CN1911159A - 到位置传感器的数据传输 - Google Patents

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Abstract

一种向位置跟踪系统内的传感器发射控制指令的方法，包括产生驱动场产生器的驱动信号。包括控制指令的控制信号被叠加在驱动信号上。用驱动信号驱动场产生器，以便产生被传感器感测的场。在传感器处检测所述场以便确定传感器的位置坐标并且解调控制信号以便提取控制指令。基于提取的控制指令控制传感器的功能。

Description

到位置传感器的数据传输
技术领域
本发明大致涉及位置跟踪系统，具体涉及与用在位置跟踪系统内的设备及工具进行无线通讯的方法及设备。
背景技术
在本领域已知有各种方法和系统用于跟踪与医疗过程有关的物体的坐标。例如，美国专利5,391,199和5,443,489，其公开的内容通过引用结合入本文，描述了用一个或多个场转换器(transducer)测定体内探测器坐标的系统。这样的系统用于产生关于例如导管的医疗探测器的位置信息。传感器，例如线圈，放置在探测器内并产生响应外部施加磁场的信号。磁场由例如放射器线圈的磁场换能器产生，该换能器固定在外部参考系中已知的相互间隔开的位置上。处理传感器信号以便确定探测器在外部参考系的坐标。
还描述了其它涉及磁场位置跟踪的方法和系统，例如，在PCT专利公开WO96/05768，美国专利6,690,963，6,239,724，6,618,612和6,332,089，和美国专利申请公开2002/0065455A1，2003/0120150A1和2004/0068178A1，其公开的内容通过引用全部结合入本文。这些公开文献描述了跟踪例如心脏导管、整形植入物的体内物体和用于不同医疗过程的医疗工具位置的方法和系统。
在一些医疗应用中，在外部系统与体内物体之间无线地交换数据。例如，美国专利6,409,674，其公开的内容通过引用结合入本文，描述了一种可植入的传感器设备，例如压力监视器，其被植入心脏。该设备无线地把血压信号或其它生理参数传送到远程通讯设备。本专利中提到的无线通讯技术包括无线遥测、电感耦合、被动式转发器、和将身体用作导体的传导通讯。另一种包括利用电感耦合进行无线通讯的位置跟踪系统在美国专利申请公开2003/0120150A1中描述，其公开的内容通过引用也结合入本文。发明人描述了一种系统，在其中无线转发器被固定到物体上。转发器包括至少一个传感器线圈，在该线圈中信号电流响应于感测的电磁场而流动。供电线圈接收RF驱动场并从驱动场输送电能以便为转发器提供电能。驱动线圈还发射响应于信号电流的输出信号到信号接收器，该接收器处理该信号以便确定物体的坐标。
发明内容
本发明的实施例提供了用于在位置跟踪系统内进行无线通信的改进的方法和装置。在下文公开的实施例中，这些方法用于向装进位置跟踪系统的被跟踪物体内的传感器单元发射例如控制数据的数据。可选择的，这些方法可用于，细节上已作必要改动，从被跟踪物体上的场产生器向外部传感器发射数据。在此公开的方法和装置使用现有的位置传感器和传感器控制单元的处理电路作为数字通信通道的接收电路。因此，使得传感器单元能够为了这个目的在极少或没有增加专用硬件的情况下接收控制数据的发射。因为传感器单元的位置感测电路用于提取位置信号及控制信号，不需要额外的天线和接收器接收控制指令，传感器单元可以被制造得更小、更低成本和更可靠。
在一些实施例中，通过以恰当的不被位置感测使用的频率调制控制信号把数字数据从外部磁场产生器发送到传感器单元。把已调制的控制信号与通常用于驱动场产生器的驱动信号组合。用于在传感器单元内进行位置感测的位置传感器和接收器电路还用于接收附加的控制信号。传感器控制单元数字化、滤出和解调控制信号，以便重现被发射的数字数据。
在一些实施例中，不同的控制指令能够通过为每个传感器单元分配一个唯一的识别号(ID)的方式或者通过对不同的控制信号使用不同的调制频率的方式被应用到不同的传感器单元。
