BRPI0611383A2 - sistema rf para acompanhar objetos - Google Patents

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BRPI0611383A2
BRPI0611383A2 BRPI0611383-4A BRPI0611383A BRPI0611383A2 BR PI0611383 A2 BRPI0611383 A2 BR PI0611383A2 BR PI0611383 A BRPI0611383 A BR PI0611383A BR PI0611383 A2 BRPI0611383 A2 BR PI0611383A2
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Jean-Louis Laroche
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Orthosoft Inc
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Abstract

A presente invenção refere-se a um sistema (10) para fazer o acompanhamento de um objeto, no espaço, para verificação de posicionamento, compreendendo um dispositivo transdutor (12) conectável ao objeto. O dispositivo transdutor (1 2)tem uma ou várias antenas (20) e um circuito transdutor (21) conectado à antena do transdutor (20) para receber um sinal de RF através da antena de transdutor (20). O dispositivo transdutor (12) acrescentando um atraso conhecido ao sinal RF, aí produzindo uma resposta RF para transmissão através da antena do transdutor (20). Um transmissor (42)é conectado à primeira antena (43) para transmitir o sinal de RF através da primeira antena (43). Um receptor (42)é conectado à primeira, segunda e terceira antenas(43, 44,45) para receber a resposta RF do dispositivo transdutor (42) através daí. Um calculador de posição (46)é associado ao transmissor (42) e ao receptor (42) para calcular uma posição do objeto como uma função de atraso conhecido e do período de tempo entre a emissão do sinal RF e a recepção da resposta RF a partir da primeira, segunda e terceira antenas (43, 44,45). Também é provido um método.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA RFPARA ACOMPANHAR OBJETOS".
Referência Cruzada a Pedidos Relacionados
O presente pedido reivindica prioridade, no pedido de solicitaçãoprovisória de patente US n- 60/678.190, depositado em 6 de maio de 2005,pelo presente pedido, que é aqui incorporado por referência.
Fundamentos da Invenção
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um sistema RF para acompa-nhar objetos no espaço, para fins de posicionamento e orientação. O siste-ma de acompanhamento, de RF, nesse documento, é usado como exemplopara seguir ferramentas em uma cirurgia monitorada por computador, masoutras considerações são também consideradas, tais como na área de mine-ração, recuperação de inventário armazenado, nanorobótica, neurocirurgia,cardiologia, endodiagnose, rastreamento de veículo e quaisquer outras apli-cações industriais.
Antecedentes na Técnica
Em geral, é necessário que se faça o acompanhamento dos ob-jetos, para fins de orientação e posicionamento. Por exemplo, em cirurgiasmonitoradas por computador, é feito o acompanhamento do posicionamentoe orientação das ferramentas para prover ao cirurgião dados úteis referentesà posição relativa entre os elementos ósseos e as ferramentas cirúrgicas.
Por exemplo, a cirurgia ortopédica envolvendo implantação de ossos se be-neficia da utilização do sistema de acompanhamento que irá prover as in-formações precisas referentes às alterações dos elementos ósseos.
Os sistemas de acompanhamento conhecidos não oferecemuma precisão adequada, ou não são completamente adequados para os ti-pos de manobras associadas à utilização dos sistemas de acompanhamen-to. Por exemplo, em uma cirurgia monitorada por computador, são usadossistemas óticos para fazer o acompanhamento das ferramentas. Em tais sis-temas, é requerida uma linha de visão entre os sensores de movimento e aferramenta a fim de prover os dados precisos de posicionamento e orientação.Por conseguinte, a posição do paciente que está sendo operado é influenci-ado por essa linha de visão, a qual precisa ser mantida entre a ferramenta eos sensores de movimento.
Outros tipos de sistema, tais como emissores magnéticos e simi-lares, têm sido usados em cirurgias monitoradas por computador. Porém,tais sistemas envolvem, tipicamente, componentes volumosos, ou fios queinterconectam componentes do emissor. Portanto, considerando que o es-paço de trabalho em um ambiente cirúrgico precisa ser esterilizado, o uso detais sistemas constitui uma solução cara.
