植入式通信装置及其通信方法与流程

1.本技术涉及人工智能技术领域，具体涉及一种植入式通信装置及其通信方法。


背景技术：

2.植入式芯片是一个很小的芯片，可以很容易地植入生物体内部，并与生物体外部的相关设备进行无线通信。植入式芯片面向未来，应用于经体通信，使用场景包括人体和各种动物。
3.无线通信技术大致可以分为两类：高频通信和低频近场通信。
4.高频通信，比如蓝牙、zigbee等高频模块，这几种技术设计初衷主要应用在体外室内通信，强行将这几种通信技术用在生物体植入式通信系统中，会带来一些问题：植入模块需要携带电池，为了实现高频通信在体内外传输，需要加大模块的工作功率，导致模块的体积大。此外由于生物体组织对高频信号能量的吸收能力很强，所以高频信号很难从生物体内向外传播。
5.为了实现生物体内外之间的通信，常规的植入式通信系统中，需要用到低频近场通信。低频近场通信方式的优点在于，模块无源化、可以实现模块小型化(通信电线除外)、低频信号利于体内外传输；缺点在于通信天线尺寸占据一定体积、低频近场通信距离限制。
6.相关技术中，低频近场通信存在以下问题：通信天线尺寸较大，导致植入生物体内的通信模块体积很难缩小；近场通信的传输距离有限，直接限制了植入式模块的应用场景。