在一些实施例中，把传感器单元装进例如整形外科植入体、可植入装置、体内导管和内窥镜的被跟踪的物体内以及各种医疗和外科工具内。
在另一个实施例中，将场产生器连接到被跟踪的物体并产生被外部系统感测的磁场。与上述类似的方法用于从被跟踪的物体发射遥测及控制信号而不需要额外的发射器硬件。
因此，根据本发明的实施例提供了一种向位置跟踪系统内的传感器发射控制指令的方法，包括：
产生驱动场发生器的驱动信号；
把包括控制指令的控制信号叠加到驱动信号上；
用驱动信号驱动场发生器，以便产生被传感器感测的场；
在传感器处，检测场以便确定传感器的位置坐标并解调所述控制信号从而提取控制指令；和
基于提取的控制指令控制传感器的功能。
在一个实施例中，驱动信号具有一个驱动频率，和其中对控制信号进行叠加包括在具有控制频率的控制副载波上调制控制指令以便使得控制信号能从驱动信号分离出来，其中所述控制频率与驱动频率不同。
在另一个实施例中，对场进行检测包括响应于被检测的场产生接收信号，并从接收信号中提取控制信号。
另外或可选择的，提取控制信号包括数字化接收信号以便产生数字化的信号，向所述数字化的信号施加快速傅立叶变换(FFT)处理，并检测对应于控制频率的FFT库(bin)中的能量。
在另一个实施例中，对控制指令的调制包括响应于控制指令的二进制表示而转换控制副载波的开和关。
在再一个实施例中，对控制信号的叠加包括把第一控制指令寻址到第一传感器，和把不同于第一控制指令的第二控制指令寻址到第二传感器。
在一个实施例中，对场的检测包括使用传感器内的单个线圈检测基于控制信号的第一场成分和与位置坐标有关的第二场成分。
在另一个实施例中，对传感器功能的控制包括控制传感器的定时、校准传感器和补偿被检测的场内的变形中的至少一个。
在再一个实施例中，场包括磁场。
根据本发明的一个实施例还提供了，一种从位置跟踪系统中的被跟踪物体发射数据的方法，包括：
产生驱动被跟踪物体内的场产生器的驱动信号；
在驱动信号上叠加包括数据的数据承载信号；
用驱动信号驱动场产生器，以便产生能被一个或多个外部接收器感测的场；和
在所述一个或多个外部接收器处，检测所述场以便确定被跟踪物体的位置坐标和解调所述数据承载信号以便提取数据。
根据本发明的一个实施例还提供了，向位置跟踪系统内的传感器发射控制指令的装置，包括：
场产生器，将其连接成能产生被传感器感测的场；
信号产生器单元，将其连接成能产生驱动场产生器的驱动信号，同时把包括控制指令的控制信号叠加在驱动信号上；
包括位置传感器的传感器单元，将其连接成能检测所述场，和传感器控制单元，将其连接成响应于被检测场的产生位置信号，和解调所述控制信号以便提取控制指令以及基于提取的控制指令控制传感器的功能；和
处理器，将其连接成响应于位置信号计算传感器的位置坐标。
根据本发明的一个实施例还提供了，用于从位置跟踪系统内的被跟踪物体发射数据的装置，包括：
连接到被跟踪的物体的场产生器，将其设置成产生被外部系统感测的场；
与场产生器相关的信号产生器单元，将其连接成产生驱动场产生器的驱动信号，同时把包括数据的数据承载信号叠加在驱动信号上；
在外部系统内的一个或多个外部接收器，将其连接成检测所述场以便确定被跟踪物体的位置坐标并且能解调数据承载信号以便提取数据。
从下面结合附图对实施例的详细描述将会更全面地理解本发明：
附图说明
图1是根据本发明实施例的磁跟踪系统用于外科的示意性、图示示意图；
图2是示出了根据本发明实施例的传感器单元细节的示意性、图示示意图；
图3是示意性地描绘根据本发明实施例的磁跟踪系统的框图；和
图4是示意性地描绘根据本发明实施例的与传感器单元通信的方法的流程图。
具体实施方式
