在感应式感测中使用的布置

文档序号:174585 发布日期:2021-10-29 浏览:33次 >En<

阅读说明:本技术 在感应式感测中使用的布置 (Arrangement for use in inductive sensing ) 是由 M·P·P·克雷吉嫩 R·拜泽梅尔 W·H·佩特斯 G·J·N·都德曼 T·P·斯图内布林克 于 2020-03-17 设计创作,主要内容包括:一种在感应式感测中使用的装置(20)包括:环形天线(26)和用于驱动所述天线的信号生成器(24),这些形成谐振器电路(22)。所述谐振器电路可在驱动状态中驱动,在所述驱动状态中,所述天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号。布置还包括用于可切换地禁用所述天线的所述驱动状态的切换模块(28)。这允许在使用中可控地切换所述天线进出驱动状态,从而控制将信号生成开启和关闭。(An apparatus (20) for use in inductive sensing comprising: a loop antenna (26) and a signal generator (24) for driving the antenna, these forming a resonator circuit (22). The resonator circuit may be driven in a drive state in which the antenna is driven at resonance, thereby generating an electromagnetic signal. The arrangement further comprises a switching module (28) for switchably disabling the driving state of the antenna. This allows the antenna to be controllably switched in and out of the drive state in use, thereby controlling the generation of signals on and off.)

在感应式感测中使用的布置

技术领域

本发明涉及一种基于感应的感测布置,并且特别地包括用于控制信号生成的切换模块。

背景技术

感应式感测基于经由初级环路生成初级交变磁场,这导致在初级磁场内的导电材料或组织中的涡电流的感应和随之发生的次级磁场。次级磁场与初级环路或初级磁场的相互作用可以用于检测被探查身体(特别是包括水含量的那些)内的移动模式。

特别有利的是使用感应式感测以用于检测诸如心跳和呼吸模式的生理信号(在其他情况下也称为记波(kymographic)信号)。

在感应式感测中,信号生成器(诸如振荡器)被连接到环形天线。振荡器是通常由一个或多个晶体管组成的放大器,其结合电感源和电容源在耦合电路中感应谐振状态。电感由环形天线提供,而电容由与环路并联放置的任选电容器部件以及环路与其自身和其环境的寄生电容以及振荡器寄生电容提供。整个系统被称为谐振器。

当以这种方式使用单个环形天线以用于生成初级磁场和感测次级磁场时,通过电路的电流常常可以是相对高的。由于此,可能出现若干问题。

首先,通过环路的电流常常可能太高以致于不能通过电磁兼容性(EMC)或特定吸收率(SAR)规定。以特定幅度提供电流以实现清晰的信号感测。然而,这能够导致超过限制功率的监管要求。

其次,该系统可能对于在磁共振成像(MRI)系统内的使用是不兼容的,因为由扫描器生成的RF场将可能受感应式传感器干扰。另外,MRI扫描器的RF场的高功率可能损坏或甚至破坏感应式感测系统的信号生成器。感应式感测在MRI内的使用是该技术的关键应用领域。特别地,在已知MRI设备中使用的当前呼吸测量方法是纯机械测量。感应式感测提供了改进的潜力。因此,从该应用领域阻止是限制性的。

在包括多个天线环路的系统中也可能出现另外的问题。

首先,多个天线的磁场可以彼此相互作用,这可以导致所谓的“锁定”。此处,由于强磁耦合,感应式传感器中的两个或更多个锁定到相同的频率,并且因此不再能够独立地测量。

其次,由于磁相互作用,多个感应式传感器能够干扰彼此的信号。例如,可能发生的是,一个感应式传感器测量其自身的信号和其相邻感应式传感器的信号两者。即使传感器处于不同频率处并且尚未锁定到相同频率时,这能够发生。

提供能够克服以上问题中的一个或多个的改进的感测布置将是有利的。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据依据本发明的一个方面的示例,提供了一种在感应式感测中使用的装置,包括:

谐振器电路,其包括天线和耦合到所述天线的电子信号生成器,所述电子信号生成器用于利用驱动信号来驱动所述天线以使得所述天线生成电磁信号,所述谐振器电路具有谐振频率,

其中,所述谐振器电路能被配置在驱动状态中,在所述驱动状态中,所述天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号;以及

切换模块,其能用于基于所述驱动信号或所述谐振器电路的中断或电学变化来可切换地禁用(inhibit)所述驱动状态,从而允许对电磁信号生成的切换。

本发明基于允许启用或停用利用天线的信号生成的可控切换模块的提供。这允许电磁信号生成的开始或停止控制。在示例中,可以应用多个不同的特定切换方法或方案以实现不同的有利效果。

切换模块通常执行谐振器电路电学性质的一些调节,这导致驱动状态的禁用。当在操作中时,所述切换模块可操作于将所述谐振器电路切换离开驱动状态切换到非驱动状态。

切换模块可以调节谐振器电路的一个或多个电学特性。电学特性可以包括例如谐振器电路或其一部分的电容、谐振器电路或其一部分的电感、电路或其一部分的电阻。

该装置在感应式感测中使用,即用于在系统或布置中使用以用于生成用于施加到要研究的身体的电磁信号并且用于感测响应于所施加的电磁信号而从身体返回的从身体返回的电磁信号。因此,该装置在本公开中可以另外被称为感测布置,并且对感测布置或“布置”的引用可以被理解为是指根据本发明的一个或多个实施例的装置。

谐振器电路的谐振频率是指谐振器电路的电子振荡的自然频率。其是电路内的自然电容和电感以及任选地被包括在电路中的额外电容器部件的产物。谐振频率是谐振器电路将处于谐振状态中的当前频率。

