CN101396266A - 基于无源谐振的应答器的位置跟踪 - Google Patents

Abstract

一种用于位置跟踪的系统，包括一个或多个场发生器，设置成产生一个或多个各自的随位置改变的磁场。该应答器包括具有谐振频率的谐振电路并包括场响应元件，其可用于响应于所述一个或多个磁场而改变谐振频率。将位置跟踪器设置成远程感测谐振电路的谐振频率并响应所感测的谐振频率来确定应答器的位置。

Description

基于无源谐振的应答器的位置跟踪

技术领域

本发明通常涉及位置跟踪系统，特别是用于跟踪无源应答器(passivetransponder)位置的方法和系统。

背景技术

本领域已知各种方法和系统用于跟踪医学过程中涉及的对象的坐标。这些系统其中一些使用磁场测量。例如，美国专利5,391,199和5,443,489，其公开作为参考结合于此，在它们中描述了使用一个或多个场换能器来确定体内探针坐标的系统。使用这些系统用于产生关于医学探针(诸如导管)的位置信息。将位置传感器放置在该探针中并响应外部所施加磁场产生信号。该磁场由固定到已1知的相互间隔位置上的外部参考框架的磁场发生器(诸如辐射器线圈)产生。

涉及磁场位置跟踪的其他方法和系统也被描述，例如，在PCT专利公开WO96/05768、美国专利4,849,692、4,945,305、5,453,686、6,239,724、6,332,089、6,618,612和6,690,963以及美国专利申请公开2002/0065455A1、2003/0120150A1、2004/0068178A1和2004/0147920A1，其公开全部作为参考结合于此。这些公布描述了跟踪体内对象(诸如心脏导管、整形移植物)和用在不同医学过程中的医学器械的位置的方法和系统。

美国专利6,484,118，其公开作为参考结合于此，描述了利用单轴位置传感器和位置及方向判断方法来确定对象位置和方向的医学跟踪系统和方法。

在专利文献中所描述的一些应答器和传感器包含谐振电路。例如，美国专利6,535,108，其公开作为参考结合于此，描述了具有谐振阻抗-电感-电容(RLC)电路的应答器，该应答器包含响应外部施加调制能量场变化的一个或多个电磁能量存储元件。除了该能量场之外，基站发射具有与RLC电路静止谐振频率基本相同频率的载波信号。当元件改变时，RLC电路的谐振频率发生变化，用外部调制能量场来调制该载波信号。该调制的效果由基站进行探测。在基站处通过接收并解调该调制信号来获得信息(例如，标签的存在)。

作为另一示例，美国专利6,206,835，其公开作为参考结合于此，描述了一种植入设备，该设备响应外部询问电路。该植入设备包括可植入到活体动物内并在操作上配置成执行或帮助执行活体动物内功能的结构。该设备进一步包括电子无源感测电路用于感测与该功能相关的参数。该感测电路包括感测元件，其中该感测电路响应于由激发器/询问器元件提供的询问信号，对询问电路产生依赖于频率的可变阻抗加载效应，该阻抗加载效应关于传感参数而改变。

发明内容

本发明的实施例提供了用于跟踪附着于插入到患者体内的对象的应答器的位置和方向的方法和系统。在一些实施例中，一个或多个场发生器在包含该应答器的工作体积内产生随位置变化的场。该应答器包含谐振电路，其谐振频率响应于在其邻近处的随位置变化的周围磁场而改变。这样，该谐振频率指示了应答器相对于产生该场的场发生器的位置和方向。

位置跟踪器远程感测应答器中的谐振电路的谐振频率，以确定该应答器的位置和方向，进而确定对象相对于一个或多个场发生器的位置和方向。

在一些实施例中，谐振电路包含场响应元件，其响应周围的磁场改变它的电学属性。在一些实施例中，该场响应元件包含放置在磁感应芯周围的电感器，该电感器响应随位置变化的磁场而改变它的磁导率。磁导率的变化改变了电感器的感应系数，这进而改变了谐振电路的谐振频率。

