用于植入体的处理器唤醒电路及唤醒系统的制作方法

1.本实用新型属于植入体监控领域，具体涉及一种用于植入体的处理器唤醒电路及唤醒系统。


背景技术：

2.植入体是由生物医学材料制成、部分或全部埋入上皮表面以下的医疗器械，其包括人工心脏瓣膜、人工血管、人工关节和人工种植牙等植入性假体以及接骨螺钉、心脏起搏器和接骨板等临时性植入的辅助装置。植入体一旦完成植入人体，需要其具备十年以上的使用寿命。例如，在脑机接口领域，植入场景下，植入式脑机接口系统稳定可用时长不应小于1年，常规情况下，医疗器械的理想植入时间是10年以上。
3.现有的植入体大多都采用不可充电的大容量电池或可充电的小容量电池供电。这两种电池均具有功能单一且不可更换的属性，因此现有的植入体对系统功耗的要求极高。为了节省功耗，现有技术中大多采用软件定时唤醒检测方法，即在软件上设置定时器，每隔一段时间唤醒一次主系统，主系统被唤醒后，即开始采集病灶标识信号数据并进行分析，以进行病灶的发生判定。然而，本实用新型发明人在研发过程中发现，这种方法存在电池电量消耗与病灶检测实时性之间的矛盾，主要表现在以下两方面：一方面，当间隔很短时间就唤醒一次主系统时，系统随即进入到工作状态，开始采集病灶标识信号并进行分析，此种状态下电池电量消耗普遍较高，时间线拉长后会严重影响植入体电池的使用寿命；另一方面，当间隔较长时间唤醒一次主系统时，电池电量总体消耗会降低，但会带来病灶标识信号检测遗漏的问题，即病灶发生时，主系统不能及时发现。因此，现有技术无法在超低功耗下对病灶标识信号进行实时监测。


技术实现要素：

4.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本实用新型提供了一种用于植入体的处理器唤醒电路及唤醒系统。
5.根据本实用新型实施例的第一方面，本实用新型提供了一种用于植入体的处理器唤醒电路，其包括顺次连接的无源高通滤波电路、直流偏置分压电路、交流信号放大电路和无源低通滤波电路；
6.向所述无源高通滤波电路输入电生理信号，所述无源低通滤波电路用于输出病灶标识信号，所述病灶标识信号用于触发植入体中的处理器。
7.上述用于植入体的处理器唤醒电路中，所述无源高通滤波电路包括第一电容和第二电阻，所述第一电容的一端用于输入电生理信号，其另一端与所述交流信号放大电路连接，且通过所述第二电阻接地。
8.进一步地，所述直流偏置分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端用于连接供电电压，其另一端通过所述第二电阻接地。
9.更进一步地，所述交流信号放大电路包括运算放大器、第三电阻、第四电阻和第二
电容；所述运算放大器的v+端连接供电电压，其v-端接地；所述运算放大器的同相输入端与所述第一电容和第二电阻连接的一端连接，其输出端连接所述无源低通滤波电路，且通过所述第四电阻连接反相输入端；所述运算放大器的反相输入端依次通过所述第三电阻和第二电容接地。
10.更进一步地，所述无源低通滤波电路包括第五电阻和第三电容，所述第五电阻的一端与所述运算放大器的输出端连接，其另一端与主系统中处理器的io口连接，且通过所述第三电容接地。
11.根据本实用新型实施例的第二方面，本实用新型还提供了一种用于植入体的唤醒系统，其包括处理器以及上述任一项所述的用于植入体的处理器唤醒电路，所述处理器中设置有io唤醒阈值，所述处理器接收所述处理器唤醒电路输出的病灶标识信号，所述处理器进行自我唤醒或休眠。
12.根据本实用新型的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本实用新型通过硬件电路实现对病灶标识信号的低功耗、实时监测，能够兼顾监测的低功耗和实时性；能够对小幅度病灶标识信号进行实时自动监测。本实用新型通过在第一电容和运算放大器的同相输入端之间设置直流偏置分压电路，利用添加固定直流偏置的方式将交流信号的零点抬高，这样使得交流信号放大电路中的运算放大器就可以采用单电源供电，从而精简电源电路的架构。
附图说明
13.下面的所附附图是本实用新型的说明书的一部分，其示出了本实用新型的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本实用新型的原理。
14.图1为本实用新型具体实施方式提供的一种用于植入体的处理器唤醒电路的结构示意图。
15.图2为本实用新型具体实施方式提供的一种用于植入体的处理器唤醒电路的原理图。
16.图3为本实用新型具体实施方式提供的一种用于植入体的处理器唤醒方法中处理器的工作流程图。
17.图4为本实用新型具体实施方式提供的一种用于植入体的处理器唤醒电路的仿真电路图。
18.图5为本实用新型具体实施方式提供的在信号源v1的输出端测得的波形图。
19.图6为本实用新型具体实施方式提供的在运算放大器u1的输出端测得的波形图。
20.附图标记说明：
21.1、无源高通滤波电路；2、直流偏置分压电路；3、交流信号放大电路；4、无源低通滤波电路；5、处理器。
具体实施方式
22.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本实用新型所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本