Sumário da Invenção
Portanto, um objetivo da presente invenção é prover um novosistema RF para fazer o acompanhamento de objetos.
Um outro objetivo da presente invenção é tratar de questões datécnica anterior.
Portanto, de acordo com a presente invenção, é provido um sis-tema para fazer o acompanhamento de um objeto, no espaço, para verifica-ção de posicionamento, compreendendo: um dispositivo transdutor conectá-vel ao objeto, tal dispositivo tendo uma antena de transdutor e um circuitotransdutor conectado à antena do transdutor para receber um sinal de RFatravés da antena de transdutor, o dispositivo transdutor acrescentando umatraso conhecido ao sinal RF, aí produzindo uma resposta para transmissãoatravés da antena do transdutor; primeira, segunda e terceira antenas; umtransmissor conectado à primeira antena para transmitir o sinal de RF atra-vés da primeira antena; um receptor conectado à primeira, segunda e tercei-ra antenas para receber a resposta RF do dispositivo transdutor através daí;e um caiculador de posição associado ao transmissor e ao receptor paracalcular uma posição do objeto como uma função do atraso conhecido e doperíodo de tempo entre a emissão do sinal RF e a recepção da resposta RFa partir da primeira, segunda e terceira antenas.
Ainda de acordo com a presente invenção, é provido um métodopara acompanhar um objeto no espaço, em referência ao posicionamento,compreendendo as etapas de: emitir um sinal de RF a partir de uma posiçãofixa; receber, com um dispositivo transdutor no objeto, o sinal RF; emitir, apartir do dispositivo transdutor, um sinal de retorno RF que consiste no sinalRF com um atraso de tempo conhecido; receber o sinal RF com pelo menostrês antenas associadas à posição fixa; e calcular uma posição do objeto deuma distância entre cada uma dentre pelo menos três antenas e o dispositi-vo transdutor como uma função de atraso conhecida e o período de tempoentre a emissão do sinal RF e a recepção da resposta RF da primeira, se-gunda e terceira antenas.
Breve Descrição dos Desenhos
Assim, tendo descrito a natureza da invenção, será feita referên-cia aos desenhos em anexo, mostrando, a título de ilustração, uma sua mo-dalidade preferida, na qual:
A figura 1 é um diagrama em bloco ilustrando um sistema deacompanhamento, de acordo com a modalidade preferida da presente in-venção.
Descrição das Modalidades Preferidas
Com referência à figura 1, um sistema de acompanhamento, deacordo com a presente invenção, é geralmente mostrado em 10. O sistemade acompanhamento 10 tem um dispositivo transdutor 12 (deslocável, comsua fonte de energia independente)e uma central de acompanhamento, 14(fixa). A central de acompanhamento 14 é, opcionalmente, conectada a umsistema de cirurgia monitorado por computador, 16, ou outros dados de ori-entação e posicionamento do sistema que serão produzidos pela central deacompanhamento 14.
O dispositivo transdutor 12 é conectável a uma ferramenta, ououtro objeto a ser acompanhado no espaço, para fins de posicionamento eorientação, se requerido. A inter-relação entre o dispositivo transdutor 12 e oobjeto a ser acompanhado é conhecida (por exemplo, através de calibra-gem), tal como um acompanhamento do dispositivo transdutor 12 irá permitirque a central de acompanhamento 14 obtenha as informações de orientaçãopertinentes ao objeto (por exemplo, a ponta da ferramenta). O dispositivotransdutor 12 e as antenas da central de acompanhamento 14 são tipica-mente separadas por uma distância que varia entre 0,5 a 10,0 m em umacirurgia monitorada por computador, mas poderia ser mais ou menos depen-dente do tipo de aplicação.
O dispositivo transdutor 12 tem uma antena 20 conectada a umcircuito transdutor 21. A antena 20 é provida para receber sinais de entradaRF e para emitir sinais de resposta como uma função de entrada de sinaisRF, conforme direcionado pelo circuito transdutor 21.