在谐振下驱动天线意味着将天线驱动为在其谐振频率下振荡或将谐振器电路驱动为在其谐振频率下振荡。这意味着例如利用与谐振频率匹配的驱动信号来驱动天线。

切换模块可以包括被包含在谐振器电路中的电学部件。其优选地电学地或信号地位于信号生成器的下游。这允许在不调节信号生成器控制的情况下的驱动状态的禁用。

信号生成器生成振荡或周期性电信号。信号生成器可以包括电子振荡器。

天线是(磁)感应式环形天线。优选地,天线包括单个环路(以减小多个环路之间的寄生电容)。

优选地,所述装置还包括还被配置为控制所述切换模块的控制器。

优选地,所述控制器被配置为根据定义的控制安排或控制程序来控制所述切换模块。

在该实施例中,控制器利用特定的定时程序或基于例如对更广泛的系统中的其他部件的功能或状态的特定触发或参考来控制切换模块。该控制程序或安排可以在控制器中编程。其可以是例如基于用户输入命令可调节的。其可以存储在本地存储器或处理器中。

控制器可以适于接收指示外部设备的活动状态的信号,并且响应于所述信号而控制切换以禁用谐振器电路的驱动状态。

特别地,所述控制器可以适于在使用中从外部设备接收指示所述外部设备的活动状态的定时的信号,并且控制所述切换以使得所述谐振器电路的所述驱动状态在所述外部设备的所述活动状态的发生期间被禁用。

例如,控制器可以被配置为控制切换以与更广泛的系统或相关联的系统的一个或多个其他部件的启用一致。例如,天线布置可以在磁共振系统内使用,并且将电路切换出驱动状态可以被定时为与MR系统的一个或多个电磁信号源(例如,主RF线圈)的启用一致。这些线圈的强场能够损坏信号生成器。在这种情况下,切换模块可以被配置为将信号生成器与谐振器电路解耦。

根据一组有利的实施例,所述控制器可以适于实施对所述切换模块的周期性切换,从而在所述驱动信号上施加占空比。

该实施例产生遵循占空比的驱动信号。作为结果,可以减小由系统生成的电磁信号的时间平均输出功率。因此,通过可控地减小时间平均输出功率而不减小信号传输时段期间的瞬时输出功率,这以简单和可调节的方式实现规定符合。

此外,调节功率输出的这种方法不降低在用于感测生理参数的应用中的感应式感测能力。特别地,通常在身体中测量的振荡参数(诸如心脏移动或呼吸活动)通常具有比谐振器电路的振荡频率(例如MHz的量级)低得多的频率(Hz的量级)。因此,不需要具有连续的信号采集以便捕获生理信号。因此,根据上述示例施加的减小的占空比不影响生理测量结果的采集。

周期性切换或占空比的频率可以是可调节的,从而调节装置的电磁输出功率。

电磁输出功率意指时间平均输出功率,即在占空比的多个循环上。

可以在该装置中包括被配置为控制占空比/周期性切换的频率以控制电磁输出功率的控制器。

占空比或周期性切换的频率可以是基于例如可经由操作地耦合到所述控制器的用户接口在所述控制器处接收的用户输入命令可控制的

所述切换模块可以包括串联连接在所述信号生成器与所述天线之间的可控开关元件,从而允许所述天线与所述信号生成器的可切换解耦(或所述信号生成器与所述谐振器电路(的其余部分)的可切换解耦)。

开关元件是电路断路元件,其可以在天线和信号生成器之间的电路线中可切换地引入断路,从而实现解耦。

所述切换模块可以包括与所述天线电学并联连接以用于可切换地短路所述谐振器电路的开关元件。

当开关闭合时,驱动信号电流将流过并联开关,而不是流过天线,因此天线将不振荡以生成电磁信号。

所述切换模块可以被配置为基于改变所述谐振器电路的谐振频率来禁用所述驱动状态。

通过调节电路谐振频率,谐振器电路失谐,这意味着由信号生成器(其频率先前使电路谐振)生成的振荡驱动信号不再实现谐振器电路中的谐振状态。切换模块引入例如驱动信号的频率与谐振器电路的谐振频率之间的不匹配,从而禁用电路在谐振下的振荡。因此,电路被保持在上面定义的驱动状态之外。

谐振频率的调节可以基于调节谐振器电路的电容。在该示例中,谐振器电路可以包括部分地定义谐振器电路的谐振频率的电容器部件。

在一组示例中,所述谐振器电路可以包括与所述天线并联连接的电容器,并且还包括与所述电容器串联以用于可切换地将所述电容器与所述谐振器电路解耦的可切换电路断路元件

在该实施例中,切换模块沿着包含电容器的并联分支或轨道可切换地使电路断路。这导致电容器与天线解耦,从而改变谐振器电路的电容,导致谐振频率的改变。这意味着驱动信号不再使得谐振器电路在谐振下振荡,从而停用驱动状态。

额外地或备选地,在另一组示例中,所述谐振器电路可以包括可变电容器和用于控制可变电容器的电容在至少第一和第二值之间的切换从而提供谐振频率的可切换调节的模块。这由此提供了谐振器电路的可切换失谐并且因此驱动状态的可切换禁用。

