CN112312833A - 用于在感应式感测中使用的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种感应式感测设备(22)被用于在两个不同的频率下进行感测。所述设备包括天线(24)，所述天线包括至少两个环部分(30、32)，每个环部分被耦合到不同的相应的调谐电容器(36a、36b)，以由此为第一和第二环部分提供不同的相应的谐振频率。两个环部分被共同连接到共享的输入连接(38)以便接收用于驱动两个天线部分的驱动信号。控制器件(44)控制驱动电路(34)经由所述共享的输入连接向所述天线供应所述频率中的每个的驱动信号，实现在两者之间的切换。

Description

用于在感应式感测中使用的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于在用于将电磁信号耦合到介质内和从介质中出来的感应式感测中使用的设备。

背景技术

感应式感测能够用作对身体性质进行无创性研究的手段。

在一个有利的应用领域中，感应式感测能够用作无创性研究生理特征，尤其是心脏和肺动力学的手段。感应式感测基于磁感应并且与导电式感测和电容式感测相比具有许多优点。

与诸如生物阻抗测量的导电式感测相比，感应式感测的优点是不需要吸附式电极；可以在没有接触的情况下和/或通过非导电材料(例如，纺织品和塑料)执行感测。此外，感应式感测信号显著更不受易于遭受由于运动伪迹的破坏。

与电容式感测相比，感应式感测的优点是感应式感测基于磁场而不是电场，并且因此与仅在皮肤水平发生的电容式感测不同，感应式感测对身体内部穿透深度更大处的变化更敏感。这是因为磁场比电场能够更深地穿透身体，并且因此磁场能够用于测量身体内部更深处的性质变化，而电场主要用于测量皮肤表面处的作用，例如，皮肤性质(例如，介电常数)或皮肤的移动(皮肤接近度)的变化。

基于线圈的感应式传感器通过与电磁信号(即，电磁波或振荡)的感应式耦合来起作用，其中，信号传播通过线圈引起通过线圈的电流的变化，该电流的变化能够被测量并且用于石油传播的信号的性质(包括例如频谱、幅度和相位模式)。

电磁激励信号能够传播到待研究的身体中。电磁激励信号在身体中引起磁感应，即，因施加外部磁场而在身体组织中生成涡电流。这些涡电流继而生成从身体传播出去的电磁信号，该电磁信号与施加的场相互作用，这种相互作用能够被线圈感测到。

身体中的组织的移动能够表现为组织的局部区域的体积变化以及组织的导电性质或介电性质的变化。然后，这些变化引起对响应于电磁刺激而从身体中发出的电磁信号的幅度和/或相位调制。通过监测这些变化，能够检测和跟踪身体中的元素的移动和大小变化，并且能够跟踪电导率和介电性质的变化。例如，心脏收缩本身主要表现为血液移动，并且呼吸本身主要表现为肺的电导率变化。

身体内的不同结构对不同频率下的电磁刺激敏感。这能够具体地取决于结构的尺寸，而且还取决于其材料性质，例如其电导率性质。例如，高频测量主要对皮肤(并且因此也对运动)敏感，而中和/或低频信号对心脏和/或肺具有最佳的敏感性(但是也对运动敏感)。此外，不同的频率允许身体内的不同深度处的刺激。

能够在多于一种频率下刺激介质的感应式感测设备因此是有利的。

发明内容

本发明由权利要求来定义。

发明人所考虑的一种解决方案是使用可操作为在不同频率下驱动天线的自适应驱动机构。然而，已经发现对于这样的设备，高频操作模式仅能够生成弱磁场。这意味着感测分辨率被降低。

更具体地，发明人已经意识到，在单个天线的线圈在多个频率下被操作的情况下，高频振荡模式必定是差模或共模。在两种情况下，在这些模式下操作的天线作为强(电)耦极天线操作。这种行为对于感应式感测是不期望的，因为它致使天线对与正被探测的身体的电容式耦合高度敏感。这是导致源于身体内部的(目标)感应式感测信号中的噪声的生成的表面效应。这降低了感测的感应信号的强度并且因此任何导出的测量的准确性。

寻求一种用于在多个感应频率下进行感测的改善的感应式感测设备。

根据依据本发明的一个方面的范例，提供了一种用于在感应式感测中使用以便将电磁信号耦合到介质内和从介质中出来的设备，所述设备包括：

天线，所述天线至少包括第一环部分和第二环部分，每个环部分与相应的电容器耦合以定义所述第一环部分的第一谐振频率和所述第二环部分的第二谐振频率，所述谐振频率是不同的，并且

所述两个环部分被共同连接到共享的输入连接以便接收用于驱动两个所述环部分的驱动信号；

驱动电路，其被连接到所述共享的输入连接，并且适合于在所述谐振频率中的每一个处驱动所述天线；以及

控制器件，其适合于实施所述驱动电路在所述两个频率之间的切换。

所述设备实际上是用于生成电磁信号的信号生成设备，所述电磁信号用于激励涡电流在被探测介质中的生成。当由涡电流感生的次级电磁信号被返回到天线时，这些在一些实施例中可以例如借助于耦合的信号生成电路来检测。因此，信号生成设备可以被提供。

本发明基于双环结构的使用。提供了均被配置有不同谐振频率的两个不同的环部分，但是两个部分由单个输入馈送端进行馈送。这意味着天线能够与在它仅由单个环部分组成的情况下相同的方式被操作，供应馈送两个环部分的单个驱动线。然而，通过简单地在两个谐振频率之间改变供应频率，两个环部分中的不同环部分能够被诱发为谐振。这意味着单个天线选择性地能够在两个不同的频率下谐振，并且因此能够在两个不同的频率下生成相当强度的信号。在第一频率下，第一环部分提供信号强度贡献的主要部分，在第二频率下，第二环部分提供信号强度贡献的主要部分。每个环部分因此有效地充当单独的天线(或单独的谐振器)，但是与共同的驱动信号输入电耦合。