技术实现要素：
的实施例后，当可由本实用新型内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱
离本实用新型内容的精神与范围。
23.本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
24.关于本文中所使用的“第一”、“第二”、
…
等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本实用新型，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
25.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
26.关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
27.关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
28.某些用以描述本实用新型的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本实用新型的描述上额外的引导。
29.如图1所示，本实用新型实施例提供的用于植入体的处理器唤醒电路包括顺次连接的无源高通滤波电路1、直流偏置分压电路2、交流信号放大电路3和无源低通滤波电路4。
30.其中，无源高通滤波电路1用于对病灶标识信号的低频分量进行滤除，以便于对信号进行后级处理。直流偏置分压电路2用于对供电电压vcc进行分压，以得到需要添加的直流偏置电压。交流信号放大电路3用于对微弱的交流信号进行高增益放大。无源低通滤波电路4用于对高频干扰信号进行滤除，以避免高频干扰信号对主系统中处理器5的误触发。处理器5对处理器唤醒电路处理后输出的病灶标识信号进行检测，并根据检测结果进行自我唤醒。
31.如图2所示，无源高通滤波电路1包括第一电容c1和第二电阻r2，第一电容c1的一端用于输入电生理信号，其另一端与交流信号放大电路3连接，且通过第二电阻r2接地。无源高通滤波电路1的截止频率可以根据实际应用需求通过改变第一电容c1和第一电阻r1的参数值进行调整。
32.直流偏置分压电路2包括第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1的一端用于连接供电电压vcc，其另一端通过第二电阻r2接地。第一电阻r1和第二电阻r2用于电压对vcc进行分压，以得到需要添加的直流偏置电压。在实际应用中，可以根据实际的偏置电压需要，为第一电阻r1和第二电阻r2选择合适的阻值。
33.交流信号放大电路3包括运算放大器u1、第三电阻r3、第四电阻r4和第二电容c2。其中，运算放大器u1的v+端连接供电电压vcc，其v-端接地；运算放大器u1的同相输入端与第一电容c1和第二电阻r2连接的一端连接，其输出端连接无源低通滤波电路4，且通过第四电阻r4连接反相输入端；运算放大器u1的反相输入端依次通过第三电阻r3和第二电容c2接地。
34.运算放大器u1采用超低功耗的运算放大器，其与外围匹配第三电阻r3和r4组合实现交流小信号的高增益放大。
35.由于第二电容c2具备隔直流通交流的特性，因此交流信号在经过运算放大器u1时可以通过第二电容c2找到参考地，进而实现信号的放大；但是直流信号在经过运算放大器u1时无法通过第二电容c2找到参考地，因此直流信号无法实现放大，会准确地保留其原有
幅值。
36.由于第一电容c1和运算放大器u1均对直流信号呈现无穷大的高阻抗特性，因此第一电容c1之前和运算放大器u1之后的电路都不会对直流偏置分压电路2中的第一电阻r1和第二电阻r2的分压产生任何影响。在第一电容c1与运算放大器u1的同相输入端之间添加直流偏置电压，可以把交流信号的零点抬高，这样交流信号放大电路3中的运算放大器u1就可以采用单电源供电，使得植入体中的电源供电电路得到精简。
37.无源低通滤波电路4包括第五电阻r5和第三电容c3，第五电阻r5的一端与运算放大器u1的输出端连接，其另一端与主系统中处理器的io口连接，且通过第三电容c3接地。无源低通滤波电路4的截止频率可以根据实际应用需求通过改变第五电阻r5和第三电容c3的参数值进行调整。