在其他实施例中，该场响应元件包含附着于磁限制元件的电容器。响应于随位置改变的磁场的磁限制元件的收缩和/或延伸，改变了电容器的电容量并进而改变了谐振电路的谐振频率。

在一些实施例中，使用在此所描述的构造的应答器既是无源的又是无线的，使它们能够在没有任何导线连接到外部位置跟踪系统的情况下基本上无限期地保持作用。

在一些实施例中，此处所描述的方法和系统可使用具有低频率的磁场，从而增强系统对由磁场中金属对象所引起的失真的抗干扰性。

因此根据本发明的实施例提供了用于位置跟踪的系统，包括：

一个或多个场发生器，设置成产生一个或多个各自的随位置变化的磁场；

应答器，其包括具有谐振频率的谐振电路并包括场响应元件，该场响应元件可用于响应于所述一个或多个磁场而改变谐振频率；以及

位置跟踪器，设置成远程感测谐振电路的谐振频率并响应所感测的谐振频率来确定应答器的位置。

在一个实施例中，将该应答器附着于适于插入到患者体内的对象上，并将位置跟踪器设置成确定对象在体内的位置。

在另一实施例中，场响应元件包括具有感应系数的电感器，该感应系数响应所述一个或多个磁场而改变，从而改变谐振频率。该电感器可以包括芯，该芯包括磁感应材料并具有磁导率，该磁导率响应所述一个或多个磁场而改变从而改变所述感应系数。

在又一实施例中，场响应元件包括具有电容的电容器，该电容响应所述一个或多个磁场而改变从而改变谐振频率。在一个实施例中，该电容器包括导电电极，而场响应元件包括附着于至少所述电极之一并设置成响应所述一个或多个磁场改变电极空间关系从而改变电容的磁限制元件。

在又一实施例中，所述一个或多个场发生器的每一个包括至少两个由各自驱动信号驱动的场辐射线圈从而产生旋转磁场。另外或作为替换，所述一个或多个场发生器包括在两个或更多个不同的各自位置处的两个或更多个场发生器，它们相继运转以产生各自的随位置变化的磁场。

在一个实施例中，位置跟踪器设置成在预定的频率范围向应答器发射探测信号(probe signal)，接收由应答器响应探测信号产生的信号，响应应答器产生信号在所述频率范围由谐振电路测量探测信号的加载，以及响应于该加载估计所述谐振频率。

根据本发明的实施例还提供了用在位置跟踪系统中的应答器，该应答器包括具有谐振频率的谐振电路并包括可用于响应于外加磁场改变谐振频率的场响应元件，使得该谐振电路可变地响应于所述磁场反映谐振频率附近的探测信号。

根据本发明的实施例额外提供了用于位置跟踪的方法，包括：

将应答器附着于对象，该应答器包括具有谐振频率的谐振电路并包括可用于响应于周围磁场改变谐振频率的场响应元件；

在对象的附近产生随位置变化的磁场；

远程感测谐振电路的谐振频率；以及

响应于所感测的谐振频率来确定应答器的位置。

从下面实施例的详细描述，加上附图将更充分地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明实施例的位置跟踪系统示意性图解；

图2是示意性示出了根据本发明实施例的位置跟踪系统的元件的结构图；和

图3A和3B是示意性示出根据本发明实施例的位置跟踪系统中应答器的结构图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例在手术中使用的磁位置跟踪系统20的示意性图解。外科医生22使用医学工具24对患者23进行医疗过程。在手术位置处将植入物26引入到患者体内。在本示例中，将植入物放置在患者腿的骨30中。系统20在进行手术(在本示例为膝关节手术)时，通过测量并呈现植入物26和工具24的位置，引导外科医生。该系统在包含手术位置的整个工作体积内测量位置和方向坐标。

相对于场发生器，诸如固定于患者身体的定位垫(location pad)34，来确定工具24和植入物26的坐标。在图1所示的示例中，所述垫放置在植入物26附近的患者小腿和大腿上。信号发生器单元38产生驱动场发生器的驱动信号，该场发生器通常在定位垫34内包含场发生线圈。定位垫通常由导线连接到单元38，当然无线连接也是可行的。该场发生线圈在整个工作容积内产生磁场，这将在下面详细解释。