O circuito transdutor 21 recebe os sinais de entrada RF e contro-la a emissão de uma resposta através da antena 20. Mais especificamente,entre a recepção de um sinal e a transmissão de um sinal de resposta dodispositivo transdutor 12, ocorre um atraso de tempo; tal atraso de tempo éconhecido. O atraso de tempo é, por exemplo, causado por um ou mais filtrosSAW, uma linha de atraso ou outro método de atraso em um circuito de a-traso. O circuito transdutor 21 pode, também, ampliar o sinal de entrada RF.
A central de acompanhamento 14 tem um controlador 40. Talcontrolador 40 é uma unidade de processamento (por exemplo, microcontro-lador, computador ou similar)que controla a operação da central de acompa-nhamento 14. O controlador 40 é conectado a uma interface de usuário 41,por meio da qual o operador pode comandar o sistema de acompanhamento10. O controlador 40 transmite os dados de posicionamento e orientaçãoassociados à interface do usuário 41 como saída do sistema de acompa-nhamento 10.
O controlador 40 também é conectado a um transmissor/receptor42. O transmissor/receptor 42 é provido para emitir sinais modulados RF atravésde antenas 43, 44 e 45 e para receber um sinal de retorno RF a partir dodispositivo do transdutor 12 usando antenas 43 a 45.
Por conseguinte, conforme mostrado na figura 1, as antenas 43a 45 são todas conectadas separadamente ao transmissor/receptor 42. Épreferível minimizar a distância entre o transmissor/receptor 42 e as antenas43 a 45 para minimizar qualquer defasagem. Porém, as tabelas de valor po-dem ser usadas para a compensação de qualquer atraso na transmissãodevido a uma distância que não é negligível entre o transmissor/receptor 42e as antenas 43 a 45. A operação do transmissor/receptor 42 é comandadapelo controlador 40.
Um calculador de posição/orientação 46 é conectado ao contro-lador 40. O calculador de posição/orientação 46 é tipicamente um software,ou acionamento associado ao controlador 40, pelo qual a posição e, se re-querido, a orientação que pertence ao dispositivo do transponder 12 é calcu-lada. A operação do calculador de posição/orientação 46 será descrita daquiem diante.
Um detector de obstrução 47 também é conectado ao controla-dor 40. O controlador 40 comanda o detector de obstrução 47, o qual irá de-tectar qualquer obstrução entre o dispositivo do transdutor 12 e a central deacompanhamento 14. Mais especificamente, é possível que os objetos deobstrução-indução causem interferência entre as antenas 43 a 45 da centralde acompanhamento 14 e a antena 20 do dispositivo transdutor 12. Por con-seguinte, o detector de obstrução 47 é provido de modo a levar em contaqualquer obstrução, e qualquer obstrução será considerada em cálculos deposição pelo software de compensação no calculador 46 de posição/orien-tação. Por exemplo, o ruído e o nível do sinal RF recebido pelas antenas 43a 45 é monitorado para determinar o nível de interferência, cuja informação éusada daí em diante pelo software de compensação. O detector de obstru-ção 47 pode sinalizar que um nível de interferência que não é negligível estápresente (sinal de som, sinal visual), de modo a alertar ao operador para queremova qualquer objeto que dê interferência do campo de operação.
O sistema de cirurgia monitorado por computador 16 é opcio-nalmente conectado ao controlador 40 (por exemplo, uma conexão sem fi-o)de modo a receber os dados de posição e orientação que serão usadospelo sistema de cirurgia monitorado por computador 16 para prover tais in-formações de várias formas para o operador do sistema de cirurgia monito-rado por computador 16.
Agora que os vários componentes do sistema de acompanha-mento 10 foram descritos, segue-se uma operação geral do sistema de a-companhamento 10.Para obter as informações de posicionamento e orientação re-queridos para um objeto, o controlador 40 irá iniciar uma transmissão para odispositivo do transdutor 12. O controlador 40 irá enviar um sinal para o cal-culador de posicionamento/orientação 46.