38.主系统中的处理器5用于进行电平检测与唤醒。处理器5的io中断唤醒电平是固定的，当病灶未出现时，病灶标识信号的幅值很小，病灶标识信号依次经过无源高通滤波电路1、直流偏置分压电路2、交流信号放大电路3和无源低通滤波电路4处理后，其幅度低于处理器5的io唤醒阈值；但当病灶出现时，病灶标识信号依次经过无源高通滤波电路1、直流偏置分压电路2、交流信号放大电路3和无源低通滤波电路4处理后，其幅度超过处理器5的io唤醒阈值，进而实现主系统处理器的唤醒。
39.如图3所示，主系统中处理器5的唤醒过程为：
40.处理器5接收处理器唤醒电路输出的病灶标识信号。
41.处理器5判断病灶标识信号的幅值是否大于io唤醒阈值；如果是，则唤醒处理器5；否则，处理器5继续休眠。
42.如图4所示，本实用新型采用电路仿真软件multisim对上述用于植入体的处理器唤醒电路进行了仿真验证。
43.其中，信号源的信号特征为：vpp＝2mv，f＝100hz，偏置dc＝1mv。r1＝1.8mω，r2＝200kω，r3＝1kω，r4＝300kω，c1＝0.1uf，c2＝100uf，
44.通过以上参数可知，信号源v1输出的信号经过无源高通滤波电路1、直流偏置分压电路2和交流信号放大电路3后，运算放大器u1的输出信号应该具备的特征为：vpp＝604mv，f＝100hz，偏置dc＝300mv(为了方便观测设置的偏置电压，实际使用时可以把偏置电压设置得再高一些，以便满足电平触发条件)。
45.仿真后，在信号源v1的输出端测得的波形如图5所示，在运算放大器u1输出端测得的波形如图6所示。该仿真结果与预期结果一致。
46.本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒电路采用超低功耗电路实现了在超低功耗下病灶标识信号的实时监测，并根据监测结果对处理器进行唤醒；能够兼顾病灶监测的低功耗和实时性，以更低的功耗实现对病灶标识信号的实时监测。
47.基于本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒电路，本实用新型还提供了一种用于植入体的处理器唤醒方法，其包括以下步骤：
48.s1、设置超低功耗且能够进行实时监测的用于植入体的处理器唤醒电路，该电路用于对人体内的病灶标识信号进行监测，并当监测到病灶标识信号时唤醒植入体中主系统的处理器5。
49.s2、在病灶标识信号监测期间，使用于植入体的处理器唤醒电路处于工作状态，植
入体的主系统处于休眠状态。
50.由于用于植入体的处理器唤醒电路具备超低功耗属性，其运行期间所消耗的功耗几乎可以忽略不计，而主系统一直处于休眠状态，不需要定时唤醒并进入工作状态，因此从植入体的整个运行期间看，能够有效地降低植入体整体的运行功耗，可以很大程度上延长植入体电池的使用寿命。
51.s3、当用于植入体的处理器唤醒电路监测到病灶标识信号时，用于植入体的处理器唤醒电路的输出信号通过io中断触发唤醒主系统的处理器5，其具体过程为：
52.在处理器5中设置有io唤醒阈值。
53.处理器唤醒电路输出的病灶标识信号输入处理器5中。
54.处理器5判断病灶标识信号的幅值是否大于io唤醒阈值；如果是，则唤醒处理器5；否则，处理器5继续休眠。
55.用于植入体的处理器唤醒电路在植入体工作的全时段运行，能够实现对病灶标识信号的实时监测。而病灶标识信号一旦出现，用于植入体的处理器唤醒电路就通过io中断触发唤醒主系统的处理器5，这样就能够在更低功耗下，实现对病灶信号的实时监测以及对主系统的处理器5的唤醒。
56.本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒方法采用超低功耗电路实现了在超低功耗下病灶标识信号的实时监测，并根据监测结果对处理器进行唤醒。
57.用于植入体的处理器唤醒电路一直处在运行状态，病灶一旦发生，病灶标识信号会变大，用于植入体的处理器唤醒电路就会触发唤醒主系统中的处理器5进行复核，这样就保证了病灶标识信号监测的实时性，避免了病灶信号的检测遗漏。
58.通过选用静态电流在百na级别的超低功耗运算放大器，搭配无源滤波电路，本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒电路总体的运行功耗更低，能够很大程度上延长植入体电池的使用寿命。
