(5)的输入端和压电陶瓷装置(1)的输出端相连，传感器接口(5)的输出端和传感器信号处理模块(606)的输入端相连，传感器信号处理模块(606)的输出端和模数转换器(607)的输入端相连。模数转换器(607)的输出端和控制单元(602)的输入端相连。电压调整器(609)的输入端和能量存储装置(2)的输出端相连，其输出端和电源管理电路(610)的输入端相连。射频能量调整器(611)的输出端也和电源管理电路(610)的输入端相连，其输入端和射频信号处理电路(612)的输出端相连。无线收发装置(608)和射频信号处理电路(612)均和天线(4)双向相连。
图7为本发明的系统工作状态机示意图。其中State0为系统休眠模式，State1为问诊状态，State2为病人日常生活状态。co1射频电路供电电压及压电陶瓷设备产生的电压均小于系统工作电压；co2射频电路供电电压等于系统工作电压并且压电陶瓷设备产生的电压小于系统工作电压；co3射频电路供电电压小于系统工作电压并且压电陶瓷设备产生的电压等系统工作电压；压电陶瓷装置(1)包括3个压电陶瓷元件(9)、压力分散金属板(7)和轴承(8)，压电陶瓷元件(9)既是传感器传输压力数据又能在压力下产生能量。病人在日常生活中，植入关节在正常运动时会产生压力，压力通过压电陶瓷装置(1)转化为电能输出给能量存储装置(2)，能量存储装置(2)为模数混合芯片(3)供电使其工作，模数混合芯片(3)在压电陶瓷装置(1)供电情况下采集压力数据并进行处理和存储。来自三个压电陶瓷传感器的信号(S4～S6)经过传感器接口(605)进入传感器信号处理模块(606)(包括开关(502)，实现三路信号的时分复用，功率放大器(503)放大微弱信号和低通滤波器(504))得到经过复用和滤波的模拟压力信号(S7)，模拟压力信号(S7)再进入模数转换器(607)得到压力的数字信号。低功耗的控制单元(602)根据一定的算法处理压力数据并将数据保存到非易失性存储单元(603)。同时，传感器开关检测电路(601)检测压电陶瓷元件是否磨穿。
当医生为病人问诊时，通过体内射频装置即射频信号处理电路(612)、体外射频装置(5)和体内外天线(4)，为模数混合芯片(3)供电同时获取体内非易失性存储单元(603)里的数据。并通过与计算机(6)相连接的无线数据收发卡，压力数据可以传输到计算机上供医生进行诊断。在此情况下，数据调制及错误检测模块(604)对通信的数据进行调制及错误检测。无线收发装置(608)为体内天线。电压调整器(609)调节射频信号产生的电压使之符合模数混合芯片(3)的工作电压，射频能量调整器(611)调整射频信号能量使之足以产生符合模数混合芯片(3)的工作电压。电源管理电路(610)管理压电陶瓷设备(1)产生的电源和射频信号产生的电源，使它们不冲突地为模数混合芯片(3)提供电源，同时判断它们的大小决定模数混合芯片(3)的工作状态。模数混合芯片(3)有三种工作状态休眠态(State0)，问诊状态(State1)和病人日常生活状态(State2)，当射频电路供电电压及压电陶瓷设备产生的电压均小于系统工作电压(co1)时，模数混合芯片(3)进入休眠态(State0)；当射频电路供电电压等于系统工作电压并且压电陶瓷设备产生的电压小于系统工作电压(co2)时，模数混合芯片(3)进入问诊状态(State1)；当射频电路供电电压小于系统工作电压并且压电陶瓷设备产生的电压等系统工作电压(co3)时，模数混合芯片(3)进入病人日常生活状态(State2)。
所述的射频信号处理电路(612)包括如下部分信号从与天线(4)相连的接口(P1和P2)进入到调制设备(401)接受调制，来自接口(P1)的信号同时进入RF限制器(402)接受调整使之能量符合系统需求，经过调整后的信号分别进入检波器(403)和解调器(406)成为下脉冲方波进入调整器(404)接受波形调整。时钟生成器(407)根据解调后的信号提取时钟供数字电路工作并输出时钟信号(S1)。电流偏置电路(408)为射频信号处理电路(612)提供电流偏置。振荡器(405)生成高频时钟供存储单元工作。调制器(409)调制来自调制设备(401)的信号并输出数据信号(S2)。复位信号生成电路(410)产生复位信号S3。
由此，系统实现了发明目的。
权利要求
1.双向数字式无线植入关节压力监视系统，其特征在于，该系统有包括体内体外两个部分组成体内部分包括(1)压电陶瓷装置，包括4个压电陶瓷元件，它们既是传感器传输压力数据又能在压力下产生电能输出；压电陶瓷装置的四个电能输出端分别和下面模数混合芯片的输入端以及能量存储装置的输入端相连；(2)能量存储装置，包括整流电路、能量存储电路；压电陶瓷装置的四个输出端输出的电流经过整流电路后给能量存储电路，能量存储装置为模数混合芯片供电；能量存储装置的输出端连接模数混合芯片的电源输入端；(3)模数混合芯片，包括非易失性存储单元、射频模块和无线收发装置，其功能是将植入关节在病人日常运动时产生的压力数据经过处理存储在非易失性存储单元里，并能通过射频模块将非易失性存储单元里的数据传出体外，同时它还负责检测压电陶瓷元件是否被磨穿并进行电源电路的管理；(4)天线，包括体内天线和体外天线；体内天线和模数混合芯片内的无线收发装置连接在一起的，完成体内外数据的无线通信；(二)体外部分信号接收和处理装置。
2.根据权利要求1所述的双向数字式无线植入关节压力监视系统，其特征在于，所述的体外部分包括(1)体外天线，体外天线和体外收发无线数据传输装置相连；(2)体外收发无线数据传输装置，由射频电路和大容量存储单元串联而成，用来发射射频信号并接收传输体内数据；它和计算机控制与处理装置相连；(3)计算机控制与处理装置，与体外收发无线数据传输装置相连，此部分用来处理来自体内部分的数据，供医生分析诊断。
全文摘要
生物体植入关节双向数字无线压力监视系统，涉及低功耗电路设计、压电陶瓷间歇供电电路设计以及数据无线传输电路设计，属于医用植入关节压力监视系统技术领域，系统包括体内部分压电陶瓷装置、能量存储装置、模数混合芯片、天线；体外部分体外收发无线数据传输装置、计算机控制与处理装置；系统有三种工作方式压电陶瓷装置、能量存储装置和模数混合芯片联合工作方式，模数混合芯片、天线、体外收发无线数据传输装置以及计算机控制与处理装置联合工作方式，系统休眠方式。本发明为生物体植入关节的工作状况进行早期检测，功耗低，首次实现生物体植入关节内和体外之间的通信，使体外计算机能通过无线方式获取压力数据对植入关节进行合理诊断。
文档编号G06F19/00GK1806776SQ200510130629
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月16日 优先权日2005年12月16日
发明者陈虹, 王志华 申请人:清华大学