因此，在不损害两个频率中的一个中的场强的情况下，多频率信号生成是可能的。

驱动电路可操作为在谐振频率中的一个或另一个下一次提供共同的驱动信号。

通过选择性地在环部分的不同谐振频率之间切换共同驱动信号的频率，这由此切换不同环部分中的哪一个(主要)在给定时间处激活(即其被谐振地振荡)。

该设备有利地应用于感测响应于电磁激励信号传播到介质内而从介质发射的电磁信号。激励信号能够通过使天线在谐振频率中的一个下谐振而被生成。保持天线接近介质(诸如身体)，信号被感应地耦合到介质内，并且感应的电磁响应信号(通常同时)被耦合出来。这种相互耦合诱发线圈中的电流的电特性的变化，其能够被检测以导出被激励介质的性质。

设备包括控制器件。在一些情况下，驱动电路本身可以包括控制器件，即驱动电路可以包括用于实施切换功能的集成控制电路或控制单元或处理器。

控制器件可以被配置为根据预定义的控制程序或控制安排来实施驱动电路在两个谐振频率之间的切换。这例如可以被存储在本地或远程存储器中。

本公开中讨论的范例主要涉及包两个环部分的范例布置。然而，根据本发明的进一步范例可以包括多于两个环部分(即三个或更多个环部分)，每个包括定义该部分的相应不同谐振频率的相应电容器。这因此将会允许单个天线在三个或更多个不同的频率下操作，其中，频率的数量可根据需要而扩展。

在这种情况下，三个或更多个环部分中的每一个将会被类似地连接到所述共享的输入连接以便接收用于驱动所有环部分的驱动信号，并且在这种情况下，控制器件适合于实施驱动电路在三个或更多个频率之间的切换。

第一和第二环部分被电性地连接到共同的输入连接，例如被传导性地耦合到共同的输入连接。

优选地，两个环部分被电性并联地连接(到所述共享的输入连接)。

驱动电路被电性地连接到共同的输入连接，例如被传导性地耦合到共同的输入连接，例如通过导线。

每个环部分的谐振频率意味着环谐振的当前频率。

每个环部分可以是闭环部分，即每个环部分形成或定义相应的闭环。这些相应的闭环是分开的。然而，定义不同环部分的线可以由一个或多个共享的环区段部分地形成。

每个环部分形成天线(电路)的单独电路分支。两个环部分可以被连接到共同的接地。

每个环部分可以由单匝环形成。保持绕组的数量小有利地最小化电线之间的电容效应。然而，单个绕组不是必要的，并且在其他范例中，一个或两个环部分可以包括更多绕组。

每个环部分定义单独的相应的内部区域。第一和第二环部分可以定义或界定相应的内部区域。例如，两个环可以邻近彼此进行布置。内部区域意味着由环界定的开放内部区域。

所述天线可以包括形成每个环部分的一部分的至少一个共享的环区段。因此，两个环部分被共享的环区段接合。

所述共享的环区段的终端可以形成所述天线的所述共享的输入连接，用于接收驱动信号。通过向共享的环区段供应驱动信号，两个环部分被同时供应。

第一和第二环部分均可以由同轴线形成，即每个由同轴线的一个或多个环形成。通过线意味着环的信号承载线，例如电线。在这种情况下，每个环部分包括内芯线部分和同轴环绕的管状外线部分。交替的信号在内芯导体部分与外环绕导体部分之间被驱动。

所述控制器件可以适于在至少一个控制模式下在所述两个谐振频率之间交替地切换所述驱动电路。

切换的频率能够根据期望而被调整。在一组范例中，频率可以依据正被监测的生理现象的持续时间进行配置。具体地，它可以被设置得足够快，使得生理过程被两个环部分捕获。例如，切换循环(在两个频率之间并且再次回来)的周期可以被设置为小于被监测现象的持续时间，并且优选地小于所述持续时间的一半，并且更优选地小于所述持续时间的四分之一。

对于典型的应用，在4-200Hz之间的切换(采样)频率适合于确保现象被两个环部分捕获。低频(诸如4-20Hz)对于相对低的功率(低细节)应用是有用的，而20-200Hz在更高的时间分辨率下监测时是有用的，以更详细地分辨生理波形特征。为了节省功率，任选地，控制器件可以在频率之间的切换循环内包含闲置时间，在此期间环部分中没有一个是操作的。

所述天线可以被配置为使得所述第一和第二环部分占据共同的平面。在这种情况下，所述第一和第二环部分可以定义不交叠的相应的内部区域。

在其他范例中，所述第一和第二环部分可以定义交叠的相应的内部区域。例如，一个环部分可以被嵌入在另一个内，例如其中，两者被结合到形成每个环部分的一个部分(例如一侧)的共同边缘区段。这种交叠布置在感应式感测能力方面实现与非交叠布置相当的性能，并且提供减小的外形尺寸的额外优点。

在任一情况下，天线因此可以以平坦或扁平构造进行配置。这可以通过例如使用标准电路打印技术由打印电路板(PCB)材料形成天线来实现。

根据有利的一组实施例，所述设备包括平坦接地平板元件，所述平坦接地平板元件与所述天线电耦合用于使所述天线的两个环部分接地。天线优选地通过绝缘空间或介质(例如空气或介电材料)与接地平板分开。

