CN111257831B - 射频定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种射频定位系统，包含收发器、定位标签、处理单元与运算主机，其中，一或多个定位标签供安装在被定位的目标物上，当收发器产生及送出发射信号后，定位标签上的标签天线可截取发射信号并反射相对应的调制信号，该收发器截取调制信号并传送至该处理单元，该处理单元获得接收信号并根据该接收信号及发射信号而计算出频率差，该运算主机根据频率差计算标签天线的位置坐标，并由多个标签天线的位置坐标计算被定位目标物的方位。本发明可基于收发器与定位标签之间的双向信号传输，定位找出标签天线的所在位置，再进一步求出该定位标签的方位，有效完成定位。

Description

射频定位系统

技术领域

本发明为一种利用无线射频信号双向传输，从而定位出目标位置的射频定位系统。

背景技术

定位系统的应用相当广泛，其中一种是应用在手术定位。手术定位技术包括机械式定位(mechanical positioning)、超声波定位(ultrasound positioning)、X光与CT定位、电磁定位(electromagnetic positioning)与光学定位(optical positioning)等。目前市面上应用于手术导航(surgical navigation)的定位技术产品，大多数都是基于红外线(infrared)的光学定位系统。光学定位系统由光学探头(optical probe)及嵌入反光球(reflective sphere)的参考框架(dynamic reference frame,DRF)组成，通过将参考框架安装于患部及手术器械上，利用光学技术追踪手术器械与患部的相对位置关系，并藉由手术导引软件协助医师精准操作器械，提升施术品质。临床资料显示，光学定位技术存在直视性(line of sight)遮蔽问题，且参考框架体积大，手术空间易受局限，装置普遍而言较为笨重，容易影响医师操作器械手感。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种射频定位系统，利用无线射频的信号传输进行定位。

为达成前述目的，本发明的射频定位系统包含有多个收发器、至少一定位标签、至少一处理单元及一运算主机，其中：

各收发器包含：

一发射电路，连接一发射天线，该发射电路产生一发射信号，通过该发射天线将该发射信号对外传输；以及

一接收电路，连接一接收天线，该接收电路通过该接收天线截取该至少一定位标签发出的一调制信号；

该至少一定位标签包含：

至少一标签电路与对应连接该标签电路的一标签天线，该标签电路通过该标签天线截取各收发器发出的该发射信号，以及在接收到的该发射信号中加入专属于该标签天线的一识别码以产生该调制信号，通过该标签天线将该调制信号对外传输；

该至少一处理单元连接各收发器，且包含有：

一识别电路，提供对应该标签天线的该识别码；

多个处理电路，该处理电路的数目与该收发器的数目一致，其中，各处理电路根据该识别电路提供的该识别码，从对应收发器传送的该调制信号获得一接收信号，并计算出同一收发器其发射信号与该接收信号的一频率差；

该运算主机连接各该至少一处理单元，接收各处理电路计算出的频率差，其中，该运算主机根据该频率差计算出该标签天线与各收发器之间的距离，并根据已知的各收发器其位置坐标，计算出该标签天线的位置坐标。

本发明实施例提供的射频定位系统，可基于收发器与定位标签之间的双向信号传输，定位找出标签天线的所在位置，再进一步求出该定位标签的方位；相较于光学式定位技术探头与反光球之间一旦被遮蔽，系统即无法进行定位，本发明基于射频的无线信号，可有效完成定位，避免光学定位系统的直视性阻隔，提升医用定位系统的抗遮蔽能力。

