RU2795044C2 - System of inductive reading of electromagnetic signals from the body - Google Patents

System of inductive reading of electromagnetic signals from the body Download PDF

Info

Publication number
RU2795044C2
RU2795044C2 RU2019125246A RU2019125246A RU2795044C2 RU 2795044 C2 RU2795044 C2 RU 2795044C2 RU 2019125246 A RU2019125246 A RU 2019125246A RU 2019125246 A RU2019125246 A RU 2019125246A RU 2795044 C2 RU2795044 C2 RU 2795044C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
signals
loop
electromagnetic
signal
Prior art date
Application number
RU2019125246A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2019125246A (en
RU2019125246A3 (en
RU2795044C9 (en
Inventor
Ваутер Герман ПЕТЕРС
Марк КЛЕЙНЕН
Герардус Йоханнес Николас ДОДЕМАН
Рик БЕЗЕМЕР
Якобус Йозефус ЛЕЙССЕН
Ронни Хубертус Йоханнес ГРОСФЕЛЬД
Original Assignee
Конинклейке Филипс Н.В.
Filing date
Publication date
Priority claimed from EP17169584.4A external-priority patent/EP3398510A1/en
Application filed by Конинклейке Филипс Н.В. filed Critical Конинклейке Филипс Н.В.
Priority claimed from PCT/EP2018/050044 external-priority patent/WO2018127482A1/en
Publication of RU2019125246A publication Critical patent/RU2019125246A/en
Publication of RU2019125246A3 publication Critical patent/RU2019125246A3/ru
Publication of RU2795044C2 publication Critical patent/RU2795044C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2795044C9 publication Critical patent/RU2795044C9/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention provides a system for magnetically inductive sensing of electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals applied to the body. A group of inventions relates to a system and method for inductive reading of physiological parameters for reading electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals transmitted to the said body. The system contains a loop resonator, a means for generating a signal, and a means for signals processing. The resonator contains a loop antenna and a capacitor electrically connected to it. The antenna loop has one turn with a circumferential length l. In this case, the normalized radial frequency
Figure 00000074
≡ω/ωref electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.50, whereωref = 2πc/l , π is the ratio of the circumference of a circle to its diameter, and c is the speed of light. The process is as follows: a loop resonator is excited to generate electromagnetic excitation signals having a radial frequency ω. The signals are sent to the body. A resonator is used to establish inductive coupling with electromagnetic signals emitted from the body in response to excitation signals. Read electromagnetic signals emitted from the body based on the detection of electrical changes in the loop antenna, indicating changes in the measured inductance in the loop, while the loop generates excitation signals. Process the signals received at the antenna. The frequency of the signals is reduced by mixing each signal with a reference waveform of a different frequency. A differential filter is applied to extract an output signal having a frequency being the difference between the frequency of the waveform and the received signal. In this case, the normalized radial frequency
Figure 00000074
≡ω/ωref electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.50, whereωref = 2πc/l , π is the ratio of the circumference of a circle to its diameter, and c is the speed of light.
EFFECT: by the increased power of detected electromagnetic signals received from the body during inductive reading, and reduced noise level in them, the accuracy of the analysis is increased, by reducing the frequency of signals by mixing each signal with a reference waveform of a different frequency, applying a differential filter to extract the output a signal having a frequency being the difference between the frequency of the oscillating and received signals.
14 cl, 12 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее изобретение относится к системе индуктивного считывания электромагнитных сигналов от тела и, в частности, к датчику для установления индуктивной связи с телом для считывания электромагнитных сигналов.The present invention relates to a system for inductively sensing electromagnetic signals from a body, and more particularly to a sensor for establishing inductive coupling with a body for sensing electromagnetic signals.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Индуктивное считывание может быть использовано как средство неинвазивного исследования свойств тела.Inductive reading can be used as a means of non-invasively investigating body properties.

В одной предпочтительной области применения индуктивное считывание может быть использовано как средство для неинвазивного исследования физиологических характеристик, в частности, динамики сердца и легких. Индуктивное считывание основано на магнитной индукции и имеет несколько преимуществ по сравнению с кондукционным и емкостным считыванием.In one preferred application, inductive reading can be used as a means for non-invasively investigating physiological characteristics, in particular heart and lung dynamics. Inductive sensing is based on magnetic induction and has several advantages over conductive and capacitive sensing.

Преимущество по сравнению с кондукционным считыванием, таким как измерения биоимпеданса, заключается в отсутствии потребности в адгезивных электродах; считывание может быть осуществлено без контакта и/или посредством непроводящего материала, такого как текстиль и пластик.The advantage over conductive readings such as bioimpedance measurements is that there is no need for adhesive electrodes; reading can be done without contact and/or through non-conductive material such as textiles and plastics.

Преимущество по сравнению с емкостным считыванием заключается в том, что индуктивное считывание основано на магнитных полях, а не на электрических полях, и в результате оно более чувствительно к изменениям на большей глубине проникновения внутрь тела, в отличие от тех видов считывания, которые только происходят на уровне кожи. Это обусловлено тем, что магнитные поля проникают в тело глубже, чем электрические поля, и, таким образом, магнитные поля могут быть использованы для измерения изменений свойств внутри тела на большей глубине, тогда как электрические поля, главным образом, полезны только для измерения эффектов на поверхности кожи, таких как изменения свойства кожи (например, проницаемости) или движения кожи (близости кожи).The advantage over capacitive sensing is that inductive sensing is based on magnetic fields rather than electric fields, and as a result is more sensitive to changes at greater depths of penetration into the body than those types of sensing that only occur at skin level. This is because magnetic fields penetrate deeper into the body than electric fields, and thus magnetic fields can be used to measure changes in properties inside the body at greater depths, while electric fields are mainly useful only for measuring effects on skin surface, such as changes in skin properties (eg, permeability) or skin movement (skin proximity).

Индуктивные датчики на основе катушек функционируют путем установления индуктивной связи с электромагнитными сигналами (т.е. электромагнитными волнами или колебаниями), при этом распространение сигналов через катушку приводит к изменению тока, проходящего через катушку, которое может быть измерено и использовано для определения свойств распространяющегося сигнала (включая, например, частотный спектр, амплитуду и фазовое изображение).Coil-based inductive sensors function by establishing an inductive coupling with electromagnetic signals (i.e. electromagnetic waves or oscillations), with the propagation of signals through the coil resulting in a change in the current passing through the coil, which can be measured and used to determine the properties of the propagating signal (including, for example, frequency spectrum, amplitude, and phase image).

Электромагнитный сигнал возбуждения может быть передан в тело, подлежащее исследованию. Электромагнитный сигнал возбуждения вызывает магнитную индукцию в теле, т.е. генерирование вихревых токов в ткани тела вследствие приложения внешнего магнитного поля. Данные вихревые токи, в свою очередь, генерируют электромагнитные сигналы, распространяющиеся из тела, которые взаимодействуют с приложенными полями таким образом, что обеспечивается возможность их считывания катушкой.An electromagnetic excitation signal may be transmitted to the body to be examined. The electromagnetic excitation signal causes magnetic induction in the body, i.e. generation of eddy currents in body tissue due to the application of an external magnetic field. These eddy currents, in turn, generate electromagnetic signals propagating from the body, which interact with the applied fields in such a way that they can be read by the coil.

Движения ткани в теле может проявляться в виде изменений в объемах локальных областей ткани и в виде изменений проводящих или диэлектрических свойств ткани. Данные изменения затем вызывают амплитудные и/или фазовые модуляции электромагнитного сигнала, излучаемого из тела в ответ на электромагнитную стимуляцию. Путем мониторинга данных изменений может быть обнаружено и отслежено движение и изменение размеров элементов внутри тела, а также отслежены изменения проводимости и диэлектрических свойств. Например, сердечные сокращения проявляются главным образом в виде движения крови, а дыхание проявляется главным образом в виде изменений проводимости легкого.Movement of tissue in the body can manifest itself as changes in the volumes of local areas of the tissue and as changes in the conductive or dielectric properties of the tissue. These changes then cause amplitude and/or phase modulations of the electromagnetic signal emitted from the body in response to electromagnetic stimulation. By monitoring these changes, the movement and size changes of elements within the body can be detected and tracked, as well as changes in conductivity and dielectric properties. For example, heart contractions manifest themselves mainly as the movement of blood, and breathing manifests itself mainly as changes in the conduction of the lung.

В течение 50 лет, начиная с первых двух работ в данной области в 1967 г. (Вас и др. (Vas et al.)) и 1968 г. (Тарьян и др. (Tarjan et al.)), в этой области проводились активные исследования, и каждое десятилетие появлялось множество публикаций. В частности, одной активной целью было получение сильных сердечно-легочных сигналов с использованием индуктивного датчика. Как правило, целью были мощные сигналы.For 50 years, since the first two studies in this area in 1967 (Vas et al.) and 1968 (Tarjan et al.), active research, and many publications appeared every decade. In particular, one active goal has been to obtain strong cardiopulmonary signals using an inductive sensor. As a rule, strong signals were the target.

Однако текущие исследования не привели к принятию данной технологии для коммерческого применения, поскольку сигналы, получаемые от индуктивных датчиков, остаются заведомо слабыми и часто насыщенными шумом.However, current research has not led to the adoption of this technology for commercial applications because the signals received from inductive sensors remain notoriously weak and often saturated with noise.

Повышение мощности магнитных сигналов, полученных от тела во время индуктивного считывания, следовательно, является очень важной областью для разработок. В известных системах мощность сигнала остается недопустимо низкой, что препятствует эффективному коммерческому применению указанной технологии.Increasing the strength of the magnetic signals received from the body during inductive sensing is therefore a very important area for development. In known systems, the signal strength remains unacceptably low, which prevents effective commercial application of this technology.

Задачей настоящего изобретения является повышение мощности сигнала обнаруживаемых электромагнитных сигналов, принимаемых от тела во время индуктивного считывания.It is an object of the present invention to increase the signal strength of detectable electromagnetic signals received from the body during inductive sensing.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Настоящее изобретение определено в пунктах формулы изобретения.The present invention is defined in the claims.

В соответствии с аспектом изобретения, предложена система индуктивного считывания физиологических параметров для считывания электромагнитных сигналов, излучаемых от тела в ответ на электромагнитные сигналы возбуждения, передаваемые в указанное тело, при этом система содержит: According to an aspect of the invention, there is provided an inductive physiological sensing system for sensing electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals transmitted to said body, the system comprising:

петлевой резонатор для установления индуктивной связи с указанными электромагнитными сигналами, излучаемыми от тела, при этом резонатор содержит рамочную антенну и электрический соединенный конденсатор, а петля антенны имеет только один виток с окружной длиной l, иa loop resonator for establishing inductive coupling with said electromagnetic signals radiated from the body, wherein the resonator comprises a loop antenna and an electrically connected capacitor, and the antenna loop has only one turn with circumferential length l, and

средство для генерирования сигнала, выполненное с возможностью возбуждения резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, имеющих радиальную частоту

Figure 00000001
, для передачи в указанное тело,signal generating means configured to drive the resonator to generate electromagnetic drive signals having a radial frequency
Figure 00000001
, for transmission to the specified body,

при этом нормализованная радиальная частота

Figure 00000002
электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,50, где
Figure 00000003
и с = скорость света.while the normalized radial frequency
Figure 00000002
electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.50, where
Figure 00000003
and c = speed of light.

Во избежание неопределенности, с = 3 × 108 м/с.To avoid uncertainty, s = 3 × 108 m/s.

Изобретение основано на результатах значительной программы исследований, проведенных авторами изобретения, в результате которой было установлено, что вышеуказанный параметр нормализованной радиальной частоты

Figure 00000004
электромагнитных сигналов возбуждения является одним из наиболее важных параметров при определении мощности сигнала, считываемого системой (а также абсолютной частоты f).The invention is based on the results of a significant research program carried out by the inventors, as a result of which it was found that the above parameter of the normalized radial frequency
Figure 00000004
electromagnetic excitation signals is one of the most important parameters in determining the power of the signal read by the system (as well as the absolute frequency f).

Более конкретно, исследования показали, что при значениях

Figure 00000004
ниже 0,025 отношение сигнал-шум считываемого электромагнитного сигнала значительно уменьшается, что приводит к более высокой чувствительности к движению. Более конкретно, ниже данного уровня мощность сигнала значительно снижается и в большинстве вариантов практического применения насыщается шумом, исходящим от электронного шума, электромагнитных помех и шума от емкостной связи с поверхностью тела (т.е. прямой связи посредством электрических полей и зарядов, индуцируемых электрически).More specifically, studies have shown that at values
Figure 00000004
below 0.025, the signal-to-noise ratio of the electromagnetic signal being read is significantly reduced, resulting in higher motion sensitivity. More specifically, below this level, the signal power is significantly reduced and, in most applications, saturated with noise from electronic noise, electromagnetic interference, and noise from capacitive coupling to the body surface (i.e., direct coupling through electrical fields and electrically induced charges) .

Однако несмотря на высоко значимые преимущества мощности сигнала, которых авторы изобретения смогли достичь с помощью данного изобретения, такие высокие частоты, как заявленные, никогда не были исследованы в данной области техники. С большой долей вероятности, ввиду преобладающего убеждения, получившего распространение в данной области, что (абсолютные) частоты выше около 10-29 МГц приводят к значительному уменьшению достижимой глубины проникновения ввиду кожных реакций. Предполагаемое уменьшение глубины проникновения приведет систему в неэффективное состояние для исследования физиологических параметров. Однако авторами изобретения было обнаружено, что это преобладающее предубеждение является ошибочным представлением, поскольку, несмотря на то, что кожные реакции являются реальными, они становятся неблагоприятными только при гораздо более высоких частотах, чем те, которые использованы в настоящем изобретении.However, despite the highly significant signal strength advantages that the inventors have been able to achieve with this invention, such high frequencies as claimed have never been explored in the art. It is highly likely, in view of the prevailing belief prevailing in the art, that (absolute) frequencies above about 10-29 MHz lead to a significant reduction in the achievable penetration depth due to skin reactions. The anticipated reduction in penetration depth would render the system ineffective for investigating physiological parameters. However, the inventors have found that this prevailing prejudice is a misconception because, although skin reactions are real, they only become unfavorable at much higher frequencies than those used in the present invention.

Кроме того, было обнаружено, что значение 0,50 для

Figure 00000004
является наивысшим физически возможным при достижении эффективного индуктивного считывания. Это максимально возможная нормализованная частота первого резонанса в (одной) рамочной антенне, которая является резонансом, при котором ровно половина длины волны совпадает по окружности петли.In addition, it was found that the value of 0.50 for
Figure 00000004
is the highest physically possible while achieving efficient inductive sensing. This is the maximum possible normalized frequency of the first resonance in a (single) loop antenna, which is the resonance at which exactly half the wavelength coincides with the circumference of the loop.

Выше первого резонанса в петле резонатора осуществляется индукция высоко неравномерного тока, и петля будет выполнять стационарную последовательность колебаний накопленных зарядов. Данная интерференционная картина накопленных зарядов, как правило, имеет емкостную связь с поверхностью тела, индуцируя тем самым поверхностные заряды на поверхности кожи субъекта. Above the first resonance, a highly irregular current is induced in the resonator loop and the loop will perform a stationary sequence of oscillations of the accumulated charges. This accumulated charge interference pattern is typically capacitively coupled to the body surface, thereby inducing surface charges on the subject's skin surface.

В данном случае, датчик приведен в высокочувствительное состояние относительно движения поверхности тела, где даже очень незначительные движения индуцируют паразитные сигналы, которые полностью заглушают воспринимаемый индуктивный сигнал (а именно, магнитный индуктивный сигнал, исходящий из-под поверхности тела). Это приводит индуктивный датчик в неэффективное состояние в большинстве вариантов практического применения. Следовательно, путем сохранения

Figure 00000005
ниже значения 0,5, мощность сигнала может быть поддержана на уровне, подходящем для практического применения.In this case, the sensor is brought into a highly sensitive state with respect to the movement of the body surface, where even very slight movements induce parasitic signals that completely drown out the perceived inductive signal (namely, the magnetic inductive signal emanating from under the body surface). This puts the inductive sensor in an inefficient state in most applications. Therefore, by saving
Figure 00000005
below a value of 0.5, the signal strength can be maintained at a level suitable for practical applications.

Диапазон значений для

Figure 00000004
, предлагаемый в настоящем изобретении, таким образом, максимизирует мощность сигнала, которая является достижимой при магнитном индуктивном считывании.Range of values for
Figure 00000004
, proposed in the present invention, thus, maximizes the signal power that is achievable with magnetic inductive sensing.

Кроме того, в ходе исследования было обнаружено, что, вопреки ожиданиям, увеличение числа обмоток катушки (витков катушек) N выше единицы (одна петля) не обеспечивает заметного увеличения мощности сигнала. Более того, увеличение количества обмоток фактически является неблагоприятным для цели максимизации мощности сигнала, поскольку увеличение количества обмоток ограничивает максимально реализуемое значение

Figure 00000004
ввиду емкостной связи между обмотками. Это, в свою очередь, ограничивает доступное увеличение мощности сигнала.In addition, the study found that, contrary to expectations, increasing the number of coil windings (coil turns) N above unity (one loop) does not provide a noticeable increase in signal power. Moreover, increasing the number of windings is actually disadvantageous for the purpose of maximizing signal strength, since increasing the number of windings limits the maximum realizable value
Figure 00000004
due to the capacitive coupling between the windings. This, in turn, limits the available increase in signal strength.

Две характерные особенности определенного выше

Figure 00000004
диапазона и антенны с одной катушкой, следовательно, являются фундаментально взаимосвязанными. Когда антенна содержит более одной петли (N>1), максимальная частота
Figure 00000004
может быть использована с петлей значительно уменьшенной ниже
Figure 00000006
ввиду паразитных емкостей между петлями и большей общей длиной провода катушки
Figure 00000007
. Это делает невозможным достижение предпочтительного нормализованного частотного диапазона, заявленного в настоящем изобретении, и сопутствующего увеличения мощности сигнала. Следовательно, только путем уменьшения количества витков катушки до одной возможны предпочтительно более высокие
Figure 00000004
значения.The two salient features of the above
Figure 00000004
band and single coil antennas are therefore fundamentally related. When the antenna contains more than one loop (N>1), the maximum frequency
Figure 00000004
can be used with a loop significantly reduced below
Figure 00000006
due to parasitic capacitances between the loops and the longer overall length of the coil wire
Figure 00000007
. This makes it impossible to achieve the preferred normalized frequency range of the present invention and the accompanying increase in signal strength. Therefore, only by reducing the number of turns of the coil to one, preferably higher
Figure 00000004
values.

Однако ограничение обмотки катушки до одной противоречит преобладающим предположениям в данной области техники, которые, как правило, предполагают, что несколько обмоток катушки увеличивают мощность сигнала путем увеличения индуктивной связи. Это дополнительно способствовало нежеланию в данной области исследовать частоты в заявленном в настоящем изобретении диапазоне.However, limiting a coil winding to one is contrary to the prevailing assumptions in the art, which generally assume that multiple coil windings increase signal strength by increasing inductive coupling. This has further contributed to the reluctance in the art to investigate frequencies in the range claimed in the present invention.

Несколько обмоток также увеличивают стоимость и сложность датчика. Уменьшение до одной петли упрощает конструкцию и эксплуатацию устройства и уменьшает форм-фактор.Multiple windings also add to the cost and complexity of the sensor. Reducing to a single loop simplifies the design and operation of the device and reduces the form factor.

Более подробное физическое разъяснение и обоснование конкретного определенного диапазона будет представлено ниже. Вкратце, однако, заявленное изобретение основано на обнаружении того, что отраженная индуктивность (индуктивность антенны, возникающая в результате вихревых токов, индуцированных в теле в ответ на электромагнитную стимуляцию), является ключевым фактором, определяющим результирующую силу принимаемого сигнала на антенне. Сперва, путем нормализации данной величины, для того чтобы сделать ее эффективно независимой от размеров, а затем путем имитации изменения различных параметров, от которых она зависит, было обнаружено, что нормализованная радиальная частота считываемых сигналов является наиболее значимым параметром, определяющим отраженную индуктивность. Оптимальный диапазон значений для

Figure 00000004
, заявленный в настоящей заявке, был затем определен на основании моделирования и экспериментов.A more detailed physical explanation and rationale for the specific defined range will be provided below. Briefly, however, the claimed invention is based on the discovery that reflected inductance (antenna inductance resulting from eddy currents induced in the body in response to electromagnetic stimulation) is a key factor in determining the resulting received signal strength at the antenna. First, by normalizing this quantity to make it effectively size-independent, and then by simulating the variation of the various parameters on which it depends, it was found that the normalized radial frequency of the sensed signals is the most significant parameter in determining the reflected inductance. The optimal range of values for
Figure 00000004
, declared in this application, was then determined based on simulations and experiments.

Система, в соответствии с настоящей заявкой, представляет собой системы для индуктивного считывания физиологического параметра. Следовательно, система предназначена для считывания электромагнитных сигналов, принимаемых от тела субъекта, в ответ на электромагнитные сигналы возбуждения, применяемые к телу субъекта.The system according to the present application is a system for inductive reading of a physiological parameter. Therefore, the system is designed to read electromagnetic signals received from the subject's body in response to electromagnetic excitation signals applied to the subject's body.

Система может, в частности, представлять собой систему для считывания показателей жизненно важных функций. Показатели жизненно важных функций могут включать в себя, например, частоту сердечных сокращений, частоту пульса, дыхательный объем, частоту дыхания, систолический объем, вариации систолического объема, минутный сердечный выброс или модуляции высоты/давления/диаметра аортального или артериального пульса.The system may in particular be a system for reading vital signs. Vital signs may include, for example, heart rate, pulse rate, tidal volume, respiratory rate, systolic volume, systolic volume variation, cardiac output, or aortic or arterial pulse height/pressure/diameter modulation.

Следует отметить, что, несмотря на то, что настоящая заявка направлена на считывание физиологических параметров, изобретательский замысел, реализованный в изобретении, в принципе не ограничивается только измерением физиологических параметров (таких как показатели жизненно важных функций). Изобретательский замысел применим в более широком смысле к любой системе для индуктивного считывания. Примеры будут описаны в следующем разделе.It should be noted that, despite the fact that the present application is directed to the reading of physiological parameters, the inventive concept implemented in the invention, in principle, is not limited to the measurement of physiological parameters (such as vital signs). The inventive concept is applicable in a broader sense to any system for inductive reading. Examples will be described in the next section.

