Устройство и способ индуктивного считывания для неинвазивного измерения механической активности сердца и легких пациента Российский патент 2023 года по МПК A61B5/05 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройству индуктивного считывания для связывания электромагнитных сигналов, передаваемых в среду и из нее.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Индуктивное считывание может быть использовано как средство для неинвазивного исследования свойств тела.

Например, в источнике US 2016223483 раскрывается спектрографический анализ материалов с использованием индуктивных многочастотных датчиков, в источнике EP1901651 раскрывается способ и устройство индуктивного измерения сопротивления тела. 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 ряд преимуществ по сравнению с кондуктивным и емкостным считыванием.

Преимущество по сравнению с кондуктивным 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. Кроме того, сигналы индуктивного считывания значительно менее подвержены искажению артефактами движения.

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 при большей глубине проникновения внутрь тела, в отличие от изменений, которые происходят только на уровне кожи. Это обусловлено тем, что магнитные поля проникают в тело глубже, чем электрические поля, и поэтому 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 свойств кожи (например, проницаемости) или движения кожи (близости кожи).

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).

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. Эти вихревые токи в свою очередь генерируют электромагнитные сигналы, распространяющиеся из тела, которые взаимодействуют с приложенными полями таким образом, что обеспечивается возможность их считывания катушкой.

Движения ткани в теле могут 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 свойств проводимости и диэлектрических свойств. Например, сердечные сокращения проявляются главным образом в виде движения крови, а дыхание проявляется главным образом в виде изменений проводимости легкого.

Полученные сигналы могут быть считаны количественно путем измерения частоты колебаний или резонанса передающей катушки.

Существует два основных известных подхода к считыванию вторичных магнитных сигналов, полученных от стимулируемого образца. Первый основан на использовании схемы резонатора и соединенной катушки и считывании полученных сигналов на основе изменения в резонансной частоте схемы. Второй состоит в считывании полученных сигналов как небольших напряжений, индуцируемых в специализированной приемной катушке.

Все известные индуктивные датчики на основе резонатора используют одну петлю как для создания первичного магнитного поля, так и для наведения вторичного магнитного поля. В отличие от этого известные устройства, которые работают путем считывания сигналов как индуцируемых напряжений, используют отдельную передающую катушку(и) и приемную катушку(и); известные устройства, использующие специализированную передающую и приемную катушки, не работают путем считывания изменений резонансной частоты.

Было обнаружено, что индуктивные датчики, которые используют одну петлю как для генерирования, так и для обнаружения магнитных полей имеют проблему, заключающуюся в том, что обнаруженные сигналы очень чувствительны к артефактам движения (искажениям данных, которые возникают при перемещении датчика относительно тела, которое исследуется). Следует понимать, что это возникает по нижеперечисленным причинам. Сила генерируемых вторичных вихревых токов уменьшается с расстоянием от петли, генерирующей сигнал. По этой причине, вихревые токи, индуцируемые на поверхности исследуемого тела, являются более сильными, чем вихревые токи, индуцируемые в целевой более глубокой ткани. Токи, генерируемые на поверхности, в целом не полезны для большинства считывающих применений, полезны только более глубокие токи. Кроме того, поверхностные вихревые токи, естественно, находятся очень близко к проводу резонирующей петли и, следовательно, сильно влияют на обнаруживаемый сигнал. В результате небольшие изменения в расстоянии между петлей и исследуемой тканью могут приводить к артефактам сигнала, которые имеют значительно большую величину, чем желаемые сигналы более глубокой ткани, например сердечные или связанные с дыханием сигналы.

Индуктивные датчики, основанные на отдельных передающих и приемных катушках, имеют другую проблему, заключающуюся в том, что обнаруживаемые напряжения в приемной петле чрезвычайно малы и, кроме того, в значительной степени зависят от прямой магнитной связи с передающей катушкой. Необходимо использовать сложные компенсирующие схемы, например, синхронизирующие усилители и сильно экранированные мультиплексоры, для извлечения очень слабо считываемых сигналов. Это увеличивает сложность, стоимость и форм-фактор таких устройств, а их дополнительная сложность повышает вероятность отказа.

Необходим усовершенствованный датчик, основанный на индукции, который обеспечивает возможность преодоления проблемы артефактов движения, возникающих в однокатушечных устройствах, без дополнительной усложненной схемы и низкой силы улавливания известных двухкатушечных исполнений.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение определено в пунктах формулы изобретения.

В соответствии с примером, соответствующем одному аспекту изобретения, предложено устройство индуктивного считывания для индуктивного связывания электромагнитных сигналов, передаваемых в среду и из нее, содержащее:

первую петлевую часть, соединенную с конденсатором для образования схемы резонатора;

вторую петлевую часть;

соответствующие токопроводящие линии, образующие первую и вторую петлевые части, разнесенные друг от друга в радиальном направлении по меньшей мере вдоль участков токопроводящих линий; и

выход схемы резонатора электрически соединен со второй петлевой частью посредством активного буферного компонента, причем активный буферный компонент выполнен с возможностью реализации усиления напряжения по току, а выходной сигнал активного буферного компонента выполнен с возможностью возбуждения переменного тока во второй петлевой части.

Таким образом, изобретение основано на использовании слабо связанной двухпетлевой конструкции, содержащей первую петлю, которая является частью схемы резонатора и, главным образом, может быть использована для считывания сигналов, и вторую петлю, которая не является напрямую частью схемы резонатора, которая активно возбуждается, и может быть использована в качестве основного источника генерируемых сигналов, причем обе петли слабо связаны посредством активного буферного компонента.

Связь обеспечивает синхронную работу двух петель: с токами одинаковой частоты и синфазно друг с другом. Это обеспечивает гарантию совместной работы, при которой одна петля не вызывает шума в сигналах другой петли. Однако, в то же время буферизация обеспечивает частичную электрическую изоляцию двух петель. В частности, изоляция является односторонней: первая петля изолирована от флуктуаций тока во второй петле. Таким образом, магнитные поля, обнаруживаемые во второй (возбуждаемой) петле, не влияют на частоту резонатора; а только магнитные поля, обнаруживаемые в первой (резонаторной) петле, влияют на частоту резонатора.

В результате, выходной сигнал схемы резонатора может быть использован как выходной сигнал считывания для устройства (например, для получения физиологических измерений), на который не влияют флуктуации во второй петле. Это устраняет вышеупомянутые проблемы двухпетлевых конфигураций, в которых возбуждающая петля создает помехи при считывании сигналов в резонирующей петле.

Кроме того, усиление, обеспечиваемое буферным компонентом, обеспечивает гарантию того, что токи во второй петлевой части будут сильнее, чем токи в первой петлевой части. Это означает, что вторая петлевая часть является доминирующим источником передаваемых магнитных сигналов (магнитных полей, направленных в ткань), а также основным источником возбуждения вторичных вихревых токов, индуцируемых на поверхности ткани.

Как отмечалось выше, поверхностные вихревые токи, главным образом, вызывают артефакты движения из-за их неизбежной близости к проводящей линии (проводу) петли, которая их стимулирует. Однако поскольку в настоящей конструкции первая и вторая петлевые части по меньшей мере частично разнесены в радиальном направлении, преобладающие поверхностные поля в радиальном направлении всегда находятся ближе всего ко второй петле и, следовательно, в значительной степени влияют только на вторую петлю. Однако из-за буферизации этой (второй) петли от основной резонирующей петли (первой петли) любые флуктуации во второй петле не влияют на частоту в схеме резонатора. Следовательно, выходной сигнал схемы резонатора гораздо меньше подвержен воздействию вторичных поверхностных вихревых токов, чем в известных устройствах.

Флуктуации во второй петле, кроме того, быстро преодолеваются активным возбуждением, которое обеспечивает сильное воздействие, подавляющее любые поверхностные артефакты.