附图说明

图1：本发明射频定位系统方块图。

图2A：本发明收发器的电路方块图。

图2B：不同频率的发射信号的波形示意图。

图2C：不同频率、不同时段的发射信号的波形示意图。

图3：本发明定位标签的电路方块图。

图4A：本发明处理单元的电路方块图。

图4B：发射信号TX与接收信号RX的频率差Δf的示意图。

图5A：运算主机计算二维空间中标签天线的位置坐标的示意图。

图5B：运算主机计算三维空间中标签天线的位置坐标的示意图。

图6：本发明应用于手术器械定位的示意图。

图7A：本发明应用在三维定位中，多个收发器与定位标签的信号传输示意图。

图7B：配合图7A的多个处理单元的信号传输示意图。

具体实施方式

请参考图1所示，本发明包含有多个收发器10、定位标签20、处理单元30及一运算主机40。

如图2A所示，各收发器包含有一发射电路11、一发射天线12、一接收电路13及一接收天线14；该发射电路11连接发射天线12，用以产生一发射信号，通过该发射天线12将发射信号以电磁波的形式向外传送；该接收天线14用以截取从定位标签20反射回来的调制信号，该接收电路13连接该接收天线14，通过该接收天线14获得该调制信号。在本发明定位系统中该发射信号采用频率调制，为了能够区别每个收发器10产生的发射电磁波，每个发射电路11所产生的发射信号会设计成不同的频率调制区间，例如图2B所示，若使用三个收发器10，则三组发射信号TX1～TX3可以是采用不同的频率；又或者如图2C所示，在具有四个收发器10的定位系统，四组发射信号TX1～TX4可以采用分时分频的方式加以区分，举例来说，在相同的频率调制区间，亦可通过发射电路11在不同时段轮流产生发射信号TX1～TX4的方式，使得同时间的发射电磁波的频率不会重叠，达到区隔识别的目的。该接收电路13会对截取到的调制信号进行滤波处理，以移除环境干扰噪声，再将该滤波后的调制信号传送至处理单元30。

请参考图3所示，定位标签20包含有至少一个标签天线21与对应该标签天线21的一标签电路22，例如在同一个定位标签20中包含多个标签天线21与多个分别对应的标签电路22。其中，各标签天线21截取收发器10传输出来的发射信号，经标签电路22混入对应该标签天线21的一专属识别码后，产生该调制信号，并通过标签天线21将该调制信号以电磁波的形式反射回收发器10。不同的标签电路22分别具有不同的识别码，根据该识别码即可辨识出由哪一个标签天线21反射出该调制信号。

请参考图1及图4A所示，处理单元30连接各收发器10，例如通过有线的方式连接，对来自收发器10的调制信号进行处理，获得每个收发器10的发射信号从发射、由标签天线21反射、再由收发器10截取到该调制信号后的频率变化，供运算主机40根据频率变化分析每个收发器10与标签天线21之间的直线距离。每个处理单元30会负责处理一个标签天线21所反射的调制信号，因此该处理单元30的总数量，等同于标签天线21的总数量。各处理单元30包含有一识别电路31及多个处理电路32，该识别电路31会提供其对应的标签天线21的识别码给处理电路32，供处理电路32移除所接收到的调制信号中的识别码，得到一接收信号RX，每个处理单元30所需要的处理电路32数目等同于系统中的收发器10的总数目。请参考图4B，各处理电路32会将该接收信号RX与发射信号TX互相比对，获得对应每个收发器10的一频率差Δf。

该运算主机40连接各处理单元30，以获得每个处理电路32计算出的频率差Δf，可根据频率差Δf计算出各收发器10与每一标签天线21之间的距离d，该距离d的计算公式可采用下式：

上式中的c代表电磁波速度、Δf代表频率差、(df/dt)代表每单位时间的频率变化量。

请参考图5A及图5B所示，该运算主机40进一步根据所有收发器10与标签天线21的距离d，以及所有收发器10的位置坐标，依据三角距离几何原理计算出标签天线21的位置坐标。

在图5A中，运算主机40可计算二维空间中一标签天线21的位置坐标(x_A,y_A)，其根据3个收发器10的已知位置坐标(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)为圆心，以各收发器10与该标签天线21之间的相对距离d_1A、d_2A、d_3A为半径，计算出3个圆的交点，该交点的坐标即为该标签天线21的位置坐标(x_A,y_A)。在图5B中，运算主机40可计算三维空间中一标签天线21的位置坐标(x_A,y_A,z_A)，其根据4个收发器10的已知位置坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)为球心，以各收发器10与该标签天线21之间的相对距离d_1A、d_2A、d_3A、d_4A为球面半径，计算出4个球面在空间中的交点，该交点的坐标即为该标签天线21的位置坐标(x_A,y_A,z_A)。

当运算主机40定位出各标签天线21的坐标后，可根据多个标签天线21的坐标计算出待测目标物的方位。

以下进一步以范例，说明上述系统的实际应用。请参考图6所示，在环境空间中固定设置有四个收发器10，该些收发器10的位置坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)为已知信息，本发明是针对系统中的定位标签20进行定位，计算并追踪每个定位标签20中的各标签天线21的位置。其中一种应用是将定位标签20安装于欲被定位的目标上，例如安装在病人患部以及手术器械上，而每个目标至少安装一个定位标签20，如此即可在手术中，即时确认患部与手术器械的相对位置关系，并搭配手术导航软件，让医师依据术前规划好的流程，精准操作器械，提升施术效率与品质。