Электромагнитные сигналы возбуждения, имеющие радиальную частоту

Figure 00000001
, могут быть сгенерированы путем возбуждения резонатора на радиальной частоте
Figure 00000001
. Под этим может подразумеваться возбуждение резонатора для резонанса на частоте
Figure 00000001
. Под этим, в частности, может подразумеваться индукция в антенне резонирующего тока, имеющего радиальную частоту
Figure 00000001
.Electromagnetic excitation signals having a radial frequency
Figure 00000001
, can be generated by excitation of the resonator at the radial frequency
Figure 00000001
. This may mean excitation of the resonator for resonance at the frequency
Figure 00000001
. This, in particular, may mean the induction in the antenna of a resonant current having a radial frequency
Figure 00000001
.

Это может быть достигнуто путем предоставления резонатора, имеющего собственную резонансную частоту, равную

Figure 00000001
. Собственная резонансная частота резонатора может быть установлена путем соответствующего выбора емкости конденсатора.This can be achieved by providing a resonator having a natural resonant frequency equal to
Figure 00000001
. The natural resonant frequency of the resonator can be set by appropriate selection of the capacitance of the capacitor.

Дополнительно или в качестве альтернативы, возбуждение резонатора для индукции в антенне резонирующего тока, имеющего радиальную частоту

Figure 00000001
, может быть достигнуто путем возбуждения резонатора с током частоты
Figure 00000001
.Additionally or alternatively, excitation of the resonator to induce in the antenna a resonant current having a radial frequency
Figure 00000001
, can be achieved by excitation of the resonator with a current of frequency
Figure 00000001
.

Нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
электромагнитных сигналов возбуждения зависит от радиальной частоты
Figure 00000001
электромагнитных сигналов возбуждения и эталонной частоты
Figure 00000003
антенны (которая является радиальной частотой, на которой окружная длина l петли равна одной длине волны в свободном пространстве (т.е. где λ свободного пространства = l)).Normalized Radial Frequency
Figure 00000004
electromagnetic excitation signals depends on the radial frequency
Figure 00000001
electromagnetic excitation signals and reference frequency
Figure 00000003
antenna (which is the radial frequency at which the circumferential length l of the loop is equal to one wavelength in free space (i.e. where free space λ = l)).

Следовательно, варианты реализации изобретения могут требовать того, чтобы антенна, конденсатор и/или средство для генерирования сигнала были вместе выполнены таким образом, чтобы нормализованная радиальная частота находилась в пределах определенного диапазона.Therefore, embodiments of the invention may require that the antenna, capacitor, and/or signal generating means are together configured such that the normalized radial frequency is within a certain range.

В качестве примера, это может быть достигнуто, например, путем предоставления резонатора с емкостью, выбранной таким образом, чтобы установить собственную резонансную частоту резонатора на

Figure 00000001
, и выбора антенны с правильной окружной длиной l. Там, где резонатор имеет заданную собственную резонансную частоту, он может быть индуцирован резонировать на данной частоте путем его возбуждения, например, с использованием генератора колебаний, работающего автономно (без фиксированной или вынужденной частоты колебаний).As an example, this can be achieved, for example, by providing a resonator with a capacitance chosen such that the natural resonant frequency of the resonator is set to
Figure 00000001
, and choosing an antenna with the correct circumferential length l. Where a resonator has a given natural resonant frequency, it can be induced to resonate at a given frequency by exciting it, for example, using an oscillator operating autonomously (without a fixed or forced oscillation frequency).

Система, в соответствии с настоящей заявкой, может быть предназначена для считывания электромагнитных сигналов, излучаемых от тела субъекта, т.е. физиологической, диагностической или медицинской системой для считывания. Однако в более широком смысле система применима к восприятию электромагнитных сигналов, полученных от любого тела, где тело следует понимать в широком смысле как термин означающий любой физический объект или сущность, или любую область подобного объекта или сущности.The system, in accordance with the present application, may be designed to read electromagnetic signals emitted from the body of the subject, i. physiological, diagnostic or medical system for reading. However, in a broader sense, the system is applicable to the perception of electromagnetic signals received from any body, where the body should be understood in a broad sense as a term meaning any physical object or entity, or any area of such an object or entity.

Система считывания содержит средство для генерирования сигнала для возбуждения резонатора для генерирования электромагнитных сигналов радиальной частоты

Figure 00000001
для передачи в тело.The readout system comprises means for generating a signal for driving a resonator for generating electromagnetic signals of radial frequency.
Figure 00000001
for transmission to the body.

Путем возбуждения резонатора осуществляется индукция резонирующего тока для возвратно-поступательного течения через рамочную антенну в конденсатор.By excitation of the resonator, a resonant current is induced for a reciprocating flow through the loop antenna into the capacitor.

Резонатор может быть возбужден путем подачи (переменного) тока через антенну для стимуляции генерирования колебательных электромагнитных сигналов (волн).The resonator can be excited by applying (alternating) current through the antenna to stimulate the generation of oscillatory electromagnetic signals (waves).

Путем возбуждения антенны при токе с частотой

Figure 00000001
могут быть сгенерированы электромагнитные сигналы возбуждения с частотой
Figure 00000001
.By excitation of the antenna at a current with a frequency
Figure 00000001
electromagnetic excitation signals with a frequency can be generated
Figure 00000001
.

Средство для генерирования сигнала может содержать активационное средство для возбуждения антенны, например, при радиальной частоте

Figure 00000001
, т.е. возбуждения антенны переменным током частоты
Figure 00000001
. Активационное средство может быть, например, генератором колебаний.The means for generating the signal may comprise an activation means for excitation of the antenna, for example at a radial frequency
Figure 00000001
, i.e. excitation of the antenna by alternating current frequency
Figure 00000001
. The activation means may be, for example, an oscillator.

Для генерирования сигналов возбуждения используется та же антенна, что и для считывания электромагнитных сигналов, принимаемых от тела в ответ.The same antenna is used to generate the excitation signals as it is used to read the electromagnetic signals received from the body in response.

Во избежание сомнений, «электромагнитные сигналы возбуждения» просто означают электромагнитные сигналы для передачи в тело для возбуждения или стимуляции генерирования вихревых токов в теле, с тем чтобы, в свою очередь, стимулировать излучение электромагнитных сигналов обратно из тела, которые могут быть восприняты системой для считывания.For the avoidance of doubt, “electromagnetic excitation signals” simply means electromagnetic signals to be transmitted into the body to excite or stimulate the generation of eddy currents in the body, in order to in turn stimulate the emission of electromagnetic signals back out of the body, which can be perceived by the system for reading .

Под «электромагнитными сигналами» в целом могут пониматься излучения электромагнитного излучения или электромагнитные колебания и/или электромагнитные волны.By "electromagnetic signals" can generally be understood to be electromagnetic radiation or electromagnetic oscillations and/or electromagnetic waves.

В соответствии с одним набором вариантов реализации, нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
сигналов возбуждения может составлять от 0,025 до 0,25.According to one set of implementation options, the normalized radial frequency
Figure 00000004
excitation signals can range from 0.025 to 0.25.

В пределах данного диапазона амплитуда тока при считывании сигналов, полученных обратно от тела является по существу постоянной (однородной) по петле антенны. Выше

Figure 00000004
= 0,25, амплитуда тока изменяется в большей степени по петле антенны. Фаза тока также является относительно постоянной вокруг петли антенны. Данные факторы являются значительными ограничивающими факторами в достижении высокой мощности сигнала и высокого качества сигнала.Within this range, the current amplitude when reading signals received back from the body is substantially constant (uniform) across the antenna loop. Higher
Figure 00000004
= 0.25, the current amplitude varies more along the antenna loop. The phase of the current is also relatively constant around the antenna loop. These factors are significant limiting factors in achieving high signal strength and high signal quality.

В частности, неоднородные токи являются крайне невыгодными, поскольку они приводят к накоплению зарядов в петле антенны, что, в свою очередь, приводит к емкостной связи с исследуемой средой. Емкостная связь со средой является основным источником искажения сигнала (двигательными артефактами) в индуктивных датчиках.In particular, non-uniform currents are extremely disadvantageous because they lead to the accumulation of charges in the antenna loop, which, in turn, leads to capacitive coupling with the medium under study. Capacitive coupling with the medium is the main source of signal distortion (motor artifacts) in inductive sensors.

В соответствии с одним набором вариантов реализации, нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
сигналов возбуждения может составлять от 0,025 до 0,20. Ниже верхнего предела 0,20 для
Figure 00000004
сопротивление излучения поддерживается на оптимально низком уровне (<0,5 Ом), фаза тока относительно постоянна по петле антенны, и равномерность амплитуды тока дополнительно улучшена (разность амплитуды тока между любыми двумя точками на окружности петли <20%).According to one set of implementation options, the normalized radial frequency
Figure 00000004
excitation signals can be from 0.025 to 0.20. Below the upper limit of 0.20 for
Figure 00000004
radiation resistance is kept optimally low (<0.5 ohm), the phase of the current is relatively constant across the antenna loop, and the uniformity of the current amplitude is further improved (difference in current amplitude between any two points on the loop circumference <20%).

Данный диапазон также является особенно преимущественным, так как выше

Figure 00000004
= 0,20 начинают возникать некоторые электрические эффекты, в результате чего катушка становится чувствительной к составляющей электрического поля электромагнитных (ЭМ) сигналов, принимаемых обратно от тела (что создает помехи при считывании сигналов магнитного поля). Ниже
Figure 00000004
= 0,20 было обнаружено, что система считывания остается индуктивно сильно чувствительной к индуцированным электромагнитным сигналам, исходящим от тела без накопления значительных электрических зарядов вдоль одного провода петли антенны.This range is also particularly advantageous because the higher
Figure 00000004
= 0.20, some electrical effects begin to occur, causing the coil to become sensitive to the electric field component of the electromagnetic (EM) signals being received back from the body (which interferes with the reading of the magnetic field signals). Below
Figure 00000004
= 0.20, it was found that the reading system remains inductively highly sensitive to induced electromagnetic signals emanating from the body without the accumulation of significant electrical charges along one wire of the antenna loop.

В соответствии с одним набором вариантов реализации, нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
сигналов возбуждения может составлять от 0,04 до 0,25. Нижний предел 0,04 является предпочтительным, поскольку это дает более высокую мощность сигнала (чем 0,025, например), в то же время, сохраняя преимущества очень низкого сопротивление излучения (~0,01 Ом), фазы постоянного тока по петле антенны и амплитуды постоянного тока над петлей антенны.According to one set of implementation options, the normalized radial frequency
Figure 00000004
excitation signals can range from 0.04 to 0.25. The lower limit of 0.04 is preferred as it gives higher signal power (than 0.025 for example) while still retaining the benefits of very low radiation resistance (~0.01 Ω), DC phase over the antenna loop, and DC amplitude current over the antenna loop.

Было обнаружено, что нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
выше 0,04 обеспечивает достаточно мощный уровень сигнала, чтобы сигнал был надежно защищен от шума в широком диапазоне вариантов практического применения. В некоторых сценариях (однако не во всех) электромагнитные сигналы ниже данной нормализованной частоты могут оказаться искажены артефактами шума, происходящими ввиду емкостной связи с поверхностью ткани (т.е. электрического соединения с поверхностью тела ввиду зарядов, индуцированных электрическим образом). Было обнаружено, что для датчиков традиционного размера, например, с радиусом от 1 до 3 см, мощность сигнала является удвоенной по сравнению с сигналами, использующими нормализованную радиальную частоту около 0,025. В частности, было обнаружено, что сигналы дыхания (сигналы, указывающие на функцию дыхания) имеют значительно более высокие мощности сигналов. Это будет объяснено более подробно в следующем разделе.It was found that the normalized radial frequency
Figure 00000004
greater than 0.04 provides a strong enough signal level that the signal is well protected from noise in a wide range of applications. In some (but not all) scenarios, electromagnetic signals below this normalized frequency may be distorted by noise artifacts due to capacitive coupling to the tissue surface (i.e. electrical connection to the body surface due to electrically induced charges). It has been found that for traditional sized sensors, for example, those with a radius of 1 to 3 cm, the signal strength is twice that of signals using a normalized radial frequency of about 0.025. In particular, respiration signals (signals indicative of respiratory function) have been found to have significantly higher signal strengths. This will be explained in more detail in the next section.

Как было отмечено выше, в примерах средство для генерирования сигнала может быть выполнено с возможностью возбуждения резонатора для резонанса на радиальной частоте

Figure 00000001
с генерированием сигналов возбуждения, имеющих радиальную частоту
Figure 00000001
.As noted above, in the examples, the signal generating means may be configured to drive the resonator to resonate at the radial frequency
Figure 00000001
with the generation of excitation signals having a radial frequency
Figure 00000001
.

Может быть предоставлен резонатор (схема), имеющий собственную радиальную частоту

Figure 00000001
для способствования возбуждению резонатора на радиальной частоте
Figure 00000001
, и, пр необходимости, конденсатор выбран для настройки собственной радиальной частоты резонатора на
Figure 00000001
.A resonator (circuit) having a natural radial frequency can be provided
Figure 00000001
to help excite the resonator at the radial frequency
Figure 00000001
, and, if necessary, the capacitor is chosen to tune the natural radial frequency of the resonator to
Figure 00000001
.

Система может содержать средство для обработки сигнала, выполненное с возможностью обработки сигналов, принимаемых на антенне. Средство для обработки сигнала может быть выполнено с возможностью считывания изменений собственной резонансной частоты резонатора (т.е. отстройки резонатора) и использования данных изменений для извлечения выходного сигнала. Средство для обработки сигнала может в качестве дополнения или альтернативы считывать изменения коэффициента затухания схемы резонатора и использовать данные изменения для извлечения выходного сигнала.The system may include signal processing means configured to process signals received at the antenna. The signal processing means may be configured to read changes in the natural resonant frequency of the resonator (ie, resonator detuning) and use these changes to extract an output signal. The signal processing means may, in addition or alternatively, read changes in the damping factor of the resonator circuit and use these changes to extract an output signal.

Считывание изменений в собственной резонансной частоте может быть предпочтительным, поскольку измерение изменений коэффициента затухания требует измерения мнимой части отраженной индуктивности, что может потребовать дополнительной сложности в электронной схеме средства для обработки сигнала. Однако измерение мнимой части и, следовательно, коэффициента затухания представляется возможным в соответствии с одним или несколькими вариантами реализации.Reading changes in natural resonant frequency may be advantageous because measuring changes in damping factor requires measuring the imaginary part of the reflected inductance, which may require additional complexity in the electronic circuitry of the signal processing means. However, the measurement of the imaginary part, and hence the damping factor, is possible according to one or more embodiments.

В соответствии по меньшей мере с одним набором вариантов реализации, система может содержать средство для обработки сигналов, выполненное с возможностью обработки сигналов, принимаемых на антенне, для уменьшения частоты сигналов путем смешения сигналов с эталонным колебательным сигналом другой частоты, и применения дифференциального фильтра для извлечения сигнала, имеющего частоту, которая представляет собой разность между частотой эталонного и принятого колебательного сигнала.In accordance with at least one set of implementations, the system may comprise signal processing means configured to process signals received at the antenna to reduce the frequency of the signals by mixing the signals with a reference waveform of a different frequency, and applying a differential filter to extract the signal. , having a frequency that is the difference between the frequency of the reference and received waveform.

Задача таких вариантов реализации заключается в том, чтобы уменьшить потребление энергии и требуемую вычислительную мощность любой обработки сигналов, выполняемой системой. В частности, цифровые делители и счетчики (для обработки полученных сигналов для анализа) потребляют ток, пропорциональный рабочей частоте. Следовательно, в целях экономии энергии, в соответствии с настоящими вариантами реализации, частота полученных сигналов сначала уменьшается, что позволяет выполнять последующую обработку сигналов при более низком потреблении энергии.The goal of such implementations is to reduce the power consumption and processing power required of any signal processing performed by the system. In particular, digital dividers and counters (to process the received signals for analysis) consume a current proportional to the operating frequency. Therefore, in order to save power, according to the present embodiments, the frequency of received signals is first reduced, which allows subsequent signal processing to be performed at lower power consumption.

Преимущество предложенного конкретного варианта реализации, изначального смешения второго сигнала, а затем обнаружения сигнала разностной частоты, заключается в том, что смешивание не приводит к потере разрешения. Это является отличием от, например, делителей (которые также могут быть использованы для уменьшения частоты), которые действительно уменьшают разрешение. Однако изобретение все еще является совместимым с использованием делителей в других вариантах реализации.The advantage of the proposed particular implementation, initially mixing the second signal and then detecting the difference frequency signal, is that the mixing does not result in a loss of resolution. This is in contrast to, for example, dividers (which can also be used to reduce frequency), which do reduce resolution. However, the invention is still compatible with the use of dividers in other implementations.

Частота эталонного колебательного сигнала, предпочтительно, является очень близкой к частоте полученных сигналов. В предпочтительных примерах частота колебательного сигнала и частота принимаемых сигналов разнесены на величину от 10 до 20%.The frequency of the reference waveform is preferably very close to the frequency of the received signals. In preferred examples, the frequency of the waveform and the frequency of the received signals are separated by 10 to 20%.

Как было объяснено выше, полученные сигналы, как правило, будут иметь частоту, равную

Figure 00000001
, т.е. радиальной частоте электромагнитных сигналов возбуждения.As explained above, the received signals will typically have a frequency equal to
Figure 00000001
, i.e. radial frequency of electromagnetic excitation signals.

В соответствии с одним или более вариантами реализации, средство для генерирования сигнала может быть выполнено с возможностью управления антенной для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения на частоте от 30 МГц до 1000 МГц.According to one or more embodiments, the signal generating means may be configured to control the antenna to generate electromagnetic excitation signals at a frequency of 30 MHz to 1000 MHz.

Частота здесь относится к абсолютной частоте f, а не к радиальной частоте

Figure 00000001
.The frequency here refers to the absolute frequency f, not the radial frequency
Figure 00000001
.

В соответствии с данными вариантами реализации, предоставлено требование к абсолютной частоте. Соответственно, поскольку

Figure 00000002
и
Figure 00000008
, соответствующее требование предъявляется к
Figure 00000003
, что означает, что окружная длина
Figure 00000009
петли антенны должна быть выполнена с возможностью достижения желаемого значения f. В частности, данные варианты реализации требуют
Figure 00000010
According to these embodiments, an absolute frequency requirement is provided. Accordingly, since
Figure 00000002
And
Figure 00000008
, a corresponding requirement is placed on
Figure 00000003
, which means that the circumferential length
Figure 00000009
the antenna loop must be designed to achieve the desired f value. In particular, these implementations require
Figure 00000010

Приложение сигналов возбуждения к телу на подобных высоких частотах не известно из уровня техники. Это связано с тем, что в данной области техники главным образом понимают, что частоты выше около 30 МГц приводят к значительному уменьшению достижимой глубины проникновения при одновременном увеличении требуемой рабочей мощности. Однако авторами настоящего изобретения было обнаружено, что уменьшение глубины проникновения не является препятствием для индуктивного считывания (в частности, для считывания физиологических параметров), пока не будут достигнуты гораздо более высокие частоты. Это особенно касается областей применения, применимых к исследованию функции дыхания. Следовательно, данные варианты реализации улучшают мощность сигнала без препятствующего уменьшения глубины проникновения.The application of excitation signals to the body at such high frequencies is not known in the art. This is because it is generally understood in the art that frequencies above about 30 MHz result in a significant reduction in the achievable penetration depth while increasing the operating power required. However, the present inventors have found that a decrease in penetration depth does not interfere with inductive readings (particularly physiological readings) until much higher frequencies are reached. This is especially true for applications applicable to the study of respiratory function. Therefore, these embodiments improve signal strength without impeding reduction in penetration depth.

Данный частотный диапазон является предпочтительным, поскольку мощность сигнала становится значительно больше превышающей f = 30 МГц. Это особенно верно для петель сравнительно меньшего размера (радиусы в пределах 1-3 см). В данном случае, когда, например, измерение сигнала осуществляется путем изменения резонансной частоты резонатора (как описано выше), сигнал сдвига частоты (действительная часть отраженной индуктивности) быстро становится намного сильнее при входе в данный диапазон, путем увеличения в мощности сигнала, а также движения в фазе отраженной индуктивности в направлении действительной части.This frequency range is preferred because the signal power becomes much higher than f = 30 MHz. This is especially true for comparatively smaller loops (radii in the range of 1-3 cm). In this case, when, for example, the signal is measured by changing the resonant frequency of the resonator (as described above), the frequency shift signal (the real part of the reflected inductance) quickly becomes much stronger when entering this range, by increasing in signal power, as well as moving in the phase of the reflected inductance in the direction of the real part.

Данный частотный диапазон также является особенно преимущественным при использовании средства для обработки сигналов в виде преобразователя частоты со счетчиком. Абсолютные изменения в резонансной частоте резонатора ввиду, например, дыхания при использовании f < 30 МГц могут быть ниже 1 кГц. При использовании счетчика уклона, шум квантования числа отсчетов в сигнале легко виден на данной рабочей частоте.This frequency range is also particularly advantageous when using a signal processing means in the form of a frequency converter with a counter. Absolute changes in the resonant frequency of the resonator due to, for example, breathing when using f < 30 MHz can be below 1 kHz. When using a slope counter, the quantization noise of the number of samples in the signal is easily visible at a given operating frequency.

При увеличении абсолютной частоты выше f > 30 МГц влияние шума квантования на сигнал в большинстве случаев перестанет быть проблематичным. Это описано более подробно ниже.With an increase in the absolute frequency above f > 30 MHz, the effect of quantization noise on the signal in most cases will cease to be problematic. This is described in more detail below.

Кроме того, предпочтительно поддерживать частоту ниже 1000 МГц для оптимизации глубины проникновения. На частотах выше 1000 МГц глубина проникновения электромагнитных сигналов начинает становиться недопустимо малой для измерения физиологических параметров, например, сигналов легких или сердца.In addition, it is preferable to keep the frequency below 1000 MHz to optimize the penetration depth. At frequencies above 1000 MHz, the penetration depth of electromagnetic signals begins to become unacceptably small for measuring physiological parameters, such as lung or heart signals.