По меньшей мере частичное разнесение в радиальном направлении (т.е., разнесение по меньшей мере вдоль участков петель) также минимизирует прямую связь между двумя петлями (прямая связь возникает только тогда, когда проводящая линия одной петли полностью перекрывается или накладывается на линию второй петли). Это исключает проблему сигнала считывания, когда он подавлен прямой связью от второй петли (или наоборот). Тем самым повышается чувствительность и качество сигнала.

В целом, преимущества устройства по настоящему изобретению можно резюмировать следующим образом:

усиление, обеспечиваемое буферным элементом, означает, что вторая петля является доминирующим источником поверхностных вихревых токов;

расстояние между двумя петлями означает, что эти доминирующие поверхностные вихревые токи в значительной степени влияют только на вторую петлю;

буферизация между двумя петлями означает, что влияние поверхностных вихревых токов на вторую петлю по существу изолировано от влияния на частоту резонатора (выходной сигнал которого обеспечивает сигнал измерения);

однако слабая связь посредством буферного элемента обеспечивает гарантию того, что две петли работают синхронно, что исключает проблему, связанную с известными двухпетлевыми решениями, когда может быть обнаружен только очень слабый сигнал измерения (поверх сильного фонового сигнала) благодаря отраженным от цели сигналам, улавливаемым только одной из петель. Вместо этого синхронность означает, что отраженные от цели сигналы принимаются всей системой обоих петель. В частности, сигнал может быть измерен как изменение частоты и/или амплитуды всей объединенной системы двух синхронных петель. Таким образом, исключается необходимость в сложной компенсирующей электроннной части, такой как синхронизирующие усилители или экранированные мультиплексоры.

Таким образом, новая конструкция буферной связи, обеспеченная настоящим изобретением, значительно снижает эффекты поверхностных артефактов и, следовательно, чувствительность устройства к перемещению, в то же время исключая различные трудности, связанные с известными двухпетлевыми конструкциями.

Частота в управляемой петле определяется выходным сигналом усилителя (активного буферного компонента), в то время как по меньшей мере в некоторых примерах резонирующая петля может эффективно работать как генератор колебаний, работающий автономно, при этом его частота определяется наводкой магнитных полей в резонирующей петле.

Устройство для считывания находит предпочтительное применение для считывания электромагнитных сигналов, излучаемых из среды в ответ на передачу в среду сигналов электромагнитного возбуждения. Сигналы возбуждения генерируются комбинацией первой и второй петлевых частей, причем вторая петлевая часть обеспечивает основной источник. Резонанс первой петли предпочтительно возбуждается посредством магнитной связи со второй петлей, при этом вторая петля активно возбуждается (активным буферным компонентом).

При удерживании антенны вблизи среды, например тела, сигналы индуктивно вводятся в среду, а индуцированные электромагнитные ответные сигналы (обычно одновременно) возвращаются обратно в резонаторную (первую) петлю. Эта взаимная связь вызывает изменения электрических характеристик тока в первой петле, которые могут быть обнаружены для установления свойств стимулируемой среды.

Следовательно, первая петля может эффективно действовать как считывающая петля. Вторая петля может эффективно действовать как возбуждающая (или передающая) петля.

Во избежание сомнений, «радиально разнесенные» означает разнесенные или пространственно разделенные или пространственно смещенные в направлении, параллельном плоскости, образуемой соответствующей петлей. Следовательно, по меньшей мере участки токопроводящих линий, образующих каждую из первой и второй петлевых частей, могут быть разнесены или отделены в направлении, параллельном плоскости, образуемой либо первой, либо второй петлей. Петли в этом случае не полностью радиально перекрываются или накладываются друг на друга. В этом случае имеется ненулевое среднее радиальное расстояние между токопроводящими линиями двух петель. Токопроводящие линии двух петель смещены в радиальном направлении друг относительно друга или по меньшей мере частично смещены в радиальном направлении.

В некоторых примерах, например, первая петлевая часть может иметь меньший радиус, чем вторая, и может быть вставлена во вторую (или наоборот) в радиальном направлении.

В других примерах петли могут быть полностью отделены друг от друга в радиальном направлении совсем без перекрытия проводов.

В дополнительных примерах петли могут частично перекрываться, при этом токопроводящие линии двух петель пересекаются в одной или более точках, но при этом отсутствует точное или полное перекрытие токопроводящих проводов петель в радиальном направлении, т.е. петли радиально смещены от друг друга. Например, соответствующие внутренние области, образуемые каждой из первой и второй петлевых частей, могут частично перекрываться, так что токопроводящие линии первой и второй петлевых частей пересекаются в двух или более точках.

Такая кострукция имеет дополнительные преимущества, заключающиеся в том, что разрывная прямая связь между петлями может быть минимизирована в тех случаях, когда проводящая линия одной петли проходит вблизи центральной точки или участка внутренней области, охваченной другой петлей. Это означает, что коэффициент усиления буферного усилителя может быть увеличен без риска, например, появления неконтролируемой или неуправляемой амплитуды усилителя из-за прямой связи петель. Данный увеличенный коэффициент усиления предпочтителен для максимизации тока во второй (передающей) петлевой части по сравнению с первой (считывающей) петлевой частью (так что вторая петля доминирует с точки зрения передаваемых сигналов).

Каждая петлевая часть может быть (полностью) замкнутой петлевой частью, т.е. каждая петлевая часть образует или определяет соответствующую замкнутую петлевую часть. Эти соответствующие замкнутые петли являются отдельными. Каждая петля образована по меньшей мере одной токопроводящей линией, которая образует петлю.

Буферные компоненты представляют собой хорошо известный класс электрических компонентов, и специалисту известны средства для реализации такого компонента. Буферные компоненты иначе известны в данной области как буферные усилители или просто буферы. Например, в данном случае используется буфер, выполненный с возможностью реализации усиления напряжения по току. В целом, буферный компонент представляет собой электрический компонент, который обеспечивает преобразование электрического импеданса от одной схемы (или части схемы) к другой с целью предотвращения воздействия на источник сигнала любых токов (или напряжений для буфера тока), которые может произвести нагрузка. Сигнал «буферизируется» от токов нагрузки. Существуют два основных типа буфера: буфер напряжения и буфер тока.

Первая петлевая часть предпочтительно расположена с возможностью магнитного взаимодействия со второй петлевой частью (т. е. выполнена так, чтобы иметь магнитную связь со второй петлевой частью), так что при использовании возбуждение тока во второй петлевой части посредством активного буферного компонента магнитно индуцирует синхронный ток в первой петлевой части.

«Синхронный» означает синхронный с током второй петлевой части, например, в первой и второй петле генерируются колебания токов общей частоты. Токи двух петель могут быть синфазными друг с другом или иметь фиксированное отставание по фазе или смещение фазы (т.е. частоты зафиксированы).

Преимущество данной конструкции состоит в том, что генерация колебанией первой петли (схемы резонатора) не требует специальной схемы компенсации затухания (например, активного генератора колебаний), чтобы поддерживать или инициировать генерацию колебаний резонатора. Вместо этого резонатор генерирует колебания благодаря наличию магнитной связи со второй петлей, которая возбуждается активным буферным компонентом. В результате снижается энергопотребление и стоимость устройства, например, за счет уменьшения количества компонентов.

Кроме того, это обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что синхронизация между первой и второй петлями устанавливается сразу же, как только устройство начинает работать (в противоположность короткой задержке, которая в противном случае возникла бы, поскольку синхронизация стабилизируется посредством слабой буферной связи).

Кроме того, отсутствие активного возбуждающего компонента для петли резонатора минимизирует чувствительность устройства к электрическим полям, в то время как чувствительность к магнитному полю сохраняется. Это обусловлено тем, что активный возбуждающий компонент, такой как возбуждающий генератор колебаний или другой элемент компенсации затухания, обычно привносит в резонатор паразитные емкости. Такие паразитные емкости чувствительны к электрическим полям, возникающим из-за емкостной связи с любыми ближайшими объектами, например в данном случае с поверхностью кожи. Следовательно, отсутствие возбуждающего компонента для петли резонатора (первой петлевой части) значительно снижает разрывную емкостную связь с поверхностью исследуемого тела.