59.本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒方法采用的用于植入体的处理器唤醒电路适用于监测小幅度病灶标识信号。小幅度病灶标识信号的幅值通常在50uv～1mv之间，且带有一定的偏置量，常规的处理方式是高通隔直后，使用双电源供电的运放对信号进行放大，然后使用模数转换器对信号进行间歇性采集以进行后续判定。
60.本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒电路中的直流偏置分压电路2通过添加固定直流偏置的方式把交流信号的零点抬高，这样交流信号放大电路3中的运算放大器u1就可以采用单电源供电，电源电路架构得到了精简。常规电平触发的阈值普遍在1.4v以上，幅值极低的病灶标识信号经过有限增益的交流放大后，很难达到常规电平触发的阈值。直流偏置分压电路2为处理器5添加了一个有效的直流偏置，便于实现电平的检测与触发唤醒。交流信号放大电路3巧妙地利用电容隔直流阻交流的特性，在准确保留直流偏置分压电路2添加的直流偏置电压的同时，实现了交流信号的放大。无源低通滤波电路4实现了高频干扰信号的滤除，规避了高频干扰信号导致的系统误触发唤醒。处理器5实现了病灶标识信号电平检测与唤醒。
61.以30天为一个计算周期，下面对现有技术中采用软件定时唤醒检测方法和本实用新型用于植入体的处理器唤醒方法在同一系统中的监测功耗进行对比。
62.假设主系统休眠状态下的电流消耗为0.01ma，主系统进入工作状态下的电流消耗
为1ma，功耗计算结果如下：
63.a.采用软件定时唤醒检测方法
64.假定每隔60s唤醒一次主系统，主系统被唤醒后，即开始采集病灶标识信号并进行分析，以进行病灶的发生判定。假定整个采集判断过程持续时间为1s，若一个月内没有发病，其监测所消耗的电池电量约为：708h*0.01ma+12h*1ma＝19.08mah。
65.b.采用本实用新型用于植入体的处理器唤醒方法
66.经过严格器件选型，用于植入体的处理器唤醒电路运行所需要的供电电流约为0.001ma，若一个月内没有发病，其监测所消耗的电池电量约为：30d*24h*(0.001ma+0.01ma)＝7.92mah。
67.以上是基于低通量采集计算系统来做的对比，如果系统通量成倍数增加，系统所用处理器运行在工作模式下所需的供电电流会更大，本实用新型用于植入体的处理器唤醒方法的功耗优势会更加明显。
68.由于本实用新型用于植入体的处理器唤醒方法中采用硬件电路进行监测，与软件定时唤醒检测方法相比，硬件监测电路的工作具有实时性，因此能够有效地增强病灶标识信号监测的实时性。
69.在病灶监测期间，主系统处于休眠状态，能够最大程度地降低电池电量消耗；当病灶发生时，主系统被唤醒，并进入工作状态。本实用新型提供的用于植入体的处理器唤醒方法利用用于植入体的处理器唤醒电路进行监测，当监测到病灶标识信号时，用于植入体的处理器唤醒电路的输出信号通过io中断触发唤醒主系统的处理器5；这样通过硬件电路进行监测能够很好地兼顾监测的低功耗和实时性，能够及时预判或发现病灶的发生，同时提高植入体电池的使用寿命。本实用新型不仅能够解决小幅度病灶标识信号实时自动监测的难题，还能够兼顾病灶监测的低功耗和实时性，以更低的功耗对病灶标识信号进行实时监测。
70.上述实施例提供的用于植入体的处理器唤醒方法与用于植入体的处理器唤醒电路实施例属于同一构思，用于植入体的处理器唤醒方法中处理器唤醒电路的具体实现过程详见用于植入体的处理器唤醒电路实施例，这里不再赘述。
71.上述的本实用新型实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本实用新型的实施例也可为在数据信号处理器中执行上述方法的程序代码。本实用新型也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列执行的多种功能。可根据本实用新型配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本实用新型揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本实用新型执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本实用新型的精神与范围。
72.以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