В соответствии с одним или более вариантами реализации, средство для генерирования сигнала может быть выполнено с возможностью возбуждения резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, имеющих частоту от 100 МГц до 1000 МГц.According to one or more embodiments, the signal generating means may be configured to drive the resonator to generate electromagnetic drive signals having a frequency of 100 MHz to 1000 MHz.

На частотах выше 100 Гц, глубина проникновения все еще является достаточно глубокой, в то время как сигналы становятся намного сильнее. В частности, было обнаружено, что сердечно-легочные сигналы становятся намного сильнее. В дополнение, фаза отраженной индуктивности движется дальше в направлении к реальной части. Это является предпочтительным, когда средство для генерирования сигнала выполнено с возможностью измерения изменений в резонансной частоте резонатора, что требует измерения действительной части отраженной индуктивности.At frequencies above 100 Hz, the penetration depth is still quite deep, while the signals become much stronger. In particular, it has been found that cardiopulmonary signals become much stronger. In addition, the phase of the reflected inductance moves further towards the real part. This is advantageous when the signal generating means is capable of measuring changes in the resonant frequency of the resonator, which requires measuring the real part of the reflected inductance.

В дополнение, выше частоты 100 МГц, шум квантования, например, средства для обработки сигнала счетчика уклона (например, при времени интегрирования около 0,05 секунды), практически незначителен относительно мощности сигнала. Это описано далее ниже.In addition, above a frequency of 100 MHz, quantization noise, for example, means for processing the slope counter signal (for example, with an integration time of about 0.05 seconds), is practically negligible relative to the signal strength. This is described further below.

В соответствии с одним или более вариантами реализации, средство для генерирования сигнала может быть выполнено с возможностью возбуждения резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, имеющих частоту от 30 МГц до 500 МГц.According to one or more embodiments, the signal generating means may be configured to drive the resonator to generate electromagnetic drive signals having a frequency of 30 MHz to 500 MHz.

Этот абсолютный частотный диапазон оптимизирует глубину проникновения, в частности, для мышц. Мощность сигнала на частоте 500 МГц остается очень высокой, в то время как глубина проникновения поддерживается относительно большой (~5 см для мышц - и выше для других сред).This absolute frequency range optimizes the depth of penetration, particularly for muscles. The signal strength at 500 MHz remains very high while the penetration depth is maintained relatively large (~5 cm for muscle - and higher for other media).

Данный частотный диапазон также может быть предпочтительным в том случае, когда потребление энергии является предметом беспокойства, например, в случае датчиков с питанием от батареи. Ниже 500 МГц частота является достаточно низкой, чтобы не вносить существенный вклад в потребление энергии при обработке сигналов.This frequency range may also be preferred where power consumption is a concern, such as battery-powered sensors. Below 500 MHz, the frequency is low enough not to contribute significantly to signal processing power consumption.

В соответствии с одним или более вариантами реализации, средство для генерирования сигнала может быть выполнено с возможностью возбуждения резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, имеющих частоту от 100 МГц до 500 МГц.According to one or more embodiments, the signal generating means may be configured to drive the resonator to generate electromagnetic drive signals having a frequency of 100 MHz to 500 MHz.

Это объединяет преимущества нижней границы 100 МГц и верхней границы 500 МГц, которые были описаны выше.This combines the advantages of the 100 MHz lower limit and the 500 MHz upper limit described above.

Возбуждение резонатора для генерирования сигналов вышеуказанных частот может быть выполнено в соответствии с примерами способов, изложенных выше.The excitation of the resonator to generate signals of the above frequencies can be performed in accordance with the examples of the methods set forth above.

В частности, в предпочтительных примерах петля антенны может иметь радиус от 15 до 20 мм.In particular, in preferred examples, the antenna loop may have a radius of 15 to 20 mm.

Еще в одних предпочтительных вариантах практического применения петля антенны может иметь радиус от 90 до 110 мм.In still other preferred applications, the antenna loop may have a radius of 90 to 110 mm.

Радиусы петли 15 или 20 мм являются желательными, поскольку было обнаружено, что более большие петли более чувствительны к движению объектов в окружающей среде, поскольку распределение электромагнитного поля пропорционально размеру петли, где относительная частота поддерживается постоянной. Петли с радиусами меньше, чем 15 мм, возможны, но полученная мощность сигнала уменьшается.Loop radii of 15 or 20 mm are desirable because larger loops have been found to be more sensitive to the movement of objects in the environment since the distribution of the electromagnetic field is proportional to the size of the loop where the relative frequency is kept constant. Loops with radii smaller than 15 mm are possible, but the received signal strength is reduced.

Петли антенны с радиусом от 90 до 110 мм являются преимущественными, например, в случаях, когда требуется считывание на относительно большом расстоянии. Например, антенна подобного размера может быть встроена в матрац или стул и позволяет осуществлять считывание через материалы мебели. Петля антенны, имеющая радиус 100 мм была протестирована и признана преимущественной, например, в подобных вариантах применения.Antenna loops with a radius of 90 to 110 mm are advantageous, for example, in cases where reading over a relatively long distance is required. For example, an antenna of this size could be embedded in a mattress or chair and allow reading through furniture materials. An antenna loop having a radius of 100 mm has been tested and found to be advantageous, for example, in similar applications.

В соответствии с одним или несколькими вариантами реализации, система может содержать средство для обработки сигнала, считываемых антенной, для извлечения одного или более физиологических параметров.According to one or more embodiments, the system may include means for processing signals read by the antenna to extract one or more physiological parameters.

В примерах, в соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения, представлен способ индуктивного считывания физиологических параметров, включающий считывание электромагнитных сигналов, излучаемых от тела в ответ на электромагнитные сигналы возбуждения, передаваемые в указанное тело, при этом способ включает:In the examples, in accordance with a further aspect of the present invention, there is provided a method for inductively sensing physiological parameters, comprising sensing electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals transmitted to said body, the method comprising:

возбуждение петлевого резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения и направления сигналов в указанное тело, при этом резонатор содержит рамочную антенну и конденсатор, соединенный электрическим образом, а рамочная антенна имеет только одновитковую петлю с окружной длиной l; иexcitation of the loop resonator for generating electromagnetic excitation signals and directing the signals to said body, wherein the resonator comprises a loop antenna and a capacitor electrically connected, and the loop antenna has only a single-turn loop with circumferential length l; And

использование петлевого резонатора для установления индуктивной связи с электромагнитными сигналами, излучаемыми от тела в ответ на сигналы возбуждения,using a loop resonator to establish inductive coupling with electromagnetic signals emitted from the body in response to excitation signals,

при этом нормализованная радиальная частота

Figure 00000002
электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,50, где
Figure 00000003
и с = скорость света.while the normalized radial frequency
Figure 00000002
electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.50, where
Figure 00000003
and c = speed of light.

Все термины следует интерпретировать в соответствии с приведенным выше описанием относительно аспекта системы для считывания, в соответствии с настоящим изобретением.All terms should be interpreted in accordance with the above description regarding the aspect of the system for reading, in accordance with the present invention.

В соответствии по меньшей мере с одним набором вариантов реализации, способ может включать обработку сигналов, принимаемых антенной, для извлечения информации о физиологических параметрах.In accordance with at least one set of implementation options, the method may include processing signals received by the antenna to extract information about physiological parameters.

В соответствии с одним или более вариантами реализации, нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
электромагнитных сигналов возбуждения может составлять от 0,025 до 0,25.In accordance with one or more implementation options, the normalized radial frequency
Figure 00000004
electromagnetic excitation signals can range from 0.025 to 0.25.

Любая из опций или вариантов реализации, изложенных выше относительно аспекта системы считывания, в соответствии с настоящим изобретением, также могут быть преимущественно применены или включены в аспект настоящего способа изобретения посредством ссылки.Any of the options or embodiments set forth above with respect to the aspect of the reading system according to the present invention may also advantageously be applied or included in the aspect of the present method of the invention by reference.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Далее будут подробно описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, представленные лишь в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:In the following, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which:

на ФИГ. 1 показана стимуляция грудной клетки субъекта в непосредственной близости от резонатора, состоящего из рамочной антенны и конденсатора;in FIG. 1 shows chest stimulation of a subject in close proximity to a resonator consisting of a loop antenna and a capacitor;

на ФИГ. 2 показана зависимость дыхательной составляющей в характерной отраженной индуктивности от нормализованной радиальной частоты электромагнитных сигналов возбуждения, смоделированная для однородной среды;in FIG. 2 shows the dependence of the respiratory component in the characteristic reflected inductance on the normalized radial frequency of electromagnetic excitation signals, modeled for a homogeneous medium;

на ФИГ. 3 показана зависимость дыхательной составляющей в характерной отраженной индуктивности от нормализованной радиальной частоты электромагнитных сигналов возбуждения, смоделированная для открытого легкого;in FIG. 3 shows the dependence of the respiratory component in the characteristic reflected inductance on the normalized radial frequency of electromagnetic excitation signals, modeled for an open lung;

на ФИГ. 4 показана структура смоделированного многослойного легкого;in FIG. 4 shows the structure of a simulated multilayer lung;

на ФИГ. 5 показана зависимость дыхательной составляющей характерной отраженной индуктивности от нормализованной радиальной частоты электромагнитных сигналов возбуждения, смоделированная для многослойного легкого по ФИГ. 4;in FIG. 5 shows the dependence of the respiratory component of the characteristic reflected inductance on the normalized radial frequency of electromagnetic excitation signals, modeled for the multilayer lung of FIG. 4;

на ФИГ. 6 показан пример системы считывания, в соответствии с вариантом реализации;in FIG. 6 shows an example of a reading system according to an embodiment;

на ФИГ. 7 показан пример схемы обработки системы считывания, в соответствии с вариантом реализации;in FIG. 7 shows an example of a reading system processing scheme, according to an embodiment;

на ФИГ. 8 показан еще один пример схемы обработки системы считывания, в соответствии с вариантом реализации;in FIG. 8 shows another example of a reading system processing scheme, according to an embodiment;

на ФИГ. 9 показано изменение амплитуды тока вокруг измерительной катушки в примере системы считывания для различных нормализованных радиальных частот электромагнитных сигналов;in FIG. 9 shows the change in current amplitude around the pickup coil in an example readout system for various normalized radial frequencies of electromagnetic signals;

на ФИГ. 10 показано изменение фазы тока вокруг измерительной петли в примере системы для считывания для различных радиальных нормализованных частот электромагнитных сигналов;in FIG. 10 shows the change in the phase of the current around the measuring loop in an example system for reading for various radial normalized frequencies of electromagnetic signals;

на ФИГ. 11 показана зависимость импеданса незащищенной петли при нормализованной радиальной частоте; иin FIG. 11 shows the dependence of the unprotected loop impedance at normalized radial frequency; And

на ФИГ. 12 представлена глубина проникновения сигналов возбуждения в зависимости от частоты сигналов для сигналов, распространяющихся через разные среды.in FIG. 12 shows the penetration depth of excitation signals as a function of signal frequency for signals propagating through different media.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Изобретением предусмотрена магнитная индуктивная система считывания электромагнитных сигналов, излучаемых от тела в ответ на электромагнитные сигналы возбуждения, применяемые к телу. Генерирование и считывание электромагнитных сигналов осуществляется одним и тем же петлевым резонатором, который содержит одновитковую рамочную антенну и конденсатор настройки. Рамочная антенна резонатора и средство для генерирования сигнала для возбуждения резонатора для генерирования сигналов возбуждения совместно выполнены с возможностью оптимизации значения соотношения между радиальной частотой генерируемых электромагнитных сигналов возбуждения и эталонной частотой антенны, где эталонная частота является частотой, для которой одна длины волны генерируемых сигналов возбуждения (волн) соответствует окружной длине антенны. Данное соотношение, которое соответствует нормализованной радиальной частоте генерируемых сигналов возбуждения, поддерживается между значением 0,025 и 0,50.The invention provides a magnetic inductive system for reading electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals applied to the body. The generation and reading of electromagnetic signals is carried out by the same loop resonator, which contains a single-turn loop antenna and a tuning capacitor. The resonator loop antenna and the signal generating means for driving the resonator for generating the drive signals are jointly configured to optimize the value of the ratio between the radial frequency of the generated electromagnetic drive signals and the reference frequency of the antenna, where the reference frequency is the frequency for which one wavelength of the generated drive signals (waves ) corresponds to the circumferential length of the antenna. This ratio, which corresponds to the normalized radial frequency of the generated excitation signals, is maintained between 0.025 and 0.50.

Изобретение основано на результатах программы исследований, предпринятой изобретателями, в результате которой было установлено, что нормализованная радиальная частота

Figure 00000002
применяемых электромагнитных сигналов возбуждения является ключевым параметром при определении силы сигналов, считываемых антенной (где
Figure 00000001
является радиальной частотой сигналов возбуждения,
Figure 00000003
, а l представляет собой окружную длину одновитковой петли антенны).The invention is based on the results of a research program undertaken by the inventors, as a result of which it was found that the normalized radial frequency
Figure 00000002
applied electromagnetic excitation signals is a key parameter in determining the strength of the signals read by the antenna (where
Figure 00000001
is the radial frequency of the excitation signals,
Figure 00000003
, and l is the circumferential length of a single-turn antenna loop).

Теоретические обоснования изобретения теперь будут объяснены со ссылкой на ФИГ. 1-5.The theoretical background of the invention will now be explained with reference to FIG. 1-5.

Варианты реализации изобретения функционируют по принципу установления индуктивной связи, при этом катушка или провод индуцируют через себя разность потенциалов ввиду воздействия магнитного поля, изменяющегося во времени. В вариантах реализации настоящего изобретения использован данный принцип для измерения силы электромагнитных сигналов, генерируемых в пределах областей тела путем считывания изменений в индуктивности катушки, размещенной в непосредственной близости от тела, где данные изменения обнаруживаются на основе изменения характеристик резонанса схемы катушки.Embodiments of the invention operate on the principle of inductive coupling, wherein the coil or wire induces a potential difference through itself due to the action of a time-varying magnetic field. Embodiments of the present invention use this principle to measure the strength of electromagnetic signals generated within areas of the body by reading changes in the inductance of a coil placed in close proximity to the body, where these changes are detected based on changes in the resonance characteristics of the coil circuit.

Любой электрический проводник проявляет свойство самоиндукции. Самоиндукция представляет собой свойство электрического проводника, при котором изменение тока, протекающего через проводник, приводит к индукции электродвижущей силы в проводнике. В соответствии с законом Ленца, индуцированная электродвижущая сила направлена на то, чтобы противостоять изменяющемуся току, который ее индуцирует. Следовательно, общепринятым термином для нее является «обратная ЭДС». Самоиндукцию можно понимать как возникающую вследствие магнитного потока, индуцированного в результате изменения тока (закон Ампера). Затем данный поток взаимодействует с самим проводником для индукции обратной ЭДС (закон индукции Фарадея и закон Ленца).Any electrical conductor exhibits the property of self-induction. Self-induction is a property of an electrical conductor in which a change in the current flowing through the conductor leads to the induction of an electromotive force in the conductor. According to Lenz's law, the induced electromotive force tends to oppose the changing current that induces it. Therefore, the generally accepted term for it is "back EMF". Self-induction can be understood as arising from the magnetic flux induced as a result of a change in current (Ampère's law). This flux then interacts with the conductor itself to induce a back emf (Faraday's law of induction and Lenz's law).

Соотношение между самоиндукцией L схемы, напряжением, v(t), и током I(t) может быть выражено как:The relationship between the self-inductance L of the circuit, the voltage, v(t), and the current, I(t), can be expressed as:

Figure 00000011
Figure 00000011

Путем использования закона индукции Фарадея для выражения v(t) как dΦB/dt (где ΦB представляет собой магнитный поток) и интегрирования с учетом времени (предполагая, что L является постоянной времени), самоиндуктивность свободного пространства L для катушки, имеющей N витков, может быть выражена как:By using Faraday's law of induction to express v(t) as dΦB/dt (where ΦB is the magnetic flux) and integrating over time (assuming L is a time constant), the free space self-inductance L for a coil having N turns can be be expressed as:

Figure 00000012
Figure 00000012

В вариантах реализации настоящего изобретения использован резонатор, содержащий одновитковую рамочную антенну, для стимуляции или возбуждения тела электромагнитными сигналами (волнами) и для считывания сигналов, излучаемых обратно от тела в ответ на данные сигналы возбуждения.Embodiments of the present invention use a resonator comprising a single loop loop antenna to stimulate or excite the body with electromagnetic signals (waves) and to sense signals radiated back from the body in response to these excitation signals.

Катушка может быть приведена в действие переменным током для генерирования сигналов возбуждения для передачи в тело.The coil can be driven with alternating current to generate excitation signals for transmission to the body.

Когда катушка приближена к телу, индуктивность L получает дополнительную составляющую отраженной индуктивности, Lr, возникающую вследствие вихревых токов, индуцируемых в стимулируемом теле в результате приложения сигналов возбуждения. Это схематически изображено на ФИГ. 1, на которой в качестве примера показана рамочная антенна 12, приводимая в действие переменным током вблизи грудной клетки 16 субъекта для передачи электромагнитных сигналов 22 в грудную клетку.When the coil is close to the body, the inductance L receives an additional reflected inductance component, L r , due to the eddy currents induced in the stimulated body as a result of the application of the excitation signals. This is shown schematically in FIG. 1, which shows, as an example, a loop antenna 12 driven by alternating current in the vicinity of a subject's chest 16 to transmit electromagnetic signals 22 to the chest.

Как следствие, в грудной клетке индуцируются вихревые токи 18. Вихревые токи возникают естественным образом ввиду закона индукции Фарадея, согласно которому электродвижущая сила (ЭДС) индуцируется в проводящей среде в ответ на присутствие изменяющегося во времени магнитного поля.As a consequence, eddy currents 18 are induced in the chest. Eddy currents occur naturally due to Faraday's law of induction, according to which an electromotive force (EMF) is induced in a conductive medium in response to the presence of a time-varying magnetic field.

Данные вихревые токи, в свою очередь, эффективным образом вносят вклад в индуктивность рамочной антенны 12. Это связано с тем, что они сами приводят к генерированию изменяющегося во времени магнитного потока 24 частоты, эквивалентной той, которая генерируется облучателем антенны 12. Данные потоки вихревых токов объединяются с облучающим потоком антенны, что приводит к большему значению индуцированной обратной ЭДС в антенне и, следовательно, к большей измеримой эффективной индуктивности.These eddy currents, in turn, effectively contribute to the inductance of the loop antenna 12. This is because they themselves generate a time-varying magnetic flux 24 of a frequency equivalent to that generated by the antenna feed 12. These eddy current fluxes combined with the feed flux of the antenna, resulting in a larger induced back EMF in the antenna and hence a larger measurable effective inductance.

Дополнительная составляющая индуктивности, возникающая вследствие вихревых токов, указана как «отраженная индуктивность», Lr. Общая индуктивность Lt антенны 12 с катушкой может быть выражена как:The additional inductance component due to eddy currents is listed as "reflected inductance", L r . The total inductance L t of the antenna 12 with the coil can be expressed as:

Figure 00000013
Figure 00000013

где L0 представляет собой самоиндуктивность рамочной антенны 12, а Lr представляет собой отраженную индуктивность.where L 0 is the self-inductance of the loop antenna 12 and L r is the reflected inductance.

Отраженная индуктивность может быть определена как:Reflected inductance can be defined as:

Figure 00000014
Figure 00000014

где Ar представляет собой отраженную часть электромагнитного векторного потенциала (т.е. часть, которая генерируется вихревыми токами 18 в стимулированной среде), а I представляет собой ток катушки. Отраженная индуктивность тесно связана с отраженным импедансом Zr. Отношение представляет собой Lr=Zr/iω, где

Figure 00000001
представляет собой радиальную частоту электромагнитных сигналов 22 возбуждения (изменяющееся во времени поле, применяемое к телу).where A r is the reflected part of the electromagnetic vector potential (ie the part that is generated by the eddy currents 18 in the stimulated environment) and I is the coil current. The reflected inductance is closely related to the reflected impedance Z r . The ratio is L r =Z r /iω, where
Figure 00000001
represents the radial frequency of the electromagnetic excitation signals 22 (a time-varying field applied to the body).

Вышеупомянутое интегральное выражение можно понять путем применения отношения:The above integral expression can be understood by applying the relation:

Figure 00000015
Figure 00000015

где Br представляет собой «отраженное» магнитное поле, а затем осуществляется применение теоремы Стокса для повторного выражения уравнения (4) в виде:where B r is the "reflected" magnetic field, and then the application of the Stokes theorem is carried out to re-express equation (4) as:

Figure 00000016
Figure 00000016

где N = количество оборотов. Можно увидеть, что это соответствует форме упрощенного выражения для индуктивности, изложенной в уравнении (2) выше.where N = number of turns. It can be seen that this corresponds to the form of the simplified expression for inductance given in Equation (2) above.

Амплитуда составляющей отраженной индуктивности дает представление о мощности «отраженных» электромагнитных сигналов, излучаемых обратно от тела. Более мощные сигналы дают более высокое соотношение сигнал/шум, что повышает качество и достоверность считываемых сигналов. Таким образом, путем поиска оптимизации мощности Lr, соотношение сигнал/шум может быть максимизировано.The amplitude of the reflected inductance component gives an indication of the power of the "reflected" electromagnetic signals radiated back from the body. Stronger signals give a higher signal-to-noise ratio, which improves the quality and reliability of the read signals. Thus, by seeking to optimize the power L r , the signal-to-noise ratio can be maximized.

Как правило, отраженная индуктивность, Lr, является сложной и может быть выражена какTypically, the reflected inductance, L r , is complex and can be expressed as


(7)

(7)

Figure 00000017

(7)

(7)
Figure 00000017

где

Figure 00000018
связано с реактивным импедансом рамочной антенны, а
Figure 00000019
связано с резистивным импедансом катушки.Where
Figure 00000018
is related to the reactive impedance of the loop antenna, and
Figure 00000019
related to the resistive impedance of the coil.