此处,切换模块包括可调电容器和/或用于控制其电容的切换的模块。

用于控制电容调节的模块可以例如是包括在可变电容器中的控制电路或单独的控制器。

信号生成器可以包括放大器件,并且其中,切换模块由信号生成器包括,并且适于改变放大模块的放大水平。

例如,通过减小放大,驱动信号的幅度被减小到谐振器电路不再在谐振下被驱动并且因此驱动状态被停用的足够水平。

所述谐振器电路可以包括操作地耦合到所述信号生成器的多个天线,所述信号生成器可操作于向所述天线中的每个供应驱动信号,并且其中,所述切换模块允许所述天线中的选定的一个或多个天线中的驱动状态的选择性禁用。

此处,多个天线连接到单个信号生成器,并且切换模块可操作于选择性地禁用天线中任何一个或多个中的驱动状态。其可以包括多个单独的开关部分,例如与每个天线串联或并联的单独开关。其可以包括用于控制选择性切换并且例如用于利用多个开关部分来控制选择性切换的控制模块。

例如,切换模块可以包括具有可控电容的可控电容器。

所述装置可以包括多个上述谐振器电路,每个谐振器电路包括天线,并且为每个谐振器电路提供了单独的切换模块,并且所述装置还包括用于控制多个切换模块的控制器。

这表示用于提供多个可控天线的另一选项。此处,除了单独的切换模块之外,为每个天线提供单独的信号生成器,实现驱动频率的独立切换和任选地独立控制两者。其还使得信号生成器能够靠近每个天线提供,这对于更高操作频率是特别有利的,其中,长的连接轨迹能够妨碍信号转移。

根据一个或多个实施例,切换可以被控制以使得在任一个时间处没有天线中的两个处于驱动状态中,即仅一个天线在任一个时间处是活动的。

根据一个或多个实施例,切换可以被控制为使得在使用期间,在天线中的至少一个中始终禁用驱动状态。换句话说,切换被控制,从而防止所有天线在任何给定时间处同时是活动的(处于驱动状态)。

根据本发明的另一方面的示例提供了一种感应式感测系统,包括:

根据上面概述或下面描述的任何示例或实施例或根据本申请的任何权利要求的装置;以及

信号处理单元,其被配置为接收并处理在所述装置的所述天线处感测到的电磁信号,以导出一个或多个感测测量。

根据本发明的另一方面的示例提供了一种感应式感测系统,包括:

根据上面概述或下面描述的任何示例或实施例或根据本申请的任何权利要求的装置;以及

信号处理单元,其被配置为基于检测所述谐振器电路的电学特性随时间的变化在所述天线处检测响应于所生成的电磁信号而从身体返回的电磁信号。

任选地,所述信号处理单元还可以被配置为接收并处理在所述装置的所述天线处感测到的所述电磁信号,以导出一个或多个感测测量结果。

优选地,所述信号检测是与所述信号生成同时执行的。

根据本发明的另一方面的示例提供了一种配置装置的方法,所述装置包括:

谐振器电路,其包括环形天线和耦合到所述天线的电子信号生成器,所述电子信号生成器用于利用驱动信号来驱动所述天线以使得所述天线生成电磁信号,所述谐振器电路具有谐振频率,

其中,所述谐振器电路能被配置在驱动状态中,在所述驱动状态中,所述天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号,并且

所述方法包括控制对所述驱动状态的可切换禁用,从而控制电磁信号的开始或停止,所述禁用基于对所述驱动信号或所述谐振器电路的中断或电学改变。

根据本发明的另一方面的示例提供了一种方法,包括:

利用驱动信号来驱动谐振器电路以使得所述谐振器电路生成电磁信号,谐振器电路包括环形天线和耦合到所述天线的电子信号生成器,并且所述谐振器电路具有谐振频率,并且其中,所述谐振器电路能被配置在驱动状态中,在所述驱动状态中,所述天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号,并且

控制对所述驱动状态的可切换禁用,从而控制电磁信号的开始或停止,所述禁用基于对所述驱动信号或所述谐振器电路的电学特性的中断或调节。

根据一个或多个实施例,所述方法可以是医学感测方法。其可以包括将所述谐振器电路的至少所述环形天线定位在对象的身体附近,并且利用所述驱动信号来驱动所述谐振器电路,从而生成用于穿透所述身体的表面的电磁信号。

优选地,所述方法还可以包括在所述谐振器电路处检测从所述身体返回的电磁信号。

本发明的这些和其他方面将根据下文描述的(一个或多个)实施例而显而易见,并且将参考下文描述的(一个或多个)实施例得到阐述。

附图说明

为了更好地理解本发明并且为了更清楚地示出其可以如何实施,现在将仅通过示例参考附图,其中:

图1示出了根据一个或多个实施例的示例感测布置的框图;

图2示出了具有串联连接的开关元件的示例感测布置;

图3示出了具有与天线并联连接的开关元件的示例感测布置;

图4示出了具有被包括在天线环路中的内部串联开关的示例感测布置,该内部串联开关可操作于连接和断开电容器部件;

图5示出了具有可变电容器的示例感测布置;

图6图示了使用占空比感测信号来感测振荡生理信号;

图7和图8示出了两个示例感测布置,每个具有多个天线,每个天线具有专用信号生成器;并且

图9-12示出了包括多个天线的各种示例感测布置,并且其中,为整组天线提供单个信号生成器。

具体实施方式

本发明将参考附图来描述。

应理解,详细描述和特定示例当指示装置、系统和方法的示例性实施例时旨在仅出于图示的目的并且不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将从以下描述、权利要求书和附图变得更好理解。应当理解,附图仅是示意性的并且未按比例绘制。还应当理解,相同附图标记贯穿附图被用于指示相同或者相似的部分。

