EP2609446A1 - Positionsbestimmung mittels rfid-tags - Google Patents

Positionsbestimmung mittels rfid-tags

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Publication number
EP2609446A1
EP2609446A1 EP11760394.4A EP11760394A EP2609446A1 EP 2609446 A1 EP2609446 A1 EP 2609446A1 EP 11760394 A EP11760394 A EP 11760394A EP 2609446 A1 EP2609446 A1 EP 2609446A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transponder
signal
localization signal
determining
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11760394.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Trösken
Laszlo Hasenau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amedo Smart Tracking Solutions GmbH
Original Assignee
Amedo Smart Tracking Solutions GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amedo Smart Tracking Solutions GmbH filed Critical Amedo Smart Tracking Solutions GmbH
Publication of EP2609446A1 publication Critical patent/EP2609446A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/10—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation
    • G06K7/10009—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves
    • G06K7/10297—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns by electromagnetic radiation, e.g. optical sensing; by corpuscular radiation sensing by radiation using wavelengths larger than 0.1 mm, e.g. radio-waves or microwaves arrangements for handling protocols designed for non-contact record carriers such as RFIDs NFCs, e.g. ISO/IEC 14443 and 18092
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0247—Determining attitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/76—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted
    • G01S13/765—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted with exchange of information between interrogator and responder

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the spatial position and / or orientation of an object marked by at least one transponder, wherein the transponder receives an interrogation signal emitted by a transmitter and is thereby excited to emit a localization signal, wherein the localization signal at least one receiving device is received and analyzed by means of an evaluation device for determining the position.
  • the invention relates to a system for position determination, comprising at least one attachable to an object transponder, a transmitting device for emitting a receivable by the transponder interrogation signal, a plurality of located at different locations receiving means for receiving a radiated from the transponder localization signal, and an evaluation device for Analysis of the received localization signal.
  • a medical instrument used is of great importance in various diagnostic and therapeutic procedures.
  • These instruments may be, for example, intravascular catheters, guide wires, biopsy needles, minimally invasive surgical instruments, endoscopes, or the like.
  • WO 2007/147614 A2 describes a system for determining the spatial position and / or orientation of a medical instrument, with a transmitting device emitting an interrogation signal in the form of electromagnetic radiation and at least one transponder arranged in the form of an RFID tag on the medical instrument.
  • the RFID tag has an antenna and a circuit for receiving and transmitting electromagnetic radiation connected to the antenna, wherein the circuit can be excited by the interrogation signal received via the antenna in such a way that it transmits a localization signal as electromagnetic radiation the antenna is emitting.
  • a plurality of receiving devices are provided, which receive the localization signal emitted by the transponder. From the field strength and the phase of the localization signal at the location of the respective receiving device can be deduced the exact position of the transponder.
  • An evaluation device connected to the receiving devices determines the spatial position and / or orientation of the transponder and thus of the medical instrument from the localization signal emitted by the transponder.
  • the evaluation of the comparatively weak localization signal of the RFID tag in particular with regard to the phase position of the localization signal at the respective location of the receiving device, is difficult.
  • the receiving devices receive the interrogation signal of the transmitting device parallel to the localization signal. The latter is up to 100 dB stronger than the localization signal. Since the separation of the interrogation signal of the transmitting device from the localization signal of the transponder is not or at least not sufficiently well possible, a sufficient precision in the position determination can not be achieved.
  • the transmitting device intermittently emits the interrogation signal
  • the receiving device receiving at least the localization signal emitted by the transponder during the transmission pauses of the transmitting device and the evaluation device determining the position therefrom, and to a few centimeters, a few millimeters or even less than a millimeter.
  • a transponder preferably in the form of a commercially available RFID tag (eg according to the so-called "EPC Global Standard"), is used in the method according to the invention as described above.
  • FIFF is known to be a technology for contactless identification and localization
  • An RFID tag consists of a transponder and a reader for reading out the transponder identifier.This reader forms a transmitting device in the sense of the invention.
  • An RFID tag typically comprises an antenna and an integrated electronic circuit with an analog and a digital part.
  • the analogue part is used for receiving and transmitting electromagnetic radiation.
  • the digital circuit has a data memory in which identification data of the transponder can be stored.
  • the digital part of the circuit has a von Neumann architecture the reader generated te high-frequency electromagnetic field forms the interrogation signal in the context of the invention. This is received via the antenna of the RFI D transponder. As soon as it is in the electromagnetic field of the reader, an induction current is generated in the antenna, which activates the transponder. The thus activated transponder receives commands from the reader via the electromagnetic field.
  • the transponder generates a response signal containing the data requested by the reader.
  • the response signal is the location signal, by means of which the spatial position of the mark is detected.
  • Passive RFID tags as well as active RFID tags are suitable for the method according to the invention.
  • the invention makes use of the knowledge that the interrogation signal of the transmitting device can be interrupted for short periods of time (approximately 100 to 500 ⁇ ) without this impairing the communication between the transmitting device and the transponder.
  • the transponder has stored sufficient energy after the excitation by the interrogation signal and continues to send the localization signal during the transmission pauses of the transmitting device.
  • the localization signal is received during the transmission pauses of the transmission device and analyzed for position determination by means of the evaluation device. The localization signal is thus received without disturbing interference by the interrogation signal.
  • the determination of the position by means of the evaluation device based on the phase position of the electromagnetic radiation of the localization signal is carried out at the location of the receiving device.
  • the background is that the field strength of the localization signals may be subject to fluctuations, for example due to signal reflections from the environment. For this reason, a position determination based on the field strength, ie on the basis of the amplitude of the electromagnetic radiation emitted by the transponder localization signals, may not always be possible with sufficient accuracy.
  • the phase position is less sensitive to disturbing environmental influences than the amplitude of the electromagnetic radiation of the localization signals.
  • a coarse position determination takes place on the basis of the amplitude, wherein the accuracy is refined by determining the phase position.
  • the position determination based on the phase position also allows a higher accuracy than the position determination based on the signal amplitude. Due to the periodicity of the electromagnetic radiation, the position determination based on the phase position may not be unique. Either a limited measuring volume must be maintained, within which the phase position can be clearly deduced from the position, or it can be additional measures must be taken.
  • a combination of the measurement of the signal amplitude with the measurement of the phase position can remedy.
  • a receiving device used according to the invention typically comprises an antenna which is connected to a corresponding receiving electronics (HF network, amplifier, demodulator, etc.).
  • location of the receiving device is synonymous with the location of the antenna.
  • the phase or amplitude of the electromagnetic radiation of the localization signal at the location of the antenna is important for determining the position.
  • the antenna can be spatially separated from the associated receiving electronics It is also conceivable to use a variant in which a plurality of antennas are connected to a reception electronics system having a plurality of channels, and in this case as well, the term “location of the reception facility” is used. the location of the respective antenna is meant.
  • the orientation of the object marked by a single transponder is determined by means of the evaluation device on the basis of the phase position of the electromagnetic radiation of the localization signal at the location of the receiving device.
  • This procedure makes use of the fact that the transponder has a characteristic anisotropic emission characteristic. Accordingly, the orientation of the object in the space (determined by the angles which occupies at least one excellent axis of the object relative to the coordinate axes) affects the phase position in a defined manner. This can be used to determine the orientation, even if the object is only marked with a single transponder.