Добавление отраженной составляющей индуктивности Lr приводит к отстройке характеристик катушки. В частности, изменяются как собственная радиальная частота схемы антенны с катушкой, так и коэффициент затухания схемы рамочной антенны. Путем измерения данной отстройки характеристик катушки может быть определена величина отраженной индуктивности Lr и измеренных отраженных сигналов.The addition of the reflected component of the inductance L r leads to a detuning of the characteristics of the coil. In particular, both the natural radial frequency of the coil antenna circuit and the attenuation factor of the loop antenna circuit change. By measuring this detuning of the characteristics of the coil, the value of the reflected inductance L r and the measured reflected signals can be determined.

В частности, отстройка характеристик катушки в результате добавления отраженной индуктивности может быть выражена следующим образом:In particular, the detuning of the characteristics of the coil as a result of the addition of reflected inductance can be expressed as follows:


(8)

Figure 00000020

(8)
Figure 00000020


(9)

Figure 00000021

(9)
Figure 00000021

где

Figure 00000022
представляет собой незатухающую собственную радиальную частоту схемы катушки в свободном пространстве,
Figure 00000023
представляет собой собственную незатухающую радиальную частоту схемы катушки в присутствии среды или тела (нижний индекс t означает «общее»),
Figure 00000024
представляет собой коэффициент затухания в свободном пространстве,
Figure 00000025
представляет собой (общий) коэффициент затухания в присутствии среды,
Figure 00000018
представляет собой фактическую часть отраженной индуктивности, определенной в уравнении (7), и
Figure 00000019
представляет собой мнимую часть отраженной индуктивности, определенной в уравнении (7).Where
Figure 00000022
is the undamped radial natural frequency of the coil circuit in free space,
Figure 00000023
is the intrinsic undamped radial frequency of the coil circuit in the presence of a medium or body (the subscript t means "general"),
Figure 00000024
is the attenuation coefficient in free space,
Figure 00000025
is the (total) damping factor in the presence of a medium,
Figure 00000018
is the actual part of the reflected inductance defined in equation (7), and
Figure 00000019
is the imaginary part of the reflected inductance defined in equation (7).

Можно увидеть, что отстроенная собственная радиальная частота зависит только от действительной части отраженной индуктивности

Figure 00000018
. Отстроенный коэффициент затухания зависит также от мнимой части отраженной индуктивности
Figure 00000019
.It can be seen that the detuned natural radial frequency depends only on the real part of the reflected inductance
Figure 00000018
. The detuned damping factor also depends on the imaginary part of the reflected inductance
Figure 00000019
.

Для простоты предпочтительным является работа с геометрически нормализованными величинами. Соответственно, «характерная» самоиндуктивность

Figure 00000026
и отраженная индуктивность
Figure 00000027
могут быть определены следующим образом:For simplicity, it is preferable to work with geometrically normalized quantities. Accordingly, the "characteristic" self-inductance
Figure 00000026
and reflected inductance
Figure 00000027
can be defined as follows:


(10)

Figure 00000028

(10)
Figure 00000028


(11)

Figure 00000029

(eleven)
Figure 00000029

где l = окружная длина одного витка катушки, N = количество обмоток катушки, L0 представляет собой собственную индуктивность в свободном пространстве (фактическую), Lr представляет собой отраженную индуктивность (комплексную), и где Lr определена так, как в уравнении (4) выше. Преимущество использования геометрически нормализованных величин заключается в том, что

Figure 00000026
не зависит от размера системы и от числа витков в катушке антенны.where l = circumferential length of one coil turn, N = number of coil windings, L 0 is the free space self inductance (actual), L r is the reflected inductance (complex), and where L r is defined as in equation (4 ) higher. The advantage of using geometrically normalized quantities is that
Figure 00000026
does not depend on the size of the system and on the number of turns in the antenna coil.

Используя данные характерные величины, отстройка характеристик катушки, будучи результатом добавления отраженной индуктивности, может быть выражена следующим образом:Using these characteristic quantities, the detuning of the characteristics of the coil, resulting from the addition of reflected inductance, can be expressed as follows:


(12)

Figure 00000030

(12)
Figure 00000030


(13)

Figure 00000031

(13)
Figure 00000031

где

Figure 00000022
представляет собой незатухающую собственную радиальную частоту схемы катушки в свободном пространстве,
Figure 00000023
представляет собой собственную незатухающую радиальную частоту схемы катушки в присутствии среды или тела (нижний индекс t обозначает «общее»),
Figure 00000024
представляет собой коэффициент затухания в свободном пространстве,
Figure 00000025
представляет собой (общий) коэффициент затухания в присутствии среды,
Figure 00000032
представляет собой фактическую часть характерной отраженной индуктивности, определенной в уравнении (9), и
Figure 00000033
представляет собой мнимую часть характерной отраженной индуктивности, определенной в уравнении (9).Where
Figure 00000022
is the undamped radial natural frequency of the coil circuit in free space,
Figure 00000023
is the intrinsic undamped radial frequency of the coil circuit in the presence of a medium or body (the subscript t stands for "general"),
Figure 00000024
is the attenuation coefficient in free space,
Figure 00000025
is the (total) damping factor in the presence of a medium,
Figure 00000032
is the actual part of the characteristic reflected inductance defined in equation (9), and
Figure 00000033
is the imaginary part of the characteristic reflected inductance defined in equation (9).

Данные уравнения не были получены ранее и позволили авторам изобретения извлечь новые физические замыслы, поскольку данные величины предоставляют факторы измерения мощности сигнала вне зависимости от радиуса петли и числа катушек в антенне.These equations have not been obtained before and allowed the inventors to extract new physical concepts, since these quantities provide signal strength measurement factors regardless of the radius of the loop and the number of coils in the antenna.

Например, для круговых петель, в частности, типичные значения характерной самоиндуктивности составляют около 500-1100 нГ/м, независимо от числа витков и радиуса петли. Чтобы вычислить мощность сигнала, необходимо лишь вывести значение одной переменной, а именно

Figure 00000034
. Следовательно, стало возможным более фундаментальное физическое понимание.For example, for circular loops in particular, typical intrinsic self-inductance values are around 500-1100 nH/m, regardless of the number of turns and loop radius. To calculate the signal strength, it is only necessary to derive the value of one variable, namely
Figure 00000034
. Consequently, a more fundamental physical understanding became possible.

Из вышесказанного можно увидеть, что собственная радиальная частота системы изменяется в присутствии среды на коэффициент, который зависит от фактической части отраженной индуктивности Lr, а коэффициент затухания изменяется в присутствии среды на коэффициент, который зависит от мнимой части отраженной индуктивности Lr. Данные изменения могут быть использованы для определения Lr и, тем самым, определения измерения силы электромагнитных сигналов, принимаемых от среды (от стимулируемого и считываемого тела).From the above, it can be seen that the natural radial frequency of the system changes in the presence of a medium by a factor that depends on the actual part of the reflected inductance L r , and the attenuation factor changes in the presence of a medium by a factor that depends on the imaginary part of the reflected inductance L r . These changes can be used to determine L r and thereby determine the measurement of the strength of electromagnetic signals received from the environment (from the stimulated and read body).

Авторы настоящего изобретения достигли увеличения в мощности воспринимаемых сигналов путем получения нового и мощного выражения для отраженной индуктивности, которое позволяет количественно понять его по-новому на основании свойств системы, которые могут быть легко настроены и оптимизированы.The inventors of the present invention have achieved an increase in perceived signal power by deriving a new and powerful expression for reflected inductance that allows it to be quantified in a new way based on system properties that can be easily tuned and optimized.

В частности, начиная с уравнения (4) выше и ограничиваясь цилиндрической симметрией (подходящей для антенны с катушкой, используемой в вариантах реализации настоящего изобретения), отраженная индуктивность становится:Specifically, starting from Equation (4) above and limited to cylindrical symmetry (suitable for the coil antenna used in embodiments of the present invention), the reflected inductance becomes:


(14)

Figure 00000035

(14)
Figure 00000035

где Ar,ϕ представляет собой азимутальный компонент отраженного векторного потенциала, a представляет собой радиус витка(ов) рамочной антенны, N представляет собой число витков катушки, а I представляет собой ток катушки.where Ar,ϕ is the azimuthal component of the reflected vector potential, a is the radius of the loop(s) of the loop antenna, N is the number of coil turns, and I is the coil current.

Используя расчеты для Ar,ϕ изложенные в Ченг Д. Х. С. (1965), Отраженный импеданс круговой катушки в близости к полубесконечной среде, Учёные записки Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике по контрольно-измерительной аппаратуре и измерениям, 14(3), 107-116 (Cheng, D. H. S. (1965), The reflected impedance of a circular coil in the proximity of a semi-infinite medium, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 14(3), 107-116), авторами изобретения было получено следующее выражение для характерной отраженной индуктивности:Using the calculations for Ar,ϕ set out in Cheng D.H.S. (1965), Reflected impedance of a circular coil in the vicinity of a semi-infinite medium, Institute of Electrical and Electronics Engineers Research Notes on Instrumentation and Measurement, 14(3), 107-116 (Cheng, D. H. S. (1965), The reflected impedance of a circular coil in the proximity of a semi-infinite medium, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 14(3), 107-116), the inventors obtained the following expression for the characteristic reflected inductance:


(15)

Figure 00000036

(15)
Figure 00000036

где

Figure 00000037
и
Figure 00000038
, a представляет собой радиус петли, h представляет собой расстояние от петли до среды, J1(x) представляет собой функцию Бесселя первого порядка первого рода,
Figure 00000001
представляет собой радиальную частоту электромагнитных волн (сигналов), Γ(ξ) представляет собой TE (т.е. s - поляризованный) коэффициент отражения Френеля стимулируемой (многослойной) структуры, и где ξ представляет собой поперечное волновое число в пределах данной среды.Where
Figure 00000037
And
Figure 00000038
, a is the radius of the loop, h is the distance from the loop to the medium, J 1 (x) is the first order Bessel function of the first kind,
Figure 00000001
is the radial frequency of the electromagnetic waves (signals), Γ(ξ) is the TE (i.e., s - polarized) Fresnel reflectance of the stimulated (multilayer) structure, and where ξ is the transverse wavenumber within the given medium.

Расчет TE коэффициентов отражения Френеля для данной среды подробно описано на стр. 186 книги Софокла Дж. Орфанидиса «Электромагнитные волны и антенны» (которая доступна онлайн по ссылке: http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/).The calculation of the TE Fresnel reflection coefficients for a given medium is detailed on page 186 of Sophocles J. Orphanidis' Electromagnetic Waves and Antennas (which is available online at: http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/) .

Поскольку уравнение (15) показывает, что

Figure 00000027
полностью не зависит от числа витков, и поскольку (как показано ранее)
Figure 00000034
представляет мощность сигнала, следовательно, можно увидеть, что мощность сигнала не зависит напрямую от количества катушек. Из этого можно легко увидеть, что увеличение количества катушек в антенне не оказывает полезного воздействия на мощность сигнала. Since equation (15) shows that
Figure 00000027
is completely independent of the number of turns, and since (as shown earlier)
Figure 00000034
represents the signal strength, therefore it can be seen that the signal strength does not depend directly on the number of coils. From this it can be easily seen that increasing the number of coils in the antenna does not have a beneficial effect on the signal strength.

Понимание отраженной индуктивности, представленное приведенным выше уравнением (15), не было получено ранее. Данный подход позволяет получить мощное количественное представление о мощности отраженного сигнала.The understanding of reflected inductance represented by Equation (15) above has not been obtained before. This approach provides a powerful quantitative representation of the power of the reflected signal.

Отраженная индуктивность системы рамочной антенны над однородной средой может быть охарактеризована пятью основными геометрическими свойствами. Ими являются: радиус петли, а, частота электромагнитных сигналов/волн, ω, расстояние между петлей и средой, проницаемость среды и проводимость среды.The reflected inductance of a loop antenna system over a homogeneous medium can be characterized by five basic geometric properties. They are: the radius of the loop, a, the frequency of electromagnetic signals/waves, ω, the distance between the loop and the medium, the permeability of the medium and the conductivity of the medium.

Их можно понимать в качестве геометрических свойств, поскольку они относятся к пяти шкалам длины в пределах системы. Рассматривая случай, когда среда является областью тела субъекта, их можно понимать как: радиус петли, длину волны в свободном пространстве ЭМ волн, расстояние между петлей и средой, длину ЭМ волны внутри среды и глубину кожи. Следует отметить, что хотя N может быть рассмотрено как свойство катушки, оно не является геометрическим свойством, поскольку оно не влияет ни на одну из этих пяти шкал длины.They can be understood as geometric properties since they refer to the five length scales within the system. Considering the case where the medium is an area of the subject's body, they can be understood as: the radius of the loop, the wavelength in the free space of EM waves, the distance between the loop and the medium, the length of the EM wave inside the medium, and the depth of the skin. It should be noted that although N can be considered a property of the coil, it is not a geometric property, since it does not affect any of these five length scales.

Все пять шкал длины могут быть масштабированы с коэффициентом х, вследствие чего результирующие поля и вихревые токи также являются только масштабированной копией. Результирующая отраженная индуктивность затем также масштабируется с коэффициентом х, поскольку поля остаются неизменными, в то время как окружная длина петли увеличивается на коэффициент х.All five length scales can be scaled by a factor of x, so that the resulting fields and eddy currents are also just a scaled copy. The resulting reflected inductance is then also scaled by a factor of x, since the fields remain unchanged while the circumferential length of the loop is increased by a factor of x.

Характерная отраженная индуктивность

Figure 00000027
, однако, остается неизменной, поскольку коэффициент масштабирования появляется как в Lr, так и в l, и, таким образом, полностью компенсируется (см. уравнение (11) выше).Characteristic reflected inductance
Figure 00000027
, however, remains unchanged since the scaling factor appears in both L r and l, and thus cancels out completely (see equation (11) above).

Способ, которым необходимо масштабировать геометрические свойства для описания общего увеличения размера на коэффициент x, указан ниже.The way in which the geometric properties need to be scaled to describe the overall increase in size by the x factor is given below.

Figure 00000039
Figure 00000039
радиус петлиloop radius
Figure 00000040
Figure 00000040
Figure 00000001
Figure 00000001
радиальная частота генерируемых ЭМ сигналов radial frequency of generated EM signals
Figure 00000041
Figure 00000041
hh расстояние от катушки до средыdistance from coil to medium h
Figure 00000042
h
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000043
проницаемость permeability
Figure 00000043
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000044
проводимость conductivity
Figure 00000045
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000046
отраженная reflected
Figure 00000047
Figure 00000047

Могут быть определены нормализованные геометрические свойства, которые остаются неизменными при общем увеличении размера коэффициента х. Они определены ниже. Они позволяют рассчитать характерную отраженную индуктивность с использованием всего четырех параметров вместо пяти (для однородной среды). Это уменьшает сложность настоящей модели в отношении того, каким образом свойства системы влияют на мощность сигнала.Normalized geometric properties can be defined that remain unchanged as the size of the x-factor increases overall. They are defined below. They allow you to calculate the characteristic reflected inductance using only four parameters instead of five (for a homogeneous medium). This reduces the complexity of the present model in terms of how system properties affect signal strength.

Нормализованный радиус рамочной антенны:Normalized loop antenna radius:

Figure 00000048
Figure 00000048

Нормализованная радиальная частота электромагнитных сигналов возбуждения:Normalized radial frequency of electromagnetic excitation signals:

Figure 00000049
Figure 00000049

Нормализованное расстояние между рамочной антенной и средой: ĥNormalized distance between loop antenna and medium: ĥ

ĥ = h / aĥ = h/a

Нормализованная проницаемость:Normalized permeability:

Figure 00000050
Figure 00000050

Нормализованная проводимость:Normalized conductivity:

Figure 00000051
Figure 00000051

Нормализованная (характерная) отраженная индуктивность:Normalized (characteristic) reflected inductance:

Figure 00000052
Figure 00000052

В приведенных выше выражениях a представляет собой радиус рамочной антенны, l представляет собой окружную длину одной обмотки рамочной антенны, а ωref = c/a = 2πc/l представляет собой радиальную частоту, для которой одна длина волны в свободном пространстве ЭМ сигналов равна окружной длине l катушки. Как правило, это ωref = 2πc/l (получено путем задания λ=l в общем соотношении для волн свободного пространства ω = 2πc/λ). В частном случае круговой катушки, l = 2πa, что позволяет выполнить упрощение до ωref = c/a.In the above expressions, a is the radius of the loop antenna, l is the circumferential length of one winding of the loop antenna, and ω ref = c/a = 2πc/l is the radial frequency for which one free-space wavelength of EM signals equals the circumferential length l coils. Typically, this is ω ref = 2πc/l (obtained by setting λ=l in the general ratio for free space waves ω = 2πc/λ). In the particular case of a circular coil, l = 2πa, which allows a simplification to ω ref = c/a.

Следовательно, эти нормализованные геометрические параметры позволяют выразить характерную отраженную индуктивность 4-мя, а не 5-ю, параметрами за счет обеспечения величинам независимости от радиуса петли антенны. Нормализованная радиальная

Figure 00000004
частота генерируемых сигналов возбуждения является одним из данных параметров.Therefore, these normalized geometric parameters allow the characteristic reflected inductance to be expressed in 4 rather than 5 parameters by making the values independent of the antenna loop radius. Normalized Radial
Figure 00000004
the frequency of the generated excitation signals is one of these parameters.

С помощью ряда вычислительных моделей авторами изобретения было обнаружено, что параметр

Figure 00000004
является наиболее сильным определяющим фактором измеренной характеристики отраженной индуктивности
Figure 00000027
.Using a number of computational models, the inventors found that the parameter
Figure 00000004
is the strongest determinant of the measured reflected inductance characteristic
Figure 00000027
.

На ФИГ. 2 показаны результаты компьютерного моделирования электромагнитной стимуляции однородной среды с использованием одного витка (N=1) катушки фиксированного радиуса а, при фиксированном характерном расстоянии от среды

Figure 00000053
с фиксированной характерной проводимостью
Figure 00000054
= 0,056 и фиксированной относительной проницаемостью
Figure 00000055
. Результаты показывают изменение мощности характерной отраженной индуктивности
Figure 00000056
при изменении
Figure 00000057
.FIG. Figure 2 shows the results of computer simulation of electromagnetic stimulation of a homogeneous medium using one turn (N=1) of a coil of fixed radius a, at a fixed characteristic distance from the medium
Figure 00000053
with fixed characteristic conductivity
Figure 00000054
= 0.056 and fixed relative permeability
Figure 00000055
. The results show the power variation of the characteristic reflected inductance
Figure 00000056
when it changes
Figure 00000057
.

Из графика на ФИГ. 2 можно увидеть, что сильная зависимость от

Figure 00000004
отсутсв данной простой однородной модели
Figure 00000027
. Кроме того, было обнаружено, что это является самой сильной зависимостью
Figure 00000027
от какого-либо из параметров ĥ, a,
Figure 00000054
или
Figure 00000058
.From the graph in FIG. 2 it can be seen that a strong dependence on
Figure 00000004
missing in this simple homogeneous model
Figure 00000027
. In addition, it was found to be the strongest dependence
Figure 00000027
on any of the parameters ĥ, a,
Figure 00000054
or
Figure 00000058
.

Было обнаружено, что данная сильная зависимость воспроизводится также в более сложных моделях.It was found that this strong dependence is also reproduced in more complex models.

На ФИГ. 3 показаны результаты компьютерного моделирования для

Figure 00000027
в зависимости от
Figure 00000004
для модели, построенной для представления открытого легкого, под которым подразумевается само легкое, в изоляции от любых слоев жира, мышц или костей, которые его окружают на практике. Для данной модели изменение характерной отраженной индуктивности
Figure 00000034
между легким при вдохе и легким при выдохе
Figure 00000059
было смоделировано в качестве функции
Figure 00000004
. Это изменение
Figure 00000027
является значимым физиологическим параметром, поскольку позволяет определять характеристики функции легких.FIG. 3 shows the results of computer simulation for
Figure 00000027
depending on the
Figure 00000004
for a model built to represent an open lung, by which is meant the lung itself, in isolation from any layers of fat, muscle, or bone that surround it in practice. For this model, the change in the characteristic reflected inductance
Figure 00000034
between the lung on inhalation and the lung on exhalation
Figure 00000059
has been modeled as a function
Figure 00000004
. This change
Figure 00000027
is a significant physiological parameter, since it allows you to determine the characteristics of lung function.

Изменение

Figure 00000034
в зависимости от
Figure 00000004
было смоделировано для одновитковой рамочной антенны пяти различных радиусов a в диапазоне от 10 мм до 100 мм. На графике показаны отдельные линии 24-32, соответствующие разным размерам радиуса, при этом размер радиуса для каждой линии обозначен оттенком на графике.Change
Figure 00000034
depending on the
Figure 00000004
was modeled for a single loop loop antenna with five different radii a in the range from 10 mm to 100 mm. The graph shows individual lines 24-32 corresponding to different radius sizes, with the radius size for each line indicated by a shade on the graph.

Можно увидеть, что имеет место сильная зависимость

Figure 00000034
от
Figure 00000004
и, опять же, было обнаружено, что
Figure 00000004
представляет собой параметр, от которого наиболее сильно зависит
Figure 00000034
.It can be seen that there is a strong dependence
Figure 00000034
from
Figure 00000004
and, again, it was found that
Figure 00000004
is the parameter on which the most
Figure 00000034
.

В дополнение к модели открытого легкого была рассчитана еще одна модель для многослойного легкого с учетом слоев жира, мышц и костей, которые окружают легкое. Зависимость

Figure 00000059
от изменения
Figure 00000004
для данной модели многослойного легкого была снова рассчитана.In addition to the open lung model, another model was calculated for the multilayer lung, taking into account the layers of fat, muscle, and bone that surround the lung. Addiction
Figure 00000059
from change
Figure 00000004
for this multilayer lung model was calculated again.

