CN110430803A - 磁感应式感测设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁感应式感测设备(30)，所述设备包括环路天线(10)，所述环路天线用于与响应于利用电磁激励信号对介质的刺激而从所述介质发射的电磁(EM)信号感应式耦合。所述设备包括电磁屏蔽物(36)元件，所述电磁屏蔽元件被布置为拦截进出所述天线的电磁信号。屏蔽元件由导电材料形成，以便阻挡入射信号的电场分量，但是在所述材料中还包含非导电间隙，以便防止形成涡电流。所述天线的环路被开口打断，所述开口由电容器桥接，并且所述设备包括信号处理单元，所述单元仅经由位于所述天线的所述开口的一侧的单个点被电耦合到所述天线。

Description

磁感应式感测设备和方法
技术领域
本发明涉及磁感应式感测设备，并且特别涉及用于与身体感应式耦合以感测电磁信号的感测设备。
背景技术
感应式感测能够用作对介质或身体的性质进行无创研究的手段。
在一个有利的应用领域中，感应式感测能够用作无创研究生理特性(特别是心脏和肺动力学)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执行感测。
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，与仅在皮肤水平发生的电容式感测相反，感应式感测对身体内部的更大穿透深度处的变化更敏感。这是因为磁场比电场能够更深地穿透身体，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上的性质变化(例如，皮肤的介电常数)。
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，通过线圈信号传播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能够被用于感测传播的信号的性质(包括例如频谱、幅度和相位模式)。
电磁激励信号能够被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。这些涡电流然后又生成从身体传播出去的电磁信号，该电磁信号能够被线圈感测到。
身体中的组织的移动能够表现为组织的体积变化。然后，这些变化引起对响应于电磁刺激而从身体中发射的电磁信号的幅度和/或相位调制。通过监测这些变化，能够检测和跟踪体内元素的移动和大小变化。
对于感应式感测，仅电磁信号的磁场分量载有涉及位于表面下方的身体或介质的元素的信息。电场分量仅源自于任何身体的表面(因静电感应而产生)。然而，电场分量能够容易地主导在接收器天线中感应的电动势，从而模糊磁场贡献并因此降低系统对期望的研究物体的灵敏度。
因此，由电场引起的寄生效应使得难以测量介质或身体的磁性质的变化，因此严重阻碍了感应式感测系统的灵敏度。结果，降低了信噪比。
寻求一种能提供电磁信号的磁场分量的提高的信噪比的磁感应式感测设备。
发明内容
本发明由权利要求来限定。
已知电磁屏蔽能够用于阻挡或衰减电磁场。在电磁屏蔽中，场被由导电材料或磁性材料制成的屏障或屏蔽物阻挡。这样的屏蔽被称为法拉第屏蔽。
利用法拉第屏蔽对线圈或天线进行屏蔽会阻挡电场和磁场去往天线的和从天线的传播。因此，以这种方式简单地屏蔽天线会阻碍所得到的感测系统的所有功能。
因此，本发明的发明人设计了一种新的屏蔽方法，该屏蔽方法使得能够在成功地屏蔽电场分量的同时提高对磁场分量的灵敏度，从而从所得到的感测信号中移除了很多环境噪声。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于感测响应于电磁激励信号传播到介质中而从所述介质发射的电磁信号的感应式感测设备，包括：
环路天线，其用于与从所述介质发射的所述电磁信号感应式耦合；以及
阻挡屏蔽物，其被布置为拦截传播到所述天线的或者从所述天线传播的电磁信号，所述屏蔽物包括用于阻挡入射信号的电分量的导电主体，并且其中，所述主体限定用于抑制在所述主体内感应涡电流的至少一个非导电间隙，
其中，所述天线的环路被开口打断，所述开口由电容器桥接，并且其中，所述设备包括信号处理单元，所述单元仅经由位于所述天线的所述开口的一侧的单个点被电耦合到所述天线。
本发明基于调整电磁屏蔽物以包括一个或多个非导电打断部分或间隙，该一个或多个非导电打断部分或间隙被设计用于防止在屏蔽物内感应涡电流，该涡电流会生成二次磁场，该二次磁场会抵消掉由线圈或天线生成的初级磁场。这种配置将被称为“槽式法拉第屏蔽”。
当电磁场传播到天线或者从天线传播时，落在任何导电主体(包括屏蔽物)上的磁场分量都会通过磁感应(法拉第感应定律)在主体内感应涡电流。在屏蔽物中，这提供了磁场屏蔽效应，因为涡电流继而感应出与最初入射的磁场的方向相反的磁场(楞次定律)，从而抵抗或抵消原来传播的磁场振荡。因此，磁场分量被有效地阻挡。
通过在屏蔽物中包括导电间隙，不会形成涡电流，因此不会生成抵消掉传播磁场振荡的相反的场分量。因此，电磁信号的磁场分量可以穿过屏蔽物。
相比之下，继续发生对经由不同物理原理操作的电场分量的屏蔽。当电磁信号的电场分量入射时，通过在屏蔽物的主体内重新分布电荷而发生电场屏蔽。屏蔽物的一侧的场入射重新分布电荷，使得这些重新分布的电荷抵消了场分量对交替侧的影响。
因此，本发明的屏蔽方法有效地阻挡了电场分量的传播且同时允许磁场分量通过。因此，抑制了电场的寄生效应并且提高了从在天线处接收的信号导出的所得测量信号的信噪比。
此外，电容器将天线的环路有效地分成两部分(两个翼)，这两部分延伸到电容器的各侧。信号处理单元被电耦合到天线环路的仅一侧(仅一个翼)。天线环路的另一侧经由桥接电容器仅被连接到信号处理单元。其结果是天线仅被松散地耦合到信号处理单元，其有益效果是信号处理单元不会严重加载天线环路。这提高了信号处理单元系统对入射电磁信号的灵敏度。
阻挡屏蔽物被布置在天线的传播路径中以用于拦截传播到天线的或者从天线传播的电磁信号。传播路径可以是意指例如电磁发射或信号在从天线发射之后或者在天线处被接收时自然地行进通过的空间路径。
“电磁信号”通常意指例如电磁波或振荡或电磁辐射或发射。术语“电磁”指代一般类型的发射(信号)并且例如不排除纯电场或纯磁场振荡或波。
电磁激励信号仅仅意指如上所述的被发射用于在介质中刺激涡电流以便如上所述地感测介质的特性的电磁信号。
“导电主体”可以意指屏蔽物的包括导电材料的主体(部分)。
“间隙”可以广义地意指主体的(连续)导电性的任何中断，例如，主体的导电材料的中断。这种中断是为了避免通过主体的连续导电路径，通过该导电路径可能会形成涡电流。
因此，至少一个间隙可以被定位为朝向屏蔽物的周边，由于涡电流是环路的，因此电流通常围绕中心点环流。
所述至少一个间隙可以由所述主体的子区域形成，所述子区域由比周围材料导电性更低的材料形成，例如，绝缘材料的子区域。
所述至少一个间隙可以包括通过所述导电主体的开口。开口意指导电主体的材料中的空间或打断部分，例如，气隙。
根据一个或多个示例，所述屏蔽物可以包括层状元件，其中，所述层状元件可以是平坦的平面元件或弯曲的或轮廓独特的元件。
在示例中，所述屏蔽物可以包括薄片元件，其中，所述薄片元件可以是平坦的薄片元件或弯曲的或轮廓独特的薄片元件。所述薄片元件可以是板元件。
所述屏蔽物可以包括薄片元件或板元件，它们被布置为面向所述环路天线的一个平面侧，即，面向所述环路天线的一个平面侧。
在示例中，所述屏蔽物可以是平面元件。
根据本发明的一组或多组实施例，所述设备可以是生理感应式感测设备，所述生理感应式感测设备用于感测对象的身体的一个或多个生理特性。
如上所述，生理感应式感测是用于感应式感测的一个特别有利的应用领域。它能够用作无创研究许多不同生理特性(包括例如心脏动力学和肺动力学)的手段。因此，所述设备可以是生理设备、诊断设备或医学感测设备。
根据这组实施例，所述系统用于感测响应于电磁激励信号被施加到对象的身体而从所述对象的所述身体接收的电磁信号。
