宽带过身体超声通信系统技术方案

一种以超声方式将数据传送通过身体的宽带过身体通信系统。诸如CMUT换能器的MEMS设备被配置为在工作频率的宽带内发射和/或接收超声数据信号。所述换能器发射所述超声数据信号穿过所述身体到以类似方式配置的超声接收器，和/或接收已从以类似方式配置的超声发射器被传达穿过所述身体的超声数据信号以供解码和处理。在优选的实现方式中，CMUT换能器以塌陷模式操作。

Broadband over body ultrasonic communication system

A broadband over body communication system that transmits data through the body in an ultrasonic fashion. The MEMS device, such as the CMUT transducer, is configured to transmit and / or receive ultrasonic data signals within the broadband of the operating frequency. The transducer emits the ultrasound data signal through the body to the ultrasonic receiver configuration in a similar way, and / or received from the ultrasound emitter configuration in a similar way to be conveyed through the ultrasonic signal data body for decoding and processing. In a preferred embodiment, the CMUT transducer operates in a collapsed mode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】宽带过身体超声通信系统
本专利技术涉及使用液状介质作为通信介质的通信系统，尤其涉及小型化宽频带过身体超声通信系统。
技术介绍
经常期望与定位于人体内部的设备通信。例如，可能期望从诸如起搏器或植入式心脏除颤器的植入式设备接收信息。医师可能想要知晓设备的状态，例如电池充电或脉冲递送信息。也可能期望将信息从身体外部发送到植入式设备，例如用于对设备进行重新编程或改变设备的设置。也可能期望在导管被定位于患者的血管系统中时(例如在通过导管放置支架期间)与导管进行通信。例如，可能需要在程序期间将图像或测量结果提供给主治医师。也可能期望在活检或消融程序期间接收来自针的端部的信息。要被传达给医师的信息可以包括关于针放置或周围材料的状态有关的数据。在消融程序中，对温度和组织密度信息的接收对于确定程序的进展而言是重要的。尽管该信息有时可能通过导管中的导丝、活检针或消融设备来传达，但导管、针或消融设备的小尺寸常常仅为通信线路提供有限的空间，尤其是在还需要为设备自身的功能布线时。在这样的情形中，无线通信将消除对穿过设备的通信导体的需要。但诸如r.f.通信的常用无线技术通常受限于通信必须发生于其中的环境。电传输或电磁传输可能被身体高度衰减，并且可能遭遇来自其他医疗设备(例如磁共振系统和起搏器)的干扰，这些其他医疗设备会创建过身体r.f.通信的噪声环境。此外，r.f.通信和电磁通信在穿过组织操作时可能是带限的(bandlimited)。根据WO2008/011570已知一种使用kHz频率范围的超声换能器用于无线通信的可植入设备。这样的设备的数据传送速率是受限的。因此期望的是提供一种能够从身体内有效操作并且是非带限的无线过身体通信系统。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，描述了一种宽带过身体通信系统，其以超声的方式过身体传送数据。在有用频率带内的超声能够穿透诸如组织的液状介质，而没有过身体的r.f.通信和电磁通信遇到的限制和约束。