植入物26和工具24含有微型无源应答器。原则上，每个应答器包含谐振电路，谐振频率根据它附近的环境磁场改变。由定位垫34产生的磁场使装配在工具24和植入物26每个中的谐振电路具有某一谐振频率，该谐振频率取决于周围磁场并取决于应答器相对于所述场的空间取向。

位置跟踪器40远程感测每个应答器的谐振电路的谐振频率，并响应所感测的谐振频率来确定应答器的位置和方向。通常将结果在显示器42上呈现给外科医生。

虽然图1显示了用于整形外科中的位置跟踪系统，于此描述的系统和方法也可用在其他位置跟踪应用中，诸如心脏成像系统，以及各种非医学应用中。根据应用，可将类似的应答器耦合到导管、内窥镜、医学或外科工具或者任何其他合适的被跟踪对象上。使用于此描述的方法和设备的一些示例性的系统在上面引用的公布中被描述。

在此下面描述的方法和系统特别适用于这样的应用，其中希望具有与外部系统没有有线互连的无源应答器。例如，当将应答器植入骨中时，如图1的整形系统中，对于应答器来说是无源和无线的是有利的。无源应答器使其基本无限期地保持运转而无需手术操作来更换电池。对于这种应答器来说是无线的也是有利的，因为将导线连接到整形植入物上麻烦且增加了感染和其他并发症的风险。

图2是示意性示出根据本发明实施例的位置跟踪系统20的元件的结构图。该图显示了植入到患者骨30中的植入物26。将无源应答器46装配到植入物26中。还可将类似的应答器装配到工具24中。虽然下面的描述涉及装配到植入物26中的应答器，但是所描述的方法和结构也可用于跟踪工具24的位置和方向。

在图2的示例性结构中，三个定位垫34在应答器46的附近产生随位置改变的磁场。在一些实施例中，每个定位垫34产生方向在整个工作容积内改变(例如旋转)的交变电流(AC)磁场。

例如，通过将每个定位垫34构造成包含两个垂直场发生线圈来产生旋转的磁场。这两个线圈由信号发生器单元38用两个相应的驱动信号来驱动，这两个驱动信号具有相同频率但相位不同。由这两个线圈所产生的合成磁场通常是椭圆形旋转场，其旋转模式取决于这两个驱动信号的频率和相对相位及量值。例如，具有90度相对相位偏移的相等量值的驱动信号产生圆形旋转场。在可选实施例中，这两个线圈可以不垂直和/或用具有不同频率的驱动信号来驱动。进一步可选的，任何其他合适的方法可用于通过每个定位垫34产生随位置改变的场。

不同于当使用具有相对较高频率的驱动信号(和磁场)时性能更好的一些位置跟踪系统，系统20可利用具有任何方便的频率的磁场来运行。使用低频磁场对于提高系统的金属抗干扰性常常是理想的，即，降低应答器附近金属对象的寄生效应，该寄生效应可使位置测量失真。频率在零到几千赫兹范围内的磁场通常被认为是低频场，当然也可使用其他频率。

在一些实施例中，当系统20包含两个或更多个定位垫34时，信号发生器单元38以时分(time-division)模式一次驱动一个定位垫。通常，由不同定位垫产生的磁场的频率、相位或量值之间不需要有关联。

植入物26中的应答器46感测其附近磁场的量值和/或方向。由于每个定位垫34所产生的磁场是随位置改变的，所感测的磁场指示了植入物26与产生该场的定位垫34之间的距离。在一些实施例中，应答器46包含谐振电路48，其被构造成响应周围磁场改变它的谐振频率。在每个时间点，电路48定位在某一位置并且相对于定位垫34以某一空间角度取向。谐振电路48包含至少一个场响应元件，其可用于响应于投影在其轴上的周围磁场而改变它的电学属性，这将在下面图3A和3B的描述中进行解释。这样谐振电路48响应于投影在该元件轴上的磁场分量来改变它的谐振频率。