在这样的实施例中，所述设备可以包括被耦合到所述天线的信号处理单元，所述信号处理单元用于处理接收的电磁信号以导出生理信息，例如，一个或多个生理特性或参数的指示。
替代地，所述设备可以适于耦合到外部信号处理单元，以便处理在所述天线处接收的信号以例如导出生理信息、特征或参数。
所述系统可以是生理参数感测系统。
所述系统可以是生命体征感测系统。生命体征可以包括例如心率、脉搏率、呼吸能力和呼吸速率。
虽然生理感测是一个应用领域，但是本发明不限于这样的应用。本发明的构思更一般地适用于感测从任何介质或身体接收的电磁信号。
根据任何实施例，所述设备可以包括信号处理单元，所述信号处理单元用于处理在所述天线处从所述介质接收的信号。所述信号处理单元还可以用于导出涉及所述介质的信息或测量指示。
根据特定示例，所述信号处理单元可以包括信号处理电路或微处理器或微控制器。
所述信号处理单元可以适于分析或确定所述天线的阻抗。
根据其他示例，所述感测设备可以不包括信号处理单元，但是可以适于能耦合到外部或辅助信号处理单元以用于处理在所述天线处接收的信号。
在特定示例中，所述感测设备还可以包括适于阻挡电磁信号的次级屏蔽元件，所述屏蔽元件被布置为屏蔽以下两项中的一者或两者：桥接所述环路天线的所述电容器，以及所述天线与所述信号处理单元之间的连接点。
这个另外的屏蔽元件使得这些电子部件的环境更加明确和稳定，因为电容器和/或连接点上的电场被屏蔽。
在有利的示例中，所述屏蔽元件可以是屏蔽壳体，所述屏蔽壳体被布置为包围以下两项中的一者或两者：桥接所述环路天线的所述电容器，以及所述天线与所述信号处理单元之间的所述连接点。
“包围”仅仅意味着环绕，以便从(基本上)所有角度屏蔽电容器和连接点。包围不一定要求屏蔽元件在电容器和连接点周围提供完全密封。
根据任何实施例，所述屏蔽物可以被布置为面向所述天线的环路并且与所述至少一个间隙对齐，以便延伸穿过所述天线的所述环路的圆周。
这可以意指被投射到天线上的间隙延伸穿过天线的环路的圆周。
间隙的功能是抑制响应于(进出天线的电磁信号的)磁通量的传播而在屏蔽物主体的导电材料内发展出涡电流。落在屏蔽物上的通量将趋于感应涡电流，该涡电流围绕入射的辐照区环流。在这些通量源自于天线中心的情况下，屏蔽物中感应的涡电流将因此趋于映射到天线环路的周边(即，环路圆周)。
因此，通过将间隙定位在一个位置中而使得间隙与屏蔽物上的天线环路周边的投影对齐地横穿或垂直相交，将抑制源自于天线中心的通量生成涡电流，这是因为这些电流要通过自然环流路径而形成，但间隙中断了该自然环流路径。因此，屏蔽物不会阻挡这些信号。
同样地，可能到达天线并在天线处成功配准的(源自于介质的)电磁信号的通量也将趋于辐照屏蔽物的映射到天线环路的中心的区域。因此，这些通量也趋于生成涡电流，该涡电流映射到天线的环路的周边(圆周)上。因此，位于使得间隙与天线环路周边对齐地横穿或垂直相交的位置的间隙将抑制由这样的电磁信号引起的涡电流的生成。因此，屏蔽物不会阻挡这些信号。
根据一个或多个实施例，所述屏蔽物可以包括接地板元件，并且其中，所述环路天线被电耦合到所述板元件，以便使所述环路接地。所述板元件可以被布置在所述天线的一个平面侧上，即，面向所述天线的一个平面侧。
根据这组实施例，所述屏蔽物和所述天线可以被耦合在一起而作为电气系统，其中，所述屏蔽物使所述天线接地。所述屏蔽物和所述天线可以经由同轴电缆的外部导体进行电耦合，其中，所述同轴电缆的内部导体被耦合到所述天线以用于将所述天线连接到信号处理单元。
所述天线可以被定位为与所述屏蔽物平面对齐，其中，所述天线与所述屏蔽物通过小的分离间距分开。所述屏蔽物可以被布置为面向所述天线，与所述间隙对齐，以便延伸穿过所述天线的所述环路的圆周。
所述板元件可以是平面元件。
为了优化屏蔽物与天线之间的阻抗匹配，可以调整天线与屏蔽物之间的接地连接的位置。当该连接点围绕天线环路的圆周移动时，电压-电流关系改变。因此能够改变位置来优化阻抗匹配。
任选地，所述环路天线可以经由电容器被耦合到所述屏蔽物。电容器提供了用于优化天线与屏蔽物之间的阻抗匹配的额外或替代手段。
根据任何实施例，所述屏蔽中的所述间隙可以从所述导电主体的边缘向内延伸。任选地，所述间隙可以从所述边缘延伸到所述导电主体的至少中心点。所述间隙可以从所述导电主体的边缘向内径向延伸。
根据这些实施例，所述间隙构成从所述屏蔽物的边缘切入的狭缝或狭槽并且将所述屏蔽物的至少部分有效地分成两部分。
从边缘至少延伸到中心点(即，从边缘径向延伸到中心点)的间隙自然趋于交叉(中断)任何试图在板中形成的(环流的)涡电流。特别地，任何涡电流(如果形成的话)将围绕靠近中心点的点环流，这样的狭缝将中断环流并阻碍涡电流形成。
应当注意，“中心点”意指基本上处于或朝向屏蔽物主体的中心或中间的点，例如处于或靠近屏蔽物主体的质心。
根据任何实施例，所述间隙可以包括通过所述导电主体的开口。开口意指导电主体(的材料)中的空间或打断部分(例如，气隙)。
根据任何实施例，所述间隙可以是所述导电主体中的狭缝或狭槽。狭缝或狭缝通常意指纵向尺寸的间隙。
根据一个或多个实施例，所述屏蔽物可以围绕所述环路天线的周边同轴地延伸，即，屏蔽物与天线被同轴布置。
根据一组实施例，所述天线还可以用于生成用于传播到所述介质中的所述电磁激励信号，并且其中，所述设备还包括信号生成单元，所述信号生成单元适于在使用时驱动所述天线以生成所述激励信号。
在这组实施例中，用于生成电磁激励信号的天线与用于感测作为响应而从介质返回的信号的天线是同一天线。
这在功能方面具有优势。特别地，如下所述，通过经由线圈的谐振特性的失谐来测量环路天线中的反射的感应分量，能够容易地实现对电磁信号的感测。只有当同一天线用于感测和信号生成时，这种简单的信号分析方法才可能起作用。
“驱动”可以意味着激励天线。
“驱动”可以意味着驱动通过天线的(交流)电流，以便刺激振荡电磁信号(波)的生成。
所述信号生成单元可以包括驱动器(例如，振荡器)以用于以给定频率驱动所述天线。
根据一组有利的实施例，所述感应式感测设备可以适于生成用于传播到所述介质中的具有径向频率ω的电磁激励信号，
其中，所述电磁激励信号的归一化径向频率为0.025至0.50，其中，ωref＝2πc/l，并且c＝光速，并且l是所述环路天线的单个绕组的圆周长度。为避免疑义，c＝3×108m/s。
这组实施例基于发明人进行的研究计划的重要结果，通过该结果发现，电磁激励信号的归一化径向频率的上述参数是确定由所述设备感测的信号的强度的最重要参数。
更具体地，研究发现，在的值低于0.025时，感测的电磁信号的信噪比显著降低，从而引起更高的运动灵敏度。更具体地，低于该水平时，信号强度大大降低，并且在大多数实际应用中，信号强度被源于电子噪声、电磁干扰的噪声和由与介质表面的电容耦合(即，经由电场和电感应电荷的直接耦合)产生的噪声所饱和。
然而，虽然发明人已经发现了非常显著的信号强度优势，但是在现有技术中从尚未探索过与所要求的频率一样高的频率。这很可能是由于该领域普遍认为高于10-29MHz左右的(绝对)频率会导致因皮肤效应引起的可实现穿透深度显著降低。假设的穿透深度降低将会使系统对于探查生理参数无效。然而，发明人已经发现，这种普遍存在的偏见是一种误解，因为即使皮肤效应是真实的，它也是在比本发明中使用的频率高得多的频率下才变得非常有害。
进一步发现，0.50的值是仍然能实现有效的感应式感测的物理上可能的最高值。这是(单个)环路天线的第一谐振(其是半波长精确适配在环路的圆周周围的谐振)的最高可能归一化频率。
在第一谐振之上，在环路中感应出高度不均匀的电流，并且环路将承载累积电荷的固定振荡图案。累积电荷的这种条纹图案通常将电容性地耦合到介质的表面，从而在介质的表面上感应出表面电荷。
在这种情况下，传感器对介质表面的运动非常敏感，其中，即使非常小的移动也会感应出寄生信号，该寄生信号会完全淹没被感测的感应信号(即，源自介质表面下方的磁感应信号)。这使得感应式传感器对大多数实际应用无效。因此，通过使保持低于0.5的值，信号强度能够被维持在适合用于实际应用的水平处。