在这种情况下，天线可以具有平坦构造，并且其中，平坦接地平板元件以与平坦天线的平坦面对关系进行布置。两者被空间或间隙、或被中间介质或层空间地分开。两者可以单独地例如由介电层支撑。

在这种情况下或在另外的情况下，所述接地平板元件可以执行电磁屏蔽功能。

所述第一和第二环部分均可以定义相应的内部区域，并且其中，所述平坦接地平板元件包括通过所述平板元件的至少一个开口，所述开口具有横向地延伸穿过所述内部区域中的一个或两个的主要部分的平坦区域。开口允许电磁信号的向外传输以便与介质耦合。

开口意味着孔：开口延伸通过板从一个平坦侧到另一侧。在本公开中，主要部分意味着(多于一半或大部分)的大多数部分。

在一个范例中，所述平坦接地平板元件可以包括延伸穿过两个所述内部区域的主要部分的单个开口。

在替代范例中，所述接地平板元件可以包括两个间隔开的开口，优选地均具有延伸穿过所述内部区域中的不同相应内部区域的主要部分的区域。

在任一情况下，给定开口的形状可以类似于或基本上类似于(在数学意义上)天线的外周边或天线的环部分中的一个的外周边。在这种情况下，给定开口具有与总体天线的或它的一个环部分的外部或轮廓形状相同的形状。

在单个开口被提供的情况下，所致的天线结构导致EM波具有垂直于板的平面传播的分量(在平坦天线与板平行布置的情况下)。

在两个开口被提供的情况下，作为结果的天线结构导致EM具有平行于板的平面传播的分量。

接地平板元件可以额外地或备选地包括从接地平板的外边缘向内延伸的狭槽或间隙。它可以从板的外边缘延伸到所述一个或多个开口。它纵向地穿过天线的线的至少一个区段。可以存在被提供为穿过形成天线的环部分中的每一个的线的此类间隙或狭槽。

所述感测设备可以包括用于导出与在所述天线处接收的信号相关联的一个或多个信号特性的信号处理器件。在一些范例中，这可以与控制器件集成在一起。

信号处理器件允许导出从介质被耦合到天线的信号的特性。在一些情况下，这可以包括感测运行通过天线的线的电流的电性质(例如频率、振幅、返回损失)(的变化)。

信号处理器件可以适于基于感测的信号特性来导出一个或多个生理参数。这些可以例如是一个或多个生命体征，包括例如心率、脉搏率、呼吸能力、呼吸率、每搏输出量、每搏输出量变化、心输出量或主动脉或动脉脉搏高度/压力/直径调制。

所述设备可以是用于感测对象的身体的一个或多个生理参数的生理感应式感测设备。通过范例，生理参数可以包括上面提及的生命体征中的一个或多个。

根据本发明的又一方面的范例提供了一种用于在感应式感测中使用的信号生成方法，包括在两个不同的频率下将电磁信号耦合到介质内，所述方法利用天线，其中，所述天线包括：

至少第一环部分和第二环部分，每个环部分与相应的电容器耦合以定义所述第一环部分的第一谐振频率和所述第二环部分的第二谐振频率，所述谐振频率是不同的，并且

所述两个环部分被共同连接到共享的输入连接以便接收用于驱动两个所述环部分的驱动信号；

并且所述方法包括：

在所述谐振频率中的每一个处驱动所述天线，所述驱动包括在所述两个谐振频率之间切换。

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并且得以阐明。

附图说明

为了更好地理解本发明并且为了更清楚地示出它可以如何被实施，现在将会仅以范例的方式参照附图，其中：

图1示意性地图示了使用环天线的对象的胸部的刺激；

图2示出了根据实施例的范例感应式感测设备；

图3和4示出了根据实施例的用于范例感应式感测设备的范例天线和屏蔽布置；

图5和6示出了根据实施例的用于又一范例感应式感测设备的又一范例天线和屏蔽布置；

图7和8示出了根据实施例的用于又一范例感应式感测设备的又一范例天线和屏蔽布置，所述天线具有交叠的环部分；并且

图9示出了范例信号处理电路的方框图。

具体实施方式

将参考附图描述本发明。

应当理解，详细描述和具体范例在指示装置、系统和方法的示范性实施例的同时，仅旨在用于图示的目的，而不旨在限制本发明的范围。根据以下描述、所附权利要求和附图将更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅仅是示意性的，并且未按比例绘制。还应当理解，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。

本发明提供了一种用于在两个不同的频率下感测的感应式感测设备。所述设备包括天线，所述天线包括至少两个环部分，每个环部分被耦合到不同的相应的调谐电容器，以由此分别为第一和第二环部分提供不同的第一和第二谐振频率。两个环部分被共同连接到共享的输入连接以便接收用于驱动两个天线部分的驱动信号。控制器件控制驱动电路经由所述共享的输入连接向所述天线供应所述频率中的每一个的驱动信号，实现在两者之间的切换。

本发明的实施例基于感应式耦合的原理工作，其中，线圈或电线因暴露于时变磁场而在其两端感应出电位差。本发明的实施例使用该原理通过感测在被放置为靠近身体的环天线中生成的电流的特性的变化来测量在介质或身体的区域内生成的电磁信号的强度。可以感测线圈的电感的变化，其中，例如基于线圈电路的变化的谐振特性来检测这些变化。

本发明的实施例可以用于感测响应于发射到身体中的电磁激励信号而由身体发射的电磁信号。在有利的范例中，用于生成激励信号的线圈天线与用于感测返回的电磁信号的线圈天线可以是同一天线。