用于该通信的优选的超声换能器为MEMS或电容式微电子超声换能器(CMUT)，其能够在制造和实施期间被控制以展示宽带宽(例如大于80％)的工作频率。最优选地，CMUT设备以塌陷模式运行，其中，其灵敏度和工作带通过针对设备选择合适的偏置电压来设定。对于发射，通过带有放大器/驱动器以及任选的数据编码器的微电子发射电路来操作微电子CMUT设备。对于接收，微电子电路被耦合到CMUT以提供对接收到的信号的放大及任选的解码。优选地，与微电子通信电路在相同的模具上制造一个或多个CMUT设备。组件能够是专用的发射器或接收器或收发器。在构建的实施例中，这样的组件已经通信高达80cm通过(例如人体组织提供的)液状介质。本专利技术提供CMUT换能器性能(例如宽带宽和不同的工作频率)与微电子电路编码功能的独特组合。根据本专利技术的宽带过身体通信系统的数据传送速率可以高达Mb/秒。附图说明在附图中：图1图示本专利技术的超声通信系统能够穿过诸如人体的液状身体进行通信的几种方式。图2图示根据本专利技术的原理构建的过身体超声发射系统。图3图示根据本专利技术的原理构建的过身体超声接收系统。图4为典型的CMUT换能器单元的横截面视图。图5为对典型的CMUT单元的电气连接的示意性图示，包括施加的偏压。图6为对根据本专利技术的原理针对塌陷模式操作构建的CMUT单元的横截面视图。图7图示在被偏置成塌陷状态时图6的CMUT单元。图8图示了在单元膜通过装配在单元顶上的透镜被保持在塌陷状态时图6的CMUT单元。图9图示了本专利技术的超声CMUT通信系统的典型宽带响应特性。图10为适合在本专利技术的超声CMUT通信系统中使用的微电子收发器的方框图。具体实施方式随着可植入医疗设备的数量和功能越来越多，对可靠的高通量且安全的过身体通信系统的需要是显然的。有几种能够满足该需要的技术选择，例如r.f.磁通信或超声通信。这些方法的适用性是通过针对各自类型信号的通信信道(人体)的性质、所需要的实现尺寸以及可达到的功率/性能比来判断的。另外，针对每种信号类型，存在针对能够在身体里使用的信号幅度和占空比的安全性限制。给定这些考虑，超声通信针对小的形状因子和能量消耗提供最优的信号传播。超声通信在性质上是机械的。驱动声学换能器(被称作CMUT)的电信号引起膜的机械移动，该机械移动继而将压力波传播穿过周围介质。传播性质取决于声波在压力、频率方面的性质并且取决于传播介质的性质。在过身体传播的情况中，不同的组织以不同的方式传播、反射和吸收超声波。需要下文描述的有效传输原则以确保恰当的接收。超声换能器能够生成并接收调制的超声数据信号。超声换能器通常具有某个共振频率，该共振频率取决于它们的物理尺寸和实现方式。合乎期望的CMUT实现方式能够利用4至8MHz的中心频率、大于80％或100％的带宽(有效工作频率范围与中心频率的比率)发射。这与常规的压电换能器不同，压电换能器具有10％至50％的典型带宽。利用CMUT换能器可达到的宽带宽允许发射宽带数字信号。身体的超声传输特性位于约100kHz直到约40kHz的频率范围内。利用较低超声频率(例如100kHz以下)的通信将遭受(因超声波衍射造成的)差的空间分辨率以及增大的CMUT换能器的尺寸。在较高频率，信号的衰减增大，并且因此利用低功率设备能够达到的最大通信距离减小。在本文描述的超声过身体通信中，信号经由被放置在身体内或与身体的表面良好声学接触的超声换能器来传输。如图1中所示，能够关于收发器相对于通信介质的物理位置定义几种应用模态。在图1a)中，在液状身体50内的超声过身体通信设备52正发射穿过该介质到在身体50之外并且与身体声学接触的另一超声过身体通信设备54。在图1b)中，在液状身体50之外的超声过身体通信设备52与身体介质声学接触并且正发射穿过身体介质到在身体50之外并且与身体声学接触的另一超声过身体通信设备54。在图1c)中，在液状身体50之内的超声过身体通信设备52正发射穿过该介质到也在液状身体50之内的另一超声过身体通信设备54。图1中所示的超声过身体通信设备仅表示带有超声换能器作为天线的有源发射器/接收器/收发器。在实践中，通信设备能够为独立式的、电池供电的设备，或者能够被附接到将它们与外部设备连接起来的导管或其他仪器。