基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法

本发明涉及生物体内外无线通信，特别是基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法。

背景技术：

1、生物体内外无线通信技术是指在植入人体内部的医疗电子设备与体外控制或监测系统之间，通过无线方式实现数据传输、指令交互及能量传递的技术体系。该技术需克服生物组织对电磁波的吸收、散射和色散效应，在保障生物安全性、低功耗和微型化的前提下，建立稳定可靠的双向通信链路，广泛应用于神经调控、心脏起搏、血糖监测、脑机接口等植入式医疗场景。

2、传统植入式通信系统通常采用固定载波频率，未考虑不同患者颅骨厚度、密度等解剖结构差异导致的穿透损耗变化，造成通信链路不稳定甚至中断，且颅内环境受生理活动、组织水合状态等因素影响，信道质量会随时间波动，而现有系统多采用静态频点或简单跳频策略，难以维持可靠指令传输，同时多数植入设备需通过主动射频发射回传数据，不仅大幅增加功耗，还要求配备独立天线和功率放大器，与微型化、长寿命的植入需求相冲突。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法解决了颅内环境受生理活动、组织水合状态等因素影响，信道质量会随时间波动，而现有系统多采用静态频点或简单跳频策略，难以维持可靠指令传输，同时多数植入设备需通过主动射频发射回传数据，不仅大幅增加功耗，还要求配备独立天线和功率放大器，与微型化、长寿命的植入需求相冲突的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、本发明提供了基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法，其包括：

5、根据颅骨厚度及密度动态优选载波频点，在体外主控端与颅内植入设备之间建立专用通信频段；

6、体外主控端依据实时信道质量在所述专用通信频段内执行频率捷变，通过不同载波频率向颅内植入设备发送正向控制指令；

7、颅内植入设备接收载波频率并解调，识别对应指令内容，生成反馈传感数据；

8、颅内植入设备基于反馈传感数据，采用动态阻抗映射对负载进行调制，将数据编码至反射系数中；

9、体外主控端通过监测线圈回路中的充电电流变化，识别反射系数中对应的电流波动模式，解码获得反馈传感数据；

10、体外主控端根据所解码的反馈传感数据，校正下一通信周期的载波频率选择与能量供给策略。

11、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述根据颅骨厚度及密度动态优选载波频点，具体步骤为：

12、在系统部署前，采集多组具有不同厚度与密度的离体颅骨样本；

13、对每一样本，在体外搭建电磁波透射测试平台，在预设频段内逐点发射连续波信号并同步记录接收端功率，计算各频率下的穿透损耗；同时在预设频段的上下边界之外分别扩展若干测试频点进行补充测量，覆盖厚颅骨或高密度个体出现的谐振谷位移；

14、基于全部测试频点的穿透损耗数据，建立穿透损耗与频率、颅骨厚度、颅骨密度之间的映射关系，并将映射关系以参数化模型形式存储于体外主控端；

15、通信初始化阶段，体外主控端向颅内植入设备依次发送多个探测信号，各探测信号分别使用不同的候选频率；

16、颅内植入设备接收到探测信号后，测量每一信号的接收功率，并将接收功率序列编码后通过反向链路回传至体外主控端，体外主控端接收反馈后，结合预先存储的映射关系，评估各候选频率在当前个体颅骨条件下的穿透性能；

17、从候选频率集合中选择穿透性能最优的频率作为初始载波频率，其中，穿透性能与穿透损耗成反比关系。

18、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述体外主控端依据实时信道质量在专用通信频段内执行频率捷变，具体步骤为：

19、在每一通信帧的固定位置插入导频符号，导频符号采用已知调制格式且功率恒定；

20、颅内植入设备对导频符号进行解调，计算当前信道的信噪比，将信噪比量化为有限状态标识，并嵌入至反馈传感数据的有效载荷中；

21、体外主控端在解码反馈传感数据时提取该状态标识，还原当前信道质量，若信道质量低于预设的安全阈值，则启动频率切换流程；

22、频率切换流程包括查询映射关系，排除近期已使用且信道劣化的频率，从剩余候选频率中选择穿透损耗预测值最小的频率作为新载波频率；

23、更新通信参数后，使用新载波频率发送下一帧正向控制指令。

24、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述颅内植入设备基于反馈传感数据采用动态阻抗映射对负载进行调制，具体步骤为：

25、在颅内植入设备的射频前端设置可编程阻抗网络，该网络支持至少两个离散阻抗状态；

26、两个阻抗状态分别对应二进制逻辑0和1；

27、当待发送的反馈传感数据为0时，阻抗网络切换至第一阻抗值，当数据为1时，切换至第二阻抗值；

28、阻抗切换操作同步于能量传输周期，在每个能量脉冲窗口内完成一次或多次状态切换；

29、所述阻抗网络的切换幅度可动态调整，包括在高电流阶段增大阻抗差以提升反射系数变化量，在低电流阶段减小阻抗差以避免非线性失真。

30、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述体外主控端通过监测线圈回路中的充电电流变化识别反射系数中对应的电流波动模式，具体步骤为：

31、在体外主控端的能量发射线圈驱动回路中集成高带宽电流传感器；

32、以不低于反向数据速率10倍的采样率连续采集充电电流瞬时值；

33、对采集到的电流序列进行实时滑动窗口差分处理，提取微秒级扰动成分；

34、将扰动波形与预存的调制模板库进行逐点匹配，所述模板库包含0和1对应的典型电流波动模式；

35、当模板与当前扰动波形的互相关值超过预设判定门限时，判定接收到对应比特；

36、采用多数表决机制对连续多个采样窗口的判决结果进行融合，输出最终解码比特。

37、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述体外主控端根据所解码的反馈传感数据校正下一通信周期的载波频率选择与能量供给策略，具体步骤为：

38、将当前解码获得的反馈传感数据与过去若干通信周期的信道质量记录共同输入至链路调控模块；

39、链路调控模块判断当前信道是否处于持续劣化状态，若判断结果为是，则提升下一周期的能量发射功率，并缩短当前载波频率的使用时长，以加快频率切换响应速度，若判断结果为否，且信道质量稳定优于安全阈值，则降低能量发射功率以减少生物组织热效应，并延长当前频率的使用时长以提升频谱效率；

40、更新后的能量供给参数与频率调度计划被写入通信控制器。

41、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述专用通信频段划分为正向子带与反向子带，包括：

42、正向子带用于体外主控端向颅内植入设备发送控制指令；反向子带对应颅内植入设备通过负载调制产生的反射路径；正向子带的中心频率高于反向子带的中心频率，且二者之间保留固定的保护间隔，其中，保护间隔的宽度根据颅骨介电特性的色散效应确定。

43、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述保护间隔的设定需兼容国际医疗植入通信服务mics频段的规范要求，包括在402 mhz至430 mhz频段内，正向子带限定于410 mhz至430 mhz，反向子带限定于402 mhz至410mhz。

44、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：所述映射关系的构建过程包括以下步骤：

45、选取多组离体颅骨样本，对每一样本，在体外搭建透射测试平台，发射天线置于样本一侧，接收天线置于另一侧；

46、在402 mhz至430 mhz范围内，以1 mhz为步长扫描发射频率，记录每一频率下的接收功率，并计算穿透损耗；

47、以穿透损耗为因变量，频率、厚度、密度为自变量，采用非线性回归方法拟合物理模型；

48、将拟合得到的模型参数存储于体外主控端的非易失性存储器中，用于运行阶段的在线频率优选。

49、作为本发明所述基于颅内外的无线通信系统的数据传输方法的优选方案，其中：实际通信过程中，体外主控端根据实时获取的个体颅骨参数调用映射关系，动态估算任意候选频率下的穿透损耗；

50、当颅骨厚度h增加时，穿透损耗l呈正相关增长；当载波频率f升高时，穿透损耗l呈超线性增长；系统据此避开高损耗区域，优先选择低频率点；当颅骨密度ρ降低时，穿透损耗l随之下降。

51、本发明有益效果为：通过结合个体颅骨厚度与密度特征动态优选载波频点，并在专用通信频段内实现基于实时信道质量的频率捷变，提升了颅内外无线通信的穿透效率与链路鲁棒性，同时，采用动态阻抗映射的负载调制与高精度电流波动解码机制，在极低功耗的前提下实现了可靠反向数据传输，通过将正向与反向子带按颅骨色散特性合理隔离，并融合反馈数据闭环校正频率选择与能量供给策略，有效抑制了自干扰与热效应，在保障生物安全性的同时兼顾了通信可靠性与频谱效率。