图1示意性地图示了该原理，图1示范性地示出了利用靠近对象的胸部12的交流电来驱动环天线10(非根据本发明)以将电磁信号16传播到胸部中。

结果，在胸部内感应出涡电流14。由于法拉第感应定律，涡电流自然地生成，由此响应于时变磁场的存在而在导电介质中感应出电动势(EMF)。

涡电流继而引起生成与由主天线10生成的磁场频率相等频率的时变磁通量18。这些通量引起电磁波(信号)18的传播，该电磁波(信号)18能够在天线10处被感测到。

根据有利的范例，该设备可以用于感测生理参数和特性，例如，对象的身体中的空气、流体和/或组织移动。该系统可以特别有利地应用于感测例如呼吸移动。

在这些范例中，该设备能够用于通过感测由这些移动引起的信号的反射电感中的调制来感测(例如由呼吸或心脏跳动引起的)空气、流体和/或组织移动。

应当理解，身体中的组织的移动能够包括组织的体积的变化。这些调制引起电磁信号的幅度调制和/或相位调制。

响应于被发射到对象的身体中的电磁激励信号，身体发射调制的电磁信号。当组织、空气或流体移动或膨胀和收缩时，在介质中生成的涡电流改变形状和形式，从而引起返回的EM信号的调制。这允许感测身体的表面下方的变化和移动。

提供能够使用多于一个频率的感应电磁信号执行感测的感应式感测设备是有益的，因为身体的不同结构(例如肺部、心脏、皮肤)对不同频率更加或更不敏感。提供能够生成多于一个频率的信号的简单感应式感测布置是有挑战性的，其中，信号在两个频率下都具有高强度。

发明的解决方案提供了允许生成在低和高频范围内的强磁场以在两个不同的频率下测量体内涡电流同时保持单个天线输入连接用于驱动信号的环天线设计。

图2示出了根据本发明的实施例的范例感应式感测设备。

设备22包括天线24，所述天线具有第一环部分30和第二环部分32。每个环部分定义独特的闭环，并且形成天线电路的独特的分支。第一环部分电容C1的第一调谐电容器36a耦合，电容C1定义第一环部分的第一谐振频率f₁。第二环部分与电容C2的第二电容器36b耦合，电容C2定义第二环部分的第二谐振频率f₂。第一和第二谐振频率是不同的。例如，这能够通过将C1和C2选择为不同于彼此来实现。

两个环部分30、32被共同连接到共享的输入连接38以便接收用于驱动两个环部分的驱动信号。共同的输入驱动信号一起驱动两个环部分。振荡器电路42形式的驱动电路被电耦合到共享的输入连接，并且可操作为至少在每个谐振频率下驱动天线24。在该范例中，驱动电路例如通过连接导线(例如电性)被传导地耦合到共享的输入连接。

进一步提供了控制器44形式的控制器件，控制器44与驱动电路42可操作地耦合，所述控制器适合于实施驱动电路在两个谐振频率f₁、f₂之间的切换。以这种方式，感测设备22适合于在两个谐振频率下顺序地驱动天线24。在进一步的范例中，控制器可以与驱动电路集成在一起。

由于每个环部分30、32被配置有不同的谐振频率，每个环部分在该布置中有效地充当单独的调谐天线(或单独的谐振器电路)，但是其中，两者被共同连接到共同的信号输入馈送端38。简单地通过在第一谐振频率f₁或第二谐振频率f₂下驱动天线24，分别引起第一或第二环部分谐振，由此生成该频率的强磁感应信号以便耦合到感兴趣介质内。因此，两个不同的频率的信号能够在高磁场强度下被生成，同时保持单连接天线设计。

根据本范例，第一和第二环部分均由同轴线形成。同轴线包括被管状导体屏蔽物52b部分同轴地环绕的内导体芯52a部分。芯和屏蔽物部分被管状绝缘(介电)层分开。尽管同轴线被用于该范例，但这对本发明不是必要的，并且在其他范例中，备选导线可以被使用。各种备选方案对本领域技术人员来说将会是显而易见的。

第一30和第二32环部分两者被连接到共同的接地，具体地形成每个环部分的同轴电缆的外屏蔽物部分被连接到共同的接地。

优选地，使天线24的绕组的数量保持为较小，以使电线之间的电容效应最小化。在该范例中，第一、第二环部分30、32均有利地由单匝环形成。然而，单个绕组不是必要的，并且在其他范例中一个或两个环部分可以包括更多绕组。

在该范例中，天线24包括形成每个环部分的一部分的共享的环区段48。环部分经由共享的环区段被连接。

共享的环区段48便于两个环部分30、32的共同驱动，因为驱动信号能够经由同时馈送两个环的共享的环区段来供应。具体地，在该范例中，共享的输入连接38由共享的环区段48的终端来提供。然而，这对于本发明不是必要的。共享的环区段的其他优点包括减小天线的总内阻，通过避免共享的区段在两个单独环中的复制。

如所提及的，在使用中，控制器44控制振荡器电路42在生成并将AC频率f₁(第一谐振频率)和AC频率f₂(第二谐振频率)的电信号输入到天线24之间的切换。控制器可以控制振荡器在两个谐振频率之间交替。在频率之间交替可以是在高频下。

切换的频率能够根据需要被调整。在一组范例中，频率可以依据正被监测的生理现象的持续时间进行配置。具体地，它可以被设置得足够快，使得生理过程被两个环部分捕获。例如，切换循环(在两个频率之间并且再次回来)的周期可以被设置为小于被监测现象的持续时间，并且优选地小于所述持续时间的一半，并且更优选地小于所述持续时间的四分之一。

对于典型的应用，在4-200Hz之间的切换(采样)频率适合于确保现象被两个环部分捕获。较低的频率(诸如4-20Hz)对于相对低的功率(低细节)应用是有用的，而20-200Hz在更高的时间分辨率下监测时是有用的，以更详细地分辨生理波形特征。为了节省功率，任选地，控制器件可以在频率之间的切换循环内包含闲置时间，在此期间环部分中没有一个是操作的。

替代地，控制器44可以控制从一个谐振频率顺序地切换为下一个而无再次回来的任何规律交替。在一些范例中，切换可以由控制器根据来自用户的输入命令来实施。为了便于此，可以提供用户输入器件。例如，对于一个患者，频率可以被静态地设置在一个(例如最佳)频率下，并且对于不同的患者，被设置在不同的频率下。

如所提及的，第一谐振频率和第二谐振频率是不同的。每个环部分30、32的谐振频率取决于相应环的周长，并且取决于相应电容器36a、36b的电容。两个参数一起定义谐振频率。因此，将每个部分调谐到期望的谐振频率可以涉及适当地调整两个参数以实现给定的频率。在两个环部分的周长相同的情况下，调谐例如能够通过将C1和C2选择为不同于彼此来实现。

对于图1的范例，每个环部分30、32具有矩形构造。共享的环区段48提供每个矩形的一侧。矩形形状不是必要的，并且在进一步的范例中，任何其他闭环或环形形状可以被备选地使用，例如圆化的(规则的或不规则的)，例如圆形的或椭圆形的，或三角形的或任何其他环形状。为了生成对称的电磁场型式，规则的形状是优选的。

两个环部分可以具有相同的形状或不同的形状。两个环部分可以是相同的尺寸或不同的尺寸，例如相同的周长或不同的周长，或定义(界定)相同的内部区域或不同的内部区域。

根据优选组实施例，天线以扁平或平坦构造进行配置，其中，第一和第二环部分占据共同的平面。这可以例如通过使用常用的生产技术由打印电路板(PCB)形成天线结构来实现。这为它提供刚性结构。

在某些实施例中，第一和第二环部分均界定相应的内部区域，其中，这些区域是非交叠的。例如，在图2的范例中示出了这种布置。然而，在其他范例中，第一和第二环部分均可以界定相应的内部区域，其中，这些区域的确交叠。例如，一个环可以被嵌入在另一个内部。

如所提及的，信号感测设备22包括驱动电路42。驱动电路可以是或可以包括信号生成器件。在图2的范例中，驱动电路是振荡器电路的形式。振荡器被布置为向共同的输入连接38供应振荡驱动信号以利用振荡电流激励天线24，以便由此在使用时生成用于传播到待刺激的身体中的正弦电磁信号(正弦电磁波)。

振荡器电路的使用不是必要的。在其他范例中，不同形式的驱动电路可以被使用，例如适合于生成具有对应于环部分30、32谐振频率f₁、f₂中的一个的脉冲频率的脉冲电信号的驱动电路。

感测设备22可以还包括用于分析从正被研究的介质被耦合到天线24内的信号的信号特性的信号处理器件。然而，这对于本发明不是必要的，本发明主要涉及对用于将信号耦合到介质内和从介质中出来的器件的改进(具体地以促进在两个不同的频率下耦合)，这用于在执行感应式感测时使用。信号处理可以例如由外部单元或设备来执行。

在信号处理器件被提供的情况下，信号处理器件可以信号处理单元的形式被提供。备选地，在一些范例中，信号生成(驱动)和信号处理可以由单个单元来促进。根据特定范例，这两个元件的功能可以由矢量网络分析仪来促进，该矢量网络分析仪包含用于激励天线24的振荡器和用于感测所接收的信号的阻抗测量器件。

在进一步的范例中，信号处理器件可以与控制器件(在本范例中，例如与控制器单元44)集成在一起。

信号处理器件分析在天线24处从被天线激励的介质接收的响应信号的特性。特别地，信号处理器件可以处理所接收的信号以导出谐振器电路的阻尼因子和/或谐振(自然)频率的变化的度量，所述谐振器电路由天线24的每个相应的环部分30、32形成。当在天线处接收到回来的电磁信号时，这些电磁信号使得天线电路的特性失谐，并且这允许测量所接收的信号。

本发明的天线布置的显著优点是，不管哪个环部分正在被谐振地驱动，该天线的电路性质(并且因此该天线的去调谐特性)能够直接从单个馈送点38来测量。这是因为仅一个环部分一度总是谐振的，意味着来自天线的输出馈送总是由在谐振天线中表现出的电路性质占主导地位。不管哪个环部分激活，这都使谐振电路性质的去调谐可检测。

根据一个或多个范例，信号处理器件可以包括锁相环(PLL)电路。

可以任选地提供数据通信器件(在图2中未示出)，该数据通信器件用于促进控制器44与外部设备(例如，外部计算机或数据存储设备)之间的通信。这可以促进由所提供的信号处理器件导出的信号处理结果传达到外部计算机。该数据通信器件还可以促进例如从外部控制器件(例如，计算机)向控制器传达控制命令。

数据通信器件可以包括无线通信器件或有线通信器件。该通信器件可以根据任何合适的通信协议或介质(例如，蓝牙、Wi-Fi、近场通信(NFC)、紫蜂或任何合适的有线通信协议)来实施或操作。