本发明提供了一种在感应式感测中使用的装置,所述装置包括感应式(磁)环形天线(本文:“天线”)和用于驱动天线的信号生成器,这些形成谐振器电路。谐振器电路可在驱动状态中驱动,其中,天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号。所述装置还包括用于可切换地禁用天线的驱动状态的切换模块。这允许在使用中可控地将天线切换进出驱动状态,从而控制信号生成的开启和关闭的切换。

所述装置在本文中可以另外被称为“感测布置”,因为所述装置在感应式感测中使用。

所述装置对于用作例如用于采集诸如心率或呼吸活动的生理测量结果的医学感测布置是特别有益的。

在使用中,在谐振下驱动的天线生成初级交变电磁场。当天线被带到为接近要探查的身体时,交变场穿透身体表面,其中,其在身体内感应循环的涡电流。这些继而引起与初级场相互作用的次级磁场的生成,并且改变环形天线的位置处的整体合成场的特性。特别地,反射次级场在天线处被感测到,并且实际上向天线添加电感的额外分量(有时被称为反射电感分量)。因此,谐振器电路的特定电学特性(特别是谐振器电路的自然谐振频率和阻尼因子)经历轻微的移位。

可以通过与谐振器电路电耦合的信号处理部件来感测这些电学特性的移位。通过监测这些特性随时间的变化,可以导出与被探查的身体内的元件或物体的移动相关的信息。这些可以被用于例如感测特定生理参数或测量结果,诸如心率、心脏移动模式、呼吸速率或呼吸期间的肺移动模式。这些仅是示例,并且在其他示例中也可以导出其他生理测量结果。

诸如这些的呈现振荡或周期性特征的生理信号有时被称为记波信号。

在文档WO2018/127482(参见例如第14页第3行至第18页第25行)中描述了关于使用布置(诸如本发明的布置)的感应式感测的理论和应用的更多细节,特别是出于感测生理信号的目的。

图1中示出了根据本发明的实施例的在感应式感测中使用的装置(或感测布置)的基本部件的框图。

装置或感测布置20在感应式感测中使用。布置20包括谐振器电路22,谐振器电路22包括感应式天线26和耦合到天线的电耦合电子信号生成器24。谐振器电路具有谐振频率。信号生成器可操作于生成优选地振荡(AC)电驱动信号,以使得天线生成电磁信号。

天线是环形天线,并且优选地是单环形天线,即仅由单个绕组组成。然而,这对于本发明不是实质的。

谐振器电路可配置在驱动状态中,其中,天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号。在谐振下驱动意指例如驱动谐振器电路,使得其以其谐振频率(电)振荡。这可以例如通过利用具有与电路谐振频率匹配或基本上匹配的频率的驱动信号驱动电路来实现。

在示例中,信号生成器可以是电子振荡器,或可以是能够生成用于引起谐振器电路的振荡的驱动信号的任何元件。

所述布置还包括切换模块28,切换模块28提供所述驱动状态的可切换禁用。驱动状态的禁用基于可切换地中断驱动信号或谐振器电路或调节驱动信号或谐振器电路的电学特性,从而允许电磁信号生成的开启和关闭的切换。

用于实施谐振器电路驱动状态的切换的多种方法是可能的。此外,并且与这些组合,不同的特定实施例实现了用于使用一个或多个切换模块来控制多个天线的控制方法。

下面将首先概述用于实施切换模块的各种不同选项。

根据第一组一个或多个实施例,切换模块包括被包含在谐振器电路中的开关元件,其可操作于在信号生成器的电下游或信号下游的点处实施电路中的断路。

开关元件可以以不同的配置布置在谐振器电路内,以提供驱动状态的所需可切换禁用。

根据一组示例,切换模块包括与天线串联连接的开关元件,其可操作于将天线与信号生成器可切换地解耦。图2示出了这种布置的示例。

如所示的,在该示例中,切换模块28采取开关元件的形式,并且被包括在谐振器电路中,在信号生成器24的电下游且在信号生成器24和天线26之间。开关元件提供电路断路功能。因此,其可以另外被称为电路断路开关元件。通过断开和闭合开关,可以引入和移除部件的点处的电路中的断路。

可以控制开关元件以将天线26与信号生成器可切换地解耦,从而中断谐振器电路和驱动信号,防止驱动信号到达天线。这停止了任何电磁信号生成,因此使谐振器电路脱离驱动状态。

通过非限制性示例,开关元件可以使用PIN二极管或(固态)继电器来实施。其他种类的可控开关元件(用于引入电路断路)对于技术人员来说将是立即显而易见的,并且可以使用任一种。

尽管在图2所图示的示例中,开关元件28沿着在信号生成器和天线26之间延伸的电路轨迹提供在信号生成器24的电下游,但是在其他示例中,开关可以被包括在信号生成器的内部。其可以被提供为与信号生成器一体。

通过示例,这种内部开关元件可以适于向信号生成器提供可调节或可切换的电源电压,或便于信号生成器内部电路(例如振荡器电路)内的可调节或可切换的电感、电容或电阻。这样的电参数的调节或切换可以使能停用信号生成器,或使能将信号生成器的输出电压减小足够量,使所得到的驱动信号不能使天线在谐振下振荡。改变信号生成器电路的电容、电感或电阻可以充分改变驱动信号电学特性,使得驱动信号不再在天线中产生谐振振荡。在任一种情况下,谐振器电路的驱动状态由此被切换模块可切换地禁用。