技术实现要素：

7.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种植入式通信装置及其通信方法。
8.根据本技术实施例的第一方面，提供一种植入式通信装置的通信方法，包括：
9.获取生物体的生物特性参数，并根据所述生物特性参数确定生物特性矩阵；所述生物体为植入了所述通信装置的生物体；
10.确定体外信号；所述体外信号为所述通信装置将生物体作为天线，发射到体外的电磁波信号；
11.根据体外信号和所述生物特性矩阵，解算出所述通信装置发射前的原始信号。
12.进一步地，所述生物特性参数是通过传感器对生物体进行测量获得的。
13.进一步地，所述生物特性参数包括如下项中的至少一项：体脂率、含水量、肌肉量、骨密度。
14.进一步地，所述确定体外信号，包括：
15.确定体外信号的本征参数；所述本征参数包括如下项中的至少一项：频率、相位、功率、幅度；
16.根据所述体外信号的本征参数确定第一本征向量。
17.进一步地，根据所述体外信号和所述生物特性矩阵，解算出所述通信装置发射前
的原始信号，包括：
18.计算所述生物特性矩阵的逆矩阵；
19.将所述生物特性矩阵的逆矩阵与第一本征向量相乘，获得第二本征向量；
20.根据所述第二本征向量确定发射前的原始信号。
21.进一步地，所述方法还包括：
22.根据所述第二本征向量生成原始信号；
23.将所述原始信号通过电极传输到生物体组织，以使生物体作为天线发射出无线信号。
24.根据本技术实施例的第二方面，提供一种植入式通信装置，包括：
25.传感器单元，用于对生物体进行检测，获得生物体的生物特性参数；
26.信号合成单元，用于执行如上任意一种实施例所述的通信方法，生成原始信号；
27.输出单元，用于将所述信号合成单元输出的原始信号传输到生物体组织，以使生物体作为天线发射出无线信号。
28.进一步地，所述传感器单元包括如下项中的至少一项：体脂传感器、湿度传感器；
29.所述传感器单元将检测获得的生物特性参数发送至所述信号合成单元。
30.进一步地，所述信号合成单元确定体外信号的步骤包括：确定体外信号的本征参数；所述本征参数包括如下项中的至少一项：频率、相位、功率、幅度；根据所述体外信号的本征参数确定第一本征向量。
31.进一步地，所述信号合成单元解算原始信号的步骤包括：计算所述生物特性矩阵的逆矩阵；将所述生物特性矩阵的逆矩阵与第一本征向量相乘，获得第二本征向量；根据所述第二本征向量确定发射前的原始信号。
32.本技术的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
33.本技术的方案生成原始信号后，将原始信号传输到生物体上，以生物体作为天线将无线信号发射到体外，这样传输距离更远；并且本方案不设置天线，无需谐振线圈，从而能够减小植入式通信装置的体积；克服了现有技术中体积难以缩小、通信距离太近的问题。
34.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
35.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
36.图1a是根据一示例性实施例示出的一种植入式无线通信装置的电路框图。
37.图1b是根据一示例性实施例示出的一种串联天线的示意图。
38.图1c是根据一示例性实施例示出的一种并联天线的示意图。
39.图2a是根据一示例性实施例示出的一种改进后串联天线的示意图。
40.图2b是根据一示例性实施例示出的一种改进后并联天线的示意图。
41.图3是根据一示例性实施例示出的一种不设天线的结构示意图。
42.图4是根据一示例性实施例示出的一种植入式通信装置的通信方法流程图。
43.图5是根据一示例性实施例示出的一种植入式通信装置的电路框图。
具体实施方式
44.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的方法和装置的例子。
45.由于本专利涉及生物体的植入式无线通信装置，因此先对植入式无线通信装置进行简单介绍。如图1a所示，植入式无线通信装置可以包括：供能模块、启动模块、信号产生模块、环境补偿模块、感知反馈模块、信息存储模块、发射模块。
46.供能模块为所述系统提供电力供应，其可采用无线供电或电池供电。启动模块控制所述系统的启动，其根据所述供能模块的输出可设置为工作模式或休眠模式，所述启动模块在工作模式时用以复位所述系统并保证所述系统状态正常。信号产生模块根据其他模块的反馈产生通信信号，为核心功能模块。
47.环境补偿模块根据外界环境因素变化对所述信号产生模块产生的通信信号进行补偿，所述外界环境因素包括气压、温度和湿度。感知反馈模块感知所述系统周围温度和压力的变化，并将感知到的数据反馈给所述信号产生模块。信息存储模块预先存储设备的唯一识别信息。
48.发射模块将所述信号产生模块生成的通信信号发射至体外，还用以隔离外部负载对所述信号产生模块的影响。
49.在近场通信系统中，发射模块为前端线圈l1和电容c1串联(图1b)，或线圈l2和电容c2并联(图1c)，通过lc谐振方式将能量发射出去，电路拓扑如图1所示。
50.近场通信系统中，优点为模块无源化、模块可以小型化(通信电线除外)、低频信号利于体内外传输，缺点在于通信天线尺寸占据一定体积、低频近场通信距离限制。本专利提供的方案旨在改进近场通信中的缺点，解决天线尺寸占据较大体积、低频近场通信距离限制的问题。
51.本技术提供两种可行的实施例。
52.实施例一、如图2所示，保留原有的谐振电路(串联、并联均可)，在拓扑中引出一组电极，直接接触生物体。图中所示p点，预留出金属导体，直接跟生物体组织接触。利用生物体的导体性能，将生物体作为通信的天线，将能量传导到生物体表面，再利用生物体的天线效应，将能量发射出去。这种方案的优势是通信距离远，适合于远距离通信场景。
53.实施例二、如图3所示，去掉原有的谐振电路，信号产生模块直接引出导线接触生物体，生物体即作为植入式通信系统的发射模块。利用生物体的导体性能，将生物体作为通信的天线，将能量传导到生物体表面，再利用生物体的天线效应，将能量发射出去。这种方案的优势是在保证通信距离的前提下，大幅度减小植入式模块的尺寸，适用于对植入式模块尺寸敏感的应用场景。