大体上，利用本专利技术的设备，能够将数据从在身体之外的设备传送到身体之内的设备，从身体之内传送到身体之外，或穿过身体从在身体之外的设备和/或从身体之内的设备之间彼此传送。数据通信不限于从单个换能器向单个接收器发送，而是还能够从多个换能器发送数据并且能够由多个接收器接收数据。数据的类型取决于具体应用。在大多数实现方式中，数据涉及数字信息。图2和图3图示了描述基于CMUT的超声通信信道的主要部件的方框图，图2中图示了发射信道并且图3中图示了接收信道。信道的优选工作频率范围在100kHz与40MHz之间。以下图10图示组合在收发器配置中的这些概念。如图2中所示，由发射器62生成的数据首先被数据编码器64编码，数据编码器64实现无DC编码。曼彻斯特编码是优选的，以解决针对发射的CMUT的电容性质，但也可以使用另一种类型的无DC编码。在非无DC编码方案中，编码信号的DC值取决于正被发射的数据。因此，无DC编码解决了CMUT换能器的电容性质，这是因为任意额外的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声过身体通信设备，包括：发射器，其适于提供数据以发射到接收器；数据编码器，其对由所述发射器提供的数据进行响应并使得能够无DC数据编码为编码的数据信号；换能器驱动器，其被耦合为接收来自所述数据编码器的编码的数据信号并且适于提供在超声频率处的放大的驱动信号，其中，所述放大的驱动信号包括所述编码的数据信号；以及CMUT换能器，其适于在所述超声频率运行并且对所述驱动信号进行响应，并且所述CMUT换能器被声学耦合到水状身体以将包括所述编码的数据信号的超声数据信号发射穿过所述身体以供接收器接收，其中，所述超声频率属于在100kHz直到约40MHz之间的频带。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.11 EP 14184338.31.一种超声过身体通信设备，包括：发射器，其适于提供数据以发射到接收器；数据编码器，其对由所述发射器提供的数据进行响应并使得能够无DC数据编码为编码的数据信号；换能器驱动器，其被耦合为接收来自所述数据编码器的编码的数据信号并且适于提供在超声频率处的放大的驱动信号，其中，所述放大的驱动信号包括所述编码的数据信号；以及CMUT换能器，其适于在所述超声频率运行并且对所述驱动信号进行响应，并且所述CMUT换能器被声学耦合到水状身体以将包括所述编码的数据信号的超声数据信号发射穿过所述身体以供接收器接收，其中，所述超声频率属于在100kHz直到约40MHz之间的频带。2.如权利要求1所述的超声过身体通信设备，还包括：偏置电路，其被耦合以向所述CMUT换能器提供偏置电压。3.如权利要求2所述的超声过身体通信设备，其中，所提供的偏置电压使得所述CMUT换能器能够以塌陷模式运行。4.如权利要求1所述的超声过身体通信设备，还包括：阻抗匹配电路，其被耦合在所述换能器驱动器与所述CMUT换能器之间。5.如权利要求1至3所述的超声过身体通信设备，其中，所述CMUT换能器展示具有大于100％的带宽的超声数据信号发射。6.如权利要求1至3所述的超声过身体通信设备，具有至少Mb/秒的数据传送速率。7.如权利要求1所述的超声过身体通信设备，其中，所述超声频率属于在4MHz直到8MHz之间的频带。8.一种超声过身体通信设备，包括：CMUT换能器，其被声学耦合到水状身体，所述CMUT换能器适于接收已行进通过所述身体的来自发射器的包括编码的数据信号的超声数据信号，其中，所述超声数据信号是以在100kHz直到约40MHz之间的频带被发射的；放大器，其被耦合到所述CMUT换能器并且适于放大接收到的超声数据信号；接收器，其被耦合为接收放大的超声数据信号，所述接收器适于从所述接收到的超声数据信号中提取所述编码的数据信号；以及解码器，其适于使用无DC...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·F·乌祖诺夫，N·F·茹瓦，C·M·范黑施，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL