CN102166120A

CN102166120A - 用于使用磁感应无线电传感器测量物体的形状的系统和方法

Info

Publication number: CN102166120A
Application number: CN2010106008155A
Authority: CN
Inventors: 史蒂文·埃尔兹
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-08-31
Also published as: EP2336713A3; US8542017B2; EP2336713A2; US20110148409A1; EP2336713B1

Abstract

一种用于使用磁感应无线电传感器测量物体的形状的系统和方法，包括：利用磁感应无线电传感器的磁环天线至少部分地包围物体，其中磁环天线的电感取决于物体的形状；以及在与磁环天线耦合的天线匹配电路处响应于磁环天线的电感提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且该谐振电路具有固定的谐振频率，其中，所述特定电容用于测量物体的形状。

Description

用于使用磁感应无线电传感器测量物体的形状的系统和方法

技术领域

本发明的实施例总体涉及电子系统，更具体地涉及用于测量物体的形状的系统和方法。

背景技术

测量物体的形状对于多种应用很重要。例如，由于身体区域会因为器官而随着时间发生变化，通过测量器官附近的身体区域来监控患者的器官的活动性对于患者的健康护理至关重要。

通常，测量物体的形状的传感器使用导线与外部设备连接，以传输测量数据供处理和显示。然而，安装导线来连接传感器和外部设备降低了被测量物体的移动性。对于患者监控，使用导线连接传感器和外部设备也将降低患者的舒适度。因此，需要提供一种用于测量物体的形状的系统和方法，能够同时改善被测量物体的移动性和舒适度。

发明内容

一种用于使用磁感应无线电传感器测量物体的形状的系统和方法，包括：利用磁感应无线电传感器的磁环天线至少部分地包围所述物体，其中磁环天线的电感取决于物体的形状；以及在与磁环天线耦合的天线匹配电路处响应于磁环天线的电感提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且该谐振电路具有固定的谐振频率，其中，所述特定电容用于测量物体的形状。通过使用磁感应无线电传感器来测量物体的形状，同时改善了被测量物体的移动性和舒适度。

在实施例中，一种用于测量物体的形状的磁感应无线电传感器包括磁环天线、天线匹配电路和测量单元。磁环天线配置用于至少部分地包围物体，其中，磁环天线的电感取决于物体的形状。天线匹配电路与磁环天线耦合，其中天线匹配电路包括可调电容模块，可调电容模块配置用于提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且该谐振电路具有固定的谐振频率。测量单元配置用于利用可调电容模块的特定电容来产生测量值，其中，所述测量值表示对物体的形状的测量。

在实施例中，一种用于使用磁感应无线电传感器来测量物体的形状的方法包括：利用磁感应无线电传感器的磁环天线至少部分地包围物体，其中磁环天线的电感取决于物体的形状；在与磁环天线耦合的天线匹配电路处提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且该谐振电路具有固定的谐振频率；以及使用特定电容产生测量值，其中，所述测量值表示对物体的形状的测量。

在实施例中，一种用于测量物体的形状的磁感应无线电系统包括磁感应无线电传感器和远程设备。磁感应无线电传感器包括磁环天线、天线匹配电路、测量单元和发送机。磁环天线配置用于至少部分地包围物体，其中磁环天线的电感取决于物体的形状。天线匹配电路与磁环天线耦合，其中，天线匹配电路包括可调电容模块，可调电容模块配置用于提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路形成谐振电路，并且该谐振电路具有固定的谐振频率。测量单元配置用于利用可调电容模块的特定电容来产生测量值，其中，所述测量值表示对物体的形状的测量。发送机配置用于使用磁环天线发送所产生的测量值。远程设备配置用于接收从磁感应无线电传感器的发送机发送的测量值。

从结合附图的下列详细描述中，本发明实施例的其他方面和优点将变得显而易见，附图是作为本发明原理的示例而绘制的。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的磁感应无线电传感器的示意框图。

图2描绘了示例性可拉伸磁环天线。

图3示出了图2中的可拉伸磁环天线的天线部分的三个示例。

图4示出了图2中的可拉伸磁环天线的示例性蜿蜒导电走线的集合。

图5描绘了另一示例性可拉伸磁环天线。

图6描绘了另一示例性可拉伸磁环天线。

图7示意了当示例性可拉伸磁环天线被拉伸时的效果。

图8和图9描绘了两个示例性可切换电容器阵列。

图10示出了根据本发明实施例的磁感应无线电传感器的示意框图。

图11描绘了具有天线匹配电路的示例性差分输入/输出级。

图12描绘了示例性射频接收信号强度指示电路。

图13示意了将天线匹配电路和磁环天线的谐振频率与收发机的载频对齐的三个场景。

图14是根据本发明实施例的用于使用磁感应无线电传感器测量物体的形状的方法的流程图。

在说明书中，相似附图标记可以用于标识相似的元素。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的磁感应无线电传感器100的示意框图。该磁感应无线电传感器配置用于测量物体102的形状，并利用磁感应以无线方式发送测量结果。磁感应是本领域中公知的，下面将对其进行简要描述。通过诸如环状天线之类的导线的电流产生电磁场，电磁场包括导线周围的磁场以及从导线向外辐射的电场。对于距离远大于相应波长的远场，电场的辐射效应起主导作用。然而，对于距离远小于相应波长的近场，磁场的感应效应起主导作用。在将诸如环状天线之类的第二导线引入磁场内时，磁通量通过第二导线的表面。磁通量的变化会感生电动势(EMF)，并且所感生的EMF产生电流。

与射频(RF)传感器相比，磁感应无线电传感器100具有许多优点。首先，磁感应无线电传感器在短距离情况下更为节约能量，并且能够实现较长的自主性，或者需要的电池比RF传感器要少。其次，磁感应无线电传感器以较低的信号强度下降通过人类组织，而RF信号被身体所衰减，并依赖于视线或对于信号传播的反射。此外，RF信号容易为人体组织吸收，并因此可能出现医疗应用的健康问题。第三，与RF传感器不同，磁感应无线电传感器不需要晶体来将频谱保持在规定的带宽边界内。因此，磁感应无线电传感器可以很容易地集成在单个芯片上。第四，磁感应信号的强度根据距离急剧下降。因此，磁感应信号的干扰电平降低，并且磁感应信号的鲁棒性增强。此外，为了拦截磁感应信号，窃听者需要处于磁感应信号的接近物理范围内，由此改善了磁感应信号的安全性。此外，与RF传感器相比，磁感应无线电传感器的识别更为直观而可靠。第五，制造磁感应无线电传感器的成本低于制造RF传感器的成本。例如，由于较小的密封无线电区域，在生产期间测试磁感应无线电传感器比RF传感器要简单。此外，与传统RF传感器相比，对于磁感应无线电传感器而言，遵守诸如美国联邦通信委员会(FCC)之类的规定更为简单，这是因为磁感应无线电传感器的发射功率通常远远低于设置的门限。第六，磁感应无线电传感器可以使用近场磁感应进行充电。此外，磁感应无线电传感器可以使用通过其天线接收的直接感应电能进行操作，而不需要电池。例如，通过密封的可穿戴式的磁感应无线电传感器的磁天线线圈，感应式的无线充电可以用于这种传感器。第七，当磁感应无线电传感器用于测量物体的形状时，仅需要添加极少的嵌入式软件，而不需要附加硬件组件。

在图1的示意实施例中，磁感应无线电传感器100包括磁环天线104、天线匹配电路106和测量单元108。磁感应无线电传感器的天线匹配电路和测量单元可以在单个集成电路(IC)芯片上实现，以减小磁感应无线电传感器的制造成本和尺寸。磁感应无线电传感器的磁环天线配置用于至少部分地包围物体102。在示例中，至少部分地被磁环天线包围的物体构成了磁环天线的核心。尽管图1中将磁环天线示为完全包围物体，然而，在一些实施例中，该磁环天线可以仅部分地包围物体。例如，磁环天线安装在可拉伸衬底材料上，并且固定到一个或多个物体的锚点(anchor point)，其中锚点的运动导致可拉伸衬底材料和磁环天线的变形，并使得磁环的电感发生变化。磁环天线的电感取决于物体的形状。因此，磁环天线的电感随着物体的形状的改变而发生变化。在一些实施例中，磁环天线的电感近似与磁环天线所包围的物体的面积成比例。

在一些实施例中，磁环天线104是至少部分地包围物体102的可拉伸磁环天线，其具有一匝或多匝。该磁环天线由于物体的扩张和/或收缩而变形，并且其电感发生变化。例如，磁环天线包括安装在可拉伸衬底上的导体。该导体可以是单匝和多匝的导线，例如正弦形状、螺旋形状或蜿蜒形状的铜走线(track)。可拉伸衬底可以是通过在EU所资助的项目(针对大面积应用的可拉伸电子(STELLA)(IST-028026))中发展的技术所制造的编织的可拉伸材料或非编织的可拉伸材料。导体和可拉伸衬底可以至少部分地包围物体，以使得物体的任何截面或体积变化都反映在磁环天线的电感的变化上。例如，磁环天线安装在可拉伸衬底材料上，并且固定到一个或多个物体的锚点，其中锚点的运动使得可拉伸衬底材料和磁环天线变形，并且使得磁环的电感发生变化。在示例中，单匝磁环天线的电感可以表示为：

L = r . (\ln (\frac{8 . r}{a}) - 2 + Y) - - - (1)

其中，L表示单匝磁环天线的电感，r表示环半径，a表示导线半径，Y＝0..1/4，Y由皮肤效应相对于均匀电流分布的结果来决定。如果导线半径a远大于皮肤深度，则皮肤效应完全展开，并且Y等于0。如果导线半径a远小于皮肤深度，则电流均匀分布，并且Y等于1/4。

图2-7描绘了可拉伸磁环天线的示例。图2示出了示例性可拉伸磁环天线200，其完全包围物体202。在图2的实施例中，可拉伸磁环天线在可拉伸衬底204上形成。如图2所示，物体被该可拉伸磁环天线完全围绕。该磁环天线由于物体的扩张和/或收缩而变形，并且其电感发生变化。

可拉伸磁环天线200可以由任意适当形状(例如，正弦形状、螺旋形状或蜿蜒形状)的单匝或多匝导线构成。图3描绘了可拉伸磁环天线的天线部分206的三个示例。如图3所示，第一示例性天线部分210由具有蜿蜒形状的单匝导线212构成。第二示例性天线部分220由两个蜿蜒形状的单匝导线222和224构成，其中单匝单线224的位置略低于单匝导线222。第三示例性天线部分230由两个蜿蜒形状的导线232和234构成，其中单匝导线234的位置完全在单匝导线232下方。

可拉伸磁环天线200可以由蜿蜒的导电走线集合构成。图4描绘了示例性的蜿蜒导电走线集合240。如图4所示，蜿蜒导电走线集合包括多个可拉伸的铜走线242、244和246，这些走线堆叠在一起，并通过导体桥248连接。多个可拉伸铜走线与导体桥的堆叠提高了蜿蜒走线集合的导电的可靠性。当铜走线之一裂开时，由相邻的铜走线通过导体桥来维持导电路径。蜿蜒走线集合的蜿蜒形状能够实现铜走线的可拉伸性，使得这些铜走线可以用于构建磁环天线。例如，将互相连接的蜿蜒导电走线嵌入到透明材料中，该透明材料根据导体走线的蜿蜒形状来成形，以形成磁环天线。

图5示出了示例性可拉伸磁环天线250，其仅部分地包围物体。在图5的实施例中，可拉伸磁环天线是在可拉伸衬底252上形成的平面螺旋环状天线，可拉伸衬底252可以暂时连接(patch)到物体上。图6示出了另一可拉伸磁环天线260，其仅部分地包围物体。在图6的实施例中，可拉伸磁环天线是在可拉伸衬底262上形成的蜿蜒四叶草形状的环状天线，可拉伸衬底262可以暂时连接到物体上。在图5和图6的实施例中，磁环天线由于物体的运动而变形，并且其电感发生变化。

在一些实施例中，可拉伸磁环天线固定到一个或多个物体的锚点，其中锚点的运动会使得磁环天线变形，并改变磁环的电感。图7示意了在固定到物体272的示例性可拉伸磁环天线270被拉伸时的效应。在图7的实施例中，可拉伸磁环天线通过4个锚点274、276、278和280固定到该物体。在被拉伸之前，可拉伸磁环天线处于其原始形状，如图7的左侧所示。当被拉伸时，可拉伸磁环天线从其原始形状改变为拉伸形状，如图7的右侧所示。锚点的运动使得可拉伸磁环天线变形，这导致可拉伸磁环天线的电感发生变化。