  • the electromagnetic radiation of the localization signal by means of two or more receiving devices located at different locations W
  • phase difference value derived from the received localization signal is generated by means of at least one phase detector and supplied to the evaluation device for position determination. From the localization signal received from each of two different positions, e.g. the phase difference are formed. It is also possible for each receiving device to be assigned a phase detector, to which a reference signal which is in constant phase relation with the interrogation signal is fed for phase difference generation. The measurement of the phase difference in place of the absolute phase position is advantageous because the radiated from the respective transponder electromagnetic radiation of the localization signal initially has no defined absolute phase position.
  • phase detectors e.g. used in PLL modules are used. Frequently signal amplifiers for amplifying the received signals are already integrated in such PLL components.
  • the procedure is such that the phase difference values derived from the received localization signal are compared with (eg, stored in the evaluation device) reference phase reference values.
  • a simple comparison possibly in combination with an interpolation, can be made with the stored reference phase difference values which are assigned correspondingly to x, y and z coordinates for position determination.
  • the position can be determined by means of a neural network, to which the phase difference values generated from the received localization signal are supplied as input values. At the output of the neural network are then the space coordinates, which results in the current position of the respective marker.
  • a calibration measurement is expediently carried out in advance in which reference phase difference values are detected for a plurality of predetermined positions.
  • the mentioned neural network can be trained. It makes sense to continue to visit a predetermined reference point regularly with the object or the mark, independently of the calibration. This can be used to periodically align with the origin of the coordinates. In the position determination, a shift of the coordinate origin can be easily compensated by a simple vector addition, if necessary, without a complete recalibration is necessary.
  • a plurality of reference transponders located at fixed positions can be provided, from which reference phase difference values are detected.
  • a continuous calibration is possible, for example, to continuously adapt the reference phase difference values for the position determination to changing environmental conditions.
  • the calibration measurement can be repeated regularly cyclically.
  • the localization signal emitted by the transponder is pulse-shaped.
  • the output signal of the phase detector is first digitized, with a sampling frequency which is greater than the pulse frequency of the localization signal.
  • the phase-endference value can then be derived from the received localization signal by means of the output signals of the phase detector by suitable digital signal processing.
  • a suitable signal processing algorithm can effectively suppress noise and other signal interference.
  • the signals radiated by the RFID tag used according to the invention are pulsed.
  • the digital data transmission between RFID tag and reader is usually done by signal pulses. This can be exploited according to the invention to detect the phase difference values, which are needed for position determination as described above, reliably and with low noise.
  • the invention further relates to a system for position determination, comprising at least one transponder attachable to an object, a transmitting device for emitting a query signal receivable by the transponder, a plurality of receiving devices located at different locations for receiving a localization signal radiated from the transponder, and an evaluation device for Analysis of the received localization signal.
  • a system for position determination comprising at least one transponder attachable to an object, a transmitting device for emitting a query signal receivable by the transponder, a plurality of receiving devices located at different locations for receiving a localization signal radiated from the transponder, and an evaluation device for Analysis of the received localization signal.
  • the evaluation device for determining the spatial position of the transponder is set up by analyzing the localization signal received during the transmission pauses of the transmission device.
  • each receiving device is associated with a phase detector to which a reference signal which is in constant phase relation with the interrogation signal is fed at least during the transmission pauses of the transmitting device.
  • the system according to the invention can be used in various fields.
  • the system can be used to determine the position of a medical instrument marked with one or more RFID tags with millimeter precision.
  • the detected position can be suitably visualized for the purpose of navigation, for example by outputting a representation of the instrument on a screen accessible to the surgeon, wherein the representation of the instrument superimposes medical image data (eg X-ray, CT, ultrasound or MR images) becomes.
  • medical image data eg X-ray, CT, ultrasound or MR images
  • the use of the system according to the invention in the instrumental analysis is conceivable, namely for determining the position and / or orientation of a marked by at least one transponder sample or a sample container.
  • the transponder makes it possible to determine the position of the sample within a corresponding analytical measuring arrangement.
  • the sample can be automatically identified by the transponder.
  • the system according to the invention is suitable for use in automated production technology (for example in the automotive industry or in aerospace technology) for determining the position and / or orientation of a component, workpiece or production machine marked by at least one transponder.
  • automated production technology for example in the automotive industry or in aerospace technology
  • the position of a specific (by the transponder also identifiable) workpiece to be processed, or component to be mounted are determined to control the used production machines accordingly.
  • the position of the production machines themselves i. e.g. the current position, position and orientation of a tool or gripper connected to the production machine can be detected and monitored.
  • the correct position of the workpiece or component can be checked.
  • motion capture is understood to be methods which make it possible to record movements of objects, for example human movements, and to digitize the recorded data
  • the registered digital motion data is used to transfer it to computer-generated models of the subject, such techniques being common in the production of movies and computer games today
  • To compute three-dimensional animated graphics computer-aided Motion detection allows complex movement sequences by computer be analyzed to generate animated computer graphics with relatively little effort or to control devices of consumer electronics (eg computer game consoles).
  • motion detection the most diverse types of movements can be detected, namely rotations, translations as well as deformations of the examined objects.
  • the detection of movements in moving objects such. As in humans, have multiple joints that can independently perform movements is possible.
  • motion capture also includes the so-called “performance capture technique.”
  • performance capture technique not only the body movements but also the facial expressions, ie the facial expressions of persons are detected and analyzed by computer and further processed the respective object one or more RFID tags attached as markers whose spatial positions are detected and digitized.
  • Figure 1 schematic representation of a system according to the invention as a block diagram
  • FIG. 2 shows the time profile of the intermittently emitted interrogation signal according to the invention
  • FIG. 3 Output signal of one of the phase detectors in the system according to FIG. 1.
  • the system shown schematically in FIG. 1 serves to determine the spatial position and orientation of a medical instrument 1, which is, for example, a biopsy needle.
  • a medical instrument 1 which is, for example, a biopsy needle.
  • transponders 2 and 2 ' the form of commercially available passive RFID tags are arranged, which serve as markers for determining position.
  • the system comprises a transmitting device 3, which is also a commercially available reader for the RFID tags 2, 2 'acts.
  • the transmitting device 3 emits an interrogation signal via an antenna 4.
  • the electromagnetic radiation of the interrogation signal is received by the transponders 2 and 2 '.
  • the transponders 2 and 2 'antennas (not shown), in which, as soon as they are in the electromagnetic field of the transmitting device 3, an induction current is formed by the transponder 2 and 2' are activated.
  • the localization signal is modulated in a pulse shape.
  • the localization signal interrogated by the transponders 2 and 2 ' is used to determine the spatial positions of the transponders 2 and 2' and thus to determine the position and orientation of the medical instrument 1.
  • the orientation is determined in the exemplary embodiment by analyzing the relative positions of the two transponders 2 and 2 '.
  • the localization signals of the transponders 2 and 2 ' are received by means of receiving means 5 located at different positions in space.
  • the receiving devices 5 have suitable receiving antennas 6.
  • An evaluation device 7 is provided which analyzes the received localization signals for determining the positions of the transponders 2 and 2 '.
  • the transmitting device 3 emits intermittently the interrogation signal.
  • a controlled by the evaluation device 7 switching element 8 is provided, which connects the transmitting device 3 depending on the switching position with the antenna 4 or separates from this. The switching element 8 thus enables controlled by the evaluation device 7 blanking the interrogation signal.
  • Each of the receiving devices 5 has a phase detector which derives a signal derived from the respectively received localization signal Phase difference value generated.
  • each phase detector is supplied with the interrogation signal of the transmitting device 3 in a constant phase relationship standing reference signal via a connected to the transmitting device 3 reference signal line 9.
  • the spatial positions of the transponders 2 and 2 ' are determined by means of the evaluation device 7 on the basis of the phase position of the electromagnetic radiation of the localization signal at the location of the respective receiving device 5.