Каждая петлевая часть может быть образована петлей с одним витком.

Сохранение небольшого количества обмоток предпочтительно минимизирует емкостные эффекты между проводами, образующими каждую из петель. Однако одна обмотка не является существенной, и в других примерах одна или обе петлевые части могут содержать несколько обмоток.

Каждая петлевая часть может быть образована замкнутой петлей, например замкнутой петлей с одним витком. Петля может быть петлей проводящей линии, например, проводом.

Активный буферный элемент может быть выполнен с возможностью возбуждения второй петли на частоте, которая соответствует резонансной частоте схемы резонатора. Активный буферный компонент не устанавливает активно частоту, на которой генерируются колебания второй петли, а вместо этого выполнен для усиления принятого выходного сигнала первой (резонаторной) петлевой части, причем этот усиленный сигнал предоставляется в качестве возбуждающего сигнала для первой (передающей) петлевой части.

Следует отметить, что после первого приведения в действие устройства считывания в петле резонатора (первой петлевой части) нет никаких колебаний тока. Однако в первой петлевой части всегда будут присутствовать небольшие флуктуации шума. Электрическая конфигурация обеспечивает гарантию того, что при приведении в действие усилителя усиление этих колебаний быстро приведет к инициированию колебаний в двух петлевых частях. В частности, амплитуда будет быстро увеличиваться до тех пор, пока коэффициент усиления петли не достигнет 1. Кроме того, конструкция слабой связи между катушками приводит к стабилизации системы в состоянии синхронных токов в обоих петлях и с нулевой или фиксированной задержкой по фазе. Режим (частота, амплитуда), в котором система начинает генерировать колебания, будет таким, при котором удовлетворяется критерий устойчивости Баркгаузена.

В соответствии с одним или более вариантами осуществления устройство индуктивного считывания может дополнительно содержать регулируемый или настраиваемый элемент фазовой задержки, присоединенный между активным буферным компонентом и второй петлевой частью. Регулируемый элемент фазовой задержки применяет регулируемую (например, настраиваемую пользователем или автоматически регулируемую) фазовую задержку к выходному сигналу активного буферного компонента перед подачей выходного сигнала на вторую петлевую часть.

Это может, например, допускать любые задержки фаз, например индуцированные активным буферным компонентом или подключением ко второй петлевой части, которые должны быть компенсированы. В частности, элемент фазовой задержки может быть выполнен с возможностью применения фазовой задержки, так что выходной сигнал, подаваемый на вторую петлевую часть, синфазен с колебаниями (т.е. током) первой петлевой части (или с фиксированным фазовым сдвигом 2π или кратным ему). Это предпочтительно, поскольку для того, чтобы колебания в обоих петлях начинались и продолжались стабильно и синхронно друг с другом, должен соблюдаться критерий Баркгаузена. Это предпочтительно требует, чтобы колебания (т.е. токи) первой и второй петлевых частей были синфазными (или разделены фиксированной фазовой задержкой, кратной 2π). Элемент фазовой задержки может динамически регулироваться (например, контроллером или процессором), чтобы поддерживать такой нулевой или постоянный сдвиг фаз.

Выход схемы резонатора может быть также соединен с разъемом вывода сигнала для соединения со средством обработки сигналов.

Разъем вывода может быть клеммным зажимом или точкой соединения для выполнения соединения со средством обработки сигналов. Средство обработки сигналов может быть внешним по отношению к предоставленному устройству считывания или может быть частью устройства.

Только выходной сигнал петли резонатора используется для обработки сигналов, для анализа сигналов, полученных от стимулируемого тела.

Устройство индуктивного считывания в некоторых вариантах осуществления может содержать схему компенсации затухания, электрически связанную со схемой резонатора, выполненную с возможностью активной компенсации затухания тока в схеме резонатора.

Как отмечалось выше, схема резонатора предпочтительно возбуждается за счет магнитной связи со второй петлей, причем вторая петля активно возбуждается активным буферным компонентом. Однако в случаях, когда связь недостаточно сильная, чтобы это обеспечить, может быть предусмотрен отдельный компонент для компенсации затухания в схеме резонатора, для гарантии того, что схема резонатора продолжает или начинает генерировать колебания.

Схема компенсации затухания предпочтительно выполнена с возможностью подачи активного тока возбуждения в первую петлевую часть. В примерах активный ток возбуждения может быть обеспечен на частоте, соответствующей (собственной) резонансной частоте схемы резонатора.

Схема компенсации затухания может, например, содержать активный генератор колебаний.

Как отмечалось выше, расстояние между первой петлевой частью и второй петлевой частью обеспечивает гарантию того, что преобладающие поверхностные вихревые токи, генерируемые второй петлей, оставляют первую петлю относительно не затронутой. Расстояние между токопроводящими линиями двух петель относительно расстояния между петлями и исследуемой поверхностью тела является существенным фактором в данном эффекте.

Соответственно, в предпочтительных вариантах осуществления индуктивное устройство может содержать опорную конструкцию, имеющую область, контактирующую с тканью, для наложения на произвольную поверхность ткани, причем первая и вторая петлевые части установлены на опорной конструкции и ориентированы для вывода и приема магнитных сигналов в направлении упомянутой области контакта, и расположены так, что среднее расстояние между соответствующими токопроводящими линиями, каждая из которых образует первую и вторую петлевые части, равно расстояния между второй петлевой частью и областью контакта или больше расстояния между второй петлевой частью и областью контакта.

Среднее расстояние может относиться к среднему арифметическому расстоянию.

Среднее расстояние, например, может быть определено суммированием и усреднением радиального расстояния между токопроводящими линиями двух петель по всей периферии двух петель. Это может включать в себя объединение радиального расстояния вокруг токопроводящих линий и деление, например, на длину окружности одной из петель.

Например, первая и вторая петли могут быть ориентированы к области контакта.

Таким образом, данный вариант осуществления предусматривает отделение в радиальном направлении двух петель (в частности, между токопроводящими линиями двух петель) по сравнению с отделением по меньшей мере второй петли от исследуемой поверхности ткани при использовании.

За счет размещения провода первой (резонирующей) петли на достаточно большом расстоянии от провода второй (активно управляемой) петли (по меньщей мере на расстоянии, равном расстоянию до поверхности ткани или большем), улавливание нежелательных поверхностных полей с поверхности (создаваемых доминирующей первой петлей) резонирующей петлей уменьшается. Следовательно, чувствительность датчика к движению, которая в основном представляет собой чувствительность к изменениям нежелательных вторичных магнитных полей, исходящих от поверхности ткани, дополнительно снижается.

При определении среднего расстояния между линиями петли учитывается тот факт, что линии могут быть не идеально концентрическими или совмещенными. Следовательно, расстояние между линиями может варьироваться в разных точках по периферии соответствующей петли. Средний интервал представляет собой важное измерение.

Как отмечалось выше, устройство может также содержать средство обработки сигналов, выход схемы резонатора, соединенный со средством обработки сигналов, и средство обработки сигналов выполнено с возможностью определения измерения одного или более физиологических параметров на основе выходного сигнала.

В частности, средство обработки сигналов предпочтительно выполнено с возможностью анализа (резонансной) частоты схемы резонатора и определения измерения физиологического параметра на основе указанной частоты.

В качестве альтернативы средство обработки сигналов может быть выполнено с возможностью анализа амплитуды колебаний схемы резонатора (первой петлевой части) и определения измерения физиологического параметра на основе указанной амплитуды.

Согласно одному или более вариантам осуществления конденсатор схемы резонатора может иметь регулируемую емкость. Это повышает гибкость устройства, поскольку резонансную частоту схемы резонатора можно настраивать, регулировать или конфигурировать в соответствии с различными конкретными применениями.

Согласно одному или более предпочтительным вариантам осуществления устройство может содержать дополнительный конденсатор, соединенный со второй петлевой частью.

Это обеспечивает дополнительное преимущество, состоящее в пониженном тепловыделении в активном буферном компоненте. В частности, при изменении направления тока на обратное во второй петлевой части энергия магнитного поля второй петлевой части временно сохраняется в конденсаторе во время каждого цикла колебаний. Это уменьшает тепловыделение в усилителе напряжения.

