專利名稱：用于使用磁感應無線電傳感器測量物體的形狀的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例總體涉及電子系統(tǒng)，更具體地涉及用于測量物體的形狀的系統(tǒng)和 方法。
背景技術：
測量物體的形狀對于多種應用很重要。例如，由于身體區(qū)域會因為器官而隨著時間發(fā)生變化，通過測量器官附近的身體區(qū)域來監(jiān)控患者的器官的活動性對于患者的健康護
理至關重要。通常，測量物體的形狀的傳感器使用導線與外部設備連接，以傳輸測量數據供處理和顯示。然而，安裝導線來連接傳感器和外部設備降低了被測量物體的移動性。對于患者監(jiān)控，使用導線連接傳感器和外部設備也將降低患者的舒適度。因此，需要提供一種用于測量物體的形狀的系統(tǒng)和方法，能夠同時改善被測量物體的移動性和舒適度。

發(fā)明內容
一種用于使用磁感應無線電傳感器測量物體的形狀的系統(tǒng)和方法，包括利用磁感應無線電傳感器的磁環(huán)天線至少部分地包圍所述物體，其中磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀；以及在與磁環(huán)天線耦合的天線匹配電路處響應于磁環(huán)天線的電感提供特定電容， 以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且該諧振電路具有固定的諧振頻率，其中，所述特定電容用于測量物體的形狀。通過使用磁感應無線電傳感器來測量物體的形狀， 同時改善了被測量物體的移動性和舒適度。在實施例中，一種用于測量物體的形狀的磁感應無線電傳感器包括磁環(huán)天線、天線匹配電路和測量單元。磁環(huán)天線配置用于至少部分地包圍物體，其中，磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀。天線匹配電路與磁環(huán)天線耦合，其中天線匹配電路包括可調電容模塊，可調電容模塊配置用于提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且該諧振電路具有固定的諧振頻率。測量單元配置用于利用可調電容模塊的特定電容來產生測量值，其中，所述測量值表示對物體的形狀的測量。在實施例中，一種用于使用磁感應無線電傳感器來測量物體的形狀的方法包括 利用磁感應無線電傳感器的磁環(huán)天線至少部分地包圍物體，其中磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀；在與磁環(huán)天線耦合的天線匹配電路處提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且該諧振電路具有固定的諧振頻率；以及使用特定電容產生測量值，其中，所述測量值表示對物體的形狀的測量。在實施例中，一種用于測量物體的形狀的磁感應無線電系統(tǒng)包括磁感應無線電傳感器和遠程設備。磁感應無線電傳感器包括磁環(huán)天線、天線匹配電路、測量單元和發(fā)送機。 磁環(huán)天線配置用于至少部分地包圍物體，其中磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀。天線匹配電路與磁環(huán)天線耦合，其中，天線匹配電路包括可調電容模塊，可調電容模塊配置用于提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路形成諧振電路，并且該諧振電路具有固定的諧振頻率。測量單元配置用于利用可調電容模塊的特定電容來產生測量值，其中，所述測量值表示對物體的形狀的測量。發(fā)送機配置用于使用磁環(huán)天線發(fā)送所產生的測量值。遠程設備配置用于接收從磁感應無線電傳感器的發(fā)送機發(fā)送的測量值。 從結合附圖的下列詳細描述中，本發(fā)明實施例的其他方面和優(yōu)點將變得顯而易見，附圖是作為本發(fā)明原理的示例而繪制的。