在一些实施例中，被测量的物体102是患者的器官，并且磁环天线104被集成在可拉伸带中，该可拉伸带至少部分地包围患者的器官。在示例中，器官是患者的肺，并且可拉伸带缠绕在患者的胸腔和/或腹部周围，以测量患者躯干的扩张和/或收缩，从而测量患者的呼吸。在另一示例中，器官是患者的四肢，可拉伸带缠绕在患者的四肢周围，以测量四肢肌肉的扩张和/或收缩。在一些实施例中，可拉伸带包括集成在可拉伸带中的接触电极，配置用于测量患者的生物电势。

尽管如图1所示磁感应无线电传感器100包括单个磁环天线104，然而，在一些实施例中，磁感应无线电传感器可以包括多个磁环天线和用于选择磁环天线的开关阵列。磁环天线至少部分地包围在物体的不同区域周围，并且磁环天线的电感取决于物体的形状。

磁感应无线电传感器100的天线匹配电路106与磁环天线104耦合。该天线匹配电路包括可调电容模块110，配置用于提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路具有固定的谐振频率。换言之，磁环天线和天线匹配电路构成了谐振电路112，并且该谐振电路具有固定的谐振频率。在一些实施例中，天线匹配电路还包括可以是可调的一个或多个电阻器。谐振电路的谐振频率、磁环天线的电感、以及可调电容模块的电容之间的关系可以表示为：

fr = \frac{1}{2 \times π \times \sqrt{L \times C}} - - - (2)

其中f_r表示谐振电路的谐振频率，L表示磁环天线的电感，以及C表示可调电容模块的电容。由于谐振电路的谐振频率f_r是固定的，因此L和C的乘积是固定的。为了维持固定的谐振频率f_r，电感L的变化将通过电容C的逆变化来补偿。因此，电容C的瞬时值可以用于测量电感值L，电感值L基于被包围的物体102的形状。

在一些实施例中，可调电容模块110包括可切换电容器阵列，用于提供特定电容。与可变电容二极管(也被称为变容二极管或可变容二极管)相比，可切换电容器阵列可以容易地集成在互补金属氧化物半导体(CMOS)器件中，并且不需要使直流(DC)电压偏置。图8和图9描绘了可切换电容器阵列的两个示例160和162。

在一些实施例中，可切换电容器阵列包括与磁环天线并联的电容器分支，其中每一个电容器分支都包括开关和电容器。如图8所示，可切换电容器阵列160包括电容器分支300-1...300-N，其中N为大于1的整数。电容器分支300-1...300-N与磁环天线104并联，并且电容器分支300-1...300-N中的每一个包括开关和电容器。在图8的实施例中，电容器分支300-1包括开关S-1和电容器C-1，而电容器分支300-N包括开关S-N和电容器C-N。电容器C-1...C-N由N比特的控制值控制。在图8的实施例中，电容器C-1由比特B-1控制，而电容器C-N由比特B-N控制。在实施例中，电容器分支300-1...300-N中的电容器C-1...C-N的电容具有因数为2的数值关系。例如，

C_{1} = \frac{C_{p}}{2}, . . ., C_{N} = \frac{C_{p}}{2^{N}}, - - - (3)

其中，C₁表示电容器C-1的电容，C_N表示电容器C-N的电容，C_p表示预定电容，该预定电容是可切换电容器阵列可以改变的最小量。可切换电容器阵列的总电容可以表示为：

C_a＝C_p*B_control (4)

其中C_a表示可切换电容器阵列的总电容，以及B_control表示N比特的控制值B-1...B-N。在另一实施例中，电容器C-1...C-N的电容相等

C₁＝，...，＝C_N (5)

其中C₁表示电容器C-1的电容以及C_N表示电容器C-N的电容。

在一些实施例中，可切换电容器阵列包括与磁环天线串联或并联的级联电容器，其中级联电容器中的每一个与开关耦合，并且具有相同的电容值。如图9所示，可切换电容器阵列162包括级联电容器CC-1...CC-M，其中M是大于1的整数。级联电容器CC-1...CC-M与磁环天线104串联。级联电容器CC-1...CC-M中的每一个都与开关相连。在图9的实施例中，电容器CC-1耦合到开关CS-1，而电容器CC-M耦合到开关CS-M。

回到图1，磁感应无线电传感器100的测量单元108配置用于使用可调节电容模块的特定电容来产生测量值，其中该测量值表示对物体102的形状的测量。在实施例中，所产生的测量值是由天线匹配电路106的可调电容模块110所提供的特定电容值，从而使得谐振电路112针对磁环天线104的电感具有固定的谐振频率。可以使用磁环天线104将所产生的测量值发送到远程设备(未示出)以供显示和/或处理。