  • the outputs of the phase detectors of the receiving devices 5 are connected to digital modules 10. These each include an analog-to-digital converter that digitizes the phase difference values.
  • the digital phase difference values are transmitted to the evaluation device 7 via a data bus 11 to which the digital modules 10 are connected.
  • the illustrated architecture of the system allows almost any number of receiving devices which are connected to the evaluation device 7 via the data bus 11.
  • the receiving devices 5 can be flexibly distributed according to the requirements in the room to ensure a reliable position determination.
  • the evaluation means 7 uses those position-determining phase difference values received during transmission pauses of the transmission means 3, i. during those time intervals during which the connection between the transmitting device 3 and the antenna 4 is interrupted by means of the switching element 8. In this way, it is ensured that the interrogation signal of the transmitting device 3 does not affect the position determination on the basis of the localization signals of the transponders 2 and 2 '.
  • FIG. 2 illustrates the interrogation signal emitted by the transmitting device 3 via the antenna 4. It can be seen that the interrogation signal is emitted intermittently. During a period of up to 5 ms, the switching element 8 is closed, ie during this period the interrogation signal of the transmitting device 3 is radiated unhindered via the antenna 4. Then, the switching member 8 is opened, so that the connection between transmitting device 3 and antenna 4 is interrupted, namely during a period of 100 ps. During this period, the localization signals of the transponders 2 and 2 'are received via the receiving devices 5 and analyzed for position determination by means of the evaluation device 7.
  • the invention makes use, as explained above, of the knowledge that in commercial RFID systems, the interrogation signal of the transmitting device 3 (the reader) for short periods, namely about 100 to 500 s, can be interrupted, without thereby affecting the other Communication between the transmitting device 3 and the transponders 2 and 2 'is impaired. It is exploited in particular that the transponders 2 and 2 'after the excitation by the interrogation signal of the transmitting device 3 have stored sufficient energy to continue to radiate the localization signal during the transmission pauses of the transmitting device 3. The localization signals can therefore be received according to the invention without disturbing superposition by the interrogation signal.
  • the procedure is such that the phase difference values are compared by means of the evaluation device 7 with reference phase difference values stored there. By comparison with the stored reference phase difference values, the x, y and z coordinates of the respective transponder 2 or 2 'are determined.
  • the medical instrument 1 is located in an area defined by reference transponder 12.
  • the reference transponders 12, which in turn are commercially available RFID tags, are located at fixed positions. Continuously derived from the localization signals of the reference transponder 12 corresponding reference phase difference values over the illustrated system. This allows a continuous recalibration in the position determination.
  • FIG. 3 schematically shows the output signal of one of the phase detectors of the receiving devices 5 (see FIG. 1). It can be seen that the respective output signal is provided with a strong noise. It can also be seen that the transponders 2 and 2 'emit a pulsed output signal. Find the signal pulses of the localization signal their correspondence in the signal pulses at the output of the phase detectors. The pulsed emission of the localization signals of the transponders 2 and 2 'serves for data transmission between the transponders 2 and 2' and the reader 3. For example, identification data of the transponders 2 and 2 'are transmitted. This makes it possible to identify the individual transponders 2 and 2 'as well as the reference transponders 12.
  • the position determination can thus be carried out individually for each transponder 2, 2 'or 12 by means of the evaluation device 7.
  • the phase difference values are detected reliably and with low noise by digital signal processing.
  • the output signal of each phase detector shown in Figure 3 is first digitized by means of the digital modules 10, with a sampling frequency which is greater than the pulse frequency of the localization signal.
  • This approach has the advantage that a remaining weak residual signal of the interrogation signal of the transmitting device 3, which is also emitted while the switching element 8 is emitted via the antenna 4, can be analyzed and eliminated in the phase difference formation and the position determination in this way not by the residual signal impaired or distorted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines mittels wenigstens eines Transponders (2, 2') markierten Objektes (1), wobei der Transponder (2, 2') ein von einer Sendeeinrichtung (3) abgestrahltes Abfragesignal empfängt und dadurch zur Abstrahlung eines Lokalisierungssignals angeregt wird, wobei das Lokalisierungssignal mittels wenigstens einer Empfangseinrichtung (5) empfangen und mittels einer Auswertungseinrichtung (7) zur Bestimmung der Position analysiert wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein hinsichtlich der Praktikabilität und vor allem hinsichtlich der Präzision bei der Positionsbestimmung verbessertes Verfahren bereitzustellen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass die Sendeeinrichtung (3) das Abfragesignal intermittierend abstrahlt, wobei die Empfangseinrichtung (5) zumindest das von dem Transponder (2, 2') während der Sendepausen der Sendeeinrichtung (3) abgestrahlte Lokalisierungssignal empfängt und die Auswertungseinrichtung (7) daraus die Position bestimmt. Außerdem betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Positionsbestimmung mittels RFID-Taas Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines mittels wenigstens eines Transponders markierten Objektes, wobei der Transponder ein von einer Sendeeinrichtung abgestrahltes Abfragesignal empfängt und dadurch zur Abstrahlung eines Lokalisierungssignals angeregt wird, wobei das Lokalisierungssignal mittels wenigstens einer Empfangseinrichtung empfangen und mittels einer Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Position analysiert wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein System zur Positionsbestimmung, mit wenigstens einem an einem Objekt anbringbaren Transponder, einer Sendeeinrichtung zur Abstrahlung eines von dem Transponder empfangbaren Abfragesignals, einer Mehrzahl von an verschiedenen Orten befindlichen Empfangseinrichtungen zum Empfangen eines von dem Transponder abgestrahlten Lokalisierungssignals, und einer Auswertungseinrichtung zur Analyse des empfangenen Lokalisierungssignals.
Zum Beispiel in der Medizin ist bei verschiedenen diagnostischen und therapeutischen Verfahren die genaue Bestimmung der Position eines verwendeten medizinischen Instrumentes von großer Bedeutung. Bei diesen Instrumenten kann es sich beispielsweise um intravaskuläre Katheter, Führungsdrähte, Biopsienadeln, minimal invasive chirurgische Instrumente, Endoskope oder ähnliches handeln. Von besonders großem Interesse sind Systeme zur Bestimmung der räumlichen Position und Lage eines medizinischen Instrumentes in den Bereichen der interventionellen Radiologie, der Neurochirurgie, der Orthopädie oder auch der Strahlentherapie. Für präzise
BESTÄTIGUNGSKOPIE Positionsbestimmungssysteme existiert aber auch eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten außerhalb der Medizin.