请参考图7A与图7B所示，本实施例包含四个收发器10a～10d、两个定位标签(每个定位标签中具有三个标签天线)、六个处理单元30a～30f(每个处理单元中具有四个处理电路32a～32d)及一个运算主机40。为了方便说明以下的电路动作，在此特别将两个定位标签以T1、T2分别标示，第一个定位标签T1中的三个标签天线标示为T1A1～T1A3，第二个定位标签T2中的三个标签天线标示为T2A1～T2A3。

首先，四个收发器10a～10d中的发射电路11a～11d所产生的发射信号标示为S₁、S₂、S₃、S₄，通过四个收发器10a～10d的发射天线12a～12d对外传输的发射电磁波分别标示为E₁、E₂、E₃、E₄。

发射电磁波E₁被第一个定位标签T1上的第一个标签天线T1A1截取而产生的调制电磁波标示为E_1T1A1，被第二、第三个标签天线T1A2、T1A3截取而产生的调制电磁波标示为E_1T1A2、E_1T1A3。发射电磁波E₁被第二个定位标签T2上第一个标签天线T2A1截取而产生的调制电磁波标示为E_1T2A1，被第二、第三个标签天线T2A2、T2A3截取而产生的调制电磁波标示为E_1T2A2、E_1T2A3。

同理，发射电磁波E₂被第一个定位标签T1上的第一个标签天线T1A1截取而产生的调制电磁波标示为E_2T1A1，被第二、第三个标签天线T1A2、T1A3截取而产生的调制电磁波标示为E_2T1A2、E_2T1A3；发射电磁波E₂被第二个定位标签T2上的第一个标签天线T2A1截取而产生的调制电磁波标示为E_2T2A1，被第二、第三个标签天线截取而产生的调制电磁波标示为E_2T2A2、E_2T2A3。依此类推，发射电磁波E₃、E₄同样被两定位标签T1、T2中的各标签天线T1A1～T1A3、T2A1～T2A3截取并产生相对应的调制电磁波。

第一个收发器10a的接收天线14a至少会截取E_1T1A1、E_1T1A2、E_1T1A3、E_1T2A1、E_1T2A2、E_1T2A3等调制电磁波，并由接收电路13a进行滤波及转换为对应的S_1T1A1、S_1T1A2、S_1T1A3、S_1T2A1、S_1T2A2、S_1T2A3等调制信号。第二个收发器10b的接收天线14b至少会截取E_2T1A1、E_2T1A2、E_2T1A3、E_2T2A1、E_2T2A2、E_2T2A3等调制电磁波，并由接收电路13b进行滤波及转换为对应的S_2T1A1、S_2T1A2、S_2T1A3、S_2T2A1、S_2T2A2、S_2T2A3等调制信号。依此类推，第三收发器10c、第四收发器10d至少会各自截取到对应的调制电磁波，以及据其产生调制信号。

结合参考图7B，在第一个处理单元30a中，第一个处理电路32a会接收识别电路31a提供对应第一个定位标签T1上的第一个标签天线T1A1的识别码、接收第一个收发器10a的发射信号S₁以及接收包含至少S_1T1A1、S_1T1A2、S_1T1A3、S_1T2A1、S_1T2A2、S_1T2A3等调制信号，获得第一个定位标签T1上的第一个标签天线T1A1的接收信号S_1T1A1’，且该第一个处理电路32a会根据该接收信号S_1T1A1’以及发射信号S₁而计算出频率差S_{1T1A1_}Δf。同理，第一个处理单元30a中的第二个处理电路32b会接收识别电路31a提供对应第一个定位标签T1上的第一个标签天线T1A1的识别码、接收第二个收发器10b的发射信号S₂以及接收包含至少S_2T1A1、S_2T1A2、S_2T1A3、S_2T2A1、S_2T2A2、S_2T2A3等调制信号，获得第一个定位标签T1上第一个标签天线T1A1的接收信号S_2T1A1’，且该第二个处理电路32b根据该接收信号S_2T1A1’以及发射信号S₂计算出频率差S_{2T1A1_}Δf。依此类推，第一个处理单元30a上的第三个处理电路32c、第四个处理电路32d会分别计算出频率差S_{3T1A1_}Δf、S_{4T1A1_}Δf。

在第二个处理单元30b中，其第一个处理电路32a会接收识别电路31b提供对应第一个定位标签T1上的第二个标签天线T1A2的识别码、接收第一个收发器10a的发射信号S₁以及接收包含至少S_1T1A1、S_1T1A2、S_1T1A3、S_1T2A1、S_1T2A2、S_1T2A3等调制信号，获得第一个定位标签T1上的第二个标签天线T1A2的接收信号S_1T1A2’，且该第一个处理电路32a会根据该接收信号S_1T1A2’以及发射信号S₁而计算出频率差S_{1T1A2_}Δf。同理，第二个处理单元30b中的第二个处理电路32b会接收识别电路31b提供对应第一个定位标签T1上的第二个标签天线T1A2的识别码、接收第二个收发器10b的发射信号S₂以及接收包含至少S_2T1A1、S_2T1A2、S_2T1A3、S_2T2A1、S_2T2A2、S_2T2A3等调制信号，获得第一个定位标签T1上的第二个标签天线T1A2的接收信号S_2T1A2’，且该第二个处理电路32b根据该接收信号S_2T1A2’以及发射信号S₂计算出频率差S_{2T1A2_}Δf。依此类推，第二个处理单元30b上的第三个处理电路32c、第四个处理电路32d会分别计算出频率差S_{3T1A2_}Δf、S_{4T1A2_}Δf。

同理，第三处理单元30c～第六处理单元30f会对应其它标签天线T1A3、T2A1、T2A2、T2A3而计算出频率差。

运算主机40接收第一个处理单元30a计算出来的四个频率差S_{1T1A1_}Δf、S_{2T1A1_}Δf、S_{3T1A1_}Δf、S_{4T1A1_}Δf，先计算四个收发器10a～10d分别与第一个定位标签T1上的第一个标签天线T1A1的相对距离d_1T1A1、d_2T1A1、d_3T1A1、d_4T1A1，再根据四个收发器10a～10d已知的位置坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，计算第一个定位标签T1上第一个标签天线T1A1的位置坐标(x_T1A1,y_T1A1,z_T1A1)。

运算主机40接收第二个处理单元30b计算出来的四个频率差S_{1T1A2_}Δf、S_{2T1A2_}Δf、S_{3T1A2_}Δf、S_{4T1A2_}Δf，先计算四个收发器10a～10d分别与第一个定位标签T1上第二个标签天线T1A2的相对距离d_1T1A2、d_2T1A2、d_3T1A2、d_4T1A2，再根据四个收发器10a～10d已知的位置坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，计算第一个定位标签T1上第二个标签天线T1A2的位置坐标(x_T1A2,y_T1A2,z_T1A2)。

依此类推，运算主机40接收第三处理单元30c～第六处理单元30f输出的频率差，再分别计算出其它标签天线T1A3、T2A1、T2A2、T2A3的位置坐标(x_T1A3,y_T1A3,z_T1A3)、(x_T2A1,y_T2A1,z_T2A1)、(x_T2A2,y_T2A2,z_T2A2)、(x_T2A3,y_T2A3,z_T2A3)。

在获得每一个标签天线的位置坐标后，运算主机40可根据第一个定位标签T1上的三个标签天线T1A1～T1A3的位置坐标(x_T1A1,y_T1A1,z_T1A1)、(x_T1A2,y_T1A2,z_T1A2)、(x_T1A3,y_T1A3,z_T1A3)，再进一步计算第一个定位标签T1的方位(u_T1,v_T1,w_T1)；根据第二个定位标签T2上三个标签天线T2A1～T2A3的位置坐标(x_T2A1,y_T2A1,z_T2A1)、(x_T2A2,y_T2A2,z_T2A2)、(x_T2A3,y_T2A3,z_T2A3)，计算第二个定位标签T2的方位(u_T2,v_T2,w_T2)。以计算第一个定位标签T1的方位(u_T1,v_T1,w_T1)为例，其计算方式如下式：

u_T1＝(x_T1A2-x_T1A1,y_T1A2-y_T1A1,z_T1A2-z_T1A1)

v_T1'＝(x_T1A3-x_T1A1,y_T1A3-y_T1A1,z_T1A3-z_T1A1)

w_T1＝u_T1×v_T1'

v_T1＝w_T1×u_T1

另一实施例包含四个收发器10a～10d、三个定位标签T1、T2、T3(每个定位标签中具有一个标签天线，三个定位标签的三个标签天线分别以T1A1、T2A1、T3A1标示)、三个处理单元30a～30c(每个处理单元中具有四个处理电路32a～32d)及一个运算主机40。该三个定位标签安装于一欲被定位的目标物上。