图10示出了根据本发明实施例的磁感应无线电系统500的示意框图。该磁感应无线电系统配置用于测量物体502的形状，并由此也可以测量物体的形状的任何变化。如图10所示，磁感应无线电系统包括磁感应无线电传感器504和远程设备506。尽管所示的磁感应无线电系统包括一个磁感应无线电传感器和一个远程设备，然而，在一些实施例中磁感应无线电系统可以包括多于一个的磁感应无线电传感器和/或多于一个的远程设备。

磁感应无线电系统500的磁感应无线电传感器504包括磁环天线508、收发机510和测量单元512。在图10的示意实施例中，磁环天线508与图1的实施例中的磁环天线104相同。

磁感应无线电传感器504的收发机510配置用于使用磁环天线508来将物体502的形状的测量值发送至远程设备506，并使用该磁环天线来接收来自远程设备的命令。收发机包括媒体访问控制(MAC)时分复用(TDM)调度器514、调制器516、放大器518、天线匹配电路520、低噪声放大器(LNA)522、RF接收信号强度指示(RSSI)电路524、混频器526、一个或多个基带滤波器528、可选的基带RSSI电路530和解调器532。

收发机510的MAC TDM调度器514配置用于：利用TDM方案，根据预定时隙，来重复调度对物体502形状的测量以及所产生的测量值向远程设备506的发送。MAC TDM调度单元也可以配置用于在接收到来自远程设备的同步字之后调度对物体的形状的测量。此外，MAC TDM调度器执行帧打包、帧同步、帧差错检测、以及帧差错校正。

在一些实施例中，MAC TDM调度器514根据TDM方案调度利用磁环天线508的数据通信以及天线匹配电路520的动态频率调谐，以能够共享或复用一个物理通信信道上的子信道。时域划分为数个具有预定长度的循环时隙，其中一个或多个时隙被指定为每个子信道。根据TDM方案，为了避免冲突，通信设备只有在与参考时间基准对齐或者同步时才能够使用物理通信信道。换言之，通信设备只有在被分配了用于传输的至少一个时隙时才能够使用物理通信信道。该参考时间基准由一个通信设备设置，假设该通信设备充当“主”设备。主设备将在一个或多个指定时隙中发送同步序列，由此设置参考时间基准。具有星形拓扑的网络中的其他通信设备也被称为“从”设备。对于要参与到该网络中的从设备，这些从设备必须处于主设备的通信范围内，至少在时隙中监听或接收，并在收听到主设备时将其时间基准与主设备对齐。尽管磁感应无线电传感器504也可以是主设备，但是通常远程设备506是主设备。此外，根据TDM方案，存在一个随机访问信道，该信道由主设备和从设备根据时隙aloha复用方案来共享。

时隙aloha复用方案的基本原理如下所述。如果通信设备没有数据要发送，则该通信设备监听所有其他通信设备。如果通信设备有数据要发送，则该通信设备在随机访问信道的第一可用时隙中发送数据。如果承载该数据的消息与任意其他消息冲突，则该通信设备将在随机访问信道的稍后时隙中重试发送该数据。此外，需要子信道的从设备可以使用随机访问信道向主设备发出请求。尽管可以在从设备之间建立通信连接，但是，通常所有数据通信都是从从设备到主设备，主设备充当数据收集器。典型地，给每个磁感应无线电传感器504分配一个单向子信道，在该单向子信道中从磁感应无线电传感器向充当主角色的远程设备506发送传感器数据，并且所有控制消息是使用随机访问信道交换的。

收发机510的调制器516配置用于对来自MAC TDM调度器514的信号进行调制。放大器518配置用于对来自调制器的经调制的信号进行放大。经放大的信号由天线匹配电路520处理，并通过磁环天线508发送到远程设备506。