在典型的基于磁的位置感测系统中，例如在上述参考文献中提及的系统，外部产生的磁场在位于传感器单元内的例如传感器线圈的接收器内感应出位置响应电流。在这样系统的医疗应用中，把传感器单元装进医疗植入物、探测器或其它医疗工具里。传感器单元内的传感器控制单元从接收器获取信号，计算位置信息，并把该信息发射到外部系统。外部系统基于从传感器单元接收的位置信息计算传感器单元的位置和方向。(可选择的，如下所述，在植入物或工具内的场产生器产生磁场，该磁场通过体外的接收器感测。)
在某些应用中，需要从外部系统向传感器单元发送数据。例如，外部系统向传感器单元发射定时、校准或其它控制命令。在一个实施例中，外部系统命令传感器单元放弃被金属干扰破坏的将使磁场扭曲的信号。这种信号放弃改进了磁跟踪系统的性能。
在一些情况中，需要将被跟踪的传感器单元与外部系统无线连接。因此，向传感器单元的数据传输必须无线地实现。一个典型的例子是整形外科应用，其中把传感器单元装进植入患者骨头内的整形外科植入物里。甚至在一些有线的应用中，例如导管和内窥镜，有时向传感器单元使用无线数据传输是有益的。使用无线传输减少穿过导管或内窥镜的电线的数量，从而减少其直径。另一方面，从外部系统到传感器单元增加一个单独的无线通信通道不需要增加尺寸和成本以及不会由于增加的天线和其它硬件元件而降低可靠性。
图1是根据本发明实施例的磁跟踪系统20用于外科的示意性、图示示意图。外科医生22用医疗工具24对患者23实施医疗过程。在外科手术位置处把植入物26引入患者身体，在本实例中该位置位于腿部30内。通过测量及显示植入物26和工具24的位置，跟踪系统引导外科医生实施医疗过程，在本实例中该医疗过程为膝关节手术。系统在包括手术位置的整个工作容积测量位置和方向坐标。
相对于固定在患者身体上的例如定位垫34的场产生器确定工具24和植入物26的坐标。在图1所示的实例中，垫放置在患者的小腿和大腿上，接近植入物26。信号产生器单元38产生驱动在定位垫内的场产生器的驱动信号，该场产生器典型地包括场产生线圈。典型地用电线把定位垫连接到单元38，虽然无线连接也是可行的。场产生线圈在整个工作容积产生磁场。
植入物26和工具24包括微型的、无线传感器单元，其在下文中描述。每个传感器单元包括设计为在感测其附近磁场的位置传感器。定位垫34产生的磁场在装进工具24与植入物26里的传感器单元的位置传感器内感应出电流。响应于感应的电流，在每个传感器单元中的信号处理和发射器电路产生并发射指示植入物或工具的位置及方向的位置信号。
位置信号被连接到计算机41的无线控制单元40接收。计算机41用作系统20的主系统控制器。计算机处理接收的信号以便计算工具24和植入物26的相对位置和方向坐标。所得结果典型地在显示器42上向外科医生显示。
作为位置跟踪应用的一部分，计算机41产生将要发射到植入物26和/或工具24内传感器单元的控制指令，该指令典型地表示为数字数据字。在一个实施例中，控制指令包括定时指令。另外或可选择的，控制指令包括用于传感器单元的校准信息。在另一个实施例中，控制指令使得传感器单元能减轻施加的磁场的变形的影响。这种变形典型地由将金属物体引入工作容积产生的。在这些实施例中，计算机命令传感器单元放弃或补偿被金属干扰破坏的信号。可以用所公开的方法向传感器单元发射任何其他类型的控制指令。例如，控制指令可以命令传感器开始或停止其发射、唤醒、切换至低功耗模式或另外改变其工作模式，或改变其工作频率。
为了向传感器单元发射指令，信号产生器单元38产生调制的控制信号，如将在下文中的详细说明。把控制信号在一个或多个用于驱动定位垫34内的场产生线圈的驱动信号上调制。换言之，控制信号调制一个或多个向传感器单元发射的磁场。在一个实施例中，如上所述和下文的图3所示，驱动信号的调制和控制信号叠加在驱动信号之上是在信号产生器单元38内进行的。已调制的驱动信号通过互联线被发送到定位垫34。在可选实施例中，定位垫接收控制指令。从而定位垫执行调制和叠加功能。
当传感器单元感测磁场时，其解调控制信号并解码控制指令。