54.下面介绍本技术方案的技术原理。
55.假设信号产生模块产生信号f并将其从体内直接传输到生物体，经过生物体本身的生物特性b影响后，辐射至体外的信号为w，则有如下关系：
56.w＝b
×f57.其中，b为n
×
n矩阵，b
ij
为矩阵内生物特性参数，1≤i,j≤n，i、j均为正整数；f为n
×
1矩阵，fk为信号产生模块所产生信号的本征参数，1≤k≤n，k为正整数；w为n
×
1矩阵，w
l
为传输至体外信号的本征参数，1≤l≤n，l为正整数。植入式模块植入生物体的位置深度、生物体体重、体脂率等因素决定了生物特性矩阵b内参数大小。
58.图4是根据一示例性实施例示出的一种植入式通信装置的通信方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：
59.步骤s1、获取生物体的生物特性参数，并根据所述生物特性参数确定生物特性矩阵；所述生物体为植入了所述通信装置的生物体；
60.步骤s2、确定体外信号；所述体外信号为所述通信装置将生物体作为天线，发射到体外的电磁波信号；
61.步骤s3、根据体外信号和所述生物特性矩阵，解算出所述通信装置发射前的原始信号。
62.本技术的方案生成原始信号后，将原始信号传输到生物体上，以生物体作为天线将无线信号发射到体外，这样传输距离更远；并且本方案不设置天线，无需谐振线圈，从而能够减小植入式通信装置的体积；克服了现有技术中体积难以缩小、通信距离太近的问题。
63.应当理解的是，虽然图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
64.在一种优选例中，所述生物特性参数是通过传感器对生物体进行测量获得的。通过实验测定植入式模块植入生物体内后的生物特性矩阵b，所述生物特性参数包括如下项中的至少一项：体脂率、含水量、肌肉量、骨密度。
65.在一些实施例中，所述确定体外信号，包括：确定体外信号的本征参数；所述本征参数包括如下项中的至少一项：频率、相位、功率、幅度；根据所述体外信号的本征参数确定第一本征向量。信号产生模块所产生的信号本征参数f参数值包括频率、相位、功率、幅度，由此计算获得该植入式模块发射的信号辐射至体外时本征参数w，该参数值包括频率、相位、功率、幅度。信号产生模块的具体结构如图4所示。
66.更进一步的，当约定了植入式模块内信号产生模块的信号f
′
，外部接收端接收到的信号w
′
，则有如下关系：f
′
＝b-1
×w′
；其中b-1
为生物特性矩阵b的逆矩阵，b-1
×
b＝i，i为n阶单位矩阵。
67.在一种优选例中，通过实验测定植入式模块植入生物体内后的生物特性矩阵b，并以此获得其逆矩阵b-1
；从体外接收到信号本征参数w
′
，由此可计算出植入式模块上信号产生模块所产生的信号本征参数f
′
，并由此获得植入式模块的工作状态。
68.在一些实施例中，根据所述体外信号和所述生物特性矩阵，解算出所述通信装置发射前的原始信号，包括：计算所述生物特性矩阵的逆矩阵；将所述生物特性矩阵的逆矩阵与第一本征向量相乘，获得第二本征向量；根据所述第二本征向量确定发射前的原始信号。
69.在一些实施例中，所述方法还包括：根据所述第二本征向量生成原始信号；将所述原始信号通过电极传输到生物体组织，以使生物体作为天线发射出无线信号。
70.本技术的方案采用上述实施例，无需谐振线圈，植入模块体积减小；直接以生物体作为天线，传输距离更远。
71.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
72.图5是根据一示例性实施例示出的一种植入式通信装置的电路框图。参照图5，该装置包括：传感器单元、信号合成单元、输出单元。传感器单元用于对生物体进行检测，获得生物体的生物特性参数。信号合成单元用于执行如上任意一种实施例所述的通信方法，生成原始信号。输出单元用于将所述信号合成单元输出的原始信号传输到生物体组织，以使生物体作为天线发射出无线信号。在一些实施例中，所述输出单元为电极。
73.在一些实施例中，所述传感器单元包括如下项中的至少一项：体脂传感器、湿度传感器。所述传感器单元将检测获得的生物特性参数发送至所述信号合成单元。
74.在一些实施例中，所述信号合成单元确定体外信号的步骤包括：确定体外信号的本征参数；所述本征参数包括如下项中的至少一项：频率、相位、功率、幅度；根据所述体外信号的本征参数确定第一本征向量。
75.在一些实施例中，所述信号合成单元解算原始信号的步骤包括：计算所述生物特性矩阵的逆矩阵；将所述生物特性矩阵的逆矩阵与第一本征向量相乘，获得第二本征向量；根据所述第二本征向量确定发射前的原始信号。
76.关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。上述植入式通信装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
77.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
78.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
79.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
80.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
81.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步
骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
82.此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
83.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
84.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
85.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。