Por exemplo, um pulso de ativação é enviado ao calculador deposicionamento/orientação 46. O calculador de orientação de posicionamen-to/orientação 46 tem um contador Òe ciclo (isto é, um relógio interno)e osvalores do contador no momento de transmissão (Tx)e no momento da re-cepção (Rx)serão usados nos cálculos de posicionamento. A medição defase também é considerada por Um comparador de fase no calculador deposicionamento/orientação 46, conforme será descrito a seguir.
Simultaneamente, um pulso de ativação de tansmissor é enviadodo controlador 40 para o transmissor/receptor 42. Por conseguinte, o trans-missor/receptor 42 irá enviar um sinal de ativação para uma das antenas 43a 45. Por exemplo, a antena 43 irá emitir um sinal RF modulado (por exem-plo, um pulso RF)a partir dessa ativação do controlador 40.
O pulso RF modulado da antena 43 será recebido pela antena20 do dispositivo transdutor 12. O pulso RF modulado recebido pela antena20 será encaminhado pelo circuito do transdutor 21, que irá retornar o sinalem forma de um pulso de retorno retardado emitido pela antena 20. Confor-me mencionado anteriormente, é conhecido o atraso entre o receptor do si-nal pela antena 20 e a emissão de um sinal de retorno pela antena 20. Opulso RF modulado é um trem de onda de curto comprimento, como umafunção de comprimento curto, como uma função do tamanho do circuito dotransdutor 21.
O pulso modulado RF pode ser amplificado para o sinal de re-torno atrasado. Mais especificamente, para reduzir o efeito das reflexões,considera-se que provê ganho ao sinal de retorno. Qualquer ganho no dis-positivo do transdutor 12 é como uma função de sensibilidade de recepçãodo transmissor/receptor 42. Também é considerado prover um ganho comouma função de qualquer perda de magnitude para o pulso RF de entradamodulado.O sinal RF de retorno emitido do dispositivo transdutor 12 serárecebido por todas as três antenas 43, 44 e 45. Por conseguinte, a triangula-ção, o posicionamento do dispositivo transdutor 12 pode ser calculado.
Cada uma das três antenas 43 a 45 irá enviar a notificação dosinal de retorno atrasado para o transmissor/receptor 42 que irá encaminharesse sinal de extremidade do receptor para o controlador 40.
O controlador 40, tendo recebido o sinal, irá ativar o calculadorde orientação/posicionamento 46 por meio de um pulso de extremidade, demodo a obter um valor de tempo para a recepção do sinal com contador deciclo. O sinal será reconhecido pelo calculador de posicionamento/orientação46, onde a posição do dispositivo transdutor 12 pode ser calculado usando-se a triangulação com a distância entre as antenas 43 a 45 e o dispositivotransdutor 12. O retardo de tempo no dispositivo transdutor 12 é levado emconta quando se calcula a distância entre as antenas 43 a 45 e o dispositivotransdutor 12.
Salienta-se que se a informação sobre orientação for requerida,o objeto deve ser equipado de três do dispositivo transdutor 12, em uma dis-posição não-linear ou ortogonal. Alternativamente, um dispositivo transdutor12 tendo três antenas 20 para o circuito transdutor 21, via as comutações RFapropriadas, pode ser usado. As três antenas do transdutor seriam orienta-das de modo ortogonal. Um único dispositivo transdutor 12, ou dispositivotransdutor 12 com uma única antena irá apenas prover as informações deposição.
Caso o calculador de posicionamento/orientação 46 use o con-tador de ciclo, a quantidade de tempo entre a emissão do pulso RF modula-do e a recepção do sinal RF de retorno pelo transmissor/receptor 42 é calcu-lado como uma função do número de ciclos medidos pelo contador de ciclo.O comparador de fase é, então, usado para transformar um ciclo restanteincompleto em um valor de tempo, o qual será usado para calcular, com onúmero de ciclos, o tempo total entre a emissão e a recepção de um sinalpelo transmissor/receptor 42.
Conforme mencionado anteriormente, a distância entre as ante-nas e o dispositivo transdutor 12 é calculada como uma função desse valorde tempo e, considerando o retardo de tempo no dispositivo transdutor 12 ea velocidade da luz.
Embora a central de acompanhamento 14 tenha sido descritacomo tendo três antenas, a saber as antenas 43 a 45* considera-se a provi-são do dispositivo transdutor 12 e/ou a central de acompanhamento 14 comantes adicionais para garantir a precisão da medida de posicionamento eorientação. Além disso, o tipo de antenas usadas pode ser selecionado co-mo uma função do nível de precisão requerido. Em uma modalidade, a se-ção de acompanhamento 14 tem, tipicamente, um painel de circuito impres-so de forma retangular, tendo antenas em seus cantos (com circuito paracada antena), assim como o circuito requerido do transmissor/receptor 42 eoutros componentes da central de acompanhamento 14. Porém, outras con-figurações são consideradas, tais como os circuitos de impressão indepen-dentes para cada antena. Qualquer três das antenas são dispostas paraformar um plano. A freqüência de sinal é, tipicamente, 915 MHz. Os váriossinais de ativação são de freqüência adequada. Como um exemplo, conside-ra-se o uso das antenas YAGI para a central de acompanhamento 14.
O detector de obstrução 47 é conectado ao controlador 40, demodo a alimentar os dados de obstrução para o controlador 40. Mais especi-ficamente, considera-se usar um sensor visual (ou áudio, ultrassom, senso-res a laser ou similares)que irá detectar a presença de objetos entre as an-tenas 43, 44 e/ou 45 e o dispositivo transdutor 12. Como resultado de qual-quer obstrução, o calculador de posicionamento/orientação 46 levará emconta tais dados no cálculo do posicionamento e orientação do dispositivotransdutor 12. Se a central de acompanhamento 14 for provida de mais doque três antenas, é possível remover os sinais de uma das antenas no cal-culo do posicionamento e da orientação pelo calculador de posicionamen-to/orientação 46, se for considerado que há obstrução entre dada antena e odispositivo transdutor 12. Considera-se a provisão do calculador de posicio-namento/orientação 46 com uma base de dados de informações tabuladaspertencentes ao efeito de vários tipos de obstrução. Essas informações po-deriam ser usadas para corrigir o cálculo do posicionamento e orientaçãocomo uma função do tipo de obstrução.
A operação acima descrita do sistema envolve a emissão depulsos modulados de RF por uma das antenas 43 a 45. Porém, para proverconstantemente informações de posicionamento e orientação sobre o dispo-sitivo do transdutor 12, salienta-se; que a central de acompanhamento 14seja constantemente pulsos RF de ciclos modulados mudando-se, seqüen-cialmente, a emissão das antenas 43 a 45, ou qualquer outra seqüência a-dequada.
Outros usos considerados para o sistema de acompanhamento10 incluem a mineração, a recuperação do inventário de armazenagem, ananorrobótica, a neurocirurgia, a cardiologia, a endodiagnose, o acompa-nhamento de veículos e qualquer outra aplicação industrial. Considera-seanexar o dispositivo transdutor 12 a uma sonda. Tal sonda poderia ser umasonda injetável (por exemplo, injetável em seres vivos, tais como pessoas eanimais.