因此，本发明提供的一定范围的值使在感应式感测中可实现的信号强度最大化。本领域技术人员还应当理解，当将环路放置在介质中时，本申请中描述的感应式感测设备也能够以优化的方式工作。在这种情况下，ωref＝2πVp/l，其中，Vp是在使用时在环路周围的介质中的光的相速度。
根据一个或多个示例，所述天线可以是单匝环路天线。在研究过程中已经发现，与预期相反，增加线圈绕组(线圈匝数)的数量N而使得线圈绕组大于一(单个环路)不能使得信号强度得到可检测的提高。此外，增加绕组的数量实际上对于使信号强度最大化的目的是有害的，因为增加绕组的数量会因绕组之间的电容耦合而限制的最大可实现值。这继而限制了可获得的信号强度提高。
因此，上述定义的范围的两个特征和单个线圈天线基本上是相互关联的。在天线包括多于一匝(N>1)的情况下，由于环路之间的寄生电容和线圈电线的总长度Nl较长，能够与环路一起使用的最大频率显著降低到低于这使得实现本发明要求保护的有益归一化频率范围以及与之伴随的信号强度提高是不可能的。因此，仅通过将线圈绕组的数量减少到一个是可能得到有益的更高的值的。
然而，将线圈绕组限制为一个与现有技术中的普遍观念相反，现有技术中的普遍观念通常假设多个线圈绕组通过增强磁链来提高信号强度。这进一步促使该领域不愿探索目前要求保护的范围内的频率。
多个绕组还会增加传感器的成本和复杂性。减少到单个环路简化了设备的构造和操作并减小了外形。
下面将呈现所识别的特定范围的更详细的物理解释和基础。然而，简而言之，所要求保护的一组实施例基于以下发现：反射电感(由响应于电磁刺激而在介质中感应的涡电流产生的天线的电感)是引起在天线处接收到的信号的强度的关键决定因素。通过首先对该量进行归一化而使其有效地与尺寸无关，然后模拟其所依赖的各种参数的变化，发现感测信号的归一化径向频率是确定反射电感的最重要参数。然后识别本申请中要求保护的最优值范围。
可以通过以径向频率激励天线来生成具有径向频率ω的电磁激励信号。这可以意味着激励天线以便以频率ω谐振。这特别可以意味着在天线中感应出具有径向频率ω的谐振电流。
这可以通过提供具有等于ω的自然谐振频率的天线电路来实现。可以通过提供被耦合到天线的电容器并适当选择电容器的电容来设置天线的自然谐振频率。天线与电容器的组合被称为谐振器。
额外地或替代地，激励天线以便在天线中感应出具有径向频率ω的谐振电流可以通过利用频率为ω的电流激励天线来实现。
电磁激励信号的归一化径向频率取决于电磁激励信号的径向频率ω和天线的参考频率ωref＝2πc/l(其是环路圆周长l等于一个自由空间波长时的径向频率(即，其中，λ自由空间＝l))。
因此，本发明的实施例可以要求将天线和/或电容器和/或信号生成单元一起配置，使得归一化径向频率在限定的范围内。
举例来说，这可以例如通过以下操作来实现：提供被耦合到天线的并且被选择为将电路的自然谐振频率设定在ω处的电容器，并且选择具有正确圆周长度l的天线。在电路具有给定的自然谐振频率的情况下，可以通过例如使用自激振荡器(没有固定或强制振荡频率的振荡器)激励天线以使其在该频率下谐振。
根据一个或多个实施例，所述设备可以包括信号处理单元，所述信号处理单元适于：处理在所述天线处接收的信号，并且通过将每个信号与不同频率的参考振荡信号混合来按比例降低所述信号的频率，并且应用差分滤波器以导出输出信号，所述输出信号的频率是所述振荡信号的频率与所接收的信号的频率之间的差值。
这样的实施例的目的是减少由设备执行的任何信号处理的能量消耗和所需的计算能力。特别地，数字分频器和计数器(其用于处理所接收的信号以用于分析)汲取与工作频率成比例的电流。因此，为了节省功率，根据本实施例，首先减小所接收的信号的频率，从而允许以较低功率执行后续信号处理。
所提出的特定方法(首先混合第二信号，然后找到差分频率信号)的优点是：混合不会导致分辨率的损失。这与例如分频器(其也能够用于降低频率)形成鲜明对比，分频器确实降低了分辨率。
振荡信号频率优选非常接近所接收的信号的频率。在优选示例中，所述振荡信号的频率与所接收的信号的频率相差10％至20％。
如上所述，所接收的信号的频率通常等于电磁激励信号的径向频率ω。
根据本发明的另外的方面的示例提供了一种用于感测响应于电磁激励信号传播到介质中而从所述介质发射的电磁信号的感应式感测方法，所述方法包括：
使用环路天线来与从所述介质发射的所述电磁信号感应式耦合，以便感测所述信号，其中，
阻挡屏蔽物被布置在所述天线的传播路径中以用于拦截传播到所述天线的或者从所述天线传播的电磁信号，所述屏蔽物包括用于阻挡入射信号的电分量的导电主体，并且其中，所述主体限定用于抑制在所述主体内感应涡电流的至少一个非导电间隙，并且
其中，所述天线的环路被开口打断，所述开口由电容器桥接，并且其中，信号处理单元仅经由位于所述天线的所述开口的一侧的单个点被电耦合到所述天线。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了使用环路天线刺激对象的胸部；
图2比较了进出屏蔽的天线和未屏蔽的天线的电磁波的波阻抗；
图3示出了根据实施例的示例性感测设备；
图4示出了根据实施例的另外的示例性感测设备；
图5示出了根据实施例的另外的示例性感测设备；
图6和图7示出了使用示例性感测设备获得的样本生理测量信号；
图8示出了根据实施例的示例性感测设备；
图9示出了根据实施例的示例性感测设备的示例性电路；
图10和图11示出了根据两个不同模型的示例性感测设备的作为变化的归一化径向工作频率的函数的建模特性反射电感；
图12示出了根据实施例的示例性感测设备处理电路；
图13示出了根据实施例的另外的示例性感测设备处理电路；
图14示出了根据实施例的另外的示例性感测设备处理电路；
图15描绘了图14的示例性处理电路的一个示例性实施方式；
图16示出了在使用感测设备的一个实施例时实现的测量信号频移；并且
图17示出了根据实施例的另外的示例性感测设备电路，该设备利用远程处理方。
具体实施方式
本发明提供了一种磁感应式感测设备，该设备包括环路天线，该环路天线用于与响应于利用电磁激励信号刺激介质而从介质发射的电磁(EM)信号进行感应式耦合。该设备包括电磁屏蔽元件，该电磁屏蔽元件被布置为拦截进出天线的电磁信号。该屏蔽元件由导电材料形成，以便阻挡入射信号的电场分量，但是在该材料中还包含非导电间隙，以便防止形成涡电流。天线的环路被开口打断，该开口由电容器桥接，并且该设备包括信号处理单元，该信号处理单元仅经由位于天线的开口的一侧的单个点被电耦合到天线。
通过抑制在屏蔽物的主体中形成涡电流，当EM信号的磁场分量入射时，屏蔽物不会感应出相反的磁场。因此，磁场分量不会被这样的场抵消掉，因此该分量不会被屏蔽物阻挡。
以这种方式，屏蔽物阻挡电场分量，但会通过磁场分量，从而减少了所感测的磁感应信号中的电场噪声并提高了信噪比。
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路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。在优选示例中，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。
在实施例中，环路天线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。在有利的示例中，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线圈天线。
图1示意性地图示了该原理，图1示例性地示出了利用靠近对象的胸部12的交流电来驱动环路天线10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。
根据有利的示例，该系统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。
在这些示例中，该系统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。
与电场相比，磁场会更深地穿透到身体中，因此磁场能够用于测量身体内部更深处的性质的变化，而电场能够用于测量皮肤表面上的性质变化(例如，皮肤的介电常数)。因此，天线10的性质和所生成的电磁激励信号优选被配置为使得天线对磁信号(电磁信号的磁分量)最为敏感并且对电信号最不敏感，即，使得所发射的电磁信号的磁场行为对电场行为占主导地位。
因此，本发明的实施例提供了一种新的屏蔽方法，该方法允许对天线屏蔽电场，同时允许磁场通过。
现在将解释屏蔽构思。
线圈或天线周围的电磁场由近场区域和远场区域来表征。近场区域通常由一个波长λ的距离除以2π来定义。对于400MHz的相对高频的电磁信号(其在根据下面要描述的某些实施例使用的优选值范围内)，这对应于0.12m的距离。因此，如果要将天线保持在待研究的身体的约0.12米范围内，则近场区域是唯一受关注的区域。这样的距离是例如贴身感测应用的情况，例如，可穿戴传感器。近场区域中的材料性质的变化(即，局部血容量波动)通常能够被视为环路阻抗的变化。能够通过多种方式(例如通过使用锁相环)测量这种变化的阻抗。
为了实现对材料性质的这种变化的感应式感测(包括例如根据某些有利的实施例的对生命体征的感测)，如上所述，抑制对由生物组织中的(因静电感应产生的)表面电荷引起的不期望的电场的检测是有利的。这些电场是不需要的，因为它们并不携带关于身体或介质的表面下方的材料的信息(因为这些电场源自于身体的表面)。然而，这些电场也很容易主导由身体内部的涡电流14引起的电动势(其确实携带关于内部性质的信息)。
在生理感测的情况下容易发生静电感应，这例如是因为生物组织的相对介电常数大约是εr≈～70，其远大于1。
完全未屏蔽的天线将输出具有相对较高的场阻抗(即，横向电场分量与横向磁场分量的高比率)的电磁场信号。相比之下，屏蔽的天线将输出相对较低的场阻抗信号(即，横向电场分量与横向磁场分量的低比率)。这在图2中图示出，图2示出了针对以下两个场的作为距天线的(通过波长归一化的)距离(x轴：距离除以λ，以米为单位)的函数的场阻抗(y轴)：一个场(线20)是由未屏蔽的天线生成的，而第二场(线22)是由屏蔽的天线生成的。
未屏蔽的天线信号20的高电场分量将引起静电感应。另外，未屏蔽的天线将对得到的反射回来的不需要的电场敏感。相比之下，屏蔽的天线的低阻抗场将引起很少的静电感应并且对返回的信号电场分量不敏感。
图3示出了根据本发明的实施例的示例性磁感应式感测设备。
设备30包括具有单匝电线环路的环路天线10。该天线被开口打断，开口32由电容器34桥接。电容器可以被选择为将天线电路调谐到所期望的谐振频率。
天线10由电磁屏蔽物36元件同轴地环绕。该屏蔽物包括导电外壳或壁，其提供屏蔽功能并形成环绕天线的管状元件。导电外壳形成该屏蔽物的导电主体。在导电外壁与天线之间是电介质(即，绝缘)介质38，电介质(即，绝缘)介质38还用于以固定的位置关系机械地紧固天线和外壳。
因此，屏蔽物提供了法拉第屏蔽。间隙40被形成在屏蔽物的圆周上，该间隙从屏蔽物的圆周从外到内径向延伸通过屏蔽物主体。
因此，屏蔽物36被配置为使得通过它形成的间隙被对齐以便穿过天线10的环路的圆周。在这种情况下，间隙在圆周上环绕被间隙暴露的天线环路的部分。
因此，屏蔽物36相对于天线10进行布置，使得从天线发射的电磁信号和行进到天线的电磁信号被该屏蔽物拦截。
当在屏蔽物36处入射电磁信号的电场分量时，该场与屏蔽物的主体38内的电荷相互作用。这种相互作用缩短了电场并抑制了电场的进一步传播。
当在屏蔽物36处入射电磁信号的磁场分量时，振荡磁通量在屏蔽物36的外壁的导电材料内产生电流感应效应。通常，这将表现为在屏蔽物主体的表面处形成环流的涡电流，该涡电流继而生成相反的磁场并抵消掉入射的场分量。然而，在屏蔽物主体中存在非导电间隙40抑制了这样的涡电流的形成。因此，屏蔽物不会阻挡磁场分量的通过。
总体效果是屏蔽物阻挡入射的电磁信号的电场分量并同时使磁场分量通过。因此，减小了在天线10处接收的信号中的电场噪声并且提高了磁感应式感测设备的信噪比。
虽然图3的特定示例包括被耦合到天线的电容器，但是电容器对于本发明的构思来说不是必需的。
该设备还可以包括信号处理单元，该信号处理单元用于处理在天线处接收的电磁信号，该信号处理单元例如为信号处理电路或微处理器或微控制器。替代地，天线可以被配置为被耦合到外部信号处理单元。
在任意一种情况下，根据图3的示例，信号处理单元经由连接同轴电线42被电耦合到天线10，连接同轴电线42的内部导体仅通过位于天线环路中的开口32的一侧(一个翼)上的单个连接点54被连接到天线。同轴电线的外部导体经由盒48被电连接到屏蔽物36。天线环路的另一侧仅经由桥接电容器34被连接到信号处理单元。因此，信号处理单元仅被松散地耦合到天线，这有利地避免了信号处理单元负载过重。
设备30还包括以屏蔽盒形式的次级屏蔽元件48，次级屏蔽元件48被布置为包围天线环路的子部分46。屏蔽盒由导电材料形成以抑制电磁信号的通过。屏蔽盒因此形成法拉第屏蔽。
屏蔽盒的外壁被电连接到同轴屏蔽物36并通过空气与天线10隔开。
屏蔽盒包围桥接电容器34以及信号处理单元(经由电线42)连接到天线10环路的连接点44。因此，提供了环绕该设备的这些部件的更加电磁稳定的环境。
能够改变屏蔽物中的(一个或多个)非导电间隙的位置，以便最优地平衡磁场。
在使用时，天线10和屏蔽物36布置被保持为靠近感兴趣的介质或身体。电磁激励信号被传播到身体中以刺激涡电流14的形成(如上面参考图1所讨论的那样)，并且设备的天线与响应于所述激励而从身体发射回来的电磁信号的磁场分量感应式耦合。屏蔽物36阻挡该信号的电场分量通过，并且(由于非导电间隙40而)允许磁场分量通过。因此，天线能够与磁信号感应式耦合。
然后，信号处理单元可以处理所接收的信号，以便导出所关心的被刺激的身体或介质的信息。信号处理单元可以适于分析天线10环路的电感，以便感测所接收的信号。
天线环路10和电容器形成具有自然谐振频率的谐振电路。具有间隙40的屏蔽物36也具有自然谐振频率。优选地，屏蔽物的谐振频率高于天线和电容器电路的谐振频率。优选地，可以使间隙(40)尽可能小，但同时维持屏蔽物的谐振频率高于天线和电容器的谐振频率。
在优选实施例中，感测系统的天线10既生成被传播到身体或介质中的电磁激励信号，又感测因涡电流的形成而从介质返回的电磁信号。
为此，设备30还可以包括信号生成单元，该信号生成单元用于驱动天线以生成电磁激励信号。该信号生成单元可以例如包括驱动器单元，该驱动器单元适于驱动通过天线10环路的交变电流或其他周期性电流，以刺激生成从天线的电磁发射。信号生成单元可以例如包括用于驱动天线的振荡器。
下面将更详细地描述信号处理和生成方法。
优选以相对较高的频率(例如，0.1至1GHz的量级)驱动环路天线10以创建稳定的电磁环境。
优选地，使天线10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。虽然图3的示例性设备具有仅具有一个绕组的天线的特征，但是这不是必需的，并且在其他示例中天线可以包括更多个绕组。
优选地，使天线上的电流分布尽可能地保持均匀。在环路的圆周长小于入射的电磁信号(以及发射的电磁激励信号(其中使用该天线))的波长的大致1/10的情况下，可以假设环路上的电流分布大致均匀。
调谐天线10电路的谐振发生在感应回路10与桥接电容器34之间(并且在天线10与屏蔽物36之间产生(相对较低的)电容)。环路的电感取决于环路圆周长。
图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的第二示例性磁感应式感测设备。该示例性设备30具有平坦结构，该平坦结构与图3的示例的同轴管状结构相反。这可以使其适合用于可穿戴应用。