在使用中，天线24被保持为靠近感兴趣的身体或介质，并且天线被驱动电路42激励以生成电磁激励信号。

根据有利的范例，感应式感测设备22可以用于感测生理参数和性质，例如，对象的身体中的空气、流体和/或组织移动。该系统可以特别有利地应用于例如感测呼吸移动。

在这些范例中，该设备允许通过感测由这些移动引起的信号的反射电感中的调制来感测(例如由呼吸或心脏跳动引起的)空气、流体和/或组织移动。这在上面参考图1进行解释。

系统的天线24的构造可以采取不同的形式。平坦天线构造并且包括用于天线的电磁屏蔽的一组范例现在将会参考图3-6进行描述。

图3和4示意性地描绘了第一平面天线24布置，其中，感测设备22还包括平坦接地平板元件62，平坦接地平板元件62与天线电耦合用于使天线的两个环部分接地。与接地平板的电性耦合是纯电容的：不需要连接线。天线可以经由外屏蔽物部分30、32被连接到接地平板。天线可以由PCB材料形成，以促进稳定的扁平形状。

平坦接地平板元件62界定了通过板元件的开口64。开口具有延伸的平坦区域，使得开口有效地形成通过接地平板的开窗区域或接地平板的缺失部分。开口从板的一个平坦侧延伸到另一侧。板(的材料)一路上围绕开口延伸，有效地定义围绕开口的环形形状，即开口被板的材料完全界定或环绕。

在图3和4的范例中，平坦接地平板62界定了单个开口64。开口具有与天线24的外周边类似或基本上类似(在数学意义上)的形状，即在这种情况下，开口具有与总体天线的外部或轮廓形状相同的形状，但是具有比由天线的外周边限定的内部区域更小的开口区域。

开口64被配置为使得开口64的平坦区域横向地延伸穿过天线24的环部分30、32中的每一个定义或界定的内部区域的主要部分。开口被定位为使得(其平坦区域)空间地绘制到由天线的外周边界定的内部区域的中心区。在所图示的具体范例中，开口的外周边与天线的外边界同心地对准，使得开口在由天线的外周边定义的内部区域内被中心地对准。

接地平板62充当电磁屏蔽物(法拉第屏蔽物)，将天线24的部件与电磁波屏蔽开。孔(开口)64允许来自和到天线的磁场分量传播通过屏蔽物。

(泄露)接地平板屏蔽物的目的是传输从高到低阻抗、从电场到磁场的出去的并且更重要地进来的电磁波阻抗。以这种方式，在所接收的信号中，电场部分被尽可能最小化，因为它只是对有用感测信号有贡献的磁场部分。电场部分仅仅生成该感测信号中的噪声。尽管如此，依然总是有电场的残余；完全阻挡电分量也将会导致有用磁场部分的阻挡。

此外，屏蔽物执行其他功能。由于其与天线的电耦合，它为调谐环的每个部分提供贡献。此外，在范例中，屏蔽物可以以它也将串联电容器36a、36b与进来的电场屏蔽开的这种方式进行布置。进一步地，屏蔽物可以被布置为以便减少或防止电荷沿着天线24的线的积聚，这由此能够降低与介质的电容耦合的效果。与介质的电容耦合对性能是有害的，因为它影响磁感测信号，并且还由于其对身体与天线之间的相对距离的敏感性而导致运动伪迹。

具有与天线的内部区域对准的平坦区域的开口64的定位意味着场仍然能够传播穿过该天线内部区域，因此允许信号到环30、32内的电感耦合。在天线的该内部区域内感应的由天线生成的信号也是如此，如图4中图示的。

图4示出了天线24和接地平板(屏蔽物)62布置的透视图，并且示意性地描绘了通过天线的电磁信号的生成，所述天线以共面方式设置在接地平板上方，两者被分开可以被填充有绝缘(即介电)材料或介质的小间隙。接地平板因此被布置为面向天线的一个平坦侧。示意性地图示了所生成的信号的磁场线70。

在图5和6中图示了备选范例构造。该布置包括与图3和4的布置中相同的天线24，但是包括界定两个开口64a、64b的平坦接地平板元件62。开口是图5和6的接地平板与图3和4的接地平板之间的仅有差异。其电和结构性质以及其与天线的电相互作用(作为接地元件)是相同的。

平坦接地平板元件62界定了通过板元件的两个开口64a、64b，每个开口再次具有延伸的平坦区域以便形成通过接地平板的开窗区域或接地平板的缺失部分。两个开口与彼此空间地分开。开口从板的一个平坦侧延伸到另一侧。接地平板62(的材料)一路上围绕每个开口延伸，有效地定义围绕每个开口的环形形状，即开口均被板的材料完全界定或环绕。

如上面提及的，天线24的第一和第二环部分30、32均界定相应的内部区域。开口64a、64b被配置为使得每个开口的平坦区域横向地延伸穿过(或占据)所述内部区域中的(不同)相应内部区域的主要部分。第一开口64a跨过由第一环部分30定义的内部区域的主要部分。第二开口64b跨过由第二环部分32定义的内部区域的主要部分。

每个开口64a、64b被定位为使得(其平坦区域)空间地绘制到由相应的环部分30、32中的一个的外周边界定的内部区域的中心区。在通过图5和6图示的具体范例中，每个开口的外边界与环部分中的相应环部分的外边界同心地对准，使得每个开口在由该外周边定义的内部区域内被中心地对齐。

开口64a、64b中的每个具有与天线24的环部分30、32中的不同相应环部分的外周边类似或基本上类似(在数学意义上)的形状，即在这种情况下，开口具有与该外周边相同的形状。