Дополнительный конденсатор может быть предпочтительно выполнен с емкостью такой величины, чтобы задавать частоту колебаний второй петлевой части, которая соответствует собственной частоте колебаний первой петлевой части.

Путем подбора емкости конденсатора для второй петли (например, посредством управления микропроцессором) таким образом, чтобы вторая петля работала на частоте собственных колебаний первой петлевой части или близкой к ней, тепловыделение в усилителе напряжения сводится к минимуму. Это особенно предпочтительно в тех областях применения, где важным является низкое энергопотребление (например, для носимых индуктивных датчиков с ограниченной емкостью батареи.

При отсутствии конденсатора усилитель должен был бы в каждом цикле оказывать возбуждающее воздействие для преобразования принимаемой частоты от первой петли в резонансную частоту второй петли (т.е. преодолевать несоответствие между ними). Это бы приводило к выделению тепла и потреблению энергии.

Частота собственных колебаний означает частоту собственного электрического резонанса. Вторая петля при отсутствии конденсатора обычно имеет очень высокую собственную частоту. Путем добавления конденсатора настройки радиальная частота может быть уменьшена, в частности, на величину ω0 = (LC)^-1/2, где L - индуктивность петли, а C - общая емкость петли и добавленного конденсатора настройки. Она может быть уменьшена таким образом, что собственная частота второй петли приближается к собственной частоте первой петли. Тем самым уменьшается требуемая работа усилителя и соответственно снижается энергопотребление.

Дополнительный конденсатор для второй петлевой части может иметь регулируемую емкость.

Это повышает гибкость устройства, поскольку вторая петля может быть выполнена, например, так, чтобы соответствовать различным возможным резонансным частотам схемы резонатора.

Емкость конденсатора можно динамически регулировать (например, с помощью процессора или контроллера), чтобы поддерживать рабочую частоту второй петлевой части по существу в соответствии с частотой первой петлевой части.

Устройство может быть выполнено так, что первая и вторая петлевые части занимают общую плоскость. Это предпочтительно, поскольку такая компоновка минимизирует форм-фактор.

Например, устройство может содержать опорную часть или опорную конструкцию, на которой установлены первая и вторая петлевые части. Тогда опорная часть может иметь первую и вторую петлевые части, расположенные в одной плоскости.

Кроме того, первая и вторая петлевые части могут быть вставлены друг в друга (т.е. одна петля располагается внутри другой). Это, естественно, требует, чтобы одна петля имела меньший радиус, чем другая. Предпочтительно вторая петлевая часть вставлена внутрь первой. Следовательно, первая и вторая петли образуют конструкцию вложенных петель. Например, каждая из двух петель может образовывать (ограничивать) внутреннюю область, при этом внутренняя область одной петли полностью содержмтся в пределах внутренней области другой петли. Например, одна петля может иметь меньший радиус и иметь внутреннюю область, которая полностью перекрывается внутренней областью другой петли (большего радиуса).

Вложенная конструкция, подобная этой, предпочтительно экономит пространство. В этом случае радиальное расстояние между соответствующими токопроводящими линиями двух петель может быть обеспечено несоответствием радиусов двух петель.

Согласно одному или более примерам соответствующие внутренние области, образуемые каждой из первой и второй петлевых частей, могут быть выполнены с возможностью частичного перекрытия, так что токопроводящие линии первой и второй петлевых частей пересекаются в двух или более точках. В этом случае петли могут частично перекрываться и частично не перекрываться.

Примеры в соответствии с дополнительным аспектом изобретения предусматривают способ индуктивного считывания, включающий передачу электромагнитных сигналов в среду, при этом способ использует петлевую конструкцию, содержащую:

первую петлевую часть, соединенную с конденсатором для образования схемы резонатора, и

вторую петлевую часть,

соответствующие токопроводящие линии, образующие первую и вторую петлевые части, разнесенные друг от друга в радиальном направлении, и

выход схемы резонатора, электрически соединенный со второй петлевой частью посредством активного буферного компонента, выполненного с возможностью реализации усиления напряжения по току, причем

способ включает возбуждение переменного тока во второй петлевой части посредством выходного сигнала активного буферного компонента.

Дополнительные варианты осуществления, описанные выше в отношении аспекта устройства данного изобретения, могут быть применены с равным преимуществом к описанному выше аспекту способа изобретения.

В соответствии с одним набором предпочтительных вариантов осуществления способ включает удерживание упомянутой петлевой конструкции относительно поверхности исследуемой среды таким образом, что расстояние от второй петлевой части до поверхности среды равно минимальному расстоянию между токопроводящими линиями первой и второй петлевых частей или меньше его.

Тем самым это обеспечивает предпочтительную относительно разнесенную конструкцию, описанную выше, в которой минимальное расстояние между петлевыми частями и исследуемой поверхностью меньше или равно расстоянию между токопроводящими линиями самих петель. Причем расстояние между токопроводящими линиями может быть образовано опорной конструкцией, на которой установлены петли, или может быть образовано конфигурацией, при которой пользователь держит устройство.

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания изобретения и более ясного представления о том, как оно может быть реализовано на практике, теперь будет сделана ссылка только в качестве примера на прилагаемые чертежи, на которых:

На ФИГ. 1 показано примерное устройство индуктивного считывания в соответствии с одним или более вариантами осуществления;

На ФИГ. 2 более подробно показана схема конструкции примерного устройства считывания по ФИГ. 1;

На ФИГ. 3 схематически изображена примерная опорная конструкция, вмещающая примерное устройство для считывания в соответствии с одним или более вариантами осуществления;

На ФИГ. 4 показаны вырианты различных конструкций для примерного устройства считывания в соответствии с различными возможными примерными вариантами осуществления; и

На ФИГ. 5 показан еще один пример конструкции примерного устройства считывания, в котором первая и вторая петлевые части частично перекрываются.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение будет описано со ссылкой на фигуры чертежей.

Следует понимать, что хотя подробное описание и конкретные примеры показывают примерные варианты осуществления устройств, систем и способов, они представлены только для целей иллюстрации и не предназначены для ограничения объема изобретения. Эти и другие особенности, аспекты и преимущества устройств, систем и способов по настоящему изобретению станут более понятными из приведенного ниже описания, прилагаемой формулы изобретения и сопроводительных чертежей. Следует понимать, что чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Также следует понимать, что одни и те же ссылочные позиции используются на всех чертежах для обозначения одинаковых или подобных частей.

Изобретение предусматривает устройство индуктивного считывания, содержащее первую и вторую петли, причем первая петля соединена с конденсатором для образования схемы резонатора, а схема резонатора и вторая петля связаны посредством активного буферного компонента. Активный буферный компонент обеспечивает усиление напряжения по току, а выходной сигнал буферного компонента управляет током во второй петле. Токопроводящие линии, образующие каждую из первой и второй петлевых частей, разнесены в радиальном направлении.

В предпочтительных примерах вторая петлевая часть имеет меньший радиус, чем первая, и вставлена внутрь первой.

Последние инновации в области индуктивного считывания сделали возможным простое бесконтактное измерение механической активности внутренних анатомических структур, таких как сердце и легкие. Такие датчики могут быть предпочтительно реализованы в носимых мониторах пациента, при бесконтактном мониторинге пациента, а также для быстрых выборочных измерений.

Принцип работы индуктивного считывания основан на законе Фарадея. Колебательное первичное магнитное поле создается генерирующей петлей, и оно индуцирует, согласно закону индукции Фарадея, вихревые токи в исследуемой ткани. Вихревые токи создают вторичное магнитное поле, которое обнаруживается улавливающей петлей. Например, дыхание, сокращение сердца и расширение аорты или других артерий изменяют геометрию исследуемых проводящих структур, это также изменяет вихревые токи и, следовательно, вторичное магнитное поле. Следовательно, это может быть обнаружено в сигнале, который воспринимается улавливающей петлей.