设备30包括以板元件(特别是平面接地板)形式的屏蔽物36。板元件形成屏蔽物的导电主体。接地板具有以狭槽的形式的从板的边缘52向内延伸到大致板的中心点的间隙40。该示例中的间隙具有朝向屏蔽物的边缘52的较小宽度部分以及朝向屏蔽物中间的较大宽度部分。然而，在其他示例中，狭槽沿着其整个长度可以具有一致的宽度。
单个矩形调谐环路形式的环路天线10被提供为以共面的方式被设置在屏蔽物36上方，环路天线10和屏蔽物36以小的间隔(例如，几十微米)分开。因此，屏蔽物被布置为面向屏蔽物的一个平面侧。环路由设置有导电顶层的固体非导电载体形成。该示例中的环路以矩形环形方式延伸以限定环路。然而，在其他示例中，环路可以是具有任何环形形状，例如，圆形(如圈形或椭圆形)。
天线环路10的导电顶层可以是薄的平坦导电箔的形式。
接地板36被布置为使得间隙40与天线10环路的圆周对齐地交叉。
如在图3的示例中那样，天线10环路被开口打断，该开口由电容器34桥接。电容器可以被选择为将天线电路调谐到所期望的谐振频率。
天线10经由由同轴电线42的外部导体提供的同轴馈线被耦合到接地板36。由点54示意性地指示外部导体到屏蔽物的接地馈电点。同轴电线42的内部导体通过连接点44被电连接到天线环路10的导电上层。同轴电线提供与信号处理和/或生成单元的连接，信号处理和/或生成单元用于分析感测的信号和/或驱动输出激励信号的生成。
为了优化天线10与信号处理器或信号生成单元的阻抗匹配，能够改变接地连接54的位置。电压-电流关系沿着天线环路的长度变化，因此使得能够调整连接的电学性质。特别地，天线在谐振频率处具有阻抗，该阻抗随着到电容器34的距离而变化。该阻抗随着距离的增加而下降。
天线10通过绝缘层或电介质层51与接地屏蔽物36隔离。
与图3的感测设备形成对比，图4的示例提供了一种平坦天线，其具有被布置在该天线的一个平面侧上的平坦的平面屏蔽物。令人惊讶的是，通过实验和模拟已经发现，这种布置中的屏蔽物的屏蔽功能与图3的包括完全环绕天线环路的同轴屏蔽物和次级屏蔽盒48的布置的屏蔽功能一样有效。在天线环路的非导电载体轨道的厚度很小(例如，几毫米)的情况下尤其如此。
在使用时，布置30被保持为使得屏蔽物被设置在天线与正被探查的身体之间，即，在天线与正被研究的身体之间的传播路径中。屏蔽物阻挡输出和输入的电磁信号的电场分量的传播，同时允许磁场分量通过。
虽然在图4的示例中屏蔽物36呈矩形板的形式，但是这仅是示例性的。在另外的示例中，屏蔽物和天线10中的一者或两者可以替代地是例如圆形的，只要屏蔽物36中的间隙40被对齐以便穿过天线10的圆周即可。
在示例中，有利地，可以使用常用的生产技术用印刷电路板(PCB)材料来形成该结构。
根据另外的示例，图4的布置可以适于包括被提供在接地板屏蔽物36与天线10之间的另外的耦合电容器。
该变体的示例如图5所示。除了包括额外的调谐电容器58之外，该示例的设备30在所有其他方面与图4的示例相同，该额外的调谐电容器58被提供为将屏蔽物接地板36与天线10电耦合。
电容器提供了(除了调整屏蔽物与天线之间的连接点54的位置之外的)另外的用于优化接地板屏蔽物36与天线10之间的阻抗匹配的手段。通过调整电容，能够优化阻抗匹配。
已经在实验室中测试了图5的平坦的屏蔽的天线设备30。由于板屏蔽物提供了受控的电磁环境，因此该设备显示出提供了非常稳定的感测行为。
在测量各种生命体征中测试了该设备的性能。与已知的未屏蔽的天线相比，检测到的信号强度得到显著提高。
在图6和图7中示出了所获得的结果的示例。图6示出了通过将图5的感测设备放置为靠近对象的胸部而获得的针对对象的心跳和呼吸的测量结果的信号。所获得的信号被示为作为时间(x轴，以秒为单位)的函数的天线归一化环路电感的变化(y轴)。图6特别示出了天线阻抗的归一化虚部，其被转化成天线环路的归一化电感，从而测量人的心跳和呼吸。
图7示出了使用图5的感测设备获得的针对对象的心跳和呼吸的测量结果的信号，该设备被放置为靠近对象的胸部。以230MHz的频率驱动天线以生成传播到对象的身体中的激励信号。该信号示出天线的归一化电阻的变化，即，作为时间(x轴，以秒为单位)的函数的天线阻抗的归一化实部(y轴)。
图8示出了另外的示例性感测设备。该布置类似于图4的布置。设备30包括以接地板的形式的屏蔽物36。环路天线10以共面的方式被设置在屏蔽物36上方，通过小间隔与屏蔽物36分开，该间隔可以填充有绝缘(即，电介质)材料。在该示例中，天线与屏蔽物之间的间距是1毫米。
间隙40以狭窄槽的形式被提供在屏蔽物36中，狭窄槽从屏蔽物板36的边缘向内延伸并通过屏蔽物板的中心点。在该示例中，狭槽是1毫米宽和25毫米长。
在该示例中，环路天线具有35毫米×35毫米(芯线)的总外部尺寸，其中，环形天线环路的宽度为5毫米。
所有尺寸纯粹都是示例性的，并且在其他示例中，可以使用不同的尺寸和距离。
环路天线10被两个开口打断，这两个开口中的每个开口均由相应的电容器34、35桥接。电容器使得能够调谐天线电路，以便使系统谐振。在本示例中，所提供的电容器给天线系统提供3至15皮法的总电容。
优选地，天线的环路显著小于由天线生成的电磁信号的波长或由天线接收的信号的波长。在图8的特定示例中，圆周长度被提供为所利用的EM辐射的四分之一波长。
根据任何实施例，感测设备可以以下列方式工作。
天线的调谐电容器34与电耦合的天线10组合形成谐振器电路。可以通过选择电容器的电容来设定谐振器的自然谐振频率。可以控制谐振器以通过利用振荡电流激励谐振器来生成用于传播到身体中的电磁激励信号。由信号生成单元(例如以振荡器的形式)来执行对谐振器的激励。当谐振器电路被激励时，谐振器电路以其自然频率谐振(即，建立在天线与电容器之间来回流动的谐振电流)。这驱动频率等于谐振器谐振的频率的电磁波(激励信号)的生成。因此，通过适当选择电容，可以设定激励信号的频率。
可以通过使用信号处理单元分析信号来感测从身体返回的电磁信号。特别地，信号处理单元可以适于检测谐振器电路的自然频率的变化和/或谐振器电路的阻尼参数的变化。这样的变化的幅值提供了对返回信号的强度的指示，这是因为返回信号提供了额外的电感分量(反射电感)，这引起谐振器电路的失谐。
感测设备的有利的实施例优选包括环路天线，环路天线的圆周长显著小于正被生成和感测的电磁信号的单个波长(例如等于大致四分之一波长)。优选地，还提供了一个或多个串联电容器，它们使整个结构谐振。替代地，这可以通过其他电气部件(的组合)来实现。
已经执行了模拟以测试图4、图5和图8的平板屏蔽物变体的行为。这些模拟测试了天线布置的底部(屏蔽)侧和天线布置的顶部(未屏蔽)侧的电场行为和磁场行为。已经发现，底部屏蔽侧经由间隙40表现出非常强的磁场行为并且几乎没有可测量的电场活动。顶部未屏蔽物表现出较弱的磁场行为并且还表现出一些弱的电场行为。因此清楚地看到，屏蔽物既阻挡了电磁信号的电场分量又增强了电磁信号的磁场分量。
根据本发明的任何实施例，能够根据需要来选择间隙40的尺寸。间隙的宽度越大，天线对输入的磁信号的灵敏度就越高，这是因为提高了对屏蔽物中涡电流形成的抑制效果。然而，同时，较宽的间隙也提高了天线对电场分量的灵敏度，电场分量能够传播通过间隙，这是不期望的结果。较小的间隙提高了对电场分量的阻挡，而且也略微降低了对信号的磁场分量的灵敏度，这是因为在屏蔽物中形成涡电流(其抵抗入射的磁场)的可能性更大。
然而，在大多数情况下，优选提供小宽度的间隙，这是因为电场分量对信号强度的阻碍程度大于对磁灵敏度的降低程度。
上面已经描述了本发明的实施例提供的示例性感测设备的主要特征，特别涉及对天线的屏蔽。
可以为本发明的任何实施例提供用于促进信号处理的伴随电路。某些实施例还可以包括用于促进驱动天线以生成用于传播到身体中的电磁激励信号的电路。
为了说明，在图9中示意性地描绘了用于一个示例性磁感应式感测设备的电路。所示电路包括信号处理单元和信号生成单元。然而，替代地，在另外的示例中，信号生成单元或信号处理单元中的仅一个可以被提供为与天线隔离。
设备30包括与电容器电耦合的单匝环路天线10。这种组合布置被称为线圈谐振器。该示例中的天线用于生成电磁振荡或信号，该电磁振荡或信号用于传播到身体中并且用于与响应于激励信号而从身体返回(或反射)的电磁信号感应式耦合。