平坦接地平板元件62任选地还界定从接地平板中的所述平坦开口64a、64b中的每的内部纵向地延伸到板的边缘的两个狭槽或间隙65a、65b。每个因此定义从平坦开口中的相应平坦开口的内部到接地平板的外部的开放路径。每个定义接地平板材料中的中断。每个间隙穿过环部分30、32中的一个的线(从一侧延伸到其另一侧)。

间隙65a、65b的目的是阻止涡电流在接地平板的环形区段中形成，接地平板的环形区段围绕两个环形开口64a、64b中的每一个延伸。间隙因此形成接地平板的这些环形区段中的每一个中的中断或破坏。有利的是防止这种涡电流(由于向后反射的磁信号的传播)在这些环形区段中的形成，以避免磁场由于与由每个天线环部分30、32生成(或感测)的那些对立的电流而随之发生的感应。

图6示意性地图示了根据这种布置生成的磁场型式。为了简单，图示了仅一个环部分30的场线，对应于正被谐振地驱动的第一环部分30。然而，在当它被谐振地驱动的时间期间对于第二环部分32来说也创建类似的对称模式。能够看出，对于在接地平板屏蔽物62中包括两个开口的布置，生成平行70和垂直72磁场分量两者。在两个环部分之间循环(并且还环绕天线部分的外翼76)的相同循环状场模式70被创建，但是此外，平行场分量72被感应，并且能够传播通过在它下方对齐的开口64a的中心区域。

尽管在上面描述的布置中，电磁屏蔽被提供在天线24的仅一侧上，具体地在使用中位于天线与要被研究的介质之间的一侧，在进一步的范例中，屏蔽可以被提供在两侧上。例如根据一组范例，连续的屏蔽板(没有开口)可以被提供在天线的替代侧(远离介质的环境面向侧)。以这种方式，天线最大程度地与将会干扰源于正被探测的介质的感兴趣信号的耦合的环境起源的电磁信号屏蔽开。

然而，在进一步的范例中，替代(环境面向)侧上的屏蔽可以包括一个或多个开口。它可以例如包括与被提供用于天线的介质面向侧上的屏蔽相同的开口构造。

在以上范例(图2-6)中的每个中，天线24被配置为使得两个环部分30、32不与彼此交叠。具体地，第一和第二环部分均界定相应的内部区域，其中，这些区域是非交叠的。

然而，在其他范例中，第一和第二环部分可以与彼此交叠。在图7和8中图示了范例。此处，第一环部分30被嵌入在第二环部分32内部。第一环部分的三个侧面第二环部分32的对应侧面同心地延伸，但是同心不是必要的。每个环部分的一个侧面由天线的线的共同区段33形成。该共同环区段33被连接到用于两个环部分的共享的输入连接38，以便于驱动每个环部分。

仿真已经发现，天线24的性能不受根据图7中图示的布置的环部分30、32的交叠影响。因此，交叠环布置提供与上面描述的范例的分开的环布置相当的两个不同的频率下的感应式感测中的性能。此外，交叠环布置提供减小的外形尺寸方面的优点，并且因此在空间节省是关心的情况下，可以是有利的。如所讨论的，感应式感测设备可以任选地包括用于分析从正被研究的介质接收的信号的信号处理器件。通过该特征的图示，信号处理的一种范例实施方式现在将会参考图9详细地进行描述。这仅仅表示范例信号处理方法，并且其他方法和装置对本领域技术人员来说将会是显而易见的。根据目前描述的范例，信号处理器件由锁相环来实施。在图9中示出了可以被使用的锁相环电路的范例。

在该实施例中，锁相环(PLL)用于驱动根据本发明的天线电路24，并且用于PLL的控制信号提供表示对象的身体中的空气、流体和/或组织的移动的输出信号。因此，图9的电路实施了驱动电路42和可选的信号处理器件两者的功能。

图9示出了用于天线24的信号生成和处理电路80，并且包括参考振荡器81、PLL82，PLL 82被连接到参考振荡器81并且将模拟控制信号(被称为V_tune)输出到电压控制的振荡器(VCO)84。V_tune信号是来自参考振荡器81的信号与来自VCO 84的信号的比较结果。响应于PLL模拟控制信号，VCO 84生成所需频率的激励信号并将其提供给天线24，使得天线发射(一个或多个)电磁激励信号。如上所述，电磁激励信号将在对象的身体中感应出涡电流，并且这些涡电流将感应出磁通量，该磁通量被天线24感测到。所生成的磁通量引起天线的线圈的电感中的反射电感分量Lr。这能够经由线圈的特性(特别是线圈的阻尼和自然频率)的失谐而被感测。

激励信号也提供到作为反馈环的部分的PLL 82。来自PLL 82的模拟控制信号也被提供到模数转换器(ADC)86，模数转换器(ADC)86将模拟控制信号转换成数字信号，并且该数字信号被提供到控制器88。控制器88确定用于PLL 82的数字控制信号并将该数字控制信号提供给PLL 82。如技术人员将意识到的，在PLL系统中，如果VCO 84的相位与参考振荡器81的相位不同，则数字控制信号校正VCO相位。

身体中的空气、流体和/或组织的移动使天线24的特性有效地失谐(由于反射电感)，并且数字控制信号抵抗这种失谐并校正VCO 84的相位。因此，数字控制信号携带关于空气、流体和/或组织的移动的信息，并且控制器88根据表示或包含关于对象的身体中的空气、流体或组织的移动的信息的数字控制信号来确定输出信号90。虽然该输出信号90并不携带实际的相位和幅度信息，但是生理特性(例如，心率、呼吸速率)是清楚地可观察的。