Схематическая иллюстрация физической структуры смоделированного многослойного легкого показана на ФИГ. 4. Само легкое изображено в виде слоя (f) со смоделированной высотой 20 см при выдохе и 25 см при вдохе. Поверх легкого наложены слоями три слоя кости: кость кортикальная (с), кость губчатая (d) и кость кортикальная (e) высотой 0,2 см, 0,8 см и 0,2 см соответственно. Поверх слоев кости - верхний слой жира (а) высотой 1 см и слой мышцы (b), лежащий в основе, 1 см. Под легким также смоделированы три слоя кости: кость кортикальная (g), кость губчатая (h) и кость кортикальная (i) высотой 0,2 см, 0,8 см и 0,2 см соответственно и дополнительный слой мышц (j) 1 см и слой жира (k) 1 см.A schematic illustration of the physical structure of a simulated multilayer lung is shown in FIG. 4. The lung itself is depicted as layer (f) with a simulated height of 20 cm for exhalation and 25 cm for inhalation. Three layers of bone are superimposed on top of the lung: cortical bone (c), spongy bone (d) and cortical bone (e) 0.2 cm, 0.8 cm and 0.2 cm high, respectively. Above the layers of bone - the upper layer of fat (a) 1 cm high and the layer of muscle (b) underlying, 1 cm. Three layers of bone are also modeled under the lung: cortical bone (g), cancellous bone (h) and cortical bone ( i) 0.2 cm, 0.8 cm and 0.2 cm high, respectively, and an additional layer of muscle (j) 1 cm and a layer of fat (k) 1 cm.

Одновитковая рамочная антенна с радиусом a показана расположенной на расстоянии h от многослойной структуры.A single loop loop antenna with a radius a is shown at a distance h from the multilayer structure.

Результаты многослойной модели легкого показаны на ФИГ. 5. Значения

Figure 00000034
в зависимости от
Figure 00000004
были получены для антенны в диапазоне различных радиусов a катушки антенны, варьирующихся от 10 мм до 100 м, при этом каждая из линий 42-50 соответствует полученному результату для одного из размеров радиусов, как указано оттенком на ФИГ. 5.The results of the multilayer lung model are shown in FIG. 5. Values
Figure 00000034
depending on the
Figure 00000004
were obtained for the antenna over a range of different antenna coil radii a , ranging from 10 mm to 100 m, with each of the lines 42-50 corresponding to the result obtained for one of the radius sizes, as indicated by the shade in FIG. 5.

Можно увидеть, что сильная зависимость

Figure 00000034
от
Figure 00000004
сохраняется в многослойной модели для всех размеров радиуса несмотря на то, что радиус катушки теперь имеет нетривиальную разницу с полученной направленностью. Однако, что касается других более базовых моделей, было установлено, что
Figure 00000004
было наиболее значимым фактором при определении
Figure 00000034
, с отношением между
Figure 00000034
и
Figure 00000004
, которое сильнее, чем с любым другим параметром.It can be seen that a strong dependence
Figure 00000034
from
Figure 00000004
is preserved in the layered model for all radius sizes, despite the fact that the coil radius now has a non-trivial difference from the resulting directivity. However, for other more basic models, it has been found that
Figure 00000004
was the most significant factor in determining
Figure 00000034
, with the relation between
Figure 00000034
And
Figure 00000004
, which is stronger than with any other parameter.

На основании полученных результатов моделирования может быть определено, что оптимизация

Figure 00000057
, где ω представляет собой радиальную частоту генерируемых электромагнитных сигналов (частоту, при которой осуществляется приведение в действие или возбуждение резонатора катушки), а ωref представляет собой частоту, для которой одна длина волны в свободном пространстве равна окружной длине катушки, представляет собой наиболее эффективный подход к оптимизации силы считанной отраженной индуктивности
Figure 00000027
и, следовательно, оптимизации соотношения сигнал/шум (мощности сигнала).Based on the obtained simulation results, it can be determined that the optimization
Figure 00000057
, where ω is the radial frequency of the generated electromagnetic signals (the frequency at which the coil resonator is driven or energized) and ω ref is the frequency for which one wavelength in free space equals the circumferential length of the coil, is the most efficient approach to optimizing the strength of the read reflected inductance
Figure 00000027
and hence optimizing the signal-to-noise ratio (signal strength).

Результаты показывают, что, как правило, более высокие

Figure 00000004
приводят к более высокой считанной величине
Figure 00000027
. Однако было установлено, что максимум
Figure 00000004
, который физически возможен, при этом по-прежнему достигая эффективного индуктивного считывания, составляет
Figure 00000004
= 0,5. Это связано с тем, что это представляет собой резонансную частоту полуволны петли (т.е. максимальную частоту собственного резонанса).The results show that, in general, higher
Figure 00000004
lead to a higher reading
Figure 00000027
. However, it was found that the maximum
Figure 00000004
, which is physically possible while still achieving an efficient inductive readout, is
Figure 00000004
= 0.5. This is because this represents the resonant frequency of the loop's half-wave (i.e., the maximum natural resonance frequency).

Выше данной частоты в петле резонатора происходит индукция высоко неоднородного тока, и петля будет выполнять постоянную последовательность колебаний накопленных зарядов. Данная интерференционная картина накопленных зарядов, как правило, имеет емкостную связь с поверхностью тела, индуцируя тем самым поверхностные заряды на поверхности кожи субъекта.Above this frequency, a highly non-uniform current is induced in the resonator loop, and the loop will carry out a constant sequence of oscillations of the accumulated charges. This accumulated charge interference pattern is typically capacitively coupled to the body surface, thereby inducing surface charges on the subject's skin surface.

В данном случае, датчик приведен в высокочувствительное состояние относительно движения поверхности тела, где даже очень незначительные движения индуцируют паразитные сигналы, которые полностью заглушают воспринимаемый индуктивный сигнал (а именно, магнитный индуктивный сигнал, исходящий из-под поверхности тела). Это приводит индуктивный датчик в неэффективное состояние для большинства вариантов практического применения. Следовательно, путем поддержания

Figure 00000005
ниже значения 0,5, мощность сигнала может быть поддержана на уровне, подходящем для практического применения.In this case, the sensor is brought into a highly sensitive state with respect to the movement of the body surface, where even very slight movements induce parasitic signals that completely drown out the perceived inductive signal (namely, the magnetic inductive signal emanating from under the body surface). This puts the inductive sensor in an inefficient state for most practical applications. Therefore, by maintaining
Figure 00000005
below a value of 0.5, the signal strength can be maintained at a level suitable for practical applications.

Также было обнаружено, что ниже значения

Figure 00000004
= 0,025, в дополнение к очень низкой мощности сигнала (как можно увидеть из ФИГ. 2, 3 и 4), чувствительность катушки к электрическим составляющим электромагнитных сигналов становится значительно увеличенной. Ввиду уменьшенной мощности сигнала соотношение сигнал/шум является значительно уменьшенным. В результате, в большинстве вариантов практического применения сигнал является эффективно насыщенным шумом, получаемым в результате электронного шума, электромагнитных помех и шума в результате емкостной связи с поверхностью тела (т.е. прямой связи посредством электрических полей и зарядов, индуцируемых электрически).It was also found that below the value
Figure 00000004
= 0.025, in addition to the very low signal strength (as can be seen from FIGS. 2, 3 and 4), the sensitivity of the coil to the electrical components of the electromagnetic signals becomes greatly increased. Due to the reduced signal strength, the signal-to-noise ratio is significantly reduced. As a result, in most applications, the signal is effectively saturated with noise resulting from electronic noise, electromagnetic interference, and noise due to capacitive coupling to the body surface (ie, direct coupling through electrical fields and electrically induced charges).

Кроме того, было обнаружено, что моделирование, выполняемое с использованием всех трех подходов моделирования (однородная среда, открытое легкое и многослойное легкое), демонстрирует, что увеличение числа витков катушки N выше одного не оказывает никакого влияния на характерную отражаемую индуктивность

Figure 00000027
(и, следовательно, на мощность сигнала). Это является неожиданным результатом, и в настоящее время он не известен и не используется в уровне техники. В устройствах и способах уровня техники, как правило, предполагается, что увеличение числа обмоток N увеличит достигаемую мощность сигнала.In addition, simulations performed using all three simulation approaches (homogeneous medium, open lung, and multilayer lung) have been found to demonstrate that increasing the number of coil turns N above one has no effect on the characteristic reflected inductance.
Figure 00000027
(and hence the signal strength). This is an unexpected result and is currently not known or used in the prior art. In prior art devices and methods, it is generally assumed that increasing the number of windings N will increase the signal power achievable.

Независимость

Figure 00000027
от N может быть непосредственно замечена в уравнении (15) выше, которое показывает, что
Figure 00000027
не имеет зависимости от N. Этот результат, следовательно, возник ввиду нового получения уравнения (15) авторами изобретения.Independence
Figure 00000027
from N can be directly seen in equation (15) above, which shows that
Figure 00000027
does not depend on N. This result, therefore, arose due to the new derivation of equation (15) by the inventors.

Более того, N не только не оказывает положительного воздействия на мощность сигнала, но фактически является неблагоприятным для увеличения мощности сигнала, поскольку ограничивает максимально возможное физически реализуемое

Figure 00000004
ввиду емкостной связи между обмотками. Следовательно, путем увеличения N, максимизация
Figure 00000004
ограничена. В дополнение, даже на более низких нормализованных частотах осуществляется индукция емкостной связи между обмотками многовитковой катушки, которое делает петлю восприимчивой к емкостной связи с тканью. Это, в свою очередь, приводит к искажениям в измеренном сигнале в случае даже небольших величин движения относительно кожи. Данные артефакты движения могут легко доминировать над желаемым индуктивным сигналом, снижая эффективность датчика.Moreover, not only does N not have a positive effect on signal strength, but it is actually unfavorable for increasing signal strength, since it limits the maximum possible physically realizable
Figure 00000004
due to the capacitive coupling between the windings. Therefore, by increasing N, maximizing
Figure 00000004
limited. In addition, even at lower normalized frequencies, capacitive coupling is induced between the windings of the multi-turn coil, which makes the loop susceptible to capacitive coupling with tissue. This, in turn, leads to distortions in the measured signal in the case of even small amounts of movement relative to the skin. These motion artifacts can easily dominate the desired inductive signal, reducing sensor performance.

В дополнение, на высоких частотах емкостные соединения между витками будут демонстрировать резонансы, которые являются очень чувствительными к отстройке, и они могут сильно искажать целевой сигнал индуктивного считывания.In addition, at high frequencies, the capacitive connections between the turns will exhibit resonances that are very sensitive to offset, and these can severely distort the inductive-sense target signal.

На основании вышеупомянутых трех выводов, в соответствии с первым набором вариантов реализации изобретения, представлена система магнитно-индуктивного считывания электромагнитных сигналов, излучаемых от тела в ответ на передачу в тело электромагнитных сигналов возбуждения, при этом система содержит резонатор, содержащий рамочную антенну, образованную из одновитковой петли (N=1) с окружной длиной l и в которой осуществляется возбуждение резонатора для генерирования сигналов возбуждения с нормализованной радиальной частотой

Figure 00000057
от 0,025 до 0,50, где
Figure 00000003
и с = скорость света.Based on the above three findings, in accordance with the first set of embodiments of the invention, a system for magnetically inductive reading of electromagnetic signals emitted from the body in response to the transmission of electromagnetic excitation signals to the body is presented, while the system includes a resonator containing a loop antenna formed from a single-turn loop (N=1) with a circumferential length l and in which the resonator is excited to generate excitation signals with a normalized radial frequency
Figure 00000057
from 0.025 to 0.50, where
Figure 00000003
and c = speed of light.

Пример системы магнитно-индуктивного считывания, в соответствии с одним вариантом реализации изобретения, схематически изображен на ФИГ. 6.An example of a magnetic inductive sensing system, in accordance with one embodiment of the invention, is shown schematically in FIG. 6.

Система 10 содержит петлевой резонатор 11, содержащий одновитковую рамочную антенну 12, которая электрически соединена с конденсатором. Антенна предназначена для генерирования электромагнитных колебаний или сигналов для передачи в тело и для установления индуктивной связи с электромагнитными сигналами, возвращаемыми (или отраженными) от тела в ответ на сигналы возбуждения. Конденсатор позволяет настраивать собственную резонансную частоту схемы резонатора. Когда затем осуществляется возбуждение резонатора, он будет естественным образом резонировать на данной частоте, генерируя электромагнитные сигналы на той же частоте. Следовательно, выбор емкости конденсатора позволяет выбрать частоту генерируемых электромагнитных сигналов.The system 10 includes a loop resonator 11 containing a single loop loop antenna 12 that is electrically connected to the capacitor. The purpose of the antenna is to generate electromagnetic waves or signals for transmission to the body and to establish inductive coupling with electromagnetic signals returned (or reflected) from the body in response to the excitation signals. The capacitor allows you to tune the natural resonant frequency of the resonator circuit. When the resonator is then excited, it will naturally resonate at that frequency, generating electromagnetic signals at that frequency. Therefore, the choice of capacitance of the capacitor allows you to choose the frequency of the generated electromagnetic signals.

Резонатор 11 электрически соединен со средством 14 для генерирования сигнала, которое, при использовании, выполнено с возможностью возбуждения для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения. В соответствии с настоящим примером, средство для генерирования сигнала представляет собой генератор колебаний, который выполнен с возможностью возбуждения антенны 12 колебательным током, с тем генерировать синусоидальный электромагнитный сигнал (синусоидальную электромагнитную волну) для передачи в тело, подлежащее стимуляции.Resonator 11 is electrically connected to signal generating means 14 which, in use, is configured to be driven to generate electromagnetic drive signals. According to the present example, the signal generating means is an oscillator that is configured to drive the antenna 12 with an oscillating current so as to generate a sinusoidal electromagnetic signal (sine electromagnetic wave) to be transmitted to the body to be stimulated.

Резонатор 11 также имеет электрическое соединение со средством 54 для обработки сигнала («Обр. сигн.») в форме блока для обработки сигнала для обработки электромагнитных сигналов, принимаемых на антенне 12. На ФИГ. 6 показано средство для обработки сигнала, подключенное к резонатору с помощью средства 14 для генерирования сигнала. Однако это не существенно: резонатор и средство для обработки сигнала могут быть соединены независимым образом.The resonator 11 is also electrically connected to a signal processing means 54 ("Feedback") in the form of a signal processing unit for processing electromagnetic signals received at the antenna 12. In FIG. 6 shows signal processing means connected to the resonator by signal generating means 14 . However, this is not essential: the resonator and the signal processing means can be connected independently.

Блок 54 для обработки сигнала анализирует характеристики сигнала отклика, принятого на антенне 12. В частности, блок для обработки сигнала может обрабатывать принятые сигналы для извлечения измерения изменений в коэффициенте затухания в схеме резонатора 11 и собственной резонансной частоты сигнала резонатора. В настоящем примере будет предполагаться, что блок для обработки сигнала извлекает измерение изменения только собственной частоты резонанса. Эта функция будет описана более подробно ниже.The signal processing unit 54 analyzes the characteristics of the response signal received at the antenna 12. In particular, the signal processing unit may process the received signals to extract measurements of changes in the attenuation coefficient in the resonator circuit 11 and the natural resonant frequency of the resonator signal. In the present example, it will be assumed that the signal processing block extracts the change measurement of only the natural resonant frequency. This function will be described in more detail below.

Система 10 также содержит микроконтроллер 56 («MPU») для управления компонентами системы. Например, микроконтроллер может контролировать конкретную схему приведения в действие, реализованную средством 14 для генерирования сигнала в возбуждении резонатора и/или конкретных процессов анализа, реализованных посредством средства 54 для обработки сигналов и/или может контролировать последовательность приведения в действие и операций анализа.System 10 also includes a microcontroller 56 ("MPU") for controlling system components. For example, the microcontroller may control the specific actuation circuit implemented by the resonator drive signal generation means 14 and/or the particular analysis processes implemented by the signal processing means 54 and/or may control the sequence of actuation and analysis operations.

Кроме того, могут быть предусмотрено средство для передачи данных (не показано на ФИГ. 6), предназначенное для способствования связи между микроконтроллером и внешним устройством, таким как внешний компьютер или хранилище данных. Это может облегчить передачу результатов обработки сигнала, полученных средством для обработки сигналов, на внешний компьютер. Это также может облегчить передачу команд управления на микроконтроллер 56 от внешнего средства управления, такого как компьютер.In addition, communication means (not shown in FIG. 6) may be provided to facilitate communication between the microcontroller and an external device such as an external computer or data storage. This can facilitate the transfer of signal processing results obtained by the signal processing means to an external computer. It may also facilitate the transmission of control commands to the microcontroller 56 from an external control means such as a computer.

Средство для передачи данных может содержать средство беспроводной связи или средство проводной связи. Средство связи может функционировать или работать в соответствии с любым подходящим протоколом связи или средой, такой как, например, Bluetooth, Wi-Fi, ближняя бесконтактная связь (Near Field Communication, NFC), ZigBee или любым подходящим протоколом проводной связи.The data transmission means may comprise a wireless communication means or a wired communication means. The communication means may function or operate in accordance with any suitable communication protocol or medium, such as, for example, Bluetooth, Wi-Fi, Near Field Communication (NFC), ZigBee, or any suitable wired communication protocol.

Система 10 выполнена с возможностью генерирования электромагнитных сигналов возбуждения с нормализованной радиальной частотой

Figure 00000057
от 0,025 до 0,50, где
Figure 00000003
, с = скорость света (3 × 108 м/с), а l представляет собой окружную длину петли антенны. Нормализованная радиальная частота
Figure 00000004
, следовательно, зависит как от окружной длины l антенны, так и от радиальной частоты
Figure 00000001
, при которой работает резонатор 11 (частота, на которой осуществляется его возбуждение).System 10 is configured to generate electromagnetic excitation signals with a normalized radial frequency
Figure 00000057
from 0.025 to 0.50, where
Figure 00000003
, c = speed of light (3 × 108 m/s) and l is the circumferential length of the antenna loop. Normalized Radial Frequency
Figure 00000004
, therefore, depends both on the circumferential length l of the antenna and on the radial frequency
Figure 00000001
, at which the resonator 11 operates (the frequency at which it is excited).

Например, для антенны с фиксированной окружной длиной l требуется, чтобы резонатор был возбужден при радиальной частоте между

Figure 00000060
и
Figure 00000061
.For example, an antenna with a fixed circumferential length l requires the resonator to be excited at a radial frequency between
Figure 00000060
And
Figure 00000061
.

Возбуждение резонатора на заданной частоте

Figure 00000001
может быть реализовано путем выбора емкости конденсатора таким образом, чтобы собственная резонансная частота резонатора 11 была равна
Figure 00000001
. Когда средство для генерирования сигнала (например, генератор колебаний) затем возбуждает резонатор, оно будет резонировать на радиальной частоте
Figure 00000001
, генерируя тем самым сигналы возбуждения с частотой
Figure 00000001
.Excitation of the resonator at a given frequency
Figure 00000001
can be implemented by choosing the capacitance of the capacitor so that the natural resonant frequency of the resonator 11 was equal to
Figure 00000001
. When the signal generating means (for example, an oscillator) then drives the resonator, it will resonate at the radial frequency
Figure 00000001
, thereby generating excitation signals with a frequency
Figure 00000001
.

В случае круговой рамочной антенны с радиусом а, l естественным образом равна 2πa.In the case of a circular loop antenna with radius a, l is naturally equal to 2πa.

При использовании, антенна 12 находится в непосредственной близости от исследуемого тела или среды, и антенна возбуждается посредством средства 14 для генерирования сигналов для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения с нормализованной радиальной частотой

Figure 00000057
от 0,025 до 0,50.In use, the antenna 12 is in close proximity to the body or medium to be examined, and the antenna is excited by the signal generating means 14 to generate electromagnetic excitation signals with a normalized radial frequency.
Figure 00000057
from 0.025 to 0.50.

Предпочтительно, система используется для считывания физиологических параметров и свойств, например воздуха, жидкости и/или движения ткани в теле субъекта. Система может считывать показатели жизненно важных функций. Предпочтительно, система может быть применена, в частности, например, для считывания дыхательных движений.Preferably, the system is used to read physiological parameters and properties, such as air, fluid and/or tissue movement in the subject's body. The system can read vital signs. Preferably, the system can be used in particular, for example, for reading respiratory movements.

В данных примерах система считывает движения воздуха, жидкости и/или ткани (например, вызванные дыханием или биением сердца) путем считывания модуляций в отраженной индуктивности сигнала, вызванной данными движениями.In these examples, the system reads movements of air, fluid, and/or tissue (eg, caused by breathing or heartbeat) by reading modulations in the reflected signal inductance caused by those movements.

Следует понимать, что движения ткани в теле могут включать в себя изменения объема ткани, а также диэлектрических и проводящих свойств. Данные модуляции вызывают амплитудные и/или фазовые модуляции электромагнитного сигнала.It should be understood that movements of tissue in the body may include changes in tissue volume, as well as dielectric and conductive properties. These modulations cause amplitude and/or phase modulations of the electromagnetic signal.

Излучение модулированного электромагнитного сигнала осуществляется телом в ответ на электромагнитный сигнал возбуждения, который излучается в тело субъекта. Как описано выше и изображено на ФИГ. 1, электромагнитный сигнал возбуждения вызывает магнитную индукцию, т.е. генерирование вихревых токов 18 в ткани вследствие применения внешнего магнитного поля 22, и данный вихревой ток/электромагнитный сигнал модулируется посредством движения воздуха, жидкости и/или ткани в субъекте.The emission of a modulated electromagnetic signal is carried out by the body in response to an electromagnetic excitation signal that is radiated into the subject's body. As described above and shown in FIG. 1, the electromagnetic excitation signal induces magnetic induction, i.e. generating eddy currents 18 in the tissue due to the application of an external magnetic field 22, and this eddy current/electromagnetic signal is modulated by the movement of air, fluid and/or tissue in the subject.

Генерирование электромагнитного сигнала возбуждения осуществляется посредством антенны 12 резонатора 11, а отраженные электромагнитные сигналы (вызванные индукцией вихревых токов) считываются одной и той же антенной. Генерирование данного электромагнитного сигнала возбуждения осуществляется посредством возбуждения резонатора средством 14 для генерирования сигнала.The electromagnetic excitation signal is generated by the antenna 12 of the resonator 11, and the reflected electromagnetic signals (caused by eddy current induction) are read by the same antenna. The generation of this electromagnetic excitation signal is carried out by excitation of the resonator by means 14 for signal generation.