Недавние разработки, например, значительно повысили мощность сигнала за счет сдвига рабочей частоты в новый диапазон 50 - 500 МГц и за счет усовершенствованной защиты электронной части от электрических помех. Авторы изобретения обнаружили, что индуктивные датчики, которые работают с одной петлей в качестве части резонатора, обеспечивают самое высокое соотношение сигнал/шум.

Как отмечалось выше, недостатком известных однопетлевых датчиков является их очень высокая чувствительность к артефактам движения, вызванным доминирующими поверхностными вихревыми токами. Устройство индуктивного считывания по настоящему изобретению по существу устраняет эту проблему.

В целом, преимущества устройства по настоящему изобретению можно резюмировать следующим образом:

усиление, обеспечиваемое буферным элементом, означает, что вторая петля является доминирующим источником поверхностных вихревых токов;

расстояние между двумя петлями означает, что эти доминирующие поверхностные вихревые токи в значительной степени влияют только на вторую петлю;

буферизация между двумя петлями означает, что влияние поверхностных вихревых токов во второй петле изолировано от воздействия на частоту резонатора (выход которого обеспечивает сигнал измерения);

однако слабая связь посредством буферного элемента обеспечивает гарантию того, что две петли работают синхронно, что предотвращает взаимодействие между двумя петлями; в частности, исключается подавление частоты резонатора сдвинутыми по фазе магнитными сигналами, поступающими от доминирующей второй петли.

На ФИГ. 1 показано примерное устройство 12 индуктивного считывания в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, при этом устройство предназначено для индуктивного связывания электромагнитных сигналов, передаваемых в среду и из нее.

Устройство 12 индуктивного считывания содержит первую петлевую часть 16 и вторую петлевую часть 24. Первая петлевая часть соединена с конденсатором 18 для образования схемы 20 резонатора. Резонансная частота схемы резонатора определяется (по меньшей мере частично) емкостью схемы резонатора.

Каждая из первой и второй петлевых частей образована замкнутой петлей с одним витком токопроводящей линии, например, провода.

Соответствующие токопроводящие линии первой 16 и второй 24 петлевых частей разнесены друг от друга в радиальном направлении. В примере на ФИГ. 1 радиальное расстояние обеспечено за счет того, что вторая петлевая часть имеет меньший радиус, чем первая петлевая часть, и вставлена внутрь первой, т.е. расположена внутри первой. Например, соответствующая внутренняя область второй петлевой части 24 полностью содержится в пределах внутренней области первой петлевой части 16 большего радиуса. Однако данное конкретное расположение несущественно (как будет описано ниже). В данном примере эти два элемента занимают общую плоскость, но это также несущественно, и в альтернативном варианте они могут быть, например, смещены в осевом направлении друг от друга.

Выход схемы 20 резонатора электрически соединен со второй петлевой частью 24 посредством активного буферного компонента 28. Буферный компонент обеспечивает функцию буферизации, которая реализует одностороннюю электрическую изоляцию схемы резонатора от второй части схемы, так что схема 20 резонатора изолирована от электрических колебаний во второй петлевой части 24.

Активный буферный компонент 28 также выполнен с возможностью реализации усиления напряжения по току, а выходной сигнал активного буферного компонента выполнен с возможностью возбуждения переменного тока во второй петлевой части 24.

Как отмечалось ранее, буферные компоненты представляют собой хорошо известный класс электрических компонентов, и специалисту будут известны средства для реализации такого компонента. Буферные компоненты иначе известны в данной области как буферные усилители или просто буферы. Например, в данном случае используется буфер, выполненный с возможностью реализации усиления напряжения по току. В целом буферный компонент представляет собой электрический компонент, который обеспечивает преобразование электрического импеданса от одной схемы (или части схемы) к другой с целью предотвращения воздействия на источник сигнала любых токов (или напряжений для буфера тока), которую может произвести нагрузка. Сигнал "буферизируется" от токов нагрузки. Существуют два основных типа буфера: буфер напряжения и буфер тока.

В данном случае первая петлевая часть 24 буферизована от флуктуаций тока во второй петлевой части. Следовательно, в этом случае вторая петлевая часть может пониматься как «нагрузка».

Активный буферный компонент 28 может содержать буфер напряжения, подключенный к усилителю напряжения по току, чтобы тем самым реализовать функции буферизации и усиления. Усилитель напряжения по току предпочтителен, поскольку способствует созданию тока, необходимого для генерации колебаний во второй петлевой части (передающей петле).

В некоторых примерах активный буферный компонент 28 может содержать операционный усилитель, соединенный с усилителем напряжения по току.

В показанном примере первая петлевая часть и охватывающая схема резонатора дополнительно снабжены электромагнитным экранирующим элементом 34, выполненным с возможностью экранирования первой петлевой части и конденсатора 18 от электрических полей. Экранирующий элемент может быть, например, экранирующей пластиной или корпусом. Он может быть выполнен из металла. Он может разграничивать одну или более прорезей или отверстий в корпусе элемента для предотвращения образования вихревых токов в экранирующем элементе и, следовательно, магнитных полей, создающих помехи. Однако экранирующий элемент не обязателен и не связан с функционированием устройства считывания.

Экранирующий элемент 34 в некоторых случаях заземлен, как показано на ФИГ. 1, в то время как схема 20 резонатора не заземлена. Экран 34 и первая петлевая часть 16 разделены изолирующей разделительной средой, например, слоем диэлектрика.

Выход активного буферного компонента 28 дополнительно соединен с разъемом 30 вывода сигналов для подключения к средству обработки сигналов. В некоторых случаях индуктивное устройство 12 может содержать средство обработки сигналов для анализа частоты схемы резонатора, и на основе этого выполнения измерения одного или более физиологических параметров.

При использовании выходные сигналы резонатора 20 на указанном разъеме 30 вывода сигналов могут анализироваться средством обработки сигналов (содержащим, например, управляющую и считывающую электронные части). Информация об исследуемом теле, например, информация о сердце и/или дыхании, будет присутствовать в частоте колебаний резонатора, которая может быть измерена средством обработки сигналов. В частности, информация, касающаяся исследуемой среды, может обнаруживаться в виде изменений частоты схемы резонатора.

Сердечный пульс, например, может быть виден в виде небольших, но четко обнаруживаемых изменений частоты схемы 20 резонатора, а дыхание может обнаруживаться в виде более крупных, медленных изменений частоты схемы 20 резонатора.

В примере по ФИГ. 1 устройство сконфигурировано так, что первая и вторая 24 петлевые части занимают общую плоскость, а также так, что вторая петлевая часть 24 меньше, чем первая петлевая часть, и вставлена в нее. Это обеспечивает компактное размещение в пространстве.

На ФИГ. 2 более подробно показана схема примерного устройства индуктивного считывания, показанного на ФИГ. 1.

Показан активный буферный элемент 28. Усиление напряжения по току обеспечивается в сочетании с буферизацией между схемой 20 резонатора и второй петлевой частью 24.

Как обсуждалось в предыдущем разделе, в предпочтительном варианте осуществления первая 16 и вторая 24 петлевые части расположены с возможностью магнитного взаимодействия (т. е. первая петля расположена так, что имеет магнитную связь со второй петлей), так что при использовании возбуждение тока во второй петлевой части активным буферным компонентом 28 магнитно индуцирует синхронный ток в первой петлевой части. Такое магнитное взаимодействие может быть достигнуто за счет широкого диапазона различных относительных пространственных расположений петель. В примерах на ФИГ. 1 и 2 петли расположены в плоскости и вложены одна в другую. Однако, как более подробно обсуждается ниже, магнитная связь также может быть достигнута в примерах, в которых петли расположены рядом, т.е. бок о бок друг к другу.

Такая конструкция обеспечивает дополнительные преимущества, заключающиеся в том, что она не требует наличия компенсатора затухания (например, активного генератора колебаний), связанного со схемой 20 резонатора для инициирования и/или поддержания колебаний резонатора. Вместо этого колебания в резонаторе происходят благодаря магнитной связи со второй петлей, которая приводится в действие активным буферным элементом 28.

