连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统。

背景技术

传统的人工耳蜗系统主要包括体内的植入体和体外设备两部分，体外设备将环境中的声信号转化为电信号，再将电信号和能量以无线方式传入植入体中，植入体以电刺激形式将信号送至耳蜗内的刺激电极，通过刺激电极刺激听神经纤维，最后由大脑将电信号识别为声音而产生听觉。其中，由于OOK(On Off keying，开关键控)的信号调制方案原理简单、易于实现，从而成为了人工耳蜗目前主流的能信一体化传输方式。

基于OOK的无线传输方案是以“0”与“1”来区分声音信号，再将低频声音数据信号按照一定调制比调制在高频的能量信号上实现能信同传的。然而，当数据信号为“0”时，信号调制的结果也为“0”，此时设备会被中断工作而导致功率传输中止。因此产生的功率断续与应力问题可能会对设备的安全运行造成威胁，可靠性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统，包括依次相连的主信号接收电路、主电路、解调电路，还包括与主电路连接的负载；所述主信号接收电路用于接收载波信号和数据信号，并根据载波信号和数据信号输出门极驱动主信号；所述主电路用于接收门极驱动主信号，并根据门极驱动主信号给解调电路输出信号和能量，以及给负载提供能量；

所述系统还包括辅助信号接收电路、与辅助信号接收电路相连的辅助电路，所述辅助电路与负载也相连，所述辅助信号接收电路用于接收载波信号和数据信号，并取反数据信号，后根据载波信号和取反后的数据信号输出门极驱动辅助信号；所述辅助电路用于接收门极驱动辅助信号，并根据门极驱动辅助信号给负载提供能量；

所述主电路和所述辅助电路在同一时刻仅有其中之一为负载提供能量。

优选地，当数据信号为“1”时，所述主电路给解调电路输出信号和能量、为负载提供能量；当数据信号为“0”时，所述辅助电路给负载提供能量。

优选地，所述主电路包括发射端和接收端；所述发射端包括电源、逆变电路、发射测补偿网络以及发射线圈；所述接收端包括接收线圈和接收端补偿网络，所述发射线圈和接收线圈无线连接。

优选地，所述辅助电路也包括发射端和接收端；所述发射端包括电源、逆变电路、发射测补偿网络以及发射线圈；所述接收端包括接收线圈和接收端补偿网络，所述发射线圈和接收线圈无线连接。

优选的，所述载波信号的频率为数据信号频率的10倍及以上。

优选的，所述载波信号的占空比为0.1-0.8。

优选地，所述解调电路包括包络检波单元和低通滤波单元；所述包络检波单元对接收的信号进行解调；所述低通滤波单元对解调后的信号进行滤波。

优选地，所述低通滤波单元包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，所述第一低通滤波器进行平滑滤波，所述第二低通滤波器进行均值滤波。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的包括连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统通过增设辅助电路，使得主电路和辅助电路交替工作，实现功率的连续传输，避免了功率断续问题，有效提升了人工耳蜗接收端输出电压的连续性与稳定性，有助于功率传输质量的提升。

2.本发明的包括连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统，采用改进后的OOK的调制方案，并利用传输线圈和接收线圈实现能量与信号的无线传输。

3.本发明的包括连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统，通过对载波信号的频率及占空比进行优化，从而进一步提升信号传输效率，确保数据信号调制的确定性。

附图说明

图1为本发明一具体实施例的连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统的电路结构示意图；

图2为本发明一具体实施例的连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统的信号时序示意图；

图3为本发明一具体实施例的连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统的输出电压波形示意图；

图4为本发明一具体实施例的连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统的解调电路示意图；

图5为本发明一具体实施例的连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统中的解调过程及结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1-5，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1和图2，本发明的连续供能的植入式人工耳蜗能信一体化传输系统包括依次相连的主信号接收电路、主电路、解调电路4；还包括电源1，电源1与主电路连接，用于给主电路供电。系统还包括与主电路连接的负载3。

主信号接收电路用于接收载波信号和数据信号，并根据载波信号和数据信号输出门极驱动主信号G

系统还包括辅助信号接收电路、与辅助信号接收电路相连的辅助电路，辅助电路与电源1、负载3也相连，电源1也给辅助电路供电。辅助信号接收电路用于接收载波信号和数据信号，并取反数据信号，后根据载波信号和取反后的数据信号输出门极驱动辅助信号G

主电路和辅助电路在同一时刻仅有其中之一为负载3提供能量，换而言之，当主电路无法为负载3提供能量时，辅助电路可替补为负载3提供能量，从而改善功率断续的问题。

载波信号的频率为数据信号频率的10倍以上，且占空比为0.1-0.8。数据信号为经过音频处理的数字信号，在人工耳蜗应用中，由于声音信号具有随机性，通过音频处理后的声音数字信号也呈现随机性。因此，为了确保信号调制的准确性，通常设计载波信号频率为数据信号的10倍及以上。进一步地，载波信号频率可以为16MHz。