Магнитные поля проникают в тело глубже, чем электрические поля, и, таким образом, магнитные поля могут быть использованы для измерения изменений свойств глубже внутри тела, тогда как электрические поля могут быть использованы для измерения изменений свойств на поверхности кожи, например, проницаемости кожи. Таким образом, свойства антенны 12 и генерируемых электромагнитных сигналов возбуждения, предпочтительно, выполнены таким образом, чтобы резонатор и антенна были наиболее чувствительными к магнитным сигналам (магнитным составляющим электромагнитных сигналов) и минимально чувствительными к электрическим сигналам, т.е. таким, чтобы поведение магнитного поля излучаемого электромагнитного сигнала доминировало над поведением электрического поля.Magnetic fields penetrate deeper into the body than electric fields, and thus magnetic fields can be used to measure changes in properties deeper within the body, while electric fields can be used to measure changes in properties at the skin surface, such as skin permeability. Thus, the properties of antenna 12 and the electromagnetic drive signals generated are preferably designed such that the resonator and antenna are most sensitive to magnetic signals (the magnetic components of electromagnetic signals) and least sensitive to electrical signals, i. such that the behavior of the magnetic field of the emitted electromagnetic signal dominates the behavior of the electric field.

Обработка электромагнитных сигналов, принятых от организма в ответ на сигналы возбуждения, может быть выполнена несколькими способами.The processing of electromagnetic signals received from the body in response to excitation signals can be performed in several ways.

Как отмечено выше, измерение сигналов может быть выполнено на основе считывания отстройки характеристик схемы резонатора. В частности, считывание может быть выполнено путем измерения изменений (1) незатухающей собственной радиальной частоты и (2) коэффициента затухания схемы резонатора. Изменения данных свойств были выражены в уравнениях (8) и (9) и (12) и (13) выше.As noted above, the measurement of signals can be performed based on reading the detuning characteristics of the resonator circuit. In particular, the reading can be performed by measuring changes in (1) the undamped natural radial frequency and (2) the damping factor of the resonator circuit. Changes in these properties have been expressed in equations (8) and (9) and (12) and (13) above.

Изменения одного или обоих этих параметров могут быть использованы для определения принятых (отраженных) сигналов.Changes in one or both of these parameters can be used to determine the received (reflected) signals.

Коэффициент затухания зависит как от фактической, так и от мнимой частей отраженной индуктивности, в то время как собственная частота зависит только от фактических частей. В некоторых случаях может быть предпочтительным считывание только фактической части, поскольку для считывания мнимой части (связанной с затуханием) могут потребоваться дополнительные схемы, которые могут повысить сложность и стоимость системы.The damping factor depends on both the actual and imaginary parts of the reflected inductance, while the natural frequency only depends on the actual parts. In some cases, it may be preferable to read only the actual part, because reading the imaginary part (related to damping) may require additional circuitry, which can increase the complexity and cost of the system.

Далее будут представлены конкретные примеры средства для обработки сигнала, которое использует измерение изменений собственной резонансной частоты резонатора.In the following, specific examples of signal processing means that use measurement of changes in the natural resonant frequency of the resonator will be presented.

В соответствии с первым набором вариантов реализации, средство для обработки сигнала может быть реализовано посредством схемы автоматической фазовой подстройки частоты. Пример схемы автоматической фазовой подстройки частоты, которая может быть использована в соответствии с данным набором вариантов реализации, показан на ФИГ. 7.According to the first set of embodiments, the signal processing means may be implemented by an automatic phase control circuit. An example of an automatic phase control circuit that can be used in accordance with this set of implementation options is shown in FIG. 7.

В данном варианте реализации для приведения в действие резонатора 11 используется схема автоматической фазовой подстройки частоты (ФАПЧ), и управляющий сигнал для системы ФАПЧ выдает выходной сигнал, представляющий движение воздуха, жидкости и/или ткани в организме субъекта. Следовательно, схема на ФИГ. 7 реализует функциональность как средства 14 для генерирования сигнала, так и средства 54 для обработки сигнала в примере системы по ФИГ. 6.In this embodiment, an automatic phase-locked loop (PLL) circuit is used to drive the resonator 11, and the control signal for the PLL produces an output signal representing the movement of air, fluid, and/or tissue in the subject's body. Therefore, the circuit in FIG. 7 implements the functionality of both signal generating means 14 and signal processing means 54 in the exemplary system of FIG. 6.

На ФИГ. 7 показана схема 60 для генерирования и обработки сигналов для резонатора 11, и содержит эталонный осциллятор 61, ФАПЧ 62, которая соединена с эталонным осциллятором 61 и выдает аналоговый сигнал управления (известный как Vtune) на управляемый напряжением осциллятор 64 (УНО). Сигнал Vtune является результатом сравнения сигнала от эталонного осциллятора 61 с сигналом от УНО 64. В ответ на аналоговый сигнал управления ФАПЧ УНО 64 генерирует сигнал возбуждения на требуемой частоте и выдает его на резонатор 11, вследствие чего антенна 12 резонатора 11 излучает электромагнитный(ые) сигнал(ы) возбуждения. Как отмечено выше, электромагнитный сигнал возбуждения будет индуцировать вихревые токи в теле субъекта, и эти вихревые токи будут индуцировать магнитный поток, который воспринимается антенной 12. Данный генерируемый поток приводит к составляющей отраженной индуктивности Lr в индуктивности катушки антенны (как подробно объяснено выше). Это может быть считано путем отстройки характеристик катушки, в частности, собственной частоты катушки.FIG. 7 shows a circuit 60 for generating and processing signals for the resonator 11, and includes a reference oscillator 61, a PLL 62, which is connected to the reference oscillator 61 and provides an analog control signal (known as V tune ) to a voltage controlled oscillator 64 (VCO). The signal V tune is the result of comparing the signal from the reference oscillator 61 with the signal from the UNO 64. In response to the analog PLL control signal, the UNO 64 generates an excitation signal at the desired frequency and outputs it to the resonator 11, whereby the antenna 12 of the resonator 11 emits electromagnetic (s) excitation signal(s). As noted above, the electromagnetic excitation signal will induce eddy currents in the subject's body, and these eddy currents will induce a magnetic flux that is sensed by antenna 12. This generated flux results in a reflected inductance L r component in the antenna coil inductance (as explained in detail above). This can be read by tuning the characteristics of the coil, in particular the natural frequency of the coil.

Сигнал возбуждения также выдается на ФАПЧ 62 в качестве части контура обратной связи. Аналоговый управляющий сигнал от ФАПЧ 62 также выдается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 66, который преобразует аналоговый сигнал управления в цифровой сигнал, и данный цифровой сигнал выдается на контроллер 68. Контроллер 68 определяет цифровой управляющий сигнал для ФАПЧ 62 и выдает его на ФАПЧ 62. Как известно специалисту в данной области техники, в системе ФАПЧ, если фаза УНО 54 отличается от фазы эталонного осциллятора 61, цифровой управляющий сигнал корректирует фазу УНО.The drive signal is also provided to the PLL 62 as part of the feedback loop. The analog control signal from the PLL 62 is also provided to an analog-to-digital converter (ADC) 66 which converts the analog control signal to a digital signal and this digital signal is provided to the controller 68. The controller 68 determines the digital control signal for the PLL 62 and outputs it to the PLL. 62. As one of skill in the art would know, in a PLL system, if the phase of the REO 54 differs from the phase of the reference oscillator 61, the digital control signal corrects the phase of the REO.

Движения воздуха, жидкости и/или ткани в организме эффективным образом отстраивают характеристики антенны 12 (ввиду отраженной индуктивности), и цифровой контрольный сигнал оказывает противодействие данной отстройке и корректирует фазу УНО 54. Следовательно, цифровой сигнал управления несет информацию, касающуюся движений воздуха, жидкости и/или ткани, и контроллер 68 определяет выходной сигнал 70 из цифрового управляющего сигнала, который представляет или содержит информацию о движениях воздуха, жидкости или ткани в теле субъекта. Несмотря на то, что данный выходной сигнал 70 не несет фактическую информацию о фазе и амплитуде, физиологические характеристики (например, частота сердечных сокращений, частота дыхания) могут четко наблюдаться.Movements of air, fluid, and/or tissue in the body effectively align antenna 12 (due to reflected inductance), and the digital control signal counteracts this tuning and corrects the phase of the UNO 54. Therefore, the digital control signal carries information regarding the movements of air, fluid, and /or tissue, and the controller 68 determines an output signal 70 from the digital control signal that represents or contains information about the movements of air, fluid, or tissue in the subject's body. Although this output signal 70 does not carry actual phase and amplitude information, physiological characteristics (eg, heart rate, respiration rate) can be clearly observed.

Корректирующий сигнал Vtune, который требуется для поддержания УНО 64 на требуемой частоте, используется для измерения амплитуды и/или сдвигов фазы ввиду движений воздуха, жидкости и/или ткани в теле субъекта. Фазовые сдвиги имеют тенденцию доминировать над изменениями амплитуды. Корректирующий сигнал ФАПЧ (цифровой управляющий сигнал, выдаваемый контроллером 68, полученный из аналогового корректирующего сигнала ФАПЧ), используется для определения выходного сигнала 70. Например, выходной сигнал 70 может соответствовать цифровому управляющему сигналу с подходящей фильтрацией и/или понижающей дискретизацию для улучшения соотношения сигнал/шум.The correction signal V tune , which is required to maintain the UNO 64 at the desired frequency, is used to measure amplitude and/or phase shifts due to movements of air, fluid and/or tissue in the subject's body. Phase shifts tend to dominate amplitude changes. The PLL correction signal (the digital control signal output by the controller 68 derived from the analog PLL correction signal) is used to determine the output signal 70. For example, the output signal 70 may correspond to a digital control signal with suitable filtering and/or downsampling to improve the signal/total ratio. noise.

Следовательно, выходной сигнал несет сигнал, представляющий принятые электромагнитные сигналы, полученные на основе изменений в частоте собственного резонанса резонатора 11, которые отражены в корректирующем сигнале.Therefore, the output signal carries a signal representing the received electromagnetic signals obtained based on changes in the natural resonance frequency of the resonator 11, which are reflected in the correction signal.

В соответствии с еще одним набором вариантов реализации, реализовано альтернативное средство для обработки сигналов, в котором обработка считанных сигналов от антенны 12 сначала осуществляется для уменьшения их частоты путем смешения их с дополнительным эталонным колебательным сигналом другой частоты и применения фильтра, который пропускает разностную частоту. Это позволяет выполнять последующую обработку сигнала в гораздо более низком частотном диапазоне, что снижает потребление энергии и требуемую вычислительную мощность.In accordance with yet another set of implementations, an alternative signal processing means is implemented in which the read signals from antenna 12 are first processed to reduce their frequency by mixing them with an additional reference waveform of a different frequency and applying a filter that passes the difference frequency. This allows post-processing of the signal in a much lower frequency range, which reduces power consumption and required processing power.

В частности, чтобы снизить потребление энергии и требуемую вычислительную мощность системы, обработка сигналов, предпочтительно, выполняется в цифровой области. Цифровые делители и счетчики потребляют ток, пропорциональный рабочей частоте. Следовательно, дополнительной экономии энергии способствует понижение частоты в цифровой системе с использованием второй эталонной частоты генератора колебаний, близкой к частоте, на которой осуществляется приведение в действие антенны 12 для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, и в которой сигналы возвращаются из организма также являются колебательными. Путем смешения возвращенных высокочастотных электромагнитных сигналов (как правило, около 400-500 МГц) с другим сигналом, частота которого отличается, но близка к данной частоте (например, при +/- 50 МГц от частоты измерения ЭМ), и применения фильтра нижних частот, который пропускает разностную частоту (т.е. fизмерение - fэталонное), обработка сигнала (например, цифрового счетчика) может быть выполнено в гораздо более низком частотном диапазоне, что снижает потребление энергии и требуемую вычислительную мощность.In particular, in order to reduce the power consumption and the required processing power of the system, the signal processing is preferably performed in the digital domain. Digital dividers and counters draw current proportional to the operating frequency. Therefore, further energy savings are achieved by lowering the frequency in the digital system using a second oscillator reference frequency close to the frequency at which the antenna 12 is driven to generate electromagnetic excitation signals and in which the signals returning from the body are also oscillatory. By mixing the returned high frequency electromagnetic signals (typically around 400-500 MHz) with another signal whose frequency is different but close to that frequency (e.g. +/- 50 MHz from the EM measurement frequency), and applying a low-pass filter, which passes the difference frequency (i.e. f measurement - f reference ), signal processing (eg digital counter) can be done in a much lower frequency range, reducing power consumption and required processing power.

Один пример этой схемы обработки изображен на ФИГ. 8, на которой показана связанная схему обработки.One example of this processing scheme is shown in FIG. 8, which shows a related processing scheme.

Система содержит резонатор, имеющий антенну 12 и соединенный с первым осциллятором («Osc 1») 74, который генерирует сигнал возбуждения для приведения в движение резонатора 11 с генерированием электромагнитных сигналов возбуждения для передачи в исследуемое тело (например, тело субъекта). Электромагнитные сигналы, излучаемые в ответ обратно от тела, принимаются на антенне посредством элемента 12 индуктивной связи, и осуществляется выведение результирующего сигнала из резонатора, имеющего частоту f1. Второй (эталонный) осциллятор («Osc 2») 76 генерирует колебательный сигнал второй частоты f2, близкой к частоте f1, например, между f2 = 0,8 * f1 и f2 = 1,2 * f1 (т.е. в пределах +/- 10% -20% от f1).The system comprises a resonator having an antenna 12 and coupled to a first oscillator ("Osc 1") 74 that generates a drive signal to drive the resonator 11 to generate electromagnetic drive signals for transmission to the body of interest (e.g., the subject's body). The electromagnetic signals radiated back from the body in response are received at the antenna by the inductive coupling element 12, and the resultant signal is output from the resonator having a frequency f1. The second (reference) oscillator (“Osc 2”) 76 generates an oscillatory signal of the second frequency f2, close to the frequency f1, for example, between f2 = 0.8 * f1 and f2 = 1.2 * f1 (i.e. within + // 10% -20% of f1).

Смеситель частот («Mix») 78 смешивает две частоты f1 и f2, а фильтр 80 нижних частот («ФНЧ») 80 затем пропускает разностную частоту (т.е. f1-f2).A frequency mixer (“Mix”) 78 mixes the two frequencies f1 and f2, and a low pass filter (“LPF”) 80 then passes the difference frequency (ie, f1-f2).

Затем осуществляется передача результирующего сигнала разностной частоты на дополнительные компоненты обработки для извлечения свойств сигнала, принятого от тела, например, как показано на ФИГ. 8, счетчик 82.The resulting difference frequency signal is then passed on to additional processing components to extract properties of the signal received from the body, for example, as shown in FIG. 8, counter 82.

В примере, показанном на ФИГ. 8, первый осциллятор 74 выполняет функцию средства 14 для генерирования сигнала системы 10 (см. ФИГ. 6), а остальные показанные компоненты выполняют функцию средства 54 для обработки сигнала системы.In the example shown in FIG. 8, the first oscillator 74 functions as means 14 for generating the system signal 10 (see FIG. 6), and the remaining components shown function as means 54 for processing the system signal.

Во всех примерах данного подхода к обработке результат заключается в том, что частота измерения РЧ, составляющая, как правило, > 200 МГц, снижается до частоты ~ 50 МГц, т.е. разности между двумя смешанными частотами f1, f2. Сигналы с такой частотой могут быть легко обработаны микроконтроллерами и микропроцессорами. Такие сигналы могут, например, напрямую быть обработаны входом счетчика микроконтроллера.In all examples of this processing approach, the result is that the RF measurement frequency, typically >200 MHz, is reduced to ~50 MHz, i.e. difference between two mixed frequencies f1, f2. Signals with this frequency can be easily processed by microcontrollers and microprocessors. Such signals can, for example, be directly processed by the counter input of the microcontroller.

Таким образом, предотвращается использование относительно более энергоемких элементов, таких как системы схемы автоматической фазовой подстройки частоты РЧ (ФАПЧ) и цифровых делителей частоты. Системе, соответственно, нужно значительно меньше тока.Thus, the use of relatively more power-hungry components such as RF phase-locked loop (PLL) circuit systems and digital frequency dividers is prevented. The system therefore needs significantly less current.

В качестве альтернативы, использование смесителя частот и фильтра с низкочастотной схемой автоматической фазовой подстройки частоты (ФАПЧ) может быть реализовано для улучшения качества системы, хотя и за счет более высокого потребления энергии.Alternatively, the use of a frequency mixer and filter with a low-pass PLL circuit can be implemented to improve system quality, albeit at the expense of higher power consumption.

Еще одним преимуществом настоящего набора вариантов реализации является то, что смешение не приводит к потере разрешения. В отличие от этого, использование цифрового делителя действительно приводит к такой потере. Модуляции считанного сигнала в сигнале пониженного смешения 28 МГц (на примере приведенной выше ФИГ. 10) имеют ту же амплитуду (с тем же относительным усилением), что и модуляции на более высокой (например, 405 МГц) частоте.Another advantage of the present set of implementations is that blending does not result in a loss of resolution. In contrast, using a digital divider does result in this kind of loss. The read signal modulations in the 28 MHz downmix signal (in the example of FIG. 10 above) have the same amplitude (with the same relative gain) as the higher (eg, 405 MHz) frequency modulations.

Затем физиологически модулированный сигнал с частотой 28 МГц выдается на элементы обработки с малым потреблением тока, например, на счетный вход счетчика частоты микроконтроллера.Then, a physiologically modulated signal with a frequency of 28 MHz is output to processing elements with low current consumption, for example, to the counter input of the microcontroller's frequency counter.

Широко доступными являются микроконтроллеры, имеющие счетные входы, способные считывать частотные сдвиги в диапазоне, которые, как правило, происходят в теле.Microcontrollers are widely available that have counter inputs capable of reading the frequency shifts in the range that typically occur in the body.

Использование смешения и фильтрации частот в сочетании с цифровым счетчиком позволяет осуществлять измерение, например, физиологических параметров, таких как показатели жизненно важных функций, включая сердцебиение и дыхание, с помощью недорогой системы. Антенны, осцилляторы и преобразователь частоты в примерах могут быть встроены в печатную плату (ПП). Технология гибких схем (например, технология гибких жестких дисков) также может быть использована для дальнейшего уменьшения размеров и стоимости компонентов и всей системы.The use of frequency mixing and filtering in combination with a digital counter makes it possible to measure, for example, physiological parameters such as vital signs, including heartbeat and respiration, with an inexpensive system. The antennas, oscillators and frequency converter in the examples can be built into a printed circuit board (PCB). Flexible circuit technology (eg, floppy disk technology) can also be used to further reduce the size and cost of components and the entire system.

Была сконструирована тестовая система (которая может быть дополнительно оптимизирована), которая потребляет ток 1 мА на антенну, что по меньшей мере в 10 раз меньше тока, чем в цифровых системах с подобными производственными характеристиками.A test system was designed (which can be further optimized) that draws 1 mA per antenna, which is at least 10 times less current than digital systems with similar performance characteristics.

Все частоты, представленные выше, являются лишь примером.All frequencies shown above are just an example.

Также могут быть использованы другие средства для обработки сигналов. Специалисту будет ясно множество стандартных подходов к измерению сигналов, принимаемых на антеннах, и может быть использован любой подходящий подход. Например, в дополнительных вариантах реализации может быть использован счетчик сам по себе для измерения сигналов.Other signal processing means may also be used. One skilled in the art will recognize many standard approaches to measuring signals received at antennas, and any suitable approach may be used. For example, in additional implementations, the counter itself may be used to measure signals.

В примере по ФИГ. 1, представленном выше, используется диапазон нормализованной частоты

Figure 00000002
генерируемых электромагнитных сигналов возбуждения между 0,025 и 0,50. Это обеспечивает улучшение характеристик по сравнению с системами уровня техники, как объяснено выше, по причинам улучшенного соотношения сигнал/шум и оптимизированной восприимчивости к магнитным, нежели к электрическим составляющим сигнала.In the example of FIG. 1 above uses the normalized frequency range
Figure 00000002
generated electromagnetic excitation signals between 0.025 and 0.50. This provides improved performance over prior art systems, as explained above, for reasons of improved signal-to-noise ratio and optimized susceptibility to magnetic rather than electrical signal components.

В частности, исследования показали, что при значениях

Figure 00000004
ниже 0,025 отношение сигнал-шум считываемого электромагнитного сигнала значительно уменьшено, что приводит к более высокой чувствительности к движению. Более конкретно, ниже данного уровня мощность сигнала значительно снижается и в большинстве вариантов практического применения насыщается шумом, исходящим от электронного шума, электромагнитных помех и шума от емкостной связи с поверхностью тела (т.е. прямой связи посредством электрических полей и электрически индуцированных зарядов).In particular, studies have shown that for values
Figure 00000004
below 0.025, the signal-to-noise ratio of the read electromagnetic signal is greatly reduced, resulting in higher motion sensitivity. More specifically, below this level, the signal power is significantly reduced and, in most applications, saturated with noise from electronic noise, electromagnetic interference, and noise from capacitive coupling to the body surface (i.e., direct coupling through electric fields and electrically induced charges).

Кроме того, ниже данной нормализованной частоты осциллятор испытывает затруднения при колебании, когда N=1 (только одновитковая петля), ввиду омических потерь, которые значительно уменьшают добротность резонатора при низких нормализованных частотах с использованием N=1.Also, below a given normalized frequency, the oscillator has difficulty oscillating when N=1 (single-turn loop only) due to ohmic losses, which greatly reduce the quality factor of the resonator at low normalized frequencies using N=1.

Однако, как было описано выше, обеспечение резонатора с N>1 (более одной петли) для повышения добротности является нежелательным, поскольку это увеличивает стоимость и сложность датчика, а также приводит к паразитным емкостям между витками, тем самым индуцируя неоднородные токи в петле и индуцируя заряды даже на низких частотах. Это, в свою очередь, делает датчик более восприимчивым к артефактам шума, возникающим вследствие емкостной связи между данными индуцированными зарядами в петле и взаимно индуцированными поверхностными зарядами на теле (индуцированными электрическими полями, излучаемыми зарядами контура).However, as described above, providing a resonator with N>1 (more than one loop) to increase the quality factor is undesirable because it increases the cost and complexity of the sensor, and also leads to parasitic capacitances between the turns, thereby inducing non-uniform currents in the loop and inducing charges even at low frequencies. This, in turn, makes the sensor more susceptible to noise artifacts due to capacitive coupling between these induced charges in the loop and mutually induced surface charges on the body (induced electric fields, radiated loop charges).