该运算主机40接收该三个处理单元30a～30c输出的频率差，分别计算出该三个标签天线T1A1、T2A1、T3A1的位置坐标(x_T1A1,y_T1A1,z_T1A1)、(x_T2A1,y_T2A1,z_T2A1)、(x_T3A1,y_T3A1,z_T3A1)。该运算主机40可再依下式进一步计算该目标物的方位(u,v,w)。

u＝(x_T2A1-x_T1A1,y_T2A1-y_T1A1,z_T2A1-z_T1A1)

v'＝(x_T3A1-x_T1A1,y_T3A1-y_T1A1,z_T3A1-z_T1A1)

w＝u×v'

v＝w×u

综上所述，本发明可基于收发器与定位标签之间的双向信号传输，定位找出标签天线的所在位置，再进一步求出该定位标签的方位。当本发明应用于手术定位时，被定位的目标可以是病人患部及手术器械，如此即可确认患部与手术器械的相对位置关系，使医师能更精准操作器械，提升施术品质。

相较于光学式定位技术探头与反光球之间一旦被遮蔽，系统即无法进行定位，本发明基于射频的无线信号，可有效完成定位，避免光学定位系统的直视性阻隔，提升医用定位系统的抗遮蔽能力。

本发明通过收发器朝定位标签发射信号、并接收从定位标签反射信号的设计，藉此缩小定位标签的电路与外形尺寸、减轻重量、降低电力消耗，提升定位标签可连续操作时间，以利与手术器械及导航系统整合。

当手术器械进入人体，目前多是通过拍摄X光影像确认器械实际位置；通过选用适当波段的射频信号，本发明的射频定位系统具备应用于体内手术定位的机会，可减少术中X光影像拍摄数量，降低医护人员的电离辐射暴露剂量，避免辐射危害。

Claims (9)

1.一种射频定位系统，其特征在于，包含有多个收发器、至少一定位标签、至少一处理单元及一运算主机，其中：

各收发器包含：

一发射电路，连接一发射天线，该发射电路产生一发射信号，通过该发射天线将该发射信号对外传输；以及

一接收电路，连接一接收天线，该接收电路通过该接收天线截取该至少一定位标签发出的一调制信号；

该至少一定位标签包含：

至少一标签电路与对应连接该标签电路的一标签天线，该标签电路通过该标签天线截取各收发器发出的该发射信号，以及在接收到的该发射信号中加入专属于该标签天线的一识别码以产生该调制信号，通过该标签天线将该调制信号对外传输；

该至少一处理单元连接各收发器，且包含有：

一识别电路，提供对应该标签天线的该识别码；

多个处理电路，该处理电路的数目与该收发器的数目一致，其中，各处理电路根据该识别电路提供的该识别码，从对应收发器传送的该调制信号获得一接收信号，并计算出同一收发器其发射信号与该接收信号的一频率差；

该运算主机连接各该至少一处理单元，接收各处理电路计算出的频率差，其中，该运算主机根据该频率差计算出该标签天线与各收发器之间的距离，并根据已知的各收发器其位置坐标，计算出该标签天线的位置坐标。

2.如权利要求1所述的射频定位系统，其特征在于，该多个收发器的多个发射电路，分别产生不同频率的发射信号。

3.如权利要求1所述的射频定位系统，其特征在于，该多个收发器的多个发射电路，以分时分频的方式产生所述多个发射信号，在同时间发出的所述发射信号的频率不会重叠。

4.如权利要求1所述的射频定位系统，其特征在于，该至少一定位标签包含多个标签电路，各所述多个标签电路连接至对应的标签天线，该标签天线的总数与该标签电路的数目相同；该处理单元的数目与该标签天线的总数相同。

5.如权利要求4所述的射频定位系统，其特征在于，该至少一定位标签为多个定位标签；该处理单元的数目与该标签天线的总数相同。

6.如权利要求1所述的射频定位系统，其特征在于，该至少一定位标签为多个定位标签；该处理单元的数目与该标签天线的总数相同。

7.如权利要求4所述的射频定位系统，其特征在于，该运算主机根据该至少一定位标签其多个标签天线的位置坐标，计算出该至少一定位标签的方位。

8.如权利要求5所述的射频定位系统，其特征在于，该运算主机根据各该多个定位标签的多个标签天线的位置坐标，计算出多个定位标签的方位。

9.如权利要求6所述的射频定位系统，其特征在于，该运算主机根据各该多个定位标签的至少一标签天线的位置坐标，计算出至少一方位。

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