收发机510的天线匹配电路520耦合到磁环天线508。该天线匹配电路配置用于提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路533，并且该谐振电路具有固定的谐振频率。图11描绘了天线匹配电路602的示例性差分输入/输出级。尽管为了改善信号质量该示例性输入/输出级是对称的，但是在一些实施例中也可以使用单端输入/输出级。该天线匹配电路和差分输入/输出级是分离的。如图11所示，该天线匹配电路包括一个或多个传输电平电容器604、一个或多个调谐电容器606、以及一个或多个调谐电阻器608。传输电平电容器和调谐电容器是可变电容器。调谐电阻器是可变电阻器。传输电平电容器与调谐电容器相连，调谐电容器接地。调谐电阻器耦合至磁环天线508和偏压源，该偏压源接地。传输电平电容器用于调节磁环天线的发送信号电平。调谐电容器用于调节谐振电路的谐振频率。调谐电容器可以与图1、8和9的实施例中所描述的可调电容模块110相同。调谐电阻器用于调节天线匹配电路的等效电阻以及天线匹配电路的带宽。差分输入/输出级包括第一驱动缓冲器610、反向缓冲器612、第二驱动缓冲器614和耦合电容器616和618。第一驱动缓冲器、反向缓冲器和第二缓冲器一起构成了差分变送器驱动。如图11所示，数字调制的信号“发送信号音”在第一驱动缓冲器处呈现，然后由反向缓冲器反转，最后在第二驱动缓冲器处呈现。为了较高的电压，这三个缓冲器利用厚栅氧化层晶体管来实现。由于收发机是AC(交流电)耦合的，因而耦合电容器连接到磁环天线，并连接到LNA 522。

回到图10，收发机510的低噪声放大器(LNA)522配置用于对接收到的信号进行放大。RF接收信号强度指示(RSSI)电路524配置用于测量经放大的信号的信号强度。图12描绘了示例性RF RSSI电路700。在图12的实施例中，RF接收信号强度指示电路包括：对数放大器(LOG AMP)702，用于最优动态范围；均方根(RMS)振幅检测器704；以及模数(ADC)转换器706。收发机510的混频器526配置用于将来自LNA 522的高载频的经放大的信号转换为低基带频率的基带信号。基带滤波器528配置用于对基带信号进行滤波。可选的基带RSS电路530配置用于测量经滤波的基带信号的信号强度。解调器532配置用于对经滤波的基带信号进行解调。

磁感应无线电传感器504的测量单元512配置用于使用天线匹配电路520的电容来产生测量值，其中该测量值表示对物体502的形状的测量。测量单元包括动态调谐模块534和信号调节模块536。动态调谐模块配置用于对天线匹配电路的电容进行调谐，以使得谐振电路533的谐振频率是固定的。例如，在图11的实施例中，动态调谐模块调谐天线匹配电路602的电容器606，以在磁环天线508的电感变化时实现固定的谐振频率。信号调节模块配置用于对来自动态调谐模块的电容值进行处理，以产生物体的形状的测量数据，并将测量数据传送到MACTDM调度器514以进行发送。

此外，动态调谐模块534可以用于初始调谐天线匹配电路520。在诸如频移键控(FSK)之类的调制方案中，可以以不同频率发送逻辑符号“0”和“1”。然而，在谐振频率与用于通信的载波中心频率不对齐的情况下，由于衰减，逻辑符号“0”和“1”可能以不同振幅发送和接收。在一些实施例中，磁感应无线电传感器504的收发机510将谐振电路533的谐振频率与收发机的载频/中心频率对齐，以使得逻辑符号“0”和“1”以相同的振幅发送和接收，从而实现最优传输和检测。

图13示意了谐振电路的谐振频率与收发机的载频/中心频率对齐的三个场景。载频/中心频率f_c等于用于发送逻辑符号“0”的频率f₀与用于发送逻辑符号“1”的频率f₁的平均。也就是f_c＝(f₀+f₁)/2。如图13左侧所示，谐振电路的谐振频率f_r小于载频/中心频率f_c。如图13中间所示，谐振电路的谐振频率f_r等于载频/中心频率f_c。如图13的右侧所示，谐振电路的谐振频率f_r大于载频/中心频率f_c。为了检测频率失调(misalignment)，磁感应无线电传感器发送频带f₀和f₁中的逻辑符号，并在RF RSSI电路514中通过接收到的信号检测信号振幅A0和A1。如果A₀＞A₁并且f_r＜f_c，则为了适当的对齐应增大谐振频率f_r。在这种情况下，动态调谐模块减小调谐电容器606的电容。如果A₀＜A₁并且f_r＞f_c，则为了适当对齐应减小谐振频率f_r。在这种情况下，动态调谐模块增大调谐电容器的电容。