在第二组示例中,与图1的示例的开关元件类似的开关元件可以替代地被提供为与天线26并联电连接。在图3中图示了该示例。

在该示例中,切换模块28采取开关元件的形式,该开关元件可控制为通过断开和闭合开关而引入和移除电路中的断路。开关沿着与天线26并联连接的电路轨迹或轨道提供。

当开关28闭合时,电流将不流过天线26,而是代替地流过开关。因此,天线短路。因此,谐振器电路中的总电感太低以致于电路不能振荡。因此,通过闭合开关来禁用驱动状态(其中,谐振器电路在谐振下被驱动)。然后,当开关断开时,驱动状态被解除禁用。

开关元件28部件可以采取例如与上面图2的串联开关示例相同的形式。

根据另一组实施例,切换模块28可以被配置为基于改变谐振器电路的谐振频率来禁用驱动状态。其可以提供谐振频率在至少两个值之间的切换或转换。

通过改变谐振器电路22谐振频率,谐振器电路失谐,这意味着由信号生成器24(其频率先前使电路谐振)生成的驱动信号不再在谐振器电路中产生谐振状态。切换模块引入例如驱动信号的频率与谐振器电路的谐振频率之间的不匹配,从而禁用电路在谐振下的振荡。因此,驱动状态被禁用。

谐振频率的调节可以基于调节谐振器电路的电容。在该示例中,谐振器电路可以包括部分地限定谐振器电路的谐振频率的电容器部件。

这可以以不同的方式实施。图4图示了根据一组示例的感测布置20。此处,谐振器电路22包括与天线26并联连接的电容器部件32,并且还包括与电容器串联连接的可切换电路断路元件28的形式的切换模块。可切换电路断路元件使能电容器从谐振器电路的可切换解耦。电容器例如沿着与天线并联连接的子分支提供。

可切换电路断路元件28可以采取与例如上面讨论的图2和3的示例的开关元件相同的形式。

在该实施例中,切换模块28沿着包含电容器32的并联分支或轨道可切换地使电路断路。通过断开并联电容器,谐振器电路22的谐振频率移位到更高的频率。如果频率足够高,则信号生成器24的放大器将不产生足够的放大以在谐振器电路22中开始振荡。因此,禁用了在其中谐振器电路在谐振下振荡的驱动状态。

这组示例提供了与上面图2和3的示例相同的益处,并且另外提供了另外的益处。特别地,在禁用(或“关闭”状态)期间,除了停止生成传出电磁信号之外,还使得感测布置20对与谐振器电路22的正常操作频率相同的频率的任何传入的电磁信号不敏感。

这例如在附近存在以与感测布置20相同的频率下生成电磁信号的其他信号生成部件的情况下是有用的,例如,当感测布置是更广泛的感测系统(诸如磁共振系统)的部分时。在关闭状态中,电路22的谐振频率失谐,这意味着天线和谐振器电路也对原始谐振频率的任何传入信号不敏感。

可以在更宽系统的多个信号源与本感测布置20之间实施协调控制,使得每当其他源开启并生成电磁信号时,本感测布置的谐振器电路22关闭。

额外地或备选地,在另一组示例中,谐振器电路22可以包括可变电容器,并且包括用于控制电容器的电容在至少第一值和第二值之间的切换从而提供谐振频率的可切换调节的模块。这由此提供了谐振器电路的可切换失谐并且因此驱动状态的可切换禁用。

在图5中示出了示例。此处,可变电容器34被提供为与天线环路26并联。然而,提供也与天线串联的电容器是可能的。

通过改变电容,谐振器电路22的谐振频率被改变,使得电路谐振频率与由信号生成器24生成的驱动信号频率之间存在不匹配。因此,信号生成器可能不能提供足够的增益以使谐振器电路与它正在生成的驱动信号谐振。因此,可变电容器34可以用作用于可切换地禁用驱动状态的切换模块。

如上所述,本发明的实施例的潜在益处是使得能够避免对任何相邻系统(例如MRI系统)的信号生成部件的干扰。这将在下面更详细地讨论。

注意,为此目的,图2的实施例在一些情况下可以是优选的,因为当该布置的开关元件28断开(将谐振器电路置于非活动状态)时,没有电流能够在环形天线26中流动,而无论从相邻部件或系统接收的潜在外部电磁场的频率。

在图3的实施例的关闭(短路)状态中,宽频率范围(从0Hz开始)内的电流仍然能够在环形天线中流动,这可能导致由该布置拾取一些信号和/或导致潜在相邻系统的中断或干扰。在图4的实施例的关闭状态中,仍然存在其下电流能够在环路中流动的(窄、高)频率范围,这同样可能导致已经从其接收到这样的信号的相邻系统内的一些信号拾取和/或潜在干扰。

上述各种实施例利用电路断路型开关元件28。在任何这样的示例中,通过示例,开关可以通过使用简单的PIN二极管来实施。在正向偏置中,PIN二极管是良好的射频(RF)导体,并且在该状态中开关是“闭合的”(即,没有电路中的断路)。当施加零偏置或反向偏置时,PIN二极管是不良RF导体,并且开关是“断开的”,即施加电路断路。

在本领域中各种可能的开关可用,其可以或可以不内部地使用PIN二极管。可以使用任何类型的开关。

上面已经概述了用于切换模块28的各种具体实施选项。然而,这些不是穷举的,并且技术人员将理解,存在用于禁用谐振器电路的驱动模式的其他可能的方法。可以使用任何合适的方法。

其他选项包括例如在谐振器电路中在信号生成器和天线之间与天线串联提供可调节或可切换电阻器。备选地,可以在谐振器电路中提供可切换或可调节电感。电阻或电感可以在至少第一值和第二值之间切换,以在驱动模式和驱动模式的禁用之间切换。通过改变电路的电阻或电感,电路有效地失谐(即,自然谐振频率被移位),结果是由信号生成器生成的驱动信号不再引起谐振器电路的谐振。因此,这禁用了驱动状态。特别地,改变这样的电学特性可能具有以下效果:使用相同的驱动信号利用天线生成振荡所需的增益太高以致于信号生成器的放大器不能提供。备选地,可能由于改变而引入相移,从而干扰振荡条件。