Die WO 2007/147614 A2 beschreibt ein System zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines medizinischen Instrumentes, mit einer ein Abfragesignal in Form von elektromagnetischer Strahlung emittierenden Sendeeinrichtung und wenigstens einem an dem medizinischen Instrument angeordneten Transponder in Form eines RFID-Tags. Das RFID-Tag weist eine Antenne und einen mit der Antenne verbundenen Schaltkreis zum Empfangen und Senden von elektromagnetischer Strahlung auf, wobei der Schaltkreis durch das über die Antenne empfangene Abfragesignal anregbar ist, und zwar in der Weise, dass dieser ein Lokalisierungssignal als elektromagnetische Strahlung über die Antenne aussendet. Mehrere Empfangseinrichtungen sind vorgesehen, welche das von dem Transponder ausgesendete Lokalisierungssignal empfangen. Aus der Feldstärke und der Phase des Lokalisierungssignals am Ort der jeweiligen Empfangseinrichtung kann auf die genaue Position des Transponders zurückgeschlossen werden. Eine mit den Empfangseinrichtungen verbundene Auswertungseinrichtung ermittelt aus dem von dem Transponder abgestrahlten Lokalisierungssignal die räumliche Position und/oder Orientierung des Transponders und damit des medizinischen Instrumentes. Bei dem vorbekannten System besteht in der Praxis das Problem, dass die Auswertung des vergleichsweise schwachen Lokalisierungssignals des RFID- Tags, insbesondere hinsichtlich der Phasenlage des Lokalisierungssignals am jeweiligen Ort der Empfangseinrichtung, schwierig ist. Der Grund hierfür ist, dass die Empfangseinrichtungen parallel zu dem Lokalisierungssignal auch das Abfragesignal der Sendeeinrichtung empfangen. Letzteres ist um bis zu 100 dB stärker als das Lokalisierungssignal. Da die Separierung des Abfragesignals der Sendeeinrichtung von dem Lokalisierungssignal des Transponders nicht oder zumindest nicht ausreichend gut möglich ist, kann eine ausreichende Präzision bei der Positionsbestimmung nicht erreicht werden. Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich der Praktikabilität und vor allem hinsichtlich der Präzision bei der Positionsbestimmung verbessertes Verfahren und System bereit zu stellen. Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Sendeeinrichtung das Abfragesignal intermittierend abstrahlt, wobei die Empfangseinrichtung zumindest das von dem Transponder während der Sendepausen der Sendeeinrichtung abge- strahlte Lokalisierungssignal empfängt und die Auswertungseinrichtung daraus die Position bestimmt, und zwar auf wenige Zentimeter, wenige Millimeter oder sogar weniger als einen Millimeter genau.
Als Markierung zur Positionsbestimmung kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie oben erläutert, ein Transponder, vorzugsweise in Form eines handelsüblichen RFID-Tags (z.B. nach dem sog.„EPC Global Standard") zum Einsatz. RFID ist bekanntlich eine Technik zur berührungslosen Identifizierung und Lokalisierung. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder und einem Lesegerät zum Auslesen der Transponder-Kennung. Dieses Lesegerät bildet eine Sendeeinrichtung im Sinne der Erfindung. Ein RFID-Tag umfasst üblicherweise eine Antenne sowie einen integrierten elektronischen Schaltkreis mit einem analogen und einem digitalen Teil. Der analoge Teil (Transceiver) dient zum Empfangen und Senden von elektromagnetischer Strahlung. Der digitale Schaltkreis weist einen Datenspeicher auf, in welchem Identifizierungsdaten des Transponders speicherbar sind. Bei komplexeren RFID-Transpondern hat der digitale Teil des Schaltkreises eine von Neumann- Architektur. Das von dem Lesegerät erzeugte hochfrequente elektromagnetische Feld bildet das Abfragesignal im Sinne der Erfindung. Dieses wird über die Antenne des RFI D-Transponders empfangen. In der Antenne entsteht, sobald sie sich in dem elektromagnetischen Feld des Lesegerätes befindet, ein Induktionsstrom, durch den der Transponder aktiviert wird. Der so aktivierte Transponder empfängt über das elektromagnetische Feld Befehle vom Lesegerät. Der Transponder erzeugt ein Antwortsignal, welches die vom Lesegerät abgefragten Daten enthält. Gemäß der Erfindung ist das Antwortsignal das Lokalisierungssignal, anhand dessen die räumliche Position der Markierung erfasst wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich passive RFID-Tags sowie auch aktive RFID-Tags (z.B. zur Vergrößerung der Reichweite). Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass das Abfragesignal der Sendeeinrichtung während kurzer Zeiträume (ca. 100 bis 500 με) unterbrochen werden kann, ohne dass hierdurch die Kommunikation zwischen der Sendeeinrichtung und dem Transponder beeinträchtigt wird. Insbesondere zeigt sich, dass der Transponder nach der Anregung durch das Abfragesignal ausreichend Energie gespeichert hat und das Lokalisierungssignal während der Sendepausen der Sendeeinrichtung weiterhin aussendet. Gemäß der Erfindung wird das Lokalisierungssignal während der Sendepausen der Sendeeinrichtung empfangen und zur Positionsbestimmung mittels der Auswertungseinrichtung analysiert. Das Lokalisierungssignal wird somit ohne störende Überlagerung durch das Abfragesignal empfangen. Dies ermöglicht eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit und der Präzision bei der Positionsbestimmung. Mit handelsüblichen RFID-Tags lässt sich so eine millimetergenaue Positionsbestimmung durchführen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Position mittels der Auswertungseinrichtung anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der Empfangseinrichtung. Hintergrund ist, dass die Feldstärke der Lokalisierungssignale Schwankungen unterworfen sein kann, beispielsweise aufgrund von Signalreflektionen aus der Umgebung. Aus diesem Grund ist eine Positionsbestimmung anhand der Feldstärke, d. h. anhand der Amplitude der elektromagnetischen Strahlung der von dem Transponder abgestrahlten Lokalisierungssignale, unter Umständen nicht immer mit ausreichender Genauigkeit möglich. Die Phasenlage reagiert weniger empfindlich auf störende Umgebungseinflüsse als die Amplitude der elektromagnetischen Strahlung der Lokalisierungssignale. Denkbar ist es auch, dass zunächst eine grobe Positionsbestimmung anhand der Amplitude erfolgt, wobei die Genauigkeit durch Bestimmung der Phasenlage verfeinert wird. Die Positionsbestimmung anhand der Phasenlage erlaubt auch eine höhere Genauigkeit als die Positionsbestimmung anhand der Signalamplitude. Aufgrund der Periodizität der elektromagnetischen Strahlung ist die Positionsbestimmung anhand der Phasenlage unter Umständen aber nicht eindeutig. Entweder muss ein beschränktes Messvolumen eingehalten werden, innerhalb dessen aus der Phasenlage eindeutig auf die Position zurückgeschlossen werden kann, oder es müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden. Hier kann eine Kombination der Messung der Signalamplitude mit der Messung der Phasenlage Abhilfe schaffen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die Nulldurchgänge des Lokalisierungssignals an den Orten der jeweiligen Empfangseinheiten während der Bewegung des Objektes zu zählen, um so eindeutig auf die korrekte Position zurückzuschließen.