此外，为了避免信号强度测量受到其他设备的干扰，在空闲时隙中调度磁感应无线电传感器504的调谐。由于调谐的传输功率电平较低，所有通信设备能够在相同的时隙中同时执行调谐。可以使用总网络带宽的一部分来分配指定时隙。备选地，可以在不使用网络带宽的情况下分配指定时隙。在示例中，随机访问信道经常是空闲的，这是时隙aloha方案所固有的。在另一示例中，为了数据对齐的目的，每个数据分组之前都可以有同步序列。对于接收数据分组的通信设备，该通信设备必须在有限时间窗口内检测数据分组的同步序列。在没有通信设备正在进行发送并且每个通信设备都在监听通信信道时，所有通信设备都将无法在有限时间窗口内接收到同步序列。因此，所有通信设备都可以使用时隙中的剩余部分来进行调谐。

在一些实施例中，磁感应无线电传感器504包括可再充电电池(未示出)和感应式充电电路(未示出)。在将磁环天线508放置在感应式充电电路所产生的磁场中时，向可再充电电池充电。感应式充电电路还可以进一步作为磁感应无线电传感器的读出设备。备选地，该磁环天线还可以进一步配置用于接收直接感应电能，以使得该磁感应无线电传感器配置用于使用接收到的直接感应电能进行操作，而不使用任何电池。

磁感应无线电系统500的远程设备506包括天线538、接收机/发送机540(也称为收发机)、处理器542和可选的显示器544。远程设备的天线可以是传统的环状天线、螺旋平面印刷电路板(PCB)天线或具有或不具有铁芯的电磁铁。远程设备506的收发机540可以与磁感应无线电传感器504的收发机510类似或者相同。远程设备的处理器可以是任意类型的控制器或处理器，例如数字信号处理器或专用处理器。远程设备的可选显示器可以是任意类型的显示器，例如个人电脑显示器。

图14是根据本发明实施例的用于使用磁感应无线电传感器来测量物体的形状的方法的流程图。在框902，使用磁环天线至少部分地包围该物体，其中，磁环天线的电感取决于物体的形状。在框904，在与磁环天线耦合的天线匹配电路处提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且该谐振电路具有固定的谐振频率。在框906，使用特定电容产生测量值，其中，该测量值表示对物体的形状的测量。

本发明的实施例可以用于医疗、保健和健身应用。例如，本发明的实施例可以用于电感体积描记法，即测量身体部位的扩张和/或收缩，例如，呼吸电感体积描记(RIP)中的肺部、包括手臂和腿的四肢、以及阴茎体积描记法。本发明的实施例也可以用于防止婴儿猝死的婴儿监视器、呼吸辅助设备、以及锻炼期间的应力监控和运动监控。此外，本发明的实施例可以很容易地与被包围的身体部位处的生物电势的测量结合，以提供肌肉扩张的肌电图(EMG)以及呼吸的心电图(心电图)的组合。

尽管该方法中的操作在这里以特定顺序示出并加以描述，然而，该方法的操作顺序可以改变，以便可以按照相反的顺序执行特定操作，或者以便某些操作可以至少部分地与其他操作同时执行。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以以间歇性和/或交互的方式实现。

此外，尽管已经描述或叙述了的本发明的特定实施例包括这里所描述或叙述的若干组件，然而，本发明的其他实施例可以包括更少或者更多组件来实现更少或更多的功能。

此外，尽管已经描述并叙述了本发明的特定实施例，然而本发明并不局限于所描述和叙述的部件的形式或布置。本发明的范围由这里所附的权利要求及其等同物所限定。

Claims

1.一种用于测量物体的形状的磁感应无线电传感器，所述磁感应无线电传感器包括：

磁环天线，配置用于至少部分地包围所述物体，其中所述磁环天线的电感取决于所述物体的形状；

天线匹配电路，与磁环天线耦合，其中所述天线匹配电路包括可调电容模块，所述可调电容模块配置用于提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且所述谐振电路具有固定的谐振频率；以及

测量单元，配置用于使用所述可调电容模块的特定电容来产生测量值，所述测量值表示对物体的形状的测量。

2.根据权利要求1所述的磁感应无线电传感器，其中，所述磁环天线配置为由于物体的扩张和/或收缩而变形。

3.根据权利要求1所述的磁感应无线电传感器，其中，所述可调电容模块包括可切换电容器阵列，用于提供所述特定电容。

4.根据权利要求3所述的磁感应无线电传感器，其中，所述可切换电容器阵列包括电容器分支，所述电容器分支与所述磁环天线并联，以及所述电容器分支中的每一个包括开关和电容器。