在一个实施例中，定位垫产生具有不同频率的电磁场。在100Hz-30kHz的范围内(通常称为音频范围)选择典型频率，虽然其他频率范围也可使用。控制信号典型地在副载波上调制，该副载波具有未被驱动信号使用的不同音频。选取控制副载波的频率以便允许与位置感测使用的频率的充分的频率分离。充分的分离使得传感器单元内的接收器电路能滤出并提取控制信号，如下文所述。典型地，系统用于位置感测和发射控制信号的频率由计算机41设置。
在一些实施例中，信号产生器单元38向不同的传感器单元发送不同的控制信号。在一个实施例中，被寻址到不同传感器单元的控制信号使用不同的副载波频率。另外或可选择的，为每个传感器单元分配一个唯一的ID，并且控制信号使用适合的协议用于对需要的传感器单元寻址。可选择的，任何其他适合的寻址方法也可使用。
图1所示的系统涉及整形外科应用。关于这种位置跟踪系统进一步的细节可在美国专利申请号为11/063,094中找到。另一个用于整形外科应用的类似系统，其中采用了本发明的原理，在2004年3月5日提交的美国临时专利申请号为60/550,924、现在作为美国专利申请号为11/062,258提交的专利中描述。这些申请全部转让给本专利申请的申请人，并且它们公开的内容在此通过引用结合入本文。
但是，纯粹是为了构思清楚的目的而选择图1所示的典型系统。其它的系统构造对本领域的熟练人员也是显而易见的并且认为是不超出本发明的范围。例如，可使用任意数量的植入物26、医疗工具24及定位垫34。可把传感器单元装入其它类型的植入物和医疗工具，以及侵入式医疗器械例如导管和内窥镜。使用任何本领域已知的适合技术把定位垫附着到患者身体上。可选择的，可把定位垫安装在适合的外部结构上。
定位垫34和植入物26及工具24内的传感器单元可设计成或者发射或者接收磁场。换言之，如果植入物26及工具24内的传感器单元构造成接收磁场，那么定位垫34构造成产生场。可选择的，可把定位垫构造成感测装进植入物和工具内的场产生器产生的场。在下文中假设定位垫34产生磁场，该磁场被植入物26和工具24内的传感器单元接收。在发射器和接收器的作用颠倒过来的构造中，本发明的原理可用于把来自跟踪的物体的控制和/或遥测信息发射到外部系统。
图2是根据本发明实施例的容纳在植入物26内的传感器单元45的示意性、图示的示意图。传感器单元45包括位置传感器46，该传感器典型的包括三个感测在传感器附近施加的磁场的位置线圈。供电线圈48用作传感器单元45的电源。供电线圈典型地通过电感耦合从外部驱动天线(其可以是图1所示的无线控制单元40的一部分)接收射频(RF)能量。可选择的，可以把传感器和供电线圈缠绕在同一个铁心上，如美国专利申请号为10/754,751中所述。可选择的，可以用传感器单元45内的电池(未示出)或其它适合的方式供电。通信线圈50用于从传感器单元向无线控制单元40发射位置信号。可选择的，或者传感器线圈46或者供电线圈48还可用于发射位置信号，避免需要单独的通信线圈。
位置传感器46和线圈48及50被连接到传感器控制单元70。如上所述，定位垫34产生的磁场在位置传感器46内的定位线圈两端感应出随时间变化的信号电压。单元70接收该信号电压并响应于这些电压产生位置信号。单元70驱动通信线圈50向外部系统内的接收天线发射位置信号，该外部系统典型地在无线控制单元40内。
图2示意了典型的传感器单元构造。如上所述，其它的电气和机械构造也可用于实现传感器单元45以便适应不同的医疗植入物和器械。在上面提及的美国专利申请号为11/062,258中给出了一些典型的传感器单元构造。
图3是示意性地描绘根据本发明实施例的磁跟踪系统20的功能元件的框图。如上所述，信号产生器单元38中的驱动信号产生器82产生驱动信号以便驱动定位垫34中的场产生线圈。信号产生器单元38里的控制信号产生器84接收来自计算机41控制指令并产生控制信号，该信号典型地在具有适合的音频的副载波上调制。在典型的构造中，当控制信号使用8KHz的频率时，驱动信号使用范围在1-3KHz的频率。混频器86把控制信号与至少一个驱动信号进行组合。然后驱动信号用于驱动定位垫34里的场产生线圈。(图3示意了三个定位垫34，但是如上面对图1的说明，可使用任意数量的垫。)