可将电路48的谐振频率构造成任何方便的数值。在一些实施例中，在100kHz和20MHz之间的范围内选择谐振频率。在一个实施例中，该谐振电路具有近似135kHz的谐振频率，这一范围一般用在射频识别(RFID)应用中。值得注意的是不应将电路48的谐振频率与磁场的频率混淆。这两个频率通常是无关的并可独立设置为任何合适的数值。

位置跟踪器40远程测量植入物26中谐振电路48的谐振频率。使用所测定的谐振频率，跟踪器40估计植入物26相对于定位垫34的位置和方向。在以时分模式相继驱动定位垫34的实施例中，跟踪器40的测量通常与模式同步。在一些实施例中，跟踪器40结合对应于不同定位垫的测量来确定植入物26相对于定位垫的位置和方向坐标。跟踪器40可使用各种三角测量方法，以及将测量组合成位置/方向估计的本领域中已知的任何其他合适的方法。常常将该位置/方向估计表达为植入物的六维坐标。附加地或作为替换，位置计算可使用单轴方法，诸如上面引用的美国专利6,484,118中所描述的方法。

在跟踪器40的示例性实施例中，电压控制振荡器(VCO)52产生覆盖预定频率范围的探测信号。在一些实施例中，该探测信号包括扫过该频率范围的载波。或者，该探测信号可包含根据预定频率列表从一个频率跳跃到另一频率的载波。该探测信号还可包含瞬时覆盖该频率范围或其部分的宽带信号。还或者，可使用扫描预定频率范围的任何其他的方法。

该探测信号被发射放大器56放大并经由发射天线60朝应答器46发射。天线60可包含发射线圈或任何其他合适的天线结构。在一些实施例中，利用安排在相位锁定环(PLL)结构中的相位检测器(PD)68和比较器(CP)70来将VCO 52设定到所需的频率，如现有技术已知的。接收天线，诸如接收线圈64，接收由应答器46所产生的信号以响应该探测信号。通过接收放大器66将所接收的信号放大以产生接收器输出信号。

所述探测信号在谐振电路48中感生出电流。该感生电流的幅值取决于探测信号频率相对于电路48谐振频率。换句话说，谐振电路依据谐振电路的谐振频率和探测信号的频率给探测信号提供不同的负载。

该感生电流促使谐振电路产生具有相同频率的电磁场、或信号。由该谐振电路所产生信号的幅值同样取决于探测信号的频率相对于电路48的谐振频率。

当探测信号的频率接近电路48的谐振频率时，在谐振电路中所感生的电流接近最大值，这又使跟踪器接收到的信号幅值最大。结果，跟踪器PLL锁定在谐振电路48的谐振频率上。

跟踪处理器72执行跟踪器40的各种测量、分析和控制功能。处理器72可包含运行适当软件代码的微处理器。或者，使用适当的硬件或使用硬件和软件功能的结合来实现处理器72。在一些实施例中，处理器72控制VCO 52和/或跟踪器40的其他部件以在所需的频率上产生探测信号。使用所接收的信号，处理器72分析接收器输出信号以估计谐振电路48的谐振频率。基于所估计的谐振频率，处理器72确定相对于定位垫34，应答器46的和植入物26的位置和方向。

在一些实施例中，跟踪处理器72在预定范围上扫描由VCO 52所产生的探测信号的频率并在每个频率测量所接收信号的量值。接着处理器72在该频率范围上响应于所测的接收信号的幅值来估计电路48的谐振频率。在一些实施例中，处理器72识别具有最大接收信号量值的频率。或者，处理器72可使用任何其他合适的方法来基于所接收的信号估计电路48的谐振频率。

在一些实施例中，跟踪器40在发射和接收模式间交替。换句话说，跟踪器在某一时间间隔期间以特定的频率发射探测信号，并接着在随后的时间间隔接收由应答器产生的信号。在这些实施例中，跟踪处理器72可交替开关发射放大器56和CP 70的电源。当在发射模式下，发射放大器56开而CP 70关，反之亦然。例如，在图2中，由处理器72产生的开/关控制信号利用倒相器74在放大器56和CP 70之间交替供电。