Eine erfindungsgemäß eingesetzte Empfangseinrichtung umfasst typischerweise eine Antenne, die mit einer entsprechenden Empfangselektronik (HF- Netzwerk, Verstärker, Demodulator etc.) verbunden ist. Im Sinne der Erfindung ist die Angabe„Ort der Empfangseinrichtung" gleichbedeutend mit dem Ort der Antenne. Auf die Phase bzw. Amplitude der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der Antenne kommt es für die Positionsbestimmung an. Die Antenne kann von der zugehörigen Empfangselektronik räumlich getrennt sein, wobei die Antenne mit der Empfangselektronik z.B. über Kabel verbunden ist. Denkbar ist auch eine Variante, bei der mehrere Antennen mit einer mehrere Kanäle aufweisenden Empfangselektronik verbunden sind. Auch in diesem Fall gilt, dass im Sinne der Erfindung mit „Ort der Empfangseinrichtung" der Ort der jeweiligen Antenne gemeint ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Orientierung des mittels eines einzigen Transponders markierten Objektes mittels der Auswertungseinrichtung anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der Empfangseinrichtung. Diese Vorgehensweise macht sich zu Nutze, dass der Transponder eine charakteristische anisotrope Abstrahlcharakteristik aufweist. Entsprechend wirkt sich die Orientierung des Objektes im Raum (bestimmt durch die Winkel, die zumindest eine ausgezeichnete Achse des Objektes relativ zu den Koordinatenachsen einnimmt) auf die Phasenlage in definierter Weise aus. Dies kann zur Bestimmung der Orientierung ausgenutzt werden, selbst wenn das Objekt nur mit einem einzigen Transponder markiert ist. Gemäß einer sinnvollen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektromagnetische Strahlung des Lokalisierungssignals mittels zweier oder mehrerer an verschiedenen Orten befindlicher Empfangseinrichtungen W
empfangen wird, wobei mittels wenigstens eines Phasendetektors wenigstens ein von dem empfangenen Lokalisierungssignal abgeleiteter Phasendifferenz- wert erzeugt und zur Positionsbestimmung der Auswertungseinrichtung zugeführt wird. Aus dem von jeweils zwei verschiedenen Positionen aus empfangenen Lokalisierungssignal kann z.B. die Phasendifferenz gebildet werden. Es ist auch möglich, dass jeder Empfangseinrichtung ein Phasendetektor zugeordnet ist, welchem zur Phasendifferenzerzeugung ein mit dem Abfragesignal in konstanter Phasenbeziehung stehendes Referenzsignal zugeführt wird. Die Messung der Phasendifferenz an Stelle der absoluten Phasenlage ist von Vorteil, weil die von dem jeweiligen Transponder abgestrahlte elektromagnetische Strahlung des Lokalisierungssignals zunächst keine definierte absolute Phasenlage hat. Vorteilhafterweise können zur Messung der Phasendifferenzen handelsübliche und preiswerte Phasendetektoren, wie sie z.B. in PLL-Bausteinen zum Einsatz kommen, verwendet werden. Häufig sind in solche PLL-Bausteine bereits Signalverstärker zur Verstärkung der empfangenen Signale integriert.
Zweckmäßigerweise wird bei der Positionsbestimmung anhand der Phasendifferenzen so vorgegangen, dass die aus dem empfangenen Lokalisierungssignal abgeleiteten Phasendifferenzwerte mit (z.B. in der Auswertungseinrichtung gespeicherten) Referenz-Phasend ifferenzwerten verglichen werden. Es kann ein einfacher Vergleich, ggf. in Kombination mit einer Interpolation, mit den gespeicherten Referenz-Phasendifferenzwerten erfolgen, die entsprechend x-, y- und z-Koordinaten zur Positionsbestimmung zugeordnet sind. Alternativ kann die Positionsbestimmung mittels eines neuronalen Netzwerkes erfolgen, welchem die aus dem empfangenen Lokalisierungssignal generierten Phasendifferenzwerte als Eingangswerte zugeführt werden. Am Ausgang des neuronalen Netzes liegen dann die Raumkoordinaten an, aus denen sich die momentane Position der jeweiligen Markierung ergibt. Zweckmäßig wird vorab eine Kalibrierungsmessung durchgeführt, in der für eine Mehrzahl vorgegebener Positionen Referenz-Phasendifferenzwerte erfasst werden. Diese können einfach zusammen mit den Raumkoordinaten der vorgegebenen Positionen in einer entsprechenden Datenmatrix gespeichert werden. Ebenso kann auf der Basis der Kalibrierungsmessung das erwähnte neuronale Netzwerk trainiert werden. Sinnvoll ist es weiterhin, unabhängig von der Kalibrierung regelmäßig mit dem Objekt bzw. der Markierung einen vorgegebenen Referenzpunkt aufzusuchen. Dies kann genutzt werden, um in regelmäßigen Abständen einen Abgleich bezüglich des Koordinatenursprungs durchzuführen. Bei der Positionsbestimmung kann eine Verschiebung des Koordinatenursprungs durch eine einfache Vektoraddition ggf. sehr einfach kompensiert werden, ohne dass eine erneute vollständige Rekalibrierung nötig ist. Zum Zwecke der Kalibrierung können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von an fest vorgegebenen Positionen befindlichen Referenz-Transpondern vorgesehen sein, von denen Referenz-Phasendifferenzwerte erfasst werden. Damit ist eine kontinuierliche Kalibrierung möglich, um z.B. die Referenz-Phasendifferenzwerte für die Positionsbestimmung kontinuierlich an wechselnde Umgebungsbedingungen anzupassen. Hierzu kann die Kalibrierungsmessung regelmäßig zyklisch wiederholt werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das von dem Transponder abgestrahlte Lokalisierungssignal pulsförmig ist. Zweckmäßig wird das Ausgangssignal des Phasendetektors zunächst digitalisiert, und zwar mit einer Abtastfrequenz, die größer ist als die Pulsfrequenz des Lokalisierungssignals. Der Phasend ifferenzwert kann dann anhand der Ausgangssignale des Phasendetektors durch geeignete digitale Signalverarbeitung von dem empfangenen Lokalisierungssignal abgeleitet werden. Durch einen geeigneten Algorithmus für die Signalverarbeitung können effektiv Rauschen und sonstige Signalstörungen unterdrückt werden. Die von dem gemäß der Erfindung verwendeten RFID-Tag abgestrahlten Signale sind pulsförmig. Die digitale Datenübertragung zwischen RFID-Tag und Lesegerät erfolgt nämlich üblicherweise durch Signalpulse. Dies kann gemäß der Erfindung ausgenutzt werden, um die Phasendifferenzwerte, die, wie oben beschrieben, zur Positionsbestimmung benötigt werden, zuverlässig und rauscharm zu erfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Positionsbestimmung, mit wenigstens einem an einem Objekt anbringbaren Transponder, einer Sendeeinrichtung zur Abstrahlung eines von dem Transponder empfangbaren Abfragesignals, einer Mehrzahl von an verschiedenen Orten befindlichen Empfangseinrichtungen zum Empfangen eines von dem Transponder abgestrahlten Lokalisierungssignals, und einer Auswertungseinrichtung zur Analyse des empfangenen Lokalisierungssignals. Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Sendeeinrichtung zur intermittierenden Abstrahlung des Abfragesignals eingerichtet ist, wobei der Transponder das Lokalisierungssignal zumindest während der Sendepausen der Sendeeinrichtung abstrahlt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Systems ist die Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der räumlichen Position des Transponders durch Analyse des während der Sendepausen der Sendeeinrichtung empfangenen Lokalisierungssignals eingerichtet.
Weiter bevorzugt ist, dass bei dem erfindungsgemäßen System jeder Empfangseinrichtung ein Phasendetektor zugeordnet ist, dem zumindest während der Sendepausen der Sendeeinrichtung ein mit dem Abfragesignal in konstanter Phasenbeziehung stehendes Referenzsignal zugeführt wird. Das erfindungsgemäße System kann in verschiedenen Bereichen Verwendung finden.
In der Medizin (z.B. in den Bereichen interventionelle Radiologie, Neurochirurgie, Orthopädie oder Strahlentherapie) kann das System genutzt werden, um millimetergenau die Position eines mittels eines oder mehrerer RFID-Tags markierten medizinischen Instrumentes zu bestimmen. Die erfasste Position kann zum Zwecke der Navigation geeignet visualisiert werden, beispielsweise durch Ausgabe einer Darstellung des Instrumentes auf einem für den Operateur einsehbaren Bildschirm, wobei die Darstellung des Instrumentes medizinischen Bilddaten (z.B. Röntgen-, CT-, Ultraschall- oder MR-Bilder) überlagert wird. Weiterhin ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Systems in der instrumenteilen Analytik denkbar, und zwar zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung einer mittels wenigstens eines Transponders markierten Probe oder eines Probenbehälters. Der Transponder ermöglicht es zum Einen, die Position der Probe innerhalb einer entsprechenden analytischen Messanordnung zu bestimmen. Zum Anderen kann die Probe anhand des Transponders automatisch identifiziert werden.
Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße System zur Anwendung in der automatisierten Fertigungstechnik (z.B. in der Automobilindustrie oder auch in der Luft- und Raumfahrttechnik), zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines mittels wenigstens eines Transponders markierten Bauteils, Werkstücks oder Fertigungsautomaten. Auf diese Weise kann jederzeit die Position eines bestimmten (mittels des Transponders auch identifizierbaren) Werkstücks, das verarbeitet werden soll, oder Bauteils, das montiert werden soll, festgestellt werden, um entsprechend die verwendeten Fertigungsautomaten zu steuern. Auch die Position der Fertigungsautomaten selbst, d.h. z.B. die momentane Position, Stellung und Orientierung eines mit dem Fertigungsautomaten verbundenen Werkzeugs oder Greifers, kann erfasst und überwacht werden. Außerdem kann zum Zwecke der Qualitätssicherung nach erfolgter Verarbeitung oder Montage die ordnungsgemäße Position des Werkstücks bzw. Bauteils überprüft werden.
Weitere Anwendungsfelder der Erfindung ergeben sich im Bereich der Bewegungserfassung (englisch „Motion Capture"). Darunter versteht man Verfahren, die es ermöglichen, Bewegungen von Objekten, beispielsweise auch Bewegungen von Menschen, aufzuzeichnen und die aufgezeichneten Daten zu digitalisieren, so^ dass die digitalen Bewegungsdaten z.B. mittels eines Computers analysiert und gespeichert werden können. Häufig werden die registrierten digitalen Bewegungsdaten benutzt, um diese auf Computergenerierte Modelle des jeweiligen Objektes zu übertragen. Derartige Techniken sind heutzutage bei der Produktion von Filmen und Computerspielen üblich. Die digital erfassten Bewegungsdaten werden beispielsweise verwendet, um dreidimensionale animierte Grafiken Computer-gestützt zu berechnen. Durch Bewegungserfassung können komplexe Bewegungsabläufe mittels Computer analysiert werden, um mit vergleichsweise geringem Aufwand animierte Computergrafiken zu erzeugen oder auch um Geräte der Unterhaltungselektronik (z.B. Computerspielkonsolen) zu steuern. Mittels Bewegungserfassung können die verschiedensten Arten von Bewegungen erfasst werden, nämlich Rotationen, Translationen sowie auch Verformungen der untersuchten Objekte. Auch die Erfassung von Bewegungen in sich beweglicher Objekte, die, wie z. B. beim Menschen, mehrere Gelenke haben, die unabhängig voneinander Bewegungen ausführen können, ist möglich. Unter dem Oberbegriff der Bewegungserfassung fällt auch die sogenannten „Performance Capture"- Technik. Bei dieser Technik werden nicht nur die Körperbewegungen, sondern auch die Gesichtsausdrücke, d. h. die Mimik von Personen erfasst und mittels Computer analysiert und weiterverarbeitet. Gemäß der Erfindung werden zur Bewegungserfassung an dem jeweiligen Objekt eine oder mehrere RFID-Tags als Markierungen angebracht, deren räumliche Positionen erfasst und digitalisiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems als Blockdiagramm;
Figur 2: Zeitverlauf des gemäß der Erfindung intermittierend abgestrahlten Abfragesignals;
Figur 3: Ausgangssignal eines der Phasendetektoren in dem System gemäß Figur 1.
Das in der Figur 1 schematisch dargestellte System dient zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines medizinischen Instruments 1 , bei dem es sich z.B. um eine Biopsienadel handelt. An dem medizinischen Instrument 1 sind Transponder 2 und 2' in Form von handelsüblichen passiven RFID-Tags angeordnet, die als Markierungen zur Positionsbestimmung dienen. Das System umfasst eine Sendeeinrichtung 3, bei der es sich um ein ebenfalls handelsübliches Lesegerät für die RFID-Tags 2, 2' handelt. Die Sendeeinrichtung 3 strahlt über eine Antenne 4 ein Abfragesignal ab. Die elektromagnetische Strahlung des Abfragesignals wird von den Transpondern 2 und 2' empfangen. Hierzu weisen die Transponder 2 und 2' Antennen (nicht dargestellt) auf, in denen, sobald sie sich in dem elektromagnetischen Feld der Sendeeinrichtung 3 befinden, ein Induktionsstrom entsteht, durch den die Transponder 2 und 2' aktiviert werden. Die so aktivierten Transponder 2 und 2' erzeugen als Antwort auf das Abfragesignal ein Lokalisierungssignal, wiederum in Form von elektromagnetischer Strahlung. Das Lokalisierungssignal ist pulsförmig moduliert. Damit übertragen die Transponder 2 und 2' von der Sendeeinrichtung 3 abgefragte Daten, wie z.B. die jeweiligen Identifizierungsnummern der Transponder 2 und 2'. Gemäß der Erfindung wird das von den Transpondern 2 und 2' abgefragte Lokalisierungssignal zur Bestimmung der räumlichen Positionen der Transponder 2 und 2' und damit zur Bestimmung der Position und Orientierung des medizinischen Instrumentes 1 verwendet. Die Bestimmung der Orientierung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel durch Analyse der relativen Positionen der beiden Transponder 2 und 2'.
Die Lokalisierungssignale der Transponder 2 und 2' werden mittels Empfangseinrichtungen 5, die sich an verschiedenen Positionen im Raum befinden, empfangen. Hierzu weisen die Empfangseinrichtungen 5 geeignete Empfangsantennen 6 auf. Eine Auswertungseinrichtung 7 ist vorgesehen, die die empfangenen Lokalisierungssignale zur Bestimmung der Positionen der Transponder 2 und 2' analysiert. Gemäß der Erfindung strahlt die Sendeeinrichtung 3 das Abfragesignal intermittierend ab. Hierzu ist ein von der Auswertungseinrichtung 7 angesteuertes Schaltglied 8 vorgesehen, das die Sendeeinrichtung 3 je nach Schaltstellung mit der Antenne 4 verbindet oder von dieser trennt. Das Schaltglied 8 ermöglicht somit eine von der Auswertungseinrichtung 7 gesteuerte Austastung des Abfragesignals.
Jede der Empfangseinrichtungen 5 weist einen Phasendetektor auf, welcher einen von dem jeweils empfangenen Lokalisierungssignal abgeleiteten Phasendifferenzwert erzeugt. Zur Phasendifferenzerzeugung wird jedem Phasendetektor ein mit dem Abfragesignal der Sendeeinrichtung 3 in konstanter Phasenbeziehung stehendes Referenzsignal über eine mit der Sendeeinrichtung 3 verbundene Referenzsignalleitung 9 zugeführt. Die Bestimmung der räumlichen Positionen der Transponder 2 und 2' erfolgt mittels der Auswertungseinrichtung 7 anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der jeweiligen Empfangseinrichtung 5. Die Ausgänge der Phasendetektoren der Empfangseinrichtungen 5 sind mit Digitalmodulen 10 verbunden. Diese umfassen jeweils einen Analog- /Digitalwandler, der die Phasendifferenzwerte digitalisiert. Die digitalen Phasendifferenzwerte werden über einen Datenbus 11 , mit dem die Digitalmodule 10 verbunden sind, an die Auswertungseinrichtung 7 übertragen. Dort folgt dann die weitere Datenanalyse zur Positionsbestimmung. Wie in der Figur 1 angedeutet ist, ermöglicht die dargestellte Architektur des Systems eine nahezu beliebige Anzahl von Empfangseinrichtungen, die über den Datenbus 11 mit der Auswertungseinrichtung 7 verbunden sind. Die Empfangseinrichtungen 5 können flexibel entsprechend den Anforderungen im Raum verteilt werden, um eine zuverlässige Positionsbestimmung zu gewährleisten.