5.根据权利要求4所述的磁感应无线电传感器，其中，所述电容器分支中的电容器的电容具有因数为2的数值关系。

6.根据权利要求3所述的磁感应无线电传感器，其中，所述电容器分支中的电容器的电容相等。

7.根据权利要求1所述的磁感应无线电传感器，包括多个磁环天线，所述多个磁环天线配置用于至少部分地包围所述物体，其中所述磁环天线的电感取决于所述物体的形状，所述磁感应无线电传感器还包括开关阵列，用于选择磁环天线。

8.根据权利要求1所述的磁感应无线电传感器，还包括发送机，所述发送机配置用于使用磁环天线将所产生的测量值发送至远程设备。

9.根据权利要求8所述的磁感应无线电传感器，还包括调度单元，所述调度单元配置用于：利用时分复用方案，根据预定时隙重复地调度对物体的形状的测量以及所产生的测量值向远程设备的发送。

10.根据权利要求9所述的磁感应无线电传感器，其中，所述调度单元还配置用于：在接收到来自远程设备的同步字之后，调度对物体的形状的测量。

11.根据权利要求1所述的磁感应无线电传感器，还包括：

感应式充电电路；以及

可再充电电池，其中在将磁环天线放置在所述感应式充电电路所产生的磁场中时，向所述可再充电电池充电；

或者所述磁环天线还被配置用于接收直接感应电能，以使得权利要求1中的磁感应无线电传感器配置为在没有电池的情况下使用接收到的直接感应电能来进行操作。

12.根据权利要求2所述的磁感应无线电传感器，其中，所述物体是患者的器官，以及所述磁环天线集成在可拉伸带中，所述可拉伸带至少部分地包围患者的器官。

13.根据权利要求12所述的磁感应无线电传感器，还包括接触电极，所述接触电极集成在所述可拉伸带中，并被配置用于测量患者的生物电势。

14.根据权利要求13所述的磁感应无线电传感器，其中，所述器官是患者的肺，以及所述可拉伸带缠绕在患者的胸腔和/或腹部周围，以测量患者躯干的扩张和/或收缩，从而测量患者的呼吸。

15.根据权利要求13所述的磁感应无线电传感器，其中，所述器官是患者的四肢，以及所述可拉伸带缠绕在患者的四肢周围，以测量四肢肌肉的扩张和/或收缩。

16.一种用于使用磁感应无线电传感器来测量物体的形状的方法，所述方法包括：

利用磁感应无线电传感器的磁环天线至少部分地包围所述物体，其中磁环天线的电感取决于物体的形状；

在与磁环天线耦合的天线匹配电路处提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且所述谐振电路具有固定的谐振频率；以及

使用特定电容来产生测量值，所述测量值表示对物体的形状的测量。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：响应于所述磁环天线由于物体的扩张和/或收缩的变形来调整所述特定电容，以使得所述谐振电路仍具有固定的谐振频率。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，提供特定电容包括：使用可切换电容器阵列来提供特定电容，其中所述可切换电容器阵列包括与所述磁环天线并联的电容器分支，以及所述电容器分支中的每一个包括开关和电容器。

19.一种用于测量物体的形状的磁感应无线电系统，所述磁感应无线电系统包括：

磁感应无线电传感器，包括：

磁环天线，配置用于至少部分地包围所述物体，其中磁环天线的电感取决于所述物体的形状；

天线匹配电路，与磁环天线耦合，其中，天线匹配电路包括可调电容模块，可调电容模块配置用于提供特定电容，以使得磁环天线和天线匹配电路构成谐振电路，并且所述谐振电路具有固定的谐振频率；

测量单元，配置用于使用所述可调电容模块的特定电容来产生测量值，所述测量值表示对物体的形状的测量；以及

发送机，配置用于使用磁环天线来发送所产生的测量值；以及

远程设备，配置用于接收从磁感应无线电传感器的发送机发送的测量值。

20.根据权利要求19所述的磁感应无线电系统，其中，所述物体是患者的器官，所述磁环天线集成在可拉伸带中，所述可拉伸带至少部分地包围患者的器官，以及，所述可调电容模块包括用于提供所述特定电容的可切换电容器阵列。