图3A是示意性示出了根据本发明实施例的应答器46典型构造的结构图。在这一示例中的谐振电路48包括电容器80和电感器82，并且电感器82用作场响应元件。众所周知的是电路48的谐振频率由 $f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$ 给定，其中L表示电感器82的电感系数，而C表示电容器80的电容。

电感器82缠绕或以其他方式放置在芯84的周围，该芯84的磁导率，表示为μ，影响电感器82的电感系数L，其又影响电路48的谐振频率f_r。在一些实施例中，芯84包含能响应周围磁场而改变其磁导率的磁感应材料。芯84的磁感应材料可包含例如FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB膜或类似材料。

或者，具有磁感应属性的任何其他合适的材料可用于这一目的。通常，芯84的磁导率响应沿该芯的轴投影的磁场分量而改变。这样，电路48的谐振频率指示了植入物26相对于产生该场的定位垫34的位置和方向。

图3B是示意性示出根据本发明的另一个实施例的应答器46的示例性构造的结构图。在图3B的结构中，电路48是包含电感器86和电容器88的并联谐振电路，并且电容器88用作场响应元件。在一些实施例中，电容器88耦合到磁限制(magneto-restrictive)元件90，其响应于周围磁场而收缩和/或延伸。元件90可包含本领域已知的任何合适的磁限制材料，诸如像Terfenol-D。

在一些实施例中，电容器88包括两个由气隙或适当电介质分离的相互面对的导电电极，诸如导电板。在图3B的示例中，将元件90机械地连接到电容器88的其中一个导电板上。当周围磁场改变时，元件90收缩或延伸，由此，特别是通过改变电容器极板之间间隙的宽度，改变电极间的空间关系。间隙宽度的变化改变了电容器88的电容，这会改变电路48的谐振频率。通常，电容器88和元件90沿一轴布置，使得电容器极板之间的间隙基本上仅响应于沿这一轴的元件90的收缩/延伸而变化。这样，象在上面图3A的结构中一样，电路48的谐振频率响应沿该轴的磁场分量的改变而改变。

在备选实施例中(未在附图中显示)，磁限制元件90能以其他方式改变电极的空间关系。例如，元件90可耦合到电容器88从而改变导电板的相对面积，这也影响电容器88的电容。还或者，电容器88可包含具有任何形状或形式的导电电极，并且可将磁限制元件90以任何适当的方式耦合到该电容器，从而响应周围磁场改变电容器的电容。在可选实施例中，表面声波(SAW)器件也可用作谐振电路48中的场谐振元件，因为磁场改变了SAW器件的内部反射行为。

虽然此处所描述的方法和系统主要是关于通过医学植入物、工具和器械远程谐振频率测量的位置跟踪，但是本发明的原理也可用于执行其他应用中的位置跟踪，诸如射频识别(RFID)标签和工业磁场传感器。

这样将会意识到的是上述实施例是作为示例引用的，并且本发明不限于上面已经具体显示和描述的内容。相反，本发明的范围包括上面描述的各种特征的结合和次结合，以及本领域的技术人员在阅读上述描述后会想到并且在已有技术中没有公开的改动和修正。

Claims (24)

1、一种用于位置跟踪的系统，包含：

一个或多个场发生器，设置成产生一个或多个各自的随位置改变的磁场；

应答器，其包含具有谐振频率的谐振电路并包含场响应元件，该场响应元件可用于响应于所述一个或多个磁场而改变所述谐振频率；以及

位置跟踪器，其设置成远程感测所述谐振电路的谐振频率并响应所感测的谐振频率来确定应答器的位置。

2、根据权利要求1的系统，其中将该应答器附着于适于插入到患者体内的对象，并且其中该位置跟踪器设置成确定所述对象在体内的位置。

3、根据权利要求1的系统，其中所述场响应元件包含具有感应系数的电感器，所述感应系数响应于所述一个或多个磁场而改变从而改变所述谐振频率。

4、根据权利要求3的系统，其中该电感器包含芯，该芯包含磁感应材料并具有磁导率，该磁导率响应于所述一个或多个磁场而改变从而改变所述感应系数。

5、根据权利要求1的系统，其中场响应元件包含具有电容的电容器，该电容响应于所述一个或多个磁场而改变从而改变所述谐振频率。

6、根据权利要求5的系统，其中该电容器包含导电电极，并且该场响应元件包含磁限制元件，该磁限制元件附着到至少所述电极之一并设置成响应于所述一个或多个磁场而改变所述电极的空间关系，从而改变所述电容。