圖1示出了根據本發(fā)明實施例的磁感應無線電傳感器的示意框圖。圖2描繪了示例性可拉伸磁環(huán)天線。圖3示出了圖2中的可拉伸磁環(huán)天線的天線部分的三個示例。圖4示出了圖2中的可拉伸磁環(huán)天線的示例性蜿蜒導電走線的集合。圖5描繪了另一示例性可拉伸磁環(huán)天線。圖6描繪了另一示例性可拉伸磁環(huán)天線。圖7示意了當示例性可拉伸磁環(huán)天線被拉伸時的效果。圖8和圖9描繪了兩個示例性可切換電容器陣列。圖10示出了根據本發(fā)明實施例的磁感應無線電傳感器的示意框圖。圖11描繪了具有天線匹配電路的示例性差分輸入/輸出級。圖12描繪了示例性射頻接收信號強度指示電路。圖13示意了將天線匹配電路和磁環(huán)天線的諧振頻率與收發(fā)機的載頻對齊的三個場景。圖14是根據本發(fā)明實施例的用于使用磁感應無線電傳感器測量物體的形狀的方法的流程圖。在說明書中，相似附圖標記可以用于標識相似的元素。
具體實施例方式圖1示出了根據本發(fā)明實施例的磁感應無線電傳感器100的示意框圖。該磁感應無線電傳感器配置用于測量物體102的形狀，并利用磁感應以無線方式發(fā)送測量結果。磁感應是本領域中公知的，下面將對其進行簡要描述。通過諸如環(huán)狀天線之類的導線的電流產生電磁場，電磁場包括導線周圍的磁場以及從導線向外輻射的電場。對于距離遠大于相應波長的遠場，電場的輻射效應起主導作用。然而，對于距離遠小于相應波長的近場，磁場的感應效應起主導作用。在將諸如環(huán)狀天線之類的第二導線引入磁場內時，磁通量通過第二導線的表面。磁通量的變化會感生電動勢(EMF)，并且所感生的EMF產生電流。與射頻(RF)傳感器相比，磁感應無線電傳感器100具有許多優(yōu)點。首先，磁感應無線電傳感器在短距離情況下更為節(jié)約能量，并且能夠實現較長的自主性，或者需要的電池比RF傳感器要少。其次，磁感應無線電傳感器以較低的信號強度下降通過人類組織，而 RF信號被身體所衰減，并依賴于視線或對于信號傳播的反射。此外，RF信號容易為人體組織吸收，并因此可能出現醫(yī)療應用的健康問題。第三，與RF傳感器不同，磁感應無線電傳感器不需要晶體來將頻譜保持在規(guī)定的帶寬邊界內。因此，磁感應無線電傳感器可以很容易地集成在單個芯片上。第四，磁感應信號的強度根據距離急劇下降。因此，磁感應信號的干擾電平降低，并且磁感應信號的魯棒性增強。此外，為了攔截磁感應信號，竊聽者需要處于磁感應信號的接近物理范圍內，由此改善了磁感應信號的安全性。此外，與RF傳感器相比， 磁感應無線電傳感器的識別更為直觀而可靠。第五，制造磁感應無線電傳感器的成本低于制造RF傳感器的成本。例如，由于較小的密封無線電區(qū)域，在生產期間測試磁感應無線電傳感器比RF傳感器要簡單。此外，與傳統(tǒng)RF傳感器相比，對于磁感應無線電傳感器而言， 遵守諸如美國聯邦通信委員會(FCC)之類的規(guī)定更為簡單，這是因為磁感應無線電傳感器的發(fā)射功率通常遠遠低于設置的門限。第六，磁感應無線電傳感器可以使用近場磁感應進行充電。此外，磁感應無線電傳感器可以使用通過其天線接收的直接感應電能進行操作，而不需要電池。例如，通過密封的可穿戴式的磁感應無線電傳感器的磁天線線圈，感應式的無線充電可以用于這種傳感器。第七，當磁感應無線電傳感器用于測量物體的形狀時，僅需要添加極少的嵌入式軟件，而不需要附加硬件組件。在圖1的示意實施例中，磁感應無線電傳感器100包括磁環(huán)天線104、天線匹配電路106和測量單元108。磁感應無線電傳感器的天線匹配電路和測量單元可以在單個集成電路(IC)芯片上實現，以減小磁感應無線電傳感器的制造成本和尺寸。磁感應無線電傳感器的磁環(huán)天線配置用于至少部分地包圍物體102。在示例中，至少部分地被磁環(huán)天線包圍的物體構成了磁環(huán)天線的核心。盡管圖1中將磁環(huán)天線示為完全包圍物體，然而，在一些實施例中，該磁環(huán)天線可以僅部分地包圍物體。例如，磁環(huán)天線安裝在可拉伸襯底材料上，并且固定到一個或多個物體的錨點(anchor point)，其中錨點的運動導致可拉伸襯底材料和磁環(huán)天線的變形，并使得磁環(huán)的電感發(fā)生變化。磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀。因此，磁環(huán)天線的電感隨著物體的形狀的改變而發(fā)生變化。在一些實施例中，磁環(huán)天線的電感近似與磁環(huán)天線所包圍的物體的面積成比例。在一些實施例中，磁環(huán)天線104是至少部分地包圍物體102的可拉伸磁環(huán)天線，其具有一匝或多匝。該磁環(huán)天線由于物體的擴張和/或收縮而變形，并且其電感發(fā)生變化。例如，磁環(huán)天線包括安裝在可拉伸襯底上的導體。該導體可以是單匝和多匝的導線，例如正弦形狀、螺旋形狀或蜿蜒形狀的銅走線(track)。可拉伸襯底可以是通過在EU所資助的項目 (針對大面積應用的可拉伸電子(STELLA) (IST-028026))中發(fā)展的技術所制造的編織的可拉伸材料或非編織的可拉伸材料。導體和可拉伸襯底可以至少部分地包圍物體，以使得物體的任何截面或體積變化都反映在磁環(huán)天線的電感的變化上。例如，磁環(huán)天線安裝在可拉伸襯底材料上，并且固定到一個或多個物體的錨點，其中錨點的運動使得可拉伸襯底材料和磁環(huán)天線變形，并且使得磁環(huán)的電感發(fā)生變化。在示例中，單匝磁環(huán)天線的電感可以表示為
權利要求
1.一種用于測量物體的形狀的磁感應無線電傳感器，所述磁感應無線電傳感器包括磁環(huán)天線，配置用于至少部分地包圍所述物體，其中所述磁環(huán)天線的電感取決于所述物體的形狀；天線匹配電路，與磁環(huán)天線耦合，其中所述天線匹配電路包括可調電容模塊，所述可調電容模塊配置用于提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且所述諧振電路具有固定的諧振頻率；以及測量單元，配置用于使用所述可調電容模塊的特定電容來產生測量值，所述測量值表示對物體的形狀的測量。
2.根據權利要求1所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述磁環(huán)天線配置為由于物體的擴張和/或收縮而變形。
3.根據權利要求1所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述可調電容模塊包括可切換電容器陣列，用于提供所述特定電容。
4.根據權利要求3所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述可切換電容器陣列包括電容器分支，所述電容器分支與所述磁環(huán)天線并聯，以及所述電容器分支中的每一個包括開關和電容器。
5.根據權利要求4所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述電容器分支中的電容器的電容具有因數為2的數值關系。
6.根據權利要求3所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述電容器分支中的電容器的電容相等。
7.根據權利要求1所述的磁感應無線電傳感器，包括多個磁環(huán)天線，所述多個磁環(huán)天線配置用于至少部分地包圍所述物體，其中所述磁環(huán)天線的電感取決于所述物體的形狀， 所述磁感應無線電傳感器還包括開關陣列，用于選擇磁環(huán)天線。
8.根據權利要求1所述的磁感應無線電傳感器，還包括發(fā)送機，所述發(fā)送機配置用于使用磁環(huán)天線將所產生的測量值發(fā)送至遠程設備。
9.根據權利要求8所述的磁感應無線電傳感器，還包括調度單元，所述調度單元配置用于利用時分復用方案，根據預定時隙重復地調度對物體的形狀的測量以及所產生的測量值向遠程設備的發(fā)送。
10.根據權利要求9所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述調度單元還配置用于在接收到來自遠程設備的同步字之后，調度對物體的形狀的測量。