天线10被阻挡屏蔽物36环绕，阻挡屏蔽物36用于拦截传播到天线的或从天线传播的电磁信号。屏蔽物布置可以根据上面或下面描述的任何示例或实施例，或者可以如本申请的任何权利要求所定义的那样。屏蔽物可以是例如平面薄片元件(例如，图4、图5和图8的示例中的平面薄片元件)，或者可以是例如同轴屏蔽元件(例如，图3的示例中的同轴屏蔽元件)。
环路天线10被电耦合到信号生成单元62，信号生成单元62适用于在使用时激励谐振器(天线10和电容器电路)以生成电磁激励信号。根据本示例，信号生成单元是振荡器，该振荡器被配置为利用振荡电流来激励天线10，从而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)。
天线10还被电耦合到以用于处理在天线处接收的电磁信号的信号处理单元的形式的信号处理单元64(“Sig Proc.”)。在图9中，信号处理单元被示为经由信号生成单元62被连接到天线。然而，这不是必需的：天线和信号处理单元可以独立地连接。
在示例中，可以由单个单元来帮助信号生成单元62和信号处理单元64。根据特定示例，这两个元件的功能由矢量网络分析仪来帮助，该矢量网络分析仪包含用于激励谐振器的振荡器和用于感测所接收的信号的阻抗测量单元。
信号处理单元64分析在天线10处接收的响应信号的特性。特别地，信号处理单元可以处理所接收的信号以导出谐振器电路的阻尼因子的变化的度量和/或谐振器电路的自然频率的变化的度量。当在天线处接收到回来的电磁信号时，这些电磁信号使得谐振器电路的特性失谐，并且这允许测量所接收的信号。
系统30还包括用于控制系统的部件的微控制器66(“MPU”)。例如，微控制器可以控制由信号生成单元62在驱动天线时实施的特定驱动方案和/或由信号处理单元64实施的特定分析过程，并且/或者可以控制驱动操作和分析操作的顺序。然而，微控制器是任选的。
还可以提供数据通信单元(在图9中未示出)，该数据通信单元用于促进微控制器与外部设备(例如，外部计算机或数据存储设备)之间的通信。这可以促进由信号处理单元导出的信号处理结果传达到外部计算机。该数据通信单元还可以促进从外部控制单元(例如，计算机)向微控制器66传达控制命令。
数据通信单元可以包括无线通信单元或有线通信单元。该通信单元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。
在使用时，天线10被保持为靠近感兴趣的身体或介质，其中，屏蔽物被布置在天线与身体之间的传播路径中，并且天线被信号生成单元62激励以生成电磁激励信号。
根据有利的示例，该设备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。
在这些示例中，该系统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局部区域的体积变化以及组织的导电性质和介电性质的变化。这些调制引起电磁信号的幅度和/或相位调制。
响应于传播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。如上所述，并且如图1所示，电磁激励信号引起磁感应，即，由于施加外部磁场16而在组织中生成涡电流14，并且该涡电流/电磁信号由对象中空气、流体和/或组织的移动来调制。
借助于谐振器(包括天线10和耦合的电容器)来生成电磁激励信号，并且由同一天线来感测(由感应的涡电流引起的)反射的电磁信号。通过使用信号生成单元62激励谐振器来生成该电磁激励信号。谐振器电路将以其自然频率谐振(即，将建立在电容器与天线之间来回流动的谐振电流)，从而生成在该频率下的电磁激励信号。能够通过选择电容器的电容来设定自然频率。
信号生成单元62可以适于驱动天线10以生成具有径向频率ω的电磁激励信号。驱动天线可以包括利用频率等于ω的电流驱动天线，从而生成频率为ω的EM信号。电流可以是交流的或以其他方式周期性的(例如，脉冲的)。
替代地，驱动天线可以仅仅包括利用自激振荡器(即，没有固定或强制频率的振荡器)激励谐振器电路。然后谐振器电路将以其自然频率振荡。
根据一组有利的示例，设备30可以被配置为生成归一化径向频率为0.025至0.50的电磁激励信号，其中，ωref＝2πc/l，并且c＝光速，并且l是环路天线的圆周长度。为避免疑义，c＝3×108m/s。
归一化径向频率取决于天线的圆周长度l和天线10谐振时的径向频率ω。因此，在这些示例中，天线、电容器和/或信号生成单元62可以被一起配置为实现落在给定范围内的归一化径向频率的激励信号。特别地，电容器可以被选择为设定天线电路的谐振频率，从而设定ω，并且天线被选择为设定圆周长l。
例如，对于具有固定圆周长度l的天线，这要求配置或控制天线电路以ω＝0.0125l/πc至ω＝0.25l/πc之间的频率谐振或振荡。
在半径为a的环形环路天线的情况下，l自然地等于2πa。
已经发现，在该频率范围内驱动天线能显著提高所测量的磁信号的信噪比。这是通过发明人进行的重要研究计划发现的。
特别地，发明人发现，所获得的感测电磁信号的信噪比强度的关键决定因素是线圈电感Lr的(归一化的)反射分量的强度。
当天线10线圈被带入靠近身体或介质时，线圈的电感L采集额外的反射电感分量Lr，其是因(上面关于图1描述的那样)施加激励信号而在受激体中感应的涡电流而生成的。涡电流对环路天线10的电感做出有效贡献，因为它们本身会引起生成与驱动天线时的频率等效的频率的时变磁通量18。这些涡电流通量与天线的初级通量相组合，引起天线中更大的感应反电动势，因此引起更大的可测量有效电感。天线处的反射电感的幅值与从探查的身体接收的电磁信号的强度有关。
通过许多计算模型，发明人发现，参数是所测量的特性(即，归一化的)反射电感的强度的最强决定因素，其中，
图10示出了在距介质固定特性距离处使用固定半径为a的单匝(N＝1)线圈对均匀介质进行电磁刺激的计算建模的结果，其中，固定特性电导率(其中，ε＝介电常数)，并且固定相对介电常数εr＝50。结果表明，特性反射电感的强度随变化的而变化。
从图10的曲线图中能够看出，在这个简单的均匀模型中，对存在强依赖性。此外，还发现这种依赖性是对参数a、或εr中的任一个参数的依赖性中的最强依赖性。
发现在更复杂的模型中也会出现这种强依赖性。
图11示出了用于被构建为表示裸肺的模型的作为的函数的的计算建模的结果，裸肺通过其自身表示肺，与实际环绕它的任何脂肪层、肌肉层或骨骼层隔离。针对该模型，充气时的肺部与放气时的肺部之间的特性反射电感的变化被建模为的函数。的这种变化是一个重要的生理参数，因为它允许确定肺功能的特性。
作为的函数的的变化被建模为具有五个不同半径a(范围从10mm至100mm)的单匝环路天线。在曲线图上示出了对应于不同半径大小的个体线70-78，其中，每条线的半径大小由图中的符号表来指示。
能够看出，对存在强依赖性，并且再次发现是最强依赖的参数。
对响应于激励信号而从身体接收的电磁信号的处理可以以多种方式来执行。
根据第一组实施例，信号处理单元可以由锁相环来实施。图12示出了可以根据这组实施例使用的锁相环电路的示例。
在该实施例中，锁相环(PLL)用于驱动谐振器(包括天线10和电容器)，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12的电路实施了图9的示例性系统的信号生成单元62和信号处理单元64的功能。