7、根据权利要求1的系统，其中所述一个或多个场发生器中的每一个包含至少两个由各自驱动信号驱动的场辐射线圈，以产生旋转磁场。

8、根据权利要求1的系统，其中所述一个或多个场发生器在两个或更多个不同的相应位置处包含两个或更多个场发生器，它们相继运行以产生各自随位置改变的磁场。

9、根据权利要求1的系统，其中将位置跟踪器设置成在预定频率范围朝向应答器发射探测信号，接收由应答器响应于该探测信号所产生的信号，响应于由应答器产生的信号由谐振电路在所述频率范围测量所述探测信号的加载，并响应该于该加载来估计谐振频率。

10、一种用在位置跟踪系统中的应答器，该应答器包含具有谐振频率的谐振电路并包含场响应元件，该场响应元件可用于响应于外部施加的磁场而改变所述谐振频率，使得该谐振电路响应于该磁场在该谐振频率的附近可变地反映所述探测信号。

11、根据权利要求10的应答器，其中将该应答器附着到适于插入患者体内的对象。

12、根据权利要求10的应答器，其中场响应元件包含具有感应系数的电感器，该感应系数响应于外部施加的磁场而改变从而改变所述谐振频率。

13、根据权利要求12的应答器，其中该电感器包含芯，该芯包含磁感应材料并具有磁导率，该磁导率响应于外部施加的磁场而发生改变从而改变所述感应系数。

14、根据权利要求10的应答器，其中该场响应元件包含具有电容的电容器，该电容响应于外部施加的磁场而发生改变从而改变所述谐振频率。

15、根据权利要求14的应答器，其中该电容器包括导电电极，并且该场响应元件包括磁限制元件，该磁限制元件附于至少所述电极之一并设置成响应于外部施加的磁场改变所述电极的面积空间关系，从而改变所述电容。

16、一种用于位置跟踪的方法，包括：

将应答器附着于对象，该应答器包含具有谐振频率的谐振电路，并包含可用于响应于周围磁场而改变所述谐振频率的场响应元件；

在该对象的附近产生随位置改变的磁场；

远程感测所述谐振电路的谐振频率；以及

响应于所感测的谐振频率来确定应答器的位置。

17、根据权利要求16的方法，还包含将该对象插入到患者体内，并且其中确定该应答器的位置包括跟踪所述对象在体内的位置。

18、根据权利要求16的方法，其中该场响应元件包括具有感应系数的电感器，该感应系数响应于所述随位置改变的磁场改变，从而改变所述谐振频率。

19、根据权利要求18的方法，其中该电感器包含芯，该芯包含磁感应材料并具有磁导率，该磁导率响应于所述随位置改变磁场而发生改变，从而改变所述感应系数。

20、根据权利要求16的方法，其中所述场响应元件包括具有电容的电容器，该电容响应于所述随位置改变的磁场而发生改变，从而改变所述谐振频率。

21、根据权利要求20的方法，其中所述电容器包含导电电极，并且所述场响应元件包含磁限制元件，该磁限制元件附着于至少所述电极之一并设置成响应于所述随位置改变的磁场而改变电极的面积空间关系，从而改变所述电容。

22、根据权利要求16的方法，其中产生所述随位置改变的磁场包括用各自的驱动信号驱动一个或多个场发生器，从而产生一个或多个旋转磁场。

23、根据权利要求16的方法，其中产生随位置改变的磁场包括，相继驱动在两个或更多个不同的相应位置处的两个或更多个磁场发生器，以产生各自的随位置改变的磁场。

24、根据权利要求16的方法，其中感测谐振频率包括：在预定频率范围向应答器发射探测信号，接收由应答器响应于该探测信号所产生的信号，响应于由所述应答器产生的信号，在所述频率范围上由所述谐振电路测量所述探测信号的加载，并响应于该加载来估计所述谐振频率。

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