Преимущества необязательного отсутствия специализированого компенсатора затухания включают, во-первых, то, что для схемы резонатора не требуется специализированный возбуждающий генератор колебаний, что обеспечивает экономию энергии и сокращение затрат за счет сокращения количества деталей. Кроме того, синхронизация между первой 16 и второй 24 петлями устанавливается сразу, как только в резонаторе возникают колебания, а не с небольшой задержкой, поскольку синхронизация стабилизируется посредством буферной связи петель. Кроме того, чувствительность к электрическому полю минимизируется, в то время как чувствительность к магнитным полям сохраняется.

Это обусловлено тем, что активный возбуждающий компонент, такой как возбуждающий генератор колебаний или другой элемент компенсации затухания, обычно вносит в резонатор паразитные емкости. Такие паразитные емкости чувствительны к электрическим полям, возникающим из-за емкостной связи с любыми ближайшими объектами, например, в данном случае с поверхностью исследуемого тела. Следовательно, отсутствие возбуждающего компонента для схемы резонатора (первой петлевой части) значительно снижает разрывную емкостную связь с поверхностью исследуемого тела.

Электрические поля не полезны для индуктивного считывания и вносят шум в считываемый сигнал.

Применение магнитной обратной связи для начала генерации колебаний использовалось в предыдущих неродственных областях, например, с так называемыми генераторами Армстронга. Однако этот принцип никогда не применялся в контексте устройства индуктивного считывания, как в вариантах осуществления настоящего изобретения. В частности, для известных генераторов Армстронга чувствительность к индуктивной и емкостной связи с внешними телами считается вредной, и схема выполнена с возможностью минимизации такой связи. В отличие от этого, для вариантов осуществления по настоящему изобретению задачей устройства является магнитная связь с внешними телами.

Следовательно, в вариантах осуществления по настоящему изобретению в некоторых примерах могут с успехом использоваться относительно большие, необязательно электрически экранированные петли с одной обмоткой. В отличие от этого, известные генераторы Армстронга обычно содержат небольшие катушки с множеством обмоток.

Например, для индуктивных датчиков согласно вариантам осуществления настоящего изобретения (например, для целей мониторинга показателей жизнедеятельности) типичные диаметры петель могут составлять от 1 см до 5 см. Обычно петли могут иметь диаметр более 1 см. Петли предпочтительно имеют только одну обмотку. Петли диаметром более 1 см и с одной обмоткой не будут предпочтительными для использования в генераторах Армстронга, поскольку это сделало бы электронные части слишком громоздкими, а также привело бы к усилению связи с внешними телами, что для генераторов Армстронга нежелательно.

Описанное магнитное взаимодействие не является существенным для изобретения. Преимущества изобретательского замысла не связаны неразрывно с такой особенностью. В качестве альтернативы вместо этого может быть предоставлена специализированная схема компенсации затухания, например, с целью инициирования или поддержания колебаний в схеме 20 резонатора. Генератор колебаний может быть предусмотрен, например, для инициирования и/или поддержания колебаний схемы резонатора.

На ФИГ. 2 схематически изображена такая необязательная схема 32 компенсации затухания, электрически связанная со схемой 20 резонатора, выполненная с возможностью активной компенсации затухания тока в цепи резонатора. Схема компенсации затухания может в примерах содержать схему генератора колебаний.

Если, например, прямая магнитная связь между второй (возбуждаемой) петлей 24 и первой (резонаторной) петлей 16 слишком слаба или слишком нестабильна для того, чтобы в схеме 20 резонатора возникли колебания только посредством этой связи, тогда схему можно сделать более надежной за счет обеспечения специализированной схемы 32 компенсации затухания, электрически связанной со схемой резонатора. Устройство в этом случае больше не зависит от прямой магнитной связи между второй петлей 24 и первой петлей 16.

В соответствии с одним набором предпочтительных вариантов осуществления, схема примерного устройства индуктивного считывания может дополнительно включать регулируемый или настраиваемый элемент задержки фазы, соединенный между активным буферным компонентом 28 и второй петлевой частью 24. Регулируемый элемент задержки фазы применяет регулируемую (например, настраиваемую пользователем) задержку фазы для вывода сигнала активного буферного компонента 28 перед подачей вывода на вторую петлевую часть.

Это может, например, обеспечивать возможность любых фазовых задержек, например индуцированных активным буферным компонентом 28 или подключением ко второй петле, которые должны быть компенсированы. В частности, элемент фазовой задержки может быть выполнен с возможностью применения задержки фазы, так что выходной сигнал, подаваемый на вторую петлевую часть, синфазен с колебаниями (т.е. током) первой петлевой части (или с фиксированным фазовым сдвигом 2π или кратном ему). Это предпочтительно, поскольку для того, чтобы колебания в обоих петлях начинались и продолжались стабильно и синхронно друг с другом, должен соблюдаться критерий Баркгаузена. Это предпочтительно требует, чтобы колебания (т.е. токи) первой и второй петлевых частей были синфазными (или были разделены фиксированной задержкой фазы, кратной 2π).

При использовании первая 16 и вторая 24 петлевые части устройства 12 удерживаются вблизи интересующего тела или среды, и вторая петлевая часть возбуждается активным буферным компонентом, который в предпочтительных примерах затем инициирует колебания схемы 20 резонатора посредством магнитной связи. Как вторая петлевая часть, так и первая петлевая часть схемы резонатора генерируют сигналы возбуждения, которые направляются в исследуемую ткань. Как отмечалось выше, вторая петлевая часть 24 обеспечивает доминирующий источник передаваемых или стимулирующих сигналов за счет более высокой амплитуды тока в этой петле благодаря усилению, обеспечиваемому активным буферным компонентом 28.

Сигналы от обеих петель входят в исследуемую ткань. Вторая петлевая часть доминирует над вихревыми токами, наведенными в исследуемой ткани. Наведенные вихревые токи создают вторичные магнитные поля. Эти вторичные поля обнаруживаются как второй петлевой частью 24, так и схемой 20 резонатора. Однако сила наводки намного выше в схеме 20 резонатора за счет эффекта резонанса (который эффективно усиливает индуцированные сигналы индуктивности в первой петле 16 данной схемы). Хотя сила наводки в первой петле выше, чувствительность к артефактам движения (т.е. движениям петли относительно поверхности) намного выше во второй петле из-за большой радиальной близости второй петли к доминирующим сигналам поверхностных вихревых токов.

Кроме того, для измерения сигналов используются только сигналы, считываемые в первой петлевой части (схеме резонатора), которые подаются на разъем 30 вывода конструкции. В частности, сигналы, считываемые в схеме резонатора, вызывают изменения частоты колебаний резонатора, которые могут быть счтитаны электронной частью обработки сигналов. Сигналы, считываемые в первой петлевой части, предохраняются от воздействия на частоту первой петлевой части буферного компонента 28. Кроме того, любые изменения, индуцированные в токе второй петли 24 активно подавляются усилением, прикладываемым усиливающим буферным компонентом, который поддерживает стабильную частоту тока во второй петле. Следовательно, сигналы, считываемые во второй петле, фактически не учитываются или отбрасываются, и не используются для измерения.

В соответствии с предпочтительными примерами, устройство 22 индуктивного считывания может быть использовано для определения физиологических параметров и свойств, например движения воздуха, жидкости и/или тканей в теле пациента. Система может быть успешно применена, в частности, например, для определения дыхательных движений.

В данных примерах устройство устройство позволяет обнаруживать движения воздуха, жидкости и/или тканей (например, вызванные дыханием или биением сердца) путем измерения модуляций отраженной индуктивности сигнала, вызванного этими движениями.

В соответствии с одним или более вариантами осуществления устройство может содержать опорную конструкцию для установки компонентов в особенно предпочтительном расположении.