11.根據權利要求1所述的磁感應無線電傳感器，還包括感應式充電電路；以及可再充電電池，其中在將磁環(huán)天線放置在所述感應式充電電路所產生的磁場中時，向所述可再充電電池充電；或者所述磁環(huán)天線還被配置用于接收直接感應電能，以使得權利要求1中的磁感應無線電傳感器配置為在沒有電池的情況下使用接收到的直接感應電能來進行操作。
12.根據權利要求2所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述物體是患者的器官，以及所述磁環(huán)天線集成在可拉伸帶中，所述可拉伸帶至少部分地包圍患者的器官。
13.根據權利要求12所述的磁感應無線電傳感器，還包括接觸電極，所述接觸電極集成在所述可拉伸帶中，并被配置用于測量患者的生物電勢。
14.根據權利要求13所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述器官是患者的肺，以及所述可拉伸帶纏繞在患者的胸腔和/或腹部周圍，以測量患者軀干的擴張和/或收縮，從而測量患者的呼吸。
15.根據權利要求13所述的磁感應無線電傳感器，其中，所述器官是患者的四肢，以及所述可拉伸帶纏繞在患者的四肢周圍，以測量四肢肌肉的擴張和/或收縮。
16.一種用于使用磁感應無線電傳感器來測量物體的形狀的方法，所述方法包括利用磁感應無線電傳感器的磁環(huán)天線至少部分地包圍所述物體，其中磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀；在與磁環(huán)天線耦合的天線匹配電路處提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且所述諧振電路具有固定的諧振頻率；以及使用特定電容來產生測量值，所述測量值表示對物體的形狀的測量。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括響應于所述磁環(huán)天線由于物體的擴張和/ 或收縮的變形來調整所述特定電容，以使得所述諧振電路仍具有固定的諧振頻率。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，提供特定電容包括使用可切換電容器陣列來提供特定電容，其中所述可切換電容器陣列包括與所述磁環(huán)天線并聯的電容器分支，以及所述電容器分支中的每一個包括開關和電容器。
19.一種用于測量物體的形狀的磁感應無線電系統(tǒng)，所述磁感應無線電系統(tǒng)包括磁感應無線電傳感器，包括磁環(huán)天線，配置用于至少部分地包圍所述物體，其中磁環(huán)天線的電感取決于所述物體的形狀；天線匹配電路，與磁環(huán)天線耦合，其中，天線匹配電路包括可調電容模塊，可調電容模塊配置用于提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且所述諧振電路具有固定的諧振頻率；測量單元，配置用于使用所述可調電容模塊的特定電容來產生測量值，所述測量值表示對物體的形狀的測量；以及發(fā)送機，配置用于使用磁環(huán)天線來發(fā)送所產生的測量值；以及遠程設備，配置用于接收從磁感應無線電傳感器的發(fā)送機發(fā)送的測量值。
20.根據權利要求19所述的磁感應無線電系統(tǒng)，其中，所述物體是患者的器官，所述磁環(huán)天線集成在可拉伸帶中，所述可拉伸帶至少部分地包圍患者的器官，以及，所述可調電容模塊包括用于提供所述特定電容的可切換電容器陣列。
全文摘要
一種用于使用磁感應無線電傳感器測量物體的形狀的系統(tǒng)和方法，包括利用磁感應無線電傳感器的磁環(huán)天線至少部分地包圍物體，其中磁環(huán)天線的電感取決于物體的形狀；以及在與磁環(huán)天線耦合的天線匹配電路處響應于磁環(huán)天線的電感提供特定電容，以使得磁環(huán)天線和天線匹配電路構成諧振電路，并且該諧振電路具有固定的諧振頻率，其中，所述特定電容用于測量物體的形狀。
文檔編號A61B5/103GK102166120SQ20101060081
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2009年12月21日
發(fā)明者史蒂文·埃爾茲 申請人:Nxp股份有限公司