在一个实施例中，根据控制指令的二进制编码的表达，控制信号产生器通过以预定的比特率转换副载波信号的开与关的方式产生控制信号。这种调制通常称为开-关键控(OOK)。
在公开的实施例中，信号产生器单元把控制信号与两个或多个驱动信号进行组合。与每个驱动信号组合的控制信号使用不同的副载波频率。另外或可选择的，可以在不同的驱动信号上发射不同的控制指令。这样的构造例如便于向不同的传感器单元发送不同的指令。
垫34产生的磁场被传感器单元45的位置传感器46感测并且相应的电压被发送到传感器控制单元70用于处理。传感器控制单元放大、滤波并数字化接收信号以便产生数字化的信号(为了简明，图3中省略了用于该目的的模拟电路和模拟/数字转换器)。传感器控制单元中的数字滤波器88典型地用快速傅立叶变换(FFT)处理从数字化的信号中滤出控制信号。FFT处理可以或者由专用硬件或者由软件处理实现。可选择的，可使用任何其它适合的滤波处理实现滤波器88。在一个可选择的实施例中，滤波器88包括模拟滤波器，并且在滤波之后对接收的控制信号进行数字化。
传感器控制单元然后解调滤波后的信号并产生分离的位置信号90和控制信号92。位置信号90典型地被发射到无线控制单元40。传感器控制单元解调控制信号以便重现控制指令。在使用开-关键控调制控制信号的实施例中，解调控制信号典型地包括在对应于副载波频率的FFT库(bin)中检测存在或存在信号能量。
然后控制指令用于对传感器单元进行控制、校准或其它操作。利用所述公开的构造，传感器单元的位置感测电路用于提取位置信号90和控制信号92而不需要额外的天线及接收控制指令的接收器。这种构造使得能够设计更小、更低成本和更可靠的传感器单元。
图4是示意性地描绘根据本发明实施例的与传感器单元45通信的方法的流程图。在控制产生步骤100，该方法由信号产生器单元38接收控制指令开始。控制信号产生器84产生控制信号，该控制信号典型地被具有适合的音频的副载波调制，如上所述。
在组合步骤102，信号产生器单元38利用混频器86把控制信号与一个或多个由驱动信号产生器82产生的驱动信号组合。信号产生器单元向定位垫34发送驱动信号。在场产生步骤104，定位垫34响应驱动信号产生磁场。在感测步骤106，传感器单元45内的位置传感器46感测其附近的磁场。位置传感器响应被感测的磁场产生随时间变化的电压。该电压包括对应于不同驱动信号和对应于被发射的控制信号的成分。在提取步骤108，传感器控制单元70接收该电压并提取位置信号和控制信号。如上所述，控制单元放大并数字化该感应电压。然后典型地利用FFT对数字化的信号进行滤波以便产生位置信号和控制信号。通过通信线圈50和无线控制单元40把位置信号发射到计算机41用于处理。最后，控制单元解调控制信号以便重现发射到传感器单元的控制指令。
虽然已经公开的方法和系统主要涉及向磁跟踪系统内的体内传感器的数据传输，本发明的原理可用在其它应用中。例如，可以在例如超声和光学跟踪系统的其它类型跟踪系统中为了位置感测而产生的磁场上调制控制信号。其它应用还可以包括射频识别(RFID)或其它标识系统，例如磁耦合标识系统。
因此，应当理解的是，上述实施例是以示例的方式引用的，本发明不局限于上述特定的示图和说明。相反，本发明的范围包括上述描述的特征的各种组合及子组合，以及在本领域的熟练人员阅读了前面的描述能够想到的并且未被现有技术公开的变化及变型。

Claims (20)

1.一种向位置跟踪系统内的传感器发射控制指令的方法，包括：
产生用于驱动场发生器的驱动信号；
把包括控制指令的控制信号叠加到驱动信号上；
用驱动信号驱动场发生器，以便产生被传感器感测的场；
在传感器处，检测场以便确定传感器的位置坐标并解调所述控制信号从而提取控制指令；和
基于提取的控制指令控制传感器的功能。