На ФИГ. 3 показан пример устройства 12 индуктивного считывания, содержащего опорную конструкцию в виде корпуса 48, внутри которого установлены первая и вторая петлевые части (и конструкция связанной схемы по ФИГ. 1 и 2). Корпус 48 имеет первую 16 и вторую 24 петлевые части, установленные в определенной пространственной конфигурации относительно области 52 корпуса, контактирующей с тканью. Область, контактирующая с тканью, образована подошвой или основанием корпуса и содержит внешнюю контактную поверхность для прикладывания к произвольной поверхности ткани 54 (или другой, например, неорганической поверхности тела). Петли показаны только схематично, а конструкция схемы не показана.

Первая 16 и вторая 24 петлевые части установлены внутри корпуса 48 и ориентированы лицом к области 52, контактирующей с тканью, для вывода и приема магнитных сигналов в направлении указанной области контакта. Радиальное расстояние 42 между токопроводящими линиями, образующими первую 16 и вторую 24 петли, равно расстоянию 44 или больше, чем расстояние 44 между второй и первой петлями и областью, контактирующей с тканью.

Как отмечалось выше, в соответствии с любым вариантом осуществления настоящего изобретения устройство 12 индуктивного считывания может также содержать средство обработки сигналов, выполненное с возможностью приема в качестве входного сигнала выходного сигнала схемы 20 резонатора. Средство обработки сигналов может быть выполнено с возможностью получения одного или более физиологических параметров на основе считанных характеристик сигнала, полученного на выходе схемы резонатора. Это может, например, включать один или более показателей жизненно важных функций, таких как, например, частота сердечных сокращений, частота пульса, дыхательный объем, частота дыхания, систолический объем, вариации систолического объема, минутный сердечный выброс или модуляции высоты/давления/диаметра аортального или артериального пульса.

Устройство может представлять собой устройство индуктивного считывания физиологических параметров для считывания одного или более физиологических параметров тела субъекта. Физиологические параметры могут включать, например, один или более показателей жизнедеятельности, указанных выше.

Средство обработки сигналов предпочтительно выполнено с возможностью определения измерения одного или более физиологических параметров на основе обнаруженных изменений частоты колебаний схемы резонатора.

Конкретное средство, используемое для реализации обработки сигналов, не является существенным для изобретения. В качестве примера средство обработки сигналов может содержать, например, анализатор базового сигнала схемы автоматической фазовой подстройки частоты (ФАПЧ). В качестве альтернативы или дополнительно может использоваться любое другое средство обработки сигналов, что очевидно для специалиста.

В соответствии с одним или более примерами устройство 12 для считывания может также содержать дополнительный конденсатор, соединенный со второй петлевой частью 24. Это обеспечивает преимущество с точки зрения снижения тепловыделения активного буферного компонента 28. В частности, при изменении направления тока на обратное во второй петле 24, энергия магнитного поля второй петли временно сохраняется в конденсаторе в течение каждого цикла колебаний. Это уменьшает тепловыделение в усилителе напряжения.

Например, емкость конденсатора для второй петли 24 может быть выбрана или сконфигурирована, например, микропроцессором, так что вторая петля работает на частоте колебаний первой петлевой части 16 или близкой к ней. В этом случае, тепловыделение на активном буферном компоненте 28 сводится к минимуму. Это особенно предпочтительно, например, в применениях, где важно низкое энергопотребление (например, в случае носимых датчиков с ограниченной емкостью батареи).

В некоторых примерах конденсатор для второй петлевой части может быть регулируемым или настраиваемым конденсатором, имеющим регулируемую или управляемую емкость. Емкость конденсатора можно динамически регулировать (например, с помощью микропроцессора), так что рабочая частота второй петлевой части по существу совпадает с рабочей частотой первой петлевой части.

В отсутствие конденсатора активный буферный компонент мог бы потребоваться на каждом цикле, чтобы оказывать воздействие, например, для компенсации несоответствия между двумя частотами петель. Это бы привело к выделению тепла и потреблению энергии.

Регулируемый конденсатор, например, динамически регулируемый конденсатор на второй петлевой части, позволяет собственной частоте второй петли приближаться к собственной частоте первой петли. Тем самым сокращается требуемая работа активного буферного усилителя и соответственно снижается энергопотребление.

Взаимное расположение первой 16 и второй 24 петлевых частей не является критическим для изобретения. Однако провода первой и второй петель должны быть разнесены в радиальном направлении (т.е. не соприкасаться). Как обсуждалось, чтобы минимальное расстояние между проводамидолжно быть предпочтительно больше, чем расстояние до исследуемой поверхности тела. Это может быть обеспечено с помощью соответствующего корпуса или опорной конструкции, как описано выше.

В различных примерах вторая петля 24 может находиться, например, снаружи первой петли 16 или внутри первой петли. Ряд возможных конструкций, например, проиллюстрирован на ФИГ. 4 (а) - (h). Другой вариант (не показан) состоит в размещении первой петлевой части 16 петли внутри второй петлевой части 24.

На ФИГ. 4 (a) - (d) показаны различные конструкции, каждая из которых имеет схему 32 компенсации затухания, соединенную со схемой резонатора, образованной первой петлевой частью 16. На ФИГ. 4 (a) - (d) показаны различные варианты, в которых вторая петлевая часть 24 находится либо снаружи, либо внутри первой петлевой части 16, и при этом вторая петлевая часть 24 либо содержит, либо не содержит специализированный дополнительный конденсатор. В случае, если предусмотрен дополнительный конденсатор, он показан электрически связанным с управляющей электронной частью 62 для конфигурирования конденсатора. В этом случае конденсатор имеет емкость, регулируемую, например, при помощи микропроцессора, включенного в управляющую электронную часть. Управляющая электронная часть 62 также содержит средство обработки сигналов для анализа выходного сигнала схемы резонатора, образованного первой петлевой частью 16, при этом выход активного буферного элемента соединен с управляющими электронными частями для этой цели.

Следует отметить, что схема 32 компенсации затуханий обозначена символом «-R», поскольку этот компонент может пониматься в общих чертах как обеспечивающий эффективное отрицательное сопротивление для компенсации потерь в резонаторе. Как отмечалось выше, в примерах этому может способствовать, например, активный возбуждающий генератор колебаний.

ФИГ. 4 (e) - (h) иллюстрируют те же варианты расположения петель и наличие или отсутствие дополнительного конденсатора, что и на ФИГ. 4 (a) - (d), но только без схемы компенсации затуханий, связанной со схемой резонатора, образованной первой петлевой частью 16.

В соответствии с дополнительным предпочтительным набором примеров первая 16 и вторая 24 петлевые части могут иметь соответствующие внутренние области, которые частично перекрываются, так что их соответствующие токопроводящие линии пересекаются в двух или более точках. Таким образом, две петли радиально смещены друг от друга. Пример такого расположения схематически показан на ФИГ. 5.

Можно видеть, что хотя в данном примере две петли частично перекрываются, нет точного или полного перекрытия токопроводящих проводов петель в радиальном направлении, т.е. петли разнесены друг от друга в радиальном направлении. Петли частично перекрываются и частично не перекрываются. Следовательно, соответствующие токопроводящие линии первой 16 и второй 24 петлевых частей не разнесены друг от друга в радиальном направлении по всей периферии каждой петлевой части, а только через определенные участки, при этом соответствующие токопроводящие линии пересекаются в двух точках.

В проиллюстрированной конструкции токопроводящая линия каждой из петель 16, 24 проходит вблизи центральной точки или участка внутренней области, охватываемой другой петлей. Это дает дополнительные преимущества в том, что можно минимизировать разрывное прямое соединение между петлями. Это означает, что коэффициент усиления буферного усилителя может быть увеличен без риска возникновения, например, неконтролируемой или неуправляемой амплитуды усилителя, обусловленной прямой связью. Этот увеличенный коэффициент усиления предпочтителен для максимизации тока во второй (передающей) петлевой части по сравнению с первой (считывающей) петлевой частью (так что вторая петля доминирует с точки зрения передаваемых сигналов).