在另一示例中,切换可以包括调节信号生成器(例如,振荡器)的电学设置以减小振荡器的最大可实现增益。因此,增益不足以产生谐振器电路在谐振下的振荡,因此驱动状态被禁用。

在另一示例中,切换模块可以可操作于可切换地禁止和启动信号生成器的电源。这具有以下优点:在非驱动状态模式期间,功耗被降至零。然而,潜在的缺点在于,该方法可能比操作布置在电路内的开关更慢。因此,对于诸如用于捕获某些更快的生理或记波信号的一些潜在的应用,这种切换方法可能不足够快以有效地捕获记波信号。

根据一组有利的实施例,感测布置可以包括控制器,并且其中,控制器适于实施切换模块的周期性切换,从而对驱动信号施加占空比。通过对驱动信号进行占空比控制,可以减小感测布置在使用期间的时间平均电磁输出功率。此外,这在不必减小占空比的开启或高阶段期间的最大电磁输出功率的情况下减小。

这使得能够更容易地符合电磁能力(EMC)和比吸收率(SAR)规定,其对感应式感测布置的时间平均输出功率施加限制。

此外,这种减少时间平均功率输出的方法不降低用于感测振荡(记波)生理信号(诸如心率或呼吸活动)的目的的感测能力。这是因为在某些应用中可能被感测布置捕获的人体的记波信号通常呈现比谐振器电路和天线的典型振荡频率(通常数量级:MHz)更慢的振荡(数量级:Hz)。因此,不需要具有连续测量以便捕获记波信号。例如通过仅在部分时间测量谐振器电路的频率和阻尼而足以捕获代表性测量结果。

这在图6中示意性地图示,图6示出了在施加的占空比之后的示例谐振器电路振荡44和与此相邻的示例生理(记波)信号。在该示意性示例中可以看出,所生成的电磁(EM)信号44的占空比可以被配置为跟随生理信号的自然振荡频率。以这种方式,所生成的EM信号仍然能够完全捕获生理信号。

通过因此快速地开启和关闭驱动状态(即,占空比控制),可以极大地降低特定时间跨度内的总辐照功率。

这不仅使得能够更容易地符合规定,而且还降低了功耗,从而节省了能量并潜在地减少了热生成。持续振荡消耗恒定功率,该恒定功率具体地在谐振器电路的典型振荡频率(即MHz量级)下可以特别高。占空比控制使得能够在不降低感测能力的情况下降低平均功耗。

周期性切换的频率(即,占空比的频率)优选地是可调节的,从而调节感测布置的电磁输出功率。例如,周期性切换的频率可以是基于用户输入命令可控制的,该用户输入命令例如可经由操作地耦合到控制器的用户接口在感测布置的控制器处接收。

如上面简要讨论的,在某些有利的实施例中,可以控制信号生成和/或感测在另一(近侧)信号生成部件的活动(信号生成)状态期间被禁用。例如,感测布置的实施例的有利应用是用于在磁共振(MR)感测系统(例如,MRI)内使用或结合磁共振(MR)感测系统(例如,MRI)来使用。

大约3%的时间,MRI扫描器通常以64MHz(对于1.5特斯拉扫描器)或128MHz(对于3特斯拉扫描器)发射高功率RF场。如果本感测布置20的环形天线26处于活动模式下并且位于MRI扫描器近侧或内,则该环形天线将拾取这些场。这些外部场源不仅干扰由该布置执行的信号感测,而且高功率RF场可能损坏或甚至破坏振荡器。

因此,在这样的应用中,建议在正生成MR系统RF脉冲时关闭谐振器电路。图2的串联开关实施例可以是优选实施例,因为MRI RF信号将不能在谐振器电路22中感应电流,因为天线26与信号生成器24电解耦,从而中断电路电流。

为了实现谐振器电路22的这种同步停用,根据至少一组实施例,可以提供用于感测布置的控制器,并且其中,控制器适于在使用中从外部设备接收指示外部设备的活动状态的定时的信号,并且控制切换,使得在外部设备的所述活动状态的发生期间禁用谐振器电路的驱动状态。

例如,控制器可以接收指示MR系统的一个或多个RF信号生成器的启用的定时的信号,并且控制切换以使得在该时间期间禁用驱动状态。在RF环路活动时段停止之后,其可以切换回到非禁用模式。

上面已经描述了用于实施用于可切换地禁用感测布置的驱动状态的切换模块的各种选项。

结合这些选项中的任一个,存在用于在作为所述感测布置的部分提供的多个天线中间实施驱动状态的选择性切换的各种选项。多个天线可以连接到单个信号生成器,或每个被提供其自己的信号生成器,并且用于在电路内放置开关的各种配置也是可能的。

使用多个天线(例如,天线的阵列)的益处是这样的配置可以允许确定关于感测到的生理信号的起源的更丰富的空间信息。

例如,在一些示例中,可以以某种空间模式(例如以循环方式)顺序地启用一组多个天线。可以以可以从每个天线感测和解析生理信号(例如心肺波形)的足够速率控制从一个天线到下一个天线的顺序移动。测量结果的空间模式使得能够例如更容易地确定所测量的信号的深度(例如,在身体内深处,或更浅地)。备选地,在一个设想的实施例中,天线的阵列可以嵌入在床垫内。此处,可以推断出与患者在床垫上的位置相关的信息。