Gemäß der Erfindung verwendet die Auswertungseinrichtung 7 diejenigen Phasendifferenzwerte zur Positionsbestimmung, die während der Sendepausen der Sendeeinrichtung 3 empfangen werden, d.h. während derjenigen Zeitintervalle, während derer die Verbindung zwischen der Sendeeinrichtung 3 und der Antenne 4 mittels des Schaltglieds 8 unterbrochen ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Abfragesignal der Sendeeinrichtung 3 die Positionsbestimmung anhand der Lokalisierungssignale der Transponder 2 und 2' nicht beeinträchtigt.
Die Figur 2 illustriert das von der Sendeeinrichtung 3 über die Antenne 4 abgestrahlte Abfragesignal. Es ist zu erkennen, dass das Abfragesignal intermittierend abgestrahlt wird. Während eines Zeitraums von bis zu 5 ms ist das Schaltglied 8 geschlossen, d.h. während dieses Zeitraums wird das Abfragesignal der Sendeeinrichtung 3 ungehindert über die Antenne 4 abgestrahlt. Dann wird das Schaltglied 8 geöffnet, so dass die Verbindung zwischen Sendeeinrichtung 3 und Antenne 4 unterbrochen ist, und zwar während eines Zeitraums von 100 ps. Während dieses Zeitraums werden die Lokalisierungssignale der Transponder 2 und 2' über die Empfangseinrichtungen 5 empfangen und zur Positionsbestimmung mittels der Auswertungseinrichtung 7 analysiert. Die Erfindung macht sich, wie oben erläutert, die Erkenntnis zu Nutze, dass bei handelsüblichen RFID-Systemen das Abfragesignal der Sendeeinrichtung 3 (des Lesegerätes) während kurzer Zeiträume, nämlich ca. 100 bis 500 s, unterbrochen werden kann, ohne dass hierdurch die sonstige Kommunikation zwischen der Sendeeinrichtung 3 und den Transpondern 2 und 2' beeinträchtigt wird. Ausgenutzt wird insbesondere, dass die Transponder 2 und 2' nach der Anregung durch das Abfragesignal der Sendeeinrichtung 3 ausreichend Energie gespeichert haben, um das Lokalisierungssignal auch während der Sendepausen der Sendeeinrichtung 3 weiterhin abzustrahlen. Die Lokalisierungssignale können daher ohne störende Überlagerung durch das Abfragesignal erfindungsgemäß empfangen werden.
Bei der Positionsbestimmung anhand der digitalisierten Phasendifferenzwerte wird so vorgegangen, dass die Phasendifferenzwerte mittels der Auswertungseinrichtung 7 mit dort gespeicherten Referenz- Phasendifferenzwerten verglichen werden. Durch den Vergleich mit den gespeicherten Referenz-Phasendifferenzwerten werden die x-, y- und z- Koordinaten des jeweiligen Transponders 2 bzw. 2' ermittelt.
Das medizinische Instrument 1 befindet sich in einem Bereich, der durch Referenz-Transponder 12 definiert ist. Die Referenz-Transponder 12, bei denen es sich wiederum um handelsübliche RFID-Tags handelt, befinden sich an fest vorgegebenen Positionen. Kontinuierlich werden über das dargestellte System von den Lokalisierungssignalen der Referenz-Transponder 12 entsprechende Referenz-Phasendifferenzwerte abgeleitet. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Nachkalibrierung bei der Positionsbestimmung.
Die Figur 3 zeigt schematisch das Ausgangssignal eines der Phasendetektoren der Empfangseinrichtungen 5 (siehe Figur 1 ). Es ist zu erkennen, dass das jeweilige Ausgangssignal mit einem starken Rauschen versehen ist. Zu erkennen ist weiterhin, dass die Transponder 2 und 2' ein gepulstes Ausgangssignal abstrahlen. Die Signalpulse des Lokalisierungssignals finden ihre Entsprechung in den Signalpulsen am Ausgang der Phasendetektoren. Die gepulste Abstrahlung der Lokalisierungssignale der Transponder 2 und 2' dient zur Datenübertragung zwischen den Transpondern 2 und 2' und dem Lesegerät 3. Übertragen werden beispielsweise Identifikationsdaten der Transponder 2 und 2'. Dies ermöglicht es, die einzelnen Transponder 2 und 2' sowie auch die Referenz-Transponder 12 zu identifizieren. Die Positionsbestimmung kann somit mittels der Auswertungseinrichtung 7 für jeden Transponder 2, 2' bzw. 12 individuell erfolgen. Gemäß der Erfindung werden durch digitale Signalverarbeitung die Phasendifferenzwerte zuverlässig und rauscharm erfasst. Hierzu wird das in der Figur 3 dargestellte Ausgangssignal jedes Phasendetektors zunächst mittels der Digitalmodule 10 digitalisiert, und zwar mit einer Abtastfrequenz, die größer ist als die Pulsfrequenz des Lokalisierungssignals. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein verbleibendes schwaches Restsignal des Abfragesignals der Sendeeinrichtung 3, das auch während das Schaltglied 8 geöffnet ist über die Antenne 4 abgestrahlt wird, bei der Phasendifferenzbildung analysiert und eliminiert werden kann und die Positionsbestimmung auf diese Weise nicht durch das Restsignal beeinträchtigt oder verzerrt wird.
- Patentansprüche -

Claims

O 2012/031685 15 Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und/oder Orientierung eines mittels wenigstens eines Transponders (2, 2') markierten Objektes (1 ), wobei der Transponder (2, 2') ein von einer Sendeeinrichtung (3) abgestrahltes Abfragesignal empfängt und dadurch zur Abstrahlung eines Lokalisierungssignals angeregt wird, wobei das Lokalisierungssignal mittels wenigstens einer Empfangseinrichtung (5) empfangen und mittels einer Auswertungseinrichtung (7) zur Bestimmung der Position analysiert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sendeeinrichtung (3) das Abfragesignal intermittierend abstrahlt, wobei die Empfangseinrichtung (5) zumindest das von dem Transponder (2, 2') während der Sendepausen der Sendeeinrichtung (3) abgestrahlte Lokalisierungssignal empfängt und die Auswertungseinrichtung (7) daraus die Position bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder (2, 2') ein RFID-Tag mit einer Antenne ist, über die das Abfragesignal in Form von elektromagnetischer Strahlung empfangen und über die das Lokalisierungssignal in Form von elektromagnetischer Strahlung abgestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Sendepausen bis zu 500 ps, vorzugsweise bis zu 200 ps, besonders bevorzugt bis zu 100 ps beträgt. O 2012/031685
16
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position mittels der Auswertungseinrichtung (7) anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der Empfangseinrichtung (5) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Orientierung des mittels eines einzigen Transponders markierten Objektes (1 ) mittels der Auswertungseinrichtung (7) anhand der Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der Empfangseinrichtung (5) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine grobe Bestimmung der Position anhand der Amplitude der elektromagnetischen Strahlung des Lokalisierungssignals am Ort der Empfangseinrichtung (5) erfolgt, wobei danach die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch Bestimmung der Phasenlage erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung des Lokalisierungssignals mittels zweier oder mehrerer an verschiedenen Orten befindlicher Empfangseinrichtungen (5) empfangen wird, wobei mittels wenigstens eines Phasendetektors wenigstens ein oder mehrere von dem empfangenen Lokalisierungssignal abgeleitete Phasendifferenzwerte (ΔΦ) erzeugt und zur Positionsbestimmung der Auswertungseinrichtung (7) zugeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Empfangseinrichtung (5) ein Phasendetektor zugeordnet ist, welchem zur Phasendifferenzerzeugung ein mit dem Abfragesignal in konstanter Phasenbeziehung stehendes Referenzsignal zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Transponder (2, 2') abgestrahlte Lokalisierungssignal pulsförmig ist, wobei das Ausgangssignal des Phasendetektors digitalisiert wird, und zwar O 2012/031685
17 mit einer Abtastfrequenz, die größer ist als die Pulsfrequenz des Lokalisierungssignals.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Digitalwerten mittels digitaler Signalverarbeitung der Phasendifferenzwert (ΔΦ) bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung dadurch erfolgt, dass die von dem empfangenen Lokalisierungssignal abgeleiteten Phasendifferenzwerte (ΔΦ) mit in der Auswertungseinrichtung gespeicherten Referenz- Phasendifferenzwerten verglichen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierungsmessung durchgeführt wird, in der für eine Mehrzahl von an vorgegebenen Positionen befindlichen Referenz-Transpondern (12) Referenz- Phasendifferenzwerte erfasst werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kalibrierungsmessung wiederholt durchgeführt wird.