В данном примере радиальное расстояние между соответствующими токопроводящими линиями, образующими первую и вторую петлевые части, является неравномерным, т.е. радиальное расстояние меняется в разных точках вокруг петель.

В соответствии с одним или более примерами может быть предусмотрен контроллер для управления или координации функциональных возможностей устройства индуктивного считывания. Например, он может быть выполнен с возможностью выполнения программы управления для работы устройства считывания, в некоторых случаях с возможностью реагирования на вводимые управляющие команды, полученные от пользователя или оператора. Для этой цели могут быть предусмотрены средства пользовательского интерфейса, такие как интерфейс управления, например, панель управления, сенсорный экран или программное средство.

Контроллер может быть реализован множеством способов с программным и/или аппаратным обеспечением для выполнения различных требуемых функций. Процессор является одним из примеров контроллера, который использует один или более микропроцессоров, которые могут быть запрограммированы с использованием программного обеспечения (например, микрокода) для выполнения требуемых функций. Однако контроллер может быть реализован с использованием процессора или без него, а также может быть реализован как комбинация специализированного оборудования для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или более запрограммированных микропроцессоров и связанных схем) для выполнения других функций.

Примеры компонентов контроллера, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия, включают, но не ограничиваются ими, обычные микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (ASIC) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA).

В различных реализациях процессор или контроллер могут быть связаны с одним или более носителями данных, такими как энергозависимая и энергонезависимая компьютерная память, например, RAM, PROM, EPROM и EEPROM. Носители данных могут быть закодированы с помощью одной или более программ, которые при выполнении на одном или более процессорах и/или контроллерах выполняют требуемые функции. Различные носители данных могут быть закреплены в процессоре или контроллере или могут быть переносными, так что одна или более программ, хранящихся на них, могут быть загружены в процессор или контроллер.

Примеры в соответствии с дополнительным аспектом изобретения обеспечивают способ индуктивного считывания, включающий передачу электромагнитных сигналов в среду, при этом способ используюет петлевую конструкцию, содержащую:

первую петлевую часть 16, соединенную с конденсатором для образования схемы 20 резонатора, и

вторую петлевую часть 24,

соответствующие токопроводящие линии, образующие первую и вторую петлевые части, разнесенные друг от друга в радиальном направлении, и

выход схемы резонатора, электрически соединенный со второй петлевой частью посредством активного буферного компонента 28, выполненного с возможностью реализации усиления напряжения по току, причем

способ включает возбуждение переменного тока во второй петлевой части посредством выходного сигнала активного буферного компонента.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления способ может включать удерживание упомянутой петлевой конструкции относительно поверхности исследуемой среды таким образом, что расстояние от второй петлевой части 24 до поверхности среды равно минимальному расстоянию между токопроводящими линиями первой и второй петель или меньше его.

Вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а грамматическая форма единственного числа не исключает наличия множества. Один процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе с другим оборудованием или как его часть, но также может распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к неинвазивному исследованию таких физиологических характеристик, как динамика сердца и легких пациента. Способ индуктивного считывания для неинвазивного измерения механической активности сердца и легких осуществляют с помощью устройства индуктивного считывания. Устройство содержит схему резонатора, образованную первой петлевой частью, соединенной с конденсатором, вторую петлевую часть, токопроводящие линии и активный буферный компонент. Первая и вторая петлевые части образованы токопроводящими линиями и разнесены друг от друга в радиальном направлении вдоль участков токопроводящих линий. Активный буферный компонент электрически соединяет выход схемы резонатора со второй петлевой частью и обеспечивает усиление напряжения по току. Выходной сигнал активного буферного компонента возбуждает переменный ток во второй петлевой части. Первая и вторая петлевые части расположены так, что среднее радиальное расстояние между токопроводящими линиями не менее расстояния между второй петлевой частью и областью, контактирующей с тканью пациента. Достигается снижение чувствительности к артефактам движения и, соответственно, чувствительности устройства к перемещению без дополнительной усложненной схемы и низкой силы улавливания. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство (12) индуктивного считывания для неинвазивного измерения механической активности сердца и легких пациента, содержащее:

схему (20) резонатора, образованную первой петлевой частью (16), соединенной с конденсатором (18); и вторую петлевую часть (24);

соответствующие токопроводящие линии, образующие первую и вторую петлевые части, разнесенные друг от друга в радиальном направлении по меньшей мере вдоль участков токопроводящих линий;

отличающееся тем, что устройство также содержит

активный буферный компонент (28), при помощи которого выход схемы резонатора электрически соединен со второй петлевой частью, причем активный буферный компонент выполнен с возможностью реализации усиления напряжения по току, а выходной сигнал активного буферного компонента выполнен с возможностью возбуждения переменного тока во второй петлевой части,

причем первая и вторая (24) петлевые части расположены так, что среднее радиальное расстояние между токопроводящими линиями, образующими первую и вторую петлевые части, не менее расстояния между второй петлевой частью и областью, контактирующей с тканью.

2. Устройство (12) по п. 1, в котором каждая петлевая часть (16, 24) образована петлей с одним витком.

3. Устройство (12) по п. 1 или 2, в котором выход схемы (20) резонатора дополнительно соединен с разъемом вывода сигналов для соединения со средством обработки сигналов.

4. Устройство (12) по любому из пп. 1-3, которое дополнительно содержит схему компенсации затухания, электрически соединенную со схемой (20) резонатора и выполненную с возможностью активной компенсации затухания тока в схеме резонатора.

5. Устройство (12) по п. 4, в котором схема компенсации затухания содержит генератор колебаний, выполненный с возможностью обеспечения активного тока возбуждения в первой петлевой части (16).

6. Устройство (12) по любому из пп. 1-5, содержащее опорную конструкцию, имеющую область, контактирующую с тканью, для наложения на поверхность ткани пациента,

причем первая и вторая (24) петлевые части установлены на опорной конструкции и ориентированы для вывода и приема магнитных сигналов в направлении указанной области контакта.

7. Устройство (12) по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащее средство обработки сигналов, причем выход схемы (20) резонатора соединен со средством обработки сигналов, выполненным с возможностью

выполнения измерения одного или более физиологических параметров механической активности сердца и легких пациента на основе выходного сигнала.

8. Устройство (12) по любому из пп. 1-7, содержащее дополнительный конденсатор, соединенный со второй петлевой частью (24).

9. Устройство (12) по п. 8, в котором дополнительный конденсатор выполнен с емкостью, имеющей такую величину, чтобы задавать частоту колебаний второй петлевой части, соответствующую собственной частоте колебаний первой петлевой части (16).

10. Устройство (12) по п. 8 или 9, в котором дополнительный конденсатор имеет регулируемую емкость.

11. Устройство (12) по любому из пп. 1-10, выполненное так, что первая и вторая (24) петлевые части занимают общую плоскость.

12. Устройство (12) по любому из пп. 1-11, в котором одна из первой и второй (24) петлевых частей вставлена одна в другую.

13. Устройство по любому из пп. 1-12, в котором соответствующие внутренние области, образованные каждой из первой и второй петлевых частей, частично перекрываются, так что токопроводящие линии первой и второй петлевых частей пересекаются в двух или более точках.

14. Способ индуктивного считывания для неинвазивного измерения механической активности сердца и легких пациента, включающий передачу электромагнитных сигналов в среду, причем способ использует петлевую конструкцию, содержащую:

первую петлевую часть (16), соединенную с конденсатором для образования схемы (20) резонатора, вторую петлевую часть (24),

соответствующие токопроводящие линии, образующие первую и вторую петлевые части, разнесенные друг от друга в радиальном направлении вдоль по меньшей мере участков токопроводящих линий,

выход схемы резонатора, электрически соединенный со второй петлевой частью посредством активного буферного компонента (28), выполненного с возможностью реализации усиления напряжения по току, причем

способ включает возбуждение переменного тока во второй петлевой части посредством выходного сигнала активного буферного компонента,

причем расстояние от второй петлевой части (24) до поверхности ткани пациента, подлежащей исследованию, не более расстояния между токопроводящими линиями первой и второй петлевых частей.