В соответствии с более конкретным набором вариантов реализации, система магнитно-индуктивного считывания может быть выполнена таким образом, что нормализованная радиальная частота

Figure 00000002
электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,25.According to a more specific set of implementation options, the magneto-inductive sensing system can be configured such that the normalized radial frequency
Figure 00000002
electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.25.

В пределах данного диапазона амплитуда тока при считывании сигналов, полученных обратно от тела, является по существу постоянной по петле антенны. Выше

Figure 00000004
= 0,25 амплитуда тока изменяется в большей степени по петле антенны. Фаза тока также является относительно постоянной вокруг петли антенны. Данные факторы являются значительными ограничивающими факторами при достижении высокой мощности сигнала и высокого качества сигнала.Within this range, the current amplitude when reading signals received back from the body is substantially constant across the antenna loop. Higher
Figure 00000004
= 0.25 the amplitude of the current varies more along the antenna loop. The phase of the current is also relatively constant around the antenna loop. These factors are significant limiting factors in achieving high signal strength and high signal quality.

Это изображено на ФИГ. 9. На ФИГ. 9 показан нормализованный ток (ось у) в зависимости от индекса сегмента вокруг петли антенны (ось х) для трех разных сигналов с разными нормализованными радиальными частотами

Figure 00000004
. Соответствующие
Figure 00000004
каждой линии помечены на графике.This is shown in FIG. 9. In FIG. 9 shows the normalized current (y-axis) versus the segment index around the antenna loop (x-axis) for three different signals with different normalized radial frequencies.
Figure 00000004
. Relevant
Figure 00000004
each line is labeled on the graph.

Можно увидеть, что выше нормализованной радиальной частоты

Figure 00000004
= 0,25 однородность тока петли быстро становится очень плохой. Неоднородные токи являются крайне невыгодными, поскольку они приводят к накоплению зарядов, что приводит к емкостной связи с исследуемой средой. Емкостная связь со средой является основным источником искажения (артефактов) для индуктивных датчиков.It can be seen that above the normalized radial frequency
Figure 00000004
= 0.25 loop current uniformity quickly becomes very poor. Non-uniform currents are extremely disadvantageous because they lead to the accumulation of charges, which leads to capacitive coupling with the medium under study. Capacitive coupling with the medium is the main source of distortion (artifacts) for inductive sensors.

Следовательно, путем поддержания ниже

Figure 00000004
= 0,25 однородность тока и фазы тока значительно улучшается, но при этом достигается максимальная мощность сигнала, поскольку известно, что более высокое значение
Figure 00000004
дает более высокую мощность сигнала (объяснено выше). Следовательно, это обеспечивает хороший баланс между мощностью сигнала (соотношением сигнал/шум) и однородностью тока и фазы тока.Therefore, by keeping below
Figure 00000004
= 0.25 the homogeneity of the current and phase of the current is greatly improved, but at the same time the maximum signal strength is achieved, since it is known that a higher value
Figure 00000004
gives higher signal strength (explained above). Therefore, this provides a good balance between signal strength (signal to noise ratio) and current and current phase uniformity.

В соответствии с еще одним набором вариантов реализации, нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
сигналов возбуждения может составлять от 0,025 до 0,20. Ниже верхнего предела 0,20 для
Figure 00000004
, сопротивление излучения является достаточно низким (<0,5 Ом), фаза тока относительно постоянна по петле антенны, и дополнительно улучшается равномерность амплитуды тока (разность амплитуды тока между любыми двумя точками вокруг контура <20%).According to yet another set of implementations, the normalized radial frequency
Figure 00000004
excitation signals can be from 0.025 to 0.20. Below the upper limit of 0.20 for
Figure 00000004
, the radiation resistance is quite low (<0.5 Ω), the current phase is relatively constant across the antenna loop, and the current amplitude uniformity is further improved (current amplitude difference between any two points around the loop <20%).

Это изображено на ФИГ. 10. На ФИГ. 10 показано, что при

Figure 00000004
= 0,20, амплитуда тока (ось у) по окружности антенны (ось х) является относительно однородной и имеет значительно большую однородность, чем, например, при
Figure 00000004
= 0,333.This is shown in FIG. 10. In FIG. 10 shows that when
Figure 00000004
= 0.20, the current amplitude (y-axis) along the circumference of the antenna (x-axis) is relatively uniform and has a much greater uniformity than, for example, with
Figure 00000004
= 0.333.

В дополнение к указанным выше преимуществам, верхний уровень 0,20 для

Figure 00000004
обеспечивает то, что сопротивление излучения сохраняется в пределах оптимально низкого диапазона. Это изображено на ФИГ. 11, на которой показано сопротивление излучения (ось у; Ом) в зависимости от
Figure 00000004
(ось х). Можно увидеть, что ниже уровня
Figure 00000004
= 0,2, сопротивление излучения поддерживается на очень низком уровне (ниже 0,5 Ом). Следовательно, 0,2 представляет собой оптимальный компромисс между максимизацией мощности сигнала (соотношения сигнал/шум) путем максимизации
Figure 00000004
, насколько это возможно, при поддержании контролируемого уровня сопротивления излучения. In addition to the above benefits, the upper level of 0.20 for
Figure 00000004
ensures that the radiation resistance is kept within an optimally low range. This is shown in FIG. 11, which shows the radiation resistance (y-axis; Ohm) depending on
Figure 00000004
(x axis). You can see below the level
Figure 00000004
= 0.2, the radiation resistance is kept very low (below 0.5 ohm). Therefore, 0.2 represents the optimal compromise between maximizing signal power (signal-to-noise ratio) by maximizing
Figure 00000004
as far as possible while maintaining a controlled level of radiation resistance.

Данный диапазон также является особенно преимущественным, так как выше

Figure 00000004
= 0,20 начинают возникать некоторые электрические эффекты, в результате чего катушка становится чувствительной к составляющей электрического поля ЭМ сигналов, принимаемых обратно от тела (что создает помехи при считывании сигналов магнитного поля). Ниже
Figure 00000004
= 0,20 было обнаружено, что система считывания остается сильно магнитным образом чувствительной, без накопления значительных электрических зарядов вдоль одного провода петли антенны.This range is also particularly advantageous because the higher
Figure 00000004
= 0.20, some electrical effects begin to occur, causing the coil to become sensitive to the electric field component of the EM signals being received back from the body (which interferes with the reading of the magnetic field signals). Below
Figure 00000004
= 0.20, it was found that the readout system remains highly magnetically sensitive, without the accumulation of significant electrical charges along one wire of the antenna loop.

В соответствии с еще одним набором вариантов реализации, система 10 может быть выполнена таким образом, что нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
сигналов возбуждения составляет от 0,04 до 0,25. Нижний предел 0,04 является предпочтительным, поскольку это дает более высокую мощность сигнала (чем 0,025, например) в то же время сохраняя преимущества очень низкого сопротивление излучения (~0,01 Ом), фазы постоянного тока по петле антенны и амплитуды постоянного тока по петле антенны.In accordance with another set of implementation options, the system 10 can be implemented such that the normalized radial frequency
Figure 00000004
excitation signals is from 0.04 to 0.25. The lower limit of 0.04 is preferred as it gives higher signal power (than 0.025 for example) while still retaining the benefits of very low radiation resistance (~0.01 Ω), dc phase over the antenna loop and dc amplitude over antenna loop.

Было обнаружено, что нормализованная радиальная частота

Figure 00000004
выше 0,04 обеспечивает достаточно мощный уровень сигнала, чтобы сигнал был надежно защищен от шума в широком диапазоне вариантов практического применения. В некоторых сценариях (однако не во всех) электромагнитные сигналы ниже данной нормализованной частоты могут оказаться искажены артефактами шума, являющихся результатом емкостной связи с поверхностью ткани (т.е. электрического соединения с поверхностью тела ввиду зарядов, индуцированных электрическим образом). Было обнаружено, что для датчиков удобного размера, например, с радиусом от 1 до 3 см, мощность сигнала является удвоенной по сравнению с сигналами, использующими нормализованную радиальную частоту около 0,025. В частности, было обнаружено, что сигналы дыхания (сигналы, указывающие на функцию дыхания) имеют значительно более высокие мощности сигналов.It was found that the normalized radial frequency
Figure 00000004
greater than 0.04 provides a strong enough signal level that the signal is well protected from noise in a wide range of applications. In some scenarios (but not all), electromagnetic signals below this normalized frequency may be distorted by noise artifacts resulting from capacitive coupling to the tissue surface (ie, electrical connection to the body surface due to electrically induced charges). It has been found that for conveniently sized sensors, such as those with a radius of 1 to 3 cm, the signal strength is twice that of signals using a normalized radial frequency of about 0.025. In particular, respiration signals (signals indicative of respiratory function) have been found to have significantly higher signal strengths.

В соответствии с дополнительным набором вариантов реализации, система 10 может быть выполнена так, что электромагнитные сигналы возбуждения имеют частоту от 30 МГц до 1000 МГц.In accordance with a further set of implementation options, system 10 can be configured such that the electromagnetic drive signals have a frequency of 30 MHz to 1000 MHz.

Частота здесь относится к абсолютной частоте, а не к радиальной частоте.Frequency here refers to absolute frequency, not radial frequency.

В соответствии с данными вариантами реализации, предоставлено требование к абсолютной частоте. Соответственно, поскольку

Figure 00000002
и
Figure 00000008
, соответствующее требование предъявлено к
Figure 00000003
, что означает, что окружная длина
Figure 00000009
петли антенны должна быть выполнена соответствующим образом.According to these embodiments, an absolute frequency requirement is provided. Accordingly, because
Figure 00000002
And
Figure 00000008
, the corresponding requirement is presented to
Figure 00000003
, which means that the circumferential length
Figure 00000009
antenna loops must be made accordingly.

Данный частотный диапазон является предпочтительным, поскольку мощность сигнала становится значительно больше чем f = 30 МГц. Это особенно верно для петель сравнительно меньшего размера (радиусы в пределах 1-3 см). В данном случае, когда, например, измерение сигнала осуществляется путем изменения резонансной частоты резонатора (как описано выше), сигнал сдвига частоты (действительная часть отраженной индуктивности) быстро становится намного сильнее при входе в данный диапазон, путем увеличения в мощности сигнала, а также движения в фазе отраженной индуктивности в направлении действительной части.This frequency range is preferred because the signal power becomes much greater than f = 30 MHz. This is especially true for comparatively smaller loops (radii in the range of 1-3 cm). In this case, when, for example, the signal is measured by changing the resonant frequency of the resonator (as described above), the frequency shift signal (the real part of the reflected inductance) quickly becomes much stronger when entering this range, by increasing in signal power, as well as moving in the phase of the reflected inductance in the direction of the real part.

Данный частотный диапазон также является особенно преимущественным при использовании средства для обработки сигналов в виде преобразователя частоты со счетчиком. Абсолютные изменения в резонансной частоте резонатора ввиду, например, дыхания при использовании f < 30 МГц могут быть ниже 1 кГц. При использовании счетчика уклона, шум квантования числа отсчетов в сигнале легко виден на данной рабочей частоте.This frequency range is also particularly advantageous when using a signal processing means in the form of a frequency converter with a counter. Absolute changes in the resonant frequency of the resonator due to, for example, breathing when using f < 30 MHz can be below 1 kHz. When using a slope counter, the quantization noise of the number of samples in the signal is easily visible at a given operating frequency.

При увеличении абсолютной частоты выше f > 30 МГц влияние шума квантования на сигнал в большинстве случаев перестанет быть проблематичным. Это описано более подробно ниже.With an increase in the absolute frequency above f > 30 MHz, the effect of quantization noise on the signal in most cases will cease to be problematic. This is described in more detail below.

Кроме того, предпочтительной является оптимизация частоты ниже 1000 МГц для оптимизации глубины проникновения. На частотах выше 1000 МГц глубина проникновения электромагнитных сигналов начинает становиться недопустимо малой для измерения физиологических параметров, например, сигналов легких или сердца.In addition, it is preferable to optimize the frequency below 1000 MHz to optimize the penetration depth. At frequencies above 1000 MHz, the penetration depth of electromagnetic signals begins to become unacceptably small for measuring physiological parameters, such as lung or heart signals.

В соответствии с еще одним набором вариантов реализации, система 10 может быть выполнена так, что электромагнитные сигналы возбуждения имеют частоту от 100 МГц до 1000 МГц.In accordance with another set of implementation options, system 10 can be configured such that the electromagnetic drive signals have a frequency of 100 MHz to 1000 MHz.

На частотах выше 100 Гц глубина проникновения все еще является достаточно глубокой, в то время как сигналы становятся намного сильнее. В частности, было обнаружено, что сердечно-легочные сигналы становятся намного сильнее. В дополнение, фаза отраженной индуктивности движется дальше в направлении к действительной части. Это является предпочтительным, когда средство для генерирования сигнала выполнено с возможностью измерения изменений в резонансной частоте резонатора, что требует измерения действительной части отраженной индуктивности.At frequencies above 100 Hz, the penetration depth is still quite deep, while the signals become much stronger. In particular, it has been found that cardiopulmonary signals become much stronger. In addition, the phase of the reflected inductance moves further towards the real part. This is advantageous when the signal generating means is capable of measuring changes in the resonant frequency of the resonator, which requires measuring the real part of the reflected inductance.

В дополнение, выше частоты 100 МГц, шум квантования, например, средства для обработки сигнала счетчика уклона (например, при времени интегрирования около 0,05 секунды), практически незначителен относительно мощности сигнала.In addition, above a frequency of 100 MHz, quantization noise, for example, means for processing the slope counter signal (for example, with an integration time of about 0.05 seconds), is practically negligible relative to the signal strength.

В соответствии с еще одним набором вариантов реализации, система 10 может быть выполнена так, что электромагнитные сигналы возбуждения имеют частоту от 30 МГц до 500 МГц.In accordance with yet another set of implementation options, system 10 can be configured such that the electromagnetic drive signals have a frequency of 30 MHz to 500 MHz.

Этот диапазон абсолютной частоты оптимизирует глубину проникновения, в частности, для мышц. Мощность сигнала на частоте 500 МГц остается очень высокой, в то время как глубина проникновения поддерживается относительно большой (~5 см для мышц - и больше для других сред).This absolute frequency range optimizes the depth of penetration, particularly for muscles. The signal strength at 500 MHz remains very high while the penetration depth is maintained relatively large (~5 cm for muscle - and more for other media).

Данный частотный диапазон также может быть предпочтителен в том случае, когда дело касается потребления энергии, например, в случае датчиков с питанием от батареи. Ниже 500 МГц частота является достаточно низкой, чтобы не вносить существенный вклад в потребление энергии при обработке сигналов.This frequency range may also be preferred when it comes to power consumption, such as battery-powered sensors. Below 500 MHz, the frequency is low enough not to contribute significantly to signal processing power consumption.

В соответствии с еще одним набором вариантов реализации, система 10 может быть выполнена так, что электромагнитные сигналы возбуждения имеют частоту от 100 МГц до 500 МГц.In accordance with another set of implementation options, system 10 can be configured such that the electromagnetic drive signals have a frequency of 100 MHz to 500 MHz.

Это объединяет преимущества нижней границы 100 МГц и верхней границы 500 МГц, рассмотренные выше.This combines the advantages of the 100 MHz lower limit and the 500 MHz upper limit discussed above.

Применение сигналов возбуждения к телу на подобных высоких частотах не известно из уровня техники. Это связано с тем, что в данной области техники главным образом понятно, что частоты выше около 30 МГц приводят к значительному уменьшению достижимой глубины проникновения при одновременном увеличении требуемой рабочей мощности.Application of excitation signals to the body at such high frequencies is not known in the art. This is because it is generally understood in the art that frequencies above about 30 MHz result in a significant reduction in the achievable penetration depth while increasing the operating power required.

Глубина проникновения или глубина кожи определена как расстояние, на которое амплитуда электромагнитной волны уменьшается на коэффициент 1/е. Более конкретно, глубина кожи или глубина проникновения

Figure 00000062
, как правило, определяется как:The penetration depth or skin depth is defined as the distance over which the amplitude of an electromagnetic wave is reduced by a factor of 1/e. More specifically, skin depth or penetration depth
Figure 00000062
is usually defined as:

Figure 00000063
Figure 00000063

где k представляет собой волновое число электромагнитных сигналов в среде, в которую осуществляется проникновение, ω представляет собой радиальную частоту сигналов, μ представляют собой проницаемость среды,

Figure 00000043
представляет собой проницаемость среды, а σ представляет собой проводимость среды.where k is the wavenumber of electromagnetic signals in the medium being penetrated, ω is the radial frequency of the signals, μ is the permeability of the medium,
Figure 00000043
is the permeability of the medium, and σ is the conductivity of the medium.

Предполагаемая потеря глубины проникновения на высоких частотах проистекает из так называемого скин-эффекта. Данный эффект виден, например, когда переменный ток протекает вблизи поверхности проводника; плотность тока, по-видимому, притягивается к поверхности среды, препятствуя течению тока под поверхностью. Чем выше частота электромагнитного сигнала, тем сильнее эффект. Данный эффект также происходит в биологических тканях, в которые осуществляется проникновение индуктивным датчиком: на более высоких частотах индуцированные вихревые токи эффективным образом «притягиваются» к поверхности тела, тем самым сокращая проникновение входящего магнитного поля глубже в ткань. Таким образом, скин-эффект оказывает уменьшающее влияние на глубину проникновения индуктивного датчика.The supposed loss of penetration depth at high frequencies stems from the so-called skin effect. This effect is seen, for example, when an alternating current flows near the surface of the conductor; the current density seems to be attracted to the surface of the medium, preventing the flow of current under the surface. The higher the frequency of the electromagnetic signal, the stronger the effect. This effect also occurs in biological tissues that are penetrated by an inductive probe: at higher frequencies, the induced eddy currents are effectively “pulled” to the body surface, thereby reducing the penetration of the incoming magnetic field deeper into the tissue. Thus, the skin effect has a decreasing effect on the penetration depth of the inductive sensor.

Однако авторами настоящего изобретения было обнаружено, что фактически уменьшение глубины проникновения, хотя и является реальным, является гораздо менее значительным, чем было предположено ранее. В частности, было обнаружено, что уменьшение достигаемой глубины проникновения не становится препятствующей эффективному индуктивному считыванию до достижения частот свыше около 1000 МГц. Это особенно касается областей применения, применимых к исследованию функции дыхания. Эти варианты реализации, следовательно, допускают большую глубину проникновения, чем в настоящее время известно в области техники.However, the present inventors have found that the actual reduction in penetration, while real, is much less significant than previously thought. In particular, it has been found that the reduction in penetration depth achieved does not interfere with effective inductive sensing up to frequencies above about 1000 MHz. This is especially true for applications applicable to the study of respiratory function. These embodiments therefore allow greater penetration depths than currently known in the art.

Это изображено на ФИГ. 12, на которой показана глубина проникновения сгенерированных сигналов возбуждения (ось у; в метрах) в зависимости от частоты сигналов (ось х; в МГц) для сигналов, распространяемых через четыре различных среды. Линия 92 представляет сигналы, распространяющиеся через мышцу, линия 94 представляет сигналы, распространяющиеся через губчатую кость, линия 96 представляет сигналы, распространяющиеся через кортикальную кость, и линия 98 представляет сигналы, распространяющиеся через жир.This is shown in FIG. 12, which shows the penetration depth of the generated excitation signals (y-axis; in meters) versus signal frequency (x-axis; in MHz) for signals propagated through four different media. Line 92 represents signals propagating through muscle, line 94 represents signals propagating through cancellous bone, line 96 represents signals propagating through cortical bone, and line 98 represents signals propagating through fat.

График показывает, что потеря глубины проникновения с увеличением частоты изменяется для разных сред. Волны очень хорошо проникают через жир (линия 98) даже на очень высоких частотах и относительно хорошо через кость (линии 94 и 96). Волны проникают через мышцы менее хорошо, но даже на при частотах соответствующих и выше ранее предположенного верхнего предела 30 МГц можно увидеть, что глубина проникновения все еще превышает 10 см. Таким образом, можно увидеть, что для типичного тела, содержащего несколько слоев кожи, жира, мышц и костей, глубина проникновения будет более чем достаточной для достижения внутренних органов, таких как легкие или сердце, даже при частотах, используемых в настоящем изобретении.The graph shows that the loss of penetration with increasing frequency varies for different media. The waves penetrate fat very well (line 98) even at very high frequencies and relatively well through bone (lines 94 and 96). The waves penetrate muscles less well, but even at frequencies corresponding to and above the previously suggested upper limit of 30 MHz, it can be seen that the penetration depth is still more than 10 cm. Thus, it can be seen that for a typical body containing several layers of skin, fat , muscles and bones, the penetration depth will be more than sufficient to reach internal organs such as the lungs or heart, even at the frequencies used in the present invention.

Как отмечено выше, индуктивный датчик основан на соединении с магнитными составляющими отраженных электромагнитных сигналов. Электрическое (например, емкостное) соединение является нежелательным, поскольку оно маскирует желаемые магнитные поля и насыщает обнаруженный сигнал. Следовательно, соотношение сигнал/шум уменьшается.As noted above, the inductive sensor is based on the connection with the magnetic components of the reflected electromagnetic signals. An electrical (eg, capacitive) connection is undesirable because it masks the desired magnetic fields and saturates the detected signal. Consequently, the signal-to-noise ratio is reduced.

Следовательно, в соответствии с одним или более предпочтительными вариантами реализации, система считывания может дополнительно содержать средство для экранирования антенны от электрических составляющих отраженных электромагнитных сигналов и/или для блокировки электрических составляющих исходящих сигналов возбуждения.Therefore, in accordance with one or more preferred embodiments, the reading system may further comprise means for shielding the antenna from the electrical components of the reflected electromagnetic signals and/or for blocking the electrical components of the outgoing excitation signals.

Преимущество экранирования заключается в том, что оно позволяет рамочной антенне осуществлять деятельность на более высоких частотах, при этом гарантируя то, что датчик не будет приведен в более восприимчивое состояние к емкостной связи с исследуемым телом. Как было отмечено выше, накопленный электрический заряд в петле может в некоторых случаях иметь емкостную связь с пациентом, индуцируя тем самым электрический поверхностный заряд у пациента. Данный эффект является неблагоприятным, поскольку он маскирует желаемый магнитный сигнал, который порождается внутри тела.Shielding has the advantage that it allows the loop antenna to operate at higher frequencies while ensuring that the sensor is not made more susceptible to capacitive coupling to the body under test. As noted above, the stored electrical charge in the loop may, in some cases, be capacitively coupled to the patient, thereby inducing an electrical surface charge in the patient. This effect is unfavorable because it masks the desired magnetic signal that is generated within the body.