将VCO 84保持在所需频率下所需的校正信号V_tune用于测量因对象的身体中的空气、流体和/或组织的移动引起的幅度和/或相移。相移倾向于主导幅度变化。PLL校正信号(由控制器88输出的根据模拟PLL校正信号导出的数字控制信号)用于确定输出信号90。例如，输出信号90能够对应于具有适当滤波和/或下采样来提高信噪比的数字控制信号。

因此，输出信号携带表示所接收的电磁信号的信号，该信号是基于当前激活的谐振环部分30、32的自然谐振频率的变化而导出的，自然谐振频率在校正信号中反映。当天线正在第一环部分的谐振频率f₁下被驱动时，PLL将会提供与f₁的去调谐相关的关联信号。当在第二环部分的谐振频率f₂下被驱动时，PLL将提供与f₂的去调谐相关的关联信号。

在上面概述并且在权利要求中定义的本发明的实施例提供了允许在均具有高场强的多个频率下感测的感应式感测设备。在不同的频率下感测允许系统朝向身体的不同结构(诸如肺部、心脏和皮肤)的敏感性的选择性调谐。例如，高频测量主要对皮肤(并且因此对运动)敏感。中和/或低频测量对心脏和/或肺具有最佳的敏感性(但是也对运动敏感)。这两种频率测量因此可以针对运动伪迹被组合地用来补偿心脏和肺部测量。此外，使用多个频率实现心脏和肺部对信号中的调制的个体贡献的更好识别。

此外，使用多个频率在肺部中的多个深度处的测量是可能的。这例如可以促进对象的呼吸深度的更好估计。它也可以允许感染(伴随有局部肺水肿)的位置的确定。

如上所述，实施例利用控制器44。控制器能够利用软件和/或硬件以多种方式实施，以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个范例，所述一个或多个微处理器可以使用软件(例如，微代码)来编程以执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以被实施为执行一些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的范例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以利用一个或多个程序来编码，所述一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时以所需的功能来执行。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可转移的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于在感应式感测中使用以便感应式地将电磁信号(16、18)耦合到介质内和从介质中耦合出来的设备(22)，所述设备包括：

天线(24)，所述天线至少包括第一环部分(30)和第二环部分(32)，每个环部分与相应的电容器(36a、36b)耦合以定义所述第一环部分的第一谐振频率和所述第二环部分的第二谐振频率，所述谐振频率是不同的，

所述两个环部分被共同连接到共享的输入连接(38)以便接收用于驱动所述环部分的共同的驱动信号；

驱动电路(42)，其被连接到所述共享的输入连接，并且可操作为选择性地在所述谐振频率中的每个处提供所述共同的驱动信号以由此选择性地在所述谐振频率中的一个或另一个处驱动所述天线；以及

控制器件(44)，其适于实施所述驱动电路在所述两个频率之间的切换。

2.根据权利要求1所述的设备(22)，其中，每个环部分(30、32)由单匝环形成。

3.根据权利要求1或2所述的设备(22)，其中，所述天线包括形成每个环部分的一部分的至少一个共享的环区段(48)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备(22)，其中，所述共享的环区段(48)的终端形成所述天线(24)的所述共享的输入连接(38)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备(22)，其中，所述控制器件(44)适于在至少一个控制模式下在所述两个谐振频率之间交替地切换所述驱动电路(42)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的设备(22)，其中，所述第一环部分(30)和所述第二环部分(32)定义不交叠的相应的内部区域。

7.根据权利要求6所述的设备(22)，其中，所述天线(24)被配置为使得所述第一环部分(30)和所述第二环部分(32)占据共同的平面。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的设备(22)，其中，所述设备包括平坦接地平板元件(62)，所述平坦接地平板元件与所述天线(24)电耦合以使所述天线的两个环部分(30、32)接地。

9.根据权利要求8所述的设备(22)，其中，所述第一环部分(30)和所述第二环部分(32)均定义相应的内部区域，并且其中，所述平坦接地平板元件(62)界定通过所述平板元件的至少一个开口(64)，所述开口具有横向地延伸穿过所述内部区域中的一个或两个的主要部分的平坦区域。

10.根据权利要求9所述的设备(22)，其中，所述平坦接地平板元件(62)包括延伸穿过两个内部区域的主要部分的单个开口(64)。

11.根据权利要求9所述的设备(22)，其中，所述接地平板元件(62)包括两个间隔开的开口(64a、64b)，优选地每个具有延伸穿过所述内部区域中的不同的相应一个内部区域的主要部分的区域。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的设备(22)，其中，所述接地平板元件(62)执行电磁屏蔽功能。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的设备(22)，其中，所述感测设备包括用于导出与在所述天线(24)处接收的信号相关联的一个或多个信号特性的信号处理器件。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的设备(22)，其中，所述设备是用于感测对象的身体的一个或多个参数的生理感应式感测设备。

15.一种感应信号生成方法，包括在两个不同的频率处将电磁信号耦合到介质内，所述方法利用天线，其中，所述天线(24)包括

至少第一环部分(30)和第二环部分(32)，每个环部分与相应的电容器(36a、36b)耦合以定义所述第一环部分的第一谐振频率和所述第二环部分的第二谐振频率，所述谐振频率是不同的，并且

所述两个环部分被共同连接到共享的输入连接(38)以便接收用于驱动所述两个环部分的驱动信号；

并且所述方法包括：

在所述谐振频率中的每个处驱动所述天线，所述驱动包括在所述两个谐振频率之间切换。

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