图12示出了用于谐振器11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Vtune)输出到电压控制的振荡器(VCO)84。Vtune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谐振器11，使得谐振器11的天线10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10感测到。所生成的磁通量引起天线线圈的电感中的反射电感分量Lr(如上所述)。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回路的部分的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10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，但是可以清楚地观察到生理特性(例如，心率、呼吸速率)。
将VCO 84保持在所需频率下所需的校正信号Vtune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。相移趋于主导幅度变化。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，该信号是基于在校正信号中反映的谐振器11的自然谐振频率的变化而导出的。
根据另外的一组实施例，实施了替代的信号处理单元，其中，首先处理来自天线10的感测信号以通过以下操作来减小感测信号的频率：将感测信号与具有不同频率的另外的参考振荡信号混合，并且应用使差分频率通过的滤波器。这允许在低得多的频率范围内执行随后的信号处理，这降低了能量消耗和所需的处理能力。
特别地，为了降低系统的能量消耗和所需的计算能力，优选在数字域中执行信号处理。数字分频器和计数器汲取与工作频率成比例的电流。因此，为了进一步节省功率，通过使用接近如下频率的第二参考振荡器频率有助于降低数字系统中的频率：以该频率驱动天线10来生成电磁激励信号，并且从身体返回的信号也以该频率振荡。通过将返回的高频电磁信号(通常在400-500MHz左右)与频率不同但接近该频率(例如在EM测量频率的+/－50MHz内)的另一信号混合并应用使差分频率(即，f测量－f参考)通过的低通滤波器，能够在低得多的频率范围内执行信号处理(例如，数字计数)，这降低了能量消耗和所需的处理能力。
图13图示了该处理方案的一个示例，图13示出了相关联的处理电路。
该系统包括天线10，天线10被耦合到第一振荡器(“Osc 1”)94，第一振荡器94生成激励信号，激励信号用于驱动天线10以生成用于传播到感兴趣身体(例如，对象的身体)中的电磁激励信号。在天线10处通过感应式耦合接收作为响应而从身体发回的电磁信号，并且从天线输出频率为f1的所得到的信号。第二(参考)振荡器(“Osc 2”)96生成第二频率f2的振荡信号，该振荡信号的第二频率f2接近f1的频率，例如在f2＝0.8×f1与f2＝1.2×f1之间(即，在f1的+/－10-20％处)。
混频器(“Mix”)98混合两个频率f1和f2，然后低通滤波器(“LPF”)100使差分频率(即，f1－f2)通过。
然后将所得到的差分频率信号传递给另外的处理部件(例如在图13的示例中为计数器102)以用于导出从身体接收的信号的性质。
在图13的示例中，第一振荡器94执行系统30的信号生成单元62的功能(参见图9)，其余示出的部件执行系统的信号处理单元64的功能。
根据一个或多个示例，该系统可以包括第二测量天线，该天线具有用于驱动该天线的相关联的振荡器，并且其中，该第二振荡器用作处理电路中的参考振荡器。使用两个测量天线可以允许例如探查身体的两个不同部分，例如，肺部的两个部分。这可以允许对两个部分或区域进行差异测量，从而实现对异常具有更大的灵敏度。使用两个天线还使得能够抑制移动伪影并放大测量信号。
图14示出了示例。
第一天线10a和第二天线10b各自与相关联的振荡器(分别为振荡器94和振荡器95)连接，以用于以不同的相应频率f1和f2驱动天线，但是这些频率彼此接近，例如彼此相差+/－10％至20％之间。响应于生成的电磁激励信号而在天线中的每个天线处接收的返回的电磁信号也将在相应的频率f1和f2下，并且通过混频器98将这些电磁信号彼此混合并对这些电磁信号应用低通滤波器100，低通滤波器100被配置为使差分频率通过。然后将该信号传送到另外的信号处理元件(例如，计数器102)。
图15示意性地图示了双天线实施例的一个特定实施方式。该布置包括位于下层PCB的不同端部的两个天线10a、10b。每个天线均被连接到相应的振荡器(分别为振荡器94和96)。提供混合器98，混合器98混合两个信号。未示出滤波器和其他处理元件(例如，计数器)。两个天线是同一PCB结构的部分，并且作为部件载波同时起作用。
该布置由一个提供保护的整体屏蔽物106所覆盖。然而，屏蔽物是任选的。
该设计主要生成磁场。在具有诸如此类的两个振荡器的系统中，两个振荡器彼此耦合(即，振荡器牵引)。在实验中获得的最小频率差(f1－f2)是11MHz。在图15所示的布置中，实施的差值是28MHz。
在应用如上所述的滤波器之前，混频器98(例如，双栅极MOSFET)将测量信号载波与较低(或较高)频率混合，以节省电流并因此节省功率。然后使用所得到的频率信号来导出信息，例如，生理信息(例如，生命体征)。
替代地，诸如环路和间隙/狭缝配置的替代天线设计可以用于另外的示例。
有利地，线圈和电子器件可以全部由PCB材料制成。然而，也可以使用对于技术人员显而易见的其他合适的材料。
在该处理方法的所有示例中，结果是通常>200MHz的RF测量频率被降低到～50MHz的频率，即，两个混合频率f1、f2之间的差值。微控制器和微处理器能够容易地处理这种频率的信号。这种信号可以例如由微控制器计数器输入部直接处理。
以这种方式，避免了使用相对较高的能量消耗元件，例如，RF锁相环(PLL)系统和数字分频器。因此，该系统需要的电流明显较少。
替代地，可以实现使用具有较低频率锁相环(PLL)的混频器和滤波器布置来提高系统的质量，但是这会以更大的功耗为代价。
这组实施例的另外的优点是混合不会导致分辨率的损失。相比之下，使用数字分频器会导致这种损失。在下混合的28MHz信号处的感测信号调制(以上面呈现的图15的示例为例)的幅度与在较高(例如，405MHz)频率下的调制(在相同的相对增益下)的幅度相同。
然后将生理调制的28-MHz信号输出到低电流处理元件，例如，微控制器的频率计数器的逆向输入部。
具有能够对通常在身体中发生的频率范围内的频移进行计数的逆向输入部的微控制器是可以广泛获得的。
频率混合和滤波与数字计数器的结合使用使得能够利用低成本系统测量例如生理参数，例如，包括心跳和呼吸的生命体征。在示例中，天线、振荡器和混频器都可以被嵌入到PCB中。柔性电路技术(例如，柔性刚体技术)也可以用于进一步减小部件和整个系统的大小和成本。
已经构建了一个测试系统(其可以得到进一步优化)，在该系统中，每个天线汲取1mA的电流，这是同等性能的数字系统的至少十分之一。
以上呈现的所有频率仅是示例性的。
图16示出了在图14或图15的双天线实施例的情况下由于探查身体而测量的频移。曲线图(a)示出了当天线远离任何身体或介质时的两个标称频率f1和f2。
图(b)示出了当天线被带入靠近对象皮肤时的频移。两个频率都增加5Hz的相等量。
曲线图(c)示出了在激励身体期间的频移，在此期间存在反射电感贡献。这里，由于两个天线探查的不同的身体区域具有不同的调制效应，因此频移量不同。
图17示出了上述混合和滤波处理方法的另外的实施例。根据该实施例，混合和滤波步骤是远程执行的。感测系统30本身仅执行数据收集。所收集的信号数据被传达给远程计算机或控制器或处理器114。该系统仅包括两个天线10a、10b，两个相关联的振荡器94、65，以及用于将所收集的信号数据传达给远程计算机114和电池或其他远程电源(未示出)的数据通信元件110。
远程计算机114包括数据通信单元116和处理单元118，数据通信单元116用于从感测系统30接收信号数据，处理单元118包括混频器和滤波器，滤波器用于导出差分频率信号以传达给另一处理单元来处理数据。
该实施例维持功耗降低的优点，同时使本地硬件要求最小化。该系统的本地感测探头部分能够被制造得外形更小甚至功耗更低。