Путем добавления электромагнитного экранирования, потенциально неблагоприятные электрические поля, генерируемые током петли, будут удерживаться вокруг петли, предотвращая соединение с исследуемым телом.By adding electromagnetic shielding, potentially unfavorable electric fields generated by the loop current will be contained around the loop, preventing connection to the body under test.

Следовательно, в одном наборе вариантов реализации система может дополнительно содержать блокирующий экран, выполненный с возможностью перехвата электромагнитных сигналов, распространяющихся к антенне или от нее, экран содержит корпус, проводящий электричество, для блокировки электрических составляющих падающих сигналов, и при этом корпус разграничивает по меньшей мере один непроводящий зазор для препятствования индукции вихревых токов в пределах тела.Therefore, in one set of implementations, the system may further comprise a blocking screen configured to intercept electromagnetic signals propagating to or from the antenna, the screen comprising an electrically conductive housing to block the electrical components of the incident signals, and wherein the housing delimits at least one non-conductive gap to prevent the induction of eddy currents within the body.

Когда электромагнитные поля распространяются к или от антенны, составляющие магнитного поля, попадающие падающим образом на любое проводящее тело (включая экран), индуцируют посредством магнитной индукции (закон индукции Фарадея) вихревые токи внутри тела. При экранировании именно это обеспечивает эффект экранирования магнитного поля, поскольку вихревые токи, в свою очередь, индуцируют магнитное поле обратной направленности к тому, которое было изначально падающим (закон Ленца), тем самым противодействуя или подавляя исходные распространяющиеся колебания магнитного поля. Таким образом, составляющие магнитного поля блокируются эффективным образом.When electromagnetic fields propagate towards or away from the antenna, the components of the magnetic field falling incidentally on any conductive body (including the shield) induce, by means of magnetic induction (Faraday's law of induction), eddy currents within the body. In shielding, this is what provides the magnetic field shielding effect, since eddy currents, in turn, induce a magnetic field in the opposite direction to that which was originally incident (Lenz's law), thereby counteracting or suppressing the original propagating magnetic field oscillations. Thus, the components of the magnetic field are effectively blocked.

За счет включения в экран проводящих промежутков, вихревые токи не могут образовываться, и, следовательно, не осуществляется генерирование противодействующих составляющих поля, которые компенсируют распространяющиеся колебания магнитного поля. Следовательно, составляющие магнитного поля электромагнитных сигналов могут проходить через экран.Due to the inclusion of conductive gaps in the screen, eddy currents cannot be generated and, consequently, no opposing field components are generated that compensate for the propagating magnetic field fluctuations. Therefore, the magnetic field components of the electromagnetic signals can pass through the screen.

В отличие от этого, экранирование составляющих электрического поля, которое функционирует посредством другого физического принципа, продолжает происходить. Экранирование электрического поля происходит путем перераспределения электрических зарядов внутри корпуса экрана при возникновении составляющих электрического поля электромагнитных сигналов. Возникновение полей на одной стороне экрана перераспределяет заряды таким образом, что они отменяют влияние составляющих поля на другой стороне.In contrast, the shielding of the components of the electric field, which functions through a different physical principle, continues to occur. Screening of the electric field occurs by redistribution of electric charges inside the screen housing when the components of the electric field of electromagnetic signals occur. The appearance of fields on one side of the screen redistributes the charges in such a way that they cancel the influence of the field components on the other side.

Таким образом, экранирующий подход в настоящем изобретении блокирует распространение составляющих электрического поля эффективным образом, в то же время позволяя проходить составляющим магнитного поля. Паразитные эффекты электрических полей, таким образом, подавляются, а соотношение сигнал/шум результирующего измерительного сигнала, принятое из сигналов, принятых на антенне, увеличивается.Thus, the shielding approach of the present invention blocks the propagation of electric field components in an efficient manner, while still allowing magnetic field components to pass through. The parasitic effects of the electric fields are thus suppressed and the signal-to-noise ratio of the resulting measurement signal received from the signals received at the antenna is increased.

В одном предпочтительном наборе вариантов реализации петля антенны может быть разорвана отверстием, при этом отверстие перекрыто конденсатором с образованием резонатора, и в котором система содержит средство для обработки сигналов, при этом средство электрически соединено с резонатором только посредством одной точки антенны, расположенной на одной стороне отверстия.In one preferred set of embodiments, the antenna loop may be broken with a hole, where the hole is covered by a capacitor to form a resonator, and in which the system includes means for signal processing, the means being electrically connected to the resonator through only one antenna point located on one side of the hole. .

Следствием этого является то, что резонатор только соединен свободным образом со средством для обработки сигнала, с преимуществом, заключающимся в том, что средство для обработки сигнала не сильно нагружает петлю антенны. Это повышает чувствительность системы средства для обработки сигнала к падающим электромагнитным сигналам.The consequence of this is that the resonator is only freely connected to the signal processing means, with the advantage that the signal processing means does not stress the antenna loop too much. This increases the sensitivity of the signal processing means system to incident electromagnetic signals.

Система имеет большое количество потенциальных применений.The system has a large number of potential applications.

Одной из особенно преимущественных областей применения является исследование тела человека или животного. Система позволяет измерять или осуществлять другой анализ движения воздуха или жидкости (например, крови) внутри тела или расширения или сокращения органов или сосудов, таких как, например, сердце, легкие или кровеносные сосуды. One particularly advantageous field of application is the examination of the human or animal body. The system makes it possible to measure or otherwise analyze the movement of air or fluid (eg blood) within the body, or the expansion or contraction of organs or vessels such as, for example, the heart, lungs or blood vessels.

Настоящая заявка направлена, в частности, на физиологическую систему для считывания. Система может содержать средство для обработки сигнала, принимаемого антенной, для получения одного или более физиологических параметров.The present application is directed in particular to a physiological reading system. The system may include means for processing the signal received by the antenna to obtain one or more physiological parameters.

Варианты реализации изобретения обеспечивают возможность получения намного большей интенсивности сигнала, чем известные системы, ввиду обеспеченной оптимизации для нормализованной радиальной частоты силы электромагнитного сигнала. Следовательно, предоставлена мощная система для неинвазивного исследования тела человека и животных.Embodiments of the invention make it possible to obtain a much higher signal intensity than known systems due to the provided optimization for the normalized radial frequency of the electromagnetic signal strength. Therefore, a powerful system for non-invasive examination of the human and animal body is provided.

Любой вариант реализации изобретения может быть преимущественно применен для измерения показателей жизненно важных функций, в соответствии с одним набором примеров. Они включают, например, частоту сердечных сокращений, частоту пульса, дыхательную способность и частоту дыхания.Any embodiment of the invention can be advantageously applied to measure vital signs, according to one set of examples. These include, for example, heart rate, pulse rate, respiratory capacity and respiratory rate.

Несмотря на то, что настоящая заявка направлена, в частности, на систему для индуктивного считывания физиологических параметров, замысел изобретения не ограничен в своем применении только считыванием физиологических параметров. Как правило, варианты реализации системы, описанной в настоящем раскрытии, могут быть использованы для исследования внутренних свойств любого тела или объекта, в котором имеется способность к образованию вихревых токов в ответ на применение колебательных магнитных полей.Although the present application is directed in particular to a system for the inductive reading of physiological parameters, the inventive concept is not limited in its application to only the reading of physiological parameters. In general, embodiments of the system described in this disclosure can be used to investigate the intrinsic properties of any body or object that has the ability to generate eddy currents in response to the application of oscillating magnetic fields.

Система может быть полезной, например, для исследования систем с динамическими полостями, т.е. полостями, в которых составные части или сегменты осуществляют перемещение или изменение в размере, поскольку подобные изменения и перемещения вызывают заметные модуляции в считываемых сигналах, позволяя проводить измерения и другой анализ.The system can be useful, for example, for studying systems with dynamic cavities, i.e. cavities in which the constituents or segments move or change in size, since such changes and movements cause noticeable modulations in the read signals, allowing measurements and other analysis.

Помимо обнаружения динамических изменений в локальных объемах областей тела, система также является очень полезной для измерения проводящих и диэлектрических свойств тел. Система, например, может быть использована для измерения проводимости жидкости через стенку контейнера без прямого гальванического контакта или зрелости фруктов без необходимости гальванического контакта с внутренней частью фрукта.Besides detecting dynamic changes in local volumes of body regions, the system is also very useful for measuring the conductive and dielectric properties of bodies. The system, for example, can be used to measure the conductivity of a liquid through a container wall without direct galvanic contact, or fruit ripeness without the need for galvanic contact with the interior of the fruit.

В приведенном выше подробном описании, нормализованная радиальная частота определена как

Figure 00000002
, где
Figure 00000003
и с = скорость света.In the above detailed description, the normalized radial frequency is defined as
Figure 00000002
, Where
Figure 00000003
and c = speed of light.

Данное значение скорости света может быть интерпретировано в более широком смысле как фазовая скорость света в среде, окружающей петлю, при ее использовании. Таким образом, скорость света указана, как правило, как скорость света в воздухе (поскольку, как правило, антенна используется в воздухе), но она может считаться в более широком смысле фазовой скоростью света в среде, окружающей антенну. Таким образом, изобретение может в равной степени быть применено, когда антенна окружена не воздухом, а другой средой.This value of the speed of light can be interpreted in a broader sense as the phase speed of light in the environment surrounding the loop, when using it. Thus, the speed of light is usually given as the speed of light in air (since the antenna is typically used in air), but it can be considered more broadly as the phase speed of light in the medium surrounding the antenna. Thus, the invention can equally be applied when the antenna is not surrounded by air, but by another medium.

Таким образом, уравнение

Figure 00000003
становится
Figure 00000064
где Vp представляет собой фазовую скорость света в среде, окружающей петлю при ее использовании.So the equation
Figure 00000003
becomes
Figure 00000064
where Vp is the phase velocity of light in the environment surrounding the loop when it is in use.

Другие вариации описанных вариантов реализации могут быть поняты и реализованы специалистом в данной области техники при осуществлении настоящего изобретения на практике после ознакомления с чертежами, описанием и прилагаемой формулой изобретения. В пунктах формулы изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а грамматические показатели единственного числа не исключают множественного числа. Сам по себе тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть с успехом использована. Никакие ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие ее объем.Other variations of the described embodiments can be understood and implemented by a person skilled in the art in the implementation of the present invention in practice after reading the drawings, description and appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude the presence of other elements or steps, and singular grammatical indicators do not exclude the plural. The mere fact that certain measures are listed in mutually distinct dependent clauses does not in itself indicate that a combination of these measures cannot be used successfully. No reference signs in the claims should be considered as limiting its scope.

Claims (25)

1. Система индуктивного считывания физиологических параметров для считывания электромагнитных сигналов, излучаемых от тела в ответ на электромагнитные сигналы возбуждения, передаваемые в указанное тело, при этом система содержит:1. An inductive physiological reading system for reading electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals transmitted to said body, the system comprising: петлевой резонатор для установления индуктивной связи с указанными электромагнитными сигналами, излучаемыми от тела, при этом резонатор содержит рамочную антенну и электрически соединенный конденсатор, а петля антенны имеет только один виток с окружной длиной l,a loop resonator for establishing inductive coupling with said electromagnetic signals emitted from the body, wherein the resonator contains a loop antenna and an electrically connected capacitor, and the antenna loop has only one turn with circumferential length l, средство для генерирования сигнала, выполненное с возможностью возбуждения резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, имеющих радиальную частоту ω, для передачи в указанное тело,signal generating means configured to drive the resonator to generate electromagnetic drive signals having a radial frequency ω to be transmitted to said body, при этом нормализованная радиальная частота
Figure 00000065
≡ ω/ωref электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,50, где ωref = 2πc/l, π является отношением длины окружности к ее диаметру и с = скорость света, и
while the normalized radial frequency
Figure 00000065
≡ ω/ω ref of electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.50, where ω ref = 2πc/l, π is the ratio of the circumference to its diameter and c = the speed of light, and
средство для обработки сигналов, выполненное с возможностью считывания электромагнитных сигналов, излучаемых от тела, на основе обнаружения электрических изменений в рамочной антенне, указывающих на изменения измеряемой индуктивности в петле, в то время как петля генерирует указанные сигналы возбуждения, причемsignal processing means configured to read electromagnetic signals radiated from the body based on detecting electrical changes in the loop antenna indicative of changes in measured inductance in the loop while the loop generates said drive signals, wherein система содержит средство для обработки сигналов, выполненное с возможностью обработки сигналов, принимаемых на антенне, и уменьшения частоты сигналов путем смешения каждого сигнала с эталонным колебательным сигналом другой частоты, и применения дифференциального фильтра для извлечения выходного сигнала, имеющего частоту, которая представляет собой разность между частотой колебательного и принятого сигналов.the system comprises signal processing means configured to process the signals received at the antenna and reduce the frequency of the signals by mixing each signal with a reference waveform of a different frequency, and applying a differential filter to extract an output signal having a frequency that is the difference between the frequency vibrational and received signals. 2. Система индуктивного считывания физиологических параметров по п. 1, в которой нормализованная радиальная частота
Figure 00000065
электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,25.
2. The system of inductive reading of physiological parameters according to claim 1, in which the normalized radial frequency
Figure 00000065
electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.25.
3. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из предыдущих пунктов, в которой нормализованная радиальная частота
Figure 00000065
электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,04 до 0,25.
3. An inductive physiological reading system according to any one of the preceding claims, wherein the normalized radial frequency
Figure 00000065
electromagnetic excitation signals is from 0.04 to 0.25.
4. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из предыдущих пунктов, в которой средство для генерирования сигнала выполнено с возможностью возбуждения резонатора для резонанса на радиальной частоте ω для генерирования сигналов возбуждения, имеющих радиальную частоту ω.4. An inductive physiological sensing system according to any one of the preceding claims, wherein the signal generating means is configured to drive the resonator to resonance at a radial frequency ω to generate drive signals having a radial frequency ω. 5. Система индуктивного считывания физиологических параметров по п. 4, в которой обеспечен резонатор, имеющий собственную резонансную частоту ω для способствования возбуждению резонатора на радиальной частоте ω, и в которой, при необходимости, конденсатор выбран для настройки собственной резонансной частоты резонатора.5. The inductive physiological sensing system of claim 4, wherein a resonator is provided having a natural resonant frequency ω to assist in driving the resonator at a radial frequency ω, and wherein, if necessary, a capacitor is selected to adjust the resonator's natural resonant frequency. 6. Система индуктивного считывания физиологических параметров по п. 1, в которой частота эталонного колебательного сигнала и частота принимаемых сигналов отличаются в пределах +/-10-20%.6. The inductive reading system of physiological parameters according to claim 1, in which the frequency of the reference oscillatory signal and the frequency of the received signals differ within +/-10-20%. 7. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из предыдущих пунктов, в которой частота электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 30 до 1000 МГц.7. An inductive physiological reading system according to any one of the preceding claims, wherein the frequency of the electromagnetic excitation signals is between 30 and 1000 MHz. 8. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из пп. 1-6, в которой частота электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 100 до 1000 МГц.8. System for inductive reading of physiological parameters according to any one of paragraphs. 1-6, in which the frequency of the electromagnetic excitation signals is from 100 to 1000 MHz. 9. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из пп. 1-6, в которой частота электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 30 до 500 МГц.9. System for inductive reading of physiological parameters according to any one of paragraphs. 1-6, in which the frequency of the electromagnetic excitation signals is from 30 to 500 MHz. 10. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из пп. 1-6, в которой частота электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 100 до 500 МГц.10. System for inductive reading of physiological parameters according to any one of paragraphs. 1-6, in which the frequency of the electromagnetic excitation signals is from 100 to 500 MHz. 11. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из предыдущих пунктов, в которой:11. An inductive physiological reading system according to any one of the preceding claims, wherein: петля антенны имеет радиус от 15 до 20 мм илиthe antenna loop has a radius of 15 to 20 mm or петля антенны имеет радиус от 90 до 110 мм.the antenna loop has a radius of 90 to 110 mm. 12. Система индуктивного считывания физиологических параметров по любому из предыдущих пунктов, причем система содержит средство для обработки сигналов, считываемых антенной, для извлечения одного или более физиологических параметров.12. An inductive physiological readout system according to any one of the preceding claims, the system comprising means for processing the signals read by the antenna to extract one or more physiological parameters. 13. Способ индуктивного считывания физиологических параметров, включающий считывание электромагнитных сигналов, излучаемых от тела в ответ на электромагнитные сигналы возбуждения, передаваемые в указанное тело, при этом способ включает:13. A method for inductively reading physiological parameters, comprising reading electromagnetic signals emitted from a body in response to electromagnetic excitation signals transmitted to said body, the method comprising: возбуждение петлевого резонатора для генерирования электромагнитных сигналов возбуждения, имеющих радиальную частоту ω, и направления сигналов в указанное тело, при этом резонатор содержит рамочную антенну и электрически соединенный конденсатор, а рамочная антенна имеет только одновитковую петлю с окружной длиной l;excitation of the loop resonator for generating electromagnetic excitation signals having a radial frequency ω and directing the signals to said body, wherein the resonator comprises a loop antenna and an electrically connected capacitor, and the loop antenna has only a single-turn loop with a circumferential length l; использование петлевого резонатора для установления индуктивной связи с электромагнитными сигналами, излучаемыми от тела в ответ на сигналы возбуждения, считывание электромагнитных сигналов, излучаемых от тела, на основе обнаружения электрических изменений в рамочной антенне, указывающих на изменения измеряемой индуктивности в петле, в то время как петля генерирует указанные сигналы возбуждения;using a loop resonator to establish inductive coupling with electromagnetic signals emitted from the body in response to excitation signals, reading electromagnetic signals emitted from the body based on the detection of electrical changes in the loop antenna, indicating changes in the measured inductance in the loop, while the loop generates said excitation signals; обработку сигналов, принимаемых на антенне, и уменьшение частоты сигналов путем смешения каждого сигнала с эталонным колебательным сигналом другой частоты, и применение дифференциального фильтра для извлечения выходного сигнала, имеющего частоту, которая представляет собой разность между частотой колебательного и принятого сигналов;processing signals received at the antenna and reducing the frequency of the signals by mixing each signal with a reference waveform of a different frequency, and applying a differential filter to extract an output signal having a frequency that is a difference between the frequency of the waveform and the received waveform; при этом нормализованная радиальная частота
Figure 00000065
≡ ω/ωref электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,50, где ωref = 2πc/l, π является отношением длины окружности к ее диаметру и с = скорость света.
while the normalized radial frequency
Figure 00000065
≡ ω/ω ref of electromagnetic excitation signals is from 0.025 to 0.50, where ω ref = 2πc/l, π is the ratio of a circle's circumference to its diameter, and c = the speed of light.
14. Способ по п. 13, в котором нормализованная радиальная частота ω электромагнитных сигналов возбуждения составляет от 0,025 до 0,25.14. The method of claim 13, wherein the normalized radial frequency ω of the electromagnetic excitation signals is between 0.025 and 0.25.
RU2019125246A 2017-01-09 2018-01-02 System of inductive reading of electromagnetic signals from the body RU2795044C9 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17150641 2017-01-09
EP17150641.3 2017-01-09
EP17169584.4 2017-05-04
EP17169584.4A EP3398510A1 (en) 2017-05-04 2017-05-04 System and method for dynamic focusing on the heart and/or lungs by frequency tuning and analysis of impedance phase and/or magnitude variations
PCT/EP2018/050044 WO2018127482A1 (en) 2017-01-09 2018-01-02 Inductive sensing system for sensing electromagnetic signals from a body

Publications (4)

Publication Number Publication Date
RU2019125246A RU2019125246A (en) 2021-02-09
RU2019125246A3 RU2019125246A3 (en) 2021-04-30
RU2795044C2 true RU2795044C2 (en) 2023-04-28
RU2795044C9 RU2795044C9 (en) 2023-07-12

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4714887A (en) * 1985-04-26 1987-12-22 Siemens Aktiengesellschaft Nuclear magnetic resonance tomography apparatus
RU2008102642A (en) * 2005-06-24 2009-07-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. (Nl) MAGNETIC RESONANCE DEVICE AND METHOD
RU2011113876A (en) * 2008-09-12 2012-10-20 Нитто Денко Корпорейшн (Jp) VISUALIZING AGENTS FOR FIBROUS DISEASES
CN103076580A (en) * 2011-10-25 2013-05-01 通用电气公司 Gradient amplifier, inverter controller, magnetic resonance imaging system and control method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4714887A (en) * 1985-04-26 1987-12-22 Siemens Aktiengesellschaft Nuclear magnetic resonance tomography apparatus
RU2008102642A (en) * 2005-06-24 2009-07-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. (Nl) MAGNETIC RESONANCE DEVICE AND METHOD
RU2011113876A (en) * 2008-09-12 2012-10-20 Нитто Денко Корпорейшн (Jp) VISUALIZING AGENTS FOR FIBROUS DISEASES
CN103076580A (en) * 2011-10-25 2013-05-01 通用电气公司 Gradient amplifier, inverter controller, magnetic resonance imaging system and control method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11490827B2 (en) Inductive sensing system for sensing electromagnetic signals from a body
JP6862558B2 (en) Magnetic induction detection device and method
CN110996787B (en) System and method for dynamic focusing on heart and/or lung by frequency tuning and analysis of impedance phase and/or amplitude variation
RU2795044C2 (en) System of inductive reading of electromagnetic signals from the body
RU2795044C9 (en) System of inductive reading of electromagnetic signals from the body
US11918332B2 (en) Inductive sensing device and method
EP3806728B1 (en) Device and method for use in inductive sensing
RU2787461C9 (en) Device and method for inductive reading for non-invasive measurement of mechanical activity of patient’s heart and lungs
RU2787461C2 (en) Device and method for inductive reading for non-invasive measurement of mechanical activity of patient&#39;s heart and lungs
EP4287940B1 (en) Inductive sensing system for sensing electromagnetic signals from a body
US20230019460A1 (en) Inductive sensing system and method
EP3669774A1 (en) Inductive sensing system and method