使用多个天线的另一个潜在益处是实现关于用于生成或感测信号的利用的天线的选择。阵列或布置中的某些天线可以提供更强的信号拾取。在某些示例中,感测布置的控制器可以选择性地启用天线中被检测为产生最强信号的单个天线。例如,在多个天线被嵌入在床垫中的情况下,最靠近患者的胸部的环路通常将提供最佳心肺信号。

现在将概述包括多个天线的各种示例感测布置实施例。

图7和8分别图示了根据第一和第二组示例的感测布置20。在这两种布置中,提供了多个天线26a、26b、26c,每个天线具有其自己的专用信号生成器24a、24b、24c,例如振荡器。因此,在这些情况下,有效地提供了多个谐振器电路,每个谐振器电路包括信号生成器、天线和切换模块。

在这两个示例布置中,为每个天线提供电路断路开关元件28的形式的单独切换模块,其沿着分支与相应天线串联连接。该开关可以采用与上面针对图2、3或4的实施例所讨论的相同的形式。每个示例布置中的信号生成器24优选地尽可能靠近其连接到的相应天线26端子被定位。

每个切换模块28连接到控制器50,控制器50使能多个天线/谐振器电路22的切换的中心控制。

串联开关使能每个相应天线的驱动状态的独立禁用或不禁用。这以与上面图4的串联开关机构类似的方式对每个天线进行操作。特别地,每个开关元件提供为与天线并且与电容器元件串联,使得开关的断开引起局部谐振器电路的谐振频率的移位。

图7和8中的每个中的内部串联开关配置在多环路实施例中是特别有益的,因为这种切换方法确保切换在“关闭”状态中的天线具有强失谐谐振频率(由于电容器元件32的断开),从而使用于天线的局部谐振器电路对由任何其他活动天线产生的电磁场不敏感。

图8的布置与图7的布置相同,除了在电源54和谐振器电路中每个的信号生成器24之间为局部谐振器电路中每个提供额外的电路断路开关元件29。这些额外的开关元件29使得能够开启和关闭到每个相应谐振器电路的功率。因此,这提供了当天线26处于非活动状态时通过断开到用于天线的相应信号生成器的功率使得天线26的功耗能够降至零的额外益处。

控制器50可以以在任一个时间处谐振器电路中仅一个活动的这种方式管理整组开关28、29。这确保了在两个不同天线处生成和感测到的信号之间没有干扰。优选地,对于单个活动谐振器电路,用于该电路的这两个相应开关元件29、28被设置为“闭合”。对于剩余的谐振器电路,功率开关29和环路谐振器内部开关28两者被设置为“断开”。这意味着对于剩余的非活动谐振器电路,功耗被切成零,并且使每个中的电路对由活动天线生成的EM场不敏感(由于谐振频率的上述失谐)。

尽管图7和8的示例的切换模块28被示出为提供在天线26内部的串联开关(与天线的环路电路线串联),但这仅表示一种可能的实施方式。在其他示例中,例如,可以提供与每个天线26电学并联连接的相应开关元件。在这种布置中,用于每个相应天线的切换模块将采用与上述图3的示例切换模块类似的形式。在该示例中,闭合开关导致相应天线26的短路,这意味着天线不再振荡并且不再生成电磁信号。

然而,图7和8所图示的内部串联开关布置在某些情况下可能优于并联开关布置,这是因为以下事实:在并联开关实施例中,天线26不是真正地与谐振器电路的其余部分解耦,这意味着仍然存在来自相邻天线的电磁信号由停用天线感测到的潜在性。然而,在大多数实际实施方式中,由于短路天线环路的自谐振频率通常比更宽的谐振器电路的自谐振频率(并且因此相邻天线的可能操作频率)高得多的事实,预期不会发生这种情况。作为结果,传入EM信号将不太可能导致短路天线处的谐振拾取。

图9-12示出了天线布置20的各种示例实施例,每个天线布置包括多个天线26,并且每个天线布置仅包括用于驱动该组天线的单个信号生成器24。不同的实施例示出了用于实施每个天线中的驱动状态的禁用或非禁用的选择性切换的切换模块28的不同的可能实施方式。

将单个信号生成器24用于多个天线26而不是将单独信号生成器用于每个天线的优点是由于更少所需部件的降低成本。还降低了一般的制造复杂性以及潜在地功耗。

信号生成器24和每个天线26之间的电路路径优选地尽可能短,因为连接线路径为电路贡献电感。因此,长的线路径将贡献大的电感,这对于某些高操作频率可能倾于有问题,因为高频驱动信号通常不沿着长的线径迹很好地行进。然而,在每个天线和中央信号生成器之间提供短线轨迹对于一些应用可能是具有挑战性的,特别是在期望天线的空间布置的情况下,该空间布置具有彼此相当宽地间隔开的不同天线。示例可以是其中天线被提供为嵌入在床垫内的不同地方处的布置。

因此,对于这样的情况,布置对于每个天线具有单独信号生成器(如在图7和8的示例中可能是优选的)。

现在将描述图9-12的各种示例。

在图9的示例中,单个信号生成器24(例如振荡器)电耦合到三个天线26a、26b、26c中的每个。单独的相应开关元件28被提供为串联连接在信号生成器和每个相应天线26之间。开关可操作于在“断开”时在到相应天线26的电路路径中引入断路,同时使到其他天线的电路路径不受影响。