有利地，可以通过无线通信信道(例如，Wi-Fi、RF通信、紫蜂、NFC或任何其他无线协议或信道)来实施本地感测系统30与远程处理部分114之间的数据通信。几米的无线通信距离很容易实现，这使得该系统对于大多数应用来说非常实用。
根据一个或多个示例，本地感测系统部分30可以被集成在粘贴膏药中，以方便地应用于身体。这是可实现的，因为在该远程处理示例中可实现非常小的外形。
根据一个或多个示例，远程处理部分114可以在软件定义无线电(SDR)系统中实施。
用于创建或感应式测量磁场的系统在理论上通常被建模为用于生成或接收磁场的无限小尺寸的环路，该环路具有无限小尺寸的连接电线。然而，在现实世界的应用中，当试图在近场中测量来自人体的小信号时，测量系统的所有部件中的寄生效应的行为能够主导测量。因此，抑制这种效应对于提高信噪比来说非常重要。本发明的实施例已经提供了各种用于促进这种场抑制的单元。
本发明的屏蔽的天线设备容易受到各种应用的影响。
通常，该系统可以用于探查任何身体或物体的内部性质，其中，身体或物体存在响应于振荡磁场的施加而形成涡电流的能力。该系统对于具有动态内部情况(即，其内部的组成部分或部段移动或改变尺寸)的探查系统特别有用，因为这种改变和移动会引起感测信号中的可检测调制，从而允许测量和其他分析。
一个特别有利的应用领域是探查人体或动物体。该系统允许对体内流体(例如，血液)的空气移动或诸如心脏、肺或血管之类的器官或脉管的膨胀或收缩进行测量或其他分析。
本发明的任何实施例都可以有利地应用于根据一组示例来测量生命体征。这些生命体征包括例如心率、脉搏率、呼吸能力和呼吸速率。
在示例中，该技术可以有利地嵌入到用于生命体征监测的小型可穿戴结构中。该技术还可以用于可穿戴胎儿监测和非干扰式新生儿监测。
该结构可以由刚性或柔性PCB材料制成，其是足够薄的而能够被嵌入在磁传感器(粘贴)膏药中。
根据任何实施例，该设备可以用于感测生理参数和特性，例如，对象的身体(例如，人体)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。
在这些示例中，该系统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。
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其他变型。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。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。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)

1.一种用于感测响应于电磁激励信号传播到介质中而从所述介质发射的电磁信号的感应式感测设备(30)，包括：
环路天线(10)，其用于与从所述介质发射的所述电磁信号感应式耦合；以及
阻挡屏蔽物(36)，其被布置为拦截传播到所述天线的或者从所述天线传播的电磁信号，所述屏蔽物包括用于阻挡入射信号的电分量的导电主体，并且其中，所述主体限定用于抑制在所述主体内感应涡电流的至少一个非导电间隙(40)，
其中，所述天线(10)的环路被开口(32)打断，所述开口由电容器(34)桥接，并且其中，所述设备包括信号处理单元(64)，所述单元仅经由位于所述天线的所述开口的一侧的单个点(54)被电耦合到所述天线。
2.根据权利要求1所述的感应式感测设备(30)，其中，所述设备是生理感应式感测设备，所述生理感应式感测设备用于感测对象的身体的一个或多个生理特性。
3.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述屏蔽物(36)被布置为面向所述天线(10)的环路并且与所述至少一个间隙对齐，以便延伸穿过所述天线的所述环路的圆周。
4.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述屏蔽物包括板元件，所述板元件被布置为面向所述环路天线的一个平面侧。
5.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述屏蔽物(36)包括接地板元件，并且其中，所述环路天线(10)被电耦合到所述板元件以便使所述环路接地，并且任选地，其中，所述环路天线(10)经由电容器被耦合到所述屏蔽物。
6.根据权利要求5所述的感应式感测设备，其中，所述环路天线经由同轴电缆的外部导体被电耦合到所述板元件，并且其中，所述同轴电缆的内部导体还被耦合到所述天线以用于提供所述天线与信号处理单元之间的连接。
7.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述至少一个间隙(40)从所述导电主体的边缘向内延伸，并且任选地，其中，所述间隙从所述边缘延伸到所述导电主体的至少中心点。
8.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述至少一个间隙包括通过所述导电主体的开口，并且任选地，其中，所述至少一个间隙是所述导电主体中的狭缝或狭槽。
9.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述屏蔽物(36)围绕所述环路天线(10)的周边同轴地延伸。
10.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述设备还包括适于阻挡电磁信号的次级屏蔽元件(48)，所述屏蔽元件被布置为屏蔽以下两项中的一者或两者：桥接所述环路天线(10)的所述电容器，以及所述天线与所述信号处理单元之间的所述连接点，以及
任选地，其中，所述次级屏蔽元件(48)是屏蔽壳体，所述屏蔽壳体被布置为包围以下两项中的一者或两者：桥接所述环路天线(10)的所述电容器，以及所述天线与所述信号处理单元之间的所述连接点。
11.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述天线(10)和桥接电容器形成谐振器以生成用于传播到所述介质中的所述电磁激励信号，并且其中，所述设备还包括信号生成单元，所述信号生成单元适于在使用时激励所述天线以生成所述激励信号。
12.根据权利要求11所述的感应式感测设备(30)，其中，所述设备适于生成用于传播到所述介质中的具有径向频率ω的电磁激励信号，
其中，所述电磁激励信号的归一化径向频率为0.025至0.50，其中，ωref＝2πc/l，并且c＝光速，并且l是所述环路天线(10)的单个绕组的圆周长度。
13.根据任一前述权利要求所述的感应式感测设备(30)，其中，所述设备包括信号处理单元，所述信号处理单元适于：处理在所述天线(10)处接收的信号，并且通过将每个信号与不同频率的参考振荡信号混合来按比例降低所述信号的频率，并且应用差分滤波器以导出输出信号，所述输出信号的频率是所述振荡信号的频率与所接收的信号的频率之间的差值。
14.根据权利要求13所述的感应式感测设备(30)，其中，所述参考振荡信号的频率和所接收的信号的频率相差10％至20％。
15.一种用于感测响应于电磁激励信号传播到介质中而从所述介质发射的电磁信号的感应式感测方法，所述方法包括：
使用环路天线(10)来与从所述介质发射的所述电磁信号感应式耦合，以便感测所述信号，其中，
阻挡屏蔽物(36)被布置在所述天线的传播路径中以用于拦截传播到所述天线的或者从所述天线传播的电磁信号，所述屏蔽物包括用于阻挡入射信号的电分量的导电主体，并且其中，所述主体限定用于抑制在所述主体内感应涡电流的至少一个非导电间隙(40)，并且
其中，所述天线(10)的环路被开口(32)打断，所述开口由电容器(34)桥接，并且其中，信号处理单元(64)仅经由位于所述天线的所述开口的一侧的单个点(54)被电耦合到所述天线。
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