当数据信号为“1”时，主电路给解调电路4输出信号和能量，负载3上接收的能量来自于主电路；当数据信号为“0”时，主电路无法给负载3提供能量，但辅助电路工作，负载3上接收的能量来自于辅助电路。

参见图2，为本系统的信号时序示意图，表1为本发明的逻辑状态表。以下，结合图2和表1进行详细描述。

表1

根据图2以及表1可知，当载波信号为“1”，数据信号为“1”时，此时门极驱动主信号G

参加图3，为负载3的电压波形，可以观察到其电压波动仅存在有切换时刻的暂态状态，且波动在30％左右，波动程度较小，负载3可以始终接收连续的能量。

综上所述，本发明通过增设辅助电路，设计控制信号使得主电路与辅助电路能够跟随数据信号交替导通，提高了植入式人工耳蜗接收侧输出电压的连续性与稳定性，有助于功率传输质量提升。

主电路包括发射端和接收端；发射端包括依次连接的逆变电路21、发射侧补偿网络22以及发射线圈24；接收端包括依次连接的逆变电路21、接收侧补偿网络22以及接收线圈25。其中主电路接收电路与主电路中的逆变电路21连接，主电路中的接收侧补偿网络22与负载3、解调电路4均连接。逆变电路21将电源1提供的直流电源逆变为交流电，通过电磁场形式对外发射。主电路的发射线圈24与接收线圈25无线连接，通过电磁耦合的方式传输信号及能量。

辅助电路的发射端和接收端均与主电路一致，其发射端也包括依次连接的逆变电路21、发射侧补偿网络22以及发射线圈24；接收端也包括依次连接的逆变电路21、发射侧补偿网络22以及接收线圈25。其中辅助电路接收电路与辅助电路中的逆变电路21连接；辅助电路中的接收侧补偿网络22与负载3连接。辅助电路的发射线圈24与接收线圈25无线连接，用于传输信号及能量。

参见图4，解调电路包括包络检波单元和低通滤波单元；包络检波单元对接收的信号进行解调；低通滤波单元对解调后的信号进行滤波。低通滤波单元包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，第一低通滤波器进行平滑滤波，所述第二低通滤波器进行均值滤波。具体地，解调电路4主要由比较器A、二极管D以及若干电容、电阻元件组成。解调电路4的信号地SGND(signal ground)与主电路的接收侧输出端的地相连，解调电路4的输入端与主电路的接收侧输出的另一端口相连。首先是由二极管D、电阻R5、电容C5组成的包络检波单元，设计R5与C5的值以满足包络检波的功能；R5与C5组成的时间常数小于数据信号周期，大于高频功率脉冲周期。经过包络检波单元后再分为两部分，其中一部分由电阻R2、R4与电容C2构成的第一低通滤波器，起到平滑滤波的作用；另一部分由电阻R1、R3与电容C1构成的第二低通滤波器，起到均值滤波的作用。

参见图5，解调电路4利用主电路输出端的包络值大于平均值时，解调出的数据为“1”；当主电路输出端包络值小于平均值时，解调出的数据为“0”。利用包络后的平滑值与平均值的比较得到解调输出结果D

以下，通过实验进一步证明：

实验条件：以50％占空比的16MHz的方波信号作为载波信号，基于OOK调制传输1MHz的任意数据信号。

测试对象：以输出电压的波动衡量输出稳定性与连续性。

测试结果：稳态情况下，输出6.5V左右峰值正弦电压；在发送的数据切换时刻的暂态过程中，即传输数据为“0”转“1”,或“1”转“0”时，输出电压受工作电路也在主辅电路间的切换产生波动。存在电压峰值降至4.7V或过冲至7.1V峰值的现象，电压波动不超过30％；同时，暂态过程的调节时间迅速，通常仅占整段波形的20％以内。

测量稳态情况下电路输出功率为67mW，暂态过程中的输出最小功率48mW，最小功率77mW，输出功率波动小于30％。与未改进的传统OOK调制方案相比，本发明能显著改善功率断续的问题。

于此同时，采用本发明的系统不影响数据信号的解调，比较需要传输的数据信号Data与解调结果D

综上所述，本发明通过采用改进型OOK调制方案实现能量与信号的同传，通过加入辅助电路使得主电路与辅助电路能够跟随数据信号交替导通，提高了植入式人工耳蜗接收侧输出电压的连续性与稳定性，有助于功率传输质量提升。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。