2.如权利要求1所述的方法，其中驱动信号具有一个驱动频率，并且其中对控制信号进行叠加包括在具有不同于驱动频率的控制频率的控制副载波上调制控制指令，以便使得控制信号从驱动信号分离出来。
3.如权利要求2所述的方法，其中对场进行的检测包括响应于被检测的场产生接收信号，并从接收信号中提取控制信号。
4.如权利要求3所述的方法，其中对控制信号的提取包括数字化接收信号以便产生数字化的信号，向所述数字化的信号施加快速傅立叶变换(FFT)处理，并检测对应于控制频率的FFT库中的能量。
5.如权利要求2所述的方法，其中对控制指令的调制包括响应于控制指令的二进制表示而转换控制副载波的开和关。
6.如权利要求1所述的方法，其中对控制信号的叠加包括把第一控制指令寻址到第一传感器，和把不同于第一控制指令的第二控制指令寻址到第二传感器。
7.如权利要求1所述的方法，其中对场的检测包括使用传感器内的单个线圈检测基于控制信号的第一场成分，和与位置坐标有关的第二场成分。
8.如权利要求1所述的方法，其中对传感器功能的控制包括控制传感器的定时、校准传感器和在补偿被检测的场内的变形中的至少一个。
9.如权利要求1所述的方法，其中场包括磁场。
10.一种在位置跟踪系统中从被跟踪物体发射数据的方法，包括：
产生用于驱动被跟踪物体内的场产生器的驱动信号；
在驱动信号上叠加包括数据的数据承载信号；
用驱动信号驱动场产生器，以便产生被一个或多个外部接收器感测的场；和
在所述一个或多个外部接收器处，检测所述场以便确定被跟踪物体的位置坐标和解调所述数据承载信号以便提取数据。
11.向位置跟踪系统内的传感器发射控制指令的装置，包括：
场产生器，将其连接成产生被传感器感测的场；
信号产生器单元，将其连接成产生用于驱动场产生器的驱动信号，同时把包括控制指令的控制信号叠加在驱动信号上；
包括位置传感器的传感器单元，将其连接成检测所述场，和传感器控制单元，将传感器控制单元连接成响应于检测的场产生位置信号，和解调所述控制信号以便提取控制指令以及基于提取的控制指令控制传感器的功能；以及
处理器，将其连接成响应于位置信号计算传感器的位置坐标。
12.如权利要求11所述的装置，其中将信号产生器单元连接成在驱动频率产生驱动信号并且在具有控制频率的控制副载波上调制控制指令，其中所述控制频率不同于所述驱动频率，以便使得控制信号与驱动信号分离。
13.如权利要求12所述的装置，其中将位置传感器连接成响应于被检测的场产生接收信号，并且其中将传感器控制单元连接成从接收信号提取控制信号。
14.如权利要求13所述的装置，其中将传感器控制单元连接成数字化接收信号以便产生数字化的信号，和向所述数字化的信号施加快速傅立叶变换(FFT)处理，和检测对应于控制频率的FFT库中的能量，以便提取控制信号。
15.如权利要求12所述的装置，其中将信号产生器单元连接成响应于控制指令的二进制表示转换控制副载波的开和关，以便调制所述控制信号。
16.如权利要求11所述的装置，其中将处理器连接成把第一控制指令寻址到第一传感器和把不同于第一控制指令的第二控制指令寻址到第二传感器。
17.如权利要求11所述的装置，其中位置传感器包括线圈，其被连接成接收基于控制信号的第一场成分和与位置坐标相关的第二场成分。
18.如权利要求11所述的装置，其中将传感器控制单元连接成响应于控制指令执行控制传感器单元的定时、校准传感器单元和补偿在被检测的场内的变形中的至少一个。
19.如权利要求11所述的装置，其中场包括磁场。
20.用于从在位置跟踪系统内的被跟踪物体发射数据的装置，包括：
连接到被跟踪物体的场产生器，将其设置成产生被外部系统感测的场；
与场产生器相关的信号产生器单元，将其连接成产生用于驱动场产生器的驱动信号，同时在驱动信号上叠加包括数据的数据承载信号；以及
在外部系统内的一个或多个外部接收器，将其连接成检测所述场以便确定被跟踪物体的位置坐标，并且能解调数据承载信号以便提取数据。
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