技术特征：
1.一种用于植入体的处理器唤醒电路，其特征在于，包括顺次连接的无源高通滤波电路、直流偏置分压电路、交流信号放大电路和无源低通滤波电路；向所述无源高通滤波电路输入电生理信号，所述无源低通滤波电路用于输出病灶标识信号，所述病灶标识信号用于触发植入体中的处理器。2.根据权利要求1所述的用于植入体的处理器唤醒电路，其特征在于，所述无源高通滤波电路包括第一电容和第二电阻，所述第一电容的一端用于输入电生理信号，其另一端与所述交流信号放大电路连接，且通过所述第二电阻接地。3.根据权利要求2所述的用于植入体的处理器唤醒电路，其特征在于，所述直流偏置分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端用于连接供电电压，其另一端通过所述第二电阻接地。4.根据权利要求3所述的用于植入体的处理器唤醒电路，其特征在于，所述交流信号放大电路包括运算放大器、第三电阻、第四电阻和第二电容；所述运算放大器的v+端连接供电电压，其v-端接地；所述运算放大器的同相输入端与所述第一电容和第二电阻连接的一端连接，其输出端连接所述无源低通滤波电路，且通过所述第四电阻连接反相输入端；所述运算放大器的反相输入端依次通过所述第三电阻和第二电容接地。5.根据权利要求4所述的用于植入体的处理器唤醒电路，其特征在于，所述无源低通滤波电路包括第五电阻和第三电容，所述第五电阻的一端与所述运算放大器的输出端连接，其另一端与主系统处理器的io口连接，且通过所述第三电容接地。6.一种用于植入体的唤醒系统，其特征在于，包括处理器以及如权利要求1-5任一项所述的用于植入体的处理器唤醒电路，所述处理器中设置有io唤醒阈值，所述处理器接收所述处理器唤醒电路输出的病灶标识信号，所述处理器进行自我唤醒或休眠。

技术总结
本实用新型提供了一种用于植入体的处理器唤醒电路及唤醒系统，用于植入体的处理器唤醒电路包括顺次连接的无源高通滤波电路、直流偏置分压电路、交流信号放大电路和无源低通滤波电路；向无源高通滤波电路输入电生理信号，无源低通滤波电路用于输出病灶标识信号，病灶标识信号用于触发植入体中的处理器。本实用新型通过硬件电路实现对病灶标识信号的低功耗、实时监测，能够兼顾监测的低功耗和实时性；能够对小幅度病灶标识信号进行实时自动监测。够对小幅度病灶标识信号进行实时自动监测。够对小幅度病灶标识信号进行实时自动监测。


技术研发人员：赵怀阔
受保护的技术使用者：上海阶梯医疗科技有限公司
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/7/12