Claims (16)

1. Sistema para fazer o acompanhamento de um objeto, no es-paço, para verificação de posicionamento, compreendendo: um dispositivotransdutor conectável ao objeto, tal dispositivo tendo uma antena de transdu-tor e um circuito transdutor conectado à antena do transdutor para receberum sinal de RF através da antena de transdutor, o dispositivo transdutor a-crescentando um atraso conhecido ào sinal RF, aí produzindo uma respostapara transmissão através da antena do transdutor; primeira, segunda e ter-ceira antenas; um transmissor conectado à primeira antena para transmitir osinal de RF através da primeira antena; um receptor conectado à primeira,segunda e terceira antenas para receber a resposta RF do dispositivo trans-dutor através daí; e um calculador de posição associado ao transmissor e aoreceptor para calcular uma posição do objeto como uma função do atrasoconhecido e do período de tempo entre a emissão do sinal RF e a recepçãoda resposta RF a partir da primeira, segunda e terceira antenas.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que a antenado transdutor compreende três antenas do transdutor, orientadas de formaortogonal, em que a orientação do dispositivo transdutor é calculável comouma função da resposta RF das antenas dos três transdutores.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o calcula-dor de posicionamento tem um relógio para medir o período de tempo, o re-lógio sendo ativado pelo transmissor.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, em que o relógiodo calculador de posicionamento compreende um contador de ciclo e umcomparador de fase.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o calcula-dor de posicionamento tem dados de valor associados a uma distância entrea primeira, segunda e/ou terceira antenas um valor de tempo, em que o cal-culador de posicionamento é para calcular a posição como uma função deretardo conhecida, o período de tempo e a distância entre a primeira, segun-da e/ou terceira antena.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo,ainda, uma quarta antena conectada ao receptor para receber a resposta RFatravés daí, com o período de tempo incluindo a recepção da resposta RF apartir da quarta antena.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo,ainda, o detector de obstrução associado ao calculador de posicionamento,o detector de obstrução para produzir os dados de obstrução, ém que o cal-culador de posicionamento é para calcular a posição do objeto como umafunção de atraso conhecida, o período de tempo e os dados de obstrução.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, em que o dispositi-vo transdutor é para simplificar a resposta RF1 de tal modo que o detector deobstrução identifique as obstruções reflectivas.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, compreendendo,ainda, uma quarta antena conectada ao receptor para receber a resposta RFatravés daí, o detector de obstrução para considerar as resposta RF recebi-da através de todas as quatro antenas para identificar a obstrução, em queos dados de obstrução filtram a resposta RF recebida através de uma dasquatro antenas quando é feita a detecção da obstrução para tal uma antena.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, em que o detectorde obstrução tem um dispositivo sensor para detectar, visualmente, as obs-truções.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação i, em que o disposi-tivo transdutor tem uma fonte de energia portátil.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que tal dispo-sitivo transdutor é comutado entre três antenas do transdutor e um circuitodo transdutor é conectado às antenas do transdutor para receber os sinaisRF através das antenas do transdutor, os dispositivos do transdutor paraadicionar um atraso conhecido ao sinal RF para, daí, produzir pulsos RF pa-ra transmitir através das antenas do transdutor, em que as três antenas dotransdutor são orientadas de forma ortogonal.
13. Método para acompanhar um objeto no espaço, em referên-cia ao posicionamento, compreendendo as etapas de: emitir um sinal de RFa partir de uma posição fixa; receber, com um dispositivo transdutor no obje-to, o sinal RF; emitir, a partir do dispositivo transdutor, um sinal de retornoRF que consiste no sinal RF com um atraso de tempo conhecido; receber osinal RF com pelo menos três antenas associadas à posição fixa; e calcularuma posição do objeto de uma distância entre cada uma dentre pelo menostrês antenas e o dispositivo transdutor como uma função de atraso conheci-da e o período de tempo entre a emissão do sinal RF e a recepção da res-posta RF da primeira, segunda e terceira antenas.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, em que a etapade receber o sinal RF é realizada em três eixos ortogonais, de modo que aetapa de calcular também envolva calcular a orientação do objeto.
15. Método, de acordo com a reivindicação 13, compreendendo,ainda, a etapa de detectar a obstrução antes da etapa de calcular a posiçãodo objeto, tal posição sendo calculada como uma função de atraso conheci-da, o período de tempo e os dados da obstrução.
16. Método, de acordo com a reivindicação 13, em que a etapade receber o sinal RF é realizada com quatro antenas, de modo tal que aposição seja calculada como uma função de atraso conhecida e o períodode tempo entre a emissão do sinal RF e a recepção de RF da primeira, se-gunda, terceira e quarta antenas.
BRPI0611383-4A 2005-05-06 2006-05-05 sistema rf para acompanhar objetos BRPI0611383A2 (pt)

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