在图10中,示例感测布置20被示出为包括两个天线和单个信号生成器。此处,切换模块包括沿着信号生成器24的一个传出轨道串联提供的N端口开关28。开关的一端连接到该传出端子。开关的另一端可交替地连接到第一天线26a的第一端子和第二天线26b的第一端子。每个天线的第二端子连接到信号生成器24的第二传出端子。

可以在其他布置中提供更大数目的天线26,其中,N端口开关在所述另一端交替地连接到它们中的每个。

N端口开关具有以下效果:由信号生成器24生成的驱动信号一次只能被提供给单个天线26,从而导致天线的独有选择性启用。

图11示出了包括连接到单个信号生成器24的多个天线26的另外的示例感测布置。在该示例中,切换模块以与天线中每个并联连接的单独开关元件28的形式提供。每个天线的开关元件以与上述图3的示例布置20中的并联开关相同的配置提供。

开关元件28可以断开或闭合以连接或断开与相应天线26并联行进的分支。通过闭合开关,天线短路,这意味着电流不会流过相应天线,并且因此在相应天线中禁用电磁信号生成。

可以提供被布置用于控制两个开关元件28从而促进对多个天线的切换的中央控制的控制器(未示出)。

图12示出了包括多个天线26a、26b、26c的另外的示例感测布置20。在该示例中,切换模块以经由相应调谐电容器32与每个天线串联连接的单独内部串联开关元件28的形式提供。在该布置中的用于每个相应天线的开关具有与图4(以及图7和8)的示例中的开关相同的配置。当每个相应开关元件28断开时,电容器32与相应天线26断开,引起相应天线处的谐振频率的移位,这意味着不再发生在谐振下的振荡(假设驱动信号保持在相同的频率处,即,在失谐之前基本上匹配谐振器电路的原始谐振频率)。因此,禁用了电磁信号的生成。

尽管在上面描述并在图7-12中示出的各种多天线实施例中,在该布置中示出了特定数目的天线,但这不是限制性的,并且通常可以提供任何数目的天线。

本发明的另一方面可以提供一种感应式感测系统,包括:

根据上面概述或下面描述的任何示例或实施例或根据本申请的任何权利要求的感测布置;以及

信号处理单元,其用于接收并处理在布置的天线处感测到的电磁信号,以导出一个或多个感测测量结果。

感测测量结果优选地是生理信号,例如,记波生理信号,诸如心脏移动或心率信号或呼吸(breathing)或呼吸(respiration)信号。

如上所述,当由天线生成的初级磁场穿透要感测的身体时,在身体中感应出涡电流,其继而生成在天线处感测到的次级“反射”磁场。这些有效地导致向谐振器电路添加次级电感分量(反射感应),这导致谐振器电路的某些电学特性(特别是自然谐振频率和阻尼因子)的变化(或失谐)。通过测量电学特性的这种失谐,可以推断出与被探查身体内部的物体的移动相关的信息。

因此,根据本发明的上述方面的实施例,提供了一种感测系统,其具有与谐振器电路电通信的信号处理部件,其被配置为感测所述谐振器电路的电学特性随时间的变化。根据这些,信号处理单元或不同的操作地耦合的部件可以确定一个或多个感测测量结果。在有利的实施例中,这些可以是生理参数或信号,例如,如上面提到的记波信号。

信号处理单元可以包括预先存储的算法,或具有预先存储的编程,用于从检测到的所述电学特性的变化中导出一个或多个生理参数的测量结果。

在文档WO2018/127482中提供了关于用于实施谐振器电路电学特性的处理以导出生理参数测量结果的选项的更多细节。例如在第27页第32行和第31页第29行之间描述了合适的信号处理装置。

在优选实施例中,提供了具有单个环路(单个绕组)的天线26,但是这不是必要的。由于绕组之间的寄生电容耦合降低,因此单个环路绕组提供信号强度方面的益处。相同单个环形天线被用于生成激励信号和感测返回的信号两者。返回的信号可以通过当信号生成时(并且返回的信号在天线处被接收)检测谐振器电路的电学特性的改变与信号生成同时地感测。组合的感测和生成天线允许提供高质量感测信号以及提供低成本、低复杂性、和低功率的益处。

如上面讨论的,特定实施例可以利用控制器。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示例,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示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。

根据本发明的另外的方面的示例提供了一种配置感测布置的方法,所述感测布置包括:

谐振器电路,其包括天线和耦合到所述天线的电子信号生成器,所述电子信号生成器用于利用驱动信号驱动所述天线以使得其生成电磁信号,所述谐振器电路具有谐振频率,

其中,所述谐振器电路可配置在驱动状态中,在所述驱动状态中,所述天线在谐振下被驱动,从而生成电磁信号,并且

所述方法包括:控制所述驱动状态的可切换禁用,所述禁用基于所述驱动信号或所述谐振器电路的中断或改变,从而控制电磁信号的开始或停止。

可以根据上面针对本发明的装置方面(即,感测布置方面)提供的解释和描述来理解和解读上述步骤中的每个的实施选项和细节。

上面关于本发明的装置方面(关于感测布置)描述的任何示例、选项或实施例特征或细节可以在已作必要修改后应用或组合或并入到本发明的本方法方面中。

针对本发明的实施例的各种各样的潜在应用存在。以非限制性范例的方式,应用包括:患者监测;遥测;抽查监测;可穿戴设备中的实施方案(例如,胸贴或腕戴式设备);新生儿监测;睡眠监测;产科监测;针对基于床垫的传感器的使用。

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。如果上面讨论了计算机程序,则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。如果术语“适于”用于权利要求书或说明书中,则应注意术语“适于”旨在等效于术语“被配置为”。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。

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