14. System zur Positionsbestimmung, mit wenigstens einem an einem Objekt (1 ) anbringbaren Transponder (2, 2'), einer Sendeeinrichtung (3) zur Abstrahlung eines von dem Transponder (2, 2') empfangbaren Abfragesignals, einer Mehrzahl von an verschiedenen Orten befindlichen Empfangseinrichtungen (5) zum Empfangen eines von dem Transponder (2, 2') abgestrahlten Lokalisierungssignals, und einer Auswertungseinrichtung (7) zur Analyse des empfangenen Lokalisierungssignals,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sendeeinrichtung (3) zur intermittierenden Abstrahlung des Abfragesignals eingerichtet ist, wobei der Transponder (2, 2') das Lokalisierungssignal zumindest während der Sendepausen der Sendeeinrichtung (3) abstrahlt. O 2012/031685
18
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (7) zur Bestimmung der räumlichen Position des Transponders (2, 2') durch Analyse des während der Sendepausen der Sendeeinrichtung (3) empfangenen Lokalisierungssignals eingerichtet ist.
16. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Empfangseinrichtung (5) ein Phasendetektor zugeordnet ist, dem zumindest während der Sendepausen der Sendeeinrichtung (3) ein mit dem Abfragesignal in konstanter Phasenbeziehung stehendes Referenzsignal zugeführt wird.
17. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 16 in der Medizin, zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines mittels wenigstens eines Transponders markierten medizinischen Instrumentes.
18. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 16 in der instrumenteilen Analytik, zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung einer mittels wenigstens eines Transponders markierten Probe.
19. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 16 in der automatisierten Fertigungstechnik, zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines mittels wenigstens eines Transponders markierten Bauteils, Werkstücks oder Fertigungsautomaten.
20. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 16 in der Unterhaltungselektronik, zur Erfassung der Position und/oder Orientierung eines mittels eines Transponders markierten Objektes, wobei ein Gerät der Unterhaltungselektronik anhand der erfassten Position und/oder Orientierung des Objektes gesteuert wird.
21. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 16 zur Erfassung der Bewegung einer Person, deren Körper an mehreren Stellen mittels Transpondern markiert ist.
- Zusammenfassung -
EP11760394.4A 2010-08-23 2011-08-22 Positionsbestimmung mittels rfid-tags Withdrawn EP2609446A1 (de)

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DE (1) DE102010035155A1 (de)
WO (1) WO2012031685A1 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2875457A2 (de) * 2012-07-19 2015-05-27 Koninklijke Philips N.V. Detektion von vorrichtungen bei medizinischen anwendungen
CN103904581A (zh) * 2014-04-18 2014-07-02 国家电网公司 一种地下电缆位置判断系统
EP2963901A1 (de) * 2014-07-03 2016-01-06 Nxp B.V. Tragbare Kommunikationsvorrichtung und Kommunikationsverfahren
CN106443580B (zh) * 2015-08-12 2019-07-02 中国人民解放军国防科学技术大学 一种测试方法及系统
EP3355782B1 (de) * 2015-10-02 2024-01-24 Elucent Medical, Inc. Systeme zur erkennung von signaletiketten
WO2017090107A1 (ja) * 2015-11-25 2017-06-01 オリンパス株式会社 カプセル内視鏡位置測定装置
DE102016108446A1 (de) * 2016-05-06 2017-11-09 Terex Mhps Gmbh System und Verfahren zur Bestimmung der Position eines Transportfahrzeugs sowie Transportfahrzeug
US10656263B2 (en) * 2017-09-14 2020-05-19 Qualcomm Incorporated Extended localization range and assets tracking
US20230297802A1 (en) * 2020-09-16 2023-09-21 Elucent Medical, Inc. Systems and methods comprising linked localization agents
CN113520517B (zh) * 2021-07-30 2022-10-11 重庆西山科技股份有限公司 具有信息识别功能的变向刀具组件及磨削手术系统
DE102021128885B4 (de) 2021-11-05 2024-02-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Robotersystem sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Funktransponders

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005101892A (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Sony Corp 通信システム、通信装置および通信方法、記録媒体、並びにプログラム
DE102006029122A1 (de) * 2006-06-22 2007-12-27 Amedo Gmbh System zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7663502B2 (en) * 1992-05-05 2010-02-16 Intelligent Technologies International, Inc. Asset system control arrangement and method
CN2239050Y (zh) * 1995-12-13 1996-10-30 披克(南京)电子技术有限公司 无源、免接触、免操作应答器的阅读器
WO1998016849A1 (en) * 1996-10-17 1998-04-23 Pinpoint Corporation Article tracking system
US6529164B1 (en) * 2000-03-31 2003-03-04 Ge Medical Systems Information Technologies, Inc. Object location monitoring within buildings
US6963301B2 (en) * 2002-08-19 2005-11-08 G-Track Corporation System and method for near-field electromagnetic ranging
CN100338478C (zh) * 2002-08-19 2007-09-19 Q－Track股份有限公司 用于近场电磁测距的系统和方法
EP1738295A1 (de) * 2004-03-03 2007-01-03 Caducys L.L.C. Interrogator und interrogationssystem damit
US7670553B2 (en) * 2005-03-24 2010-03-02 Siemens Healthcare Diagnostics Inc. Carousel system for automated chemical or biological analyzers employing linear racks
US8730011B2 (en) * 2005-07-14 2014-05-20 Biosense Webster, Inc. Wireless position transducer with digital signaling
KR101434295B1 (ko) * 2008-01-07 2014-09-25 삼성전자주식회사 디스플레이 장치에 표시된 화면의 일부분을 전자장치를통해 ｇｕｉ로 제공하는 방법 및 이를 적용한 전자장치
US20100148931A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Ravikanth Srinivasa Pappu Radio devices and communications

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005101892A (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Sony Corp 通信システム、通信装置および通信方法、記録媒体、並びにプログラム
DE102006029122A1 (de) * 2006-06-22 2007-12-27 Amedo Gmbh System zur Bestimmung der Position eines medizinischen Instrumentes

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