（后勤工程学院 重庆 401311）
摘要：植入式视皮层假体需要与体外装置间进行信息交互，而完成这一任务的是信号传输系统。本文提出了几种多路信号无线传输系统的设计方案，给出了具体的设计思路和原理框图，并进一步分析了各种方案的设计重点及相应的优缺点。
关键词：视皮层假体；多通道；无线传输；复用；
1.引言
目前基于神经电刺激的视觉功能修复主要可以分为三种［1］［2］，视网膜修复（Retinal Prosthesis），视神经修复（Optic Nerve Prosthesis）以及视皮层修复（Cortical Prosthesis）。其中视皮层修复是通过旁路已经发生病变的视网膜和视神经，利用MEMS技术和工艺研制的一种外电刺激的神经假体，利用置于硬脑膜外或颅骨外的微电极阵列刺激视皮层，从而达到视觉修复的目的。
图1显示了视皮层假体的视觉修复原理。首先，体外的图像传感器采集图像信息，将该信息传递至信号处理器，进行处理、编码成电信号，通过能量与信号传递装置传送到体内植入部件，使微电极阵列产生电脉冲刺激视皮层以产生视觉。其间信号传递装置可以采用有线传输以及射频（RF）无线传输，传输的信号可以是单一通道信号也可以是多路信号。本文提出了几种多通道信号的无线传输系统设计方案，给出了具体的设计思路，并分析了方案的可行性和各自的优缺点等。
图1 基于视皮层刺激的视觉修复原理
2.信号多通道无线传输系统设计要求
信号多通道无线传输系统作为视皮层假体的核心组成部分，能够有效地进行体内外信息交互，满足植入体数据传输的各种要求。同以往的有线、单一通道传输相比，还具有无需外接导线、无感染风险的优点，并且能使患者产生更加形象的光幻视。
在本课题所研究的视皮层假体中，信号采用四通道收发，射频传输的接收装置要与微电极一起植入到硬脑膜和颅骨之间，考虑到植入环境，要求该接收装置体积要尽量小，线圈耦合率0.08~0.24，信号传输效率能够达到60%。
3.多路信号成一一对应关系进行传输
采用多个感应线圈组，一路信号唯一对应一组线圈，如图2所示，信号S1通过第一组线圈，即通道1进行传输，信号S4通过通道4传进接收电路。在这种设计方案中，信号在各通道间是并行传输的，每一通道都有自己独立的发射电路和接收电路，且各通道的电路设计原理相同。
每一路信号先经过调制电路以振幅调制（AM）的方式调制到高频载波信号上以备发射，为了使发射信号的能量满足体内刺激的需要，调制信号通过高频功率放大器进行能量放大，然后由发射线圈以高频电磁波的形式发射出去，接收线圈耦合发射线圈发射过来的磁信号，并感应出与载波频率一致的高频电信号，通过二极管峰值包络检波、低通滤波电路最终解调出所需信号。将四个通道的发射线圈和接收线圈分别按阵列的形式（2X2阵列）安置在体内外成一一对应关系，且每通道各自的发射线圈和接收线圈保证同轴放置，利用不同频率的载波信号进行调制解调实现了多通道的并行传输［3］。
利用时分复用技术进行数据传输，产生与恢复各路信号的电路结构相同，比频分复用系统的电路更容易实现超大规模集成，电路类型统一，设计、调试简单。容易控制各路信号之间的干扰（串话），合理设计码脉波形可使频带得到充分利用并且防止码间串扰。
4.2利用频分复用技术进行多路信号传输
频分复用（FDM）［5］是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分成若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。
利用频分复用技术进行多路信号传输的设计方案如图4所示（以两路信号为例），体外的发射电路由调制器、载频信号产生器、合路器以及发射线圈组成，体内的接收电路由分路器、解调器和接收线圈组成。两个调制器分别将处理过的采样信号调制到两个不同的载波频率上，调制后的信号由合路器组合成可以通过无线信道传输的复合信号，在接收端采用分路器将复合信号分开，再通过解调器解调后恢复成原来的信号。
图4多路信号频分复用传输示意图
在通信系统中，信道所能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多，因此，一个信道只传输一路信号是非常浪费的。而频分复用技术将信道分成几个不同的频段来传输多个信号，充分利用了信道的带宽，这是多路信号进行频分复用无线传输的优点。但是由于不同的频段之间需要有保护间隙，若加宽频率间隔，则使本来就十分拥挤的无线信道负担更重；若减少各频段的频率间隔，则各信道间的干扰就很难去除，容易使输出信号失真，这是频分复用技术的缺点所在。因此采用这种方法时需要合理的选择载波频率。
5.结束语
无线的信号传输有两个方面的内容，不但要从体外传输刺激信号给体内的微电极阵列，而且还要将体内假体的诊断信息输出到体外，同时体内的视皮层假体需要持续不断的电源能量。研究表明，低频的射频（RF）能够有效的为假体提供电源能量，而高速的数据通信却需通过高频的RF才能有效地进行传输，因此，如何选择传输频带，在双向的数据通信和能量供给之间找到平衡点就成为视皮层假体设计中的重点内容［6］。关于这些内容有待在后续研究中进一步进行针对性的设计。
参考文献：
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[2] 李莹辉，吴开杰，柴新禹等.视觉假体的发展与研究[J].中国医学物理学杂志，2007，24（5）：338-341.
[3] 郑小林，牟宗霞，侯文生等.基于微线圈阵列的多道神经电刺激信号透皮传输的初步实验研究[J].仪器仪表学报，2009，30（5）：1110-1115.
[4] 蒋琦，赵春宇，陈大跃等.神经信号经皮传输的电路设计与仿真实验[J].中国生物医学工程学报，2004，23（4）：347-352.
[5] 冯友谊.一种适合于实验教学的FDM传输系统的设计与实现[J].工程技术，2007，6（3）：65-71.
[6] G uoing wang，Wentai Liu，Mohanasankar Sivaprakasam，et al.A dual band wireless power and data telemetry for retinal prosthesis[A].Anon.Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference[C].New York，USA：IEEE，2006.4392-4395.
论文作者:王丽萍,江敏,张力,唐帅,葛敏
论文发表刊物:《电力设备》2015年5期供稿
论文发表时间:2015/12/23
标签：信号论文; 线圈论文; 皮层论文; 通道论文; 复用论文; 信道论文; 假体论文; 《电力设备》2015年5期供稿论文;